核分裂とは、重い原子がほぼ等しい質量の2つの断片に分裂し、大量のエネルギーが放出されることです。
核分裂の発見は新しい時代を迎えました-「核時代」。その使用の可能性とその使用から利益を得るリスクの比率は、多くの社会学的、政治的、経済的、科学的進歩を生み出しただけでなく、深刻な問題も引き起こしました。純粋に科学的な観点からさえ、核分裂のプロセスは多くのパズルと複雑さを生み出しました、そしてその完全な理論的説明は将来の問題です。
結合エネルギー（核子あたり）は、原子核ごとに異なります。重いものは、周期表の中央にあるものよりも結合エネルギーが少なくなります。
これは、重い原子核が原子番号が100より大きい場合、2つの小さなフラグメントに分割してエネルギーを放出し、それをフラグメントの運動エネルギーに変換すると有利です。このプロセスは核分裂と呼ばれます。
安定性曲線によるとは、安定核種の中性子数に対する陽子数の依存性を示しています。重い原子核は、軽い原子核よりも（陽子の数と比較して）より多くの中性子を好みます。これは、核分裂過程とともに、いくつかの「予備の」中性子が放出されることを示唆しています。さらに、彼らはまた、放出されたエネルギーの一部を引き受けます。ウラン原子核の核分裂の研究は、この場合、3〜4個の中性子が放出されることを示しました。 238U→ 145La + 90Br + 3n。
フラグメントの原子番号（および原子量）が等しくない親の原子量の半分。分裂の結果として形成された原子の質量の差は通常約50です。確かに、この理由はまだ完全には理解されていません。
コミュニケーションエネルギー 238U、 145ラと 90Brはそれぞれ1803、1198、763MeVです。これは、この反応の結果として、1198 + 763-1803 = 158MeVに等しいウラン核の核分裂エネルギーが放出されることを意味します。
自然界では自発的な切断プロセスが知られていますが、非常にまれです。このプロセスの平均寿命は約10です17 たとえば、同じ放射性核種のアルファ崩壊の平均寿命は約10年です。11 年歳。
この理由は、2つの部分に分割するには、核は最初に楕円形に変形（伸長）し、最後に2つの断片に分割する前に、中央に「首」を形成する必要があります。
変形した状態では、核は2つの作用を受けます力。 1つは表面エネルギーの増加（液滴の表面張力がその球形を説明する）であり、もう1つは核分裂片間のクーロン反発です。一緒にそれらは潜在的な障壁を作成します。
アルファ崩壊の場合のように、起こるためにウラン原子の核の自発核分裂、フラグメントは量子トンネリングを使用してこの障壁を克服する必要があります。バリアのサイズは、アルファ崩壊の場合と同様に約6 MeVですが、アルファ粒子のトンネリングの確率は、はるかに重い原子分裂生成物の確率よりもはるかに高くなります。
誘導される可能性がはるかに高いウラン原子核の核分裂。この場合、母核は中性子で照射されます。親がそれを吸収すると、それらは結合し、振動エネルギーの形で結合エネルギーを放出します。これは、ポテンシャル障壁を克服するために必要な6MeVを超える可能性があります。
追加の中性子のエネルギーがどこにあるかポテンシャル障壁を克服するには不十分である場合、原子の分裂を誘発できるようにするには、入射中性子が最小の運動エネルギーを持っている必要があります。いつ 238追加の中性子のU結合エネルギーは約1MeVでは十分ではありません。これは、ウラン原子核の核分裂が、1MeVを超える運動エネルギーを持つ中性子によってのみ誘発されることを意味します。一方、同位体 235Uには不対中性子が1つあります。原子核が追加の原子核を吸収すると、原子核とペアを形成し、このペアリングの結果として、追加の結合エネルギーが現れます。これは、原子核がポテンシャル障壁を克服するために必要な量のエネルギーを放出するのに十分であり、同位体の核分裂は、任意の中性子との衝突時に発生します。
核分裂反応で3つまたは4つの中性子が放出されますが、フラグメントには安定した同重体よりも多くの中性子が含まれています。これは、劈開フラグメントがベータ崩壊に関して一般的に不安定であることを意味します。
たとえば、ウランの核分裂が発生した場合 238U、A = 145の安定した同重体はネオジムです 145Nd、これはランタンフラグメントを意味します 145Laは、安定核種が形成されるまで、電子と反ニュートリノを放出するたびに3段階で崩壊します。 A = 90の安定した同重体はジルコニウムです 90Zr、つまり臭素の谷間破片 90Brはβ崩壊系列の5つのステップで分解します。
これらのβ崩壊系列は追加のエネルギーを放出し、それはほとんどすべて電子と反ニュートリノによって運び去られます。
核種からの中性子の直接放出カーネルの安定性を確保するためにそれらが多数ある可能性は低いです。ここでのポイントは、クーロンの反発がないため、表面エネルギーが親に関連して中性子を保持する傾向があるということです。しかし、それは時々起こります。たとえば、核分裂片 90ベータ崩壊の最初の段階にあるBrは表面エネルギーを克服するのに十分なエネルギーでエネルギーを与えることができるクリプトン-90。この場合、中性子の放出はクリプトン-89の形成とともに直接発生する可能性があります。この同重体は、安定したイットリウム-89に変化するまで、β崩壊に関して不安定であるため、クリプトン-89は3段階で崩壊します。
核分裂反応で放出された中性子、別の親核に吸収され、それ自体が核分裂を誘発します。ウラン238の場合、発生する3つの中性子は1 MeV未満のエネルギーで放出されます（ウラン核の核分裂中に放出されるエネルギー-158 MeV-は主に核分裂片の運動エネルギーに変換されます）、したがって、この核分裂をさらに核分裂させることはできません。それにもかかわらず、まれな同位体のかなりの濃度で 235これらの自由中性子は原子核によって捕獲することができます 235U、これは実際に分裂を引き起こす可能性があります。この場合、それを下回ると核分裂が誘発されないエネルギーしきい値がないためです。
これが連鎖反応の原理です。
kをで生成された中性子の数とします。このチェーンのステージnで生成された核分裂性物質のサンプルをステージn-1で生成された中性子の数で割った値。この数は、ステージn-1で生成された中性子の数が強制核分裂を受ける可能性のある原子核によって吸収される数によって異なります。
•k <1の場合、連鎖反応は単純に消滅し、プロセスは非常に迅速に停止します。これはまさに天然ウラン鉱石で起こることであり、 235Uは非常に小さいため、この同位体による中性子の1つの吸収の確率は非常に無視できます。
•k> 1の場合、連鎖反応は次のように成長します。すべての核分裂性物質が使い果たされるまで（原子爆弾）。これは、天然鉱石を濃縮して十分に高濃度のウラン235を得ることによって達成されます。球形のサンプルの場合、kの値は、球の半径に依存する中性子吸収の確率の増加とともに増加します。したがって、ウラン核分裂（連鎖反応）が起こるためには、Uの質量が特定の臨界質量を超えている必要があります。
•k = 1の場合、制御された反応が起こります。原子炉で使われています。このプロセスは、ほとんどの中性子を吸収するウラン間のカドミウムまたはホウ素ロッドの分布によって制御されます（これらの元素は中性子を捕獲する能力があります）。ウラン原子核の核分裂は、kの値が1に等しくなるようにロッドを動かすことによって自動的に制御されます。
