To ciekawe

Końcówka XIX i pierwsza połowa XX wieku niewątpliwie należały do fizyki jądrowej. Po odkryciu przez Henriego Becquerela oraz Marię i Piotra Curie promieniotwórczości, badania własności jąder atomowych stały się najgorętszym i najczęściej nagradzanym Nagrodą Nobla działem fizyki. Jednym z kroków milowych było odkrycie neutronu, czego dokonał James Chadwick. Praca Chadwicka zainspirowała innego naukowca, Enrico Fermiego. Uczony badał wpływ neutronów na radioaktywność próbki. Fermi zauważył, że napromieniowanie materiałów niskoenergetycznymi neutronami zwiększa radioaktywność próbki.

Zainteresowani tymi wynikami Otto Hahn i Fritz Straßmann powtórzyli badania, wykorzystując rudę uranu. Znając wyniki Fermiego, oczekiwali wzrostu radioaktywności próbki, a w konsekwencji powstania izotopów radu, czyli produktów rozpadu uranu. Początek eksperymentu odbył się zgodnie z oczekiwaniami, napromieniowany uran stał się wysoce radioaktywny. Zaskoczenie przyniosła analiza chemiczna próbki. Zamiast spodziewanych izotopów radu, uczeni wykryli obecność baru. Było to o tyle zaskakujące, że jądra baru mają niemalże dwa razy mniejszą liczbę atomową od jąder uranu, nie mogły więc powstać w wyniku żadnej ze znanych wcześniej przemian jądrowych. Był to nowy, nieodkryty dotąd proces, który uczeni nazwali rozszczepieniem.

Czym jest rozszczepienie, w jakich warunkach zachodzi oraz gdzie jest wykorzystywane, o tym dowiesz się z lektury tego materiału.

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 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 $\gamma$. 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 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 235²³⁵U jest niestabilny, w naturze ulega rozpadowi $\alpha$, jednak po pochłonięciu neutronu może ulec rozszczepieniu. W procesie tym powstają dwa niesymetryczne produkty rozszczepienia, 2‑3 neutrony oraz promieniowanie $\gamma$.

Przykładową reakcję rozszczepienia uranu Indeks górny 235²³⁵U prezentuje poniższy wzór:

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 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.

R3JdFUP4kzalm

Na ilustracji na białym tle widać dwuwymiarowy układ współrzędnych w kolorze czarnym. Oś pozioma jest skierowana w prawo, wyskalowana od 80 do 170 i posiada podpis: Masa atomowa. Oś pionowa jest skierowana do góry i jest wyskalowana od zera do 0,06 oraz posiada podpis: Prawdopodobieństwo powstania, początek nawiasu kwadratowego j.u., koniec nawiasu kwadratowego. Na białym tle widać czerwoną linię w kształcie sinusoidy, która ma minima dla 80, 125 oraz 170, natomiast maksima dla 115 oraz 145.

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

Na ilustracji na białym tle widać dwuwymiarowy układ współrzędnych w kolorze czarnym. Oś pozioma jest skierowana w prawo, wyskalowana od zera do dwustu siedemdziesięciu i posiada podpis: Liczba nukleonów w jądrze. Oś pionowa jest skierowana do góry i jest wyskalowana od zera do dziewięciu oraz posiada podpis: Energia wiązania na nukleon, początek nawiasu kwadratowego wielka litera M mała litera e wielka litera V, koniec nawiasu kwadratowego. Na białym tle widać granatową postrzępioną linię. Linia biegnie od początku układu współrzędnych ostro do góry, na poziomie punktu o współrzędnych około pięć oraz siedem i pół opada ostro w dół do punktu o współrzędnych około dziesięć i pięć. Następnie znowu biegnie ostro w górę do punktu o współrzędnych około dziesięć i około osiem i posiada podpis: górny wskaźnik cztery, wielka litera H mała litera e. Następnie linia z licznymi małymi załamaniami biegnie łagodnie rosnąco, w najwyższym punkcie posiada podpis: górny indeks pięćdziesiąt sześć, wielka litera F mała litera e. Następnie linia niemal równolegle do osi poziomej, aż wreszcie w punkcie o współrzędnej około 90 i około 9 zaczyna łagodnie opadać w dół, nie posiada załamań i kończy się na punkcie o współrzędnej 240 i 7,5 oraz posiada podpis: górny indeks 238, wielka litera U.

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.

R1LGEUpnla1IW

Na ilustracji na białym tle widać dwuwymiarowy układ współrzędnych w kolorze czarnym. Oś pozioma jest skierowana w prawo, wyskalowana od zera do dwustu siedemdziesięciu i posiada podpis: Liczba nukleonów w jądrze. Oś pionowa jest skierowana do góry i jest wyskalowana od zera do dziewięciu oraz posiada podpis: Energia wiązania na nukleon, początek nawiasu kwadratowego wielka litera M mała litera e wielka litera V, koniec nawiasu kwadratowego. Widać dwie linie przerywane poziome biegnące równolegle do osi poziomej od punktu o współrzędnej zero i siedem i pół (jedna linia) i zero oraz zero i osiem i pół, a kończące się w punktach o współrzędnych: sto dwadzieścia i siedem i pół oraz sto dwadzieścia i osiem i pół. Równolegle do osi pionowej biegnie linia prosta przerywana zaczynająca się w punkcie o współrzędnych sto dwadzieścia i zero, a kończąca się na punkcie o współrzędnych: sto dwadzieścia i osiem i pół. Na białym tle widać granatową postrzępioną linię. Linia biegnie od początku układu współrzędnych ostro do góry, na poziomie punktu o współrzędnych około pięć oraz siedem i pół opada ostro w dół do punktu o współrzędnych około dziesięć i pięć. Następnie znowu biegnie ostro w górę do punktu o współrzędnych około dziesięć i około osiem i posiada podpis: górny indeks cztery, wielka litera H mała litera e. Następnie linia z licznymi małymi załamaniami biegnie łagodnie rosnąco, w najwyższym punkcie posiada podpis: górny indeks pięćdziesiąt sześć, wielka litera F mała litera e. Następnie linia niemal równolegle do osi poziomej, aż wreszcie w punkcie o współrzędnej około 90 i około 9 zaczyna łagodnie opadać w dół, nie posiada załamań i kończy się na punkcie o współrzędnej 240 i 7,5 oraz posiada podpis: górny indeks 238, wielka litera U.

Słowniczek