ბირთვის გაყოფა არის მძიმე ატომის დაყოფა დაახლოებით თანაბარი მასის ორ ფრაგმენტად, რასაც თან ახლავს დიდი რაოდენობით ენერგიის გამოყოფა.
ბირთვული დაშლის აღმოჩენამ დაიწყო ახალი ერა - "ატომური ხანა". მისი შესაძლო გამოყენების პოტენციალმა და რისკის თანაფარდობამ სარგებლობასთან დაკავშირებით არა მხოლოდ მრავალი სოციოლოგიური, პოლიტიკური, ეკონომიკური და სამეცნიერო მიღწევა, არამედ სერიოზული პრობლემები შექმნა. წმინდა მეცნიერული თვალსაზრისითაც კი, ბირთვული დაშლის პროცესმა უამრავი თავსატეხი და გართულება შექმნა და ამის სრული თეორიული ახსნა მომავლის საქმეა.
გაზიარება მომგებიანია
შეკავშირების ენერგიები (თითო ნუკლეონზე) განსხვავდება სხვადასხვა ბირთვებისთვის. უფრო მძიმეებს აქვთ უფრო დაბალი შებოჭვის ენერგია, ვიდრე პერიოდული ცხრილის შუაში მდებარეებს.
ეს ნიშნავს, რომ მძიმე ბირთვები 100-ზე მეტი ატომური რიცხვით სარგებლობენ ორ პატარა ფრაგმენტად დაყოფით, რითაც გამოიყოფა ენერგია, რომელიცგარდაიქმნება ფრაგმენტების კინეტიკურ ენერგიად. ამ პროცესს ატომის ბირთვის გაყოფა ეწოდება.
მდგრადობის მრუდის მიხედვით, რომელიც აჩვენებს პროტონების რაოდენობის დამოკიდებულებას ნეიტრონების რაოდენობაზე სტაბილური ნუკლიდებისთვის, მძიმე ბირთვებს ურჩევნიათ მეტი ნეიტრონი (პროტონების რაოდენობასთან შედარებით), ვიდრე მსუბუქს. ეს იმაზე მეტყველებს, რომ გაყოფის პროცესთან ერთად, გარკვეული „სათადარიგო“ნეიტრონები გამოიყოფა. გარდა ამისა, ისინი ასევე მიიღებენ გამოთავისუფლებულ ენერგიას. ურანის ატომის ბირთვული დაშლის კვლევამ აჩვენა, რომ გამოიყოფა 3-4 ნეიტრონი: 238U → 145La + 90Br + 3n.
ფრაგმენტის ატომური რიცხვი (და ატომური მასა) არ უდრის მშობლის ატომური მასის ნახევარს. გაყოფის შედეგად წარმოქმნილ ატომების მასებს შორის განსხვავება ჩვეულებრივ დაახლოებით 50-ია. თუმცა ამის მიზეზი ჯერ ბოლომდე არ არის გასაგები.
238U, 145La და 90Br არის 1803წ. 1198 და 763 მევ, შესაბამისად. ეს ნიშნავს, რომ ამ რეაქციის შედეგად გამოიყოფა ურანის ბირთვის დაშლის ენერგია, რომელიც უდრის 1198 + 763-1803=158 მევ.
სპონტანური გაყოფა
სპონტანური გაყოფის პროცესები ცნობილია ბუნებაში, მაგრამ ისინი ძალიან იშვიათია. ამ პროცესის საშუალო სიცოცხლის ხანგრძლივობაა დაახლოებით 1017 წელი და, მაგალითად, იმავე რადიონუკლიდის ალფა დაშლის საშუალო სიცოცხლის ხანგრძლივობა არის დაახლოებით 1011.წელი.
ამის მიზეზი ის არის, რომ იმისათვის, რომ გაიყოს ორ ნაწილად, ბირთვი უნდაჯერ განიცდიან დეფორმაციას (გაჭიმვას) ელიფსოიდური ფორმისკენ, შემდეგ კი, საბოლოო გაყოფამდე ორ ნაწილად, ქმნიან „კისერი“შუაში.
პოტენციური ბარიერი
დეფორმირებულ მდგომარეობაში ბირთვზე მოქმედებს ორი ძალა. ერთ-ერთი მათგანია გაზრდილი ზედაპირის ენერგია (თხევადი წვეთების ზედაპირული დაძაბულობა ხსნის მის სფერულ ფორმას) და მეორე არის კულონის მოგერიება დაშლის ფრაგმენტებს შორის. ისინი ერთად ქმნიან პოტენციურ ბარიერს.
