Štepenie jadra je rozdelenie ťažkého atómu na dva fragmenty približne rovnakej hmotnosti, sprevádzané uvoľnením veľkého množstva energie.
Objav jadrového štiepenia začal novú éru – „atómový vek“. Potenciál jeho možného využitia a pomer rizika a prospechu z jeho používania priniesli nielen mnohé sociologické, politické, ekonomické a vedecké úspechy, ale aj vážne problémy. Aj z čisto vedeckého hľadiska proces jadrového štiepenia vytvoril veľké množstvo hádaniek a komplikácií a jeho úplné teoretické vysvetlenie je otázkou budúcnosti.
Zdieľanie je ziskové
Väzbové energie (na nukleón) sa pre rôzne jadrá líšia. Ťažšie majú nižšie väzbové energie ako tie, ktoré sa nachádzajú v strede periodickej tabuľky.
To znamená, že ťažké jadrá s atómovým číslom vyšším ako 100 profitujú z delenia na dva menšie fragmenty, čím sa uvoľňuje energia, ktorápremenený na kinetickú energiu úlomkov. Tento proces sa nazýva štiepenie atómového jadra.
Podľa krivky stability, ktorá ukazuje závislosť počtu protónov od počtu neutrónov pre stabilné nuklidy, ťažšie jadrá preferujú viac neutrónov (v porovnaní s počtom protónov) ako ľahšie. To naznačuje, že spolu s procesom štiepenia budú emitované nejaké "náhradné" neutróny. Okrem toho preberú aj časť uvoľnenej energie. Štúdia jadrového štiepenia atómu uránu ukázala, že sa uvoľňujú 3-4 neutróny: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Atómové číslo (a atómová hmotnosť) fragmentu sa nerovná polovici atómovej hmotnosti rodiča. Rozdiel medzi hmotnosťami atómov vytvorených v dôsledku štiepenia je zvyčajne asi 50. Dôvod však ešte nie je úplne objasnený.
Väzbové energie 238U, 145La a 90Br sú 1803, 1198 a 763 MeV. To znamená, že v dôsledku tejto reakcie sa uvoľní štiepna energia jadra uránu, ktorá sa rovná 1198 + 763-1803=158 MeV.
Spontánne štiepenie
Procesy spontánneho štiepenia sú v prírode známe, ale sú veľmi zriedkavé. Priemerná životnosť tohto procesu je približne 1017 rokov a napríklad priemerná dĺžka rozpadu alfa toho istého rádionuklidu je približne 1011rokov.
Dôvodom je to, že jadro sa musí rozdeliť na dve častinajprv sa deformuje (natiahne) do elipsoidného tvaru a potom pred konečným rozdelením na dva fragmenty vytvorí uprostred „krk“.
Potenciálna bariéra
V deformovanom stave pôsobia na jadro dve sily. Jednou z nich je zvýšená povrchová energia (povrchové napätie kvapky kvapaliny vysvetľuje jej sférický tvar) a druhou je Coulombovo odpudzovanie medzi štiepnymi úlomkami. Spolu vytvárajú potenciálnu bariéru.
Ako v prípade rozpadu alfa, aby došlo k spontánnemu štiepeniu jadra atómu uránu, fragmenty musia prekonať túto bariéru pomocou kvantového tunelovania. Bariéra je asi 6 MeV, ako v prípade rozpadu alfa, ale pravdepodobnosť tunelovania častice α je oveľa väčšia ako u oveľa ťažších produktov štiepenia atómov.
Nútené rozdelenie
Oveľa pravdepodobnejšie je indukované štiepenie jadra uránu. V tomto prípade je materské jadro ožiarené neutrónmi. Ak ho rodič absorbuje, naviažu sa a uvoľnia väzbovú energiu vo forme vibračnej energie, ktorá môže presiahnuť 6 MeV potrebných na prekonanie potenciálnej bariéry.
Ak energia dodatočného neutrónu nestačí na prekonanie potenciálnej bariéry, dopadajúci neutrón musí mať minimálnu kinetickú energiu, aby mohol vyvolať štiepenie atómu. V prípade 238U väzobná energia dodatočnáneutrónov chýba asi 1 MeV. To znamená, že štiepenie jadra uránu je vyvolané iba neutrónom s kinetickou energiou väčšou ako 1 MeV. Na druhej strane, izotop 235U má jeden nepárový neutrón. Keď jadro pohltí ďalšie, vytvorí s ním pár a v dôsledku tohto párovania sa objaví dodatočná väzbová energia. To stačí na uvoľnenie množstva energie potrebnej na to, aby jadro prekonalo potenciálnu bariéru a štiepenie izotopov nastane pri zrážke s akýmkoľvek neutrónom.
