Sự phân hạch của hạt nhân là sự phân tách một nguyên tử nặng thành hai mảnh có khối lượng xấp xỉ bằng nhau, kèm theo giải phóng một lượng lớn năng lượng.
Việc phát hiện ra sự phân hạch hạt nhân đã bắt đầu một kỷ nguyên mới - "thời đại nguyên tử". Tiềm năng có thể sử dụng và tỷ lệ rủi ro được hưởng lợi từ việc sử dụng nó không chỉ tạo ra nhiều thành tựu xã hội học, chính trị, kinh tế và khoa học mà còn gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng. Ngay cả từ quan điểm khoa học thuần túy, quá trình phân hạch hạt nhân đã tạo ra một số lượng lớn các câu đố và phức tạp, và một lời giải thích lý thuyết đầy đủ về nó là vấn đề của tương lai.
Chia sẻ có lãi
Năng lượng liên kết (mỗi nucleon) khác nhau đối với các hạt nhân khác nhau. Những cái nặng hơn có năng lượng liên kết thấp hơn những cái nằm ở giữa bảng tuần hoàn.
Điều này có nghĩa là các hạt nhân nặng có số nguyên tử lớn hơn 100 được hưởng lợi từ việc phân chia thành hai mảnh nhỏ hơn, do đó giải phóng năng lượngchuyển thành động năng của mảnh vỡ. Quá trình này được gọi là sự phân tách của hạt nhân nguyên tử.
Theo đường cong ổn định, cho thấy sự phụ thuộc của số proton vào số nơtron đối với nuclôn bền, hạt nhân nặng hơn thích nhiều nơtron (so với số proton) hơn hạt nhẹ hơn. Điều này cho thấy rằng cùng với quá trình phân tách, một số neutron "dự phòng" sẽ được phát ra. Ngoài ra, chúng cũng sẽ tiếp nhận một phần năng lượng được giải phóng. Nghiên cứu về sự phân hạch hạt nhân của nguyên tử uranium cho thấy có 3-4 neutron được giải phóng:238U →145La +90 Br + 3n.
Số nguyên tử (và khối lượng nguyên tử) của một mảnh không bằng một nửa khối lượng nguyên tử của mảnh ghép chính. Sự khác biệt giữa khối lượng của các nguyên tử được hình thành do sự phân tách thường là khoảng 50. Tuy nhiên, lý do của điều này vẫn chưa được hiểu đầy đủ.
Năng lượng liên kết của238U,145La và90Br là 1803, Lần lượt là 1198 và 763 MeV. Điều này có nghĩa là kết quả của phản ứng này, năng lượng phân hạch của hạt nhân uranium được giải phóng, bằng 1198 + 763-1803=158 MeV.
Phân hạch tự phát
Quá trình phân tách tự nhiên được biết đến trong tự nhiên, nhưng chúng rất hiếm. Thời gian tồn tại trung bình của quá trình này là khoảng 1017năm và, ví dụ, thời gian tồn tại trung bình của quá trình phân rã alpha của cùng một hạt nhân phóng xạ là khoảng 1011năm.
Lý do là để tách thành hai phần, nhân phảiđầu tiên trải qua biến dạng (kéo dài) thành hình elip, và sau đó, trước khi tách thành hai mảnh cuối cùng, tạo thành một "cổ" ở giữa.
Rào cản tiềm ẩn
Ở trạng thái biến dạng, hai lực tác dụng lên lõi. Một trong số đó là năng lượng bề mặt tăng lên (sức căng bề mặt của giọt chất lỏng giải thích cho hình dạng hình cầu của nó), và một trong số đó là lực đẩy Coulomb giữa các mảnh phân hạch. Họ cùng nhau tạo ra một rào cản tiềm ẩn.
Như trong trường hợp phân rã alpha, để xảy ra sự phân hạch tự phát của hạt nhân nguyên tử uranium, các mảnh vỡ phải vượt qua rào cản này bằng cách sử dụng đường hầm lượng tử. Rào cản là khoảng 6 MeV, như trong trường hợp phân rã alpha, nhưng xác suất đào hầm của một hạt α lớn hơn nhiều so với xác suất của một sản phẩm phân hạch nguyên tử nặng hơn nhiều.
Buộc tách
Nhiều khả năng là do sự phân hạch gây ra của hạt nhân uranium. Trong trường hợp này, hạt nhân mẹ được chiếu xạ bằng neutron. Nếu phụ huynh hấp thụ nó, chúng liên kết, giải phóng năng lượng liên kết dưới dạng năng lượng dao động có thể vượt quá 6 MeV cần thiết để vượt qua rào cản tiềm năng.
Khi năng lượng của một nơtron bổ sung không đủ để vượt qua rào cản thế năng, thì nơtron tới phải có động năng tối thiểu để có thể tạo ra sự phân tách nguyên tử. Trong trường hợp238U liên kết năng lượng bổ sungnơtron bị thiếu khoảng 1 MeV. Điều này có nghĩa là sự phân hạch của hạt nhân uranium chỉ được tạo ra bởi một nơtron có động năng lớn hơn 1 MeV. Mặt khác, đồng vị235U có một neutron chưa ghép đôi. Khi hạt nhân hấp thụ thêm một hạt nhân, nó tạo thành một cặp với nó, và kết quả của sự kết đôi này, năng lượng liên kết bổ sung xuất hiện. Điều này đủ để giải phóng lượng năng lượng cần thiết để hạt nhân vượt qua rào cản tiềm năng và sự phân hạch đồng vị xảy ra khi va chạm với bất kỳ nơtron nào.
