Η σχάση ενός πυρήνα είναι η διάσπαση ενός βαριού ατόμου σε δύο θραύσματα περίπου ίσης μάζας, που συνοδεύεται από την απελευθέρωση μεγάλης ποσότητας ενέργειας.
Η ανακάλυψη της πυρηνικής σχάσης ξεκίνησε μια νέα εποχή - την «ατομική εποχή». Το δυναμικό της πιθανής χρήσης του και η αναλογία κινδύνου προς όφελος από τη χρήση του δεν έχουν δημιουργήσει μόνο πολλά κοινωνιολογικά, πολιτικά, οικονομικά και επιστημονικά επιτεύγματα, αλλά και σοβαρά προβλήματα. Ακόμη και από καθαρά επιστημονική άποψη, η διαδικασία της πυρηνικής σχάσης έχει δημιουργήσει μεγάλο αριθμό γρίφων και επιπλοκών και η πλήρης θεωρητική εξήγηση της είναι θέμα του μέλλοντος.
Η κοινή χρήση είναι επικερδής
Οι ενέργειες δέσμευσης (ανά νουκλεόνιο) διαφέρουν για διαφορετικούς πυρήνες. Τα βαρύτερα έχουν χαμηλότερες ενέργειες δέσμευσης από εκείνα που βρίσκονται στη μέση του περιοδικού πίνακα.
Αυτό σημαίνει ότι οι βαρείς πυρήνες με ατομικό αριθμό μεγαλύτερο από 100 επωφελούνται από τη διαίρεση σε δύο μικρότερα θραύσματα, απελευθερώνοντας έτσι ενέργεια πουμετατρέπεται σε κινητική ενέργεια θραυσμάτων. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται διάσπαση του ατομικού πυρήνα.
Σύμφωνα με την καμπύλη σταθερότητας, η οποία δείχνει την εξάρτηση του αριθμού των πρωτονίων από τον αριθμό των νετρονίων για σταθερά νουκλεΐδια, οι βαρύτεροι πυρήνες προτιμούν περισσότερα νετρόνια (σε σύγκριση με τον αριθμό των πρωτονίων) από τα ελαφρύτερα. Αυτό υποδηλώνει ότι μαζί με τη διαδικασία διάσπασης θα εκπέμπονται και κάποια «εφεδρικά» νετρόνια. Επιπλέον, θα πάρουν επίσης μέρος της εκλυόμενης ενέργειας. Η μελέτη της πυρηνικής σχάσης του ατόμου ουρανίου έδειξε ότι απελευθερώνονται 3-4 νετρόνια: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Ο ατομικός αριθμός (και η ατομική μάζα) ενός θραύσματος δεν είναι ίσος με το ήμισυ της ατομικής μάζας του γονέα. Η διαφορά μεταξύ των μαζών των ατόμων που σχηματίζονται ως αποτέλεσμα της διάσπασης είναι συνήθως περίπου 50. Ωστόσο, ο λόγος για αυτό δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητός.
Οι δεσμευτικές ενέργειες των 238U, 145La και 90Br είναι 1803, 1198 και 763 MeV, αντίστοιχα. Αυτό σημαίνει ότι ως αποτέλεσμα αυτής της αντίδρασης, απελευθερώνεται η ενέργεια σχάσης του πυρήνα του ουρανίου, ίση με 1198 + 763-1803=158 MeV.
Αυθόρμητη σχάση
Διαδικασίες αυθόρμητου διαχωρισμού είναι γνωστές στη φύση, αλλά είναι πολύ σπάνιες. Η μέση διάρκεια ζωής αυτής της διαδικασίας είναι περίπου 1017 χρόνια και, για παράδειγμα, η μέση διάρκεια ζωής της διάσπασης άλφα του ίδιου ραδιονουκλιδίου είναι περίπου 1011χρόνια.
Ο λόγος για αυτό είναι ότι για να χωριστεί σε δύο μέρη, ο πυρήνας πρέπειπρώτα υφίστανται παραμόρφωση (τεντώματα) σε ελλειψοειδές σχήμα και στη συνέχεια, πριν το τελικό χωρισμό σε δύο θραύσματα, σχηματίζουν έναν «λαιμό» στη μέση.
Πιθανό εμπόδιο
Στην παραμορφωμένη κατάσταση, δύο δυνάμεις δρουν στον πυρήνα. Μία από αυτές είναι η αυξημένη επιφανειακή ενέργεια (η επιφανειακή τάση μιας σταγόνας υγρού εξηγεί το σφαιρικό της σχήμα) και η άλλη είναι η άπωση Coulomb μεταξύ των θραυσμάτων σχάσης. Μαζί δημιουργούν ένα πιθανό εμπόδιο.
