Splijting van een kern is de splitsing van een zwaar atoom in twee fragmenten van ongeveer gelijke massa, waarbij een grote hoeveelheid energie vrijkomt.
De ontdekking van kernsplijting begon een nieuw tijdperk - het "atoomtijdperk". Het potentieel van het mogelijke gebruik en de verhouding tussen risico en voordeel van het gebruik ervan hebben niet alleen geleid tot veel sociologische, politieke, economische en wetenschappelijke prestaties, maar ook tot ernstige problemen. Zelfs vanuit puur wetenschappelijk oogpunt heeft het proces van kernsplitsing een groot aantal puzzels en complicaties veroorzaakt, en een volledige theoretische verklaring ervan is een kwestie van toekomst.
Delen is winstgevend
De bindingsenergieën (per nucleon) verschillen voor verschillende kernen. Zwaardere hebben een lagere bindingsenergie dan die in het midden van het periodiek systeem.
Dit betekent dat zware kernen met een atoomnummer groter dan 100 baat hebben bij het splitsen in twee kleinere fragmenten, waardoor energie vrijkomt dieomgezet in kinetische energie van fragmenten. Dit proces wordt de splitsing van de atoomkern genoemd.
Volgens de stabiliteitscurve, die de afhankelijkheid van het aantal protonen van het aantal neutronen voor stabiele nucliden laat zien, geven zwaardere kernen de voorkeur aan meer neutronen (vergeleken met het aantal protonen) dan lichtere. Dit suggereert dat samen met het splitsingsproces enkele "reserve" neutronen zullen worden uitgestoten. Daarnaast nemen ze ook een deel van de vrijgekomen energie op. De studie van kernsplijting van het uraniumatoom toonde aan dat 3-4 neutronen vrijkomen: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Het atoomnummer (en de atoommassa) van een fragment is niet gelijk aan de helft van de atoommassa van de ouder. Het verschil tussen de massa's van atomen gevormd als gevolg van splitsing is meestal ongeveer 50. De reden hiervoor is echter nog niet volledig begrepen.
De bindende energieën van 238U, 145La en 90Br zijn 1803, respectievelijk 1198 en 763 MeV. Dit betekent dat als gevolg van deze reactie de splijtingsenergie van de uraniumkern vrijkomt, gelijk aan 1198 + 763-1803=158 MeV.
Spontane splitsing
Processen van spontane splitsing zijn in de natuur bekend, maar ze zijn zeer zeldzaam. De gemiddelde levensduur van dit proces is ongeveer 1017 jaar, en bijvoorbeeld de gemiddelde levensduur van alfaverval van dezelfde radionuclide is ongeveer 1011jaar.
De reden hiervoor is dat om in twee delen te splitsen, de kernel moetondergaan eerst vervorming (rek) tot een ellipsoïde vorm, en vormen dan, voor de definitieve splitsing in twee fragmenten, een "nek" in het midden.
Potentiële barrière
In de vervormde toestand werken twee krachten op de kern. Een daarvan is de verhoogde oppervlakte-energie (de oppervlaktespanning van een vloeistofdruppel verklaart zijn bolvorm), en de andere is de Coulomb-afstoting tussen splijtingsfragmenten. Samen vormen ze een potentiële barrière.
Net als in het geval van alfa-verval, moeten de fragmenten deze barrière overwinnen om de spontane splijting van de uraniumatoomkern te laten plaatsvinden met behulp van kwantumtunneling. De barrière is ongeveer 6 MeV, zoals in het geval van alfa-verval, maar de kans op tunneling van een α-deeltje is veel groter dan die van een veel zwaarder atoomsplijtingsproduct.
Gedwongen splitsen
Veel waarschijnlijker is de geïnduceerde splijting van de uraniumkern. In dit geval wordt de moederkern bestraald met neutronen. Als de ouder het absorbeert, binden ze, waardoor bindingsenergie vrijkomt in de vorm van trillingsenergie die de 6 MeV kan overschrijden die nodig is om de potentiële barrière te overwinnen.
Waar de energie van een extra neutron onvoldoende is om de potentiaalbarrière te overwinnen, moet het invallende neutron een minimale kinetische energie hebben om de splitsing van een atoom te kunnen induceren. In het geval van 238U-bindingsenergie extraneutronen ontbreken ongeveer 1 MeV. Dit betekent dat de splijting van de uraniumkern alleen wordt geïnduceerd door een neutron met een kinetische energie groter dan 1 MeV. Aan de andere kant heeft de isotoop 235U één ongepaard neutron. Wanneer de kern er nog een opneemt, vormt hij er een paar mee, en als resultaat van deze koppeling verschijnt er extra bindingsenergie. Dit is voldoende om de hoeveelheid energie vrij te geven die nodig is voor de kern om de potentiële barrière te overwinnen en de isotoopsplijting vindt plaats bij botsing met een neutron.
