Fision nuclear d'un atomu d'uraniu-235.
En
fisica nuclear
, la
fision
ye una
reaccion nuclear
, lo que significa que tien llugar nel
nucleu
atomicu
. La fision asocede cuando un nucleu pesau estremar en dos o mas nucleos pequenos, amas de dalgunos
subproducto
como
neutrones llibres
,
fotones
(xeneralmente
rayu gamma
) y otros fragmentos del nucleu como
particules alfa
(nucleos d'
heliu
) y
beta
(
electrones
y
positrones
d'alta enerxia).
La fision de nucleos pesaos ye un procesu
exotermico
, lo que supon que se lliberar cantidaes sustanciales d'
enerxia
. El procesu xenera muncha mas enerxia que la lliberada nes
reacciones quimiques
convencionales, nes que tan implicaes les
corteces electroniques
; la enerxia emitese, tantu en forma de
radiacion gamma
como d'
enerxia cinetica
de los fragmentos de la fision, que van calecer la
materia
que s'atope alredor del espaciu onde se produza la fision.
La fision puede inducise por dellos metodos, incluyendo'l bombardeu del nucleu d'un atomu fisionable con una particula de la enerxia correuta; la particula ye xeneralmente un neutron llibre. Esti neutron llibre ye absorbiu pol nucleu, faciendolo inestable (a manera d'exemplu, podria pensase na inestabilida d'una piramide de naranxes nel supermercau, al llanzase una naranxa contra ella a la velocida correuta). El nucleu inestable entos va partise en dos o mas cachos: los productos de la fision qu'incluin dos nucleos mas pequenos, hasta siete neutrones llibres (con una media de dos y mediu por reaccion), y dellos fotones.
Los nucleos atomicos llanzaos como productos de la fision pueden ser dellos
elementos quimicos
. Los elementos que se producen son resultau del azar, pero estadisticamente la resultancia mas probable ye atopar nucleos cola meta de
protones
y
neutrones
del atomu fisionado orixinal.
Los productos de la fision son xeneralmente altamente radiactivos, nun son
isotopos
estables; estos isotopos entos aparren, por aciu
cadenes de desintegracion
.
Fision fria y frayatu de pares de nucleones
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La mayor parte de les investigaciones sobre fision nuclear basar na distribucion de masa y enerxia cinetica de los fragmentos de fision. Sicasi, esta distribucion ye alteriada pola emision de neutrones per parte de los fragmentos enantes de llegar a los detectores.
Anque con bien baxa probabilida, nos esperimentos detectaronse eventos de fision fria, ye dicir fragmentos con tan baxa enerxia d'escitacion que nun emiten neutrones. Sicasi, enta nesos casos, reparar el frayatu de pares de nucleones, la que se manifiesta como igual probabilida de llograr fragmentos con numberu par o impar de
nucleones
. Los resultaos d'estos esperimentos dexen entender meyor la dinamica de la fision nuclear hasta'l puntu de dixebra, esto ye, primero que s'esmoreza la fuercia nuclear ente los fragmentos.
La fision nuclear de los atomos afayose en
1938
polos investigadores
Otto Hahn
y
Fritz Strassmann
a partir del trabayu desenvueltu por el mesmu Hahn xunto a
Lise Meitner
mientres anos anteriores. Por esti descubrimientu recibio en
1944
el
Premiu Nobel
de
quimica
. L'estudiu de la fision nuclear considerase parte de los campos de la quimica nuclear y la fisica.
- Anque la fision ye prauticamente la desintegracion de materia radiactivo, empezada de cutiu de la manera mas facil posible (induciu), que ye l'absorcion d'un neutron llibre, puede tamien ser inducida llanzando otres coses nun nucleu fisionable. Estes otres coses pueden incluyir protones, otros nucleos, o enta los fotones de gran enerxia en cantidaes bien altes (porciones de rayu gamma).
- Bien escasamente, un nucleu fisionable va esperimentar la fision nuclear bonal ensin un neutron entrante.
