Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby udostępnić materiał Dodaj całą stronę do teczki

Warto przeczytać

Rozszczepienie jest procesem, w którym jądro atomowe ulega podziałowi na dwa lżejsze fragmenty o zbliżonej masie. Proces może zachodzić samoistnieRozszczepienie spontanicznesamoistnie, nie wymuszony żadnymi czynnikami zewnętrznymi, czego przykładem jest rozszczepienie jądra kalifornu 252. Izotop Indeks górny 252Cf jest nietrwały i w 97% ulega rozpadowi alfa. W pozostałych 3% przypadków jądro rozdziela się na dwa fragmenty. Podziałowi towarzyszy emisja kilku neutronów i promieniowania . Przykład samoistnego rozszczepienia opisuje poniższy wzór:

98252Cf44109Ru+54139Xe+401n.

Po lewej stronie jest jądro kalifornu Indeks górny 252Cf. Jądro ulega podziałowi na ruten Indeks górny 109Ru i ksenon Indeks górny 139Xe oraz 4 neutrony. Zgodnie z równaniem, całkowita liczba protonów i neutronów zostaje zachowana.

Rozszczepienie może też nastąpić w sposób wymuszonyRozszczepienie wymuszonewymuszony, na przykład na skutek pochłonięcia neutronu, protonu czy fotonu. Przykładem procesu wymuszonegoRozszczepienie wymuszonewymuszonego jest zachodzące w elektrowniach jądrowych rozszczepienie jądra uranu 235. Izotop Indeks górny 235U jest niestabilny, w naturze ulega rozpadowi , jednak po pochłonięciu neutronu może ulec rozszczepieniu. W procesie tym powstają dwa niesymetryczne produkty rozszczepienia, 2‑3 neutrony oraz promieniowanie .

Przykładową reakcję rozszczepienia uranu Indeks górny 235U prezentuje poniższy wzór:

92235U+01n3894Sr+54140Xe+201n.

Podobnie jak w przypadku spontanicznegoRozszczepienie spontanicznespontanicznego rozszczepienia kalifornu, liczba protonów i neutronów jest zachowana.

W każdym akcie rozszczepienia mogą powstać różne produkty oraz różna liczba neutronów. W przypadku spontanicznegoRozszczepienie spontanicznespontanicznego rozszczepienia kalifornu Indeks górny 252Cf emitowane są najczęściej 4 neutrony. W wywołanym neutronami rozszczepieniu jądra uranu Indeks górny 235U jest ich najczęściej 2 lub 3. Rozkład prawdopodobieństwa powstania konkretnych produktów przypomina dwa pagórki wyznaczające lżejsze i cięższe fragmenty, co zostało zaprezentowane na Rys. 1. Pagórek znajdujący się po lewej stronie prezentuje prawdopodobieństwo powstania lżejszego fragmentu rozszczepienia o konkretnej liczbie masowej. Analogicznie, pagórek leżący po stronie prawej wyznacza prawdopodobieństwo powstania cięższego fragmentu o konkretnej liczbie masowej.

R3JdFUP4kzalm
Rys. 1. Rozkład prawdopodobieństwa powstania jąder o danej masie atomowej w reakcji spontanicznego rozszczepienia jądra 252Cf. [grafika stworzona w ramach projektu]

Warto wiedzieć, że niemalże wszystkie produkty rozszczepienia mają nadwyżkę neutronów w stosunku do jąder stabilnych, co oznacza, że ulegają przemianie beta minus. Większość produktów rozszczepienia jest radioaktywna!

Proces rozszczepienia jest wykorzystywany do pozyskiwania energii w reaktorach jądrowych. Każda pojedyncza reakcja prowadzi do uwolnienia energii wynoszącej ok. 200 MeV. Wielkość tę warto porównać z energią uwolnioną w spalaniu jednego atomu węgla, która wynosi ok 4 eV, czyli 50 milionów razy mniej! Co jest źródłem tak dużej energii?

