Gli stadi della fissione

La fenomenologia della fissione

Quando un nucleo pesante subisce la fissione, si possono formare varie coppie di frammenti, a seconda della distribuzione di neutroni e protoni tra i frammenti. Ciò porta alla distribuzione di probabilità sia della massa che della carica nucleare per i frammenti. La probabilità di formazione di un particolare frammento è chiamata la sua resa di fissione ed è espressa come la percentuale di fissioni che porta ad essa.

I frammenti separati sperimentano una grande repulsione di Coulomb a causa delle loro cariche nucleari, e si ritraggono l’uno dall’altro con energie cinetiche determinate dalle cariche del frammento e dalla distanza tra i centri di carica al momento della scissione. Variazioni in questi parametri portano ad una distribuzione di energie cinetiche, anche per la stessa divisione di massa.

Le velocità iniziali dei frammenti di ritrazione sono troppo veloci perché gli elettroni esterni (atomici) dell’atomo fissionante tengano il passo, e molti di essi vengono rimossi. Pertanto, la carica nucleare del frammento non è completamente neutralizzata dagli elettroni atomici e i frammenti di fissione volano a parte come atomi altamente carichi. Mentre il nucleo del frammento si adatta dalla sua forma deformata a una configurazione più stabile, l’energia di deformazione (cioè l’energia necessaria per deformarlo) viene recuperata e convertita in energia di eccitazione interna, e neutroni e raggi gamma rapidi (una forma energetica di radiazione elettromagnetica emessa quasi coincidente con l’evento di fissione) possono essere evaporati dal frammento in movimento. L’atomo in rapido movimento e altamente carico si scontra con gli atomi del mezzo attraverso il quale si muove e la sua energia cinetica viene trasferita alla ionizzazione e al riscaldamento del mezzo mentre rallenta e si ferma. La gamma di frammenti di fissione nell’aria è di pochi centimetri.

Durante il processo di rallentamento, l’atomo carico preleva elettroni dal mezzo e diventa neutro quando si ferma. In questa fase della sequenza di eventi, l’atomo prodotto è chiamato prodotto di fissione per distinguerlo dal frammento di fissione iniziale formato alla scissione. Poiché alcuni neutroni potrebbero essere stati persi nella transizione dal frammento di fissione al prodotto di fissione, i due potrebbero non avere lo stesso numero di massa. Il prodotto di fissione non è ancora una specie stabile ma è radioattivo, e alla fine raggiunge la stabilità subendo una serie di decadimenti beta, che possono variare in una scala temporale di frazioni di secondo a molti anni. L’emissione beta è costituita da elettroni e antineutrini, spesso accompagnati da raggi gamma e raggi X.

Le distribuzioni in massa, carica ed energia cinetica dei frammenti sono state trovate dipendere dalla specie fissionante e dall’energia di eccitazione alla quale si verifica l’atto di fissione. Molti altri aspetti della fissione sono stati osservati, aggiungendo alla vasta fenomenologia del processo e fornendo una serie intrigante di problemi per l’interpretazione. Questi includono la sistematica delle sezioni trasversali di fissione (una misura della probabilità che la fissione si verifichi); la variazione del numero di prompt dei neutroni (vedi sotto) emessa in funzione della fissione specie e la particolare frammento di massa spalato; la distribuzione angolare dei frammenti rispetto alla direzione del fascio di particelle indurre la fissione, la sistematica di fissione spontanea di mezza vita; il verificarsi di fissione spontanea di isomeri (stato eccitato del nucleo); l’emissione di particelle di luce (idrogeno-3, l’elio-3, l’elio-4, ecc.) in piccoli ma significativi numeri in alcuni eventi di fissione; la presenza di emettitori di neutroni ritardati tra i prodotti di fissione; la scala temporale su cui si svolgono le varie fasi del processo; e la distribuzione del rilascio di energia nella fissione tra le particelle e le radiazioni prodotte.

Una discussione dettagliata di tutti questi aspetti della fissione e di come sono stati ottenuti i dati non è possibile qui, ma alcuni di essi sono trattati per fornire alcune informazioni su questo campo di studio e un assaggio del suo fascino.

Distribuzioni di massa di frammenti di fissione

La distribuzione delle masse di frammenti formate nella fissione è una delle caratteristiche più sorprendenti del processo. Dipende dalla massa del nucleo fissionante e dall’energia di eccitazione alla quale si verifica la fissione. A bassa energia di eccitazione, la fissione di nuclidi come uranio-235 o plutonio-239 è asimmetrica; cioè, i frammenti sono formati in una distribuzione di probabilità (o resa) a due gobbe che favorisce una divisione disuguale in massa. Questo è illustrato nella Figura 4. Come si noterà, il gruppo leggero di masse di frammenti si sposta su numeri di massa più elevati all’aumentare della massa del nucleo fissante, mentre la posizione del gruppo pesante rimane quasi stazionaria. All’aumentare dell’energia di eccitazione della fissione, aumenta la probabilità di una divisione di massa simmetrica, mentre quella per la divisione asimmetrica diminuisce. Così, la valle tra i due picchi aumenta di probabilità (resa di formazione), e ad alte eccitazioni la distribuzione di massa diventa a gobba singola, con la massima resa a simmetria (vedi Figura 5). Gli isotopi del radio mostrano interessanti distribuzioni di massa a tripla gobba e i nuclidi più leggeri del radio mostrano una distribuzione di massa simmetrica a gobba singola. (Questi nuclidi, tuttavia, richiedono un’energia di attivazione relativamente alta per subire la fissione.) Per nuclei molto pesanti nella regione del fermio-260, la curva di resa di massa diventa simmetrica (a gobba singola) anche per la fissione spontanea, e le energie cinetiche dei frammenti sono insolitamente alte. Una comprensione di queste distribuzioni di massa è stato uno dei principali enigmi della fissione, e una completa interpretazione teorica è ancora carente, anche se molti progressi sono stati fatti (vedi sotto).