Уран-235

Уран-235
Металічний уран, збагачений ураном-235 Таблиця ізотопів
Загальні відомості
Назва, символ	актиноура́н, AcU,²³⁵U
Нейтронів	143
Протонів	92
Властивості ізотопу
Природна концентрація	0,7200(51) %^[1]
Період напіврозпаду	7,04(1)× 10⁸^[1] років
Батьківські ізотопи	²³⁵Pa ²³⁵Np ²³⁹Pu
Продукти розпаду	²³¹Th
Атомна маса	235,0439299(20)^[2] а.о.м
Спін	7/2⁻^[1]
Дефект маси	40 920,5(18)^[2] кеВ
Канал розпаду	Енергія розпаду
α-розпад	4,6783(7)^[2] МеВ
SF
20Ne, 25Ne, 28Mg

Уран 235 (лат. Uranium-235, 235U), історична назва актиноура́н (лат. Actin Uranium, позначається символом AcU) — ізотоп урану з масовим числом 235. Ізотопна поширеність урану-235 в природі складає 0,7200(51) %^[1]. Є родоначальником радіоактивного сімейства 4n+3, який називається рядом актинію. Відкритий у 1935 році Артуром Джефрі Демпстером^[en] (англ. Arthur Jeffrey Dempster)^[3]^[4].

Діаграма атома U-235 із 92 протонами, 143 нейтронами та 92 електронами.

На відміну від іншого, найбільш поширеного ізотопу урану 238U, в 235U можлива самопідтримувана ланцюгова ядерна реакція. Тому цей ізотоп використовується як паливо в ядерних реакторах, а також в ядерній зброї. Це єдиний розщеплювальний ізотоп, що присутній в природі у невеликій кількості.

Активність одного граму даного нукліду становить приблизно 80 кБк.

Утворення і розпад

Уран-235 утворюється в результаті наступних розпадів:

β⁻-розпад нукліду 235Pa (період напіврозпаду складає 24,44(11)^[1] хв):

\mathrm {^{235}_{\ 91}Pa} \rightarrow \mathrm {^{235}_{\ 92}U} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e};

K-захват, здійснюваний нуклідом 235Np (період напіврозпаду складає 396,1(12)^[1] днів):

\mathrm {^{235}_{\ 93}Np} +e^{-}\rightarrow \mathrm {^{235}_{\ 92}U} +{\bar {\nu }}_{e};

α-розпад нукліду 239Pu (період напіврозпаду складає 2,411(3)× 10⁴^[1] років):

\mathrm {^{239}_{\ 94}Pu} \rightarrow \mathrm {^{235}_{\ 92}U} +\mathrm {^{4}_{2}He} .

Розпад урану-235 відбувається за наступними напрямками:

α-розпад в 231Th (ймовірність 100 %^[1], енергія розпаду 4 678,3(7) кеВ^[2]):

\mathrm {^{235}_{\ 92}U} \rightarrow \mathrm {^{231}_{\ 90}Th} +\mathrm {^{4}_{2}He} ;

Спонтанний поділ (ймовірність 7(2)× 10⁻⁹ %)^[1];
Кластерний розпад з утворенням нуклідів 20Ne, 25Ne і 28Mg(інші мови) (ймовірності відповідно складають 8(4)× 10⁻¹⁰ %, 8× 10⁻¹⁰ %, 8× 10⁻¹⁰ %)^[1]:

\mathrm {^{235}_{\ 92}U} \rightarrow \mathrm {^{215}_{\ 82}Pb} +\mathrm {^{20}_{10}Ne} ;

\mathrm {^{235}_{\ 92}U} \rightarrow \mathrm {^{210}_{\ 82}Pb} +\mathrm {^{25}_{10}Ne} ;

\mathrm {^{235}_{\ 92}U} \rightarrow \mathrm {^{207}_{\ 80}Hg} +\mathrm {^{28}_{12}Mg} .