Beta Decay
Mặc dù thực tế là phản ứng phân hạch phát ra ba hoặc bốn neutron, các mảnh vỡ vẫn chứa nhiều neutron hơn các isobar ổn định của chúng. Điều này có nghĩa là các mảnh phân hạch thường không ổn định trước sự phân rã beta.
Ví dụ, khi sự phân hạch của uranium xảy ra238U, isobar ổn định với A=145 là neodymium145Nd, có nghĩa là mảnh lantan145La phân hủy theo ba giai đoạn, mỗi giai đoạn phát ra một điện tử và một phản neutrino, cho đến khi một nuclide bền vững được hình thành. Đồng phân bền với A=90 là zirconi90Zr, vì vậy đoạn phân tách brom90Br bị phân hủy theo 5 giai đoạn của chuỗi phân rã β.
Các chuỗi phân rã β này giải phóng năng lượng bổ sung, hầu như tất cả năng lượng này được mang đi bởi các electron và phản neutrino.
Phản ứng hạt nhân: sự phân hạch của hạt nhân uranium
Bức xạ trực tiếp của một neutron từ một nuclide vớimột số lượng lớn trong số chúng để đảm bảo sự ổn định của hạt nhân là không thể. Vấn đề ở đây là không có lực đẩy Coulomb, và do đó năng lượng bề mặt có xu hướng giữ cho neutron liên kết với hạt mẹ. Tuy nhiên, điều này đôi khi vẫn xảy ra. Ví dụ, mảnh phân hạch90Br trong giai đoạn đầu của quá trình phân rã beta tạo ra krypton-90, có thể ở trạng thái kích thích với đủ năng lượng để thắng năng lượng bề mặt. Trong trường hợp này, sự phát xạ neutron có thể xảy ra trực tiếp với sự hình thành của krypton-89. Isobar này vẫn không ổn định để phân rã β cho đến khi nó chuyển thành yttrium-89 ổn định, vì vậy krypton-89 phân rã theo ba bước.
Uranium phân hạch: phản ứng dây chuyền
Các neutron phát ra trong một phản ứng phân hạch có thể được hấp thụ bởi một hạt nhân mẹ khác, sau đó bản thân nó trải qua quá trình phân hạch. Trong trường hợp của uranium-238, ba neutron được tạo ra có năng lượng nhỏ hơn 1 MeV (năng lượng giải phóng trong quá trình phân hạch của hạt nhân uranium - 158 MeV - chủ yếu được chuyển thành động năng của các mảnh phân hạch), vì vậy chúng không thể gây ra sự phân hạch thêm của nuclide này. Tuy nhiên, với nồng độ đáng kể của đồng vị hiếm235U, các neutron tự do này có thể bị bắt giữ bởi các hạt nhân235U, thực sự có thể gây ra sự phân hạch, vì trong trường hợp này, không có ngưỡng năng lượng nào dưới ngưỡng mà sự phân hạch không được tạo ra.
Đây là nguyên tắc phản ứng dây chuyền.
Các loại phản ứng hạt nhân
Gọi k là số neutron được tạo ra trong một mẫu vật liệu phân hạch ở giai đoạn n của chuỗi này, chia cho số neutron được tạo ra ở giai đoạn n - 1. Con số này sẽ phụ thuộc vào bao nhiêu neutron được tạo ra ở giai đoạn n - 1, được hạt nhân hấp thụ, có thể trải qua quá trình phân hạch cưỡng bức.
• Nếu k < là 1, thì phản ứng dây chuyền sẽ đơn giản xảy ra và quá trình sẽ dừng lại rất nhanh. Đây chính xác là những gì xảy ra trong quặng uranium tự nhiên, trong đó nồng độ của235U thấp đến mức xác suất hấp thụ một trong các neutron của đồng vị này là cực kỳ không đáng kể.
• Nếu k > 1, thì phản ứng dây chuyền sẽ phát triển cho đến khi tất cả vật liệu phân hạch được sử dụng (bom nguyên tử). Điều này đạt được bằng cách làm giàu quặng tự nhiên để thu được nồng độ uranium-235 đủ cao. Đối với một mẫu hình cầu, giá trị của k tăng khi xác suất hấp thụ nơtron tăng lên, giá trị này phụ thuộc vào bán kính của hình cầu. Do đó, khối lượng của U phải vượt quá khối lượng tới hạn nào đó để sự phân hạch của các hạt nhân uranium (một phản ứng dây chuyền) xảy ra.
• Nếu k=1, thì phản ứng có kiểm soát xảy ra. Điều này được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân. Quá trình này được kiểm soát bằng cách phân phối các thanh cadmium hoặc boron giữa uranium, chúng hấp thụ hầu hết các neutron (các nguyên tố này có khả năng bắt neutron). Sự phân hạch của hạt nhân uranium được điều khiển tự động bằng cách di chuyển các thanh sao cho giá trị của k vẫn bằng một.
