etapele fisiunii

Fenomenologia fisiunii

când un nucleu greu suferă fisiune, se pot forma o varietate de perechi de fragmente, în funcție de distribuția neutronilor și protonilor între fragmente. Acest lucru duce la distribuția probabilității atât a masei, cât și a încărcăturii nucleare pentru fragmente. Probabilitatea formării unui anumit fragment se numește randamentul său de fisiune și este exprimată ca procent de fisiuni care conduc la acesta.

fragmentele separate se confruntă cu o repulsie Coulomb mare datorită sarcinilor lor nucleare și se retrag unul de celălalt cu energii cinetice determinate de sarcinile fragmentelor și de distanța dintre centrele de încărcare în momentul fisiunii. Variațiile acestor parametri conduc la o distribuție a energiilor cinetice, chiar și pentru aceeași împărțire a masei.

vitezele inițiale ale fragmentelor de recul sunt prea rapide pentru ca electronii exteriori (atomici) ai atomului de fisiune să țină pasul și mulți dintre ei sunt îndepărtați. Astfel, sarcina nucleară a fragmentului nu este complet neutralizată de electronii atomici, iar fragmentele de fisiune zboară ca atomi foarte încărcați. Pe măsură ce nucleul fragmentului se ajustează de la forma sa deformată la o configurație mai stabilă, energia de deformare (adică energia necesară pentru a-l deforma) este recuperată și transformată în energie de excitație internă, iar neutronii și razele gamma prompte (o formă energetică de radiație electromagnetică emisă aproape coincident cu evenimentul de fisiune) poate fi evaporat din fragmentul în mișcare. Atomul cu mișcare rapidă, foarte încărcat, se ciocnește cu atomii mediului prin care se mișcă, iar energia sa cinetică este transferată la ionizarea și încălzirea mediului pe măsură ce încetinește și se odihnește. Gama de fragmente de fisiune în aer este de numai câțiva centimetri.

în timpul procesului de încetinire, atomul încărcat preia electroni din mediu și devine neutru în momentul în care se oprește. În această etapă a succesiunii evenimentelor, atomul produs se numește produs de fisiune pentru a-l distinge de fragmentul inițial de fisiune format la fisiune. Deoarece câțiva neutroni s-ar fi putut pierde în tranziția de la fragmentul de fisiune la produsul de fisiune, este posibil ca cei doi să nu aibă același număr de masă. Produsul de fisiune nu este încă o specie stabilă, dar este radioactiv și, în cele din urmă, atinge stabilitatea printr-o serie de dezintegrări beta, care pot varia pe o scară de timp de fracțiuni de secundă până la mulți ani. Emisia beta constă din electroni și antineutrini, adesea însoțiți de raze gamma și raze X.

distribuțiile în masă, sarcină și energie cinetică ale fragmentelor s-au dovedit a fi dependente de speciile de fisiune, precum și de energia de excitație la care are loc actul de fisiune. Multe alte aspecte ale fisiunii au fost observate, adăugând la Fenomenologia extinsă a procesului și oferind un set intrigant de probleme pentru interpretare. Acestea includ sistematica secțiunilor transversale de fisiune (o măsură a probabilității de fisiune); variația numărului de neutroni prompți (a se vedea mai jos) emise în funcție de speciile de fisiune și împărțirea masei fragmentelor particulare; distribuția unghiulară a fragmentelor în raport cu direcția fasciculului de particule care induc fisiunea; sistematica timpului de înjumătățire a fisiunii spontane; apariția izomerilor de fisiune spontană (stări excitate ale nucleului); emisia de particule de lumină (hidrogen-3, heliu-3, heliu-4 etc.) în număr mic, dar semnificativ, în unele evenimente de fisiune; prezența emițătorilor de neutroni întârziați printre produsele de fisiune; scara de timp pe care au loc diferitele etape ale procesului; și distribuția eliberării de energie în fisiune între particulele și radiațiile produse.

o discuție detaliată a tuturor acestor fațete ale fisiunii și a modului în care au fost obținute datele nu este posibilă aici, dar câteva dintre ele sunt tratate pentru a oferi o perspectivă asupra acestui domeniu de studiu și un gust al fascinației sale.

distribuția masei fragmentelor de fisiune

distribuția masei fragmentelor formate în fisiune este una dintre cele mai izbitoare caracteristici ale procesului. Depinde de masa nucleului de fisiune și de energia de excitație la care are loc fisiunea. La energie de excitație scăzută, fisiunea unor astfel de nuclizi precum uraniu-235 sau plutoniu-239 este asimetrică; adică fragmentele se formează într-o distribuție de probabilitate (sau randament) cu două cocoașe favorizând o diviziune inegală în masă. Acest lucru este ilustrat în Figura 4. După cum se va observa, grupul ușor de mase de fragmente se deplasează la numere de masă mai mari pe măsură ce masa nucleului de fisiune crește, în timp ce poziția grupului greu rămâne aproape staționară. Pe măsură ce energia de excitație a fisiunii crește, probabilitatea unei divizări simetrice a masei crește, în timp ce cea a diviziunii asimetrice scade. Astfel, valea dintre cele două vârfuri crește în probabilitate (randament de formare), iar la excitații mari distribuția masei devine unică, cu randamentul maxim la simetrie (vezi Figura 5). Izotopii de radiu prezintă distribuții interesante de masă triplă, iar nuclizii mai ușori decât radiul prezintă o distribuție simetrică a masei cu o singură cocoașă. (Cu toate acestea, acești nuclizi necesită o energie de activare relativ ridicată pentru a fi supuși fisiunii.) Pentru nucleele foarte grele din regiunea fermium-260, curba de randament în masă devine simetrică (cu o singură cocoașă) chiar și pentru fisiunea spontană, iar energiile cinetice ale fragmentelor sunt neobișnuit de mari. O înțelegere a acestor distribuții de masă a fost unul dintre puzzle-urile majore ale fisiunii și încă lipsește o interpretare teoretică completă, deși s-au făcut multe progrese (vezi mai jos).