R2sFI3yuJsb6m1

Historyczne zdjęcie czarnobiałe wykonane z pokładu bombowca B-29 przedstawia efekt wybuchu bomby atomowej Fat Man nad Nagasaki. Na pierwszym planie widoczny jest obłok w kształcie grzyba u dołu czarny, a u góry biały. Daleko poniżej chmury, morze i wyspy. Obszar z którego wyrasta czarny słup to ląd częściowo przesłonięty chmurami. Brak widocznych szczegółów ukształtowania terenu.

Enrico Fermi, urodzony w 1901 r., był uważany za bardzo zdolnego fizyka. Już w 1926 r. opublikował prace na temat cząstek, które obecnie nazywamy fermionamifermionyfermionami (należą do nich m.in. elektron, proton czy neutron).
W 1934 r. prowadził badania nad sztucznymi pierwiastkami promieniotwórczymi (odkrytymi przez Irenę i Fryderyka Joliot‑Curie). Próbował w ten sposób znaleźć odpowiedź na pytanie, czy można zwiększyć promieniotwórczość ciał poprzez naświetlanie ich neutronami (odkrytymi dwa lata wcześniej).

Na drodze strumienia neutronów stawiał różne materiały. Planował użyć ołowiu jako swego rodzaju filtra, ale pewnego dnia wpadł na pomysł, aby między źródłem neutronów a badanym materiałem (srebrna folia) umieścić parafinę zamiast ołowiu. Efekt był zdumiewający: naświetlane srebro zaczęło bardzo intensywnie promieniować.

Stosowanie materiałów wykonanych z innych substancji nie dawało podobnych efektów. Fermi zrozumiał, że kluczowe jest ich spowolnienie, gdyż neutrony są wówczas lepiej pochłaniane przez srebro.
Dlaczego parafina spowalnia przechodzące przez nią neutrony? Posłużmy się analogią do zderzających się kul bilardowych. Kule o jednakowych masach mogą się zderzyć w taki sposób, że jedna z nich się zatrzyma, a druga zostanie wprawiona w ruch (dzięki przekazanej energii). Jeśli kule znacznie różnią się od siebie pod względem masy (np. piłeczka pingpongowa zderza się z kulą bilardową), istnieje duża szansa na to, że kula o mniejszej masie odbije się od kuli o większej masie i prawie nie zmieni swojej prędkości (a zatem i energii kinetycznej).

Oznacza to, że jeżeli neutron uderza w jądro o małej masie, to strata energii jest duża, a jeżeli uderza w jądro o dużej masie – prawie w ogóle nie traci energii. Parafina, która składa się głównie z węglowodorów, czyli jąder lekkich (węgla i wodoru), w doświadczeniu Fermiego pełniła funkcję spowalniacza neutronów.

Dalsza historia badania zjawiska rozszczepienia jąder ciężkich związana jest z nazwiskami niemieckich i austriackich uczonych, takich jak Lise MeitnerLisa MeitnerLise Meitner, Otto HahnOtto HahnOtto Hahn, Fritz StrassmannFritz StrassmannFritz Strassmann i Otto FrischOtto FrischOtto Frisch.

W wyniku bombardowania uranu neutronami odkryto atomy baru – pierwiastka, który ma masę atomową dwa razy mniejszą od masy atomowej uranu. Proces ten nazwano rozszczepieniem jądra atomowegorozszczepienie jądra atomowegorozszczepieniem jądra atomowego. Stwierdzono także, że fragmenty rozszczepionego jądra atomu uranu mają bardzo dużą energię.

W 1944 r. Otto Hahn otrzymał za odkrycie rozszczepienia jądra Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Spodziewano się, że Lise Meitner otrzyma Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Tak się jednak nie stało, ale odkryty (a właściwie wyprodukowany) w 1982 r. pierwiastek o liczbie porządkowej 109 został nazwany „meitner”.

RqBYcxiP0V30T1

Animacja przedstawiająca rozszczepienie jądra izotopu uranu (92^235)U. Na środku ekranu jądro U235: kulka złożona z kulek 2 kolorów: czerwonych i szarozielonych, kulki wymieszane chaotycznie, kulka nie drga. Z lewej strony ekranu nadlatuje neutron. Neutron przyłącza się do jądra. Z jądra uranu robi się nowa kulka. Po kilku zniekształceniach elipsoidalnych jądro wydłuża się w „hantle”. Niezależne części oddalają się od siebie w przeciwnych kierunkach.

