Die Sp altung eines Kerns ist die Aufsp altung eines schweren Atoms in zwei Fragmente ungefähr gleicher Masse, begleitet von der Freisetzung einer großen Energiemenge.
Mit der Entdeckung der Kernsp altung begann eine neue Ära - das "Atomzeit alter". Das Potenzial seiner möglichen Verwendung und das Verhältnis von Risiko zu Nutzen seiner Verwendung haben nicht nur viele soziologische, politische, wirtschaftliche und wissenschaftliche Errungenschaften hervorgebracht, sondern auch ernsthafte Probleme. Auch aus rein wissenschaftlicher Sicht hat der Prozess der Kernsp altung eine Vielzahl von Rätseln und Komplikationen geschaffen, und eine vollständige theoretische Erklärung davon ist eine Frage der Zukunft.
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Die Bindungsenergien (pro Nukleon) sind für verschiedene Kerne unterschiedlich. Schwerere haben niedrigere Bindungsenergien als diejenigen, die in der Mitte des Periodensystems stehen.
Dies bedeutet, dass schwere Kerne mit einer Ordnungszahl größer als 100 von der Teilung in zwei kleinere Fragmente profitieren und dabei Energie freisetzenin kinetische Energie von Bruchstücken umgewandelt. Diesen Vorgang nennt man Atomkernsp altung.
Laut der Stabilitätskurve, die bei stabilen Nukliden die Abhängigkeit der Protonenzahl von der Neutronenzahl zeigt, bevorzugen schwerere Kerne mehr Neutronen (im Vergleich zur Protonenzahl) als leichtere. Dies deutet darauf hin, dass zusammen mit dem Aufsp altungsprozess einige „Ersatz“-Neutronen emittiert werden. Außerdem nehmen sie auch einen Teil der freigesetzten Energie auf. Die Untersuchung der Kernsp altung des Uranatoms zeigte, dass 3-4 Neutronen freigesetzt werden: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Die Ordnungszahl (und die Atommasse) eines Fragments ist nicht gleich der halben Atommasse des Ausgangsfragments. Der Unterschied zwischen den Massen der durch Sp altung gebildeten Atome beträgt normalerweise etwa 50. Der Grund dafür ist jedoch noch nicht vollständig geklärt.
Die Bindungsenergien von 238U, 145La und 90Br sind 1803, 1198 bzw. 763 MeV. Das bedeutet, dass als Ergebnis dieser Reaktion die Sp altungsenergie des Urankerns freigesetzt wird, gleich 1198 + 763-1803=158 MeV.
Spontansp altung
Spontansp altungsprozesse sind in der Natur bekannt, aber sehr selten. Die durchschnittliche Lebensdauer dieses Prozesses beträgt etwa 1017 Jahre, und beispielsweise beträgt die durchschnittliche Lebensdauer des Alpha-Zerfalls desselben Radionuklids etwa 1011Jahre.
Der Grund dafür ist, dass der Kernel, um ihn in zwei Teile aufzusp alten, musszunächst in eine Ellipsoidform verformt (gedehnt) und dann vor der endgültigen Sp altung in zwei Fragmente in der Mitte einen „Hals“bilden.
Potenzielle Barriere
Im verformten Zustand wirken zwei Kräfte auf den Kern. Einer davon ist die erhöhte Oberflächenenergie (die Oberflächenspannung eines Flüssigkeitstropfens erklärt seine Kugelform) und der andere die Coulomb-Abstoßung zwischen Sp altfragmenten. Zusammen bilden sie eine Potentialbarriere.
Wie beim Alpha-Zerfall müssen die Fragmente diese Barriere durch Quantentunneln überwinden, damit die spontane Sp altung des Uran-Atomkerns stattfinden kann. Die Barriere beträgt etwa 6 MeV, wie im Fall des Alpha-Zerfalls, aber die Wahrscheinlichkeit des Tunnelns eines α-Teilchens ist viel größer als die eines Sp altprodukts eines viel schwereren Atoms.
Zwangsaufteilung
Viel wahrscheinlicher ist die induzierte Sp altung des Urankerns. Dabei wird der Mutterkern mit Neutronen bestrahlt. Wenn der Elternteil es absorbiert, binden sie und setzen Bindungsenergie in Form von Schwingungsenergie frei, die die 6 MeV überschreiten kann, die erforderlich sind, um die Potentialbarriere zu überwinden.
Wo die Energie eines zusätzlichen Neutrons nicht ausreicht, um die Potentialbarriere zu überwinden, muss das einfallende Neutron eine minimale kinetische Energie haben, um die Sp altung eines Atoms herbeiführen zu können. Im Fall von 238U-Bindungsenergie zusätzlichNeutronen fehlen etwa 1 MeV. Das bedeutet, dass die Sp altung des Urankerns nur durch ein Neutron mit einer kinetischen Energie größer als 1 MeV induziert wird. Andererseits hat das Isotop 235U ein ungepaartes Neutron. Wenn der Kern ein zusätzliches absorbiert, bildet er mit ihm ein Paar, und als Ergebnis dieser Paarung erscheint zusätzliche Bindungsenergie. Dies reicht aus, um die Energiemenge freizusetzen, die der Kern benötigt, um die Potentialbarriere zu überwinden, und die Isotopensp altung tritt bei Kollision mit einem beliebigen Neutron auf.
