Mengapa reaksi fisi? Ringkasan pelajaran "Fisi inti uranium

>> Fisi inti uranium

§ 107 FISI NUKLEI URANIUM

Hanya inti dari beberapa yang dapat dibagi menjadi beberapa bagian elemen berat. Ketika inti fisi, dua atau tiga neutron dan sinar - dipancarkan. Pada saat yang sama, banyak energi yang dilepaskan.

Penemuan fisi uranium. Fisi inti uranium ditemukan pada tahun 1938 oleh ilmuwan Jerman O. Hahn iF. Strassmann. Mereka menemukan bahwa ketika uranium dibombardir dengan neutron, unsur-unsur bagian tengahnya muncul tabel periodik: barium, kripton, dll. Namun, interpretasi yang benar atas fakta ini sebagai fisi inti uranium yang menangkap neutron diberikan pada awal tahun 1939 oleh fisikawan Inggris O. Frisch bersama dengan fisikawan Austria L. Meitner.

Penangkapan neutron mengganggu stabilitas inti. Inti menjadi tereksitasi dan menjadi tidak stabil, yang menyebabkan pembelahannya menjadi beberapa bagian. Fisi nuklir dimungkinkan karena massa sisa inti yang berat lebih besar daripada jumlah massa sisa fragmen hasil fisi. Oleh karena itu, terjadi pelepasan energi yang setara dengan penurunan massa diam yang menyertai fisi.

Kemungkinan fisi inti berat juga dapat dijelaskan dengan menggunakan grafik ketergantungan energi tertentu koneksi dari nomor massa A (lihat Gambar 13.11). Energi ikat spesifik inti atom unsur yang menempati tabel periodik tempat terakhir(A 200), kira-kira 1 MeV lebih kecil dari energi ikat spesifik inti unsur yang terletak di tengah tabel periodik (A 100). Oleh karena itu, proses fisi inti berat menjadi inti unsur di bagian tengah tabel periodik sangat menguntungkan. Setelah fisi, sistem memasuki keadaan dengan energi internal minimal. Lagi pula, semakin besar energi ikat inti, semakin besar pula energi yang harus dilepaskan pada saat munculnya inti dan, akibatnya, semakin kecil energi dalam sistem yang baru terbentuk.

Selama fisi nuklir, energi ikat per nukleon meningkat sebesar 1 MeV dan total energi yang dilepaskan pasti sangat besar - sekitar 200 MeV. Tidak ada reaksi nuklir lain (yang tidak berhubungan dengan fisi) yang melepaskan energi sebesar itu.

Pengukuran langsung energi yang dilepaskan selama fisi inti uranium menegaskan pertimbangan di atas dan memberikan nilai 200 MeV. Selain itu, sebagian besar energi ini (168 MeV) berasal dari energi kinetik fragmen. Pada Gambar 13.13 Anda melihat jejak fragmen fisil uranium di ruang awan.

Energi yang dilepaskan selama fisi nuklir berasal dari elektrostatis, bukan berasal dari nuklir. Energi kinetik besar yang dimiliki pecahan tersebut timbul karena tolakan Coulombnya.

Mekanisme fisi nuklir. Proses pembelahan inti atom dapat dijelaskan berdasarkan model tetes kernel. Menurut model ini, sekumpulan nukleon menyerupai tetesan cairan bermuatan (Gbr. 13.14, a). Gaya nuklir antar nukleon bersifat jangka pendek, seperti gaya yang bekerja antara molekul cair. Seiring dengan kekuatan besar tolakan elektrostatis antar proton, yang cenderung merobek inti menjadi beberapa bagian, bahkan lebih besar kekuatan nuklir daya tarik. Kekuatan-kekuatan ini menjaga inti agar tidak hancur.

Inti uranium-235 berbentuk bola. Setelah menyerap kelebihan neutron, ia menjadi tereksitasi dan mulai berubah bentuk, memperoleh bentuk memanjang (Gbr. 13.14, b). Inti akan meregang sampai gaya tolak menolak antara bagian inti yang memanjang mulai mengalahkan gaya tarik menarik yang bekerja di tanah genting (Gbr. 13.14, c). Setelah itu dipecah menjadi dua bagian (Gbr. 13.14, d).

Di bawah pengaruh Pasukan Coulomb tolakan, pecahan-pecahan ini tersebar dengan kecepatan sama dengan 1/30 kecepatan cahaya.

Emisi neutron selama fisi. Fakta mendasar dari fisi nuklir adalah emisi dua hingga tiga neutron selama proses fisi. Inilah yang memungkinkannya penggunaan praktis energi intranuklir.

Pahami mengapa emisi terjadi neutron bebas, hal tersebut dimungkinkan berdasarkan pertimbangan berikut. Diketahui bahwa rasio jumlah neutron terhadap jumlah proton dalam inti stabil meningkat seiring dengan peningkatan nomor atom. Oleh karena itu, jumlah relatif neutron dalam fragmen yang timbul selama fisi lebih besar daripada jumlah inti atom yang terletak di tengah tabel periodik. Akibatnya, beberapa neutron dilepaskan selama proses fisi. Energi mereka punya arti yang berbeda- dari beberapa juta elektron volt hingga yang sangat kecil, mendekati nol.

