شکافت هسته عبارت است از تقسیم یک اتم سنگین به دو قطعه با جرم تقریباً مساوی که با آزاد شدن مقدار زیادی انرژی همراه است.
کشف شکافت هسته ای عصر جدیدی را آغاز کرد - "عصر اتمی". پتانسیل استفاده احتمالی از آن و نسبت ریسک به منفعت استفاده از آن نه تنها دستاوردهای اجتماعی، سیاسی، اقتصادی و علمی بسیاری را ایجاد کرده، بلکه مشکلات جدی را نیز به همراه داشته است. حتی از منظر صرفاً علمی، فرآیند شکافت هسته‌ای معماها و پیچیدگی‌های زیادی ایجاد کرده است و توضیح تئوری کامل آن موضوعی آینده است.
اشتراک گذاری سودآور است
انرژی های اتصال (در هر نوکلئون) برای هسته های مختلف متفاوت است. سنگین‌ترها نسبت به وسط جدول تناوبی انرژی اتصال کمتری دارند.
این بدان معنی است که هسته های سنگین با عدد اتمی بیشتر از 100 از تقسیم به دو قطعه کوچکتر سود می برند و در نتیجه انرژی آزاد می کنند.تبدیل به انرژی جنبشی قطعات. این فرآیند را شکافتن هسته اتم می نامند.
با توجه به منحنی پایداری، که وابستگی تعداد پروتون‌ها به تعداد نوترون‌ها را برای هسته‌های پایدار نشان می‌دهد، هسته‌های سنگین‌تر، نوترون‌های بیشتری (در مقایسه با تعداد پروتون‌ها) را نسبت به هسته‌های سبک‌تر ترجیح می‌دهند. این نشان می دهد که همراه با فرآیند شکافتن، مقداری نوترون "ذخیره" منتشر خواهد شد. علاوه بر این، آنها مقداری از انرژی آزاد شده را نیز خواهند گرفت. مطالعه شکافت هسته ای اتم اورانیوم نشان داد که 3-4 نوترون آزاد می شود: 238U → 145La + 90Br + 3n.
عدد اتمی (و جرم اتمی) یک قطعه برابر با نصف جرم اتمی قطعه اصلی نیست. تفاوت بین جرم اتم هایی که در نتیجه شکافتن تشکیل می شوند معمولاً حدود 50 است. با این حال، دلیل این امر هنوز به طور کامل شناخته نشده است.
انرژی های اتصال 238U، 145La و 90Br 1803 هستند، به ترتیب 1198 و 763 مگا ولت. این بدان معنی است که در نتیجه این واکنش، انرژی شکافت هسته اورانیوم آزاد می شود، معادل 1198 + 763-1803=158 MeV.
شکافت خود به خود
فرآیندهای شکافتن خودبخودی در طبیعت شناخته شده اند، اما بسیار نادر هستند. میانگین طول عمر این فرآیند حدود 1017 سال است، و برای مثال، میانگین طول عمر واپاشی آلفای همان رادیونوکلئید حدود 1011 است.سال.
دلیل این امر این است که برای اینکه هسته به دو قسمت تقسیم شود، بایدابتدا دچار تغییر شکل (کشش) به شکل بیضی می شوند و سپس، قبل از تقسیم نهایی به دو قطعه، یک "گردن" در وسط تشکیل می دهند.
موانع بالقوه
در حالت تغییر شکل، دو نیرو بر روی هسته وارد می شوند. یکی از آنها افزایش انرژی سطحی است (کشش سطحی یک قطره مایع شکل کروی آن را توضیح می دهد)، و دیگری دافعه کولن بین قطعات شکافت است. آنها با هم یک مانع بالقوه ایجاد می کنند.
همانطور که در مورد واپاشی آلفا، برای اینکه شکافت خود به خودی هسته اتم اورانیوم رخ دهد، قطعات باید با استفاده از تونل کوانتومی بر این مانع غلبه کنند. سد حدود 6 مگا ولت است، مانند واپاشی آلفا، اما احتمال تونل زنی یک ذره α بسیار بیشتر از یک محصول شکافت اتم بسیار سنگین تر است.
شکاف اجباری
احتمال شکافت ناشی از هسته اورانیوم بسیار بیشتر است. در این مورد، هسته مادر با نوترون تابش می شود. اگر والدین آن را جذب کنند، متصل می شوند و انرژی اتصال را به شکل انرژی ارتعاشی آزاد می کنند که می تواند از 6 مگا ولت لازم برای غلبه بر مانع بالقوه تجاوز کند.
در جایی که انرژی یک نوترون اضافی برای غلبه بر مانع پتانسیل کافی نیست، نوترون فرودی باید حداقل انرژی جنبشی داشته باشد تا بتواند شکافتن یک اتم را القا کند. در مورد 238U انرژی پیوند اضافینوترون ها حدود 1 مگا ولت از دست داده اند. این بدان معناست که شکافت هسته اورانیوم فقط توسط یک نوترون با انرژی جنبشی بیشتر از 1 مگا ولت القا می شود. از سوی دیگر، ایزوتوپ 235U یک نوترون جفت نشده دارد. هنگامی که هسته یک هسته اضافی را جذب می کند، با آن یک جفت تشکیل می دهد و در نتیجه این جفت شدن، انرژی اتصال اضافی ظاهر می شود. این برای آزاد کردن مقدار انرژی لازم برای هسته برای غلبه بر سد پتانسیل کافی است و شکافت ایزوتوپ در هنگام برخورد با هر نوترونی رخ می دهد.
