La fissió d'un nucli és la divisió d'un àtom pesat en dos fragments de massa aproximadament igual, acompanyada de l'alliberament d'una gran quantitat d'energia.
El descobriment de la fissió nuclear va iniciar una nova era: l'"era atòmica". El potencial del seu possible ús i la proporció de risc per beneficiar-se del seu ús no només han generat molts èxits sociològics, polítics, econòmics i científics, sinó també greus problemes. Fins i tot des d'un punt de vista purament científic, el procés de fissió nuclear ha creat un gran nombre de trencaclosques i complicacions, i una explicació teòrica completa és qüestió de futur.
Compartir és rendible
Les energies d'unió (per nucleó) difereixen per a diferents nuclis. Els més pesats tenen energies d'unió més baixes que els situats al centre de la taula periòdica.
Això significa que els nuclis pesats amb un nombre atòmic superior a 100 es beneficien de dividir-se en dos fragments més petits, alliberant així energia queconvertit en energia cinètica de fragments. Aquest procés s'anomena divisió del nucli atòmic.
Segons la corba d'estabilitat, que mostra la dependència del nombre de protons del nombre de neutrons per a núclids estables, els nuclis més pesats prefereixen més neutrons (en comparació amb el nombre de protons) que els més lleugers. Això suggereix que, juntament amb el procés de divisió, s'emetran alguns neutrons "de recanvi". A més, també agafaran part de l'energia alliberada. L'estudi de la fissió nuclear de l'àtom d'urani va demostrar que s'alliberen 3-4 neutrons: 238U → 145La + 90Br + 3n.
El nombre atòmic (i la massa atòmica) d'un fragment no és igual a la meitat de la massa atòmica del pare. La diferència entre les masses d'àtoms formades com a resultat de la divisió acostuma a ser d'uns 50. No obstant això, encara no s'entén del tot el motiu.
Les energies d'unió de 238U, 145La i 90Br són 1803, 1198 i 763 MeV, respectivament. Això vol dir que com a resultat d'aquesta reacció s'allibera l'energia de fissió del nucli d'urani, igual a 1198 + 763-1803=158 MeV.
Fissió espontània
Els processos de divisió espontània són coneguts a la natura, però són molt rars. La vida útil mitjana d'aquest procés és d'uns 1017 anys i, per exemple, la vida mitjana de la desintegració alfa del mateix radionúclid és d'uns 1011anys.
La raó d'això és que per dividir-se en dues parts, el nucli ha deprimer sofreix una deformació (estirament) en una forma el·lipsoïdal i després, abans de la separació final en dos fragments, formen un "coll" al mig.
Barra potencial
En estat deformat, dues forces actuen sobre el nucli. Un d'ells és l'augment de l'energia superficial (la tensió superficial d'una gota líquida explica la seva forma esfèrica), i l' altre és la repulsió coulombiana entre fragments de fissió. Junts produeixen una barrera potencial.
Com en el cas de la desintegració alfa, perquè es produeixi la fissió espontània del nucli de l'àtom d'urani, els fragments han de superar aquesta barrera mitjançant el túnel quàntic. La barrera és d'uns 6 MeV, com en el cas de la desintegració alfa, però la probabilitat de tunelització d'una partícula α és molt més gran que la d'un producte de fissió d'àtoms molt més pesat.
Divisió forçada
Molt més probable és la fissió induïda del nucli d'urani. En aquest cas, el nucli pare s'irradia amb neutrons. Si el pare l'absorbeix, s'uneixen, alliberant energia d'unió en forma d'energia vibratòria que pot superar els 6 MeV necessaris per superar la barrera potencial.
Quan l'energia d'un neutró addicional és insuficient per superar la barrera de potencial, el neutró incident ha de tenir una energia cinètica mínima per poder induir la divisió d'un àtom. En el cas d'energia d'enllaç 238U addicionalals neutrons els f alten aproximadament 1 MeV. Això vol dir que la fissió del nucli d'urani és induïda només per un neutró amb una energia cinètica superior a 1 MeV. D' altra banda, l'isòtop 235U té un neutró no aparellat. Quan el nucli n'absorbeix un de més, forma un parell amb ell i, com a resultat d'aquest aparellament, apareix una energia d'unió addicional. Això és suficient per alliberar la quantitat d'energia necessària perquè el nucli superi la barrera potencial i la fissió d'isòtops es produeix en xocar amb qualsevol neutró.
