Die Stadien der Spaltung

Die Phänomenologie der Spaltung

Wenn ein schwerer Kern gespalten wird, kann eine Vielzahl von Fragmentpaaren gebildet werden, abhängig von der Verteilung von Neutronen und Protonen zwischen den Fragmenten. Dies führt zu einer Wahrscheinlichkeitsverteilung sowohl der Masse als auch der Kernladung für die Fragmente. Die Wahrscheinlichkeit der Bildung eines bestimmten Fragments wird als Spaltausbeute bezeichnet und als Prozentsatz der zu ihm führenden Spaltungen ausgedrückt.

Die abgetrennten Fragmente erfahren aufgrund ihrer Kernladungen eine große Coulomb-Abstoßung und stoßen mit kinetischen Energien, die durch die Fragmentladungen und den Abstand zwischen den Ladungszentren zum Zeitpunkt der Spaltung bestimmt werden, voneinander zurück. Variationen dieser Parameter führen zu einer Verteilung der kinetischen Energien, selbst bei gleicher Massenaufteilung.

Die Anfangsgeschwindigkeiten der zurückstoßenden Fragmente sind zu schnell, als dass die äußeren (atomaren) Elektronen des spaltenden Atoms Schritt halten könnten, und viele von ihnen werden abgestreift. Somit wird die Kernladung des Fragments durch die Atomelektronen nicht vollständig neutralisiert, und die Spaltfragmente fliegen als hochgeladene Atome auseinander. Wenn sich der Kern des Fragments von seiner deformierten Form zu einer stabileren Konfiguration anpasst, wird die Deformationsenergie (d. H. Die Energie, die erforderlich ist, um es zu deformieren) zurückgewonnen und in interne Anregungsenergie umgewandelt, und Neutronen und prompte Gammastrahlen (eine energetische Form elektromagnetischer Strahlung, die fast zeitgleich mit dem Spaltungsereignis abgegeben wird) können aus dem sich bewegenden Fragment verdampft werden. Das sich schnell bewegende, hochgeladene Atom kollidiert mit den Atomen des Mediums, durch das es sich bewegt, und seine kinetische Energie wird auf die Ionisierung und Erwärmung des Mediums übertragen, wenn es langsamer wird und zur Ruhe kommt. Die Reichweite von Spaltfragmenten in der Luft beträgt nur wenige Zentimeter.

Während des Verlangsamungsprozesses nimmt das geladene Atom Elektronen aus dem Medium auf und wird neutral, wenn es aufhört. In diesem Stadium der Abfolge der Ereignisse wird das erzeugte Atom als Spaltprodukt bezeichnet, um es von dem anfänglichen Spaltfragment zu unterscheiden, das bei der Spaltung gebildet wird. Da beim Übergang vom Spaltfragment zum Spaltprodukt möglicherweise einige Neutronen verloren gegangen sind, haben die beiden möglicherweise nicht die gleiche Massenzahl. Das Spaltprodukt ist immer noch keine stabile Spezies, sondern radioaktiv, und es erreicht schließlich Stabilität durch eine Reihe von Beta-Zerfällen, die über einen Zeitraum von Sekundenbruchteilen bis zu vielen Jahren variieren können. Die Beta-Emission besteht aus Elektronen und Antineutrinos, oft begleitet von Gammastrahlen und Röntgenstrahlen.

Es wurde festgestellt, dass die Verteilungen in Masse, Ladung und kinetischer Energie der Fragmente von der Spaltspezies sowie von der Anregungsenergie abhängen, bei der der Spaltakt auftritt. Viele andere Aspekte der Spaltung wurden beobachtet, die zur umfangreichen Phänomenologie des Prozesses beitragen und eine faszinierende Reihe von Problemen für die Interpretation bieten. Dazu gehört die Systematik der Spaltquerschnitte (ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, dass eine Spaltung auftritt); die Variation der Anzahl der prompten Neutronen (siehe unten), die als Funktion der Spaltungsspezies und der jeweiligen Fragmentmassenspaltung emittiert werden; die Winkelverteilung der Fragmente in Bezug auf die Richtung des Teilchenstrahls, der die Spaltung induziert; die Systematik der spontanen Spalthalbwertszeiten; das Auftreten spontaner Spaltungsisomere (angeregte Zustände des Kerns); die Emission von Lichtteilchen (Wasserstoff-3, Helium-3, Helium-4 usw.) in geringer, aber signifikanter Zahl bei einigen Spaltereignissen; das Vorhandensein verzögerter Neutronenemitter unter den Spaltprodukten; die Zeitskala, auf der die verschiedenen Stufen des Prozesses stattfinden; und die Verteilung der bei der Spaltung freigesetzten Energie auf die erzeugten Teilchen und Strahlungen.

Eine detaillierte Diskussion all dieser Facetten der Spaltung und wie die Daten gewonnen wurden, ist hier nicht möglich, aber einige von ihnen werden behandelt, um einen Einblick in dieses Forschungsgebiet und einen Vorgeschmack auf seine Faszination zu geben.

Spaltfragmentmassenverteilungen

Die Verteilung der bei der Spaltung gebildeten Fragmentmassen ist eines der auffälligsten Merkmale des Prozesses. Es ist abhängig von der Masse des Spaltkerns und der Anregungsenergie, bei der die Spaltung auftritt. Bei niedriger Anregungsenergie ist die Spaltung solcher Nuklide wie Uran-235 oder Plutonium-239 asymmetrisch; d. H. Die Fragmente werden in einer zweihöckrigen Wahrscheinlichkeitsverteilung (oder Ausbeute) gebildet, die eine ungleiche Massenteilung begünstigt. Dies ist in Abbildung 4 dargestellt. Wie bemerkt wird, verschiebt sich die leichte Gruppe von Fragmentmassen zu höheren Massenzahlen, wenn die Masse des Spaltkerns zunimmt, während die Position der schweren Gruppe nahezu stationär bleibt. Mit zunehmender Anregungsenergie der Spaltung steigt die Wahrscheinlichkeit für eine symmetrische Massenaufteilung, während die für eine asymmetrische Teilung abnimmt. Somit erhöht sich das Tal zwischen den beiden Peaks in der Wahrscheinlichkeit (Ausbeute der Bildung), und bei hohen Anregungen wird die Massenverteilung einhöckrig, mit der maximalen Ausbeute bei Symmetrie (siehe Abbildung 5). Radiumisotope zeigen interessante dreihöckrige Massenverteilungen, und Nuklide, die leichter als Radium sind, zeigen eine einhöckrige, symmetrische Massenverteilung. (Diese Nuklide benötigen jedoch eine relativ hohe Aktivierungsenergie, um gespalten zu werden.) Für sehr schwere Kerne im Bereich von Fermium-260 wird die Massenertragskurve selbst bei spontaner Spaltung symmetrisch (einhöckrig), und die kinetischen Energien der Fragmente sind ungewöhnlich hoch. Ein Verständnis dieser Massenverteilungen war eines der Haupträtsel der Spaltung, und eine vollständige theoretische Interpretation fehlt noch, obwohl große Fortschritte erzielt wurden (siehe unten).