Az atommag hasadása egy nehéz atom két, megközelítőleg azonos tömegű fragmentumra való szétválása, amely nagy mennyiségű energia felszabadulásával jár.
Az atommaghasadás felfedezésével új korszak kezdődött – az „atomkorszak”. Lehetséges felhasználásának lehetősége, valamint a használatból származó kockázat és haszon aránya nemcsak számos szociológiai, politikai, gazdasági és tudományos eredményt generált, hanem komoly problémákat is. A maghasadás folyamata még tisztán tudományos szempontból is számos rejtvényt és bonyodalmat hozott létre, és ennek teljes elméleti magyarázata a jövő kérdése.
A megosztás nyereséges
A kötési energiák (nukleononként) eltérőek a különböző magoknál. A nehezebbek kötési energiája alacsonyabb, mint a periódusos rendszer közepén találhatóké.
Ez azt jelenti, hogy a 100-nál nagyobb rendszámú nehéz atommagok számára előnyös, ha két kisebb részre osztódnak, ezáltal energiát szabadítanak feltöredékek mozgási energiájává alakul át. Ezt a folyamatot az atommag felhasadásának nevezik.
A stabilitási görbe szerint, amely a protonok számának a neutronszámtól való függését mutatja stabil nuklidok esetén, a nehezebb atommagok (a protonok számához képest) több neutront részesítenek előnyben, mint a könnyebbek. Ez arra utal, hogy a hasítási folyamattal együtt néhány "tartalék" neutron is kibocsátásra kerül. Emellett a felszabaduló energia egy részét is átveszik. Az uránatom maghasadásának vizsgálata kimutatta, hogy 3-4 neutron szabadul fel: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Egy töredék rendszáma (és atomtömege) nem egyenlő a szülő atomtömegének felével. A hasadás következtében kialakuló atomtömegek közötti különbség általában körülbelül 50. Ennek oka azonban még nem teljesen tisztázott.
A 238U, 145La és 90Br kötési energiái 1803, 1198, illetve 763 MeV. Ez azt jelenti, hogy ennek a reakciónak az eredményeként felszabadul az uránmag hasadási energiája, ami 1198 + 763-1803=158 MeV.
Spontán hasadás
A spontán hasadási folyamatok ismertek a természetben, de nagyon ritkák. Ennek a folyamatnak az átlagos élettartama körülbelül 1017 év, és például ugyanazon radionuklid alfa-bomlásának átlagos élettartama körülbelül 1011év.
Ennek az az oka, hogy ahhoz, hogy két részre tudjon válni, a kernelnek muszájelőször ellipszoid alakúra deformálódik (nyúlik), majd a végső két részre osztás előtt a közepén egy „nyakat” képez.
Potenciális akadály
A deformált állapotban két erő hat a magra. Az egyik a megnövekedett felületi energia (a folyadékcsepp felületi feszültsége magyarázza gömb alakját), a másik pedig a hasadási töredékek közötti Coulomb-taszítás. Együtt potenciális akadályt képeznek.
Az alfa-bomláshoz hasonlóan az uránatommag spontán hasadása érdekében a töredékeknek kvantum-alagúttal kell leküzdeniük ezt az akadályt. A gát körülbelül 6 MeV, mint az alfa-bomlás esetében, de egy α-részecske alagútjának valószínűsége sokkal nagyobb, mint egy sokkal nehezebb atomhasadási terméké.
Kényszer felosztás
Sokkal valószínűbb az uránmag indukált hasadása. Ebben az esetben az anyamagot neutronokkal sugározzák be. Ha a szülő elnyeli, megköti, felszabadítva a kötési energiát rezgési energia formájában, amely meghaladhatja a potenciálgát leküzdéséhez szükséges 6 MeV-ot.
Ahol egy további neutron energiája nem elegendő a potenciálgát leküzdéséhez, a beeső neutronnak minimális kinetikus energiával kell rendelkeznie ahhoz, hogy képes legyen előidézni egy atom felhasadását. 238U kötési energia esetén továbbia neutronokból körülbelül 1 MeV hiányzik. Ez azt jelenti, hogy az uránmag hasadását csak egy 1 MeV-nál nagyobb kinetikus energiájú neutron indukálja. Másrészt a 235U izotópnak egy páratlan neutronja van. Amikor a mag elnyel egy továbbit, akkor párat alkot vele, és ennek a párosításnak köszönhetően további kötési energia jelenik meg. Ez elegendő ahhoz, hogy felszabaduljon az atommagnak a potenciálgát leküzdéséhez szükséges energiamennyiség, és az izotóphasadás bármely neutronnal való ütközéskor megtörténik.