Fisi biasanya terjadi menjadi fragmen, yang massanya berbeda sekitar 1,5 kali lipat. Fragmen-fragmen ini sangat radioaktif karena mengandung banyak neutron. Sebagai hasil dari serangkaian peluruhan berturut-turut, isotop stabil akhirnya diperoleh.

Sebagai kesimpulan, kami mencatat bahwa ada juga fisi spontan inti uranium. Itu terbuka fisikawan Soviet G.N. Flerov dan K.A. Petrzhak pada tahun 1940. Waktu paruh fisi spontan adalah 10 16 tahun. Itu dua juta kali lipat lebih banyak periode waktu paruh selama peluruhan uranium.

Reaksi fisi nuklir disertai dengan pelepasan energi.

Fisi inti uranium ketika dibombardir dengan neutron ditemukan pada tahun 1939 oleh ilmuwan Jerman Otto Hahn dan Fritz Strassmann.

Otto Hahn (1879-1968)
Fisikawan Jerman, ilmuwan perintis di bidang radiokimia. Menemukan fisi uranium dan sejumlah unsur radioaktif

Fritz Strassmann (1902-1980)
Fisikawan dan kimia Jerman. Karya-karya tersebut berkaitan dengan kimia nuklir, fisi nuklir. Memberikan bukti kimia dari proses fisi

Mari kita perhatikan mekanisme fenomena ini. Gambar 162a secara konvensional menunjukkan inti atom uranium. Setelah menyerap kelebihan neutron, inti tereksitasi dan berubah bentuk, memperoleh bentuk memanjang (Gbr. 162, b).

Beras. 162. Proses fisi inti uranium di bawah pengaruh masuknya neutron

Anda telah mengetahui bahwa ada dua jenis gaya yang bekerja di dalam inti: gaya tolak menolak elektrostatis antar proton, yang cenderung memecah inti, dan gaya tarik menarik antar nukleon, sehingga inti tidak meluruh. Namun gaya nuklir bersifat jangka pendek, sehingga dalam inti yang memanjang tidak dapat lagi menahan bagian inti yang jaraknya sangat jauh satu sama lain. Di bawah pengaruh gaya tolak elektrostatik, inti pecah menjadi dua bagian (Gbr. 162, c), yang terbang terpisah menjadi sisi yang berbeda dengan kecepatan luar biasa dan memancarkan 2-3 neutron.

Ternyata bagian itu energi dalam inti diubah menjadi energi kinetik pecahan dan partikel yang terbang. Fragmen-fragmen tersebut dengan cepat melambat di lingkungan, menyebabkannya energi kinetik diubah menjadi energi internal medium (yaitu, menjadi energi interaksi dan gerak termal partikel penyusunnya).

Dengan pembagian secara simultan jumlah besar inti uranium, energi internal lingkungan sekitar uranium dan, karenanya, suhunya meningkat secara nyata (yaitu, lingkungan memanas).

Dengan demikian, reaksi fisi inti uranium terjadi dengan pelepasan energi di dalamnya lingkungan.

Energi yang terkandung dalam inti atom sangatlah besar. Misalnya, dengan fisi sempurna semua inti yang terdapat dalam 1 g uranium, jumlah energi yang sama akan dilepaskan seperti yang dilepaskan selama pembakaran 2,5 ton minyak. Untuk mengubah energi dalam inti atom dalam tenaga listrik di pembangkit listrik tenaga nuklir mereka menggunakan apa yang disebut reaksi berantai fisi nuklir.

Mari kita perhatikan mekanisme reaksi berantai fisi inti isotop uranium. Inti atom uranium (Gbr. 163) akibat penangkapan neutron terbelah menjadi dua bagian, memancarkan tiga neutron. Dua dari neutron ini menyebabkan reaksi fisi dua inti lagi, menghasilkan empat neutron. Hal ini, pada gilirannya, menyebabkan fisi empat inti, yang kemudian menghasilkan sembilan neutron, dan seterusnya.

Reaksi berantai dimungkinkan karena fisi setiap inti menghasilkan 2-3 neutron, yang dapat mengambil bagian dalam fisi inti lainnya.

Gambar 163 menunjukkan diagram reaksi berantai di mana jumlah total neutron bebas dalam sepotong uranium meningkat seperti longsoran salju seiring waktu. Sejalan dengan itu, jumlah fisi nuklir dan energi yang dilepaskan per satuan waktu meningkat tajam. Oleh karena itu, reaksi seperti itu bersifat eksplosif (terjadi pada bom atom).

