Przeczytaj
Warto przeczytać
Rozszczepienie jest procesem, w którym jądro atomowe ulega podziałowi na dwa lżejsze fragmenty o zbliżonej masie. Proces może zachodzić samoistniesamoistnie, nie wymuszony żadnymi czynnikami zewnętrznymi, czego przykładem jest rozszczepienie jądra kalifornu 252. Izotop Indeks górny 252252Cf 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:
Po lewej stronie jest jądro kalifornu Indeks górny 252252Cf. Jądro ulega podziałowi na ruten Indeks górny 109109Ru i ksenon Indeks górny 139139Xe oraz 4 neutrony. Zgodnie z równaniem, całkowita liczba protonów i neutronów zostaje zachowana.
Rozszczepienie może też nastąpić w sposób wymuszonywymuszony, na przykład na skutek pochłonięcia neutronu, protonu czy fotonu. Przykładem procesu wymuszonegowymuszonego jest zachodzące w elektrowniach jądrowych rozszczepienie jądra uranu 235. Izotop Indeks górny 235235U 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 235235U prezentuje poniższy wzór:
Podobnie jak w przypadku spontanicznegospontanicznego rozszczepienia kalifornu, liczba protonów i neutronów jest zachowana.
W każdym akcie rozszczepienia mogą powstać różne produkty oraz różna liczba neutronów. W przypadku spontanicznegospontanicznego rozszczepienia kalifornu Indeks górny 252252Cf emitowane są najczęściej 4 neutrony. W wywołanym neutronami rozszczepieniu jądra uranu Indeks górny 235235U 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.
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 wiązaniaenergię 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 nukleonów w jądrach atomowych. Zgodnie z definicją, energia wiązaniaenergia wiązania jest energią potrzebną do rozdzielenia jądra atomowego na nukleony, czyli protony i neutrony. Energia wiązaniaEnergia 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.
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 238238U. 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 238238U 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 238238U.
Słowniczek
(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).
(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.
(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.