Branduolio skilimas – tai sunkaus atomo padalijimas į du maždaug vienodos masės fragmentus, kartu išsiskiriantis didelis energijos kiekis.
Branduolinio dalijimosi atradimas pradėjo naują erą – „atominį amžių“. Galimo jo panaudojimo potencialas ir rizikos bei naudos iš naudojimo santykis sukėlė ne tik daug sociologinių, politinių, ekonominių ir mokslo pasiekimų, bet ir rimtų problemų. Net ir grynai moksliniu požiūriu branduolio dalijimosi procesas sukėlė daugybę galvosūkių ir komplikacijų, o išsamus teorinis jo paaiškinimas yra ateities reikalas.
Bendrinimas yra pelningas
Susirišimo energija (vienam nukleonui) skiriasi skirtingiems branduoliams. Sunkesnės medžiagos turi mažesnę surišimo energiją nei tų, kurios yra periodinės lentelės viduryje.
Tai reiškia, kad sunkieji branduoliai, kurių atominis skaičius didesnis nei 100, dalijasi į du mažesnius fragmentus ir taip išskiria energiją, kuripaverčiamas fragmentų kinetine energija. Šis procesas vadinamas atomo branduolio skilimu.
Pagal stabilumo kreivę, kuri rodo protonų skaičiaus priklausomybę nuo neutronų skaičiaus stabiliems nuklidams, sunkesni branduoliai teikia pirmenybę daugiau neutronų (palyginti su protonų skaičiumi) nei lengvesni. Tai rodo, kad kartu su skilimo procesu išsiskirs kai kurie „atsarginiai“neutronai. Be to, jie taip pat perims dalį išleistos energijos. Urano atomo branduolio dalijimosi tyrimas parodė, kad išsiskiria 3–4 neutronai: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Fragmento atominis skaičius (ir atominė masė) nėra lygus pusei pradinio elemento atominės masės. Skirtumas tarp atomų masių, susidariusių dėl skilimo, paprastai yra apie 50. Tačiau to priežastis dar nėra visiškai suprantama.
238U, 145La ir 90Br rišamoji energija yra 1803 m. 1198 ir 763 MeV atitinkamai. Tai reiškia, kad dėl šios reakcijos išsiskiria urano branduolio dalijimosi energija, lygi 1198 + 763-1803=158 MeV.
Spontaniškas dalijimasis
Spontaniško skilimo procesai gamtoje žinomi, tačiau labai reti. Vidutinė šio proceso trukmė yra apie 1017 metų, o, pavyzdžiui, vidutinė to paties radionuklido alfa skilimo trukmė yra apie 1011metų.
To priežastis yra ta, kad branduolys turi būti padalintas į dvi dalispirmiausia deformuojasi (ištempia) į elipsoidinę formą, o po to, prieš galutinį padalijimą į dvi dalis, viduryje suformuoja „kaklą“.
Galimas barjeras
Deformuotoje būsenoje šerdį veikia dvi jėgos. Viena jų – padidėjusi paviršiaus energija (skysčio lašo paviršiaus įtempimas paaiškina jo sferinę formą), o kitas – Kulono atstūmimas tarp dalijimosi fragmentų. Kartu jie sukuria potencialų barjerą.
Kaip ir alfa skilimo atveju, kad įvyktų savaiminis urano atomo branduolio skilimas, fragmentai turi įveikti šią kliūtį naudodami kvantinį tunelį. Kliūtis yra apie 6 MeV, kaip ir alfa skilimo atveju, tačiau tikimybė, kad α dalelės tuneliuotųsi, yra daug didesnė nei daug sunkesnio atomo dalijimosi produkto.
Priverstinis padalijimas
Daug labiau tikėtina, kad sukels urano branduolio dalijimasis. Šiuo atveju pirminis branduolys yra apšvitinamas neutronais. Jei tėvai jį sugeria, jie jungiasi, išskirdami rišančią energiją vibracinės energijos pavidalu, kuri gali viršyti 6 MeV, reikalingą potencialo barjerui įveikti.
Jei papildomo neutrono energijos nepakanka potencialo barjerui įveikti, krintančio neutrono kinetinė energija turi būti minimali, kad galėtų paskatinti atomo skilimą. 238U ryšio energijos atveju papildomaneutronams trūksta apie 1 MeV. Tai reiškia, kad urano branduolio skilimą sukelia tik neutronas, kurio kinetinė energija didesnė nei 1 MeV. Kita vertus, izotopas 235U turi vieną nesuporuotą neutroną. Kai branduolys sugeria papildomą, jis sudaro porą su juo ir dėl šio poravimo atsiranda papildoma rišimo energija. To pakanka, kad išsiskirtų energijos kiekis, reikalingas branduoliui įveikti potencialo barjerą, ir izotopų skilimas įvyksta susidūrus su bet kuriuo neutronu.