Beras. 163. Reaksi berantai fisi inti uranium

Pilihan lain juga dimungkinkan, di mana jumlah neutron bebas berkurang seiring waktu. Dalam hal ini reaksi berantai berhenti. Oleh karena itu, reaksi seperti itu juga tidak dapat digunakan untuk menghasilkan listrik.

DI DALAM untuk tujuan damai Energi hanya dapat digunakan dari reaksi berantai di mana jumlah neutron tidak berubah seiring waktu.

Bagaimana kita dapat memastikan bahwa jumlah neutron tetap konstan? Untuk mengatasi masalah ini, Anda perlu mengetahui faktor-faktor apa saja yang mempengaruhi kenaikan dan penurunan jumlah neutron bebas pada sepotong uranium yang terjadi reaksi berantai.

Salah satu faktornya adalah massa uranium. Faktanya adalah tidak setiap neutron yang dipancarkan selama fisi nuklir menyebabkan fisi inti lainnya (lihat Gambar 163). Jika massa (dan, karenanya, dimensi) sepotong uranium terlalu kecil, maka banyak neutron akan terbang keluar, tidak punya waktu untuk bertemu dengan nukleus dalam perjalanannya, menyebabkan fisinya dan dengan demikian menghasilkan generasi baru. neutron yang diperlukan untuk melanjutkan reaksi. Dalam hal ini, reaksi berantai akan berhenti. Agar reaksi dapat berlanjut, massa uranium perlu ditingkatkan hingga nilai tertentu, yang disebut kritis.

Mengapa reaksi berantai dapat terjadi seiring bertambahnya massa? Semakin besar massa suatu benda, semakin besar pula dimensinya cara yang lebih panjang, neutron mana yang melewatinya. Dalam hal ini, kemungkinan pertemuan neutron dengan inti meningkat. Sejalan dengan itu, jumlah fisi nuklir dan jumlah neutron yang dipancarkan meningkat.

Pada massa kritis uranium, jumlah neutron yang dihasilkan selama fisi nuklir menjadi lebih banyak sama dengan nomornya neutron yang hilang (yaitu ditangkap oleh inti tanpa fisi dan dipancarkan ke luar bagian).

Oleh karena itu, jumlah totalnya tetap tidak berubah. Dalam hal ini, reaksi berantai dapat terjadi waktu yang lama tanpa berhenti atau menjadi eksplosif.

• Massa terkecil uranium dimana reaksi berantai dapat terjadi disebut massa kritis

Jika massa uranium lebih besar dari massa kritis, maka akibat peningkatan tajam jumlah neutron bebas, reaksi berantai menyebabkan ledakan, dan jika kurang dari massa kritis, maka reaksi tidak akan terjadi. melanjutkan karena kurangnya neutron bebas.

Hilangnya neutron (yang lepas dari uranium tanpa bereaksi dengan inti atom) dapat dikurangi tidak hanya dengan meningkatkan massa uranium, tetapi juga dengan menggunakan cangkang reflektif khusus. Untuk melakukan ini, sepotong uranium ditempatkan dalam cangkang yang terbuat dari zat yang memantulkan neutron dengan baik (misalnya berilium). Bercermin dari cangkang ini, neutron kembali ke uranium dan dapat mengambil bagian dalam fisi nuklir.

Ada beberapa faktor lain yang mempengaruhi kemungkinan terjadinya reaksi berantai. Misalnya, jika sepotong uranium mengandung terlalu banyak pengotor lainnya unsur kimia, lalu mereka menyerap sebagian besar neutron dan reaksi berhenti.

Kehadiran moderator neutron dalam uranium juga mempengaruhi jalannya reaksi. Faktanya adalah inti uranium-235 kemungkinan besar fisi di bawah pengaruh neutron lambat. Dan ketika inti atom membelah, mereka terbentuk neutron cepat. Jika neutron cepat diperlambat, maka sebagian besar neutron akan ditangkap oleh inti uranium-235 yang diikuti dengan fisi inti tersebut. Zat seperti grafit, air, air berat (termasuk deuterium, isotop hidrogen dengan nomor massa 2), dan beberapa lainnya digunakan sebagai moderator. Zat-zat ini hanya memperlambat neutron, hampir tanpa menyerapnya.

Dengan demikian, kemungkinan terjadinya reaksi berantai ditentukan oleh massa uranium, jumlah pengotor di dalamnya, keberadaan cangkang dan moderator, dan beberapa faktor lainnya.

Massa kritis sepotong uranium-235 berbentuk bola adalah sekitar 50 kg. Apalagi radiusnya hanya 9 cm, karena uranium memiliki kepadatan yang sangat tinggi.

Dengan menggunakan moderator dan cangkang reflektif serta mengurangi jumlah pengotor, massa kritis uranium dapat dikurangi menjadi 0,8 kg.

