Rozszczepienie jądra atomowego

Procesy jądrowe
Procesy rozpadu jądrowego Rozpad alfa Rozpad beta Rozpad beta minus Rozpad beta plus Podwójny rozpad beta Wychwyt elektronu Podwójny wychwyt elektronu Emisja gamma Emisja neutronu Emisja protonu Emisja dwuprotonowa Rozpad egzotyczny Rozszczepienie jądra atomowego Procesy syntezy jądrowej Wychwyt neutronu Proces r Proces s Wychwyt protonu Proces rp

Rozszczepienie jądra atomowego to przemiana jądrowa polegająca na rozpadzie jądra na dwa (rzadziej na więcej) fragmenty o zbliżonych masach. Zjawisku towarzyszy emisja neutronów, a także kwantów gamma, które unoszą znaczne ilości energii. Ponieważ jądra ulegające rozszczepieniu zwykle są jądrami ciężkimi, które posiadają więcej neutronów niż protonów, obydwa fragmenty powstałe w rozszczepieniu są jądrami neutrono-nadmiarowymi. Nadmiar neutronów jest z nich emitowany podczas aktu rozszczepienia (neutrony natychmiastowe) lub z pewnym opóźnieniem (neutrony opóźnione).

Jądra atomowe ulegają rozszczepieniu zarówno w sposób samoistny, jak i wymuszony. W tym drugim przypadku rozszczepiają się w wyniku zderzenia z neutronami, protonami, kwantami gamma lub innymi cząstkami. Największe praktyczne znaczenie ma rozszczepienie wymuszone wywołane zderzeniem z neutronami (w energetyce i wojskowości; patrz też niżej). Rozszczepienie samorzutne są istotne w metodach datowania radioizotopowego. Metodą łączącą oba aspekty jest analiza aktywacyjna.

Ze względu na przeważające zainteresowanie rozszczepieniem wymuszonym, zazwyczaj opuszcza się przymiotnik „wymuszone” i przez termin „rozszczepienie jądra atomowego” rozumie się rozszczepienie wywołane pochłonięciem neutronu. Z tego też względu w tym artykule opisane jest wymuszone rozszczepienie. Rozszczepienie samoistne opisane jest w oddzielnym artykule.

Skład produktów w zależności od materiału rozszczepialnego

Wymuszone rozszczepienie atomu uranu ²³⁵U, na skutek zderzenia z neutronem. W wyniku rozpadu powstają trzy nowe neutrony zgodnie z reakcją ${}^{235}_{92}\text{U} + {}^1_0 n \rarr {}^{93}_{36}\text{Kr} + {}^{140}_{56}\text{Ba} + 3 {}^1_0 n$

Wymuszone rozszczepienie jądra atomowego

Zazwyczaj rozszczepienie jądra atomowego nie jest jedyną możliwością rozpadu po wchłonięciu przez ciężkie jądro neutronu. Konkurują z nim inne dozwolone energetycznie procesy jądrowe takie jak emisja kwantów gamma, emisja neutronu i inne.

Przekrój czynny na rozszczepienie (prawdopodobieństwo zajścia zjawiska) w wyniku bombardowania neutronami zależy od energii neutronów oraz rodzaju jądra atomowego. Wraz ze wzrostem energii neutronów, zwykle następuje spadek przekroju czynnego na rozszczepienie. Dlatego np. jądra (²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu) najłatwiej ulegają rozszczepieniu dla powolnych neutronów termicznych. Dla jąder tych ciężkich pierwiastków, reakcja ta jest egzoenergetyczna) Na przykład:

${}^{235}_{92} \text{U} + {}^1_0 n \rarr {}^{93}_{36} \text{Kr} + {}^{140}_{56}\text{Ba} + 3 {}^1_0 n$

lub

${}^{239}_{\ 94} \mathrm {Pu} + \mathrm {n} \to {}^{144}_{\ 56} \mathrm {Ba} + {}^{94}_{38} \mathrm {Sr} + 2\ {}^{1}_{0} \mathrm {n}$

${}^{239}_{\ 94} \mathrm {Pu} + \mathrm {n} \to {}^{130}_{\ 51} \mathrm {Sb} + {}^{107}_{\ 43} \mathrm {Tc} + 3\ {}^{1}_{0} \mathrm {n}$

Wiele innych jąder (np. ²³²Th, ²³⁸U) rozszczepia się gdy energia neutronów jest większa od energii progowej (są to jądra ciężkich pierwiastków, dla których reakcja ta jest endoenergetyczna). Po jej przekroczeniu (dla ²³⁸U ok. 1MeV) następuje skokowy wzrost przekroju czynnego na rozszczepienie.

Pojedynczy akt rozszczepienia jądra atomowego może w sprzyjających warunkach indukować (poprzez emitowane neutrony) dalsze rozszczepienia, prowadząc do reakcji łańcuchowej, co znalazło zastosowanie w reaktorze jądrowym i bombie atomowej (pośrednio również bombie wodorowej i neutronowej ze względu na sposób inicjacji syntezy jądrowej w tych bombach)

Z praktycznego punktu widzenia największe znaczenie mają własności rozszczepienia jąder, które ulegają rozszczepieniu już przy bombardowaniu neutronami o małej energii.

Zjawisko rozszczepienia jądra atomowego odkryli w 1938 r. Otto Hahn i Fritz Straßmann. W 1939 roku Lise Meitner wraz ze swoim siostrzeńcem Otto Robertem Frischem opublikowali artykuł „Disintegration of Uranium by Neutrons: a New Type of Nuclear Reaction” (Nature, 143, 239-240), wyjaśniając w nim podstawy teoretyczne zjawiska rozszczepienia jądra atomowego.

Zobacz też

• synteza jądrowa