fission vaiheet

fission fenomenologia

raskaan ytimen fissiossa voi muodostua erilaisia fragmentipareja riippuen neutronien ja protonien jakautumisesta kappaleiden välillä. Tämä johtaa sekä massan että ydinlatauksen todennäköisyysjakaumaan kappaleille. Tietyn kappaleen muodostumisen todennäköisyyttä kutsutaan sen fissiotuotoksi ja se ilmaistaan siihen johtavien fissioiden prosenttiosuutena.

erotetut fragmentit kokevat ydinvarauksiensa vuoksi suuren Coulombin repulsion, ja ne rekyyläävät toisistaan kineettisillä energioilla, jotka määräytyvät sirpalelatausten ja varauskeskusten välisen etäisyyden perusteella sirotushetkellä. Näiden parametrien vaihtelut johtavat kineettisten energioiden jakaantumiseen, jopa samaan massajakoon.

elpyvien kappaleiden alkunopeudet ovat liian nopeita, jotta fissioatomin uloimmat (atomi) elektronit pysyisivät vauhdissa, ja monet niistä riisutaan pois. Atomielektronit eivät siis täysin neutraloi kappaleen ydinvarausta, ja fissiokappaleet lentävät erilleen voimakkaasti varautuneina atomeina. Kun fragmentin ydin mukautuu epämuodostuneesta muodostaan vakaampaan konfiguraatioon, muodonmuutosenergia (eli sen muuttamiseen tarvittava energia) otetaan talteen ja muunnetaan sisäiseksi heräteenergiaksi, ja neutronit ja nopeat gammasäteet (sähkömagneettisen säteilyn energinen muoto, joka syntyy lähes samaan aikaan fissiotapahtuman kanssa) voivat haihtua liikkuvasta fragmentista. Nopealiikkeinen, voimakkaasti varautunut atomi törmää sen väliaineen atomeihin, jonka läpi se liikkuu, ja sen liike-energia siirtyy väliaineen ionisoitumiseen ja kuumenemiseen hidastuessaan ja lepoon tullessaan. Fissiokappaleiden kantama ilmassa on vain muutamia senttimetrejä.

hidastumisen aikana varautunut atomi poimii väliaineesta elektroneja ja muuttuu pysähtyessään neutraaliksi. Tässä vaiheessa tapahtumaketjua syntynyttä atomia kutsutaan fissiotuotteeksi, jotta se voidaan erottaa skissiossa muodostuneesta alkuperäisestä fissiokappaleesta. Koska fissiokappaleesta fissiotuotteeksi siirryttäessä on saattanut kadota muutama neutronikin, näillä kahdella ei välttämättä ole samaa massalukua. Fissiotuote ei edelleenkään ole stabiili laji vaan radioaktiivinen, ja lopulta se saavuttaa stabiiliuden käymällä läpi sarjan beetahajoamia, jotka voivat vaihdella sekunnin murto-osista moniin vuosiin. Beta-emissio koostuu elektroneista ja antineutrinoista, joihin liittyy usein gammasäteitä ja röntgensäteitä.

palasten massan, varauksen ja liike-energian jakaumien on todettu olevan riippuvaisia fissiolajista sekä magnetaatioenergiasta, jolla fissiolaki tapahtuu. Fissiossa on havaittu monia muitakin piirteitä, jotka ovat lisänneet prosessin laajaa fenomenologiaa ja tarjonneet kiehtovan joukon tulkinnanvaraisia ongelmia. Näitä ovat muun muassa fission poikkileikkausten systematiikka (fission todennäköisyyden mitta; fissiolajien funktiona lähetettyjen nopeiden neutronien (KS.jäljempänä) määrän vaihtelu ja tietyn kappaleen massan jakautuminen; fragmenttien kulmajakauma suhteessa fissiota aiheuttavien hiukkasten säteen suuntaan; spontaanien fission puoliintumisaikojen systematiikka; spontaanien fissioisomeerien esiintyminen (ytimen jännittyneet tilat); valohiukkasten emissio (vety-3, helium-3, helium-4 jne.) pieniä mutta merkittäviä määriä joissakin fissiotapahtumissa; viivästyneiden neutronisäteilijöiden esiintyminen fissiotuotteiden joukossa; aikaskaala, jolla prosessin eri vaiheet tapahtuvat, ja fissiossa vapautuvan energian jakautuminen syntyvien hiukkasten ja säteilyn kesken.

yksityiskohtaista keskustelua kaikista näistä fission puolista ja siitä, miten tiedot on saatu, ei voida tässä käsitellä, mutta muutamia niistä käsitellään, jotta saadaan jonkinlainen käsitys tästä tutkimusalasta ja esimakua sen kiehtovuudesta.

Fissiofragmenttien massajakaumat

fissiossa muodostuneiden fragmenttien massojen jakauma on yksi prosessin silmiinpistävimmistä piirteistä. Se riippuu fissioytimen massasta ja magnetaatioenergiasta, jolla fissio tapahtuu. Alhaisen magnetaatioenergian vallitessa sellaisten nuklidien kuin uraani-235: n tai plutonium-239: n fissio on epäsymmetrinen; toisin sanoen fragmentit muodostuvat kaksihumppaisessa todennäköisyysjakaumassa (tai saantojakaumassa), joka suosii massaltaan epätasaista jakautumista. Tätä havainnollistetaan Kuvassa 4. Kuten huomataan, kappalemassojen kevyt ryhmä siirtyy suurempiin massalukuihin fissioytimen massan kasvaessa, kun taas raskaan ryhmän asema pysyy lähes paikallaan. Kun fission eksitaatioenergia kasvaa, kasvaa symmetrisen massan jaon todennäköisyys, kun taas epäsymmetrisen jaon todennäköisyys pienenee. Näin ollen kahden huipun välinen laakso kasvaa todennäköisyydellä (muodostumisen saanto), ja suurilla eksitaatioilla massajakauma muuttuu yksikumpuiseksi, jolloin suurin saanto on symmetriassa (KS.kuva 5). Radium-isotoopeissa esiintyy mielenkiintoisia kolmoishakkeroituneita massajakaumia, ja radiumia kevyemmissä nuklideissa yksikakkarisia, symmetrisiä massajakaumia. (Nämä nuklidit vaativat kuitenkin suhteellisen suuren aktivaatioenergian fission läpikäymiseen.) Fermium-260: n alueen hyvin raskaille ytimille massatuottokäyrä muuttuu symmetriseksi (yksihakkuuksi) jopa spontaanille fissiolle, ja kappaleiden kineettiset energiat ovat epätavallisen suuret. Näiden massajakaumien ymmärtäminen on ollut yksi fission suurimmista pulmista, ja täydellinen teoreettinen tulkinta puuttuu edelleen, vaikkakin paljon edistystä on tapahtunut (KS.jäljempänä).