Pembelahan nukleus ialah pemisahan atom berat kepada dua serpihan yang mempunyai jisim yang lebih kurang sama, disertai dengan pembebasan sejumlah besar tenaga.
Penemuan pembelahan nuklear memulakan era baharu - "zaman atom". Potensi penggunaannya yang mungkin dan nisbah risiko untuk mendapat manfaat daripada penggunaannya bukan sahaja menjana banyak pencapaian sosiologi, politik, ekonomi dan saintifik, tetapi juga masalah yang serius. Walaupun dari sudut pandangan saintifik semata-mata, proses pembelahan nuklear telah mencipta sejumlah besar teka-teki dan komplikasi, dan penjelasan teori yang lengkap mengenainya adalah soal masa depan.
Perkongsian menguntungkan
Tenaga pengikat (setiap nukleon) berbeza untuk nukleus yang berbeza. Yang lebih berat mempunyai tenaga pengikat yang lebih rendah daripada yang terletak di tengah-tengah jadual berkala.
Ini bermakna nukleus berat dengan nombor atom lebih daripada 100 mendapat manfaat daripada membahagi kepada dua serpihan yang lebih kecil, dengan itu membebaskan tenaga yangditukarkan kepada tenaga kinetik serpihan. Proses ini dipanggil pembelahan nukleus atom.
Menurut lengkung kestabilan, yang menunjukkan pergantungan bilangan proton pada bilangan neutron untuk nuklida stabil, nukleus yang lebih berat memilih lebih banyak neutron (berbanding dengan bilangan proton) daripada yang lebih ringan. Ini menunjukkan bahawa bersama-sama dengan proses pemisahan, beberapa neutron "ganti" akan dipancarkan. Selain itu, mereka juga akan mengambil sebahagian daripada tenaga yang dikeluarkan. Kajian pembelahan nuklear atom uranium menunjukkan bahawa 3-4 neutron dibebaskan: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Nombor atom (dan jisim atom) serpihan tidak sama dengan separuh jisim atom induk. Perbezaan antara jisim atom yang terbentuk akibat pemisahan biasanya kira-kira 50. Walau bagaimanapun, sebabnya masih belum difahami sepenuhnya.
Tenaga pengikat 238U, 145La dan 90Br ialah 1803, 1198 dan 763 MeV, masing-masing. Ini bermakna hasil daripada tindak balas ini, tenaga pembelahan nukleus uranium dibebaskan, bersamaan dengan 1198 + 763-1803=158 MeV.
Pembelahan spontan
Proses pembelahan spontan diketahui secara semula jadi, tetapi ia sangat jarang berlaku. Purata jangka hayat proses ini ialah kira-kira 1017 tahun, dan, sebagai contoh, jangka hayat purata pereputan alfa radionuklid yang sama ialah kira-kira 1011tahun.
Sebabnya ialah untuk berpecah kepada dua bahagian, kernel mestimula-mula mengalami ubah bentuk (regangan) menjadi bentuk elips, dan kemudian, sebelum pecahan terakhir menjadi dua serpihan, bentukkan "leher" di tengah.
Potensi halangan
Dalam keadaan cacat, dua daya bertindak pada teras. Salah satunya ialah tenaga permukaan yang meningkat (ketegangan permukaan titisan cecair menerangkan bentuk sferanya), dan satu lagi ialah tolakan Coulomb antara serpihan pembelahan. Bersama-sama mereka menghasilkan halangan yang berpotensi.
Seperti dalam kes pereputan alfa, agar pembelahan spontan nukleus atom uranium berlaku, serpihan mesti mengatasi halangan ini menggunakan terowong kuantum. Halangan adalah kira-kira 6 MeV, seperti dalam kes pereputan alfa, tetapi kebarangkalian terowong zarah α adalah jauh lebih besar daripada hasil pembelahan atom yang jauh lebih berat.
Pemecahan paksa
Lebih besar kemungkinan pembelahan teraruh nukleus uranium. Dalam kes ini, nukleus induk disinari dengan neutron. Jika ibu bapa menyerapnya, mereka mengikat, melepaskan tenaga pengikat dalam bentuk tenaga getaran yang boleh melebihi 6 MeV yang diperlukan untuk mengatasi halangan berpotensi.
Di mana tenaga neutron tambahan tidak mencukupi untuk mengatasi halangan potensi, neutron tuju mesti mempunyai tenaga kinetik minimum untuk dapat mendorong pemisahan atom. Dalam kes 238U tambahan tenaga ikatanneutron hilang kira-kira 1 MeV. Ini bermakna pembelahan nukleus uranium hanya diaruhkan oleh neutron dengan tenaga kinetik lebih besar daripada 1 MeV. Sebaliknya, isotop 235U mempunyai satu neutron tidak berpasangan. Apabila nukleus menyerap satu tambahan, ia membentuk pasangan dengannya, dan sebagai hasil daripada pasangan ini, tenaga pengikat tambahan muncul. Ini cukup untuk membebaskan jumlah tenaga yang diperlukan untuk nukleus untuk mengatasi halangan berpotensi dan pembelahan isotop berlaku apabila berlanggar dengan mana-mana neutron.
