Fisija jedra je razcep težkega atoma na dva fragmenta približno enake mase, ki ga spremlja sproščanje velike količine energije.
Odkritje jedrske cepitve je začelo novo obdobje - "atomsko dobo". Potencial njegove možne uporabe in razmerje med tveganjem in koristmi od njegove uporabe nista ustvarila le številnih socioloških, političnih, gospodarskih in znanstvenih dosežkov, temveč tudi resne težave. Tudi s čisto znanstvenega vidika je proces jedrske cepitve ustvaril veliko število ugank in zapletov, popolna teoretična razlaga pa je stvar prihodnosti.
Deljenje je dobičkonosno
Energije vezave (na nukleon) se razlikujejo za različna jedra. Težje imajo nižjo vezno energijo kot tiste, ki se nahajajo na sredini periodnega sistema.
To pomeni, da težka jedra z atomskim številom večjim od 100 koristijo delitvi na dva manjša fragmenta, s čimer se sprosti energija, kipretvorimo v kinetično energijo fragmentov. Ta proces se imenuje cepitev atomskega jedra.
Glede na krivuljo stabilnosti, ki prikazuje odvisnost števila protonov od števila nevtronov za stabilne nuklide, imajo težja jedra raje več nevtronov (v primerjavi s številom protonov) kot lažja. To nakazuje, da se bo skupaj s postopkom cepljenja oddajalo nekaj "rezervnih" nevtronov. Poleg tega bodo prevzeli tudi nekaj sproščene energije. Študija jedrske cepitve atoma urana je pokazala, da se sproščajo 3-4 nevtroni: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Atomsko število (in atomska masa) fragmenta ni enaka polovici atomske mase nadrejenega. Razlika med masami atomov, ki nastanejo kot posledica cepitve, je običajno približno 50. Vendar razlog za to še ni povsem razumljen.
Vezivne energije 238U, 145La in 90Br so 1803, 1198 oziroma 763 MeV. To pomeni, da se kot posledica te reakcije sprosti energija cepitve uranovega jedra, enaka 1198 + 763-1803=158 MeV.
Spontana cepitev
Procesi spontanega cepljenja so v naravi poznani, vendar so zelo redki. Povprečna življenjska doba tega procesa je približno 1017 let in, na primer, povprečna življenjska doba alfa razpada istega radionuklida je približno 1011let.
Razlog za to je, da se mora jedro razdeliti na dva delanajprej se deformira (raztegne) v elipsoidno obliko, nato pa, preden se končno razdeli na dva fragmenta, na sredini oblikuje "vrat".
Potencialna ovira
V deformiranem stanju na jedro delujeta dve sili. Ena od njih je povečana površinska energija (površinska napetost kaplje tekočine pojasnjuje njeno sferično obliko), druga pa je Coulombov odboj med fisijskimi drobci. Skupaj ustvarjata potencialno oviro.
Tako kot v primeru alfa razpada, da bi prišlo do spontane cepitve jedra atoma urana, morajo fragmenti premagati to oviro z uporabo kvantnega tuneliranja. Pregrada je približno 6 MeV, kot v primeru alfa razpada, vendar je verjetnost tuneliranja α delca veliko večja kot pri veliko težjem produktu cepitve atoma.
Prisilna delitev
Veliko bolj verjetna je inducirana cepitev uranovega jedra. V tem primeru je matično jedro obsevano z nevtroni. Če ga starš absorbira, se veže in sprosti vezavno energijo v obliki vibracijske energije, ki lahko preseže 6 MeV, potrebnih za premagovanje potencialne ovire.
Kadar energija dodatnega nevtrona ni zadostna za premagovanje potencialne ovire, mora imeti vpadni nevtron minimalno kinetično energijo, da lahko povzroči razcepitev atoma. V primeru 238U vezna energija dodatnanevtroni manjkajo približno 1 MeV. To pomeni, da cepitev uranovega jedra inducira le nevtron s kinetično energijo večjo od 1 MeV. Po drugi strani ima izotop 235U en neparen nevtron. Ko jedro absorbira dodatnega, z njim tvori par in kot posledica tega parjenja se pojavi dodatna vezavna energija. To je dovolj, da sprosti količino energije, ki je potrebna, da jedro premaga potencialno pregrado in do cepitve izotopa pride ob trku s katerim koli nevtronom.
