Podstawy fizyczne

Zjawisko rozpadu jądra atomowego

Rozszczepienie jądra atomowego jest to reakcja jądrowa polegająca na rozpadzie jądra wzbudzonego na dwa (rzadziej trzy lub cztery) inne jądra. Powstałe fragmenty mają na ogół podobną masę. Zjawisku temu towarzyszy emisja neutronów, promieniowanie gamma i wydzielanie się znacznych ilości energii. Ponieważ jądra ulegające rozszczepieniu zwykle są jądrami ciężkimi, które posiadają więcej neutronów niż protonów, obydwa fragmenty powstałe w rozszczepieniu są jądrami neutrono-nadmiarowymi. Nadmiar neutronów jest z nich emitowany podczas aktu rozszczepienia (neutrony natychmiastowe) lub z pewnym opóźnieniem (neutrony opóźnione).

Ciężkie jądra można rozszczepić bombardując je różnymi cząstkami (rozszczepienie wymuszone), lub też mogą się one rozpaść samorzutnie (rozszczepienie samoistne).

Rozpad jądra atomowego
W procesie rozszczepienia jądra atomowego suma mas produktów rozszczepienia jest większa od masy jądra ulegającego rozszczepieniu. Ubytek masy jest źródłem energii i przy rozszczepieniu jądra uranu 235 wynosi ok. 2,15 j.m.a. (jednostek masy atomowej), co odpowiada wydzieleniu ok. 198 MeV energii.

Reakcji rozszczepienia towarzyszy wydzielenie się energii około 207 MeV na rozszczepienie, w tym około:
  • 168 MeV to energia kinetyczna produktów rozszczepienia,5 MeV to energia kinetyczna neutronów natychmiastowych,
  • 7 MeV to energia fotonów gamma natychmiastowych,
  • 27 MeV to energia rozpadu beta fragmentów rozszczepienia (fotony gamma, cząstki beta i antyneutrina).
Przekrój czynny na rozszczepienie określający prawdopodobieństwo rozszczepienia jąder wskutek bombardowania ich przez neutrony zależy od energii neutronów. Niektóre jądra: 233U, 235U, 239P, ulegają rozszczepieniu wskutek bombardowania ich neutronami o dowolnych energiach, włącznie z neutronami o energiach nieznacznie różnymi od energii zerowej. Przebieg przekroju czynnego na rozszczepienie dla tych izotopów wykazuje rezonanse odpowiadające poziomom energetycznym rozszczepiającego się jądra.

Inne izotopy, np. 232Th, 236U, 238U, rozszczepiają się w wypadku, gdy energia neutronów jest większa od tzw. energii progowej rozszczepienia.


rys. Prawdopodobieństwo powstania produktów rozszczepienia jąder uranu 235
Zjawisko rozszczepienia jądra atomowego odkrył w 1938 roku niemiecki fizykochemik Otto Hahn (1879-1968) wraz z Fritzem Straßmannem (1902-1980), za co w 1944 roku otrzymał nagrodę Nobla. W 1939 roku austryjacka fizyczka Lise Meitner wraz ze swoim siostrzeńcem Otto Robertem Frischem opublikowali artykuł "Disintegration of Uranium by Neutrons: a New Type of Nuclear Reaction" (Nature, 143, 239-240), wyjaśniając w nim podstawy teoretyczne zjawiska rozszczepienia jądra atomowego.