Beta-verval
Ondanks het feit dat bij de splijtingsreactie drie of vier neutronen vrijkomen, bevatten de fragmenten nog steeds meer neutronen dan hun stabiele isobaren. Dit betekent dat splijtingsfragmenten over het algemeen onstabiel zijn tegen bètaverval.
Bij de splijting van uranium 238U, is de stabiele isobaar met A=145 neodymium 145Nd, wat betekent dat het lanthaanfragment 145La verv alt in drie fasen, waarbij telkens een elektron en een antineutrino worden uitgezonden, totdat een stabiel nuclide is gevormd. De stabiele isobaar met A=90 is zirkonium 90Zr, dus het splitsingsfragment broom 90Br verv alt in vijf fasen van de β-vervalketen.
Deze β-vervalketens geven extra energie vrij, die bijna allemaal wordt weggevoerd door elektronen en antineutrino's.
Kernreacties: splijting van uraniumkernen
Directe straling van een neutron van een nuclide met tooeen groot aantal van hen om de stabiliteit van de kernel te garanderen is onwaarschijnlijk. Het punt hier is dat er geen Coulomb-afstoting is, en dus heeft de oppervlakte-energie de neiging om het neutron in binding te houden met de ouder. Dit komt echter wel eens voor. Het splijtingsfragment 90Br in de eerste fase van bètaverval produceert bijvoorbeeld krypton-90, dat in een aangeslagen toestand kan zijn met voldoende energie om de oppervlakte-energie te overwinnen. In dit geval kan de emissie van neutronen direct plaatsvinden bij de vorming van krypton-89. Deze isobaar is nog steeds onstabiel tot β verval totdat het verandert in stabiel yttrium-89, dus krypton-89 verv alt in drie stappen.
Uraniumsplijting: kettingreactie
Neutronen die bij een splijtingsreactie worden uitgestoten, kunnen worden geabsorbeerd door een andere moederkern, die vervolgens zelf geïnduceerde splijting ondergaat. In het geval van uranium-238 komen de drie geproduceerde neutronen naar buiten met een energie van minder dan 1 MeV (de energie die vrijkomt bij de splijting van de uraniumkern - 158 MeV - wordt voornamelijk omgezet in de kinetische energie van de splijtingsfragmenten), zodat ze geen verdere splijting van dit nuclide kunnen veroorzaken. Met een significante concentratie van de zeldzame isotoop 235U, kunnen deze vrije neutronen echter worden gevangen door kernen 235U, die inderdaad splijting kunnen veroorzaken, aangezien er in dit geval geen energiedrempel is waaronder geen splijting wordt geïnduceerd.
Dit is het kettingreactieprincipe.
Soorten kernreacties
Laat k het aantal neutronen zijn dat wordt geproduceerd in een monster van splijtbaar materiaal in stadium n van deze keten, gedeeld door het aantal neutronen geproduceerd in stadium n - 1. Dit aantal hangt af van hoeveel neutronen er worden geproduceerd in stadium n - 1, worden geabsorbeerd door de kern, die geforceerde splitsing kan ondergaan.
• Als k < 1 is, stopt de kettingreactie gewoon en stopt het proces heel snel. Dit is precies wat er gebeurt in natuurlijk uraniumerts, waarin de concentratie van 235U zo laag is dat de kans op absorptie van een van de neutronen door deze isotoop uiterst verwaarloosbaar klein is.
• Als k > 1, dan zal de kettingreactie groeien totdat al het splijtbare materiaal is gebruikt (atoombom). Dit wordt bereikt door natuurlijk erts te verrijken tot een voldoende hoge concentratie uranium-235. Voor een bolvormig monster neemt de waarde van k toe met een toename van de neutronenabsorptiewaarschijnlijkheid, die afhangt van de straal van de bol. Daarom moet de massa van U een bepaalde kritische massa overschrijden om de splijting van uraniumkernen (een kettingreactie) te laten plaatsvinden.
• Als k=1, dan vindt een gecontroleerde reactie plaats. Dit wordt gebruikt in kernreactoren. Het proces wordt gecontroleerd door cadmium- of boorstaven over het uranium te verdelen, die de meeste neutronen absorberen (deze elementen kunnen neutronen vangen). De splijting van de uraniumkern wordt automatisch gecontroleerd door de staven zo te bewegen dat de waarde van k gelijk blijft aan één.
