Rozszczepienie jądra to rozszczepienie ciężkiego atomu na dwa fragmenty o w przybliżeniu równej masie, któremu towarzyszy uwolnienie dużej ilości energii.
Odkrycie rozszczepienia jądrowego zapoczątkowało nową erę - "epokę atomową". Potencjał jego ewentualnego wykorzystania oraz stosunek ryzyka do korzyści z jego wykorzystania wygenerował nie tylko wiele osiągnięć socjologicznych, politycznych, gospodarczych i naukowych, ale także poważne problemy. Nawet z czysto naukowego punktu widzenia proces rozszczepienia jądra spowodował wiele zagadek i komplikacji, a pełne teoretyczne wyjaśnienie tego jest kwestią przyszłości.
Udostępnianie jest opłacalne
Energie wiązania (na nukleon) różnią się dla różnych jąder. Cięższe mają niższe energie wiązania niż te znajdujące się w środku układu okresowego.
Oznacza to, że ciężkie jądra o liczbie atomowej większej niż 100 korzystają z podziału na dwa mniejsze fragmenty, uwalniając w ten sposób energię, którazamieniane na energię kinetyczną fragmentów. Proces ten nazywa się rozszczepianiem jądra atomowego.
Zgodnie z krzywą stabilności, która pokazuje zależność liczby protonów od liczby neutronów dla stabilnych nuklidów, cięższe jądra preferują więcej neutronów (w porównaniu z liczbą protonów) niż lżejsze. Sugeruje to, że wraz z procesem rozszczepiania zostaną wyemitowane „zapasowe” neutrony. Ponadto przejmą również część uwolnionej energii. Badanie rozszczepienia jądrowego atomu uranu wykazało, że uwalniane są 3-4 neutrony: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Liczba atomowa (i masa atomowa) fragmentu nie jest równa połowie masy atomowej rodzica. Różnica między masami atomów powstałych w wyniku rozszczepienia wynosi zwykle około 50. Jednak przyczyna tego nie jest jeszcze w pełni zrozumiała.
Energie wiążące 238U, 145La i 90Br to 1803, odpowiednio 1198 i 763 MeV. Oznacza to, że w wyniku tej reakcji uwalniana jest energia rozszczepienia jądra uranu równa 1198 + 763-1803=158 MeV.
Spontaniczne rozszczepienie
Procesy spontanicznego rozszczepiania są znane w naturze, ale są one bardzo rzadkie. Średni czas życia tego procesu wynosi około 1017 lat, a na przykład średni czas trwania rozpadu alfa tego samego radionuklidu wynosi około 1011lat.
Powodem tego jest to, że aby podzielić się na dwie części, jądro musinajpierw ulegają deformacji (rozciąganiu) do kształtu elipsoidalnego, a następnie, przed ostatecznym rozszczepieniem na dwa fragmenty, tworzą pośrodku „szyjkę”.
Potencjalna bariera
W stanie odkształconym na rdzeń działają dwie siły. Jednym z nich jest zwiększona energia powierzchniowa (napięcie powierzchniowe kropli cieczy wyjaśnia jej kulisty kształt), a drugim odpychanie kulombowskie między fragmentami rozszczepienia. Razem tworzą potencjalną barierę.
Podobnie jak w przypadku rozpadu alfa, aby nastąpiło spontaniczne rozszczepienie jądra atomu uranu, fragmenty muszą pokonać tę barierę za pomocą tunelowania kwantowego. Bariera wynosi około 6 MeV, jak w przypadku rozpadu alfa, ale prawdopodobieństwo tunelowania cząstki α jest znacznie większe niż w przypadku znacznie cięższego produktu rozszczepienia atomu.
Podział wymuszony
Dużo bardziej prawdopodobne jest rozszczepienie jądra uranu. W tym przypadku jądro macierzyste jest napromieniowane neutronami. Jeśli rodzic ją wchłonie, wiążą się, uwalniając energię wiązania w postaci energii wibracyjnej, która może przekroczyć 6 MeV wymagane do pokonania bariery potencjału.
Gdy energia dodatkowego neutronu jest niewystarczająca do pokonania bariery potencjału, padający neutron musi mieć minimalną energię kinetyczną, aby móc wywołać rozszczepienie atomu. W przypadku 238U dodatkowa energia wiązanianeutronów brakuje około 1 MeV. Oznacza to, że rozszczepienie jądra uranu jest indukowane tylko przez neutron o energii kinetycznej większej niż 1 MeV. Z drugiej strony izotop 235U ma jeden niesparowany neutron. Gdy jądro wchłonie dodatkowy, tworzy z nim parę iw wyniku tego parowania pojawia się dodatkowa energia wiązania. To wystarczy, aby uwolnić ilość energii niezbędną do pokonania przez jądro bariery potencjału, a rozszczepienie izotopu następuje po zderzeniu z dowolnym neutronem.