- Cuanto mas pesau ye un elementu mas facil ye inducir el so fision. La fision en cualesquier elementu mas pesau que'l
fierro
produz enerxia, y la fision en cualesquier elementu mas llixeru que'l fierro rique enerxia. Lo contrario tamien ye verda nes reacciones de
fusion nuclear
(la fusion de los elementos mas llixeros que'l fierro produz enerxia y la fusion de los elementos mas pesaos que'l fierro rique enerxia).
- Los elementos mas frecuentemente usaos pa producir la fision nuclear son el
uraniu
y el
plutoniu
. L'uraniu ye l'elementu natural mas pesau; el plutoniu esperimenta desintegraciones bonales y tien un
periodu de vida
llindau. Con eses anque otros elementos pueden ser utilizaos, estos tienen la meyor combinacion de bayura y facilida de fision.
Una reaccion en cadena asocede como sigue: un acontecimientu de fision empieza llanzando 2 o 3 neutrones en permediu como subproductos. Estos neutrones escapar en direiciones al azar y cuten otros nucleos, afalando a estos nucleos a esperimentar fision. Puesto que cada acontecimientu de fision llanza 2 o mas neutrones, y estos neutrones inducen otres fisiones, el procesu acelerase rapido y causa la reaccion en cadena. El numberu de neutrones qu'escapen d'una cantida d'uraniu depende del so area superficial. Solamente los materiales
fisibles
son capaces de sostener una reaccion en cadena ensin una fonte de neutrones esterna.
Por que la reaccion en cadena de fision llevar a cabu ye necesariu afaer la velocida de los neutrones llibres, ya que si impacten con gran velocida sobre'l nucleu del elementu fisible, pue que a cencielles travesar o lo impacte, y que esti nun lo absuerba.
La masa critico ye la minima cantida de material riquida por que'l material esperimente una reaccion nuclear en cadena. La masa critico d'un elementu fisionable depende del so
densida
y de la so forma fisica (barra llarga, cubu, esfera, etc.). Puesto que los neutrones de la fision emitir en direiciones al azar, pa maximizar les ocasiones d'una reaccion en cadena, los neutrones tendran de viaxar tan llone como seya posible y de esa forma maximizar les posibilidaes de que cada neutron topete con otru nucleu. Asina, una esfera ye la meyor forma y la peor ye probablemente una fueya esplanada, ya que la mayoria de los neutrones volarien de la superficie de la fueya y nun topetarien con otros nucleos.
Tamien ye importante la densida del material. Si'l material ye gaseosu, ye pocu probable que los neutrones topeten con otru nucleu porque hai demasiau espaciu vaciu ente los atomos y un neutron volaria probablemente ente ellos ensin cutir nada. Si'l material poner so alta presion, los atomos van tar muncho mas cercanos y la probabilida d'una reaccion en cadena ye muncho mas alta. L'alta compresion puede ser algamada poniendo'l material nel centru d'una
implosion
, o llanzando un cachu d'ella contra otru cachu d'ella bien fuertemente (con una carga esplosiva, por casu). Una masa critico del material qu'empezo una reaccion en cadena dizse que se convierte en supercritica.
Namai con xuntar enforma uraniu nun solu llugar nun ye abondu como pa empezar una reaccion en cadena. Los neutrones son emitios por un nucleu en fision a una velocida bien elevada. Esto significa que los neutrones van escapar del nucleu primero que tengan oportunida de cutir cualesquier otru nucleu (por cuenta de un efeutu relativista).
Un neutron de movimientu lentu llamase
neutron termicu
y solamente esta velocida del neutron puede inducir una reaccion de fision. Con eses tenemos cuatro velocidaes de neutrones:
- Un neutron (non-termicu) rapido va escapase del material ensin interaccion;
- Un neutron de velocida mediana va ser prindau pol nucleu y va tresformar el material nun
isotopu
(pero nun induciria la fision).
