A fissão nuclear 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 -"Idade atômica". O potencial de seu uso possível e a relação risco / benefício de seu uso não só geraram muitos avanços sociológicos, políticos, econômicos e científicos, mas também sérios problemas. Mesmo de um ponto de vista puramente científico, o processo de fissão nuclear criou muitos quebra-cabeças e complicações, e sua explicação teórica completa é uma questão do futuro.
As energias de ligação (por nucleon) são diferentes para diferentes núcleos. Os mais pesados têm menos energia de ligação do que aqueles localizados no meio da tabela periódica.
Isso significa que núcleos pesados como número atômico for maior que 100, é vantajoso dividir em dois fragmentos menores, liberando energia, que é convertida em energia cinética dos fragmentos. Este processo é denominado fissão nuclear.
De acordo com a curva de estabilidade quemostra a dependência do número de prótons no número de nêutrons para nuclídeos estáveis, os núcleos mais pesados preferem mais nêutrons (em comparação com o número de prótons) do que os mais leves. Isso sugere que junto com o processo de fissão, alguns nêutrons "sobressalentes" serão emitidos. Além disso, eles também receberão parte da energia liberada. O estudo da fissão do núcleo do átomo de urânio mostrou que neste caso são liberados 3-4 nêutrons: 238U → 145La + 90Br + 3n.
O número atômico (e massa atômica) do fragmento não é igual ametade da massa atômica do pai. A diferença entre as massas de átomos formados como resultado da divisão é geralmente cerca de 50. É verdade que a razão para isso ainda não foi totalmente compreendida.
Energias de comunicação 238VOCÊ, 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.
Os processos de clivagem espontânea são conhecidos na natureza, mas são muito raros. A vida útil média desse processo é de cerca de 1017 anos, e, por exemplo, a vida média do decaimento alfa do mesmo radionuclídeo é de cerca de 1011 anos.
A razão para isso é que, a fim depara se dividir em duas partes, o núcleo deve primeiro sofrer deformação (estiramento) em uma forma elipsoidal e, então, antes de finalmente se dividir em dois fragmentos, formar um “pescoço” no meio.
Em um estado deformado, o núcleo é afetado por doisforça. Um deles é o aumento da energia superficial (a tensão superficial de uma gota de líquido explica sua forma esférica), e o outro é a repulsão de Coulomb entre fragmentos de fissão. Juntos, eles criam uma barreira potencial.
Como no caso da decadência alfa, para acontecerfissão espontânea do núcleo de um átomo de urânio, os fragmentos devem superar essa barreira usando o tunelamento quântico. O tamanho da barreira é de cerca de 6 MeV, como no caso do decaimento alfa, mas a probabilidade de tunelamento de uma partícula alfa é muito maior do que a de um produto de divisão de átomo muito mais pesado.
Muito mais provável é o induzidofissão de um núcleo de urânio. Nesse caso, o núcleo-mãe é irradiado com nêutrons. Se o pai o absorver, eles se ligam, liberando a energia de ligação na forma de energia vibracional, que pode exceder os 6 MeV necessários para superar a barreira de potencial.
Onde a energia do nêutron adicional estáé insuficiente para superar a barreira de potencial, o nêutron incidente deve ter uma energia cinética mínima para poder induzir a divisão do átomo. Quando 238A energia de ligação U de nêutrons adicionais não é suficiente para cerca de 1 MeV. Isso significa que a fissão de um 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 desemparelhado.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 que o núcleo ultrapasse a barreira de potencial e a fissão do isótopo ocorra após a colisão com qualquer nêutron.
Apesar do fato de que na reação de fissãotrês ou quatro nêutrons são emitidos, os fragmentos ainda contêm mais nêutrons do que suas isóbaras estáveis. Isso significa que os fragmentos de clivagem são geralmente instáveis em relação ao decaimento beta.
Por exemplo, quando ocorre a fissão do urânio 238U, o isobar estável com A = 145 é neodímio 145Nd, o que significa o fragmento de lantânio 145La decai em três estágios, cada vez emitindo um elétron e um antineutrino, até que um nuclídeo estável seja formado. O isobar estável com A = 90 é zircônio 90Zr, então a lasca de clivagem do bromo 90Br se decompõe em cinco estágios da cadeia de decaimento β.
Essas cadeias de decaimento β liberam energia adicional, que é quase toda carregada por elétrons e antineutrinos.
Emissão direta de um nêutron de um nuclídeo com muitoum grande número deles para garantir a estabilidade do kernel é improvável. A questão aqui é que não há repulsão de Coulomb e, portanto, a energia da superfície tende a reter o nêutron em conexão com o pai. No entanto, isso às vezes acontece. Por exemplo, o fragmento de fissão 90Br no primeiro estágio de decaimento beta produzkrypton-90, que pode ser energizado com energia suficiente para superar a energia da superfície. Nesse caso, a emissão de nêutrons pode ocorrer diretamente com a formação do criptônio-89. Este isobar ainda é instável em relação ao decaimento β até que se transforme em ítrio-89 estável, então o criptônio-89 decai em três etapas.
Os nêutrons emitidos na reação de fissão,pode ser absorvido por outro núcleo parental, que então sofre fissão induzida. No caso do urânio-238, os três nêutrons que surgem saem com uma energia inferior a 1 MeV (a energia liberada durante a fissão de um 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, a uma concentração significativa de um isótopo raro 235U esses nêutrons livres podem ser capturados por núcleos 235U, que pode de fato causar divisão, uma vez que, neste caso, não há limite de energia abaixo do qual a fissão não é induzida.
Este é o princípio de uma reação em cadeia.
Seja k o número de nêutrons produzidos emuma amostra de material físsil no estágio n desta cadeia dividido pelo número de nêutrons produzidos no estágio n - 1. Este número dependerá de quantos nêutrons produzidos no estágio n - 1 são absorvidos por um núcleo que pode sofrer fissão forçada.
• Se k <1, a reação em cadeia simplesmente desaparecerá e o processo será interrompido muito rapidamente. Isso é exatamente o que acontece no minério de urânio natural, em que a concentração 235U é tão pequeno que a probabilidade de absorção de um dos nêutrons por este isótopo é extremamente desprezível.
• Se k> 1, a reação em cadeia aumentará paraaté que todo o material físsil se esgote (bomba atômica). Isso é obtido através do enriquecimento do 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 uma certa massa crítica para que ocorra a fissão dos núcleos de urânio (reação em cadeia).
• Se k = 1, então ocorre uma reação controlada.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 de forma que o valor de k permaneça igual à unidade.