واپاشی بتا
با وجود این واقعیت که واکنش شکافت سه یا چهار نوترون ساطع می کند، این قطعات همچنان دارای نوترون بیشتری نسبت به ایزوبارهای پایدار خود هستند. این بدان معنی است که قطعات شکافت معمولاً در برابر فروپاشی بتا ناپایدار هستند.
برای مثال، وقتی شکافت اورانیوم رخ می دهد 238U، ایزوبار پایدار با A=145 نئودیمیم 145Nd است، به این معنی که قطعه لانتانیم 145La در سه مرحله تجزیه می شود و هر بار یک الکترون و یک پادنوترینو ساطع می کند تا زمانی که یک هسته پایدار تشکیل شود. ایزوبار پایدار با A=90 زیرکونیوم 90Zr است، بنابراین قطعه شکافنده برم 90Br در پنج مرحله از زنجیره β-واپاشی تجزیه می شود.
این زنجیره های واپاشی β انرژی اضافی آزاد می کنند که تقریباً تمام آن توسط الکترون ها و پادنوترینوها منتقل می شود.
واکنش‌های هسته‌ای: شکافت هسته‌های اورانیوم
تابش مستقیم یک نوترون از یک هسته با بیش از حدتعداد زیادی از آنها برای اطمینان از ثبات هسته بعید است. نکته اینجاست که دافعه کولنی وجود ندارد و بنابراین انرژی سطحی تمایل دارد که نوترون را در پیوند با والد نگه دارد. با این حال، گاهی اوقات این اتفاق می افتد. به عنوان مثال، قطعه شکافت 90Br در مرحله اول فروپاشی بتا کریپتون-90 را تولید می کند که می تواند در حالت برانگیخته با انرژی کافی برای غلبه بر انرژی سطح باشد. در این حالت، انتشار نوترون می تواند مستقیماً با تشکیل کریپتون-89 رخ دهد. این ایزوبار هنوز در برابر فروپاشی β ناپایدار است تا زمانی که به ایتریوم-89 پایدار تغییر کند، بنابراین کریپتون-89 در سه مرحله تجزیه می شود.
شکافت اورانیوم: واکنش زنجیره ای
نوترون های گسیل شده در یک واکنش شکافت می توانند توسط هسته والد دیگری جذب شوند که سپس خود تحت شکافت القایی قرار می گیرد. در مورد اورانیوم 238، سه نوترون تولید شده با انرژی کمتر از 1 مگا ولت خارج می شوند (انرژی آزاد شده در طی شکافت هسته اورانیوم - 158 مگا ولت - عمدتاً به انرژی جنبشی قطعات شکافت تبدیل می شود. ، بنابراین نمی توانند باعث شکافت بیشتر این هسته شوند. با این حال، با غلظت قابل توجهی از ایزوتوپ نادر 235U، این نوترون های آزاد می توانند توسط هسته 235U جذب شوند، که در واقع می تواند باعث شکافت شود. زیرا در این حالت، هیچ آستانه انرژی وجود ندارد که در زیر آن شکافت ایجاد نشود.
این اصل واکنش زنجیره ای است.
انواع واکنش های هسته ای
بگذارید k تعداد نوترون های تولید شده در یک نمونه از مواد شکافت پذیر در مرحله n این زنجیره باشد، تقسیم بر تعداد نوترون های تولید شده در مرحله n - 1. این عدد به تعداد نوترون های تولید شده در مرحله n بستگی دارد. مرحله n - 1 توسط هسته جذب می شود که ممکن است تحت شکافت اجباری قرار گیرد.
• اگر k < 1 باشد، واکنش زنجیره ای به سادگی خاموش می شود و فرآیند خیلی سریع متوقف می شود. این دقیقاً همان چیزی است که در سنگ معدن اورانیوم طبیعی اتفاق می افتد، که در آن غلظت 235U به قدری کم است که احتمال جذب یکی از نوترون ها توسط این ایزوتوپ بسیار ناچیز است.
• اگر k > 1 باشد، واکنش زنجیره ای تا زمانی که تمام مواد شکافت پذیر استفاده شود (بمب اتمی) رشد خواهد کرد. این امر با غنی سازی سنگ معدن طبیعی برای به دست آوردن غلظت کافی از اورانیوم 235 به دست می آید. برای یک نمونه کروی، مقدار k با افزایش احتمال جذب نوترون، که به شعاع کره بستگی دارد، افزایش می‌یابد. بنابراین، جرم U باید از مقداری جرم بحرانی تجاوز کند تا شکافت هسته‌های اورانیوم (یک واکنش زنجیره‌ای) رخ دهد.
• اگر k=1، یک واکنش کنترل شده رخ می دهد. این در راکتورهای هسته ای استفاده می شود. این فرآیند با توزیع میله های کادمیوم یا بور در بین اورانیوم کنترل می شود که بیشتر نوترون ها را جذب می کند (این عناصر توانایی جذب نوترون را دارند). شکافت هسته اورانیوم به طور خودکار با حرکت میله ها کنترل می شود تا مقدار k برابر با یک باقی بماند.
