ROZSZCZEPIANIE I SYNTEZA JĄDROWA

    W roku 1934 Enrico Fermi i Emilio Segre przeprowadzili doświadczenie, w którym bombardowali uran neutronami. Zaobserwowali rozpady beta. Nie zgadzało się to z dotychczasową wiedzą, ponieważ jak było wiadomo uran rozpadał się z emisją cząsteczek alfa, a nie beta. Tymczasem obserwowano emisję beta. Naukowcom wydawało się więc, iż w wyniku bombardowania neutronami powstają nowe pierwiastki - transuaranowce rozpadające się właśnie w rozpadzie beta.
    W 1938 roku dwaj naukowcy Otto Hahn i Fritz Strassman zauważyli, że jednym z produktów reakcji przeprowadzonej przez Fermiego i Segre jest izotop baru ¹⁴¹₅₆Ba. Rok później Otto Frisch i Lisa Meitner zaproponowali teorię, zgodnie z którą, jądro uranu jest rozszczepiane na dwa fragmenty: ¹⁴¹₅₆Ba i ⁹²₃₆Kr. Wyemitowane zostają też neutrony.
    Możemy teraz zapisać inną reakcję rozszczepienia uranu przebiegającą w wyniku bombardowania powolnymi neutronami, która wygląda tak:

    Ostrzeliwany neutronem uran zmienia się w bardzo nietrwały izotop uranu ²³⁶₉₂U*, który następnie rozpada się na bar i krypton z emisją trzech neutronów i dużej ilości energii (Q).
    Istnieją też inne rodzaje rozpadu uranu. Na przykład:

    W tym wypadku powstaje stront i ksenon oraz emitowane są dwa neutrony i energia.
    Ogólnie można zapisać:

gdzie: A i B są produktami rozszczepienia. Neutrony bombardujące uran są neutronami powolnymi. Teorię spowalniania neutronów opracował Enrico Fermi.
    Powstałe w wyniku rozszczepienia związki mogą następnie same ulegać rozpadowi promieniotwórczemu. To właśnie cząsteczki beta z takiego rozpadu obserwował Fermi w swoim doświadczeniu.

    W czasie rozszczepiania atomów zostaje wyemitowana duża porcja energii. Aby pokazać ile to energii, rozpatrzmy rozszczepienie uranu - ²³⁶₉₂U*. Efektem końcowym w rozpatrywanym przypadku są jądra ¹⁴⁰₅₈Ce i ⁹⁴₄₀Zr, sześć cząsteczek beta, dwa neutrony. Zapiszmy całkowitą masę na początku i na końcu:

• na początku mamy:

• na końcu mamy:

    Tak więc w czasie reakcji ubyło ~0,233 u masy - została ona zamienione na energię. Zgodnie z równaniem Einsteina równoważności masy i energii, energia która się wydzieliła równa jest ~208 MeV. Dla porównania energia wyemitowana w rozpadzie alfa jest ponad 40 razy mniejsza i wynosi ~5 MeV.
    W czasie rozszczepiania jąder uranu następuje emisja pewnej liczby neutronów. Neutrony te mogą wywoływać kolejne rozszczepienia w próbce uranu. A każde kolejne rozszczepienie powoduje wyzwolenie energii i emisję następnych neutronów. Reakcja ta staje się łańcuchową reakcją samopodtrzymującą.
    2 grudnia 1942 roku na University of Chicago został uruchomiony pierwszy reaktor jądrowy (nazywany stosem atomowym) zbudowany przez Enrico Fermiego.

Innym rodzajem reakcji jądrowych jest reakcja syntezy. Od wielu wieków naukowcy zastanawiali skąd Słońce i inne gwiazdy czerpią swoją energię. Gdyby było to klasyczne spalanie, Słońce zgasłoby po niezbyt długim czasie. W 1938 roku Hans Albrecht Bethe (ur. 1906) stwierdził, iż mechanizmem zapewniającym Słońcu energię jest właśnie synteza jądrowa. Synteza ta miała polegać na łączeniu się dwóch jąder w jedno cięższe jądro z emisją znacznej ilości energii. Reakcje takie mogą zachodzić we wnętrzu gwiazd, czyli w środowisku o bardzo wysokiej temperaturze i ciśnieniu. Atomy w takich warunkach są silnie zjonizowane i tworzą gorącą plazmę. W takich warunkach zachodzi synteza jąder atomowych i zostaje wyzwolona wielka energia. Według Bethego cykl syntezy miał wyglądać w następujący sposób:

gdzie:
to neutrina, ⁰₊₁e pozytony.
    Ostatecznie z tych sześciu równań otrzymujemy:

gdzie: Q wydzielona energia.
    Zobatrzmy teraz jak wygląda bilans mas:

• przed reakcją:

• po reakcji:

    Ubyło więc ~0,0273 u. Została wydzielona energia w ilości ~25,7 MeV.
    Kolejnym znanym cyklem syntezy jądrowej jest tak zwany cykl protonowy-protonowy:

    Daje on energię w ilości ~26,2 MeV.

    Czy można wykorzystać syntezę jądrową do wytworzenia energii na Ziemi podobnie jak robi się to ze zjawiskiem rozszczepiania jąder? Tak. Jednak jest to znacznie trudniejsze. Trudno jest zbudować pomieszczenie do otrzymywania i przechowywania bardzo gorącej plazmy. Stosuje się specjalne pułapki magnetyczne, w których w specjalnie dobranych polach magnetycznych więzi się gorące jony. Buduje się specjalne urządzenia zwane tokamakami, w których pracuje się nad syntezą jądrową.

---