Fisi nuklir
Penemuan isotop unsur stabil, penyempurnaan pengukuran muatan elementer adalah pencapaian pertama fisika pascaperang (1917-1918). Pada tahun 1919, penemuan sensasional baru dibuat - fisi artifisial dari nukleus. Penemuan ini dibuat oleh Rutherford di Cambridge di Laboratorium Cavendish, yang dipimpinnya pada tahun yang sama, 1919.
Rutherford mempelajari tumbukan partikel-a dengan atom ringan. Tabrakan partikel-a dengan inti atom semacam itu seharusnya mempercepatnya. Jadi, ketika partikel-a menabrak inti hidrogen, ia meningkatkan kecepatannya 1,6 kali lipat, dan inti mengambil 64% energinya dari partikel-a. Inti yang dipercepat seperti itu mudah dideteksi oleh kilau yang terjadi ketika mereka mengenai layar seng sulfida. Mereka memang diamati oleh Marsden pada tahun 1914.
Rutherford melanjutkan eksperimen Marsden, tetapi, seperti yang dia catat sendiri, eksperimen ini "dilakukan dengan interval yang sangat tidak teratur, karena pekerjaan sehari-hari dan pekerjaan yang berkaitan dengan perang diizinkan ..." "Eksperimen bahkan dihentikan sama sekali untuk waktu yang lama." Hanya setelah perang berakhir eksperimen dilakukan secara teratur, dan hasilnya diterbitkan pada tahun 1919 dalam empat artikel dengan judul umum "Tabrakan partikel-a dengan atom ringan".
Alat yang digunakan Rutherford untuk mempelajari tumbukan tersebut adalah sebuah bilik kuningan dengan panjang 18 cm, tinggi 6 cm, dan lebar 2 cm, sumber partikel-a adalah piringan logam yang dilapisi zat aktif. Disk ditempatkan di dalam ruangan dan dapat diatur pada jarak yang berbeda dari layar seng sulfida, di mana kilau diamati menggunakan mikroskop.
Ruangan tersebut dapat diisi dengan berbagai gas (lihat Gambar 78).
Beras. 78. Spektograf massa Dempeter
Ketika oksigen kering atau karbon dioksida dimasukkan, jumlah sintilasi berkurang karena penyerapan partikel-a oleh lapisan gas. “Namun, efek yang tidak terduga,” tulis Rutherford di artikel keempat, “ditemukan ketika udara kering dimasukkan ke dalam peralatan. Alih-alih menurun, jumlah kilau meningkat, dan untuk penyerapan yang sesuai dengan sekitar 19 cm udara, jumlahnya kira-kira 2 kali lebih besar daripada yang diamati dalam ruang hampa. Dari pengalaman ini jelas bahwa partikel-a, ketika melewati udara, menimbulkan kilau yang sesuai dengan jalur panjang, yang kecerahannya bagi mata kira-kira sama dengan kecerahan kilau-H. Karena efek ini tidak diamati pada oksigen dan karbon dioksida, kemungkinan besar dapat diperdebatkan bahwa efek ini berasal dari nitrogen.
Ruangan itu diisi dengan nitrogen yang bersih dan benar-benar kering. "Dalam nitrogen murni, jumlah kilau yang berhubungan dengan jarak jauh lebih besar daripada di udara." Jadi, "sintilasi jarak jauh yang diamati di udara harus dikaitkan dengan nitrogen."
Akan tetapi, perlu ditunjukkan bahwa partikel-a jarak jauh yang menyebabkan kilau "adalah hasil tumbukan partikel-a dengan atom nitrogen".
Skema pemasangan pertama Millikan
Melalui berbagai percobaan, Rutherford menunjukkan bahwa memang demikian dan bahwa sebagai hasil dari tumbukan tersebut diperoleh partikel dengan jarak maksimum 28 cm, sama dengan jarak atom H. “Dari hasil yang diperoleh sejauh ini,” tulis Rutherford, “sulit untuk menghindari kesimpulan bahwa atom jarak jauh yang timbul dari tumbukan partikel-a dengan nitrogen bukanlah atom nitrogen, tetapi, kemungkinan besar, atom hidrogen atau atom dengan massa 2 Jika demikian, maka kita harus menyimpulkan bahwa atom nitrogen terurai karena gaya yang sangat besar yang berkembang dalam tumbukan dengan partikel a cepat, dan bahwa atom hidrogen yang dibebaskan merupakan bagian penyusun atom.