Όπως στην περίπτωση της διάσπασης άλφα, για να συμβεί η αυθόρμητη σχάση του πυρήνα του ατόμου ουρανίου, τα θραύσματα πρέπει να ξεπεράσουν αυτό το εμπόδιο χρησιμοποιώντας κβαντική σήραγγα. Το φράγμα είναι περίπου 6 MeV, όπως στην περίπτωση της διάσπασης άλφα, αλλά η πιθανότητα διάνοιξης σήραγγας ενός σωματιδίου α είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή ενός πολύ βαρύτερου προϊόντος σχάσης ατόμου.
Αναγκαστική διάσπαση
Πολύ πιθανότερο είναι η επαγόμενη σχάση του πυρήνα του ουρανίου. Σε αυτή την περίπτωση, ο μητρικός πυρήνας ακτινοβολείται με νετρόνια. Εάν ο γονέας το απορροφήσει, δεσμεύονται, απελευθερώνοντας δεσμευτική ενέργεια με τη μορφή δονητικής ενέργειας που μπορεί να υπερβεί τα 6 MeV που απαιτούνται για να ξεπεραστεί το δυναμικό εμπόδιο.
Όταν η ενέργεια ενός πρόσθετου νετρονίου είναι ανεπαρκής για να ξεπεραστεί το φράγμα δυναμικού, το προσπίπτον νετρόνιο πρέπει να έχει μια ελάχιστη κινητική ενέργεια για να μπορεί να προκαλέσει τη διάσπαση ενός ατόμου. Στην περίπτωση του 238U επιπλέον ενέργεια δεσμούΤα νετρόνια λείπουν περίπου 1 MeV. Αυτό σημαίνει ότι η σχάση του πυρήνα του ουρανίου προκαλείται μόνο από ένα νετρόνιο με κινητική ενέργεια μεγαλύτερη από 1 MeV. Από την άλλη πλευρά, το ισότοπο 235U έχει ένα ασύζευκτο νετρόνιο. Όταν ο πυρήνας απορροφά έναν επιπλέον, σχηματίζει ένα ζεύγος μαζί του και ως αποτέλεσμα αυτού του ζευγαρώματος, εμφανίζεται πρόσθετη ενέργεια δέσμευσης. Αυτό αρκεί για να απελευθερώσει την ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να ξεπεράσει ο πυρήνας το φραγμό του δυναμικού και η σχάση του ισοτόπου συμβαίνει κατά τη σύγκρουση με οποιοδήποτε νετρόνιο.
Beta Decay
Παρά το γεγονός ότι η αντίδραση σχάσης εκπέμπει τρία ή τέσσερα νετρόνια, τα θραύσματα εξακολουθούν να περιέχουν περισσότερα νετρόνια από τις σταθερές ισοβαρείς τους. Αυτό σημαίνει ότι τα θραύσματα σχάσης είναι γενικά ασταθή έναντι της διάσπασης βήτα.
Για παράδειγμα, όταν συμβαίνει σχάση ουρανίου 238U, η σταθερή ισοβαρή με A=145 είναι νεοδύμιο 145Nd, που σημαίνει ότι το θραύσμα λανθανίου 145La διασπάται σε τρία στάδια, κάθε φορά εκπέμποντας ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο, έως ότου σχηματιστεί ένα σταθερό νουκλίδιο. Η σταθερή ισοβαρή με A=90 είναι ζιρκόνιο 90Zr, έτσι το τεμάχιο διάσπασης βρώμιο 90Br διασπάται σε πέντε στάδια της αλυσίδας β-διάσπασης.
Αυτές οι αλυσίδες β-διάσπασης απελευθερώνουν πρόσθετη ενέργεια, η οποία σχεδόν όλη μεταφέρεται από ηλεκτρόνια και αντινετρίνα.
Πυρηνικές αντιδράσεις: σχάση πυρήνων ουρανίου
Άμεση ακτινοβολία ενός νετρονίου από ένα νουκλίδιο με επίσηςΈνας μεγάλος αριθμός από αυτούς για τη διασφάλιση της σταθερότητας του πυρήνα είναι απίθανος. Το θέμα εδώ είναι ότι δεν υπάρχει άπωση Coulomb, και έτσι η επιφανειακή ενέργεια τείνει να διατηρεί το νετρόνιο σε δεσμό με τον γονέα. Ωστόσο, αυτό μερικές φορές συμβαίνει. Για παράδειγμα, το θραύσμα σχάσης 90Br στο πρώτο στάδιο της διάσπασης βήτα παράγει το κρυπτόν-90, το οποίο μπορεί να βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση με αρκετή ενέργεια για να υπερνικήσει την επιφανειακή ενέργεια. Σε αυτή την περίπτωση, η εκπομπή νετρονίων μπορεί να συμβεί απευθείας με το σχηματισμό του κρυπτονίου-89. Αυτή η ισοβαρή είναι ακόμα ασταθής στη διάσπαση β έως ότου αλλάξει σε σταθερό ύττριο-89, επομένως το κρυπτόν-89 διασπάται σε τρία βήματα.
