ביקוע של גרעין הוא פיצול של אטום כבד לשני שברים בעלי מסה שווה בערך, המלווה בשחרור של כמות גדולה של אנרגיה.
גילוי הביקוע הגרעיני החל עידן חדש - "העידן האטומי". פוטנציאל השימוש האפשרי בו והיחס בין הסיכון לתועלת מהשימוש בו לא רק יצרו הישגים סוציולוגיים, פוליטיים, כלכליים ומדעיים רבים, אלא גם בעיות חמורות. אפילו מנקודת מבט מדעית גרידא, תהליך הביקוע הגרעיני יצר מספר רב של חידות וסיבוכים, והסבר תיאורטי שלם שלו הוא עניין של עתיד.
השיתוף הוא רווחי
אנרגיות הקישור (לנוקלאון) שונות עבור גרעינים שונים. לכבדים יותר יש אנרגיות קשירה נמוכות מאלה הממוקמות באמצע הטבלה המחזורית.
פירוש הדבר שגרעינים כבדים עם מספר אטומי גדול מ-100 נהנים מחלוקה לשני שברים קטנים יותר, ובכך משחררים אנרגיההומר לאנרגיה קינטית של שברים. תהליך זה נקרא פיצול גרעין האטום.
לפי עקומת היציבות, המראה את התלות של מספר הפרוטונים במספר הנייטרונים עבור גרעינים יציבים, גרעינים כבדים מעדיפים יותר נויטרונים (בהשוואה למספר הפרוטונים) מאשר קלים יותר. זה מצביע על כך שיחד עם תהליך הפיצול ייפלטו כמה נויטרונים "רזרביים". בנוסף, הם גם ייקחו על עצמם חלק מהאנרגיה המשתחררת. מחקר הביקוע הגרעיני של אטום האורניום הראה כי משתחררים 3-4 נויטרונים: 238U → 145La + 90Br + 3n.
המספר האטומי (והמסה האטומית) של שבר אינו שווה למחצית המסה האטומית של האב. ההבדל בין מסת האטומים שנוצרו כתוצאה מפיצול הוא בדרך כלל כ-50. עם זאת, הסיבה לכך עדיין לא מובנת במלואה.
האנרגיות המחייבות של 238U, 145La ו-90Br הן 1803, 1198 ו-763 MeV, בהתאמה. המשמעות היא שכתוצאה מתגובה זו משתחררת אנרגיית הביקוע של גרעין האורניום, שווה ל-1198 + 763-1803=158 MeV.
ביקוע ספונטני
תהליכים של פיצול ספונטני ידועים בטבע, אבל הם נדירים מאוד. משך החיים הממוצע של תהליך זה הוא בערך 1017 שנים, ולדוגמה, משך החיים הממוצע של ריקבון אלפא של אותו רדיונוקליד הוא בערך 1011שנים.
הסיבה לכך היא שכדי להתפצל לשני חלקים, הקרנל חייבתחילה לעבור דפורמציה (מתיחה) לצורה אליפסואידית, ולאחר מכן, לפני הפיצול הסופי לשני שברים, ליצור "צוואר" באמצע.
מחסום פוטנציאלי
במצב המעוות, שני כוחות פועלים על הליבה. אחד מהם הוא אנרגיית פני השטח המוגברת (מתח הפנים של טיפת נוזל מסביר את צורתה הכדורית), והשני הוא דחיית הקולומב בין שברי ביקוע. יחד הם מייצרים מחסום פוטנציאלי.
כמו במקרה של ריקבון אלפא, כדי שהביקוע הספונטני של גרעין אטום האורניום יתרחש, על השברים להתגבר על המחסום הזה באמצעות מנהור קוונטי. המחסום הוא בערך 6 MeV, כמו במקרה של ריקבון אלפא, אבל ההסתברות למנהור של חלקיק α גדולה בהרבה מזו של תוצר ביקוע אטום הרבה יותר כבד.
פיצול מאולץ
סביר הרבה יותר הוא ביקוע מושרה של גרעין האורניום. במקרה זה, גרעין האם מוקרן בניוטרונים. אם ההורה סופג אותו, הם נקשרים, ומשחררים אנרגיית קישור בצורה של אנרגיה רטט שיכולה לחרוג מ-6 MeV הנדרשים כדי להתגבר על המחסום הפוטנציאלי.
כאשר האנרגיה של נויטרון נוסף אינה מספיקה כדי להתגבר על המחסום הפוטנציאלי, לנייטרון המתרחש חייב להיות אנרגיה קינטית מינימלית כדי להיות מסוגל לגרום לפיצול של אטום. במקרה של 238U אנרגיית קשר נוספתלנייטרונים חסר בערך 1 MeV. המשמעות היא שביקוע של גרעין האורניום מושרה רק על ידי נויטרון בעל אנרגיה קינטית גדולה מ-1 MeV. מצד שני, לאיזוטופ 235U יש נויטרון אחד לא מזווג. כשהגרעין סופג אחד נוסף הוא יוצר איתו זוג וכתוצאה מהזיווג הזה מופיעה אנרגיית קשירה נוספת. זה מספיק כדי לשחרר את כמות האנרגיה הדרושה לגרעין כדי להתגבר על המחסום הפוטנציאלי וביקוע האיזוטופים מתרחש עם התנגשות עם כל נויטרון.