Decaiment beta
Malgrat que la reacció de fissió emet tres o quatre neutrons, els fragments encara contenen més neutrons que les seves isòbares estables. Això vol dir que els fragments de fissió són generalment inestables davant la desintegració beta.
Per exemple, quan es produeix la fissió de l'urani 238U, la isòbara estable amb A=145 és el neodimi 145Nd, el que significa que el fragment de lantà 145La decau en tres etapes, emetent cada vegada un electró i un antineutri, fins que es forma un nuclid estable. La isòbara estable amb A=90 és el zirconi 90Zr, de manera que el fragment de fragmentació de brom 90Br decau en cinc etapes de la cadena de desintegració β.
Aquestes cadenes de desintegració β alliberen energia addicional, gairebé tota la qual és transportada pels electrons i els antineutrins.
Reaccions nuclears: fissió de nuclis d'urani
Radiació directa d'un neutró des d'un nuclid amb tambéun gran nombre d'ells per garantir l'estabilitat del nucli és poc probable. El punt aquí és que no hi ha repulsió de Coulomb i, per tant, l'energia superficial tendeix a mantenir el neutró en enllaç amb el pare. Tanmateix, això de vegades passa. Per exemple, el fragment de fissió 90Br en la primera etapa de la desintegració beta produeix criptó-90, que pot estar en un estat excitat amb prou energia per superar l'energia superficial. En aquest cas, l'emissió de neutrons es pot produir directament amb la formació de criptó-89. Aquesta isòbara encara és inestable a la decadència β fins que canvia a ittri-89 estable, de manera que el kripton-89 decau en tres passos.
Fisió de l'urani: reacció en cadena
Els neutrons emesos en una reacció de fissió poden ser absorbits per un altre nucli pare, que després pateix una fissió induïda. En el cas de l'urani-238, els tres neutrons que es produeixen surten amb una energia inferior a 1 MeV (l'energia alliberada durant la fissió del nucli d'urani -158 MeV- es converteix principalment en l'energia cinètica dels fragments de fissió).), de manera que no poden provocar més fissió d'aquest nuclid. Tanmateix, amb una concentració important de l'isòtop rar 235U, aquests neutrons lliures poden ser capturats pels nuclis 235U, que de fet poden provocar fissió, ja que en aquest cas, no hi ha cap llindar d'energia per sota del qual no s'indueix la fissió.
Aquest és el principi de la reacció en cadena.
Tipus de reaccions nuclears
Sigui k el nombre de neutrons produïts en una mostra de material fissil a l'etapa n d'aquesta cadena, dividit pel nombre de neutrons produïts a l'etapa n - 1. Aquest nombre dependrà de quants neutrons es produeixin a etapa n - 1, són absorbides pel nucli, que pot patir una fissió forçada.
• Si k < és 1, la reacció en cadena simplement s'esgotarà i el procés s'aturarà molt ràpidament. Això és exactament el que passa amb el mineral d'urani natural, en què la concentració de 235U és tan baixa que la probabilitat d'absorció d'un dels neutrons per aquest isòtop és extremadament insignificant.
• Si k > 1, aleshores la reacció en cadena creixerà fins que s'utilitzi tot el material fissil (bomba atòmica). Això s'aconsegueix enriquint el mineral natural per obtenir una concentració prou alta d'urani-235. Per a una mostra esfèrica, el valor de k augmenta amb un augment de la probabilitat d'absorció de neutrons, que depèn del radi de l'esfera. Per tant, la massa d'U ha de superar alguna massa crítica perquè es produeixi la fissió dels nuclis d'urani (una reacció en cadena).
• Si k=1, té lloc una reacció controlada. S'utilitza en reactors nuclears. El procés es controla distribuint barres de cadmi o bor entre l'urani, que absorbeixen la major part dels neutrons (aquests elements tenen la capacitat de capturar neutrons). La fissió del nucli d'urani es controla automàticament movent les barres de manera que el valor de k es mantingui igual a un.