Beta Decay
Napriek tomu, že štiepna reakcia emituje tri alebo štyri neutróny, fragmenty stále obsahujú viac neutrónov ako ich stabilné izobary. To znamená, že štiepne fragmenty sú vo všeobecnosti nestabilné voči beta rozpadu.
Keď napríklad dôjde k štiepeniu uránu 238U, stabilná izobara s A=145 je neodým 145Nd, čo znamená, že fragment lantánu 145La sa rozpadá v troch stupňoch, pričom zakaždým emituje elektrón a antineutrino, kým sa nevytvorí stabilný nuklid. Stabilná izobara s A=90 je zirkónium 90Zr, takže štiepiaci fragment bróm 90Br sa rozkladá v piatich štádiách β-rozpadového reťazca.
Tieto β-rozpadové reťazce uvoľňujú dodatočnú energiu, ktorá je takmer celá odnesená elektrónmi a antineutrínami.
Jadrové reakcie: štiepenie jadier uránu
Priame žiarenie neutrónu z nuklidu sveľký počet z nich na zabezpečenie stability jadra je nepravdepodobný. Ide o to, že nedochádza k Coulombovmu odpudzovaniu, takže povrchová energia má tendenciu udržiavať neutrón vo väzbe s rodičom. To sa však niekedy stáva. Napríklad štiepny fragment 90Br v prvom štádiu beta rozpadu produkuje kryptón-90, ktorý môže byť v excitovanom stave s dostatočnou energiou na prekonanie povrchovej energie. V tomto prípade môže k emisii neutrónov dôjsť priamo pri tvorbe kryptónu-89. Táto izobara je stále nestabilná voči β rozpadu, kým sa nezmení na stabilné ytrium-89, takže kryptón-89 sa rozpadá v troch krokoch.
Štepenie uránu: reťazová reakcia
Neutróny emitované pri štiepnej reakcii môžu byť absorbované iným materským jadrom, ktoré potom samo podlieha indukovanému štiepeniu. V prípade uránu-238 vychádzajú tri vyrobené neutróny s energiou menšou ako 1 MeV (energia uvoľnená pri štiepení jadra uránu - 158 MeV - sa premieňa hlavne na kinetickú energiu štiepnych fragmentov), takže nemôžu spôsobiť ďalšie štiepenie tohto nuklidu. Avšak pri značnej koncentrácii vzácneho izotopu 235U môžu byť tieto voľné neutróny zachytené jadrami 235U, čo môže skutočne spôsobiť štiepenie, keďže v tomto prípade neexistuje energetická hranica, pod ktorou sa štiepenie neindukuje.
Toto je princíp reťazovej reakcie.
Typy jadrových reakcií
Nech k je počet neutrónov produkovaných vo vzorke štiepneho materiálu v štádiu n tohto reťazca vydelený počtom neutrónov produkovaných v štádiu n – 1. Toto číslo bude závisieť od toho, koľko neutrónov sa vyprodukuje v štádium n - 1, sú absorbované jadrom, ktoré môže podstúpiť nútené štiepenie.
• Ak je k < 1, reťazová reakcia jednoducho vypadne a proces sa veľmi rýchlo zastaví. Presne to sa deje v prírodnej uránovej rude, v ktorej je koncentrácia 235U taká nízka, že pravdepodobnosť absorpcie jedného z neutrónov týmto izotopom je extrémne zanedbateľná.
• Ak k > 1, reťazová reakcia bude rásť, kým sa nepoužije všetok štiepny materiál (atómová bomba). To sa dosiahne obohatením prírodnej rudy, aby sa získala dostatočne vysoká koncentrácia uránu-235. Pre guľovú vzorku sa hodnota k zvyšuje so zvyšovaním pravdepodobnosti absorpcie neutrónov, ktorá závisí od polomeru gule. Preto hmotnosť U musí prekročiť určitú kritickú hmotnosť, aby došlo k štiepeniu jadier uránu (reťazová reakcia).
• Ak k=1, potom prebieha riadená reakcia. Používa sa v jadrových reaktoroch. Proces je riadený distribúciou kadmiových alebo bórových tyčiniek medzi urán, ktoré absorbujú väčšinu neutrónov (tieto prvky majú schopnosť zachytávať neutróny). Štiepenie jadra uránu je automaticky riadené pohybom tyčí tak, aby hodnota k zostala rovná jednej.
