Ang
Fission of a nucleus ay ang paghahati ng isang mabigat na atom sa dalawang fragment na humigit-kumulang pantay na masa, na sinamahan ng paglabas ng malaking halaga ng enerhiya.
Ang pagtuklas ng nuclear fission ay nagsimula ng isang bagong panahon - ang "panahon ng atomic". Ang potensyal ng posibleng paggamit nito at ang ratio ng panganib upang makinabang mula sa paggamit nito ay hindi lamang nakabuo ng maraming sosyolohikal, pampulitika, pang-ekonomiya at pang-agham na mga tagumpay, kundi pati na rin ang mga seryosong problema. Kahit na mula sa isang purong pang-agham na pananaw, ang proseso ng nuclear fission ay lumikha ng isang malaking bilang ng mga palaisipan at komplikasyon, at ang kumpletong teoretikal na pagpapaliwanag nito ay isang usapin ng hinaharap.
Ang pagbabahagi ay kumikita
Ang mga nagbubuklod na energies (bawat nucleon) ay naiiba para sa iba't ibang nuclei. Ang mas mabibigat ay may mas mababang binding energies kaysa sa mga nasa gitna ng periodic table.
Ito ay nangangahulugan na ang mabibigat na nuclei na may atomic number na higit sa 100 ay nakikinabang sa paghahati sa dalawang mas maliliit na fragment, sa gayon ay naglalabas ng enerhiya nana-convert sa kinetic energy ng mga fragment. Ang prosesong ito ay tinatawag na paghahati ng atomic nucleus.
Ayon sa stability curve, na nagpapakita ng pagdepende ng bilang ng mga proton sa bilang ng mga neutron para sa mga stable na nuclides, mas gusto ng mas mabibigat na nuclei ang mas maraming neutron (kumpara sa bilang ng mga proton) kaysa sa mas magaan. Iminumungkahi nito na kasama ang proseso ng paghahati, ang ilang "mga ekstrang" neutron ay ilalabas. Bilang karagdagan, kukuha din sila ng ilan sa inilabas na enerhiya. Ang pag-aaral ng nuclear fission ng uranium atom ay nagpakita na 3-4 na neutron ang pinakawalan: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Ang atomic number (at atomic mass) ng isang fragment ay hindi katumbas ng kalahati ng atomic mass ng parent. Ang pagkakaiba sa pagitan ng mga masa ng mga atom na nabuo bilang resulta ng paghahati ay kadalasang humigit-kumulang 50. Gayunpaman, ang dahilan nito ay hindi pa ganap na nauunawaan.
Ang binding energies ng 238U, 145La at 90Br ay 1803, 1198 at 763 MeV, ayon sa pagkakabanggit. Nangangahulugan ito na bilang resulta ng reaksyong ito, ang enerhiya ng fission ng uranium nucleus ay inilabas, katumbas ng 1198 + 763-1803=158 MeV.
Spontaneous fission
Ang mga proseso ng kusang paghahati ay kilala sa kalikasan, ngunit napakabihirang nito. Ang average na tagal ng prosesong ito ay humigit-kumulang 1017 taon, at, halimbawa, ang average na buhay ng alpha decay ng parehong radionuclide ay humigit-kumulang 1011taon.
Ang dahilan nito ay upang hatiin sa dalawang bahagi, ang kernel ay dapatdumaan muna sa pagpapapangit (stretch) sa isang hugis ellipsoidal, at pagkatapos, bago ang huling paghahati sa dalawang fragment, bumuo ng isang "leeg" sa gitna.
Potensyal na hadlang
Sa deformed state, dalawang puwersa ang kumikilos sa core. Ang isa sa mga ito ay ang tumaas na enerhiya sa ibabaw (ang pag-igting sa ibabaw ng isang likidong patak ay nagpapaliwanag sa spherical na hugis nito), at ang isa pa ay ang Coulomb repulsion sa pagitan ng mga fission fragment. Magkasama silang nagdudulot ng potensyal na hadlang.
Tulad ng kaso ng alpha decay, para mangyari ang kusang fission ng uranium atom nucleus, dapat malampasan ng mga fragment ang hadlang na ito gamit ang quantum tunneling. Ang hadlang ay humigit-kumulang 6 MeV, tulad ng kaso ng alpha decay, ngunit ang posibilidad ng pag-tunnel ng isang α particle ay mas malaki kaysa sa mas mabigat na atom fission na produkto.
Sapilitang paghihiwalay
Mas malamang ay induced fission ng uranium nucleus. Sa kasong ito, ang parent nucleus ay irradiated na may neutrons. Kung ang magulang ay sumisipsip nito, sila ay nagbibigkis, na naglalabas ng nagbubuklod na enerhiya sa anyo ng vibrational energy na maaaring lumampas sa 6 na MeV na kinakailangan upang malampasan ang potensyal na hadlang.
Kung saan ang enerhiya ng karagdagang neutron ay hindi sapat upang mapagtagumpayan ang potensyal na hadlang, ang insidente na neutron ay dapat na may pinakamababang kinetic energy upang magawang mahikayat ang paghahati ng isang atom. Sa kaso ng 238U bond energy karagdagangang mga neutron ay nawawala ng humigit-kumulang 1 MeV. Nangangahulugan ito na ang fission ng uranium nucleus ay naiimpluwensyahan lamang ng isang neutron na may kinetic energy na higit sa 1 MeV. Sa kabilang banda, ang isotope 235U ay may isang hindi nakapares na neutron. Kapag ang nucleus ay sumisipsip ng karagdagang isa, ito ay bumubuo ng isang pares kasama nito, at bilang resulta ng pagpapares na ito, ang karagdagang nagbubuklod na enerhiya ay lilitaw. Ito ay sapat na upang mailabas ang dami ng enerhiya na kailangan para sa nucleus upang madaig ang potensyal na hadlang at ang isotope fission ay nangyayari sa pagbangga sa anumang neutron.