Dengan demikian, fenomena pemisahan inti nitrogen selama tumbukan partikel-a cepat ditemukan, dan untuk pertama kalinya gagasan diungkapkan bahwa inti hidrogen merupakan bagian integral dari inti atom. Selanjutnya, Rutherford mengusulkan istilah "proton" untuk komponen inti ini. Rutherford mengakhiri artikelnya dengan kata-kata: "Hasilnya umumnya menunjukkan bahwa jika partikel-a atau partikel serupa yang bergerak cepat dengan energi yang jauh lebih tinggi dapat digunakan untuk eksperimen, maka penghancuran struktur nuklir dari banyak atom ringan dapat dideteksi."
Pada tanggal 3 Juni 1920, Rutherford memberikan Kuliah Bakerian berjudul "Struktur Nuklir Atom". Melaporkan dalam kuliah ini tentang hasil penelitiannya tentang tumbukan partikel-a dengan inti atom dan tentang pemisahan inti nitrogen, Rutherford, membahas sifat produk fisi, membuat asumsi tentang kemungkinan keberadaan inti dengan massa 3 dan 2 dan inti dengan massa inti hidrogen, tetapi dengan muatan nol. Pada saat yang sama, ia berangkat dari hipotesis, yang pertama kali diungkapkan oleh Maria Sklodowska-Curie, bahwa elektron adalah bagian dari inti atom.
Rutherford menulis bahwa “tampaknya sangat masuk akal baginya bahwa satu elektron dapat mengikat dua inti-H dan bahkan mungkin satu inti-H. Jika asumsi pertama benar, maka itu menunjukkan kemungkinan adanya atom dengan massa sekitar 2 dan dengan satu muatan. Zat semacam itu harus dianggap sebagai isotop hidrogen. Asumsi kedua mencakup gagasan tentang kemungkinan adanya atom dengan massa 1 dan muatan nuklir sama dengan nol. Formasi seperti itu tampaknya sangat mungkin... Atom seperti itu akan memiliki sifat yang sangat fantastis. Bidang luarnya secara praktis harus sama dengan nol, dengan pengecualian daerah yang sangat dekat dengan nukleus; akibatnya, ia harus memiliki kemampuan untuk melewati materi dengan bebas. Keberadaan atom semacam itu mungkin akan sulit dideteksi dengan spektroskop dan tidak dapat disimpan dalam bejana tertutup. Di sisi lain, seharusnya dengan mudah memasuki struktur atom dan bergabung dengan nukleusnya, atau dipercepat oleh medan intens yang terakhir, sehingga menimbulkan atom H bermuatan atau elektron, atau keduanya.
Beginilah hipotesis tentang keberadaan neutron dan isotop hidrogen yang berat diajukan. Hal itu diungkapkan berdasarkan hipotesis yang dikemukakan oleh M. Sklodowska-Curie bahwa inti atom terdiri dari inti hidrogen (proton) dan elektron.
Gagasan ini segera menjelaskan karakteristik bilangan inti A dan Z.
Namun, karakteristik inti seperti nomor massa A dan muatan Z ternyata tidak cukup. Kembali pada tahun 1924, sebelum penemuan spin, W. Pauli menyarankan bahwa nukleus memiliki momen magnetik yang memengaruhi gerakan elektron orbital dan dengan demikian menciptakan struktur garis spektral yang sangat halus. Penjelasan tentang struktur halus spektrum dengan adanya momen magnetik inti yang diinduksi spin menyebabkan pembelahan inti menjadi dua jenis. Inti tipe genap dengan putaran bilangan bulat mematuhi statistik Bose, inti tipe ganjil dengan putaran setengah bilangan bulat mematuhi statistik Fermi-Dirac. Oleh karena itu, menurut teori proton-elektron, inti yang terdiri dari elektron dan proton berjumlah genap harus mematuhi statistik Bose, dari bilangan ganjil - statistik Fermi-Dirac.