Pertanyaan

1. Mengapa fisi nuklir dapat dimulai hanya jika ia mengalami deformasi akibat pengaruh neutron yang diserapnya?
2. Apa yang terbentuk akibat fisi nuklir?
3. Energi apa yang diubah oleh sebagian energi internal inti selama pembelahannya? energi kinetik pecahan inti uranium ketika mengalami perlambatan di lingkungan?
4. Bagaimana reaksi fisi inti uranium berlangsung - dengan pelepasan energi ke lingkungan atau, sebaliknya, dengan penyerapan energi?
5. Jelaskan mekanisme reaksi berantai menggunakan Gambar 163.
6. Berapa massa kritis uranium?
7. Mungkinkah terjadi reaksi berantai jika massa uranium kurang dari massa kritis; lebih kritis? Mengapa?

2. Energi apa yang disebut energi keluaran reaksi? Bagaimana cara memperkirakan hasil energi untuk reaksi fisi?

3. Besaran apa yang mencirikan laju reaksi berantai? Tuliskan kondisi yang diperlukan untuk pengembangan reaksi berantai.

4. Reaksi fisi apa yang disebut swasembada? Kapan itu terjadi?

5. Menilai ukuran inti kritis dan massa kritis.

N adalah konsentrasi inti. Banyaknya tumbukan neutron dengan inti per satuan waktu n.

Reaksi fisi nuklir- reaksi fisi, yang terdiri dari fakta bahwa inti yang berat, di bawah pengaruh neutron, dan, ternyata kemudian, partikel lain, terbagi menjadi beberapa inti (fragmen) yang lebih ringan, paling sering menjadi dua inti dengan massa yang sama.

Ciri fisi nuklir adalah disertai dengan emisi dua atau tiga neutron sekunder, yang disebut neutron fisi. Karena untuk inti medium jumlah neutron kira-kira sama dengan jumlah proton ( Tidak ada/Z ≈ 1), dan untuk inti berat, jumlah neutron jauh melebihi jumlah proton ( Tidak ada/Z ≈ 1.6), kemudian fragmen fisi yang dihasilkan dibebani dengan neutron, sehingga melepaskan neutron fisi. Namun, emisi neutron fisi tidak sepenuhnya menghilangkan kelebihan muatan fragmen inti dengan neutron. Hal ini menyebabkan fragmen menjadi radioaktif. Mereka dapat menjalani serangkaian transformasi β - -, disertai dengan emisi kuanta. Karena peluruhan β disertai dengan transformasi neutron menjadi proton, maka setelah rangkaian transformasi β, rasio antara neutron dan proton dalam fragmen akan mencapai nilai yang sesuai dengan isotop stabil. Misalnya, selama fisi inti uranium U

kamu+ n → Xe + Sr +2 N(265.1)

fragmen fisi Xe, sebagai hasil dari tiga tindakan peluruhan β, berubah menjadi isotop stabil Lantana La:

Hehe → Cs → Ba → La.

Fragmen fisi bisa bermacam-macam, sehingga reaksi (265.1) bukanlah satu-satunya reaksi yang menyebabkan fisi U.

Kebanyakan neutron fisi dipancarkan hampir seketika ( T≤ 10 –14 detik), dan sebagian (sekitar 0,7%) dipancarkan oleh fragmen fisi beberapa saat setelah fisi (0,05 detik ≤ T≤ 60 detik). Yang pertama disebut instan, Kedua - tertinggal. Rata-rata, setiap peristiwa fisi menghasilkan 2,5 neutron. Mereka mempunyai spektrum energi yang relatif luas mulai dari 0 hingga 7 MeV, dengan energi rata-rata sekitar 2 MeV per neutron.

Perhitungan menunjukkan bahwa fisi nuklir juga harus dibarengi dengan pelepasan energi dalam jumlah besar. Faktanya, energi ikat spesifik untuk inti atom berat rata-rata adalah sekitar 8,7 MeV, sedangkan untuk inti berat sama dengan 7,6 MeV. Akibatnya, ketika inti berat membelah menjadi dua fragmen, energi yang setara dengan sekitar 1,1 MeV per nukleon harus dilepaskan.

Teori fisi inti atom (N. Bohr, Ya. I. Frenkel) didasarkan pada model tetesan inti atom. Inti dianggap sebagai setetes cairan bermuatan listrik yang tidak dapat dimampatkan (dengan massa jenis sama dengan massa jenis inti dan mematuhi hukum mekanika kuantum), partikel-partikelnya, ketika neutron mengenai inti, akan ikut masuk gerak osilasi, akibatnya inti pecah menjadi dua bagian, terbang terpisah dengan energi yang sangat besar.

Kemungkinan terjadinya fisi nuklir ditentukan oleh energi neutron. Misalnya, jika neutron berenergi tinggi menyebabkan fisi pada hampir semua inti atom, maka neutron dengan energi beberapa mega-elektron-volt hanya menyebabkan fisi inti berat ( A>210), Neutron memiliki energi aktivasi(energi minimum yang diperlukan untuk melakukan reaksi fisi nuklir) orde 1 MeV, menyebabkan fisi inti uranium U, thorium Th, protaktinium Pa, plutonium Pu. Neutron termal membelah inti U, Pu, dan U, Th (dua isotop terakhir tidak terdapat di alam, melainkan diperoleh secara buatan).

