pembelahan nuklear(Pembelahan nuklear)

english Nuclear fission

ringkasan

  • tindak balas nuklear di mana nukleus besar dipecah menjadi nukleus yang lebih kecil dengan pembebasan tenaga serentak
  • pembiakan beberapa organisma uniselular dengan pembahagian sel menjadi dua bahagian yang lebih kurang sama
  • proses organik yang terdiri daripada pembahagian nukleus sel semasa mitosis atau meiosis

Gambaran keseluruhan

Dalam fizik nuklear dan kimia nuklear, pembelahan nuklear adalah sama ada tindak balas nuklear atau proses pereputan radioaktif di mana nukleus atom berpecah kepada bahagian yang lebih kecil (nukleus yang lebih ringan). Proses pembelahan sering menghasilkan neutron bebas dan foton gamma, dan mengeluarkan sejumlah besar tenaga walaupun oleh piawaian bertenaga peluruhan radioaktif.
Pembelahan nuklear unsur-unsur berat ditemui pada 17 Desember 1938 oleh Otto Hahn dan pembantunya Fritz Strassmann, dan secara teori diterangkan pada bulan Januari 1939 oleh Lise Meitner dan keponakannya Otto Robert Frisch. Frisch menamakan proses itu dengan analogi dengan pembiakan biologi sel hidup. Ia adalah tindak balas eksotermik yang boleh melepaskan sejumlah besar tenaga sama seperti radiasi elektromagnetik dan sebagai tenaga kinetik serpihan (pemanasan bahan pukal di mana pembelahan berlaku). Agar pembelahan menghasilkan tenaga, jumlah tenaga mengikat unsur-unsur yang dihasilkan mestilah lebih negatif (tenaga mengikat yang lebih besar) daripada unsur permulaan.
Pembelahan adalah satu bentuk transmutasi nuklear kerana serpihan yang dihasilkan bukan unsur yang sama dengan atom asal. Kedua-dua nukleus yang dihasilkan paling kerap adalah saiz setanding tetapi sedikit berbeza, biasanya dengan nisbah jisim produk kira-kira 3 hingga 2, untuk isotop fisil biasa. Kebanyakan cecair adalah perisai binari (menghasilkan dua serpihan yang dikenakan), tetapi kadang-kadang (2 hingga 4 kali setiap 1000 peristiwa), tiga serpihan bermuatan positif dihasilkan, dalam pembelahan ternary. Yang paling kecil dari serpihan ini dalam proses ternari berkisar dari saiz proton ke nukleus argon.
Selain dari pembelahan yang disebabkan oleh neutron, dimanfaatkan dan dieksploitasi oleh manusia, bentuk semula jadi kerosakan radioaktif spontan (tidak memerlukan neutron) juga disebut sebagai pembelahan, dan berlaku terutamanya dalam isotop bilangan massa yang sangat tinggi. Pembelahan spontan ditemui pada tahun 1940 oleh Flyorov, Petrzhak dan Kurchatov di Moscow, apabila mereka memutuskan untuk mengesahkan bahawa, tanpa pengeboman oleh neutron, kadar fisi uranium tidak dapat diabaikan, seperti yang diramalkan oleh Niels Bohr; ia bukan.
Komposisi produk yang tidak dapat diramalkan (yang bervariasi dalam kebarangkalian yang luas dan agak huru-hara) membezakan pembelahan daripada proses terowong kuantum semata-mata seperti pelepasan proton, pelepasan alfa, dan keretakan kluster, yang memberikan produk yang sama setiap kali. Pembelahan nuklear menghasilkan tenaga untuk kuasa nuklear dan memacu letupan senjata nuklear. Kedua-dua kegunaan adalah mungkin kerana bahan tertentu yang disebut bahan api nuklear mengalami pembelahan apabila disentuh oleh neutron pembelahan, dan seterusnya memancarkan neutron ketika mereka pecah. Ini menjadikan reaksi rantai nuklear dapat mengekalkan diri, melepaskan tenaga pada kadar terkawal dalam reaktor nuklear atau pada kadar yang sangat cepat, tidak terkawal dalam senjata nuklear.
Jumlah tenaga bebas yang terkandung dalam bahan api nuklear adalah berjuta-juta kali jumlah tenaga bebas yang terkandung dalam jisim kimia yang serupa seperti petrol, menjadikan pembelahan nuklear sebagai sumber tenaga yang sangat padat. Walau bagaimanapun, produk pembelahan nuklear adalah lebih tinggi radioaktif daripada unsur berat yang biasanya dipecat sebagai bahan bakar, dan kekal untuk jangka masa yang besar, yang menimbulkan masalah sisa nuklear. Kebimbangan mengenai pengumpulan sisa nuklear dan potensi pemusnahan senjata nuklear adalah mengimbangi keinginan yang aman untuk menggunakan pembelahan sebagai sumber tenaga.

