Branduolio dalijimasis yra sunkiojo atomo suskirstymas į dvi maždaug vienodos masės dalis, kartu su dideliu energijos kiekiu.
Branduolio dalijimosi atradimas prasidėjo naują erą -"Atominis amžius". Jo naudojimo potencialas ir rizikos panaudojimo santykis ne tik sukėlė daug sociologinių, politinių, ekonominių ir mokslinių pasiekimų, bet ir rimtų problemų. Net grynai moksliniu požiūriu branduolio dalijimosi procesas sukūrė daugybę galvosūkių ir komplikacijų, o jo teorinis paaiškinimas yra ateities klausimas.
Skirtingų branduolių rišamoji energija (vienam nukleonui) skiriasi. Sunkesnėms energijoms yra mažiau privalomos energijos nei tos, kurios yra periodinės lentelės viduryje.
Tai reiškia, kad yra sunkių branduoliųatominis skaičius didesnis nei 100, yra naudinga padalinti į du mažesnius fragmentus, tokiu būdu atleidžiant energiją, konvertuojamą į fragmentų kinetinę energiją. Šis procesas vadinamas branduolio dalijimu.
Pagal stabilumo kreivę, kuriparodo protonų skaičiaus priklausomybę nuo neutronų skaičiaus stabiliems nuklidams, sunkesni branduoliai teikia didesnį neutronų skaičių (palyginti su protonų skaičiumi) nei lengvesni. Tai rodo, kad kartu su skaldymo procesu bus perduodami kai kurie „atsarginiai“ neutronai. Be to, jie taip pat prisiims dalį išleistos energijos. Urano atomo branduolio dalijimosi tyrimas parodė, kad šiuo atveju išleidžiami 3-4 neutronai: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Fragmento atominis skaičius (ir atominė masė) nėra lyguspusė atomo masės. Skirtumų, susidariusių dėl skaldymo, masių skirtumas paprastai yra apie 50 metų. Tiesa, to priežastis dar nėra visiškai aiški.
Obligacijų energija 238Y 145La ir 90Br yra atitinkamai 1803, 1198 ir 763 MeV. Tai reiškia, kad dėl šios reakcijos išsiskiria urano branduolio dalijimosi energija, lygi 1198 + 763-1803 = 158 MeV.
Spontaniško skilimo procesai yra žinomi gamtoje, tačiau jie yra labai reti. Šio proceso vidutinis tarnavimo laikas yra apie 1017 metų, ir, pavyzdžiui, to paties radionuklido alfa skilimo vidutinis tarnavimo laikas yra apie 1011 metų
To priežastis yra tokia, kokia yrasiekiant padalinti į dvi dalis, branduolys pirmiausia turi būti deformuotas (ištiesti) į elipsės formos formą, o tada, prieš galutinį skilimą į dvi dalis, viduryje sudaro „kaklą“.
В деформированном состоянии на ядро действуют две jėga Vienas iš jų yra padidėjusi paviršiaus energija (skysčio lašelio paviršiaus įtempimas paaiškina jo sferinę formą), o kitas - Coulomb atotrūkis tarp skilimo fragmentų. Kartu jie sukuria galimą barjerą.
Kaip ir alfa puvimo atveju, atsitiksspontaniškas urano atomo branduolio skilimas, fragmentai turi įveikti šią kliūtį kvantinio tuneliavimo pagalba. Barjeras yra apie 6 MeV, kaip ir alfa puvimo atveju, tačiau α-dalelių tuneliavimo tikimybė yra daug didesnė už daug sunkesnę atominės skilimo produktą.
Daug labiau tikėtina yra sukeltaurano branduolio dalijimasis. Šiuo atveju motinos branduolys yra apšvitinamas neutronais. Jei tėvai jį sugeria, tada jie suriša, išlaisvindami rišimosi energiją vibracinės energijos pavidalu, kuri gali viršyti 6 MeV, reikalingus potencialiam barjerui įveikti.
Kur papildomo neutrono energijanepakanka norint įveikti potencialų barjerą, krintantis neutronas turi turėti mažiausią kinetinę energiją, kad galėtų sukelti atomo skilimą. Kada 238U papildomų neutronų jungimosi energijos nepakanka maždaug 1 MeV. Tai reiškia, kad urano branduolio dalijimąsi sukelia tik neutronas, kurio kinetinė energija yra didesnė nei 1 MeV. Kita vertus, izotopas 235U turi vieną neporinį neutroną.Kai branduolys sugeria papildomą, su juo susidaro pora, ir dėl šios poros atsiranda papildoma rišimosi energija. To pakanka, kad išlaisvintų energijos kiekį, reikalingą branduoliui įveikti potencialų barjerą, o susidūrus su bet kokiu neutronu, įvyksta izotopo skilimas.