როგორც ალფა დაშლის შემთხვევაში, იმისათვის, რომ მოხდეს ურანის ატომის ბირთვის სპონტანური დაშლა, ფრაგმენტებმა უნდა გადალახონ ეს ბარიერი კვანტური გვირაბის გამოყენებით. ბარიერი არის დაახლოებით 6 მევ, როგორც ალფა დაშლის შემთხვევაში, მაგრამ α ნაწილაკების გვირაბის ალბათობა ბევრად აღემატება ბევრად უფრო მძიმე ატომის დაშლის პროდუქტს.
იძულებითი გაყოფა
უფრო სავარაუდოა, რომ გამოწვეულია ურანის ბირთვის დაშლა. ამ შემთხვევაში, მთავარი ბირთვი დასხივებულია ნეიტრონებით. თუ მშობელი შთანთქავს მას, ისინი აკავშირებენ, ათავისუფლებენ შემაკავშირებელ ენერგიას ვიბრაციული ენერგიის სახით, რომელიც შეიძლება აღემატებოდეს 6 მევ-ს, რომელიც საჭიროა პოტენციური ბარიერის დასაძლევად.
სადაც დამატებითი ნეიტრონის ენერგია არასაკმარისია პოტენციური ბარიერის დასაძლევად, შემხვედრ ნეიტრონს უნდა ჰქონდეს მინიმალური კინეტიკური ენერგია, რათა შეძლოს ატომის გაყოფის გამოწვევა. 238U ბმის ენერგიის დამატებითნეიტრონებს აკლია დაახლოებით 1 მევ. ეს ნიშნავს, რომ ურანის ბირთვის დაშლა გამოწვეულია მხოლოდ ნეიტრონით, რომლის კინეტიკური ენერგია 1 მევ-ზე მეტია. მეორე მხრივ, იზოტოპს 235U აქვს ერთი დაუწყვილებელი ნეიტრონი. როდესაც ბირთვი შთანთქავს დამატებითს, იგი აყალიბებს მასთან წყვილს და ამ დაწყვილების შედეგად ჩნდება დამატებითი შებოჭვის ენერგია. ეს საკმარისია იმისთვის, რომ გაათავისუფლოს ბირთვის მიერ პოტენციური ბარიერის დასაძლევად საჭირო ენერგიის რაოდენობა და იზოტოპის გაყოფა ხდება ნებისმიერ ნეიტრონთან შეჯახებისას.
ბეტა დაშლა
მიუხედავად იმისა, რომ დაშლის რეაქცია ასხივებს სამ ან ოთხ ნეიტრონს, ფრაგმენტები მაინც შეიცავს უფრო მეტ ნეიტრონს, ვიდრე მათი სტაბილური იზობარები. ეს ნიშნავს, რომ დაშლის ფრაგმენტები ზოგადად არასტაბილურია ბეტა დაშლის მიმართ.
მაგალითად, როდესაც ურანის დაშლა ხდება 238U, სტაბილური იზობარი A=145 არის ნეოდიმი 145Nd, რაც ნიშნავს რომ ლანთანუმის ფრაგმენტი 145La იშლება სამ ეტაპად, ყოველ ჯერზე ასხივებს ელექტრონს და ანტინეიტრინოს, სანამ არ წარმოიქმნება სტაბილური ნუკლიდი. სტაბილური იზობარი A=90-ით არის ცირკონიუმი 90Zr, ამიტომ ბრომის გაყოფის ფრაგმენტი 90Br იშლება β-დაშლის ჯაჭვის ხუთ ეტაპად.
ეს β-დაშლის ჯაჭვები ათავისუფლებს დამატებით ენერგიას, რომელიც თითქმის ყველა გადატანილია ელექტრონებითა და ანტინეიტრინოებით.
ბირთვული რეაქციები: ურანის ბირთვების დაშლა
ნეიტრონის პირდაპირი გამოსხივება ნუკლიდიდანაცმათი დიდი რაოდენობა ბირთვის სტაბილურობის უზრუნველსაყოფად ნაკლებად სავარაუდოა. აქ საქმე ისაა, რომ არ არსებობს კულონის მოგერიება და, შესაბამისად, ზედაპირის ენერგია მიდრეკილია ნეიტრონის მშობელთან კავშირში შეინარჩუნოს. თუმცა, ეს ზოგჯერ ხდება. მაგალითად, დაშლის ფრაგმენტი 90Br ბეტა დაშლის პირველ ეტაპზე წარმოქმნის კრიპტონ-90-ს, რომელიც შეიძლება იყოს აღგზნებულ მდგომარეობაში, საკმარისი ენერგიით, რომ გადალახოს ზედაპირის ენერგია. ამ შემთხვევაში ნეიტრონების ემისია შეიძლება მოხდეს უშუალოდ კრიპტონ-89-ის წარმოქმნით. ეს იზობარი ჯერ კიდევ არასტაბილურია β დაშლის მიმართ, სანამ არ გადაიქცევა სტაბილურ იტრიუმ-89-მდე, ამიტომ კრიპტონი-89 იშლება სამ საფეხურზე.