Pada tahun 1930, ternyata inti nitrogen mematuhi statistik Bose, meskipun menurut teori proton-elektron struktur inti terdiri dari 21 partikel (14 proton, 7 elektron). Fakta ini dikenal dalam sains sebagai bencana nitrogen.
Pada tahun yang sama, ketika malapetaka nitrogen ditemukan, hasil eksperimen L. Meitner dan Ortman diterbitkan, membenarkan hasil eksperimen Ellis dan Wooster pada tahun 1927. Eksperimen ini menunjukkan bahwa energi total (3-sinar, diukur dengan mikrokalorimeter berdinding tebal, kurang dari perbedaan antara energi inti awal dan terbatas, yaitu, bagian dari energi yang dipancarkan oleh inti selama peluruhan p menghilang, mengakibatkan kontradiksi mencolok dengan hukum kekekalan energi.
Solusi untuk masalah bencana nitrogen dan teka-teki p-spektra diberikan atas dasar gagasan keberadaan partikel netral di alam - berat, disebut neutron, dan ringan - disebut neutrino, yaitu , neutron kecil, atas saran Fermi.
Dari Petualangan Tuan Tompkins penulis Gamov GeorgyBAB 12 Di Dalam Nukleus Kuliah berikutnya yang dihadiri Mr. Tompkins adalah tentang bagian dalam nukleus sebagai pusat di mana elektron atom berputar. - Semakin banyak mempelajari struktur materi, kami akan mencoba
Dari buku [kuliah untuk anak sekolah] pengarang Ivanov Igor PierovichDunia menakjubkan di dalam inti atom
Dari buku Buku Fakta Terbaru. Volume 3 [Fisika, kimia dan teknologi. Sejarah dan arkeologi. Aneka ragam] pengarang Kondrashov Anatoly PavlovichDunia menakjubkan di dalam inti atom
Dari buku Neutrino - partikel hantu atom penulis Asimov Isaac Dari buku History of Physics Course pengarang Stepanovich Kudryavtsev Pavel Dari buku Perjalanan Antarplanet [Penerbangan ke ruang dunia dan mencapai benda langit] pengarang Perelman Yakov IsidorovichStruktur inti Meskipun pertanyaan tentang radiasi partikel? tampaknya akhirnya diklarifikasi, karena hukum kekekalan muatan listrik terpenuhi, fisikawan melanjutkan penelitian mereka. Itu tetap menjadi misteri bagi mereka bagaimana inti bermuatan positif dapat memancarkan
Dari buku History of the Atomic Bomb penulis Mania HubertTolakan di dalam inti Pada tahun 1932 menjadi jelas bahwa inti hanya terdiri dari proton dan neutron. Teori-teori sebelumnya, yang mengklaim bahwa terdapat elektron di dalam nukleus, ditinggalkan. Meskipun ini menyelesaikan banyak masalah sekaligus, muncul pertanyaan yang sebelumnya tidak ada, hingga saat ini
Dari buku Bahaya Komet Asteroid: Kemarin, Hari Ini, Besok pengarang Shustov Boris MikhailovichDaya tarik di dalam inti Jika, ketika mempertimbangkan inti atom, interaksi gravitasi diabaikan dan hanya interaksi elektromagnetik yang diperhitungkan, sulit untuk menjelaskan keberadaan inti. Partikel penyusunnya tidak dapat bergabung karena gaya kolosal
Dari buku Marie Curie. Radioaktivitas dan unsur-unsurnya [Matter's best keep secret] pengarang Paez Adela MunozPenemuan inti atom Mari kita perhatikan lebih detail salah satu penemuan mendasar Rutherford - penemuan inti atom dan model atom planet. Kita telah melihat bahwa asimilasi atom ke sistem planet dilakukan pada awal abad ke-20. Tapi model ini sulit
Dari buku penulisModel proton-neutron dari nukleus Pada tanggal 28 Mei 1932, fisikawan Soviet D. D. Ivanenko menerbitkan sebuah catatan di Nature di mana ia menyarankan bahwa neutron, bersama dengan proton, adalah elemen struktural dari nukleus. Dia menunjukkan bahwa hipotesis semacam itu memecahkan masalah bencana nitrogen. DI DALAM
Dari buku penulisDi dalam inti Perjalanan penumpang inti Jules Verne yang belum pernah terjadi sebelumnya ini tidak akan sedamai dan seaman yang dijelaskan dalam novel. Namun, jangan mengira bahwa bahaya mengancam mereka selama perjalanan dari Bumi ke Bulan. Sama sekali tidak! Jika mereka berhasil bertahan hidup saat ini,