Beta Decay
למרות העובדה שתגובת הביקוע פולטת שלושה או ארבעה נויטרונים, השברים עדיין מכילים יותר נויטרונים מאשר האיזוברים היציבים שלהם. משמעות הדבר היא שקטעי ביקוע אינם יציבים בדרך כלל נגד ריקבון בטא.
לדוגמה, כאשר מתרחש ביקוע אורניום 238U, האיזובאר היציב עם A=145 הוא ניאודימיום 145Nd, כלומר שבר הלנתנום 145La מתפרק בשלושה שלבים, בכל פעם פולט אלקטרון ואנטי-נייטרינו, עד שנוצר גרעין יציב. האיזובר היציב עם A=90 הוא זירקוניום 90Zr, כך שקטע הברום המתפצל 90Br מתפרק בחמישה שלבים של שרשרת ה-β-דעיכה.
שרשרות ה-β-דעיכה הללו משחררות אנרגיה נוספת, שכמעט כולה נסחפת על ידי אלקטרונים ואנטי-נייטרינו.
תגובות גרעיניות: ביקוע של גרעיני אורניום
קרינה ישירה של נויטרון מגרעין עם מדימספר גדול מהם כדי להבטיח שהיציבות של הגרעין אינה סבירה. הנקודה כאן היא שאין דחיית קולומב, ולכן אנרגיית פני השטח נוטה לשמור על הנייטרון בקשר עם האב. עם זאת, זה קורה לפעמים. לדוגמה, שבר הביקוע 90Br בשלב הראשון של התפרקות בטא מייצר קריפטון-90, שיכול להיות במצב נרגש עם מספיק אנרגיה כדי להתגבר על אנרגיית פני השטח. במקרה זה, פליטת נויטרונים יכולה להתרחש ישירות עם היווצרות קריפטון-89. האיזובר הזה עדיין לא יציב להתפרקות β עד שהוא משתנה לאיטריום-89 יציב, ולכן קריפטון-89 מתפרק בשלושה שלבים.
ביקוע אורניום: תגובת שרשרת
ניוטרונים הנפלטים בתגובת ביקוע יכולים להיספג על ידי גרעין אב אחר, אשר לאחר מכן בעצמו עובר ביקוע מושרה. במקרה של אורניום-238, שלושת הנייטרונים המיוצרים יוצאים עם אנרגיה של פחות מ-1 MeV (האנרגיה המשתחררת במהלך ביקוע גרעין האורניום - 158 MeV - מומרת בעיקר לאנרגיה הקינטית של שברי הביקוע.), כך שהם לא יכולים לגרום לביקוע נוסף של הגרעין הזה. עם זאת, עם ריכוז משמעותי של האיזוטופ הנדיר 235U, ניתן ללכוד את הנייטרונים החופשיים הללו על ידי גרעינים 235U, שאכן יכול לגרום לביקוע, מכיוון שבמקרה זה, אין סף אנרגיה שמתחתיו לא נגרמת ביקוע.
זהו עקרון תגובת השרשרת.
סוגי תגובות גרעיניות
תנו k להיות מספר הנייטרונים המיוצרים בדגימה של חומר בקיע בשלב n בשרשרת זו, חלקי מספר הנייטרונים המיוצרים בשלב n - 1. מספר זה יהיה תלוי במספר נויטרונים שנוצרו בשלב שלב n - 1, נספגים בגרעין, שעלול לעבור ביקוע מאולץ.
• אם k < הוא 1, אז תגובת השרשרת פשוט תתפוגג והתהליך ייפסק מהר מאוד. זה בדיוק מה שקורה בעפרת אורניום טבעית, שבה הריכוז של 235U כל כך נמוך שההסתברות לקליטת אחד הנייטרונים על ידי איזוטופ זה זניחה ביותר.
• אם k > 1, אז תגובת השרשרת תגדל עד לשימוש בכל החומר הבקיע (פצצת אטום). זה מושג על ידי העשרת עפרות טבעיות לקבלת ריכוז גבוה מספיק של אורניום-235. עבור מדגם כדורי, הערך של k עולה עם עלייה בהסתברות ספיגת הנייטרונים, התלויה ברדיוס הכדור. לכן, המסה של U חייבת לעלות על מסה קריטית כלשהי על מנת שיתרחש ביקוע של גרעיני אורניום (תגובת שרשרת).
• אם k=1, אז מתרחשת תגובה מבוקרת. זה משמש בכורים גרעיניים. התהליך נשלט על ידי חלוקת מוטות קדמיום או בורון בין האורניום, הקולטים את רוב הנייטרונים (ליסודות אלו יש יכולת ללכוד נויטרונים). ביקוע גרעין האורניום נשלט אוטומטית על ידי הזזת המוטות כך שהערך של k נשאר שווה לאחד.
