Разделянето на ядрото е разделянето на тежък атом на два фрагмента с приблизително еднаква маса, придружено от освобождаване на голямо количество енергия.
Откриването на ядреното делене започна нова ера - "атомната ера". Потенциалът на евентуалното му използване и съотношението на риска към ползата от използването му не само генерират много социологически, политически, икономически и научни постижения, но и сериозни проблеми. Дори от чисто научна гледна точка, процесът на ядрено делене създаде голям брой пъзели и усложнения и пълното теоретично обяснение за него е въпрос на бъдещето.
Споделянето е печелившо
Енергиите на свързване (на нуклон) се различават за различните ядра. По-тежките имат по-ниска енергия на свързване от тези, разположени в средата на периодичната таблица.
Това означава, че тежките ядра с атомен номер по-голям от 100 се възползват от разделянето на два по-малки фрагмента, като по този начин освобождават енергия, коятопреобразува се в кинетична енергия на фрагменти. Този процес се нарича разделяне на атомното ядро.
Според кривата на стабилност, която показва зависимостта на броя на протоните от броя на неутроните за стабилни нуклиди, по-тежките ядра предпочитат повече неутрони (в сравнение с броя на протоните) от по-леките. Това предполага, че заедно с процеса на разделяне ще бъдат излъчени някои "резервни" неутрони. Освен това те ще поемат и част от освободената енергия. Изследването на ядреното делене на урановия атом показа, че се отделят 3-4 неутрона: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Атомният номер (и атомната маса) на фрагмент не е равен на половината от атомната маса на родителя. Разликата между масите на атомите, образувани в резултат на разделяне, обикновено е около 50. Причината за това обаче все още не е напълно изяснена.
Свързващите енергии на 238U, 145La и 90Br са 1803, 1198 и 763 MeV, съответно. Това означава, че в резултат на тази реакция се освобождава енергията на делене на урановото ядро, равна на 1198 + 763-1803=158 MeV.
Спонтанно делене
Процесите на спонтанно разцепване са известни в природата, но са много редки. Средният живот на този процес е около 1017 години, а например средният живот на алфа разпада на същия радионуклид е около 1011години.
Причината за това е, че за да се раздели на две части, ядрото трябвапърво се подлагат на деформация (разтягане) в елипсоидална форма и след това, преди окончателното разделяне на два фрагмента, образуват „врат“в средата.
Потенциална бариера
В деформирано състояние върху ядрото действат две сили. Едната от тях е повишената повърхностна енергия (повърхностното напрежение на капка течност обяснява нейната сферична форма), а другата е кулоновото отблъскване между фрагментите на делене. Заедно те създават потенциална бариера.
Както в случая на алфа разпада, за да се случи спонтанното делене на ядрото на урановия атом, фрагментите трябва да преодолеят тази бариера с помощта на квантово тунелиране. Бариерата е около 6 MeV, както в случая на алфа разпад, но вероятността за тунелиране на α частица е много по-голяма от тази на много по-тежък продукт на делене на атом.
Принудително разделяне
Много по-вероятно е индуцираното делене на урановото ядро. В този случай родителското ядро се облъчва с неутрони. Ако родителят го абсорбира, те се свързват, освобождавайки свързваща енергия под формата на вибрационна енергия, която може да надвиши 6 MeV, необходими за преодоляване на потенциалната бариера.
Когато енергията на допълнителен неутрон е недостатъчна за преодоляване на потенциалната бариера, падащият неутрон трябва да има минимална кинетична енергия, за да може да предизвика разцепване на атом. В случай на 238U енергия на връзката допълнителнанеутроните липсват около 1 MeV. Това означава, че деленето на урановото ядро се индуцира само от неутрон с кинетична енергия по-голяма от 1 MeV. От друга страна, изотопът 235U има един несдвоен неутрон. Когато ядрото погълне допълнително, то образува двойка с него и в резултат на това сдвояване се появява допълнителна енергия на свързване. Това е достатъчно, за да освободи количеството енергия, необходимо на ядрото да преодолее потенциалната бариера и изотопното делене настъпва при сблъсък с всеки неутрон.