Neutron sekunder yang dipancarkan selama fisi nuklir dapat menyebabkan peristiwa fisi baru, sehingga memungkinkan terjadinya fisi nuklir reaksi berantai fisi- reaksi nuklir di mana partikel penyebab reaksi terbentuk sebagai produk reaksi ini. Reaksi berantai fisi ditandai dengan faktor perkalian k neutron, yang sama dengan rasionya jumlah neutron pada generasi tertentu dengan jumlah neutron pada generasi sebelumnya. Suatu kondisi yang diperlukan untuk pengembangan reaksi berantai fisi adalah persyaratan k ≥ 1.

Ternyata tidak semua neutron sekunder yang dihasilkan menyebabkan fisi nuklir berikutnya, yang menyebabkan penurunan faktor perkalian. Pertama, karena dimensinya yang terbatas inti(ruang di mana reaksi berharga terjadi) dan kemampuan penetrasi neutron yang tinggi, beberapa di antaranya akan meninggalkan zona aktif sebelum ditangkap oleh inti mana pun. Kedua, beberapa neutron ditangkap oleh inti pengotor non-fisil, yang selalu ada di inti, selain itu, bersamaan dengan fisi, proses penangkapan radiasi dan hamburan inelastis yang bersaing dapat terjadi.

Koefisien perkalian bergantung pada sifat zat fisil, dan untuk dari isotop tertentu– mengenai kuantitasnya, serta ukuran dan bentuk zona aktif. Dimensi minimum inti aktif yang memungkinkan terjadinya reaksi berantai disebut ukuran kritis. Massa minimum bahan fisil yang terletak dalam sistem dimensi kritis yang diperlukan untuk dilaksanakan reaksi berantai, ditelepon massa kritis.

Kecepatan perkembangan reaksi berantai berbeda-beda. Membiarkan T - waktu rata-rata

kehidupan satu generasi, dan N- jumlah neutron pada generasi tertentu. Pada generasi berikutnya, jumlah mereka sama buku,T. e.peningkatan jumlah neutron per generasi dN = kN – N = N(k – 1). Peningkatan jumlah neutron per satuan waktu, yaitu laju pertumbuhan reaksi berantai,

. (266.1)

Mengintegrasikan (266.1), kita memperoleh

,

Di mana N 0– jumlah neutron masuk momen awal waktu, dan N- nomor mereka sekaligus T. N ditentukan oleh tanda ( k– 1). Pada k>1 akan datang reaksi yang berkembang, jumlah fisi terus meningkat dan reaksinya bisa menjadi eksplosif. Pada k=1 pergi reaksi mandiri di mana jumlah neutron tidak berubah seiring waktu. Pada k <1 идет reaksi memudar

Reaksi berantai meliputi reaksi yang terkendali dan tidak terkendali. Ledakan bom atom, misalnya, merupakan reaksi yang tidak terkendali. Untuk mencegah bom atom meledak selama penyimpanan, U (atau Pu) di dalamnya dibagi menjadi dua bagian yang berjauhan dengan massa di bawah kritis. Kemudian, dengan bantuan ledakan biasa, massa-massa ini saling mendekat, massa total zat fisil menjadi lebih besar dari massa kritisnya, dan terjadi reaksi berantai yang eksplosif, disertai dengan pelepasan sejumlah besar energi secara instan dan kehancuran yang besar. . Reaksi eksplosif dimulai karena tersedianya neutron dari fisi spontan atau neutron dari radiasi kosmik. Reaksi berantai terkendali terjadi di reaktor nuklir.

Studi tentang interaksi neutron dengan materi mengarah pada penemuan reaksi nuklir jenis baru. Pada tahun 1939, O. Hahn dan F. Strassmann menyelidiki produk kimia yang dihasilkan dari pemboman inti uranium oleh neutron. Di antara produk reaksi, barium ditemukan, suatu unsur kimia yang massanya jauh lebih kecil daripada massa uranium. Masalahnya dipecahkan oleh fisikawan Jerman L. Meitner dan O. Frisch, yang menunjukkan bahwa ketika neutron diserap oleh uranium, inti atom terbagi menjadi dua bagian:

Di mana k > 1.

Selama fisi inti uranium, neutron termal dengan energi ~0,1 eV melepaskan energi ~200 MeV. Intinya adalah bahwa proses ini disertai dengan munculnya neutron yang mampu menyebabkan fisi inti uranium lainnya - reaksi berantai fisi . Jadi, satu neutron dapat menimbulkan rantai fisi nuklir yang bercabang, dan jumlah inti yang berpartisipasi dalam reaksi fisi akan meningkat secara eksponensial. Prospek untuk menggunakan reaksi berantai fisi telah terbuka dalam dua arah:

· dikelola reaksi nuklir divisi- Penciptaan reaktor nuklir;

· reaksi fisi nuklir yang tak terkendali- pembuatan senjata nuklir.

