Las etapas de fisión

La fenomenología de la fisión

Cuando un núcleo pesado sufre fisión, se pueden formar una variedad de pares de fragmentos, dependiendo de la distribución de neutrones y protones entre los fragmentos. Esto conduce a la distribución de probabilidad de la masa y la carga nuclear de los fragmentos. La probabilidad de formación de un fragmento en particular se denomina rendimiento de fisión y se expresa como el porcentaje de fisiones que conducen a él.

Los fragmentos separados experimentan una gran repulsión de Coulomb debido a sus cargas nucleares, y retroceden entre sí con energías cinéticas determinadas por las cargas de los fragmentos y la distancia entre los centros de carga en el momento de la escisión. Las variaciones en estos parámetros conducen a una distribución de energías cinéticas, incluso para la misma división de masa.

Las velocidades iniciales de los fragmentos de retroceso son demasiado rápidas para que los electrones exteriores (atómicos) del átomo fisionante mantengan el ritmo, y muchos de ellos se eliminan. Por lo tanto, la carga nuclear del fragmento no está completamente neutralizada por los electrones atómicos, y los fragmentos de fisión se separan volando como átomos altamente cargados. A medida que el núcleo del fragmento se ajusta de su forma deformada a una configuración más estable, la energía de deformación (es decir, la energía requerida para deformarlo) se recupera y se convierte en energía de excitación interna, y los neutrones y los rayos gamma inmediatos (una forma energética de radiación electromagnética emitida casi coincidente con el evento de fisión) pueden evaporarse del fragmento en movimiento. El átomo altamente cargado y de rápido movimiento choca con los átomos del medio a través del cual se mueve, y su energía cinética se transfiere a la ionización y calentamiento del medio a medida que se ralentiza y se detiene. El rango de fragmentos de fisión en el aire es de solo unos pocos centímetros.

Durante el proceso de ralentización, el átomo cargado recoge electrones del medio y se vuelve neutral en el momento en que se detiene. En esta etapa de la secuencia de eventos, el átomo producido se denomina producto de fisión para distinguirlo del fragmento de fisión inicial formado en la escisión. Dado que algunos neutrones pueden haberse perdido en la transición del fragmento de fisión al producto de fisión, los dos pueden no tener el mismo número de masa. El producto de la fisión todavía no es una especie estable, pero es radiactivo, y finalmente alcanza la estabilidad al sufrir una serie de desintegraciones beta, que pueden variar en una escala de tiempo de fracciones de segundo a muchos años. La emisión beta consiste en electrones y antineutrinos, a menudo acompañados de rayos gamma y rayos X.

Se ha encontrado que las distribuciones en masa, carga y energía cinética de los fragmentos dependen de la especie de fisión, así como de la energía de excitación a la que se produce el acto de fisión. Se han observado muchos otros aspectos de la fisión, que se suman a la extensa fenomenología del proceso y proporcionan un intrigante conjunto de problemas para la interpretación. Estos incluyen la sistemática de las secciones transversales de fisión (una medida de la probabilidad de que ocurra la fisión); la variación del número de neutrones rápidos (véase más adelante) emitidos en función de las especies de fisión y de la división de masa de fragmentos en particular; la distribución angular de los fragmentos con respecto a la dirección del haz de partículas que inducen la fisión; la sistemática de las semividas de fisión espontánea; la aparición de isómeros de fisión espontáneos (estados excitados del núcleo); la emisión de partículas de luz (hidrógeno-3, helio-3, helio-4, etc.).) en números pequeños pero significativos en algunos eventos de fisión; la presencia de emisores de neutrones retardados entre los productos de fisión; la escala de tiempo en la que tienen lugar las diversas etapas del proceso; y la distribución de la liberación de energía en la fisión entre las partículas y las radiaciones producidas.

Una discusión detallada de todas estas facetas de la fisión y cómo se obtuvieron los datos no es posible aquí, pero algunos de ellos se tratan para proporcionar una idea de este campo de estudio y una muestra de su fascinación.

Distribuciones de masa de fragmentos de fisión

La distribución de las masas de fragmentos formadas en la fisión es una de las características más llamativas del proceso. Depende de la masa del núcleo de fisión y de la energía de excitación a la que se produce la fisión. A baja energía de excitación, la fisión de nucleidos como el uranio-235 o el plutonio-239 es asimétrica; es decir, los fragmentos se forman en una distribución de probabilidad (o rendimiento) de dos jorobas que favorece una división desigual en masa. Esto se ilustra en la figura 4. Como se notará, el grupo ligero de masas de fragmentos cambia a números de masa más altos a medida que aumenta la masa del núcleo fisionante, mientras que la posición del grupo pesado permanece casi estacionaria. A medida que la energía de excitación de la fisión aumenta, la probabilidad de una división de masa simétrica aumenta, mientras que la de la división asimétrica disminuye. Por lo tanto, el valle entre los dos picos aumenta en probabilidad (rendimiento de formación), y a altas excitaciones la distribución de masa se vuelve de una sola joroba, con el rendimiento máximo en simetría (ver Figura 5). Los isótopos de radio muestran interesantes distribuciones de masa de triple joroba, y los nucleidos más ligeros que el radio muestran una distribución de masa simétrica de una sola joroba. (Estos nucleidos, sin embargo, requieren una energía de activación relativamente alta para someterse a la fisión.) Para núcleos muy pesados en la región de fermio-260, la curva de rendimiento de masa se vuelve simétrica (de una sola joroba) incluso para la fisión espontánea, y las energías cinéticas de los fragmentos son inusualmente altas. La comprensión de estas distribuciones masivas ha sido uno de los mayores enigmas de la fisión, y todavía falta una interpretación teórica completa, aunque se han hecho muchos progresos (ver más abajo).