Štěpení jádra je štěpení těžkého atomu na dva fragmenty přibližně stejné hmotnosti, doprovázené uvolněním velkého množství energie.
Objev jaderného štěpení zahájil novou éru – „atomový věk“. Potenciál jeho možného využití a poměr rizika k užitku z jeho použití přinesl nejen mnohé sociologické, politické, ekonomické a vědecké úspěchy, ale také vážné problémy. I z čistě vědeckého hlediska vytvořil proces jaderného štěpení velké množství hádanek a komplikací a jeho úplné teoretické vysvětlení je otázkou budoucnosti.
Sdílení je ziskové
Vazebné energie (na nukleon) se pro různá jádra liší. Těžší mají nižší vazebné energie než ty umístěné uprostřed periodické tabulky.
To znamená, že těžká jádra s atomovým číslem větším než 100 těží z rozdělení na dva menší fragmenty, čímž se uvolňuje energie, kterápřeměněna na kinetickou energii fragmentů. Tento proces se nazývá štěpení atomového jádra.
Podle křivky stability, která u stabilních nuklidů ukazuje závislost počtu protonů na počtu neutronů, těžší jádra preferují více neutronů (ve srovnání s počtem protonů) než lehčí. To naznačuje, že spolu s procesem štěpení budou emitovány některé "náhradní" neutrony. Navíc převezmou i část uvolněné energie. Studium jaderného štěpení atomu uranu ukázalo, že se uvolňují 3-4 neutrony: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Atomové číslo (a atomová hmotnost) fragmentu se nerovná polovině atomové hmotnosti rodiče. Rozdíl mezi hmotnostmi atomů vzniklých v důsledku štěpení je obvykle asi 50. Důvod pro to však ještě není zcela objasněn.
Vazebné energie 238U, 145La a 90Br jsou 1803, 1198 a 763 MeV, resp. To znamená, že v důsledku této reakce se uvolní štěpná energie jádra uranu, která se rovná 1198 + 763-1803=158 MeV.
Spontánní štěpení
Procesy spontánního štěpení jsou v přírodě známé, ale jsou velmi vzácné. Průměrná životnost tohoto procesu je asi 1017 let a například průměrná doba rozpadu alfa stejného radionuklidu je asi 1011let.
Důvodem je, že aby se jádro rozdělilo na dvě části, musínejprve podstoupí deformaci (roztažení) do elipsoidního tvaru a poté, před konečným rozdělením na dva fragmenty, vytvoří uprostřed „krček“.
Potenciální bariéra
V deformovaném stavu působí na jádro dvě síly. Jedním z nich je zvýšená povrchová energie (povrchové napětí kapky kapaliny vysvětluje její kulovitý tvar) a druhým je Coulombovo odpuzování mezi štěpnými úlomky. Společně vytvářejí potenciální bariéru.
Stejně jako v případě rozpadu alfa, aby došlo ke spontánnímu štěpení jádra atomu uranu, musí fragmenty překonat tuto bariéru pomocí kvantového tunelování. Bariéra je asi 6 MeV, jako v případě rozpadu alfa, ale pravděpodobnost tunelování částice α je mnohem větší než u mnohem těžšího produktu štěpení atomů.
Vynucené rozdělení
Mnohem pravděpodobnější je indukované štěpení jádra uranu. V tomto případě je mateřské jádro ozářeno neutrony. Pokud ji rodič pohltí, navážou se a uvolní vazebnou energii ve formě vibrační energie, která může přesáhnout 6 MeV potřebných k překonání potenciální bariéry.
Tam, kde energie dalšího neutronu nestačí k překonání potenciální bariéry, musí mít dopadající neutron minimální kinetickou energii, aby mohl vyvolat štěpení atomu. V případě 238U vazebná energie dodatečnáneutronů chybí asi 1 MeV. To znamená, že štěpení jádra uranu je indukováno pouze neutronem s kinetickou energií větší než 1 MeV. Na druhé straně izotop 235U má jeden nepárový neutron. Když jádro pohltí další, vytvoří s ním pár a v důsledku tohoto párování se objeví další vazebná energie. To stačí k tomu, aby se uvolnilo množství energie potřebné k tomu, aby jádro překonalo potenciální bariéru a při srážce s jakýmkoli neutronem dojde ke štěpení izotopu.