Pada tahun 1942, yang pertama reaktor nuklir. Di Uni Soviet, reaktor pertama diluncurkan pada tahun 1946. Saat ini, reaktor termal dan energi listrik diproduksi di ratusan reaktor nuklir yang beroperasi di berbagai negara di dunia.

Seperti yang dapat dilihat dari Gambar. 4.2, dengan meningkatnya nilai A energi pengikatan spesifik meningkat hingga A» 50. Perilaku ini dapat dijelaskan dengan kombinasi kekuatan; Energi ikat suatu nukleon individu meningkat jika ia tertarik bukan oleh satu atau dua nukleon, tetapi oleh beberapa nukleon lainnya. Namun pada unsur dengan nilai nomor massa lebih besar A» 50 energi pengikat spesifik secara bertahap menurun seiring dengan peningkatan A. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa gaya tarik menarik nuklir bersifat jangka pendek, dengan radius aksi sesuai urutan ukuran nukleon individu. Di luar radius ini, gaya tolak-menolak elektrostatik mendominasi. Jika dua proton terpisah lebih dari 2,5 × 10 - 15 m, maka gaya tolak-menolak Coulomb yang berlaku di antara keduanya adalah gaya tolak-menolak Coulomb, bukan gaya tarik-menarik nuklir.

Konsekuensi dari perilaku energi ikat spesifik ini bergantung pada A apakah adanya dua proses - fusi dan fisi nuklir . Mari kita perhatikan interaksi elektron dan proton. Ketika atom hidrogen terbentuk, energi sebesar 13,6 eV dilepaskan dan massa atom hidrogen lebih kecil 13,6 eV dari jumlah massanya. elektron bebas dan proton. Demikian pula, massa dua inti ringan melebihi massa setelah penggabungannya pada D M. Jika Anda menghubungkannya, mereka akan bergabung melepaskan energi D MS 2. Proses ini disebut fusi nuklir . Perbedaan massa bisa melebihi 0,5%.

Jika sebuah inti yang berat terpecah menjadi dua inti yang lebih ringan, massanya akan menjadi 0,1% lebih kecil dari massa inti induknya. Inti yang berat cenderung demikian divisi menjadi dua inti yang lebih ringan dengan pelepasan energi. Energi bom atom dan reaktor nuklir mewakili energi , dilepaskan selama fisi nuklir . Energi bom hidrogen adalah energi yang dilepaskan ketika fusi nuklir. Peluruhan alfa dapat dianggap sebagai fisi yang sangat asimetris yang melibatkan inti induk M terpecah menjadi partikel alfa kecil dan inti sisa yang besar. Peluruhan alfa hanya mungkin terjadi jika terjadi reaksi

berat M ternyata lebih besar dari jumlah massa dan partikel alfa. Semua inti dengan Z> 82 (memimpin).Pada Z> Waktu paruh peluruhan alfa 92 (uranium) ternyata jauh lebih lama dibandingkan usia bumi, dan unsur-unsur semacam itu tidak terdapat di alam. Namun, mereka bisa dibuat secara artifisial. Misalnya plutonium ( Z= 94) dapat diperoleh dari uranium dalam reaktor nuklir. Prosedur ini sudah menjadi hal yang umum dan biayanya hanya 15 dolar per 1 g. Sejauh ini, unsur-unsurnya dapat diperoleh hingga Z= 118, namun dengan harga yang jauh lebih tinggi dan, biasanya, dalam jumlah yang dapat diabaikan. Kita dapat berharap bahwa ahli radiokimia akan belajar memperolehnya, meskipun dalam jumlah kecil, elemen baru dengan Z> 118.

Jika inti uranium yang sangat besar dapat dibagi menjadi dua kelompok nukleon, maka kelompok nukleon tersebut akan tersusun ulang menjadi inti dengan ikatan yang lebih kuat. Selama proses restrukturisasi, energi akan dilepaskan. Fisi nuklir spontan diperbolehkan berdasarkan hukum kekekalan energi. Namun, potensi hambatan terhadap reaksi fisi pada inti atom yang terjadi secara alami sangat tinggi sehingga kemungkinan terjadinya fisi spontan jauh lebih kecil dibandingkan kemungkinan peluruhan alfa. Waktu paruh inti 238 U relatif terhadap fisi spontan adalah 8×10 15 tahun. Ini lebih dari satu juta kali usia Bumi. Jika sebuah neutron bertabrakan dengan inti yang berat, ia dapat berpindah ke tempat yang lebih tinggi tingkat energi di dekat bagian atas penghalang potensial elektrostatis, akibatnya kemungkinan fisi akan meningkat. Inti dalam keadaan tereksitasi dapat memiliki momentum sudut yang signifikan dan berbentuk oval. Area di pinggiran nukleus lebih mudah menembus penghalang, karena sebagian sudah berada di belakang penghalang. Pada intinya bentuk oval peran penghalang semakin melemah. Saat ditangkap oleh inti atau neutron lambat menyatakan dengan sangat untuk jangka waktu yang singkat kehidupan dibandingkan dengan perpecahan. Perbedaan massa antara inti uranium dan produk fisi tipikal sedemikian rupa sehingga rata-rata fisi uranium melepaskan energi sebesar 200 MeV. Massa sisa inti uranium adalah 2,2×10 5 MeV. Sekitar 0,1% massa ini diubah menjadi energi, yang setara dengan rasio 200 MeV dengan nilai 2,2 × 10 5 MeV.