Betazerfall
Trotz der Tatsache, dass die Sp altreaktion drei oder vier Neutronen emittiert, enth alten die Fragmente immer noch mehr Neutronen als ihre stabilen Isobaren. Das bedeutet, dass Sp altfragmente im Allgemeinen gegen Beta-Zerfall instabil sind.
Zum Beispiel, wenn Uransp altung stattfindet 238U, ist die stabile Isobare mit A=145 Neodym 145Nd, was bedeutet, dass das Lanthanfragment 145La zerfällt in drei Stufen, wobei jedes Mal ein Elektron und ein Antineutrino emittiert werden, bis ein stabiles Nuklid entsteht. Die stabile Isobare mit A=90 ist Zirkonium 90Zr, das Sp altfragment Brom 90Br zerfällt also in fünf Stufen der β-Zerfallskette.
Diese β-Zerfallsketten setzen zusätzliche Energie frei, die fast vollständig von Elektronen und Antineutrinos abgeführt wird.
Kernreaktionen: Sp altung von Urankernen
Direkte Abstrahlung eines Neutrons von einem Nuklid mit tooEine große Anzahl von ihnen, um die Stabilität des Kernels zu gewährleisten, ist unwahrscheinlich. Der Punkt hier ist, dass es keine Coulomb-Abstoßung gibt und daher die Oberflächenenergie dazu neigt, das Neutron mit dem Elternteil in Verbindung zu h alten. Dies kommt jedoch manchmal vor. Zum Beispiel produziert das Sp altfragment 90Br im ersten Stadium des Beta-Zerfalls Krypton-90, das in einem angeregten Zustand mit genügend Energie sein kann, um die Oberflächenenergie zu überwinden. In diesem Fall kann die Emission von Neutronen direkt mit der Bildung von Krypton-89 erfolgen. Diese Isobare ist gegenüber β-Zerfall immer noch instabil, bis sie sich in stabiles Yttrium-89 ändert, also zerfällt Krypton-89 in drei Schritten.
Uransp altung: Kettenreaktion
Neutronen, die bei einer Sp altungsreaktion emittiert werden, können von einem anderen Mutterkern absorbiert werden, der dann selbst einer induzierten Sp altung unterliegt. Im Fall von Uran-238 kommen die drei erzeugten Neutronen mit einer Energie von weniger als 1 MeV heraus (die bei der Sp altung des Urankerns freigesetzte Energie - 158 MeV - wird hauptsächlich in die kinetische Energie der Sp altfragmente umgewandelt), so dass sie keine weitere Sp altung dieses Nuklids verursachen können. Bei einer signifikanten Konzentration des seltenen Isotops 235U können diese freien Neutronen jedoch von den Kernen 235U eingefangen werden, was tatsächlich zu einer Sp altung führen kann. da es in diesem Fall keine Energieschwelle gibt, unterhalb derer keine Sp altung induziert wird.
Das ist das Prinzip der Kettenreaktion.
Arten von Kernreaktionen
K sei die Anzahl der Neutronen, die in einer Probe aus sp altbarem Material in Stufe n dieser Kette produziert werden, geteilt durch die Anzahl der Neutronen, die in Stufe n - 1 produziert werden. Diese Zahl hängt davon ab, wie viele Neutronen in Stufe n produziert werden Stufe n - 1, werden vom Kern absorbiert, der einer erzwungenen Sp altung unterliegen kann.
• Wenn k < 1 ist, verpufft die Kettenreaktion einfach und der Prozess stoppt sehr schnell. Genau das passiert in natürlichem Uranerz, in dem die Konzentration von 235U so gering ist, dass die Wahrscheinlichkeit der Absorption eines der Neutronen durch dieses Isotop äußerst vernachlässigbar ist.
• Wenn k > 1, dann wächst die Kettenreaktion, bis das gesamte sp altbare Material verbraucht ist (Atombombe). Dies wird erreicht, indem natürliches Erz angereichert wird, um eine ausreichend hohe Konzentration an Uran-235 zu erh alten. Bei einer kugelförmigen Probe steigt der Wert von k mit zunehmender Neutronenabsorptionswahrscheinlichkeit, die vom Radius der Kugel abhängt. Daher muss die Masse von U eine gewisse kritische Masse überschreiten, damit die Sp altung von Urankernen (eine Kettenreaktion) stattfinden kann.
• Wenn k=1, dann findet eine kontrollierte Reaktion statt. Dies wird in Kernreaktoren verwendet. Der Prozess wird gesteuert, indem Cadmium- oder Borstäbe im Uran verteilt werden, die die meisten Neutronen absorbieren (diese Elemente haben die Fähigkeit, Neutronen einzufangen). Die Sp altung des Urankerns wird automatisch gesteuert, indem die Stäbe so bewegt werden, dass der Wert von k gleich eins bleibt.