Beta Decay
Kljub dejstvu, da reakcija cepitve oddaja tri ali štiri nevtrone, fragmenti še vedno vsebujejo več nevtronov kot njihove stabilne izobare. To pomeni, da so fisijski fragmenti na splošno nestabilni proti beta razpadu.
Na primer, ko pride do cepitve urana 238U, je stabilna izobara z A=145 neodim 145Nd, kar pomeni, da fragment lantana 145La razpade v treh stopnjah, vsakič oddaja elektron in antinevtrino, dokler ne nastane stabilen nuklid. Stabilna izobara z A=90 je cirkonij 90Zr, tako da cepitveni fragment brom 90Br razpade v petih stopnjah verige β-razpada.
Te verige β-razpada sproščajo dodatno energijo, ki jo skoraj vso odnesejo elektroni in antinevtrini.
Jedrske reakcije: cepitev uranovih jeder
Neposredno sevanje nevtrona iz nuklida s prevečveliko število za zagotovitev stabilnosti jedra je malo verjetno. Bistvo tukaj je, da ni Coulombovega odbijanja, zato površinska energija teži k temu, da nevtron ostane v vezi z matičnim. Vendar se to včasih zgodi. Na primer, fisijski fragment 90Br v prvi fazi beta razpada proizvaja kripton-90, ki je lahko v vzbujenem stanju z dovolj energije, da premaga površinsko energijo. V tem primeru lahko do emisije nevtronov pride neposredno s tvorbo kriptona-89. Ta izobar je še vedno nestabilna na β razpad, dokler se ne spremeni v stabilen itrij-89, zato kripton-89 razpade v treh korakih.
fisija urana: verižna reakcija
Nevtrone, ki se oddajajo v reakciji cepitve, lahko absorbira drugo matično jedro, ki se nato samo podvrže inducirani cepitvi. V primeru urana-238 trije nastali nevtroni izstopijo z energijo, manjšo od 1 MeV (energija, ki se sprosti med cepljenjem uranovega jedra - 158 MeV - se v glavnem pretvori v kinetično energijo cepitvenih fragmentov), zato ne morejo povzročiti nadaljnje cepitve tega nuklida. Vendar pa s pomembno koncentracijo redkega izotopa 235U te proste nevtrone lahko ujamejo jedra 235U, ki lahko povzročijo cepitev, saj v tem primeru ni energijskega praga, pod katerim se cepitev ne inducira.
To je princip verižne reakcije.
Vrste jedrskih reakcij
Naj je k število nevtronov, proizvedenih v vzorcu cepljivega materiala na stopnji n te verige, deljeno s številom nevtronov, proizvedenih na stopnji n - 1. To število bo odvisno od tega, koliko nevtronov nastane na stopnje n-1, jih jedro absorbira, ki se lahko prisilno cepi.
• Če je k < 1, bo verižna reakcija preprosto izginila in proces se bo zelo hitro ustavil. Prav to se dogaja v naravni uranovi rudi, v kateri je koncentracija 235U tako nizka, da je verjetnost absorpcije enega od nevtronov s tem izotopom izjemno zanemarljiva.
• Če je k > 1, bo verižna reakcija rasla, dokler ne bo uporabljen ves cepljivi material (atomska bomba). To dosežemo z obogatitvijo naravne rude za pridobitev dovolj visoke koncentracije urana-235. Za sferični vzorec se vrednost k povečuje s povečanjem verjetnosti absorpcije nevtronov, ki je odvisna od polmera krogle. Zato mora masa U preseči nekaj kritične mase, da pride do cepitve uranovih jeder (verižna reakcija).
• Če je k=1, potem pride do nadzorovane reakcije. To se uporablja v jedrskih reaktorjih. Proces je nadzorovan tako, da se med uran razporedi kadmijeve ali borove palice, ki absorbirajo večino nevtronov (ti elementi imajo sposobnost zajemanja nevtronov). Cepitev uranovega jedra se samodejno nadzoruje s premikanjem palic tako, da ostane vrednost k enaka ena.