Вимушений поділ

Докладніше: Поділ ядра

Один з варіантів вимушеного поділу урану-235 після поглинання нейтрона (схема)

На початку 1930-х рр. Енріко Фермі проводив опромінення урану нейтронами, намагаючись отримати таким способом трансуранові елементи. Але в 1939 р. О. Ган і Ф. Штрасман змогли показати, що при поглинанні нейтрона ядром урану відбувається вимушена реакція поділу. Як правило, ядро ділиться на два уламки, при цьому вивільняється 2-3 нейтрона (див. схему)^[5].

В продуктах поділу урану-235 було виявлено близько 300 ізотопів різних елементів: від Z=30 (цинк) до Z=64 (гадоліній). Крива залежності відносного виходу ізотопів, що утворюються при опроміненні урану-235 повільними нейтронами, від масового числа — симетрична і за формою нагадує букву «M». Два виражених максимуми цієї кривої відповідають масовим числам 95 і 134, а мінімум припадає на діапазон масових чисел від 110 до 125. Таким чином, поділ урану на осколки рівної маси (з масовими числами 115-119) відбувається з меншою ймовірністю, ніж асиметричний поділ^[5], така тенденція спостерігається у всіх ізотопів, що діляться, і не пов'язана з якими-небудь індивідуальними властивостями ядер або частинок, а властива самому механізму поділу ядра. Однак асиметрія зменшується при збільшенні енергії збудження ядра, яке ділиться, і при енергії нейтрона понад 100 МеВ розподіл осколків поділу за масами має один максимум, що відповідає симетричному поділу ядра.

Осколки, що утворюються при поділі ядра урану, в свою чергу є радіоактивними, і зазнають ряду β⁻-розпадів, при яких поступово протягом тривалого часу виділяється додаткова енергія. Середня енергія, яка виділяється при розпаді одного ядра урану-235 з врахуванням розпадів осколків, становить приблизно 202,5 МеВ = 3,244× 10⁻¹¹ Дж, або 19,54 ТДж/моль = 83,14 ТДж/кг^[6].

Поділ ядер — лише один з багатьох процесів, можливих при взаємодії нейтронів з ядрами, саме він лежить в основі роботи будь-якого ядерного реактора^[7].

Ланцюгова ядерна реакція

Докладніше: Ланцюгова ядерна реакція

При розпаді одного ядра 235U зазвичай випускається від 1 до 8 (в середньому — 2.5) вільних нейтронів. Кожен нейтрон, що утворився при розпаді ядра 235U, за умови взаємодії з іншим ядром 235U, може викликати новий акт розпаду, це явище називається ланцюговою реакцією поділу ядра.

Гіпотетично, кількість нейтронів другого покоління (після другого етапу розпаду ядер) може перевищувати 3² = 9. З кожним наступним етапом реакції поділу кількість утворених нейтронів може наростати лавиноподібно. В реальних умовах вільні нейтрони можуть не породжувати новий акт поділу, покидаючи зразок до захоплення 235U, або будучи захопленими як самим ізотопом 235U з перетворенням його в 236U, так і іншими матеріалами (наприклад, 238U, або утвореними уламками поділу ядер, такими як ¹⁴⁹Sm(інші мови) або ¹³⁵Xe(інші мови)).

Якщо в середньому кожен акт поділу породжує ще один новий акт поділу, то реакція стає самопідтримуваною; цей стан називається критичним (див. також Коефіцієнт розмноження нейтронів).

В реальних умовах досягти критичного стану урану не так просто, оскільки на протікання реакції впливає ряд факторів. Наприклад, природний уран лише на 0,72 % складається з 235U, 99,2745 % складає 238U^[1], який поглинає нейтрони, що утворюються при поділі ядер 235U. Це призводить до того, що в природному урані в даний час ланцюгова реакція поділу дуже швидко затухає. Здійснити незатухаючу ланцюгову реакцію поділу можна декількома основними шляхами^[5]:

Збільшити об'єм зразка (для виділеного з руди урану можливе досягнення критичної маси за рахунок збільшення об'єму);
Здійснити розділення ізотопів, підвищуючи концентрацію 235U у зразку;
Зменшити втрату вільних нейтронів через поверхню взірця з допомогою застосування різних відбивачів;
Використовувати речовину — сповільнювач нейтронів для підвищення концентрації теплових нейтронів.