Peringkat energi,dirilis berdasarkan divisi,dapat diperoleh dari Rumus Weizsäcker :

Ketika sebuah inti membelah menjadi dua bagian, energi permukaan dan energi Coulomb berubah , dan energi permukaan meningkat, dan energi Coulomb menurun. Fisi dimungkinkan ketika energi dilepaskan selama fisi E > 0.

.

Di Sini A 1 = A/2, Z 1 = Z/2. Dari sini kita memperoleh bahwa fisi menguntungkan secara energetik bila Z 2 /A> 17. Besaran Z 2 /A ditelepon parameter keterbagian . Energi E, dilepaskan selama pembelahan, meningkat seiring bertambahnya Z 2 /A.

Selama proses pembelahan, nukleus berubah bentuk - secara berurutan melewati tahapan berikut (Gbr. 9.4): sebuah bola, ellipsoid, halter, dua pecahan berbentuk buah pir, dua pecahan bola.

Setelah fisi terjadi, dan fragmen-fragmen tersebut ditempatkan satu sama lain pada jarak yang jauh lebih besar daripada jari-jarinya, energi potensial dari fragmen-fragmen tersebut, ditentukan Interaksi Coulomb diantara keduanya dapat dianggap sama dengan nol.

Karena evolusi bentuk nukleus, perubahannya energi potensial ditentukan oleh perubahan jumlah energi permukaan dan energi Coulomb . Diasumsikan bahwa volume inti tetap tidak berubah selama deformasi. Dalam hal ini, energi permukaan meningkat seiring dengan bertambahnya luas permukaan inti. Energi Coulomb berkurang dengan bertambahnya jarak rata-rata antar nukleon. Pada deformasi ellipsoidal kecil, peningkatan energi permukaan terjadi lebih cepat dibandingkan penurunan energi Coulomb.

Di wilayah inti berat, jumlah energi permukaan dan energi Coulomb meningkat seiring dengan meningkatnya deformasi. Pada deformasi ellipsoidal kecil, peningkatan energi permukaan mencegah perubahan lebih lanjut dalam bentuk inti, dan karenanya fisi. Kehadiran penghalang potensial mencegah fisi inti secara spontan. Agar sebuah inti dapat langsung terbelah, ia harus diberi energi yang melebihi tinggi penghalang fisi N.

Ketinggian penghalang N lebih dari sikap kurang Coulomb dan energi permukaan pada inti awal. Rasio ini, pada gilirannya, meningkat seiring dengan meningkatnya parameter keterbagian Z 2 /A. Semakin berat inti, semakin rendah tinggi penghalangnya N, karena parameter fisibilitas meningkat seiring bertambahnya jumlah massa:

Inti yang lebih berat umumnya perlu memberikan lebih sedikit energi untuk menyebabkan fisi. Dari rumus Weizsäcker dapat disimpulkan bahwa ketinggian penghalang fisi hilang pada . Itu. menurut model tetesan, seharusnya tidak ada inti dengan di alam, karena inti tersebut hampir seketika (untuk karakteristiknya waktu nuklir sekitar 10–22 detik) membelah secara spontan. Keberadaan inti atom dengan (" pulau stabilitas ") dijelaskan oleh struktur cangkang inti atom. Fisi inti secara spontan dengan , yang tingginya penghalang N tidak sama dengan nol, dari sudut pandang fisika klasik mustahil. Dari sudut pandang mekanika kuantum, pembelahan seperti itu dimungkinkan sebagai akibat dari fragmen yang melewati penghalang potensial dan disebut fisi spontan . Kemungkinan terjadinya fisi spontan meningkat seiring dengan meningkatnya parameter fisibilitas, yaitu dengan menurunnya ketinggian penghalang fisi.

Fisi paksa inti dengan dapat disebabkan oleh partikel apa pun: foton, neutron, proton, deuteron, partikel α, dll., jika energi yang disumbangkan ke inti cukup untuk mengatasi penghalang fisi.

Massa fragmen yang terbentuk selama fisi oleh neutron termal tidaklah sama. Inti cenderung membelah sedemikian rupa sehingga bagian utama nukleon dari fragmen tersebut membentuk inti magis yang stabil. Pada Gambar. Gambar 9.5 menunjukkan distribusi massa selama pembelahan. Kombinasi nomor massa yang paling mungkin adalah 95 dan 139.