σχάση ουρανίου: αλυσιδωτή αντίδραση
Τα νετρόνια που εκπέμπονται σε μια αντίδραση σχάσης μπορούν να απορροφηθούν από έναν άλλο μητρικό πυρήνα, ο οποίος στη συνέχεια υφίσταται επαγόμενη σχάση. Στην περίπτωση του ουρανίου-238, τα τρία νετρόνια που παράγονται βγαίνουν με ενέργεια μικρότερη από 1 MeV (η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη διάσπαση του πυρήνα του ουρανίου - 158 MeV - μετατρέπεται κυρίως στην κινητική ενέργεια των θραυσμάτων σχάσης), επομένως δεν μπορούν να προκαλέσουν περαιτέρω σχάση αυτού του νουκλεϊδίου. Ωστόσο, με μια σημαντική συγκέντρωση του σπάνιου ισοτόπου 235U, αυτά τα ελεύθερα νετρόνια μπορούν να συλληφθούν από τους πυρήνες 235U, που μπορεί πράγματι να προκαλέσει σχάση, δεδομένου ότι σε αυτήν την περίπτωση, δεν υπάρχει ενεργειακό όριο κάτω από το οποίο δεν προκαλείται σχάση.
Αυτή είναι η αρχή της αλυσιδωτής αντίδρασης.
Τύποι πυρηνικών αντιδράσεων
Έστω k ο αριθμός των νετρονίων που παράγονται σε ένα δείγμα σχάσιμου υλικού στο στάδιο n αυτής της αλυσίδας, διαιρεμένος με τον αριθμό των νετρονίων που παράγονται στο στάδιο n - 1. Αυτός ο αριθμός θα εξαρτηθεί από το πόσα νετρόνια παράγονται στο στάδιο n - 1, απορροφώνται από τον πυρήνα, ο οποίος μπορεί να υποστεί εξαναγκασμένη σχάση.
• Εάν το k < είναι 1, τότε η αλυσιδωτή αντίδραση απλώς θα εξαφανιστεί και η διαδικασία θα σταματήσει πολύ γρήγορα. Αυτό ακριβώς συμβαίνει στο φυσικό μετάλλευμα ουρανίου, στο οποίο η συγκέντρωση του 235U είναι τόσο χαμηλή που η πιθανότητα απορρόφησης ενός από τα νετρόνια από αυτό το ισότοπο είναι εξαιρετικά αμελητέα.
• Εάν k > 1, τότε η αλυσιδωτή αντίδραση θα αυξηθεί μέχρι να χρησιμοποιηθεί όλο το σχάσιμο υλικό (ατομική βόμβα). Αυτό επιτυγχάνεται με τον εμπλουτισμό του φυσικού μεταλλεύματος για να ληφθεί μια αρκετά υψηλή συγκέντρωση ουρανίου-235. Για ένα σφαιρικό δείγμα, η τιμή του k αυξάνεται με την αύξηση της πιθανότητας απορρόφησης νετρονίων, η οποία εξαρτάται από την ακτίνα της σφαίρας. Επομένως, η μάζα του U πρέπει να υπερβαίνει κάποια κρίσιμη μάζα για να συμβεί η σχάση των πυρήνων ουρανίου (αλυσιδωτή αντίδραση).
• Εάν k=1, τότε λαμβάνει χώρα μια ελεγχόμενη αντίδραση. Αυτό χρησιμοποιείται σε πυρηνικούς αντιδραστήρες. Η διαδικασία ελέγχεται με τη διανομή ράβδων καδμίου ή βορίου μεταξύ του ουρανίου, τα οποία απορροφούν τα περισσότερα από τα νετρόνια (τα στοιχεία αυτά έχουν την ικανότητα να συλλαμβάνουν νετρόνια). Η σχάση του πυρήνα του ουρανίου ελέγχεται αυτόματα μετακινώντας τις ράβδους έτσι ώστε η τιμή του k να παραμένει ίση με ένα.