Rozpad beta
Pomimo faktu, że reakcja rozszczepienia emituje trzy lub cztery neutrony, fragmenty nadal zawierają więcej neutronów niż ich stabilne izobary. Oznacza to, że fragmenty rozszczepienia są ogólnie niestabilne wobec rozpadu beta.
Na przykład, gdy następuje rozszczepienie uranu 238U, stabilny izobar z A=145 to neodym 145Nd, co oznacza, że fragment lantanu 145La rozpada się w trzech etapach, za każdym razem emitując elektron i antyneutrino, aż do utworzenia stabilnego nuklidu. Stabilny izobar z A=90 to cyrkon 90Zr, więc fragment rozszczepiający brom 90Br rozpada się w pięciu etapach łańcucha rozpadu β.
Te łańcuchy rozpadów β uwalniają dodatkową energię, z której prawie cała jest zabierana przez elektrony i antyneutrina.
Reakcje jądrowe: rozszczepienie jąder uranu
Bezpośrednie promieniowanie neutronu z nuklidu z zbytduża ich liczba zapewniająca stabilność jądra jest mało prawdopodobna. Chodzi o to, że nie ma odpychania kulombowskiego, a więc energia powierzchniowa ma tendencję do utrzymywania wiązania neutronu z rodzicem. Czasami jednak tak się dzieje. Na przykład fragment rozszczepienia 90Br w pierwszej fazie rozpadu beta wytwarza krypton-90, który może znajdować się w stanie wzbudzonym o energii wystarczającej do pokonania energii powierzchniowej. W takim przypadku emisja neutronów może zachodzić bezpośrednio z utworzeniem kryptonu-89. Ten izobar jest nadal niestabilny pod względem rozpadu β, dopóki nie zmieni się w stabilny itr-89, więc krypton-89 rozpada się w trzech etapach.
Rozszczepienie uranu: reakcja łańcuchowa
Neutrony emitowane w reakcji rozszczepienia mogą zostać wchłonięte przez inne jądro macierzyste, które następnie samo ulega indukowanemu rozszczepieniu. W przypadku uranu-238, trzy produkowane neutrony wychodzą z energią poniżej 1 MeV (energia uwalniana podczas rozszczepienia jądra uranu - 158 MeV - jest głównie zamieniana na energię kinetyczną fragmentów rozszczepienia).), więc nie mogą powodować dalszego rozszczepiania tego nuklidu. Jednakże, przy znacznym stężeniu rzadkiego izotopu 235U, te wolne neutrony mogą zostać wychwycone przez jądra 235U, które rzeczywiście mogą powodować rozszczepienie, ponieważ w tym przypadku nie ma progu energii, poniżej którego rozszczepienie nie jest indukowane.
To jest zasada reakcji łańcuchowej.
Rodzaje reakcji jądrowych
Niech k będzie liczbą neutronów wytworzonych w próbce materiału rozszczepialnego na etapie n tego łańcucha podzieloną przez liczbę neutronów wytworzonych na etapie n-1. etap n - 1, są wchłaniane przez jądro, które może ulec wymuszonemu rozszczepieniu.
• Jeśli k < wynosi 1, reakcja łańcuchowa po prostu zakończy się i proces zatrzyma się bardzo szybko. To jest dokładnie to, co dzieje się w naturalnej rudzie uranu, w której stężenie 235U jest tak niskie, że prawdopodobieństwo absorpcji jednego z neutronów przez ten izotop jest niezwykle znikome.
• Jeśli k > 1, reakcja łańcuchowa będzie rosła, aż cały materiał rozszczepialny zostanie wykorzystany (bomba atomowa). Osiąga się to poprzez wzbogacenie naturalnej rudy w celu uzyskania odpowiednio wysokiego stężenia uranu-235. Dla próbki kulistej wartość k wzrasta wraz ze wzrostem prawdopodobieństwa absorpcji neutronów, które zależy od promienia kuli. Dlatego masa U musi przekraczać pewną masę krytyczną, aby nastąpiło rozszczepienie jąder uranu (reakcja łańcuchowa).
• Jeśli k=1, zachodzi reakcja kontrolowana. Jest to stosowane w reaktorach jądrowych. Proces ten jest kontrolowany przez rozmieszczenie w uranie pręcików kadmu lub boru, które pochłaniają większość neutronów (pierwiastki te mają zdolność wychwytywania neutronów). Rozszczepienie jądra uranu jest automatycznie kontrolowane poprzez przesuwanie prętów tak, aby wartość k pozostała równa 1.