- Un neutron de movimientu lentu (termicu) va inducir a un nucleu a qu'esperimente la fision.
- Un neutron movil realmente lentu va ser prindau o va escapar, pero nun va causar fision.
Dellos anos enantes del descubrimientu de la fision, la manera avezada de retrasar los neutrones yera faelos pasar al travies d'un material de
pesu atomicu
baxu, tal como un material hidrogenoso. El procesu de retrasu o de moderacion ye a cencielles una secuencia de choques elasticos ente les particules d'alta velocida y les particules prauticamente en reposu. Cuanto mas asemeyaes seyan les mases del neutron y de la particula cutida, mayor ye la perda d'enerxia cinetica pol neutron. Polo tanto los elementos llixeros son los mas eficaces como moderadores de neutrones.
A unos cuantos fisicos nos anos 30 asocediose-yos la posibilida d'entemecer l'uraniu con un moderador: si fueren entemecios correutamente, los neutrones d'alta velocida de la fision podrien ser retrasaos al rebotar nun moderador, cola velocida correuta, pa inducir la fision n'otros atomos d'uraniu. Les carauteristiques d'un bon moderador son: pesu atomicu baxu y baxa o nulu enclin a absorber los neutrones. Los moderadores posibles son entos l'
hidroxenu
,
heliu
,
litiu
,
beriliu
,
boru
y
carbonu
. El litiu y el boro absuerben los neutrones facilmente, asina que s'escluin. L'heliu ye malo d'utilizar porque ye un gas y nun forma nengun compuestu. La opcion de moderadores taria entos ente l'hidroxenu,
deuteriu
, el beriliu y el carbonu. Fueron
Enrico Fermi
y
Leo Szilard
quien propunxeron primero l'usu de
grafitu
(una forma de carbonu) como moderador pa una reaccion en cadena. El deuteriu ye'l meyor tecnologicamente (introduciu nel
agua pesao
), sicasi'l grafitu ye muncho mas economicu.
L'uraniu natural componer de tres isotopos:
234
O
(0,006%),
235
O
(0,7%), y
238
O
(99,3%). La velocida riquida por que se produza un acontecimientu de fision y non un acontecimientu de captura ye distinta pa cada isotopu.
L'uraniu-238 tiende a prindar neutrones de velocida entemedia, creando
239
O, qu'aparra ensin fision a
plutoniu
-239, que si ye fisible. Por cuenta de la so capacida de producir material fisible, a esti tipu de materiales suelse-yos llamar fertiles.
Los neutrones d'alta velocida (52.000 km/s), como los producios nuna reaccion de fusion
tritiu
-
deuteriu
, pueden fisionar l'uraniu-238. Sicasi los producios pola fision del uraniu-235, d'hasta 28.000 km/s, tienden a rebotar inelasticamente con el, lo cual los desacelera. Nun reactor nuclear, el
238
O tiende, pos, tantu a desacelerar los neutrones d'alta velocida provenientes de la fision del uraniu-235 como a prindalos (cola consiguiente transmutacion a plutoniu-239) cuando la so velocida moderase.
L'uraniu-235 fisiona con una gama muncho mas amplia de velocidaes de neutrones que'l
238
O. Puesto que l'uraniu-238 afecta a munchos neutrones ensin inducir la fision, tenelo nel amiestu ye contraproducente pa promover la fision. Ello ye que la probabilida de la fision del
235
O con neutrones de velocida alta pue ser lo suficientemente alzada como pa faer que l'usu d'un moderador seya innecesariu una vegada que se suprimiera'l
238
O.
Sicasi, el
235
O ta presente nel uraniu natural en cantidaes bien amenorgaes (una parte por cada 140). La diferencia relativamente pequena en masa ente los dos isotopos fai, amas, que la so separacion seya dificil. La posibilida de dixebrar
235
O foi afayada con bastante rapidez nel
proyeutu Manhattan
, lo que tuvo gran importancia pal so esitu.