Fizioni i një bërthame është ndarja e një atomi të rëndë në dy fragmente me masë afërsisht të barabartë, i shoqëruar nga çlirimi i një sasie të madhe energjie.
Zbulimi i ndarjes bërthamore filloi një epokë të re - "epokën atomike". Potenciali i përdorimit të tij të mundshëm dhe raporti i rrezikut ndaj përfitimit nga përdorimi i tij jo vetëm që kanë gjeneruar shumë arritje sociologjike, politike, ekonomike dhe shkencore, por edhe probleme serioze. Edhe nga një këndvështrim thjesht shkencor, procesi i ndarjes bërthamore ka krijuar një numër të madh enigmash dhe komplikimesh dhe një shpjegim i plotë teorik i tij është çështje e së ardhmes.
Ndarja është fitimprurëse
Energjitë lidhëse (për nukleon) ndryshojnë për bërthama të ndryshme. Ato më të rëndat kanë energji lidhëse më të ulët se ato që ndodhen në mes të tabelës periodike.
Kjo do të thotë se bërthamat e rënda me një numër atomik më të madh se 100 përfitojnë nga ndarja në dy fragmente më të vogla, duke çliruar kështu energji qëshndërrohet në energji kinetike të fragmenteve. Ky proces quhet ndarja e bërthamës atomike.
Sipas lakores së stabilitetit, e cila tregon varësinë e numrit të protoneve nga numri i neutroneve për nuklide të qëndrueshme, bërthamat më të rënda preferojnë më shumë neutrone (krahasuar me numrin e protoneve) sesa ato më të lehta. Kjo sugjeron që së bashku me procesin e ndarjes, do të emetohen disa neutrone "të rezervuara". Përveç kësaj, ata gjithashtu do të marrin një pjesë të energjisë së çliruar. Studimi i ndarjes bërthamore të atomit të uraniumit tregoi se lirohen 3-4 neutrone: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Numri atomik (dhe masa atomike) e një fragmenti nuk është i barabartë me gjysmën e masës atomike të prindit. Diferenca midis masave të atomeve të formuara si rezultat i ndarjes është zakonisht rreth 50. Megjithatë, arsyeja për këtë nuk është kuptuar ende plotësisht.
Energjitë lidhëse të 238U, 145La dhe 90Br janë 1803, 1198 dhe 763 MeV, respektivisht. Kjo do të thotë se si rezultat i këtij reaksioni, lirohet energjia e ndarjes së bërthamës së uraniumit, e barabartë me 1198 + 763-1803=158 MeV.
Fision spontan
Proceset e ndarjes spontane janë të njohura në natyrë, por ato janë shumë të rralla. Jetëgjatësia mesatare e këtij procesi është rreth 1017 vjet dhe, për shembull, jetëgjatësia mesatare e kalbjes alfa të të njëjtit radionuklid është rreth 1011vjet.
Arsyeja për këtë është se për t'u ndarë në dy pjesë, kerneli duhetfillimisht i nënshtrohen deformimit (shtrirjes) në formë elipsoidale dhe më pas, para ndarjes përfundimtare në dy fragmente, formojnë një "qafë" në mes.
Pengesa e mundshme
Në gjendjen e deformuar, dy forca veprojnë në bërthamë. Njëra prej tyre është rritja e energjisë sipërfaqësore (tensioni sipërfaqësor i një pike të lëngshme shpjegon formën e saj sferike), dhe tjetra është zmbrapsja e Kulombit midis fragmenteve të ndarjes. Së bashku ata krijojnë një pengesë të mundshme.
Ashtu si në rastin e kalbjes alfa, në mënyrë që të ndodhë ndarja spontane e bërthamës së atomit të uraniumit, fragmentet duhet ta kapërcejnë këtë pengesë duke përdorur tunelizimin kuantik. Barriera është rreth 6 MeV, si në rastin e zbërthimit alfa, por probabiliteti i tunelit të një grimce α është shumë më i madh se ai i një produkti të ndarjes së atomit shumë më të rëndë.
Ndarje e detyruar
Shumë më shumë gjasa është ndarja e induktuar e bërthamës së uraniumit. Në këtë rast, bërthama mëmë rrezatohet me neutrone. Nëse prindi e thith atë, ata lidhen, duke çliruar energji lidhëse në formën e energjisë vibruese që mund të kalojë 6 MeV të nevojshme për të kapërcyer pengesën e mundshme.
Kur energjia e një neutroni shtesë është e pamjaftueshme për të kapërcyer pengesën potenciale, neutroni i rënë duhet të ketë një energji minimale kinetike në mënyrë që të jetë në gjendje të nxisë ndarjen e një atomi. Në rastin e 238U energjia e lidhjes shtesëneutroneve u mungon rreth 1 MeV. Kjo do të thotë se ndarja e bërthamës së uraniumit nxitet vetëm nga një neutron me energji kinetike më të madhe se 1 MeV. Nga ana tjetër, izotopi 235U ka një neutron të paçiftuar. Kur bërthama thith një shtesë, formon një çift me të dhe si rezultat i këtij çiftimi, shfaqet energji shtesë lidhëse. Kjo është e mjaftueshme për të çliruar sasinë e energjisë së nevojshme që bërthama të kapërcejë pengesën e mundshme dhe ndarja e izotopit ndodh pas përplasjes me çdo neutron.
