Çekirdeğin bölünmesi, ağır bir atomun büyük miktarda enerjinin serbest bırakılmasıyla birlikte yaklaşık olarak eşit kütleye sahip iki parçaya bölünmesidir.
Nükleer fisyonun keşfi yeni bir çağ başlattı - "atom çağı". Olası kullanım potansiyeli ve kullanımından yararlanma riskinin oranı, sosyolojik, politik, ekonomik ve bilimsel birçok kazanımın yanı sıra ciddi sorunlar da doğurmuştur. Tamamen bilimsel bir bakış açısından bile, nükleer fisyon süreci çok sayıda bulmaca ve komplikasyon yarattı ve bunun tam bir teorik açıklaması gelecek meselesi.
Paylaşmak kârlıdır
Bağlanma enerjileri (nükleon başına) farklı çekirdekler için farklılık gösterir. Daha ağır olanlar, periyodik tablonun ortasında bulunanlardan daha düşük bağlanma enerjilerine sahiptir.
Bu, atom numarası 100'den büyük olan ağır çekirdeklerin iki küçük parçaya bölünerek fayda sağladığı ve böylece enerjiyi serbest bıraktığı anlamına gelir.parçaların kinetik enerjisine dönüştürülür. Bu işleme atom çekirdeğinin bölünmesi denir.
Kararlı nüklidler için proton sayısının nötron sayısına bağımlılığını gösteren kararlılık eğrisine göre, daha ağır çekirdekler daha hafif olanlardan daha fazla nötronu (proton sayısına kıyasla) tercih eder. Bu, bölme işlemiyle birlikte bazı "yedek" nötronların yayılacağını gösterir. Ek olarak, salınan enerjinin bir kısmını da alacaklardır. Uranyum atomunun nükleer fisyon çalışması, 3-4 nötronun salındığını gösterdi: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Bir parçanın atom numarası (ve atom kütlesi), ebeveynin atom kütlesinin yarısına eşit değildir. Bölünme sonucu oluşan atomların kütleleri arasındaki fark genellikle 50 civarındadır. Ancak bunun nedeni henüz tam olarak anlaşılamamıştır.
238U, 145La ve 90Br'nin bağlanma enerjileri 1803, sırasıyla 1198 ve 763 MeV. Bu, bu reaksiyonun bir sonucu olarak, uranyum çekirdeğinin fisyon enerjisinin, 1198 + 763-1803=158 MeV'ye eşit olduğu anlamına gelir.
Kendiliğinden bölünme
Spontane bölünme süreçleri doğada bilinir, ancak bunlar çok nadirdir. Bu sürecin ortalama ömrü yaklaşık 1017 yıldır ve örneğin, aynı radyonüklidin alfa bozunmasının ortalama ömrü yaklaşık 1011'dir.yıl.
Bunun nedeni, çekirdeğin iki parçaya bölünebilmesi içinilk önce elips şeklinde bir deformasyona (gerilme) uğrar ve daha sonra, iki parçaya ayrılmadan önce ortada bir "boyun" oluşturur.
Potansiyel engel
Deforme durumda, çekirdeğe iki kuvvet etki eder. Bunlardan biri artan yüzey enerjisidir (bir sıvı damlasının yüzey gerilimi onun küresel şeklini açıklar), diğeri ise fisyon parçaları arasındaki Coulomb itmesidir. Birlikte potansiyel bir engel oluştururlar.
Alfa bozunması durumunda olduğu gibi, uranyum atom çekirdeğinin kendiliğinden fisyonunun gerçekleşmesi için, fragmanların kuantum tünelleme kullanarak bu engeli aşması gerekir. Bariyer, alfa bozunması durumunda olduğu gibi yaklaşık 6 MeV'dir, ancak bir α parçacığının tünelleme olasılığı, çok daha ağır bir atom fisyon ürünününkinden çok daha fazladır.
Zorunlu bölme
Uranyum çekirdeğinin fisyonunun indüklenmiş olması çok daha olası. Bu durumda, ana çekirdek nötronlarla ışınlanır. Ebeveyn onu emerse, bağlanırlar ve potansiyel bariyeri aşmak için gereken 6 MeV'yi aşabilen titreşim enerjisi şeklinde bağlanma enerjisini serbest bırakırlar.
İlave bir nötronun enerjisi potansiyel engeli aşmak için yetersiz olduğunda, gelen nötronun bir atomun bölünmesini indükleyebilmesi için minimum bir kinetik enerjiye sahip olması gerekir. 238U bağ enerjisi durumunda eknötronlar yaklaşık 1 MeV eksik. Bu, uranyum çekirdeğinin fisyonunun yalnızca kinetik enerjisi 1 MeV'den büyük olan bir nötron tarafından indüklendiği anlamına gelir. Öte yandan, 235U izotopunun eşleşmemiş bir nötronu vardır. Çekirdek bir tane daha emdiğinde, onunla bir çift oluşturur ve bu eşleşmenin bir sonucu olarak, ek bağlanma enerjisi ortaya çıkar. Bu, çekirdeğin potansiyel bariyeri aşması için gerekli enerji miktarını serbest bırakmaya yeterlidir ve herhangi bir nötron ile çarpışma üzerine izotop fisyon meydana gelir.