Dari buku penulisUntuk Bab VIII 6. Tekanan di dalam bola meriam Untuk pembaca yang ingin memverifikasi perhitungan yang disebutkan di halaman 65, kami sajikan di sini perhitungan sederhana Untuk perhitungan, kita harus menggunakan hanya dua rumus untuk gerak dipercepat, yaitu: akhir
Dari buku penulis Dari buku penulis4.2. Karakteristik fisik, struktur nukleus Dalam dekade terakhir, pengetahuan kita tentang komet dan proses yang terjadi di dalamnya telah berkembang secara signifikan. Peningkatan minat yang tajam pada komet difasilitasi oleh persiapan dan penyelenggaraan ruang internasional
Dari buku penulisRutherford dan Penemuan Inti Atom Apa yang terjadi pada seseorang yang merupakan pemain rugby yang baik di masa mudanya, dan kemudian sebelum orang lain menebak bahwa atom dapat membusuk? Ernest Rutherford menyelesaikan "pengasingan" Amerikanya pada Januari 1907, beberapa saat setelah kematiannya.
Henri Becquerel
Pada suatu waktu, para ilmuwan percaya bahwa atom adalah partikel terkecil. Tetapi seratus tahun yang lalu, mereka menemukan bahwa atom pun dapat dipecah menjadi partikel yang jauh lebih kecil. Inilah yang memungkinkan terciptanya bom atom. Pada tahun 1896 seorang ilmuwan Perancis Henri Becquerel(1852-1908) secara tidak sengaja menemukan bahwa beberapa atom bersifat "radioaktif", yaitu memancarkan sinar.
Tahun berikutnya, seorang ilmuwan Inggris J.J. Thomson(1856-1940) memperhatikan bahwa sinar listrik bercahaya sebenarnya adalah partikel bermuatan listrik, yang ukurannya berkali-kali lebih kecil dari atom. Terbukti bahwa partikel ini - elektron - ditemukan dalam atom.
Ernest Rutherford
Beberapa saat kemudian, seorang ilmuwan Inggris Ernest Rutherford(1871-1937) menemukan bahwa radioaktivitas tidak lebih dari pemecahan atom untuk membentuk atom lain. Saat membusuk, atom-atom ini juga memancarkan aliran partikel, yang disebutnya partikel alfa dan beta. Pada tahun 1911, Rutherford mengirim partikel alfa ke kertas emas.
Sebagian besar dari mereka langsung melewatinya. tapi mundur sedikit. Dia menyadari bahwa atom bukanlah materi padat, seperti yang diperkirakan sebelumnya, tetapi sebagian besar adalah ruang kosong, dan oleh karena itu partikel biasanya melewati kertas timah. Tetapi mereka memiliki bagian pusat bermuatan positif yang kecil dan padat - inti, dan pada merekalah beberapa partikel yang memantul kembali mengenai. Pada tahun 1912, seorang ilmuwan Denmark mulai bekerja dengan Rutherford Niels Bohr(1885-1962). saran Bohr. bahwa setiap jenis atom memiliki jumlah elektron yang berbeda, yang berputar pada jarak yang berbeda di sekitar inti, seperti planet di orbit matahari. Hari ini kita tahu bahwa elektron lebih seperti awan energi yang kabur daripada planet, tetapi gagasan Bohr pada dasarnya benar.
Pemisahan atom Pada tahun 1919, Rutherford pertama kali berhasil memisahkan atom. Dia membombardir gas nitrogen dengan partikel alfa, dan akibatnya, inti hidrogen terpisah dari inti nitrogen. Kemudian Rutherford sampai pada kesimpulan bahwa semua inti atom dibangun dari inti hidrogen, yang disebutnya proton. Pada tahun 1932 seorang Inggris James Chadwick(1891-1974) menemukan partikel lain di dalam nukleus - neutron. Neutron tidak memiliki muatan listrik, tidak seperti lari, yang memiliki muatan positif yang menyeimbangkan muatan negatif elektron.
ilmuwan Italia Enrico Fermi(1901-1954) berangkat untuk mencari tahu apa yang akan terjadi jika fluks neutron diarahkan ke atom terbesar yang diketahui, atom uranium. Dia percaya bahwa neutron akan bergabung dengan uranium untuk membentuk atom yang lebih besar.
