Splyting van 'n kern is die splitsing van 'n swaar atoom in twee fragmente van ongeveer gelyke massa, gepaardgaande met die vrystelling van 'n groot hoeveelheid energie.
Die ontdekking van kernsplyting het 'n nuwe era begin - die "atoomtydperk". Die potensiaal van die moontlike gebruik daarvan en die verhouding van risiko tot voordeel uit die gebruik daarvan het nie net baie sosiologiese, politieke, ekonomiese en wetenskaplike prestasies opgelewer nie, maar ook ernstige probleme. Selfs vanuit 'n suiwer wetenskaplike oogpunt het die proses van kernsplyting 'n groot aantal raaisels en komplikasies geskep, en 'n volledige teoretiese verduideliking daarvan is 'n kwessie van die toekoms.
Deling is winsgewend
Die bindingsenergieë (per nukleon) verskil vir verskillende kerne. Swaarders het laer bindingsenergieë as dié wat in die middel van die periodieke tabel geleë is.
Dit beteken dat swaar kerne met 'n atoomgetal groter as 100 baat by verdeling in twee kleiner fragmente, en sodoende energie vrystel watomgeskakel in kinetiese energie van fragmente. Hierdie proses word die splitsing van die atoomkern genoem.
Volgens die stabiliteitskurwe, wat die afhanklikheid van die aantal protone van die aantal neutrone vir stabiele nukliede toon, verkies swaarder kerne meer neutrone (in vergelyking met die aantal protone) as ligter. Dit dui daarop dat saam met die splitsingsproses sommige "spaar" neutrone vrygestel sal word. Daarbenewens sal hulle ook van die vrygestelde energie opneem. Die studie van kernsplyting van die uraanatoom het getoon dat 3-4 neutrone vrygestel word: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Die atoomgetal (en atoommassa) van 'n fragment is nie gelyk aan die helfte van die atoommassa van die ouer nie. Die verskil tussen die massas atome wat as gevolg van splitsing gevorm word, is gewoonlik ongeveer 50. Die rede hiervoor is egter nog nie ten volle verstaan nie.
Die bindende energieë van 238U, 145La en 90Br is 1803, 1198 en 763 MeV, onderskeidelik. Dit beteken dat as gevolg van hierdie reaksie, die splytingsenergie van die uraankern vrygestel word, gelyk aan 1198 + 763-1803=158 MeV.
Spontane splitsing
Prosesse van spontane splitsing is in die natuur bekend, maar dit is baie skaars. Die gemiddelde leeftyd van hierdie proses is ongeveer 1017 jaar, en byvoorbeeld, die gemiddelde leeftyd van alfa-verval van dieselfde radionuklied is ongeveer 1011jaar.
Die rede hiervoor is dat om in twee dele te verdeel, die kern moetondergaan eers vervorming (rek) in 'n ellipsoïdale vorm, en vorm dan, voor die finale splitsing in twee fragmente, 'n "nek" in die middel.
Potensiële versperring
In die vervormde toestand werk twee kragte op die kern in. Een daarvan is die verhoogde oppervlak-energie (die oppervlakspanning van 'n vloeistofdruppel verklaar sy sferiese vorm), en die ander is die Coulomb-afstoting tussen splitsingsfragmente. Saam produseer hulle 'n potensiële versperring.
Soos in die geval van alfa-verval, moet die fragmente hierdie versperring oorkom deur kwantumtonnels te gebruik sodat die spontane splyting van die uraan-atoomkern kan plaasvind. Die versperring is ongeveer 6 MeV, soos in die geval van alfa-verval, maar die waarskynlikheid van tonnel van 'n α-deeltjie is baie groter as dié van 'n baie swaarder atoomsplytingsproduk.
Geforseerde splitsing
Baie meer waarskynlik is geïnduseerde splyting van die uraankern. In hierdie geval word die ouerkern met neutrone bestraal. As die ouer dit absorbeer, bind hulle en stel bindingsenergie vry in die vorm van vibrasie-energie wat die 6 MeV kan oorskry wat nodig is om die potensiële versperring te oorkom.
Waar die energie van 'n bykomende neutron onvoldoende is om die potensiële versperring te oorkom, moet die invallende neutron 'n minimum kinetiese energie hê om die splitsing van 'n atoom te kan veroorsaak. In die geval van 238U-bindingsenergie bykomendeneutrone ontbreek ongeveer 1 MeV. Dit beteken dat splitsing van die uraankern slegs deur 'n neutron met 'n kinetiese energie groter as 1 MeV geïnduseer word. Aan die ander kant het die isotoop 235U een ongepaarde neutron. Wanneer die kern 'n bykomende een absorbeer, vorm dit 'n paar daarmee, en as gevolg van hierdie paring verskyn bykomende bindingsenergie. Dit is genoeg om die hoeveelheid energie vry te stel wat nodig is vir die kern om die potensiële versperring te oorkom en die isotoopsplyting vind plaas by botsing met enige neutron.