Beta Decay
Pavarësisht faktit se reaksioni i ndarjes lëshon tre ose katër neutrone, fragmentet ende përmbajnë më shumë neutrone sesa izobaret e tyre të qëndrueshme. Kjo do të thotë se fragmentet e ndarjes janë përgjithësisht të paqëndrueshme ndaj kalbjes beta.
Për shembull, kur ndodh zbërthimi i uraniumit 238U, izobari i qëndrueshëm me A=145 është neodymium 145Nd, që do të thotë se fragmenti i lantanumit 145La kalbet në tre faza, çdo herë duke emetuar një elektron dhe një antineutrino, derisa të formohet një nuklid i qëndrueshëm. Izobari i qëndrueshëm me A=90 është zirkonium 90Zr, kështu që fragmenti ndarës i bromit 90Br prishet në pesë faza të zinxhirit β-zbërthimi.
Këta zinxhirë të zbërthimit β lëshojnë energji shtesë, pothuajse e gjithë kjo mbartet nga elektronet dhe antineutrinot.
Reaksionet bërthamore: ndarja e bërthamave të uraniumit
Rrezatimi i drejtpërdrejtë i një neutroni nga një nuklid me gjithashtunjë numër i madh i tyre për të siguruar stabilitetin e kernelit nuk ka gjasa. Çështja këtu është se nuk ka zmbrapsje të Kulombit, dhe kështu energjia sipërfaqësore tenton ta mbajë neutronin në lidhje me prindin. Megjithatë, kjo ndonjëherë ndodh. Për shembull, fragmenti i ndarjes 90Br në fazën e parë të zbërthimit beta prodhon krypton-90, i cili mund të jetë në një gjendje të ngacmuar me energji të mjaftueshme për të kapërcyer energjinë sipërfaqësore. Në këtë rast, emetimi i neutroneve mund të ndodhë drejtpërdrejt me formimin e krypton-89. Ky izobar është ende i paqëndrueshëm ndaj zbërthimit β derisa të ndryshojë në yttrium-89 të qëndrueshëm, kështu që krypton-89 prishet në tre hapa.
Fisioni i uraniumit: reaksion zinxhir
Neutronet e emetuara në një reaksion të ndarjes mund të absorbohen nga një bërthamë tjetër mëmë, e cila më pas vetë i nënshtrohet ndarjes së induktuar. Në rastin e uraniumit-238, tre neutronet që prodhohen dalin me një energji më të vogël se 1 MeV (energjia e çliruar gjatë ndarjes së bërthamës së uraniumit - 158 MeV - shndërrohet kryesisht në energjinë kinetike të fragmenteve të ndarjes), kështu që ato nuk mund të shkaktojnë ndarje të mëtejshme të këtij nuklidi. Megjithatë, me një përqendrim të konsiderueshëm të izotopit të rrallë 235U, këto neutrone të lira mund të kapen nga bërthamat 235U, të cilat me të vërtetë mund të shkaktojnë ndarje, pasi në këtë rast, nuk ka asnjë prag energjetik nën të cilin ndarja nuk nxitet.
Ky është parimi i reaksionit zinxhir.
Llojet e reaksioneve bërthamore
Le të jetë k numri i neutroneve të prodhuara në një mostër të materialit të zbërthyeshëm në fazën n të këtij zinxhiri, pjesëtuar me numrin e neutroneve të prodhuara në fazën n - 1. Ky numër do të varet nga sa neutrone prodhohen në faza n - 1, absorbohen nga bërthama, e cila mund t'i nënshtrohet ndarjes së detyruar.
• Nëse k < është 1, atëherë reaksioni zinxhir thjesht do të fiket dhe procesi do të ndalet shumë shpejt. Kjo është pikërisht ajo që ndodh në mineralin natyror të uraniumit, në të cilin përqendrimi i 235U është aq i ulët sa që probabiliteti i përthithjes së një prej neutroneve nga ky izotop është jashtëzakonisht i papërfillshëm.
• Nëse k > 1, atëherë reaksioni zinxhir do të rritet derisa të përdoret i gjithë materiali i zbërthyeshëm (bombë atomike). Kjo arrihet duke pasuruar mineralin natyror për të marrë një përqendrim mjaft të lartë të uraniumit-235. Për një kampion sferik, vlera e k rritet me një rritje të probabilitetit të përthithjes së neutronit, e cila varet nga rrezja e sferës. Prandaj, masa e U duhet të kalojë një masë kritike në mënyrë që të ndodhë ndarja e bërthamave të uraniumit (një reaksion zinxhir).
• Nëse k=1, atëherë ndodh një reaksion i kontrolluar. Kjo përdoret në reaktorët bërthamorë. Procesi kontrollohet duke shpërndarë shufra kadmiumi ose bori midis uraniumit, të cilët thithin shumicën e neutroneve (këto elementë kanë aftësinë për të kapur neutronet). Fizioni i bërthamës së uraniumit kontrollohet automatikisht duke lëvizur shufrat në mënyrë që vlera e k të mbetet e barabartë me një.