Beta Decay
Navzdory skutečnosti, že štěpná reakce emituje tři nebo čtyři neutrony, fragmenty stále obsahují více neutronů než jejich stabilní izobary. To znamená, že štěpné fragmenty jsou obecně nestabilní vůči beta rozpadu.
Když například dojde ke štěpení uranu 238U, stabilní izobara s A=145 je neodym 145Nd, což znamená, že fragment lanthanu 145La se rozpadá ve třech fázích, pokaždé emituje elektron a antineutrino, dokud se nevytvoří stabilní nuklid. Stabilní izobara s A=90 je zirkonium 90Zr, takže štěpící fragment brom 90Br se rozpadá v pěti fázích β-rozpadového řetězce.
Tyto β-rozpadové řetězce uvolňují další energii, která je téměř všechna odnesena elektrony a antineutriny.
Jaderné reakce: štěpení jader uranu
Přímé záření neutronu z nuklidu takévelký počet z nich pro zajištění stability jádra je nepravděpodobný. Jde o to, že nedochází k žádnému Coulombovu odpuzování, takže povrchová energie má tendenci udržovat neutron ve spojení s rodičem. To se však občas stává. Například štěpný fragment 90Br v první fázi rozpadu beta produkuje krypton-90, který může být v excitovaném stavu s dostatečnou energií, aby překonal povrchovou energii. V tomto případě může k emisi neutronů dojít přímo s tvorbou kryptonu-89. Tato izobara je stále nestabilní vůči β rozpadu, dokud se nezmění na stabilní yttrium-89, takže krypton-89 se rozpadá ve třech krocích.
Štěpení uranu: řetězová reakce
Neutrony emitované při štěpné reakci mohou být absorbovány jiným mateřským jádrem, které pak samo podléhá indukovanému štěpení. V případě uranu-238 vycházejí tři produkované neutrony s energií menší než 1 MeV (energie uvolněná při štěpení jádra uranu - 158 MeV - se převážně přeměňuje na kinetickou energii štěpných fragmentů), takže nemohou způsobit další štěpení tohoto nuklidu. Avšak s významnou koncentrací vzácného izotopu 235U mohou být tyto volné neutrony zachyceny jádry 235U, což může skutečně způsobit štěpení, protože v tomto případě neexistuje žádný energetický práh, pod kterým není štěpení indukováno.
Toto je princip řetězové reakce.
Typy jaderných reakcí
Nechť k je počet neutronů produkovaných ve vzorku štěpného materiálu ve stadiu n tohoto řetězce dělený počtem neutronů produkovaných ve stadiu n - 1. Toto číslo bude záviset na tom, kolik neutronů se vyprodukuje v fáze n - 1, jsou absorbovány jádrem, které může podstoupit nucené štěpení.
• Pokud je k < 1, pak řetězová reakce jednoduše vypadne a proces se velmi rychle zastaví. Přesně to se děje v přírodní uranové rudě, ve které je koncentrace 235U tak nízká, že pravděpodobnost absorpce jednoho z neutronů tímto izotopem je extrémně zanedbatelná.
• Je-li k > 1, pak řetězová reakce poroste, dokud nebude použit veškerý štěpný materiál (atomová bomba). Toho je dosaženo obohacením přírodní rudy pro získání dostatečně vysoké koncentrace uranu-235. U kulového vzorku se hodnota k zvyšuje s rostoucí pravděpodobností absorpce neutronů, která závisí na poloměru koule. Proto musí hmotnost U překročit určitou kritickou hmotnost, aby mohlo dojít ke štěpení jader uranu (řetězová reakce).
• Jestliže k=1, pak probíhá řízená reakce. To se používá v jaderných reaktorech. Proces je řízen distribucí kadmiových nebo borových tyčí mezi uran, které absorbují většinu neutronů (tyto prvky mají schopnost neutrony zachytit). Štěpení uranového jádra je automaticky řízeno pohybem tyčí tak, aby hodnota k zůstala rovna jedné.