Beta Decay
Ondanks die feit dat die splitsingsreaksie drie of vier neutrone uitstraal, bevat die fragmente steeds meer neutrone as hul stabiele isobare. Dit beteken dat splitsingsfragmente oor die algemeen onstabiel is teen beta-verval.
Byvoorbeeld, wanneer uraansplyting plaasvind 238U, is die stabiele isobaar met A=145 neodymium 145Nd, wat beteken dat die lantaanfragment 145La verval in drie fases, wat elke keer 'n elektron en 'n antineutrino uitstraal, totdat 'n stabiele nuklied gevorm word. Die stabiele isobaar met A=90 is sirkonium 90Zr, dus verval die splitsende fragment broom 90Br in vyf stadiums van die β-vervalketting.
Hierdie β-vervalkettings stel bykomende energie vry, wat byna alles deur elektrone en antineutrino's weggevoer word.
Kernreaksies: splitsing van uraankerne
Direkte bestraling van 'n neutron vanaf 'n nuklied met ook'n groot aantal daarvan om te verseker dat die stabiliteit van die pit onwaarskynlik is. Die punt hier is dat daar geen Coulomb-afstoting is nie, en dus is die oppervlakenergie geneig om die neutron in verband met die ouer te hou. Dit gebeur egter soms. Byvoorbeeld, die splitsingsfragment 90Br in die eerste stadium van beta-verval produseer kripton-90, wat in 'n opgewekte toestand kan wees met genoeg energie om die oppervlak-energie te oorkom. In hierdie geval kan die vrystelling van neutrone direk plaasvind met die vorming van kripton-89. Hierdie isobaar is steeds onstabiel teen β-verval totdat dit na stabiele yttrium-89 verander, so kripton-89 verval in drie stappe.
Uraansplyting: kettingreaksie
Neutrone wat in 'n splitsingsreaksie vrygestel word, kan deur 'n ander ouerkern geabsorbeer word, wat dan self geïnduseerde splitsing ondergaan. In die geval van uraan-238 kom die drie neutrone wat geproduseer word uit met 'n energie van minder as 1 MeV (die energie wat vrygestel word tydens die splitsing van die uraankern - 158 MeV - word hoofsaaklik omgeskakel na die kinetiese energie van die splitsingsfragmente), dus kan hulle nie verdere splitsing van hierdie nuklied veroorsaak nie. Met 'n aansienlike konsentrasie van die skaars isotoop 235U, kan hierdie vrye neutrone egter deur kerne 235U gevang word, wat inderdaad splyting kan veroorsaak, aangesien daar in hierdie geval geen energiedrempel is waaronder splitsing nie geïnduseer word nie.
Dit is die kettingreaksiebeginsel.
Tipes kernreaksies
Laat k die aantal neutrone wees wat in 'n monster van splytbare materiaal in stadium n van hierdie ketting geproduseer word, gedeel deur die aantal neutrone wat in stadium n - 1 geproduseer word. Hierdie getal sal afhang van hoeveel neutrone geproduseer word by stadium n - 1, word deur die kern geabsorbeer, wat gedwonge splyting kan ondergaan.
• As k < 1 is, dan sal die kettingreaksie eenvoudig uitbrand en die proses sal baie vinnig stop. Dit is presies wat gebeur in natuurlike uraanerts, waarin die konsentrasie van 235U so laag is dat die waarskynlikheid van absorpsie van een van die neutrone deur hierdie isotoop uiters weglaatbaar is.
• As k > 1, dan sal die kettingreaksie groei totdat al die splytbare materiaal gebruik is (atoombom). Dit word bereik deur natuurlike erts te verryk om 'n voldoende hoë konsentrasie uraan-235 te verkry. Vir 'n sferiese monster neem die waarde van k toe met 'n toename in die neutronabsorpsiewaarskynlikheid, wat afhang van die radius van die sfeer. Daarom moet die massa van U 'n mate van kritieke massa oorskry sodat die splyting van uraankerne ('n kettingreaksie) kan plaasvind.
• As k=1, dan vind 'n beheerde reaksie plaas. Dit word in kernreaktors gebruik. Die proses word beheer deur kadmium- of boorstawe tussen die uraan te versprei, wat die meeste van die neutrone absorbeer (hierdie elemente het die vermoë om neutrone op te vang). Die splitsing van die uraankern word outomaties beheer deur die stawe te beweeg sodat die waarde van k gelyk aan een bly.
