La fissione di un nucleo è la scissione di un atomo pesante in due frammenti di massa approssimativamente uguale, accompagnata dal rilascio di una grande quantità di energia.
La scoperta della fissione nucleare iniziò una nuova era: l'"era atomica". Il potenziale del suo possibile utilizzo e il rapporto rischio/beneficio del suo utilizzo non solo hanno generato molte conquiste sociologiche, politiche, economiche e scientifiche, ma anche seri problemi. Anche da un punto di vista puramente scientifico, il processo di fissione nucleare ha creato un gran numero di enigmi e complicazioni, e una sua completa spiegazione teorica è una questione di futuro.
La condivisione è redditizia
Le energie di legame (per nucleone) differiscono per i diversi nuclei. Quelli più pesanti hanno energie di legame inferiori rispetto a quelli che si trovano al centro della tavola periodica.
Ciò significa che i nuclei pesanti con un numero atomico maggiore di 100 traggono vantaggio dalla divisione in due frammenti più piccoli, rilasciando così energia checonvertita in energia cinetica di frammenti. Questo processo è chiamato scissione del nucleo atomico.
Secondo la curva di stabilità, che mostra la dipendenza del numero di protoni dal numero di neutroni per nuclidi stabili, i nuclei più pesanti preferiscono più neutroni (rispetto al numero di protoni) rispetto a quelli più leggeri. Ciò suggerisce che, insieme al processo di scissione, verranno emessi alcuni neutroni "di riserva". Inoltre, assorbiranno anche parte dell'energia rilasciata. Lo studio della fissione nucleare dell'atomo di uranio ha mostrato che vengono rilasciati 3-4 neutroni: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Il numero atomico (e la massa atomica) di un frammento non è uguale alla metà della massa atomica del genitore. La differenza tra le masse di atomi formate come risultato della scissione è solitamente di circa 50. Tuttavia, la ragione di ciò non è ancora completamente compresa.
Le energie vincolanti di 238U, 145La e 90Br sono 1803, 1198 e 763 MeV, rispettivamente. Ciò significa che a seguito di questa reazione viene rilasciata l'energia di fissione del nucleo di uranio, pari a 1198 + 763-1803=158 MeV.
Fissione spontanea
I processi di scissione spontanea sono noti in natura, ma sono molto rari. La vita media di questo processo è di circa 1017 anni e, ad esempio, la vita media del decadimento alfa dello stesso radionuclide è di circa 1011anni
Il motivo è che per dividere in due parti, il kernel deveprima subiscono una deformazione (stiramento) in una forma ellissoidale, quindi, prima della scissione finale in due frammenti, formano un "collo" nel mezzo.
Potenziale barriera
Nello stato deformato, due forze agiscono sul nucleo. Uno di questi è l'aumento dell'energia superficiale (la tensione superficiale di una goccia di liquido spiega la sua forma sferica), e l' altro è la repulsione coulombiana tra i frammenti di fissione. Insieme producono una potenziale barriera.
Come nel caso del decadimento alfa, affinché avvenga la fissione spontanea del nucleo dell'atomo di uranio, i frammenti devono superare questa barriera usando il tunneling quantistico. La barriera è di circa 6 MeV, come nel caso del decadimento alfa, ma la probabilità di tunneling di una particella α è molto maggiore di quella di un prodotto di fissione dell'atomo molto più pesante.
Spaccatura forzata
Molto più probabile è la fissione indotta del nucleo di uranio. In questo caso, il nucleo genitore viene irradiato con neutroni. Se il genitore lo assorbe, si legano, rilasciando energia di legame sotto forma di energia vibrazionale che può superare i 6 MeV necessari per superare la barriera potenziale.
Se l'energia di un neutrone aggiuntivo è insufficiente per superare la barriera di potenziale, il neutrone incidente deve avere un'energia cinetica minima per poter indurre la scissione di un atomo. Nel caso di 238U energia di legame aggiuntivai neutroni mancano di circa 1 MeV. Ciò significa che la fissione del nucleo di uranio è indotta solo da un neutrone con un'energia cinetica maggiore di 1 MeV. D' altra parte, l'isotopo 235U ha un neutrone spaiato. Quando il nucleo ne assorbe un altro, forma una coppia con esso e, come risultato di questo accoppiamento, appare un'energia di legame aggiuntiva. Questo è sufficiente per rilasciare la quantità di energia necessaria al nucleo per superare la barriera di potenziale e la fissione dell'isotopo si verifica in caso di collisione con qualsiasi neutrone.