Odpowiedź kryje się na Rys. 2., który przedstawia energię wiązaniaEnergia wiązania jądra atomowegoenergię wiązania nukleonów w jądrze atomowym w przeliczeniu na jeden nukleon w funkcji masy jądra. Zanim przeanalizujemy wykres, zastanówmy się przez chwilę nad tym, czym jest energia wiązaniaEnergia wiązania jądra atomowegoenergia wiązania nukleonów w jądrach atomowych. Zgodnie z definicją, energia wiązaniaEnergia wiązania jądra atomowegoenergia wiązania jest energią potrzebną do rozdzielenia jądra atomowego na nukleony, czyli protony i neutrony. Energia wiązaniaEnergia wiązania jądra atomowegoEnergia wiązania pojedynczego nukleonu wynosi ok. 8 MeV, czyli ponad milion razy więcej, niż energia potrzebna do zjonizowania atomu wodoru.

Wracając do Rys. 2., energia wiązania rośnie aż do masy 56. Zaznaczone na wykresie jądro żelaza 56 jest najsilniej związanym jądrem występującym w przyrodzie. Idąc w kierunku wyższych mas, energia wiązania jąder maleje. Tym samym ciężkie jądra uranu, plutonu czy kalifornu są słabiej związane, niż jądra o dwukrotnie mniejszej masie. Różnica w energii wiązania lekkich jąder powstałych po rozszczepianiu i jądra początkowego stanowi energię uwolnioną w rozszczepieniu.

R7MtKRoZATY5T
Rys. 2. Energia wiązania nukleonów w jądrze atomowym w przeliczeniu na jeden nukleon w funkcji liczby masowej jądra. [grafika stworzona w ramach projektu]

Przyglądając się powyższemu wykresowi można odnieść wrażenie, że energia wiązania ciężkich jąder niewiele różni się od energii wiązania jąder o połowę lżejszych. Aby upewnić się, czy ta różnica rzeczywiście tłumaczy emisję tak dużej energii w rozszczepieniu wykonamy jej proste oszacowanie.

Wyznaczymy energię uwolnioną w rozszczepieniu uranu Indeks górny 238U. Upraszczając zadanie założymy, że jądro ulega podziałowi na dwa równe fragmenty, czyli posiadające liczbę masową 119. Zgodnie z Rys. 3., energia wiązania jądra uranu Indeks górny 238U wynosi ok 7,5 MeV/nukleon, czyli jego całkowita energia wiązania wynosi 7,5 MeV · 238 = 1785 MeV. Energia wiązania jądra o masie 119 wynosi ok 8,5 MeV na nukleon. Całkowita energia wiązania dwóch takich jąder wynosi 8,5 MeV · 119 · 2 = 2023 MeV. Różnica energii wiązania, wynosząca 2023 MeV - 1785 MeV = 238 MeV, jest przybliżoną wartością energii uwolnionej w rozszczepieniu jądra uranu Indeks górny 238U.

R1LGEUpnla1IW
Rys. 3. Energia wiązania nukleonów w jądrze atomowym w przeliczeniu na jeden nukleon w funkcji liczby masowej jądra - ilustracja do przykładu. [grafika stworzona w ramach projektu]

Słowniczek

Rozszczepienie spontaniczne
Rozszczepienie spontaniczne

(ang.: spontaneous fission) przemiana jądrowa polegająca na samoczynnym podziale jądra atomowego na dwa lżejsze fragmenty o zbliżonej masie, czemu towarzyszy emisja neutronów oraz uwolnienie energii. Spontanicznemu rozczepieniu ulegają najcięższe jądra atomowe (aktynowce).

Rozszczepienie wymuszone
Rozszczepienie wymuszone

(ang.: induced fission) wywołany czynnikiem zewnętrznym (np. pochłonięciem neutronu lub protonu) proces podziału ciężkiego jądra atomowego na dwa lżejsze fragmenty. Rozszczepieniu towarzyszy emisja neutronów oraz uwolnienie znacznych ilości energii.

Energia wiązania jądra atomowego
Energia wiązania jądra atomowego

(ang.: nuclear binding energy) energia potrzebna do rozdzielenia jądra atomowego na nukleony, czyli protony i neutrony. Zgodnie z zasadą równoważności masy i energii, energia wiązania równa jest wymnożonej przez kwadrat prędkości światła różnicy masy nukleonów, z których zbudowane jest jądro atomowe, i masy jądra.

Aplikacje dostępne w
Pobierz aplikację ZPE - Zintegrowana Platforma Edukacyjna na androida