انشطار النواة هو انقسام ذرة ثقيلة إلى جزأين متساويين الكتلة تقريبًا ، مصحوبًا بإطلاق كمية كبيرة من الطاقة.
بدأ اكتشاف الانشطار النووي حقبة جديدة - "العصر الذري". إن إمكانية استخدامه المحتمل ونسبة المخاطرة للاستفادة من استخدامه لم تولد فقط العديد من الإنجازات الاجتماعية والسياسية والاقتصادية والعلمية ، ولكن أيضًا مشاكل خطيرة. حتى من وجهة نظر علمية بحتة ، خلقت عملية الانشطار النووي عددًا كبيرًا من الألغاز والمضاعفات ، والتفسير النظري الكامل لها هو مسألة مستقبلية.
المشاركة مربحة
طاقات الربط (لكل نواة) تختلف باختلاف النوى. الأثقل لها طاقات ربط أقل من تلك الموجودة في منتصف الجدول الدوري.
وهذا يعني أن النوى الثقيلة ذات العدد الذري أكبر من 100 تستفيد من الانقسام إلى جزأين أصغر ، وبالتالي إطلاق الطاقة التيتحويلها إلى طاقة حركية للشظايا. تسمى هذه العملية انقسام النواة الذرية.
وفقًا لمنحنى الثبات ، الذي يوضح اعتماد عدد البروتونات على عدد النيوترونات للنويدات المستقرة ، تفضل النوى الأثقل عددًا أكبر من النيوترونات (مقارنة بعدد البروتونات) على النوى الأخف. يشير هذا إلى أنه جنبًا إلى جنب مع عملية الانقسام ، ستنبعث بعض النيوترونات "الاحتياطية". بالإضافة إلى ذلك ، سوف يأخذون أيضًا بعض الطاقة المحررة. أظهرت دراسة الانشطار النووي لذرة اليورانيوم إطلاق 3-4 نيوترونات:238U →145La +90 Br + 3n.
العدد الذري (والكتلة الذرية) للجزء لا يساوي نصف الكتلة الذرية للجزء الأصل. عادة ما يكون الفرق بين كتل الذرات المتكونة نتيجة الانقسام حوالي 50. ومع ذلك ، لم يتم فهم سبب ذلك بشكل كامل بعد.
طاقات الربط لـ238U ،145La و90Br هي 1803 ، 1198 و 763 ميجا فولت على التوالي. هذا يعني أنه نتيجة لهذا التفاعل ، يتم إطلاق الطاقة الانشطارية لنواة اليورانيوم ، والتي تساوي 1198 + 763-1803=158 ميغا إلكترون فولت.
الانشطار العفوي
عمليات الانقسام التلقائي معروفة بطبيعتها ، لكنها نادرة جدًا. يبلغ متوسط عمر هذه العملية حوالي 10 17سنوات ، وعلى سبيل المثال ، يبلغ متوسط عمر تحلل ألفا لنفس النويدات المشعة حوالي 10 11سنوات.
والسبب في ذلك هو أنه من أجل الانقسام إلى قسمين ، يجب على النواةأولاً ، خضعت للتشوه (التمدد) إلى شكل بيضاوي ، ثم قبل الانقسام النهائي إلى جزأين ، تشكل "رقبة" في المنتصف.
حاجز محتمل
في الحالة المشوهة ، تعمل قوتان في القلب. أحدهما هو زيادة الطاقة السطحية (يفسر التوتر السطحي لقطرة سائل شكله الكروي) ، والآخر هو تنافر كولوم بين شظايا الانشطار. معًا ينتجان حاجزًا محتملاً.
كما في حالة اضمحلال ألفا ، من أجل حدوث الانشطار التلقائي لنواة ذرة اليورانيوم ، يجب أن تتغلب الشظايا على هذا الحاجز باستخدام النفق الكمي. يبلغ الحاجز حوالي 6 ميغا إلكترون فولت ، كما في حالة تحلل ألفا ، لكن احتمال حدوث نفق لجسيم ألفا أكبر بكثير من احتمال وجود ناتج انشطاري أثقل بكثير.
التقسيم القسري
يحدث على الأرجح الانشطار الناجم عن نواة اليورانيوم. في هذه الحالة ، يتم تشعيع النواة الأم بالنيوترونات. إذا قام الوالد بامتصاصها ، فإنها تلتصق ، وتطلق طاقة ملزمة على شكل طاقة اهتزازية يمكن أن تتجاوز 6 MeV المطلوبة للتغلب على الحاجز المحتمل.
عندما تكون طاقة النيوترون الإضافي غير كافية للتغلب على الحاجز المحتمل ، يجب أن يمتلك النيوترون الساقط الحد الأدنى من الطاقة الحركية حتى يكون قادرًا على تحفيز انقسام الذرة. في حالة238U رابطة الطاقة الإضافيةالنيوترونات مفقودة حوالي 1 ميغا إلكترون فولت. وهذا يعني أن انشطار نواة اليورانيوم يتم تحريضه فقط بواسطة نيوترون بطاقة حركية أكبر من 1 إلكترون فولت. من ناحية أخرى ، فإن النظير235U له نيوترون واحد غير مزاوج. عندما تمتص النواة نواة إضافية ، فإنها تشكل زوجًا معها ، ونتيجة لهذا الاقتران ، تظهر طاقة ارتباط إضافية. هذا كافٍ لإطلاق كمية الطاقة اللازمة للنواة للتغلب على الحاجز المحتمل ويحدث الانشطار النظيري عند الاصطدام بأي نيوترون.
