Fissão de um núcleo é a divisão de um átomo pesado em dois fragmentos de massa aproximadamente igual, acompanhada pela liberação de uma grande quantidade de energia.
A descoberta da fissão nuclear deu início a uma nova era - a "era atômica". O potencial de seu possível uso e a relação de risco para se beneficiar de seu uso geraram não apenas muitas conquistas sociológicas, políticas, econômicas e científicas, mas também sérios problemas. Mesmo do ponto de vista puramente científico, o processo de fissão nuclear criou um grande número de quebra-cabeças e complicações, e uma explicação teórica completa disso é uma questão do futuro.
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As energias de ligação (por núcleon) diferem para diferentes núcleos. Os mais pesados têm energias de ligação mais baixas do que os localizados no meio da tabela periódica.
Isso significa que núcleos pesados com número atômico maior que 100 se beneficiam da divisão em dois fragmentos menores, liberando assim energia queconvertida em energia cinética dos fragmentos. Este processo é chamado de divisão do núcleo atômico.
De acordo com a curva de estabilidade, que mostra a dependência do número de prótons do número de nêutrons para nuclídeos estáveis, núcleos mais pesados preferem mais nêutrons (comparado ao número de prótons) do que os mais leves. Isso sugere que, juntamente com o processo de divisão, alguns nêutrons "sobressalentes" serão emitidos. Além disso, eles também absorverão parte da energia liberada. O estudo da fissão nuclear do átomo de urânio mostrou que 3-4 nêutrons são liberados: 238U → 145La + 90Br + 3n.
O número atômico (e massa atômica) de um fragmento não é igual à metade da massa atômica do pai. A diferença entre as massas dos átomos formados como resultado da divisão é geralmente cerca de 50. No entanto, a razão para isso ainda não é totalmente compreendida.
As energias de ligação de 238U, 145La e 90Br são 1803, 1198 e 763 MeV, respectivamente. Isso significa que como resultado dessa reação, a energia de fissão do núcleo de urânio é liberada, igual a 1198 + 763-1803=158 MeV.
Fissão espontânea
Os processos de divisão espontânea são conhecidos na natureza, mas são muito raros. O tempo de vida médio deste processo é de cerca de 1017 anos e, por exemplo, o tempo de vida médio do decaimento alfa do mesmo radionuclídeo é de cerca de 1011anos.
A razão para isso é que para se dividir em duas partes, o kernel deveprimeiro sofrem deformação (estiramento) em forma elipsoidal, e então, antes da divisão final em dois fragmentos, formam um “pescoço” no meio.
Barreira de potencial
No estado deformado, duas forças atuam no núcleo. Um deles é o aumento da energia superficial (a tensão superficial de uma gota líquida explica sua forma esférica), e o outro é a repulsão de Coulomb entre fragmentos de fissão. Juntos, eles produzem uma barreira potencial.
Como no caso do decaimento alfa, para que ocorra a fissão espontânea do núcleo do átomo de urânio, os fragmentos devem superar essa barreira usando tunelamento quântico. A barreira é de cerca de 6 MeV, como no caso do decaimento alfa, mas a probabilidade de tunelamento de uma partícula α é muito maior do que a de um produto de fissão de átomo muito mais pesado.
Divisão forçada
Muito mais provável é a fissão induzida do núcleo de urânio. Neste caso, o núcleo pai é irradiado com nêutrons. Se o pai o absorve, eles se ligam, liberando energia de ligação na forma de energia vibracional que pode exceder os 6 MeV necessários para superar a barreira de potencial.
Onde a energia de um nêutron adicional é insuficiente para superar a barreira de potencial, o nêutron incidente deve ter uma energia cinética mínima para poder induzir a divisão de um átomo. No caso de 238U energia de ligação adicionalnêutrons estão f altando cerca de 1 MeV. Isso significa que a fissão do núcleo de urânio é induzida apenas por um nêutron com energia cinética superior a 1 MeV. Por outro lado, o isótopo 235U tem um nêutron não pareado. Quando o núcleo absorve um núcleo adicional, ele forma um par com ele e, como resultado desse emparelhamento, surge uma energia de ligação adicional. Isso é suficiente para liberar a quantidade de energia necessária para o núcleo superar a barreira de potencial e a fissão do isótopo ocorre na colisão com qualquer nêutron.