Beta Decay
Въпреки факта, че реакцията на делене излъчва три или четири неутрона, фрагментите все още съдържат повече неутрони, отколкото техните стабилни изобари. Това означава, че фрагментите на делене като цяло са нестабилни срещу бета разпад.
Например, когато се случи делене на уран 238U, стабилната изобара с A=145 е неодимова 145Nd, което означава, че лантановият фрагмент 145La се разпада на три етапа, всеки път излъчвайки електрон и антинеутрино, докато се образува стабилен нуклид. Стабилната изобара с A=90 е цирконий 90Zr, така че разделящият се фрагмент бром 90Br се разпада в пет етапа от веригата на β-разпад.
Тези вериги на β-разпад освобождават допълнителна енергия, почти цялата от която се отвежда от електрони и антинеутрино.
Ядрени реакции: делене на уранови ядра
Пряко излъчване на неутрон от нуклид с твърдеголям брой от тях, за да се гарантира стабилността на ядрото, е малко вероятно. Въпросът тук е, че няма кулоново отблъскване и така повърхностната енергия има тенденция да поддържа неутрона във връзка с родителя. Това обаче понякога се случва. Например, фрагментът на делене 90Br в първия етап на бета разпад произвежда криптон-90, който може да бъде във възбудено състояние с достатъчно енергия, за да преодолее повърхностната енергия. В този случай излъчването на неутрони може да се случи директно с образуването на криптон-89. Тази изобара все още е нестабилна към β разпад, докато не се промени в стабилен итрий-89, така че криптон-89 се разпада на три стъпки.
Ураново делене: верижна реакция
Неутроните, излъчени при реакция на делене, могат да бъдат абсорбирани от друго родителско ядро, което след това самото претърпява индуцирано делене. В случая на уран-238 трите неутрона, които се произвеждат, излизат с енергия по-малка от 1 MeV (енергията, освободена при деленето на урановото ядро - 158 MeV - се превръща главно в кинетичната енергия на фрагментите на делене), така че те не могат да причинят по-нататъшно делене на този нуклид. Въпреки това, със значителна концентрация на редкия изотоп 235U, тези свободни неутрони могат да бъдат уловени от ядра 235U, които наистина могат да причинят делене, тъй като в този случай няма енергиен праг, под който да не се индуцира делене.
Това е принципът на верижната реакция.
Видове ядрени реакции
Нека k е броят на неутроните, произведени в проба от делящ се материал на етап n от тази верига, разделен на броя на неутроните, произведени на етап n - 1. Това число ще зависи от това колко неутрони се произвеждат на етап n - 1, се абсорбират от ядрото, което може да претърпи принудително делене.
• Ако k < е 1, тогава верижната реакция просто ще изчезне и процесът ще спре много бързо. Точно това се случва в естествената уранова руда, в която концентрацията на 235U е толкова ниска, че вероятността за поглъщане на един от неутроните от този изотоп е изключително незначителна.
• Ако k > 1, тогава верижната реакция ще нараства, докато се използва целият делящ се материал (атомна бомба). Това се постига чрез обогатяване на естествена руда за получаване на достатъчно висока концентрация на уран-235. За сферична проба стойността на k се увеличава с увеличаване на вероятността за поглъщане на неутрони, което зависи от радиуса на сферата. Следователно масата на U трябва да надвишава известна критична маса, за да се случи деленето на уранови ядра (верижна реакция).
• Ако k=1, тогава се осъществява контролирана реакция. Това се използва в ядрените реактори. Процесът се контролира чрез разпределяне на кадмиеви или борни пръчки между урана, които поглъщат повечето от неутроните (тези елементи имат способността да улавят неутрони). Разделянето на урановото ядро се контролира автоматично чрез преместване на пръчките, така че стойността на k да остане равна на единица.