Animacja przedstawiająca rozszczepienie jądra izotopu uranu (92^235)U. Na środku ekranu jądro U235: kulka złożona z kulek 2 kolorów: czerwonych i szarozielonych, kulki wymieszane chaotycznie, kulka nie drga. Z lewej strony ekranu nadlatuje neutron. Neutron przyłącza się do jądra. Z jądra uranu robi się nowa kulka. Po kilku zniekształceniach elipsoidalnych jądro wydłuża się w „hantle”. Niezależne części oddalają się od siebie w przeciwnych kierunkach.

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Animacja przedstawiająca rozszczepienie jądra izotopu uranu (92^235)U. Na środku ekranu jądro U235: kulka złożona z kulek 2 kolorów: czerwonych i szarozielonych, kulki wymieszane chaotycznie, kulka nie drga. Z lewej strony ekranu nadlatuje neutron. Neutron przyłącza się do jądra. Z jądra uranu robi się nowa kulka. Po kilku zniekształceniach elipsoidalnych jądro wydłuża się w „hantle”. Niezależne części oddalają się od siebie w przeciwnych kierunkach.

Jak zapewne pamiętacie, analiza wykresu energii wiązania jąder przypadającej na jeden nukleon w różnych pierwiastkach prowadziła do wniosku, że najsilniej związane są nukleony w jądrach żelaza i w jądrach pierwiastków o liczbach masowych zbliżonych do liczby masowej żelaza (nikiel, molibden). Właściwa energia wiązania jest mniejsza dla jąder zwierających zarówno więcej, jak i mniej nukleonów.

Jeśli z jednego jądra powstają dwa, mamy do czynienia z większym deficytem masy na jeden nukleon w każdym z nowo powstałych jąder. Innymi słowy sumaryczna masa wszystkich produktów rozszczepienia jest mniejsza od masy jądra przed rozszczepieniem. Co się stało z brakującą masą? Zgodnie ze wzorem $E=∆m{c}^2$ została ona zamieniona na energię. Przykładowo: dla jądra o 240 nukleonach energia wiązania przypadająca na jeden nukleon jest większa o ok. 0,8 MeV niż dla jądra o 120 nukleonach. Oznacza to, że podczas rozpadu jądra o 240 nukleonach wydzieli się energia równa ok. 200 MeV (dla porównania energia uzyskana przy rozpadzie cząsteczki trotylu wynosi w przybliżeniu 30 eV). Energia będąca rezultatem reakcji rozszczepienia jądra przybiera głównie postać energii kinetycznej nowo powstałych jąder i neutronów oraz promieniowania gamma.

Reakcję rozszczepienia jądra uranu Indeks górny 235²³⁵U możemy zapisać następująco:
${}_{92}{}^{235}\mathrm{U}+{}_0{}^{1}n\to {}_{92}{}^{236}\mathrm{U}\to {}_{36}{}^{91}\mathrm{Kr}+{}_{56}{}^{142}\mathrm{Ba}+3\left({}_0{}^{1}n\right)$

Reakcja rozszczepienia jądra plutonu Indeks górny 239²³⁹Pumoże zachodzić według kilku schematów:
${}_{94}{}^{239}\mathrm{Pu}+{}_0{}^{1}n\to {}_{56}{}^{144}\mathrm{Ba}+{}_{38}{}^{94}\mathrm{Sr}+2{}_0{}^{1}n$
lub
${}_{94}{}^{239}\mathrm{Pu}+{}_0{}^{1}n\to {}_{51}{}^{130}\mathrm{Sb}+{}_{43}{}^{107}\mathrm{Tc}+3{}_0{}^{1}n,$
a jego wynikiem mogą być pary zupełnie innych jąder, np

${}_{37}\mathrm{Rb}$ i ${}_{55}\mathrm{Cs}$ lub ${}_{35}\mathrm{Br}$ i ${}_{57}\mathrm{La}$. Jak widać, zazwyczaj jedno z jąder ma większą masę. Podział na części o równych masach zdarza się bardzo rzadko.

Naukowców badających to zjawisko zaskoczyło to, że mogło się ono samo podtrzymywać. Każda reakcja rozpadu wytwarzała kolejne neutrony, które bombardowały sąsiadujące jądra i powodowały kolejne reakcje rozszczepienia. Proces ten trwał, dopóki dostępne były jądra izotopu uranu. Wszystkie opisane tutaj procesy składają się na tzw. reakcję łańcuchowąreakcja łańcuchowareakcję łańcuchową.

R1J9scN02SXJl1

Początkowo na ekranie widać tylko jądra uranu 235. Nadlatuje neutron z lewej, „uderza” w jądro uranu a to się dzieli. Części po podziale rozbiegają się. Trzy neutrony uderzają w kolejne 3 jądra uranu i je rozszczepiają. W każdym akcie rozszczepienia powstają 3 neutrony.

