Особый тип ядерных реакций представляют ядерные реакции деления элементов, расположенных в конце периодической системы химических элементов. В результате таких реакций выделяется огромное количество энергии. Почему это происходит? Обратимся к графику удельной энергии связи нуклонов.
Для тяжёлых ядер, например, таких, как уран-235, удельная энергия связи, приходящаяся на нуклон, составляет примерно 7,6 МэВ. Ядра химических элементов из середины периодической системы элементов Менделеева обладают максимальной удельной энергией связи — до 8,8 МэВ на нуклон. Таким образом, при расщеплении тяжёлого ядра на два три более лёгких осколка энергия связи, приходящаяся на каждый нуклон, увеличится на величину порядка 1 МэВ. А исходя из закона сохранения энергии, такое же количество энергии выделится при делении ядра. Следовательно, в ходе ядерной реакции, приводящей к появлению ядер с большей удельной энергией связи, должна выделяться энергия. Так, например, число нуклонов в каждом ядре изотопа урана равно 235. Значит, реакция расщепления одного ядра приводит к выделению более 200 МэВ энергии. Даже учитывая всевозможные потери, это число несравнимо с энергией в 1 эВ, выделяемой в химических реакциях окисления.
Выводы теоретиков нашли своё подтверждение в ходе многочисленных экспериментов в середине 20 века. Основной вопрос заключался в том, как заставить ядро делиться? Бомбардировка α-частицами или протонами неэффективна ввиду их сильного отталкивания ядром. Поскольку электроны представляют собой слишком лёгкие снаряды, то выбор пал на нейтроны. Они достаточно тяжёлые (по сравнению с электронами) и в то же время электрически нейтральны. Вследствие этого нейтроны могут беспрепятственно подлетать к ядру-мишени, двигаясь со сколь угодно малой скоростью. А попав в сферу действия ядерных сил притяжения, нейтрон проникает в ядро. В 1934 году Энрико Ферми, обстреливавший уран нейтронами, предположил, что при этом образуются трансурановые элементы, порядковый номер которых больше 92. И это предположение было общепризнанным, а распад тяжёлых ядер на более лёгкие элементы считался невозможным вплоть до 1938 года. В этом году немецкие учёные Отто Ган и Фриц Штрассман при поиске трансурановых элементов облучали уран нейтронами и в продуктах реакции нашли следы бария. 17 декабря 1938 года они провели решающий опыт, на основании которого Ган заключил, что ядро урана «лопается», распадаясь на более лёгкие элементы.
Вскоре после этого Отто Фриш и Лиза Мейтнер дали физическое объяснение процесса деления ядра урана, о чём Фриш незамедлительно сообщил Нильсу Бору, который на знаменитой конференции по теоретической физике в Вашингтоне 26 января 1939 года сообщил об открытии деления урана. Интересно, что многие физики, принимавшие участие в этой конференции, не дожидаясь конца доклада, один за другим стали покидать заседание, чтобы проверить сообщение в своих лабораториях.
Так было открыто расщепление ядра. Чтобы понять, почему ядро урана под действием нейтрона начинает делиться, представим его себе в виде капли заряженной жидкости. Тогда, согласно капельной модели, нейтрон при поглощении ядром передаёт ему дополнительную энергию (подобно нагреву капли жидкости), которая распределяется между всеми входящими в состав ядра нуклонами. Образуется новое промежуточное ядро, находящееся в возбуждённом состоянии. Ядерная «жидкость» начинает совершать колебания и ядро приобретает удлинённую форму типа гантели. Ядерные силы уже не в состоянии удержать все нуклоны вместе. И как только крайние части ядра во время колебаний отдаляются на расстояние, где ядерные силы уменьшаются, тогда ядро разделяется. При этом, как правило, образуется два тяжёлых осколка и два-три нейтрона, а также высвобождается двести мегаэлектронвольт энергии.
В 1940 году советские физики Георгий Николаевич Флёров и Константин Антонович Петржак обнаружили новый вид радиоактивных превращений — спонтанное деление ядер урана-238. Но для данного изотопа самопроизвольное деление — это очень редкий процесс. Например, в одном грамме такого урана происходит всего около 20 таких делений в час. Поэтому, что бы распалась хотя бы половина изначального количества ядер в данной массе, может потребоваться около 4,5 миллиардов лет.
При работе же крупной ядерной установки одновременно делится очень большое число ядер урана, поэтому выделяется огромная энергия. Но где взять необходимое для такого деления ядер число нейтронов? Эти нейтроны поставляет сам уран. Вспомните, что при делении изотопа урана-235, кроме двух тяжёлых осколков деления, выделяются и два-три нейтрона…
Теперь представим себе, что у нас есть некоторое количество ядер урана. Образовавшиеся в результате первого деления нейтроны смогут разделить новые ядра урана. Так, при определённых условиях процесс, начавшись однажды с одного нейтрона, может принять характер цепной реакции: за одним делением последуют другие и так далее.