Faktanya, seperti yang ditunjukkan oleh fisikawan Austria Lisa Meitner(1878-1968), atom uranium terbelah dua, membentuk atom yang lebih kecil seperti barium. Ini juga mengakibatkan pelepasan neutron tambahan. Jika kemudian neutron ini, pada gilirannya, membelah atom uranium lainnya, maka "reaksi berantai" tabrakan dan pemisahan dapat dimulai. Para ilmuwan menyadari bahwa ketika inti atom terbelah dalam reaksi berantai seperti itu, sejumlah besar energi dilepaskan.
Energi ini cukup untuk membuat bom yang sangat kuat. Memanfaatkan ide ini, sekelompok ilmuwan yang dipimpin oleh Robert Oppenheimer dari Amerika (1904-1967) menciptakan bom atom pertama. Pada Agustus 1945, selama Perang Dunia II (1939-1945), bom uranium Amerika dijatuhkan di kota Hiroshima dan Nagasaki di Jepang. Ini menyebabkan konsekuensi yang mengerikan dan menghancurkan.
Pilih isotop yang sesuai. Beberapa unsur atau isotop mengalami peluruhan radioaktif, dan isotop yang berbeda mungkin berperilaku berbeda. Isotop uranium yang paling umum memiliki berat atom 238 dan terdiri dari 92 proton dan 146 neutron, tetapi nukleusnya biasanya menyerap neutron tanpa membelah menjadi nuklei unsur yang lebih ringan. Isotop uranium, yang intinya mengandung tiga neutron lebih sedikit, 235 U, fisi jauh lebih mudah daripada 238 U, dan disebut isotop fisil.
- Fisi uranium melepaskan tiga neutron yang bertabrakan dengan atom uranium lainnya, menghasilkan reaksi berantai.
- Beberapa isotop membelah dengan sangat mudah dan cepat sehingga tidak mungkin mempertahankan reaksi nuklir yang konstan. Fenomena ini disebut pembusukan spontan, atau spontan. Misalnya, isotop plutonium 240 Pu mengalami peluruhan seperti itu, berbeda dengan 239 Pu dengan laju fisi yang lebih rendah.
Agar reaksi berlanjut setelah peluruhan atom pertama, isotop yang cukup harus dikumpulkan. Untuk melakukan ini, diperlukan isotop fisil dalam jumlah minimum tertentu yang akan mendukung reaksi. Kuantitas ini disebut massa kritis. Bahan awal yang cukup diperlukan untuk mencapai massa kritis dan meningkatkan kemungkinan peluruhan.
Tembak satu inti atom dari isotop di inti lain dari isotop yang sama. Karena partikel subatomik bebas sangat jarang, seringkali perlu dipisahkan dari atom yang mengandung partikel ini. Salah satu cara untuk melakukannya adalah dengan menembakkan satu atom isotop ke atom lain yang sejenis.
- Metode ini digunakan untuk membuat bom atom 235 U yang dijatuhkan di Hiroshima. Senjata mirip meriam dengan inti uranium menembakkan 235 atom U ke target dari 235 atom U yang sama. Atom-atom tersebut terbang cukup cepat sehingga neutron yang dilepaskan darinya menembus inti atom 235 U lainnya dan membelahnya. Fisi, pada gilirannya, melepaskan neutron, yang membelah 235 atom U berikutnya.
Menembak inti isotop fisil dengan partikel subatomik. Satu partikel subatomik dapat mengenai atom 235 U dan membaginya menjadi dua atom terpisah dari unsur lain, menghasilkan tiga neutron. Partikel subatom dapat diperoleh dari sumber yang dikendalikan (seperti senjata neutron) atau dibuat dari tabrakan nuklir. Tiga jenis partikel subatom yang umum digunakan.
- Proton. Partikel subatomik ini memiliki massa dan muatan listrik positif. Jumlah proton dalam sebuah atom menentukan dari unsur mana atom itu berasal.