Beta Decay
Nepaisant to, kad dalijimosi reakcija išskiria tris ar keturis neutronus, fragmentuose vis tiek yra daugiau neutronų nei jų stabiliuose izobaruose. Tai reiškia, kad dalijimosi fragmentai paprastai yra nestabilūs prieš beta skilimą.
Pavyzdžiui, kai įvyksta urano skilimas 238U, stabili izobara, kurios A=145, yra neodimio 145Nd, o tai reiškia, kad lantano fragmentas 145La skyla trimis etapais, kiekvieną kartą išskirdamas elektroną ir antineutriną, kol susidaro stabilus nuklidas. Stabilus izobaras, kurio A=90, yra cirkonis 90Zr, todėl skilimo fragmentas bromas 90Br skyla penkiais β-skilimo grandinės etapais.
Šios β skilimo grandinės išskiria papildomos energijos, kurią beveik visą nuneša elektronai ir antineutrinai.
Branduolinės reakcijos: urano branduolių dalijimasis
Tiesioginis neutrono spinduliavimas iš nuklido taip patDidelis jų skaičius, siekiant užtikrinti branduolio stabilumą, yra mažai tikėtinas. Esmė ta, kad Kulono atstūmimo nėra, todėl paviršiaus energija linkusi išlaikyti neutroną ryšį su pirminiu. Tačiau kartais taip nutinka. Pavyzdžiui, dalijimosi fragmentas 90Br pirmajame beta skilimo etape gamina kriptoną-90, kuris gali būti sužadintas ir turintis pakankamai energijos paviršiaus energijai įveikti. Šiuo atveju neutronų emisija gali įvykti tiesiogiai susidarant kriptonui-89. Šis izobaras vis dar nestabilus β skilimui, kol pavirsta stabiliu itriu-89, todėl kriptonas-89 skyla trimis etapais.
Urano skilimas: grandininė reakcija
Skilimo reakcijos metu išskiriamus neutronus gali absorbuoti kitas pradinis branduolys, kuris vėliau pats vyksta indukuotai dalijamasi. Urano-238 atveju trijų pagamintų neutronų energija yra mažesnė nei 1 MeV (skilimo urano branduoliui metu išsiskirianti energija - 158 MeV - daugiausia paverčiama dalijimosi fragmentų kinetine energija), todėl jie negali sukelti tolesnio šio nuklido skilimo. Tačiau esant didelei reto izotopo 235U koncentracijai, šiuos laisvuosius neutronus gali užfiksuoti 235U branduoliai, kurie iš tiesų gali sukelti dalijimąsi, kadangi šiuo atveju nėra energijos slenksčio, žemiau kurio skilimas nesukeliamas.
Tai grandininės reakcijos principas.
Branduolinių reakcijų tipai
Tegul k yra neutronų, susidarančių šios grandinės n stadijos skiliosios medžiagos pavyzdyje, skaičius, padalytas iš neutronų, pagamintų n-1 etape. Šis skaičius priklausys nuo to, kiek neutronų susidaro n - 1 stadijoje, yra absorbuojami branduolyje, kuris gali būti priverstinai dalijamasi.
• Jei k < yra 1, grandininė reakcija tiesiog nutrūks ir procesas labai greitai sustos. Būtent taip atsitinka natūralioje urano rūdoje, kurioje 235U koncentracija yra tokia maža, kad tikimybė, kad šis izotopas sugers vieną iš neutronų, yra labai nereikšminga.
• Jei k > 1, grandininė reakcija augs tol, kol bus panaudota visa skilioji medžiaga (atominė bomba). Tai pasiekiama sodrinant natūralią rūdą, kad būtų gauta pakankamai didelė urano-235 koncentracija. Sferinio pavyzdžio k reikšmė didėja didėjant neutronų sugerties tikimybei, kuri priklauso nuo sferos spindulio. Todėl U masė turi viršyti tam tikrą kritinę masę, kad įvyktų urano branduolių skilimas (grandininė reakcija).
• Jei k=1, tada vyksta kontroliuojama reakcija. Tai naudojama branduoliniuose reaktoriuose. Procesas valdomas paskirstant kadmio arba boro strypus tarp urano, kurie sugeria didžiąją dalį neutronų (šie elementai turi galimybę sugauti neutronus). Urano branduolio dalijimasis automatiškai valdomas judant strypus taip, kad k reikšmė liktų lygi vienetui.