Perbandingan jumlah neutron dengan jumlah proton dalam inti adalah 1,55, sedangkan elemen stabil, memiliki massa yang mendekati massa pecahan fisi, perbandingannya adalah 1,25 - 1,45. Akibatnya, fragmen fisi sangat kelebihan beban dengan neutron dan tidak stabil terhadap peluruhan β - radioaktif.

Sebagai hasil fisi, energi sebesar ~200 MeV dilepaskan. Sekitar 80% berasal dari energi fragmen. Selama satu aksi fisi, lebih dari dua terbentuk neutron fisi dengan energi rata-rata~ 2 MeV.

1 g zat apa pun mengandung . Fisi 1 g uranium disertai dengan pelepasan ~ 9 × 10 10 J. Jumlah ini hampir 3 juta kali lebih besar daripada energi pembakaran 1 g batubara (2,9 × 10 4 J). Tentu saja, 1 g uranium jauh lebih mahal daripada 1 g batu bara, namun biaya 1 J energi yang diperoleh dari pembakaran batu bara 400 kali lebih tinggi dibandingkan dengan bahan bakar uranium. Memproduksi 1 kWh energi memerlukan biaya 1,7 sen di pembangkit listrik tenaga batu bara dan 1,05 sen di pembangkit listrik tenaga nuklir.

Berkat reaksi berantai proses fisi nuklir dapat dilakukan mandiri . Dengan setiap fisi, 2 atau 3 neutron dilepaskan (Gbr. 9.6). Jika salah satu dari neutron ini berhasil menyebabkan fisi inti uranium lainnya, maka prosesnya akan berlangsung secara mandiri.

Kumpulan bahan fisil yang memenuhi persyaratan ini disebut perakitan kritis . Majelis pertama, disebut reaktor nuklir , dibangun pada tahun 1942 di bawah arahan Enrico Fermi di halaman Universitas Chicago. Reaktor nuklir pertama diluncurkan pada tahun 1946 di bawah kepemimpinan I. Kurchatov di Moskow. Pertama pembangkit listrik tenaga nuklir dengan kapasitas 5 MW diluncurkan di Uni Soviet pada tahun 1954 di Obninsk (Gbr. 9.7).

Massa dan Anda juga bisa melakukannya superkritis . Dalam hal ini, neutron yang dihasilkan selama fisi akan menyebabkan beberapa fisi sekunder. Karena neutron bergerak dengan kecepatan lebih dari 10 8 cm/s, sebuah benda superkritis dapat bereaksi sepenuhnya (atau terbang terpisah) dalam waktu kurang dari seperseribu detik. Alat seperti ini disebut bom atom . Muatan nuklir yang terbuat dari plutonium atau uranium dipindahkan ke keadaan superkritis, biasanya melalui ledakan. Massa subkritis dikelilingi oleh bahan peledak kimia. Ketika meledak, massa plutonium atau uranium mengalami kompresi seketika. Karena kepadatan bola meningkat secara signifikan, laju penyerapan neutron ternyata lebih tinggi daripada laju hilangnya neutron akibat pelepasannya ke luar. Ini adalah kondisi superkritis.

Pada Gambar. Gambar 9.8 menunjukkan diagram bom atom Little Boy yang dijatuhkan di Hiroshima. Bahan peledak nuklir dalam bom tersebut terbagi menjadi dua bagian, yang massanya kurang dari massa kritis. Massa kritis yang diperlukan untuk ledakan dibuat dengan menghubungkan kedua bagian “dengan metode senjata” menggunakan bahan peledak konvensional.

Ledakan 1 ton trinitrotoluena (TNT) melepaskan 10 9 kal, atau 4 × 10 9 J. Ledakan bom atom yang menghabiskan 1 kg plutonium melepaskan energi sekitar 8 × 10 13 J.

Atau ini hampir 20.000 kali lipat dibandingkan ledakan 1 ton TNT. Bom semacam ini disebut bom 20 kiloton. Bom modern megaton bahan peledak jutaan kali lebih kuat dibandingkan bahan peledak TNT konvensional.

Produksi plutonium didasarkan pada iradiasi 238 U dengan neutron, yang mengarah pada pembentukan isotop 239 U, yang, sebagai hasil peluruhan beta, berubah menjadi 239 Np, dan kemudian peluruhan beta lainnya menjadi 239 Pu. Ketika neutron berenergi rendah diserap, isotop 235 U dan 239 Pu mengalami fisi. Produk fisi dicirikan oleh ikatan yang lebih kuat (~1 MeV per nukleon), sehingga sekitar 200 MeV energi dilepaskan sebagai hasil fisi.

Setiap gram plutonium atau uranium yang dikonsumsi menghasilkan hampir satu gram produk fisi radioaktif, yang memiliki radioaktivitas sangat besar.

Untuk melihat demo, klik hyperlink yang sesuai: