Klyvning av en kärna är delning av en tung atom i två fragment med ungefär lika massa, åtföljd av frigöring av en stor mängd energi.
Upptäckten av kärnklyvning började en ny era - "atomåldern". Potentialen för dess möjliga användning och förhållandet mellan risk och nytta av dess användning har inte bara genererat många sociologiska, politiska, ekonomiska och vetenskapliga landvinningar, utan också allvarliga problem. Även ur en rent vetenskaplig synvinkel har kärnklyvningsprocessen skapat ett stort antal pussel och komplikationer, och en fullständig teoretisk förklaring av det är en fråga om framtiden.
Dela är lönsamt
Bindningsenergierna (per nukleon) skiljer sig åt för olika kärnor. Tyngre har lägre bindningsenergier än de som finns i mitten av det periodiska systemet.
Detta betyder att tunga kärnor med ett atomnummer större än 100 drar nytta av att delas i två mindre fragment och därigenom frigöra energi somomvandlas till kinetisk energi av fragment. Denna process kallas splittring av atomkärnan.
Enligt stabilitetskurvan, som visar antalet protoners beroende av antalet neutroner för stabila nuklider, föredrar tyngre kärnor fler neutroner (jämfört med antalet protoner) än lättare. Detta tyder på att tillsammans med klyvningsprocessen kommer några "reserv" neutroner att sändas ut. Dessutom kommer de också att ta på sig en del av den frigjorda energin. Studien av kärnklyvning av uranatomen visade att 3-4 neutroner frigörs: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Atomnumret (och atommassan) för ett fragment är inte lika med hälften av förälderns atommassa. Skillnaden mellan massorna av atomer som bildas till följd av splittring är vanligtvis cirka 50. Orsaken till detta är dock ännu inte helt klarlagd.
Bindningsenergierna för 238U, 145La och 90Br är 1803, 1198 respektive 763 MeV. Detta innebär att som ett resultat av denna reaktion frigörs klyvningsenergin i urankärnan, lika med 1198 + 763-1803=158 MeV.
Spontan fission
Processer för spontan splittring är kända i naturen, men de är mycket sällsynta. Den genomsnittliga livslängden för denna process är cirka 1017 år, och till exempel är medellivslängden för alfasönderfall för samma radionuklid cirka 1011år.
Anledningen till detta är att kärnan måste delas upp i två delarförst genomgå deformation (sträcka) till en ellipsoid form och sedan, innan den slutliga splittringen i två fragment, bilda en "hals" i mitten.
Potentiell barriär
I det deformerade tillståndet verkar två krafter på kärnan. En av dem är den ökade ytenergin (ytspänningen hos en vätskedroppe förklarar dess sfäriska form), och den andra är Coulomb-avstötningen mellan fissionsfragment. Tillsammans skapar de en potentiell barriär.
Som i fallet med alfasönderfall, för att den spontana klyvningen av uranatomkärnan ska kunna inträffa, måste fragmenten övervinna denna barriär med hjälp av kvanttunneling. Barriären är cirka 6 MeV, som i fallet med alfasönderfall, men sannolikheten för tunnling av en α-partikel är mycket större än för en mycket tyngre atomklyvningsprodukt.
Tvingad delning
Mycket mer sannolikt är inducerad klyvning av urankärnan. I detta fall bestrålas moderkärnan med neutroner. Om föräldern absorberar det binder de och frigör bindningsenergi i form av vibrationsenergi som kan överstiga de 6 MeV som krävs för att övervinna den potentiella barriären.
Där energin hos en ytterligare neutron är otillräcklig för att övervinna den potentiella barriären, måste den infallande neutronen ha en minimal kinetisk energi för att kunna inducera spjälkning av en atom. I fallet med 238U bindningsenergi ytterligareneutroner saknas ca 1 MeV. Det betyder att klyvning av urankärnan endast induceras av en neutron med en kinetisk energi större än 1 MeV. Å andra sidan har isotopen 235U en oparad neutron. När kärnan absorberar ytterligare en bildar den ett par med den, och som ett resultat av denna parning uppstår ytterligare bindningsenergi. Detta är tillräckligt för att frigöra den mängd energi som krävs för att kärnan ska övervinna den potentiella barriären och isotopklyvningen inträffar vid kollision med valfri neutron.
Beta Decay
Trots att fissionsreaktionen avger tre eller fyra neutroner, innehåller fragmenten fortfarande fler neutroner än deras stabila isobarer. Detta innebär att fissionsfragment i allmänhet är instabila mot beta-sönderfall.
Till exempel, när uranklyvning inträffar 238U, är den stabila isobaren med A=145 neodym 145Nd, vilket betyder att lantanfragmentet 145La sönderfaller i tre steg, varje gång avger det en elektron och en antineutrino, tills en stabil nuklid bildas. Den stabila isobaren med A=90 är zirkonium 90Zr, så det delande fragmentet brom 90Br sönderfaller i fem steg av β-sönderfallskedjan.
Dessa β-sönderfallskedjor frigör ytterligare energi, som nästan all förs bort av elektroner och antineutriner.
Kärnreaktioner: klyvning av urankärnor
Direktstrålning av en neutron från en nuklid med ocksåett stort antal av dem för att säkerställa stabiliteten hos kärnan är osannolik. Poängen här är att det inte finns någon Coulomb-repulsion, så ytenergin tenderar att hålla neutronen i förbindelse med föräldern. Men detta händer ibland. Till exempel producerar fissionsfragmentet 90Br i det första steget av beta-sönderfall krypton-90, som kan vara i ett exciterat tillstånd med tillräckligt med energi för att övervinna ytenergin. I detta fall kan emissionen av neutroner ske direkt med bildandet av krypton-89. Denna isobar är fortfarande instabil mot β-sönderfall tills den ändras till stabil yttrium-89, så krypton-89 sönderfaller i tre steg.
Uraniumklyvning: kedjereaktion
Neutroner som emitteras i en fissionsreaktion kan absorberas av en annan moderkärna, som sedan själv genomgår inducerad fission. När det gäller uran-238 kommer de tre neutronerna som produceras ut med en energi på mindre än 1 MeV (energin som frigörs under klyvningen av urankärnan - 158 MeV - omvandlas huvudsakligen till klyvningsfragmentens kinetiska energi), så de kan inte orsaka ytterligare klyvning av denna nuklid. Men med en betydande koncentration av den sällsynta isotopen 235U, kan dessa fria neutroner fångas upp av kärnor 235U, vilket verkligen kan orsaka fission, eftersom det i detta fall inte finns någon energitröskel under vilken fission inte induceras.
Detta är kedjereaktionsprincipen.
Typer av kärnreaktioner
Låt k vara antalet neutroner som produceras i ett prov av klyvbart material i steg n i denna kedja, dividerat med antalet neutroner som produceras i steg n - 1. Detta antal beror på hur många neutroner som produceras vid steg n - 1. steg n - 1, absorberas av kärnan, som kan genomgå forcerad fission.
• Om k < är 1, kommer kedjereaktionen helt enkelt att rinna ut och processen stoppas mycket snabbt. Detta är precis vad som händer i naturlig uranmalm, där koncentrationen av 235U är så låg att sannolikheten för absorption av en av neutronerna av denna isotop är extremt försumbar.
• Om k > 1, så kommer kedjereaktionen att växa tills allt klyvbart material används (atombomb). Detta uppnås genom att anrika naturlig malm för att få en tillräckligt hög koncentration av uran-235. För ett sfäriskt prov ökar värdet på k med en ökning av neutronabsorptionssannolikheten, vilket beror på sfärens radie. Därför måste massan av U överstiga en viss kritisk massa för att klyvning av urankärnor (en kedjereaktion) ska inträffa.
• Om k=1, sker en kontrollerad reaktion. Detta används i kärnreaktorer. Processen styrs genom att fördela kadmium- eller borstavar bland uranet, som absorberar de flesta neutronerna (dessa grundämnen har förmågan att fånga neutroner). Klyvningen av urankärnan kontrolleras automatiskt genom att röra stavarna så att värdet på k förblir lika med ett.