Decadimento beta
Nonostante il fatto che la reazione di fissione emetta tre o quattro neutroni, i frammenti contengono ancora più neutroni delle loro isobare stabili. Ciò significa che i frammenti di fissione sono generalmente instabili contro il decadimento beta.
Ad esempio, quando si verifica la fissione dell'uranio 238U, l'isobara stabile con A=145 è neodimio 145Nd, il che significa che il frammento di lantanio 145La decade in tre stadi, emettendo ogni volta un elettrone e un antineutrino, fino a formare un nuclide stabile. L'isobare stabile con A=90 è zirconio 90Zr, quindi il frammento di scissione bromo 90Br decade in cinque fasi della catena di decadimento β.
Queste catene di β-decadimento rilasciano ulteriore energia, quasi tutta portata via da elettroni e antineutrini.
Reazioni nucleari: fissione di nuclei di uranio
Anche la radiazione diretta di un neutrone da un nuclideun gran numero di essi per garantire la stabilità del kernel è improbabile. Il punto qui è che non c'è repulsione di Coulomb, e quindi l'energia superficiale tende a mantenere il neutrone in legame con il genitore. Tuttavia, questo a volte accade. Ad esempio, il frammento di fissione 90Br nella prima fase del decadimento beta produce krypton-90, che può essere in uno stato eccitato con energia sufficiente per superare l'energia superficiale. In questo caso, l'emissione di neutroni può avvenire direttamente con la formazione di krypton-89. Questa isobara è ancora instabile al decadimento β finché non cambia in ittrio-89 stabile, quindi krypton-89 decade in tre fasi.
Fissione dell'uranio: reazione a catena
I neutroni emessi in una reazione di fissione possono essere assorbiti da un altro nucleo genitore, che a sua volta subisce la fissione indotta. Nel caso dell'uranio-238, i tre neutroni che si producono escono con un'energia inferiore a 1 MeV (l'energia rilasciata durante la fissione del nucleo di uranio - 158 MeV - viene principalmente convertita nell'energia cinetica dei frammenti di fissione), quindi non possono causare un'ulteriore fissione di questo nuclide. Tuttavia, con una concentrazione significativa dell'isotopo raro 235U, questi neutroni liberi possono essere catturati dai nuclei 235U, che possono effettivamente causare fissione, poiché in questo caso non esiste una soglia di energia al di sotto della quale la fissione non sia indotta.
Questo è il principio della reazione a catena.
Tipi di reazioni nucleari
Sia k il numero di neutroni prodotti in un campione di materiale fissile allo stadio n di questa catena, diviso per il numero di neutroni prodotti allo stadio n - 1. Questo numero dipenderà da quanti neutroni vengono prodotti allo stadio n - 1. stadio n - 1, vengono assorbiti dal nucleo, che può subire una fissione forzata.
• Se k < è 1, la reazione a catena svanirà semplicemente e il processo si fermerà molto rapidamente. Questo è esattamente ciò che accade nel minerale di uranio naturale, in cui la concentrazione di 235U è così bassa che la probabilità di assorbimento di uno dei neutroni da parte di questo isotopo è estremamente trascurabile.
• Se k > 1, allora la reazione a catena aumenterà fino a quando tutto il materiale fissile viene utilizzato (bomba atomica). Ciò si ottiene arricchendo il minerale naturale per ottenere una concentrazione sufficientemente alta di uranio-235. Per un campione sferico, il valore di k aumenta all'aumentare della probabilità di assorbimento dei neutroni, che dipende dal raggio della sfera. Pertanto, la massa di U deve superare una certa massa critica affinché avvenga la fissione dei nuclei di uranio (una reazione a catena).
• Se k=1, ha luogo una reazione controllata. Questo è usato nei reattori nucleari. Il processo è controllato distribuendo nell'uranio barre di cadmio o boro, che assorbono la maggior parte dei neutroni (questi elementi hanno la capacità di catturare i neutroni). La fissione del nucleo di uranio viene controllata automaticamente spostando le aste in modo che il valore di k rimanga uguale a uno.