- Neutron. Massa partikel subatom ini sama dengan massa proton, tetapi netral (tidak bermuatan listrik).
- Partikel alfa. Partikel-partikel ini adalah inti atom helium yang bebas elektron. Mereka terdiri dari dua proton dan dua neutron.
Pemisahan inti atom dari berbagai unsur saat ini digunakan cukup luas. Semua pembangkit listrik tenaga nuklir bekerja berdasarkan reaksi fisi, prinsip pengoperasian semua senjata nuklir didasarkan pada reaksi ini. Dalam kasus reaksi terkontrol atau berantai, atom, yang telah dibagi menjadi beberapa bagian, tidak dapat lagi terhubung kembali dan kembali ke keadaan semula. Namun, dengan menggunakan prinsip dan hukum mekanika kuantum, para ilmuwan berhasil membagi atom menjadi dua bagian dan menghubungkannya kembali tanpa melanggar keutuhan atom itu sendiri.
Ilmuwan dari Universitas Bonn menggunakan prinsip ketidakpastian kuantum, yang memungkinkan objek ada di beberapa keadaan sekaligus. Dalam percobaan, dengan bantuan beberapa trik fisik, para ilmuwan membuat satu atom ada di dua tempat sekaligus, yang jaraknya sedikit lebih dari seperseratus milimeter, yang pada skala atom hanyalah jarak yang sangat jauh.
Efek kuantum seperti itu hanya dapat terwujud pada suhu yang sangat rendah. Atom cesium didinginkan oleh sinar laser hingga suhu sepersepuluh dari sepersejuta derajat di atas nol mutlak. Atom yang didinginkan kemudian ditahan dalam perangkap optik seberkas cahaya dari laser lain.
Diketahui bahwa inti atom dapat berputar ke salah satu dari dua arah, tergantung pada arah rotasi, sinar laser mendorong inti ke kanan atau ke kiri. "Tetapi sebuah atom, dalam keadaan kuantum tertentu, dapat memiliki" kepribadian ganda ", setengahnya berputar ke satu arah, yang lain ke arah yang berlawanan. Tetapi, pada saat yang sama, atom masih merupakan objek utuh, ” kata fisikawan Andreas Steffen. Dengan demikian, inti atom, yang bagian-bagiannya berputar berlawanan arah, dapat dipecah menjadi dua bagian oleh sinar laser, dan bagian-bagian atom ini dapat dipisahkan dengan jarak yang cukup jauh, yang berhasil disadari oleh para ilmuwan selama percobaan mereka.
Ilmuwan mengklaim bahwa dengan menggunakan metode serupa, dimungkinkan untuk membuat apa yang disebut "jembatan kuantum", yang merupakan konduktor informasi kuantum. Sebuah atom suatu zat dibagi menjadi dua bagian, yang dibelah ke samping sampai bersentuhan dengan atom yang berdekatan. Semacam landasan jalan terbentuk, bentang yang menghubungkan dua pilar jembatan, yang melaluinya informasi dapat ditransmisikan. Ini dimungkinkan karena fakta bahwa atom yang terbagi dengan cara ini terus menjadi satu kesatuan pada tingkat kuantum karena fakta bahwa bagian-bagian atom terjerat pada tingkat kuantum.
Ilmuwan di University of Bonn akan menggunakan teknologi ini untuk memodelkan dan menciptakan sistem kuantum yang kompleks. "Atom seperti roda gigi yang diminyaki dengan baik bagi kami," kata Dr Andrea Alberti, pemimpin tim. "Dengan menggunakan banyak roda gigi ini, Anda dapat membuat kalkulator kuantum dengan karakteristik yang jauh melebihi komputer tercanggih. Anda hanya perlu dapat memposisikan dan menyambungkan roda gigi ini dengan benar."
Fisi nuklir adalah pemisahan atom berat menjadi dua fragmen dengan massa yang kira-kira sama, disertai dengan pelepasan energi dalam jumlah besar.
Penemuan fisi nuklir memulai era baru - "zaman atom". Potensi kemungkinan penggunaannya dan rasio risiko terhadap manfaat dari penggunaannya tidak hanya menghasilkan banyak pencapaian sosiologis, politik, ekonomi dan ilmiah, tetapi juga masalah serius. Bahkan dari sudut pandang ilmiah murni, proses fisi nuklir telah menciptakan banyak teka-teki dan komplikasi, dan penjelasan teoretisnya yang lengkap adalah masalah masa depan.