Początkowo na ekranie widać tylko jądra uranu 235. Nadlatuje neutron z lewej, „uderza” w jądro uranu a to się dzieli. Części po podziale rozbiegają się. Trzy neutrony uderzają w kolejne 3 jądra uranu i je rozszczepiają. W każdym akcie rozszczepienia powstają 3 neutrony.

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Początkowo na ekranie widać tylko jądra uranu 235. Nadlatuje neutron z lewej, „uderza” w jądro uranu a to się dzieli. Części po podziale rozbiegają się. Trzy neutrony uderzają w kolejne 3 jądra uranu i je rozszczepiają. W każdym akcie rozszczepienia powstają 3 neutrony.

Aby mogła zajść reakcja łańcuchowa, muszą zostać spełnione pewne warunki. Reakcja ta nie zachodzi w metalicznym uranie, ponieważ izotop Indeks górny 235²³⁵U stanowi zaledwie $\mathrm{0,7}\mathrm{\%}$ jego składu, a pozostałe $\mathrm{99,3}\mathrm{\%}$ to słabo promieniotwórczy izotop Indeks górny 238²³⁸U, który pochłania neutrony, ale nie prowadzi to do reakcji rozszczepienia. Ponadto masa izotopu Indeks górny 235²³⁵U musi być wystarczająco duża, by neutrony wywołały reakcję łańcuchową i nie opuściły próbki. Musi zostać przekroczona masa krytycznamasa krytycznamasa krytyczna, powyżej której reakcja łańcuchowa zachodzi samorzutnie.

W bombach atomowych dochodzi do wybuchu, gdy dwie części substancji radioaktywnej zostaną połączone i ich masa sumaryczna przekroczy masę krytyczną. Gwałtownie zachodząca reakcja łańcuchowa wyzwala wówczas ogromne ilości energii. Gdy dwie części substancji są oddalone od siebie, w każdej z nich reakcja rozszczepienia się wygasza.

Podsumowanie

• Rozszczepienie jądra atomowego polega na podziale jądra na dwa (rzadziej na trzy) fragmenty – jądra innych pierwiastków lub ich izotopów, w tym co najmniej dwa, dla których liczba masowa $A$ > 20. Jest rezultatem pochłonięcia cząstki (najczęściej neutronu) lub promieniowania $\mathrm{\gamma }$. Rozszczepieniu jądra towarzyszy emisja promieniowania jonizującego.

• Reakcje jądrowe najczęściej zachodzą w wyniku wychwytu neutronów przez jądro. Neutrony nie oddziałują elektrycznie z jądrami izotopów promieniotwórczych (jądra te – jak wszystkie jądra atomowe – mają ładunek dodatni), co upraszcza zaplanowanie i przeprowadzenie reakcji jądrowych.

• Reakcja łańcuchowa zachodzi samorzutnie. W wyniku każdej reakcji rozszczepienia powstają co najmniej dwie cząstki (neutrony), które bombardują sąsiednie jądra atomowe. Cząstki zostają pochłonięte przez jądra, które się rozpadają i wytwarzają następne neutrony. Proces zachodzi lawinowo w całej objętości substancji.

• Reakcji łańcuchowej towarzyszy wydzielanie olbrzymich ilości energii będącej skutkiem deficytu masy. W wyniku reakcji rozszczepienia jądra uranu ${}_{92}{}^{235}\mathrm{U}$ wydziela się energia wynosząca ok. 200 MeV.

• Deficyt masy to różnica między masą jądra przed rozpadem, a sumą mas wszystkich nukleonów uzyskanych w wyniku reakcji. W wypadku reakcji rozszczepienia jest dodatni i podlega przemianie w energię (zgodnie ze wzorem $∆E=m{c}^2$).

• Reakcja łańcuchowa nie zachodzi w każdych warunkach. Materiał rozszczepialny musi przekroczyć masę krytyczną.

• Izotop uranu ${}_{92}{}^{238}\mathrm{U}$ jest metalem o słabych właściwościach promieniotwórczych, ponieważ zawiera tylko $\mathrm{0,7}\mathrm{\%}$, niestabilnego uranu ${}_{92}{}^{235}\mathrm{U}$. Izotop Indeks górny 235²³⁵U ulega wymuszonemu rozszczepieniu wskutek bombardowania neutronami. Wychwyt neutronów przez izotop Indeks górny 238²³⁸U nie prowadzi do łańcuchowej reakcji rozszczepienia.