ურანის დაშლა: ჯაჭვური რეაქცია
დაშლის რეაქციაში გამოსხივებული ნეიტრონები შეიძლება შეიწოვოს სხვა მშობელი ბირთვით, რომელიც შემდეგ თავად განიცდის ინდუცირებულ დაშლას. ურანი-238-ის შემთხვევაში, სამი ნეიტრონი, რომელიც წარმოიქმნება, გამოდის 1 მევ-ზე ნაკლები ენერგიით (ურანის ბირთვის დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ენერგია - 158 მევ - ძირითადად გარდაიქმნება დაშლის ფრაგმენტების კინეტიკურ ენერგიად.), ამიტომ მათ არ შეუძლიათ გამოიწვიონ ამ ნუკლიდის შემდგომი დაშლა. თუმცა, იშვიათი იზოტოპის მნიშვნელოვანი კონცენტრაციით 235U, ამ თავისუფალ ნეიტრონებს შეუძლიათ დაიჭირონ 235U ბირთვები, რამაც შეიძლება მართლაც გამოიწვიოს გაყოფა, ვინაიდან ამ შემთხვევაში არ არსებობს ენერგეტიკული ბარიერი, რომლის ქვემოთაც დაშლა არ არის გამოწვეული.
ეს არის ჯაჭვური რეაქციის პრინციპი.
ბირთვული რეაქციების ტიპები
დავცეთ k არის ამ ჯაჭვის n სტადიაზე დაშლილი მასალის ნიმუშში წარმოქმნილი ნეიტრონების რაოდენობა, გაყოფილი n - 1 ეტაპზე წარმოქმნილი ნეიტრონების რაოდენობაზე. ეს რიცხვი დამოკიდებული იქნება იმაზე, თუ რამდენი ნეიტრონი წარმოიქმნება ეტაპი n - 1, შეიწოვება ბირთვის მიერ, რომელიც შეიძლება განიცადოს იძულებითი დაშლა.
• თუ k < არის 1, მაშინ ჯაჭვური რეაქცია უბრალოდ ჩაქრება და პროცესი ძალიან სწრაფად შეჩერდება. ეს არის ზუსტად ის, რაც ხდება ბუნებრივ ურანის საბადოში, რომელშიც 235U კონცენტრაცია იმდენად დაბალია, რომ ამ იზოტოპის მიერ ერთ-ერთი ნეიტრონის შთანთქმის ალბათობა უკიდურესად უმნიშვნელოა..
• თუ k > 1, მაშინ ჯაჭვური რეაქცია გაიზრდება მანამ, სანამ არ გამოიყენებ მთელ გაფანტულ მასალას (ატომური ბომბი). ეს მიიღწევა ბუნებრივი მადნის გამდიდრებით ურანი-235-ის საკმარისად მაღალი კონცენტრაციის მისაღებად. სფერული ნიმუშისთვის k-ის მნიშვნელობა იზრდება ნეიტრონის შთანთქმის ალბათობის მატებასთან ერთად, რაც დამოკიდებულია სფეროს რადიუსზე. ამიტომ, U-ის მასა უნდა აღემატებოდეს გარკვეულ კრიტიკულ მასას, რათა მოხდეს ურანის ბირთვების დაშლა (ჯაჭვური რეაქცია).
• თუ k=1, მაშინ ხდება კონტროლირებადი რეაქცია. ეს გამოიყენება ბირთვულ რეაქტორებში. პროცესი კონტროლდება ურანის შორის კადმიუმის ან ბორის ღეროების განაწილებით, რომლებიც შთანთქავენ ნეიტრონების უმეტეს ნაწილს (ამ ელემენტებს აქვთ ნეიტრონების დაჭერის უნარი). ურანის ბირთვის გაყოფა ავტომატურად კონტროლდება ღეროების გადაადგილებით ისე, რომ k-ის მნიშვნელობა დარჩეს ერთის ტოლი.