Beta Decay
Sa kabila ng katotohanan na ang reaksyon ng fission ay naglalabas ng tatlo o apat na neutron, ang mga fragment ay naglalaman pa rin ng mas maraming neutron kaysa sa kanilang mga matatag na isobar. Nangangahulugan ito na ang mga fission fragment ay karaniwang hindi matatag laban sa beta decay.
Halimbawa, kapag nangyari ang uranium fission 238U, ang stable isobar na may A=145 ay neodymium 145Nd, ibig sabihin, ang lanthanum fragment 145La ay nabubulok sa tatlong yugto, sa bawat oras na naglalabas ng electron at antineutrino, hanggang sa mabuo ang isang stable na nuclide. Ang stable isobar na may A=90 ay zirconium 90Zr, kaya ang splitting fragment bromine 90Br ay nabubulok sa limang yugto ng β-decay chain.
Ang mga β-decay chain na ito ay naglalabas ng karagdagang enerhiya, halos lahat ay dinadala ng mga electron at antineutrino.
Mga reaksyong nuklear: fission ng uranium nuclei
Direktang radiation ng isang neutron mula sa isang nuclide dinisang malaking bilang ng mga ito upang matiyak na ang katatagan ng kernel ay hindi malamang. Ang punto dito ay walang Coulomb repulsion, at sa gayon ang enerhiya sa ibabaw ay may posibilidad na panatilihin ang neutron sa bono sa magulang. Gayunpaman, kung minsan ito ay nangyayari. Halimbawa, ang fission fragment 90Br sa unang yugto ng beta decay ay gumagawa ng krypton-90, na maaaring nasa isang excited na estado na may sapat na enerhiya upang madaig ang enerhiya sa ibabaw. Sa kasong ito, ang paglabas ng mga neutron ay maaaring mangyari nang direkta sa pagbuo ng krypton-89. Ang isobar na ito ay hindi pa rin matatag sa β decay hanggang sa maging stable na yttrium-89, kaya ang krypton-89 ay nabubulok sa tatlong hakbang.
Uranium fission: chain reaction
Ang mga neutron na ibinubuga sa isang fission reaction ay maaaring ma-absorb ng isa pang parent nucleus, na kung saan ay sumasailalim mismo sa induced fission. Sa kaso ng uranium-238, ang tatlong neutron na ginawa ay lumalabas na may enerhiya na mas mababa sa 1 MeV (ang enerhiya na inilabas sa panahon ng fission ng uranium nucleus - 158 MeV - ay pangunahing na-convert sa kinetic energy ng mga fragment ng fission.), kaya hindi sila maaaring maging sanhi ng karagdagang fission ng nuclide na ito. Gayunpaman, na may malaking konsentrasyon ng bihirang isotope 235U, ang mga libreng neutron na ito ay maaaring makuha ng nuclei 235U, na maaari talagang maging sanhi ng fission, dahil sa kasong ito, walang energy threshold sa ibaba kung saan hindi naiimpluwensyahan ang fission.
Ito ang prinsipyo ng chain reaction.
Mga uri ng nuclear reaction
Hayaan ang k ang bilang ng mga neutron na ginawa sa isang sample ng fissile material sa stage n ng chain na ito, na hinati sa bilang ng mga neutron na ginawa sa stage n - 1. Ang bilang na ito ay depende sa kung gaano karaming mga neutron ang ginawa sa stage n - 1, ay hinihigop ng nucleus, na maaaring sumailalim sa sapilitang fission.
• Kung ang k < ay 1, ang chain reaction ay mawawala at ang proseso ay hihinto nang napakabilis. Ganito mismo ang nangyayari sa natural na uranium ore, kung saan ang konsentrasyon ng 235U ay napakababa na ang posibilidad ng pagsipsip ng isa sa mga neutron ng isotope na ito ay lubhang bale-wala.
• Kung k > 1, lalago ang chain reaction hanggang sa magamit ang lahat ng fissile material (atomic bomb). Ito ay nakakamit sa pamamagitan ng pagpapayaman ng natural na ore upang makakuha ng sapat na mataas na konsentrasyon ng uranium-235. Para sa isang spherical sample, ang halaga ng k ay tumataas na may pagtaas sa posibilidad ng pagsipsip ng neutron, na nakasalalay sa radius ng globo. Samakatuwid, ang masa ng U ay dapat lumampas sa ilang kritikal na masa upang mangyari ang fission ng uranium nuclei (isang chain reaction).
• Kung k=1, magkakaroon ng kontroladong reaksyon. Ginagamit ito sa mga nuclear reactor. Ang proseso ay kinokontrol sa pamamagitan ng pamamahagi ng mga cadmium o boron rod sa uranium, na sumisipsip ng karamihan sa mga neutron (ang mga elementong ito ay may kakayahang kumuha ng mga neutron). Ang fission ng uranium nucleus ay awtomatikong kinokontrol sa pamamagitan ng paggalaw ng mga rod upang ang halaga ng k ay mananatiling katumbas ng isa.