Nukleus uranium 235 2 3 5 U atau nukleida fissile tidak semestinya tidak stabil dan diserap apabila neutron, terutamanya neutron termal bertabrakan dengannya, dan sebahagian daripadanya menjadi uranium stabil 236 2 3 6 U. Nukleus nuklei dipecah, mewujudkan dua , dan kadang-kadang tiga, nukleus dari masing-masing. Ini dipanggil produk pembelahan. Pembelahan 2 3 5 U, nukleus dengan nombor jisim dari 70 hingga 160 dibentuk, di mana kebarangkalian generasi adalah yang paling tinggi berhampiran 95 dan 138. Hampir semua produk pembelahan adalah radioaktif dan menjadi nukleus yang stabil dengan purata tiga pelepasan radioaktif . Berdasarkan eksperimen bom atom Gugur Abu yang disebut mati adalah produk utama produk fisi radioaktif ini. Fisi tenaga 1Mt setiap setengah hayat 27. Strontium 1995 90 9 0 Sr 100,000 Curie (1 Curie = 3.7 × 10 1 0 Bq) 30. 2.0 tahun Cesium 137 1 3 7 Cs 160,000 Curie, 8. 05 hari Iodine 131 1 3 1 Saya menjana 100 juta Curies, dan jika letupan berlaku di atmosfer, jumlah keseluruhan dibebaskan ke persekitaran. Sebilangan besar produk pembelahan juga dihasilkan dalam operasi reaktor nuklear seperti loji kuasa nuklear. Apabila reaktor air bertekanan dengan keluaran elektrik sebanyak 1.1 juta kW ditutup selepas 300 hari operasi berterusan, jumlah produk pembelahan dalam reaktor mencapai 14 bilion kurier. Walau bagaimanapun, ini cepat merosot, kira-kira 1 bilion Curie selepas satu bulan dan 150 juta Curie selepas satu tahun. Banyak produk pembelahan ini dibina ke dalam batang bahan bakar, dan beberapa gas mulia radioaktif dan halogen keluar dari elemen bahan api, tetapi hampir semuanya disimpan dalam reaktor. Walau bagaimanapun, sesetengah boleh dilepaskan ke dalam alam sekitar semasa kemalangan.
Jiro Inaba

Berlaku dalam nukleus berat seperti uranium, plutonium dan thorium Tindak balas nuklear Fenomena di mana nukleus ini terbahagi kepada dua nukleus yang mempunyai saiz yang sama. Juga dikenali sebagai pembelahan nuklear. Apabila nukleus teruja oleh neutron, proton, zarah alfa, foton, dan sebagainya, mereka mungkin berpecah, tetapi kadang kala mereka berpecah secara spontan. Ini dipanggil pembelahan spontan. Bahan yang boleh dipisahkan dipanggil bahan fisil, nukleus yang terhasil daripada pembelahan dipanggil pecahan fisi, dan suatu pembelahan di mana perbezaan massa antara kedua-dua serpihan fisi adalah agak besar dipanggil pembelahan asimetrik. Dalam pembelahan uranium yang disebabkan oleh neutron lambat, nisbah massa pecahan pecah biasanya lebih kurang 95: 140.

Sejarah penemuan dan penyelidikan

Pada tahun 1938, O. Hahn, bersama-sama dengan F. Strassman, neutron iradiasi kepada uranium (nombor atom 92), unsur paling berat di alam semula jadi, dan dengan teliti menganalisis jumlah tindak balas produk reaksi yang dihasilkan. Kehadiran barium (nombor atom 56) telah dijumpai. Kolaborasi bekas Hahn L. Maitner memberitahu kita mengenai hasil percubaan ini dan, dengan OR Frisch, menerangkan fenomena ini sebagai pembelahan di mana nombor atom 92 uranium pecah menjadi nombor atom 56 barium dan nombor atom 36 kripton. lakukan. JF Jorio Curie, sebaliknya, menunjukkan dalam eksperimen pintar bahawa pembelahan uranium langsung melompat keluar barium yang sangat cepat. Ini bermakna bahawa sejumlah besar tenaga dilepaskan semasa pembelahan. Sebenarnya, tenaga kinetik fragmen pembelotan menyumbang sebahagian besar tenaga pelepasan yang besar. Tenaga yang dikeluarkan apabila satu nukleus uranium dipecah ialah kira-kira 200 MeV, iaitu tenaga yang dibebaskan apabila, misalnya, satu atom karbon bertindak balas secara kimia dengan satu molekul oksigen (iaitu, terbakar karbon). Ia adalah 50 juta kali 4eV. Dengan cara ini, tenaga yang dijana apabila semua 1 kg uranium dipancarkan adalah sebanding dengan tenaga apabila kira-kira 3000 tan arang batu berkualiti baik dibakar. Inilah sebab utama mengapa tenaga nuklear, yang dipanggil kuasa nuklear, adalah sumber tenaga penting. Walau bagaimanapun, ia sebenarnya mungkin menggunakannya sebagai kuasa kerana satu atau lebih neutron dilepaskan semasa pembelahan. E. Fermi mengesahkan bahawa purata 2.5 neutron dibebaskan oleh pembahagian satu nukleus uranium, dan menegaskan bahawa tindak balas boleh diteruskan dalam rantai jika neutron tersebut membelah uranium di sekelilingnya. Di dalam reaktor nuklear pertama dibina di Universiti Chicago di bawah bimbingan Fermi, reaksi rantai pertama pembelahan nuklear berjaya buat kali pertama pada Disember 42, dan langkah pertama penggunaan tenaga nuklear telah diambil. Penggunaannya pada masa ini berbeza, termasuk reaktor, bom atom, dan pengeluaran radioisotop.
Kuasa nuklear