Zadanie podsumowujące moduł

Słowniczek

Enrico Fermi

R1NhCkVOfiAg71

Zdjęcie przedstawia Enrico Fermi. Fotografia czarno-biała. Na zdjęciu mężczyzna w wieku ok. 45 lat, szczupły, łysiejący. Czoło wysokie, linia włosów cofnięta, włosy ciemne. Brwi gęste. Oczy duże. Nos długi. Usta wąskie. Mężczyzna się uśmiecha. Widoczne cienie pod oczami. Uszy duże, delikatnie odstające. Mężczyzna jest ubrany w trzyczęściowy garnitur w prążki, białą koszulę oraz krawat w paski.

Enrico Fermi

29.09.1901–28.11.1954

Enrico Fermi był jednym z najbardziej uzdolnionych fizyków wszech czasów. Jako pierwszy skonstruował reaktor jądrowy. Brał czynny udział w pracach nad bombą atomową (projekt Manhattan). Wniósł nieoceniony wkład do fizyki teoretycznej – stworzył statystykę kwantową dla cząstek o spinie połówkowym (statystyka Fermiego‑Diraca).

Otto Frisch

RbiXrkZ1tBnhr1

Zdjęcie przedstawia Otto Firscha. Fotografia czarno-biała. Na zdjęciu mężczyzna w wieku ok. 45 lat, szczupły. Zwrócony w bok, widoczny prawy profil. Czoło wysokie, włosy siwiejące. Nos duży. Mężczyzna delikatnie się uśmiecha. Uszy proporcjonalne, przylegające. Mężczyzna jest ubrany w trzyczęściowy garnitur w prążki, białą koszulę oraz ciemny krawat.

Otto Frisch

1.10.1904–22.09.1979

Fizyk urodzony w Austrii, który swoje prace prowadził na terenie Wielkiej Brytanii. Otto Frisch razem ze swoją ciotką Lise Meitner opisał teoretycznie reakcję rozszczepienia jądra uranu.

Otto Hahn

R10pkavXelfhm1

Zdjęcie przedstawia Otto Hahna. Fotografia czarno-biała. Mężczyzna w wieku ok. 55 lat. Włosy ciemne, przerzedzone. Czoło wysokie, widoczne zmarszczki poprzeczne. Oczy jasne. Nos prosty. Usta wąskie, dolna warga nieco większa. Krótko przystrzyżone, siwe wąsy. Uszy średniej wielkości, górna część małżowiny usznej delikatnie odstająca. Mężczyzna jest ubrany w marynarkę, białą koszulę i ciemny krawat w wąskie paski.

Otto Hahn

8.03.1879–28.06.1968

Niemiecki fizyk, chemik, współodkrywca reakcji rozszczepienia jądra uranu, za co w 1944 r. został uhonorowany Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii. Odkrywca zjawiska izomerii jąder atomu oraz izotopów ${}^{228}\mathrm{Ra},{}^{228}\mathrm{Ac}, {}^{228}\mathrm{Th}$ i proaktynu.

Lise Meitner

RAq64XmYpMPZ61

Zdjęcie przedstawia Lisę Meitner. Fotografia czarno-biała. Na zdjęciu młoda, szczupła kobieta, w wieku ok. 30 lat, ubrana w długą sukienkę z długim rękawem. Na głowie kapelusz. Dłonie złożone przed sobą, jedna na drugiej. Oczy duże, nos prosty, usta średnie, policzki pełne.

Lise Meitner

17.11.1878–27.10.1968

Współpracowniczka Ottona Hahna, uważanego za prekursora technologii jądrowej. Meitner i Hahne wspólnie odkryli zjawisko odrzutu promieniotwórczego i trwały izotop proaktynu. Ze względu na swoje żydowskie pochodzenie Meitner musiała opuścić Niemcy. W Szwecji prowadziła badania w Instytucie Nobla, a następnie na Uniwersytecie Technicznym w Sztokholmie. Pod koniec życia przeprowadziła się do Wielkiej Brytanii, gdzie zamieszkała razem ze swoim siostrzeńcem Ottonem Frischem.

Fritz Strassmann

RPRCxGG3fq0Kl1

Ilustracja przedstawia Fritza Strassmanna. Mężczyzna w wieku ok. 45 lat. Czoło wysokie, uszy małe, usta wąskie. Oczy ciemne, kąciki oczu opadające. Brwi ciemne, średniej szerokości. Włosy ciemne, starannie uczesane. Przedziałek po prawej (jego lewej) stronie. Mężczyzna ubrany w czarny garnitur, białą koszulę i czarny krawat.

Fritz Strassmann

22.02.1902–22.04.1980

Niemiecki chemik, który razem z Ottonem Hahnem odkrył zjawisko rozszczepienia jądra uranu, za co w 1944 r. obaj badacze otrzymali wspólnie Nagrodę Nobla. Prowadził także prace nad praktycznym wykorzystaniem promieniotwórczości, m.in. do określania wieku tworów geologicznych.