Rozpad jądra atomowego jest to reakcja jądrowa polegająca na rozpadzie ciężkiego jądra wzbudzonego na dwa (rzadziej trzy lub cztery) lżejsze jądra. Powstałe fragmenty mają z reguły podobne masy. Zjawisku temu towarzyszy emisja neutronów, promieniowanie gamma i wydzielanie się znacznych ilości energii.

Rozpad ciężkich jąder może powstać w wyniku:

• rozszczepienia wymuszonego – bombardowania jądra cząstką, głównie neutronem,
• rozpadu samoistnego – spontanicznego rozpadu jądra bez udziału cząstki zewnętrznej (np. pluton-240, kaliforn-252).

Rozszczepienie jądra atomowego

Rozszczepienie jądra atomowego zachodzi, gdy ciężkie jądro (np. uranu-235) bombardowane neutronem pochłonie je, co doprowadzi do powstania niestabilnego jądra wzbudzonego (np. uranu-236). Jądro to rozpada się na dwa fragmenty o zbliżonych masach oraz uwalnia 2–3 neutrony i energię w postaci energii kinetycznej fragmentów i promieniowania gamma. Ponieważ jądra podatne na rozszczepienie (np. uran-235, pluton-239) są jądrami ciężkimi, które posiadają nadmiar neutronów względem protonów, powstałe w rozszczepieniu obydwa fragmenty charakteryzują się nadwyżką neutronów. Nadmiar ten jest emitowany w dwóch postaciach:

• neutronów natychmiastowych – emitowanych podczas samego aktu rozszczepienia,
• neutronów opóźnionych – emitowanych w wyniku późniejszych rozpadów fragmentów rozszczepienia.

Neutrony opóźnione stanowią niewielki ułamek wszystkich neutronów (ok. 0,6–0,7% dla uranu-235), ale odgrywają fundamentalną rolę w możliwości sterowania reaktorem jądrowym.

Energia rozszczepienia

W procesie rozszczepienia jądra atomowego suma mas produktów rozszczepienia jest mniejsza od masy jądra ulegającego rozszczepieniu. Różnica ta, tzw. Uubytek masy – zgodnie z równaniem Einsteina E = mc², 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 uranu-235 towarzyszy jednak 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 natychmiastowego promieniowania fotonóww gamma,
• 27 MeV to energia rozpadu beta fragmentów rozszczepienia (fotony gamma, cząstki beta i antyneutrina).

Energia ta ostatecznie zamienia się w ciepło i jest wykorzystywana w reaktorach jądrowych.

Przekrój czynny na rozszczepienie

Prawdopodobieństwo rozszczepienia jądra bombardowanego neutronami opisuje przekrój czynny (σ), zależny od energii neutronów. Niektóre jądra, jak uran-233, uran-235 czy pluton-239 ulegają rozszczepieniu wskutek bombardowania ich neutronami o niskich energiach, włącznie z neutronami o energiach nieznacznie różnych od energii zerowej. Przebieg przekroju czynnego na rozszczepienie dla tych izotopów wykazuje rezonanse odpowiadające poziomom energetycznym rozszczepiającego się jądra.

Inne izotopy, np. tor-232, uran-236 czy uran-238 ulegają rozszczepieniu w wypadku, gdy energia neutronów jest większa od tzw. energii progowej rozszczepienia (dla uranu-238 jest to ok. 1 MeV).

Krzywa rozkładu produktów rozszczepienia

Produkty rozszczepienia nie mają jednakowych mas, ale rozkład ich mas jest charakterystyczny. Dla uranu-235 najczęściej powstają jądra o liczbach masowych około A ≈ 95 i A ≈ 140, tworząc tzw. podwójne maksimum w krzywej prawdopodobieństwa rozszczepienia.

Historia odkrycia zjawiska

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.