Ізомери

Відомий єдиний ізомер 235U^m з наступними характеристиками^[1]:

Надлишок маси: 40 920,6(1,8) кеВ
Енергія збудження: 76,5(4) еВ
Період напіврозпаду: 26 хв
Спін і парність ядра: 1/2⁺

Розпад ізомерного стану здійснюється шляхом ізомерного переходу в основний стан.

Застосування

Уран-235 використовується як паливо для ядерних реакторів, в яких здійснюється керована ланцюгова ядерна реакція поділу;
Уран з високим ступенем збагачення застосовується для створення ядерної зброї. В цьому випадку для вивільнення великої кількості енергії (вибуху) використовується некерована ланцюгова ядерна реакція.

Див. також

Примітки

↑ ^а ^б ^в ^г ^д ^е ^ж ^и ^к ^л ^м ^н Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A. — 2003. — Vol. 729. — P. 3–128. — Bibcode:2003NuPhA.729....3A. — DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.(англ.)
↑ ^а ^б ^в ^г Audi G., Wapstra A. H., Thibault C. The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references. // Nuclear Physics A. — 2003. — Vol. 729. — P. 337—676. — Bibcode:2003NuPhA.729..337A. — DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003.(англ.)
↑ Гофман К. Можно ли сделать золото?. — 2-е изд. стер. — Л. : Химия, 1987. — С. 130. — 50 000 прим.(рос.)
↑ Today in science history [Архівовано 13 червня 2002 у Wayback Machine.](англ.)
↑ ^а ^б ^в Фиалков Ю. Я. Применение изотопов в химии и химической промышленности. — Киев : Техніка, 1975. — С. 87. — 2 000 прим.(рос.)
↑ Table of Physical and Chemical Constants, Sec 4.7.1: Nuclear Fission. Kaye & Laby Online. Архів оригіналу за 8 квітня 2012. Процитовано 4 серпня 2015.(англ.)
↑ Бартоломей Г. Г., Байбаков В. Д., Алхутов М. С., Бать Г. А. Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов. — М. : Энергоатомиздат, 1982. — С. 512.(рос.)

[Nubase2003-1] а ^б ^в ^г ^д ^е ^ж ^и ^к ^л ^м ^н Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A. — 2003. — Vol. 729. — P. 3–128. — Bibcode:2003NuPhA.729....3A. — DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.(англ.)

[AME2003-2] а ^б ^в ^г Audi G., Wapstra A. H., Thibault C. The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references. // Nuclear Physics A. — 2003. — Vol. 729. — P. 337—676. — Bibcode:2003NuPhA.729..337A. — DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003.(англ.)

[3] Гофман К. Можно ли сделать золото?. — 2-е изд. стер. — Л. : Химия, 1987. — С. 130. — 50 000 прим.(рос.)

[4] Today in science history [Архівовано 13 червня 2002 у Wayback Machine.](англ.)

[fialkov-5] а ^б ^в Фиалков Ю. Я. Применение изотопов в химии и химической промышленности. — Киев : Техніка, 1975. — С. 87. — 2 000 прим.(рос.)

[6] Table of Physical and Chemical Constants, Sec 4.7.1: Nuclear Fission. Kaye & Laby Online. Архів оригіналу за 8 квітня 2012. Процитовано 4 серпня 2015.(англ.)

[Б-7] Бартоломей Г. Г., Байбаков В. Д., Алхутов М. С., Бать Г. А. Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов. — М. : Энергоатомиздат, 1982. — С. 512.(рос.)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]