Béta-bomlás
Annak ellenére, hogy a hasadási reakció három vagy négy neutront bocsát ki, a töredékek még mindig több neutront tartalmaznak, mint a stabil izobárjuk. Ez azt jelenti, hogy a hasadási töredékek általában instabilok a béta-bomlás ellen.
Például, ha uránhasadás történik 238U, az A=145-ös stabil izobár neodímium 145Nd, ami azt jelenti, hogy a lantántöredék 145La három szakaszban bomlik, minden alkalommal egy elektront és egy antineutrínót bocsát ki, amíg stabil nuklid nem keletkezik. A stabil izobár, amelynek A=90, cirkónium 90Zr, így a hasadó bróm fragmentum 90Br a β-bomlási lánc öt szakaszában bomlik le.
Ezek a β-bomlási láncok további energiát szabadítanak fel, amelyet szinte az összes elektronok és antineutrínók elvisznek.
Nukleáris reakciók: uránmagok hasadása
Nuklid neutronjának közvetlen sugárzása isnagyszámú belőlük a kernel stabilitásának biztosítása érdekében nem valószínű. A lényeg itt az, hogy nincs Coulomb taszítás, és így a felületi energia hajlamos arra, hogy a neutront kötésben tartsa a szülővel. Ez azonban néha megtörténik. Például a 90Br hasadási töredék a béta-bomlás első szakaszában kripton-90-et termel, amely gerjesztett állapotban lehet elegendő energiával ahhoz, hogy legyőzze a felületi energiát. Ebben az esetben a neutronok kibocsátása közvetlenül a kripton-89 képződésével történhet. Ez az izobár továbbra is instabil a β-bomlásra, amíg stabil ittrium-89-re nem változik, tehát a kripton-89 három lépésben bomlik.
Uránhasadás: láncreakció
A hasadási reakció során kibocsátott neutronokat egy másik szülőmag elnyelheti, amely aztán maga is indukált hasadáson megy keresztül. Az urán-238 esetében a keletkező három neutron 1 MeV-nál kisebb energiával jön ki (az uránmag hasadása során felszabaduló energia - 158 MeV - főként a hasadási fragmentumok mozgási energiájává alakul át), így nem okozhatják ennek a nuklidnak a további hasadását. A ritka 235U izotóp jelentős koncentrációjával azonban ezeket a szabad neutronokat a 235U atommagok befoghatják, ami valóban hasadást okozhat, mivel ebben az esetben nincs olyan energiaküszöb, amely alatt a hasadás ne indukálódik.
Ez a láncreakció elve.
A nukleáris reakciók típusai
Legyen k a hasadóanyag mintájában a lánc n szakaszában keletkezett neutronok száma osztva az n - 1 szakaszban keletkezett neutronok számával. Ez a szám attól függ, hogy hány neutron keletkezik n - 1 stádiumban a mag elnyeli, ami kényszerhasadáson megy keresztül.
• Ha k < értéke 1, akkor a láncreakció egyszerűen kimerül, és a folyamat nagyon gyorsan leáll. Pontosan ez történik a természetes uránércben, amelyben a 235U koncentrációja olyan alacsony, hogy az egyik neutronnak ez az izotóp általi abszorpciójának valószínűsége rendkívül elhanyagolható.
• Ha k > 1, akkor a láncreakció addig fog növekedni, amíg az összes hasadóanyagot felhasználják (atombomba). Ezt a természetes érc dúsításával érik el, hogy kellően magas koncentrációjú urán-235-öt kapjanak. Gömb alakú mintánál a k értéke a neutronelnyelési valószínűség növekedésével nő, ami a gömb sugarától függ. Ezért az U tömegének meg kell haladnia a kritikus tömeget ahhoz, hogy az uránmagok hasadása (láncreakció) történjen.
• Ha k=1, akkor szabályozott reakció megy végbe. Ezt használják az atomreaktorokban. A folyamatot kadmium- vagy bórrudakkal szabályozzák az urán között, amelyek elnyelik a neutronok nagy részét (ezek az elemek képesek a neutronok befogására). Az uránmag hasadását a rudak mozgatása automatikusan szabályozza úgy, hogy k értéke eggyel maradjon.