اضمحلال بيتا
على الرغم من حقيقة أن التفاعل الانشطاري يصدر ثلاثة أو أربعة نيوترونات ، إلا أن الأجزاء لا تزال تحتوي على نيوترونات أكثر من نظيراتها المتساوية المستقرة. هذا يعني أن شظايا الانشطار غير مستقرة بشكل عام ضد تحلل بيتا.
على سبيل المثال ، عندما يحدث انشطار اليورانيوم238U ، فإن متساوي القياس المستقر مع A=145 هو نيوديميوم145Nd ، مما يعني ذلك جزء اللانثانم145لا يتحلل على ثلاث مراحل ، في كل مرة ينبعث منها إلكترون ومضاد نيوترينو ، حتى يتم تكوين نوكليد مستقر. الأيزوبار المستقر مع A=90 هو الزركونيوم90Zr ، لذا فإن بروم جزء الانقسام90Br يتحلل في خمس مراحل من سلسلة β-decay.
تطلق سلاسل-decay هذه طاقة إضافية ، يتم نقلها كلها تقريبًا بواسطة الإلكترونات ومضادات النوترينو.
التفاعلات النووية: انشطار نوى اليورانيوم
إشعاع مباشر من نيوترون من نوكليدة أيضًاعدد كبير منهم لضمان استقرار النواة غير محتمل. النقطة هنا هي أنه لا يوجد تنافر كولوم ، وبالتالي فإن الطاقة السطحية تميل إلى إبقاء النيوترون في ارتباط مع الأم. ومع ذلك ، هذا يحدث في بعض الأحيان. على سبيل المثال ، ينتج جزء الانشطار90Br في المرحلة الأولى من تحلل بيتا الكريبتون -90 ، والذي يمكن أن يكون في حالة من الإثارة مع طاقة كافية للتغلب على الطاقة السطحية. في هذه الحالة ، يمكن أن يحدث انبعاث النيوترونات مباشرة مع تكوين الكريبتون 89. هذا isobar لا يزال غير مستقر إلى β تسوس حتى يتغير إلى الإيتريوم 89 المستقر ، لذلك يتحلل الكريبتون 89 في ثلاث خطوات.
انشطار اليورانيوم: تفاعل متسلسل
النيوترونات المنبعثة في تفاعل انشطاري يمكن أن تمتصها نواة أصل أخرى ، والتي تخضع بعد ذلك للانشطار المستحث. في حالة اليورانيوم 238 ، تنتج النيوترونات الثلاثة طاقة أقل من 1 ميغا إلكترون فولت (الطاقة المنبعثة أثناء انشطار نواة اليورانيوم - 158 ميغا إلكترون فولت - يتم تحويلها بشكل أساسي إلى الطاقة الحركية لشظايا الانشطار.) ، لذلك لا يمكنها التسبب في مزيد من الانشطار لهذه النيوكليدة. ومع ذلك ، مع التركيز الكبير للنظير النادر235U ، يمكن التقاط هذه النيوترونات الحرة بواسطة النوى235U ، والتي يمكن أن تسبب بالفعل الانشطار ، لأنه في هذه الحالة ، لا توجد عتبة طاقة لا يتم تحفيز الانشطار تحتها.
هذا هو مبدأ التفاعل المتسلسل.
أنواع التفاعلات النووية
لنفترض أن k هو عدد النيوترونات المنتجة في عينة من المادة الانشطارية في المرحلة n من هذه السلسلة ، مقسومًا على عدد النيوترونات المنتجة في المرحلة n - 1. سيعتمد هذا الرقم على عدد النيوترونات التي يتم إنتاجها عند المرحلة n - 1 ، تمتصها النواة ، والتي قد تخضع للانشطار القسري.
• إذا كان k < هو 1 ، فإن التفاعل المتسلسل سوف يتلاشى ببساطة وستتوقف العملية بسرعة كبيرة. هذا بالضبط ما يحدث في خام اليورانيوم الطبيعي ، حيث يكون تركيز235U منخفضًا جدًا لدرجة أن احتمال امتصاص أحد النيوترونات بواسطة هذا النظير ضئيل للغاية.
• إذا كان k > 1 ، فإن التفاعل المتسلسل سينمو حتى يتم استخدام كل المواد الانشطارية (القنبلة الذرية). يتم تحقيق ذلك عن طريق تخصيب الخام الطبيعي للحصول على تركيز عالٍ بدرجة كافية من اليورانيوم 235. بالنسبة للعينة الكروية ، تزداد قيمة k مع زيادة احتمالية امتصاص النيوترون ، والتي تعتمد على نصف قطر الكرة. لذلك ، يجب أن تتجاوز كتلة U بعض الكتلة الحرجة حتى يحدث انشطار نوى اليورانيوم (تفاعل متسلسل).
• إذا كان k=1 ، فسيحدث رد فعل متحكم فيه. يستخدم هذا في المفاعلات النووية. يتم التحكم في العملية عن طريق توزيع قضبان الكادميوم أو البورون بين اليورانيوم ، والتي تمتص معظم النيوترونات (هذه العناصر لديها القدرة على التقاط النيوترونات). يتم التحكم في انشطار نواة اليورانيوم تلقائيًا عن طريق تحريك القضبان بحيث تظل قيمة k مساوية لواحد.