Nepaisant to, kad dalijimosi reakcijojeišsiskiria trys ar keturi neutronai, fragmentuose vis tiek yra daugiau neutronų nei stabiliuose izobaruose. Tai reiškia, kad skilimo fragmentai paprastai yra nestabilūs beta skilimo atžvilgiu.
Pavyzdžiui, kai vyksta urano dalijimasis 238U, stabilus izobaras, kurio A = 145, yra neodimas 145Nd, o tai reiškia lantano fragmentą 145La suyra trimis etapais, kaskart išskirdamas elektroną ir antineutrino, kol susidaro stabilus nuklidas. Cirkonis yra stabilus izobaras, kurio A = 90 90Zr, taigi bromo skilimo atplaiša 90Br suyra penkiomis β-skilimo grandinės pakopomis.
Šios β skilimo grandinės išskiria papildomą energiją, kurią beveik visą nuneša elektronai ir antineutrinai.
Tiesioginė neutrono emisija iš per daug nuklidųvargu ar bus daug jų, kad būtų užtikrintas branduolio stabilumas. Esmė tame, kad nėra Coulomb'o atstūmimo, todėl paviršiaus energija linkusi išlaikyti neutroną ryšyje su tėvu. Tačiau kartais taip būna. Pavyzdžiui, dalijimosi fragmentas 90Pirmoje beta skilimo stadijoje Br gaminakriptonas-90, kuris gali būti maitinamas pakankamai energijos paviršiaus energijai įveikti. Tokiu atveju neutronų emisija gali atsirasti tiesiogiai susidarius kriptonui-89. Ši izobaras vis dar nestabilus β-skilimo atžvilgiu, kol jis virsta stabiliu itriumi-89, todėl kriptonas-89 skyla trimis etapais.
Skilimo reakcijos metu išsiskyrę neutronaigali absorbuoti kitas pirminis branduolys, kuris vėliau patiria indukuotą dalijimąsi. Urano-238 atveju trys kylantys neutronai išeina iš mažesnės nei 1 MeV energijos (urano branduolio dalijimosi metu išsiskyrusi energija - 158 MeV daugiausia virsta skilimo fragmentų kinetine energija), todėl jie negali sukelti tolesnio šio nuklido dalijimosi. Nepaisant to, esant didelei reto izotopo koncentracijai 235U šiuos laisvuosius neutronus gali užfiksuoti branduoliai 235U, kuris iš tikrųjų gali sukelti skilimą, nes šiuo atveju nėra energijos slenksčio, žemiau kurio skilimas nebūtų sukeliamas.
Tai yra grandininės reakcijos principas.
Tegu k yra pagamintų neutronų skaičiusskiliosios medžiagos mėginį šios grandinės n stadijoje, padalytą iš neutronų, susidariusių n - 1 etape, skaičiaus. Šis skaičius priklausys nuo to, kiek neutronų, pagamintų n - 1 etape, absorbuoja branduolys, kuris gali būti priverstas dalytis.
• Jei k <1, grandininė reakcija tiesiog išsipučia ir procesas labai greitai sustoja. Būtent taip nutinka natūralaus urano rūdoje, kurioje koncentracija 235U yra tokia maža, kad tikimybė absorbuoti vieną iš neutronų šiuo izotopu yra labai nereikšminga.
• Jei k> 1, grandininė reakcija išaugskol visa skilinė medžiaga bus sunaudota (atominė bomba). Tai pasiekiama sodrinant natūralią rūdą, kad gautų pakankamai didelę urano-235 koncentraciją. Sferiniam mėginiui k reikšmė didėja, padidėjus neutronų absorbcijos tikimybei, kuri priklauso nuo sferos spindulio. Todėl U masė turi viršyti tam tikrą kritinę masę, kad įvyktų urano branduolių dalijimasis (grandininė reakcija).
• Jei k = 1, tada vyksta kontroliuojama reakcija.Jis naudojamas branduoliniuose reaktoriuose. Procesą kontroliuoja kadmio arba boro strypų pasiskirstymas tarp urano, kuris sugeria didžiąją dalį neutronų (šie elementai turi galimybę užfiksuoti neutronus). Urano branduolio dalijimasis valdomas automatiškai, judinant strypus taip, kad k reikšmė išliktų lygi vienybei.
