Rozszczepienie jądra atomu

Dotąd poznaliśmy jedynie takie jądra atomowe, które rozpadają się samorzutnie. W 1938 roku dwaj niemieccy chemicy Otto Hahn i Fritz Straßmann dokonali niesamowitego odkrycia. Bombardując neutronami jądra atomowe uranu, stwierdzili oni, że niektóre z tych jąder zostały rozszczepione na dwie części. Ważne, że nie było to efektem samorzutnego rozpadu radioaktywnych jader, a spowodowane zostało przez neutrony, które jak małe pociski przenikając w większe jadra, rozbiły je.

W typowych reaktorach jądrowych rozszczepienie jąder atomów uranu (a konkretnie izotopu uranu U-235) powodują neutrony termiczne, które są względnie powoli poruszającymi się neutronami o niskiej energii. Kiedy neutrony te zetkną się z uranem-235 mogą zostać pochłonięte przez jądro. Nie wpływa to pozytywnie na jądra uranu: nowe jądro uranu-236 przetrwa najwyżej 10-14 sekundy zanim się rozpadnie, można to sobie wyobrazić na przykładzie dużej kropli wody, która rozpada się na dwie mniejsze krople. Jednocześnie zostają uwalniane dwa lub trzy neutrony o wysokiej energii oraz duża ilość energii, m.in. w postaci promieniowania gamma.

Rys. Rozszczepienie jądra atomu uranu-235, źródło: Adobe Stock, opracowanie własne

Zatem istotą procesu rozszczepienia jest podział ciężkiego jądra (o liczbie masowej A>230) na dwa jądra nazywane fragmentami rozszczepienia. Ciężkie jądro może się rozpaść na fragmenty o różnych masach atomowych: bar-144 i krypton-89 są tylko dwoma z około dwustu różnych możliwych produktów rozszczepienia uranu-235. Jednakże niektóre liczby masowe A występują częściej, a inne rzadziej.

Powyższy proces można również opisać za pomocą równania reakcji.

Równanie reakcji rozszczepienia jądra

Poniższy zapis reakcji rozszczepienia pokazuje, jak oddziaływanie jednego neutronu (lewa strona równania) może spowodować pojawienie się kilku neutronów (prawa strona równania).

Po lewej stronie znajduje się jądro wyjściowe U-235 i neutron, które…

$$^{235}_{92}U + ^1_0n \rightarrow ^{236}_{92}U \rightarrow ^{89}_{36}Kr + ^{144}_{56}Ba + 3 ^1_0n + \gamma$$

…łączą się w jedno nowe jądro: uran-236. Po prawej stronie znajduje się to, co powstaje po rozpadzie tego jądra: jądro gazu szlachetnego - kryptonu-89, jądro metalu - baru-144, jak również trzy neutrony. Ponadto w czasie tego procesu zostaje uwalniana energia w postaci kwantu γ.

Jakie mogą powstać fragmenty rozszczepienia?

Na poniższym rysunku możemy zobaczyć, jak rozkładają się masy fragmentów rozszczepienia. Masy jąder końcowych – dla konkretnego pojedynczego rozszczepienia - określa w zasadzie przypadek, jednakże niektóre jądra powstają częściej niż inne.

Liczby masowe 90 oraz 140 występują niezwykle często - takie siostrzane jądra są względnie stabilne. Ponieważ to jednak przypadek wszystkim kieruje, to chwilę może potrwać zanim w kolejnym rozszczepieniu wytworzone zostaną dokładnie takie same jądra.

Rys. Rozkład mas fragmentów rozszczepienia jądra uranu-235, źródło: Wikipedia