Decaimento Beta
Apesar da reação de fissão emitir três ou quatro nêutrons, os fragmentos ainda contêm mais nêutrons do que suas isóbaras estáveis. Isso significa que os fragmentos de fissão são geralmente instáveis contra o decaimento beta.
Por exemplo, quando ocorre a fissão do urânio 238U, a isóbara estável com A=145 é o neodímio 145Nd, o que significa que o fragmento de lantânio 145La decai em três estágios, cada vez emitindo um elétron e um antineutrino, até que um nuclídeo estável seja formado. A isóbara estável com A=90 é o zircônio 90Zr, então o fragmento de divisão bromo 90Br decai em cinco estágios da cadeia de decaimento β.
Essas cadeias de decaimento β liberam energia adicional, quase toda transportada por elétrons e antineutrinos.
Reações nucleares: fissão de núcleos de urânio
Radiação direta de um nêutron de um nuclídeo com muitoum grande número deles para garantir a estabilidade do kernel é improvável. O ponto aqui é que não há repulsão de Coulomb e, portanto, a energia de superfície tende a manter o nêutron em ligação com o pai. No entanto, isso às vezes acontece. Por exemplo, o fragmento de fissão 90Br no primeiro estágio de decaimento beta produz criptônio-90, que pode estar em um estado excitado com energia suficiente para superar a energia de superfície. Nesse caso, a emissão de nêutrons pode ocorrer diretamente com a formação do criptônio-89. Esta isóbara ainda é instável ao decaimento β até que mude para ítrio-89 estável, então o criptônio-89 decai em três etapas.
Fissão do urânio: reação em cadeia
Nêutrons emitidos em uma reação de fissão podem ser absorvidos por outro núcleo pai, que então sofre fissão induzida. No caso do urânio-238, os três nêutrons que são produzidos saem com uma energia inferior a 1 MeV (a energia liberada durante a fissão do núcleo de urânio - 158 MeV - é convertida principalmente na energia cinética dos fragmentos de fissão), então eles não podem causar mais fissão deste nuclídeo. No entanto, com uma concentração significativa do isótopo raro 235U, esses nêutrons livres podem ser capturados pelos núcleos 235U, o que pode causar fissão, pois neste caso não existe um limiar de energia abaixo do qual a fissão não é induzida.
Este é o princípio da reação em cadeia.
Tipos de reações nucleares
Seja k o número de nêutrons produzidos em uma amostra de material físsil no estágio n desta cadeia, dividido pelo número de nêutrons produzidos no estágio n - 1. Esse número dependerá de quantos nêutrons são produzidos no estágio estágio n - 1, são absorvidos pelo núcleo, que pode sofrer fissão forçada.
• Se k < for 1, então a reação em cadeia simplesmente fracassará e o processo parará muito rapidamente. Isso é exatamente o que acontece no minério de urânio natural, em que a concentração de 235U é tão baixa que a probabilidade de absorção de um dos nêutrons por esse isótopo é extremamente desprezível.
• Se k > 1, então a reação em cadeia crescerá até que todo o material físsil seja usado (bomba atômica). Isso é conseguido enriquecendo o minério natural para obter uma concentração suficientemente alta de urânio-235. Para uma amostra esférica, o valor de k aumenta com o aumento da probabilidade de absorção de nêutrons, que depende do raio da esfera. Portanto, a massa de U deve exceder alguma massa crítica para que ocorra a fissão dos núcleos de urânio (uma reação em cadeia).
• Se k=1, então ocorre uma reação controlada. Isso é usado em reatores nucleares. O processo é controlado pela distribuição de bastões de cádmio ou boro entre o urânio, que absorvem a maior parte dos nêutrons (esses elementos têm a capacidade de capturar nêutrons). A fissão do núcleo de urânio é controlada automaticamente movendo as hastes para que o valor de k permaneça igual a um.