Reput Beta
Walaupun fakta bahawa tindak balas pembelahan mengeluarkan tiga atau empat neutron, serpihan masih mengandungi lebih banyak neutron daripada isobar stabilnya. Ini bermakna serpihan pembelahan biasanya tidak stabil terhadap pereputan beta.
Sebagai contoh, apabila pembelahan uranium berlaku 238U, isobar stabil dengan A=145 ialah neodymium 145Nd, yang bermaksud bahawa serpihan lanthanum 145La mereput dalam tiga peringkat, setiap kali memancarkan elektron dan antineutrino, sehingga nuklida yang stabil terbentuk. Isobar stabil dengan A=90 ialah zirkonium 90Zr, jadi serpihan bromin yang membelah 90Br mereput dalam lima peringkat rantai pereputan β.
Rantai pereputan β ini membebaskan tenaga tambahan, hampir kesemuanya dibawa oleh elektron dan antineutrino.
Tindak balas nuklear: pembelahan nukleus uranium
Pancaran terus neutron daripada nuklida jugasebilangan besar daripada mereka untuk memastikan kestabilan kernel tidak mungkin. Maksudnya di sini ialah tiada tolakan Coulomb, dan oleh itu tenaga permukaan cenderung untuk mengekalkan ikatan neutron dengan induk. Walau bagaimanapun, ini kadang-kadang berlaku. Contohnya, serpihan pembelahan 90Br pada peringkat pertama pereputan beta menghasilkan kripton-90, yang boleh berada dalam keadaan teruja dengan tenaga yang mencukupi untuk mengatasi tenaga permukaan. Dalam kes ini, pelepasan neutron boleh berlaku secara langsung dengan pembentukan krypton-89. Isobar ini masih tidak stabil kepada pereputan β sehingga ia berubah kepada yttrium-89 stabil, jadi krypton-89 mereput dalam tiga langkah.
Pembelahan uranium: tindak balas berantai
Neutron yang dipancarkan dalam tindak balas pembelahan boleh diserap oleh nukleus induk lain, yang kemudiannya sendiri mengalami pembelahan teraruh. Dalam kes uranium-238, tiga neutron yang dihasilkan keluar dengan tenaga kurang daripada 1 MeV (tenaga yang dibebaskan semasa pembelahan nukleus uranium - 158 MeV - terutamanya ditukar kepada tenaga kinetik serpihan pembelahan.), jadi mereka tidak boleh menyebabkan pembelahan selanjutnya nuklida ini. Walau bagaimanapun, dengan kepekatan ketara isotop jarang 235U, neutron bebas ini boleh ditangkap oleh nukleus 235U, yang sememangnya boleh menyebabkan pembelahan, memandangkan dalam kes ini, tiada ambang tenaga di bawah yang mana pembelahan tidak teraruh.
Ini ialah prinsip tindak balas berantai.
Jenis tindak balas nuklear
Biar k ialah bilangan neutron yang dihasilkan dalam sampel bahan fisil pada peringkat n rantai ini, dibahagikan dengan bilangan neutron yang dihasilkan pada peringkat n - 1. Nombor ini bergantung pada bilangan neutron yang dihasilkan pada peringkat n - 1, diserap oleh nukleus, yang mungkin mengalami pembelahan paksa.
• Jika k < ialah 1, maka tindak balas berantai akan gagal dan proses akan berhenti dengan cepat. Inilah yang berlaku dalam bijih uranium semula jadi, di mana kepekatan 235U adalah sangat rendah sehingga kebarangkalian penyerapan salah satu neutron oleh isotop ini amat diabaikan.
• Jika k > 1, maka tindak balas berantai akan berkembang sehingga semua bahan fisil digunakan (bom atom). Ini dicapai dengan memperkayakan bijih semula jadi untuk mendapatkan kepekatan uranium-235 yang cukup tinggi. Bagi sampel sfera, nilai k meningkat dengan peningkatan kebarangkalian penyerapan neutron, yang bergantung pada jejari sfera. Oleh itu, jisim U mesti melebihi beberapa jisim kritikal agar pembelahan nukleus uranium (tindak balas berantai) berlaku.
• Jika k=1, maka tindak balas terkawal berlaku. Ini digunakan dalam reaktor nuklear. Proses ini dikawal dengan mengedarkan rod kadmium atau boron di antara uranium, yang menyerap kebanyakan neutron (elemen ini mempunyai keupayaan untuk menangkap neutron). Pembelahan nukleus uranium dikawal secara automatik dengan menggerakkan rod supaya nilai k kekal sama dengan satu.