Syarat pembelahan

Seperti yang ditunjukkan dalam model titisan Bohr, nukleus mempunyai sifat yang serupa dengan titisan, dan tenaga purata yang diperlukan untuk memisahkan satu nukleon (istilah kolektif untuk proton dan neutron) dari nukleus dalam keadaan dasar, iaitu, Tenaga yang mengikat setiap nukleon (khusus tenaga mengikat) hampir tetap tanpa mengira saiz nukleus, kecuali nukleus yang sangat ringan. Walau bagaimanapun, dalam nukleus yang lebih berat di sekeliling besi, kerana bilangan proton bertambah, tenaga mengikat tertentu berkurang disebabkan oleh penolakan Coulomb antara proton, dengan kata lain, tenaga purata nukleon tunggal meningkat. Oleh itu, secara umum, jika nukleus berat dipecah menjadi dua nukleus tengah (nukleus tanah), perbezaan dalam tenaga ikatan sebelum dan selepas pemisahan dibebaskan sebagai tenaga tambahan. Bagaimanapun, sesetengah orang boleh dengan mudah menggunakan pembelahan dan menggunakannya sebagai sumber tenaga. Sebabnya adalah seperti berikut. Dalam erti kata lain, apabila nukleus berpecah, ia mula berubah bentuk menjadi bentuk lemon, dan apabila pengubahsuaian diteruskan, pusat itu dibatasi dan dibahagikan kepada dua. Walau bagaimanapun, menurut model titisan, nukleus berhampiran keadaan tanah cenderung untuk mengekalkan bentuk sfera seperti titisan. Mengatasi kecenderungan ini, nukleus mengalami kecacatan lebih daripada tahap tertentu dan mudah pecah menjadi dua. Ini kerana tenaga dari saiz tertentu E atau lebih mesti dibekalkan dari luar (mekanik kuantum Kesan terowong Kerana, walaupun tanpa menggunakan tenaga dari luar ke pembelahan spontan, di mana seperti 10 1 6 tahun hingga separuh dalam uranium). Walaupun E besar, ia boleh menyebabkan pembelahan sedikit, tetapi apa yang boleh dilakukan pada skala praktikal adalah kes khas di mana E adalah kecil. Cara praktikal untuk memberi tenaga ialah menyerap neutron, dan ini menyebabkan pembelahan yang berkesan. Thorium 232 2 3 2 Th, uranium 233 2 3 3 U, uranium 235 2 3 5 U, uranium 238 2 3 8 U, plutonium 239 2 3 9 Pu. Antara kebiasaannya, 2 3 3 U, 2 3 5 U, 2 3 9 Kebarangkalian pu pembelahan oleh neutron terma (neutron yang lambat dengan tenaga kinetik termal 0.03eV tentang molekul gas tenaga) amat besar, dan 2 3 8 U 2 3 2 Th ialah berkesan hanya untuk neutron cepat.

Tindakbalas berantai

Apabila nukleus menyerap neutron dan pecahan, neutron yang dipancarkan pada masa itu menyebabkan nukleus lain berpecah satu demi satu dalam reaksi rantai (pembelahan). Di sini kita menerangkan reaksi rantai fisi 2 3 5 U oleh neutron haba. Dua hingga tiga neutron yang dikeluarkan semasa pembelahan mempunyai tenaga purata kira-kira 2 MeV. Untuk mengubah neutron cepat ini menjadi neutron terma untuk menyebabkan pembelahan dalam 2 3 5 U seterusnya dan meneruskan tindak balas rantai, Moderator Dan berkesan perlahan dengan nukleus lain, terutama 2 3 8 U (menduduki 99.3% uranium semula jadi) Menangkap radioaktif Nombor tersebut tidak boleh dikurangkan terlalu banyak dengan hilang atau bocor di luar. Reaktor direka sesuai dengan syarat-syarat ini. Untuk mengawal kadar kemajuan tindak balas rantai, rod seperti kadmium, yang mempunyai kebarangkalian yang tinggi terhadap penangkapan neutron radioaktif, digunakan.
Nucleus Reaktor
Norio Terasawa