fissionsstegen

fissionens fenomenologi

när en tung kärna genomgår fission kan en mängd fragmentpar bildas, beroende på fördelningen av neutroner och protoner mellan fragmenten. Detta leder till sannolikhetsfördelning av både massa och kärnladdning för fragmenten. Sannolikheten för bildandet av ett visst fragment kallas dess fissionsavkastning och uttrycks som procentandelen fissioner som leder till den.

de separerade fragmenten upplever en stor Coulomb-repulsion på grund av deras kärnladdningar, och de recoil från varandra med kinetiska energier bestämda av fragmentladdningarna och avståndet mellan laddningscentren vid tidpunkten för scission. Variationer i dessa parametrar leder till en fördelning av kinetiska energier, även för samma massdelning.

de initiala hastigheterna hos rekylfragmenten är för snabba för de yttre (atomära) elektronerna i klyvningsatomen för att hålla takten, och många av dem avlägsnas. Således neutraliseras inte kärnladdningen av fragmentet fullständigt av atomelektronerna, och fissionsfragmenten flyger ifrån varandra som högladdade atomer. När kärnan i fragmentet anpassar sig från sin deformerade form till en mer stabil konfiguration återvinns deformationsenergin (dvs. den energi som krävs för att deformera den) och omvandlas till intern excitationsenergi, och neutroner och snabba gammastrålar (en energisk form av elektromagnetisk strålning som avges nästan sammanfaller med fissionshändelsen) kan förångas från det rörliga fragmentet. Den snabbrörliga, högladdade atomen kolliderar med atomerna i mediet genom vilket det rör sig, och dess kinetiska energi överförs till jonisering och uppvärmning av mediet när det saktar ner och vilar. Utbudet av fissionsfragment i luft är bara några centimeter.

under avmattningsprocessen plockar den laddade atomen upp elektroner från mediet och blir neutral när den stannar. I detta skede i händelseförloppet kallas den producerade atomen en fissionsprodukt för att skilja den från det initiala fissionsfragmentet som bildas vid scission. Eftersom några neutroner kan ha gått förlorade i övergången från fissionsfragment till fissionsprodukt, de två kanske inte har samma massnummer. Fissionsprodukten är fortfarande inte en stabil art men är radioaktiv, och den når slutligen stabilitet genom att genomgå en serie beta-sönderfall, som kan variera över en tidsskala av fraktioner av en sekund till många år. Beta-utsläppet består av elektroner och antineutrinos, ofta åtföljda av gammastrålar och röntgenstrålar.

fördelningarna i massa, laddning och kinetisk energi hos fragmenten har visat sig vara beroende av klyvningsarten såväl som av exciteringsenergin vid vilken klyvningslagen uppträder. Många andra aspekter av fission har observerats, vilket bidrar till processens omfattande fenomenologi och ger en spännande uppsättning problem för tolkning. Dessa inkluderar systematiken för fissionstvärsnitt (ett mått på sannolikheten för fission att inträffa); variationen av antalet snabba neutroner (se nedan) som emitteras som en funktion av klyvningsarterna och den speciella fragmentmassuppdelningen; vinkelfördelningen av fragmenten med avseende på riktningen av partikelstrålen som inducerar klyvning; systematiken för spontana klyvningshalveringstider; förekomsten av spontana klyvningsisomerer (exciterade tillstånd i kärnan); utsläpp av ljuspartiklar (väte-3, helium-3, helium-4, etc.) i små men betydande antal i vissa fissionshändelser; förekomsten av fördröjda neutronemittrar bland fissionsprodukterna; den tidsskala på vilken de olika stadierna i processen äger rum; och fördelningen av energifrisättningen i fission bland de producerade partiklarna och strålningarna.

en detaljerad diskussion om alla dessa aspekter av fission och hur data erhölls är inte möjligt här, men några av dem behandlas för att ge en inblick i detta ämnesområde och en smak av dess fascination.

Fissionsfragmentmassfördelningar

fördelningen av fragmentmassorna som bildas i fission är en av de mest slående funktionerna i processen. Det är beroende av massan av klyvningskärnan och exciteringsenergin vid vilken klyvningen sker. Vid låg excitationsenergi är klyvningen av sådana nuklider som uran-235 eller plutonium-239 asymmetrisk; dvs fragmenten bildas i en två-humpad sannolikhetsfördelning (eller utbyte) som gynnar en ojämn uppdelning i massa. Detta illustreras i Figur 4. Som kommer att noteras skiftar den lätta gruppen av fragmentmassor till högre massnummer när massan av klyvningskärnan ökar, medan den tunga gruppens position förblir nästan stationär. När fissionens excitationsenergi ökar ökar sannolikheten för en symmetrisk massdelning, medan den för asymmetrisk uppdelning minskar. Således ökar dalen mellan de två topparna i Sannolikhet (utbyte av bildning), och vid höga excitationer blir massfördelningen enkelhumpad, med maximalt utbyte vid symmetri (se Figur 5). Radiumisotoper visar intressanta trippelhumpade massfördelningar, och nuklider lättare än radium visar en enkelhumpad, symmetrisk massfördelning. (Dessa nuklider kräver emellertid en relativt hög aktiveringsenergi för att genomgå fission.) För mycket tunga kärnor i regionen fermium-260 blir massavkastningskurvan symmetrisk (enkelpumpad) även för spontan fission, och fragmentens kinetiska energier är ovanligt höga. En förståelse för dessa massfördelningar har varit ett av de viktigaste pusselarna i fission, och en fullständig teoretisk tolkning saknas fortfarande, om än mycket framsteg har gjorts (se nedan).