Berbagi itu menguntungkan
Energi ikat (per nukleon) berbeda untuk inti yang berbeda. Yang lebih berat memiliki energi ikat yang lebih rendah daripada yang terletak di tengah tabel periodik.
Ini berarti bahwa untuk inti berat dengan nomor atom lebih besar dari 100, menguntungkan untuk membelah menjadi dua fragmen yang lebih kecil, sehingga melepaskan energi, yang diubah menjadi energi kinetik fragmen. Proses ini disebut pemisahan
Menurut kurva stabilitas, yang menunjukkan ketergantungan jumlah proton pada jumlah neutron untuk nuklida stabil, inti yang lebih berat lebih menyukai lebih banyak neutron (dibandingkan dengan jumlah proton) daripada yang lebih ringan. Ini menunjukkan bahwa seiring dengan proses pemisahan, beberapa neutron "cadangan" akan dipancarkan. Selain itu, mereka juga akan mengambil sebagian dari energi yang dilepaskan. Studi fisi nuklir atom uranium menunjukkan bahwa 3-4 neutron dilepaskan: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.
Nomor atom (dan massa atom) fragmen tidak sama dengan setengah massa atom induknya. Perbedaan antara massa atom yang terbentuk akibat pemisahan biasanya sekitar 50. Benar, alasannya belum sepenuhnya jelas.
Energi ikat 238 U, 145 La, dan 90 Br masing-masing adalah 1803, 1198, dan 763 MeV. Artinya sebagai hasil dari reaksi ini, energi fisi inti uranium dilepaskan, sama dengan 1198 + 763-1803 = 158 MeV.
Pembagian spontan
Proses pemisahan spontan diketahui di alam, tetapi sangat jarang. Umur rata-rata dari proses ini adalah sekitar 10 17 tahun, dan, misalnya, rata-rata umur peluruhan alfa dari radionuklida yang sama adalah sekitar 10 11 tahun.
Alasannya adalah untuk membelah menjadi dua bagian, nukleus harus terlebih dahulu dideformasi (diregangkan) menjadi bentuk ellipsoidal, dan kemudian, sebelum akhirnya membelah menjadi dua fragmen, membentuk "leher" di tengahnya.
Potensi Hambatan
Dalam keadaan cacat, dua gaya bekerja pada inti. Salah satunya adalah peningkatan energi permukaan (tegangan permukaan tetesan cairan menjelaskan bentuknya yang bulat), dan yang lainnya adalah tolakan Coulomb antara fragmen fisi. Bersama-sama mereka menghasilkan penghalang potensial.
Seperti dalam kasus peluruhan alfa, agar terjadi fisi spontan inti atom uranium, fragmen harus mengatasi penghalang ini menggunakan penerowongan kuantum. Penghalangnya sekitar 6 MeV, seperti dalam kasus peluruhan alfa, tetapi kemungkinan penerowongan partikel alfa jauh lebih besar daripada produk fisi atom yang jauh lebih berat.
pemisahan paksa
Jauh lebih mungkin adalah fisi yang diinduksi dari inti uranium. Dalam hal ini, inti induk diiradiasi dengan neutron. Jika induk menyerapnya, mereka mengikat, melepaskan energi ikat dalam bentuk energi vibrasi yang dapat melebihi 6 MeV yang dibutuhkan untuk mengatasi penghalang potensial.
Di mana energi neutron tambahan tidak cukup untuk mengatasi penghalang potensial, neutron yang datang harus memiliki energi kinetik minimum agar dapat menginduksi pemisahan atom. Dalam kasus 238 U, energi ikat neutron tambahan adalah sekitar 1 MeV pendek. Ini berarti bahwa fisi inti uranium hanya diinduksi oleh neutron dengan energi kinetik lebih besar dari 1 MeV. Di sisi lain, isotop 235 U memiliki satu neutron tidak berpasangan. Ketika nukleus menyerap satu tambahan, ia membentuk pasangan dengannya, dan sebagai hasil dari pasangan ini, energi ikat tambahan muncul. Ini cukup untuk melepaskan jumlah energi yang diperlukan nukleus untuk mengatasi penghalang potensial dan fisi isotop terjadi saat bertabrakan dengan neutron apa pun.
peluruhan beta
Meskipun reaksi fisi memancarkan tiga atau empat neutron, fragmen masih mengandung lebih banyak neutron daripada isobar stabilnya. Ini berarti bahwa fragmen pembelahan umumnya tidak stabil terhadap peluruhan beta.