Beta Bozulması
Fisyon reaksiyonunun üç veya dört nötron yaymasına rağmen, parçalar hala kararlı izobarlarından daha fazla nötron içerir. Bu, fisyon fragmanlarının genellikle beta bozunmasına karşı kararsız olduğu anlamına gelir.
Örneğin, uranyum bölünmesi meydana geldiğinde 238U, A=145 olan kararlı izobar neodimyumdur 145Nd, yani lantan parçası 145La, kararlı bir nüklid oluşana kadar her seferinde bir elektron ve bir antinötrino yayarak üç aşamada bozunur. A=90 olan kararlı izobar, zirkonyum 90Zr'dir, bu nedenle ayrılan brom 90Br β-bozunma zincirinin beş aşamasında bozunur.
Bu β-bozunma zincirleri, neredeyse tamamı elektronlar ve antinötrinolar tarafından taşınan ek enerji açığa çıkarır.
Nükleer reaksiyonlar: uranyum çekirdeğinin bölünmesi
Bir nüklidden bir nötronun doğrudan radyasyonuçok sayıda çekirdeğin istikrarını sağlamak olası değildir. Buradaki nokta, Coulomb itmesi olmamasıdır ve bu nedenle yüzey enerjisi, nötronu ebeveyn ile bağda tutma eğilimindedir. Ancak, bu bazen olur. Örneğin, beta bozunmasının ilk aşamasında 90Br fisyon parçası, yüzey enerjisinin üstesinden gelmek için yeterli enerjiyle uyarılmış bir durumda olabilen kripton-90 üretir. Bu durumda, nötronların emisyonu doğrudan kripton-89 oluşumu ile gerçekleşebilir. Bu izobar, kararlı itriyum-89'a dönüşene kadar β bozunması için hala kararsızdır, bu nedenle kripton-89 üç adımda bozunur.
Uranyum fisyon: zincirleme reaksiyon
Bir fisyon reaksiyonunda yayılan nötronlar, daha sonra kendisi indüklenmiş fisyona maruz kalan başka bir ana çekirdek tarafından emilebilir. Uranyum-238 durumunda, üretilen üç nötron, 1 MeV'den daha az bir enerjiyle ortaya çıkar (uranyum çekirdeğinin fisyonunda açığa çıkan enerji - 158 MeV - esas olarak fisyon parçalarının kinetik enerjisine dönüştürülür.), bu nedenle bu nüklidin daha fazla bölünmesine neden olamazlar. Bununla birlikte, 235U nadir izotopunun önemli bir konsantrasyonu ile, bu serbest nötronlar, gerçekten fisyona neden olabilen 235U çekirdeği tarafından yakalanabilir, çünkü bu durumda altında fisyonun indüklenmediği bir enerji eşiği yoktur.
Bu zincirleme reaksiyon prensibidir.
Nükleer reaksiyon türleri
k, bu zincirin n aşamasında bölünebilen bir malzeme örneğinde üretilen nötronların sayısı, n - 1 aşamasında üretilen nötronların sayısına bölümü olsun. Bu sayı, kaç tane nötron üretildiğine bağlı olacaktır. evre n - 1, çekirdek tarafından emilir ve bu da zorunlu fisyona uğrayabilir.
• k < 1 ise, zincirleme reaksiyon basitçe sönecek ve işlem çok hızlı bir şekilde duracaktır. 235U konsantrasyonunun o kadar düşük olduğu ve nötronlardan birinin bu izotop tarafından absorplanma olasılığının son derece ihmal edilebilir olduğu doğal uranyum cevherinde tam olarak olan budur.
• k > 1 ise, zincirleme reaksiyon tüm bölünebilir malzeme kullanılana kadar (atom bombası) büyüyecektir. Bu, yeterince yüksek bir uranyum-235 konsantrasyonu elde etmek için doğal cevheri zenginleştirerek elde edilir. Küresel bir numune için, k'nin değeri, kürenin yarıçapına bağlı olan nötron absorpsiyon olasılığının artmasıyla artar. Bu nedenle, uranyum çekirdeklerinin fisyonunun (bir zincirleme reaksiyon) meydana gelmesi için U'nun kütlesinin bir miktar kritik kütleyi aşması gerekir.
• k=1 ise, kontrollü bir reaksiyon gerçekleşir. Bu nükleer reaktörlerde kullanılır. İşlem, nötronların çoğunu emen uranyum arasında kadmiyum veya bor çubuklarının dağıtılmasıyla kontrol edilir (bu elementler nötronları yakalama yeteneğine sahiptir). Uranyum çekirdeğinin bölünmesi, çubukların k değerinin bire eşit kalması için hareket ettirilmesiyle otomatik olarak kontrol edilir.
