Ура́н-235 ( англ. uranium-235 ), историческое название актиноура́н ( лат. Actin Uranium , обозначается символом AcU ) — радиоактивный нуклид химического элемента урана с атомным номером 92 и массовым числом 235. Изотопная распространённость урана-235 в природе составляет 0,7200(51) % . Является родоначальником радиоактивного семейства 4n+3, называемого рядом актиния . Открыт в 1935 году в США Артуром Демпстером ( англ. Arthur Jeffrey Dempster ) .

В отличие от другого, наиболее распространённого изотопа урана ²³⁸ U , в ²³⁵ U возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция . Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах , а также в ядерном оружии .

Активность одного грамма данного нуклида составляет приблизительно 80 кБк .

Именно этот изотоп использовался в бомбе « Малыш » при ядерной бомбардировке Хиросимы .

Образование и распад

Уран-235 образуется в результате следующих распадов:

• β ⁻ -распад нуклида ( период полураспада составляет 24,44(11) мин):

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

• K-захват , осуществляемый нуклидом (период полураспада составляет 396,1(12) дня):

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

• α-распад нуклида ²³⁹ Pu (период полураспада составляет 2,411(3)⋅10 ⁴ лет):

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

Распад урана-235 происходит по следующим направлениям:

• α-распад в ²³¹ Th (вероятность 100 % , энергия распада 4 678,3(7) кэВ ):

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

• Спонтанное деление (вероятность 7(2)⋅10 ⁻⁹ %) ;
• Кластерный распад с образованием нуклидов ²⁰ Ne , и (вероятности соответственно составляют 8(4)⋅10 ⁻¹⁰ %, 8⋅10 ⁻¹⁰ %, 8⋅10 ⁻¹⁰ %) :

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

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

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

Вынужденное деление

В начале 1930-х годов Энрико Ферми проводил облучение урана нейтронами , преследуя цель получить таким образом трансурановые элементы . Но в 1939 году О. Ган и Ф. Штрассман смогли показать, что при поглощении нейтрона ядром урана происходит вынужденная реакция деления. Как правило, ядро делится на два осколка, при этом высвобождается 2—3 нейтрона (см. схему) .

В продуктах деления урана-235 было обнаружено около 300 изотопов различных элементов : от Z = 30 ( цинк ) до Z = 64 ( гадолиний ). Кривая зависимости относительного выхода изотопов, образующихся при облучении урана-235 медленными нейтронами, от массового числа — симметрична и по форме напоминает букву «M». Два выраженных максимума этой кривой соответствуют массовым числам 95 и 134, а минимум приходится на диапазон массовых чисел от 110 до 125. Таким образом, деление урана на осколки равной массы (с массовыми числами 115—119) происходит с меньшей вероятностью, чем асимметричное деление , такая тенденция наблюдается у всех делящихся изотопов и не связана с какими-то индивидуальными свойствами ядер или частиц, а присуща самому механизму деления ядра. Однако асимметрия уменьшается при увеличении энергии возбуждения делящегося ядра, и при энергии нейтрона более 100 МэВ распределение осколков деления по массам имеет один максимум, соответствующий симметричному делению ядра.

Осколки, образующиеся при делении ядра урана, в свою очередь являются радиоактивными, и подвергаются цепочке β ⁻ -распадов , при которых постепенно в течение длительного времени выделяется дополнительная энергия. Средняя энергия, выделяющаяся при распаде одного ядра урана-235 с учётом распада осколков, составляет приблизительно 202,5 МэВ = 3,244⋅10 ⁻¹¹ Дж , или 19,54 ТДж/ моль = 83,14 ТДж/кг .

Деление ядер — лишь один из множества процессов, возможных при взаимодействии нейтронов с ядрами, именно он лежит в основе работы любого ядерного реактора .

Цепная ядерная реакция

При распаде одного ядра ²³⁵ U обычно испускается от 1 до 8 (в среднем – 2,416) свободных нейтронов. Каждый нейтрон, образовавшийся при распаде ядра ²³⁵ U, при условии взаимодействия с другим ядром ²³⁵ U, может вызвать новый акт распада, это явление называется цепной реакцией деления ядра .

Гипотетически, число нейтронов второго поколения (после второго этапа распада ядер) может превышать 3² = 9. С каждым последующим этапом реакции деления количество образующихся нейтронов может нарастать лавинообразно. В реальных условиях свободные нейтроны могут не порождать новый акт деления, покидая образец до захвата ²³⁵ U, или будучи захваченными как самим изотопом ²³⁵ U с превращением его в ²³⁶ U, так и иными материалами (например, ²³⁸ U, или образовавшимися осколками деления ядер, такими как ¹⁴⁹ Sm или ¹³⁵ Xe).

Если в среднем каждый акт деления порождает ещё один новый акт деления, то реакция становится самоподдерживающейся; это состояние называется критическим (см. также Коэффициент размножения нейтронов ).

В реальных условиях достичь критического состояния урана не так просто, поскольку на протекание реакции влияет ряд факторов. Например, природный уран лишь на 0,72 % состоит из ²³⁵ U, 99,2745 % составляет ²³⁸ U , который поглощает нейтроны, образующиеся при делении ядер ²³⁵ U. Это приводит к тому, что в природном уране в настоящее время цепная реакция деления очень быстро затухает. Осуществить незатухающую цепную реакцию деления можно несколькими основными путями :

• увеличить объём образца (для выделенного из руды урана возможно достижение критической массы за счёт увеличения объёма);
• осуществить разделение изотопов , повысив концентрацию ²³⁵ U в образце;
• уменьшить потерю свободных нейтронов через поверхность образца с помощью применения различного рода отражателей;
• использовать вещество — замедлитель нейтронов для повышения концентрации тепловых нейтронов .

Изомеры

Известен единственный изомер ^235m U со следующими характеристиками :

• Избыток массы: 40 920,6(1,8) кэВ
• Энергия возбуждения: 76,5(4) эВ
• Период полураспада: 26 мин
• Спин и чётность ядра: 1/2 ⁺

Распад изомерного состояния осуществляется путём изомерного перехода в основное состояние.

Применение

• Уран-235 используется в качестве топлива для ядерных реакторов , в которых осуществляется управляемая цепная ядерная реакция деления;
• Уран с высокой степенью обогащения применяется для создания ядерного оружия . В этом случае для высвобождения большого количества энергии (взрыва) используется неуправляемая цепная ядерная реакция.

См. также

• Изотопы урана
• Разделение изотопов

Примечания