Misalnya, ketika uranium 238 U difisi, isobar stabil dengan A = 145 adalah neodymium 145 Nd, yang berarti fragmen lantanum 145 La meluruh dalam tiga langkah, setiap kali memancarkan elektron dan antineutrino, hingga terbentuk nuklida stabil. . Isobar stabil dengan A = 90 adalah zirkonium 90 Zr; oleh karena itu, fragmen pemisahan brom 90 Br terdekomposisi dalam lima tahap rantai peluruhan β.
Rantai peluruhan β ini melepaskan energi tambahan, yang hampir semuanya terbawa oleh elektron dan antineutrino.
Reaksi nuklir: fisi inti uranium
Emisi langsung neutron dari nuklida dengan terlalu banyak untuk memastikan stabilitas inti tidak mungkin terjadi. Intinya di sini adalah bahwa tidak ada tolakan Coulomb, sehingga energi permukaan cenderung menjaga neutron tetap terikat dengan induknya. Namun, ini terkadang terjadi. Misalnya, fragmen fisi 90 Br pada tahap peluruhan beta pertama menghasilkan kripton-90, yang dapat berada dalam keadaan tereksitasi dengan energi yang cukup untuk mengatasi energi permukaan. Dalam hal ini, emisi neutron dapat terjadi secara langsung dengan terbentuknya kripton-89. masih tidak stabil sehubungan dengan peluruhan β hingga diubah menjadi yttrium-89 yang stabil, sehingga kripton-89 meluruh dalam tiga langkah.
Fisi inti uranium: reaksi berantai
Neutron yang dipancarkan dalam reaksi fisi dapat diserap oleh nukleus induk lain, yang kemudian mengalami fisi terinduksi. Dalam kasus uranium-238, tiga neutron yang dihasilkan keluar dengan energi kurang dari 1 MeV (energi yang dilepaskan selama fisi inti uranium - 158 MeV - terutama diubah menjadi energi kinetik fragmen fisi), sehingga mereka tidak dapat menyebabkan fisi lebih lanjut dari nuklida ini. Namun demikian, pada konsentrasi yang signifikan dari isotop 235 U yang langka, neutron bebas ini dapat ditangkap oleh inti 235 U, yang memang dapat menyebabkan fisi, karena dalam kasus ini tidak ada ambang energi di bawahnya yang tidak dapat diinduksi fisi.
Ini adalah prinsip reaksi berantai.
Jenis reaksi nuklir
Misalkan k adalah jumlah neutron yang diproduksi dalam sampel bahan fisil pada tahap n rantai ini, dibagi dengan jumlah neutron yang dihasilkan pada tahap n - 1. Jumlah ini akan bergantung pada berapa banyak neutron yang dihasilkan pada tahap n - 1 yang diserap oleh nukleus, yang mungkin terpaksa membelah.
Jika k< 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.
Jika k > 1, maka reaksi berantai akan meningkat hingga semua bahan fisil habis digunakan, hal ini dicapai dengan pengayaan bijih alam untuk mendapatkan uranium-235 konsentrasi yang cukup besar. Untuk sampel bola, nilai k meningkat dengan peningkatan probabilitas penyerapan neutron, yang bergantung pada jari-jari bola. Oleh karena itu, massa U harus melebihi jumlah tertentu agar fisi inti uranium (reaksi berantai) dapat terjadi.
Jika k = 1, maka terjadi reaksi terkendali. Ini digunakan dalam proses yang dikontrol dengan mendistribusikan batang kadmium atau boron di antara uranium, yang menyerap sebagian besar neutron (elemen ini memiliki kemampuan untuk menangkap neutron). Pembelahan inti uranium secara otomatis dikendalikan dengan menggerakkan batang sedemikian rupa sehingga nilai k tetap sama dengan satu.
