Pembelahan inti adalah pemecahan sebuah atom berat menjadi dua bagian yang massanya kira-kira sama, disertai dengan pelepasan sejumlah besar energi.
Penemuan fisi nuklir memulai era baru - "zaman atom". Potensi penggunaan yang mungkin dan rasio risiko untuk mendapatkan keuntungan dari penggunaannya tidak hanya menghasilkan banyak pencapaian sosiologis, politik, ekonomi dan ilmiah, tetapi juga masalah serius. Bahkan dari sudut pandang ilmiah murni, proses fisi nuklir telah menciptakan banyak teka-teki dan komplikasi, dan penjelasan teoretis yang lengkap tentangnya adalah masalah masa depan.
Berbagi itu menguntungkan
Energi ikat (per nukleon) berbeda untuk inti yang berbeda. Yang lebih berat memiliki energi ikat yang lebih rendah daripada yang terletak di tengah tabel periodik.
Ini berarti inti berat dengan nomor atom lebih besar dari 100 mendapat manfaat dari membagi menjadi dua fragmen yang lebih kecil, sehingga melepaskan energi yangdiubah menjadi energi kinetik fragmen. Proses ini disebut pemecahan inti atom.
Menurut kurva stabilitas, yang menunjukkan ketergantungan jumlah proton pada jumlah neutron untuk nuklida stabil, inti yang lebih berat lebih menyukai lebih banyak neutron (dibandingkan dengan jumlah proton) daripada yang lebih ringan. Ini menunjukkan bahwa seiring dengan proses pemisahan, beberapa neutron "cadangan" akan dipancarkan. Selain itu, mereka juga akan mengambil sebagian dari energi yang dilepaskan. Studi fisi nuklir atom uranium menunjukkan bahwa 3-4 neutron dilepaskan: 238U → 145La + 90Br + 3n.
Nomor atom (dan massa atom) suatu fragmen tidak sama dengan setengah massa atom induknya. Perbedaan antara massa atom yang terbentuk sebagai hasil pemecahan biasanya sekitar 50. Namun, alasannya belum sepenuhnya dipahami.
Energi ikat 238U, 145La dan 90Br adalah 1803, 1198 dan 763 MeV, masing-masing. Artinya dari reaksi tersebut, energi fisi inti uranium yang dilepaskan adalah sebesar 1198 + 763-1803=158 MeV.
Pembelahan spontan
Proses pemisahan spontan diketahui di alam, tetapi sangat jarang. Masa hidup rata-rata dari proses ini adalah sekitar 1017 tahun, dan, misalnya, masa hidup rata-rata peluruhan alfa dari radionuklida yang sama adalah sekitar 1011tahun.
Alasannya adalah untuk membagi menjadi dua bagian, kernel haruspertama mengalami deformasi (meregangkan) menjadi bentuk ellipsoidal, dan kemudian, sebelum terakhir membelah menjadi dua bagian, membentuk “leher” di tengah.
Potensi penghalang
Dalam keadaan terdeformasi, dua gaya bekerja pada inti. Salah satunya adalah peningkatan energi permukaan (tegangan permukaan setetes cairan menjelaskan bentuk bolanya), dan yang lainnya adalah gaya tolak Coulomb antara fragmen fisi. Bersama-sama mereka menghasilkan penghalang potensial.
Seperti dalam kasus peluruhan alfa, agar fisi spontan inti atom uranium terjadi, fragmen harus mengatasi penghalang ini menggunakan terowongan kuantum. Penghalangnya sekitar 6 MeV, seperti dalam kasus peluruhan alfa, tetapi kemungkinan terowongan partikel jauh lebih besar daripada produk fisi atom yang jauh lebih berat.
Pemisahan paksa
Jauh lebih mungkin adalah fisi terinduksi dari inti uranium. Dalam hal ini, inti induk disinari dengan neutron. Jika induk menyerapnya, mereka mengikat, melepaskan energi ikat dalam bentuk energi vibrasi yang dapat melebihi 6 MeV yang dibutuhkan untuk mengatasi penghalang potensial.
Jika energi neutron tambahan tidak cukup untuk mengatasi penghalang potensial, neutron datang harus memiliki energi kinetik minimum agar dapat menginduksi pemecahan atom. Dalam kasus 238U penambahan energi ikatanneutron hilang sekitar 1 MeV. Ini berarti bahwa pembelahan inti uranium hanya diinduksi oleh neutron dengan energi kinetik lebih besar dari 1 MeV. Di sisi lain, isotop 235U memiliki satu neutron yang tidak berpasangan. Ketika nukleus menyerap satu tambahan, ia membentuk pasangan dengannya, dan sebagai hasil dari pasangan ini, energi ikat tambahan muncul. Ini cukup untuk melepaskan jumlah energi yang diperlukan inti untuk mengatasi penghalang potensial dan fisi isotop terjadi pada tumbukan dengan neutron apa pun.
Peluruhan Beta
Meskipun reaksi fisi memancarkan tiga atau empat neutron, fragmen masih mengandung lebih banyak neutron daripada isobar stabilnya. Ini berarti bahwa fragmen fisi umumnya tidak stabil terhadap peluruhan beta.
Misalnya, ketika terjadi fisi uranium 238U, isobar stabil dengan A=145 adalah neodymium 145Nd, yang berarti bahwa fragmen lantanum 145La meluruh dalam tiga tahap, setiap kali memancarkan elektron dan antineutrino, hingga nuklida stabil terbentuk. Isobar stabil dengan A=90 adalah zirkonium 90Zr, jadi fragmen pemecahan brom 90Br meluruh dalam lima tahap rantai peluruhan.
Rantai peluruhan ini melepaskan energi tambahan, hampir semuanya dibawa oleh elektron dan antineutrino.
Reaksi nuklir: pembelahan inti uranium
Radiasi langsung neutron dari nuklida dengan jugasejumlah besar dari mereka untuk memastikan stabilitas kernel tidak mungkin. Intinya di sini adalah bahwa tidak ada tolakan Coulomb, sehingga energi permukaan cenderung menjaga neutron tetap terikat dengan induknya. Namun, ini terkadang terjadi. Misalnya, fragmen fisi 90Br pada tahap pertama peluruhan beta menghasilkan kripton-90, yang dapat berada dalam keadaan tereksitasi dengan energi yang cukup untuk mengatasi energi permukaan. Dalam hal ini, emisi neutron dapat terjadi secara langsung dengan pembentukan kripton-89. Isobar ini masih belum stabil hingga meluruh hingga berubah menjadi yttrium-89 yang stabil, jadi kripton-89 meluruh dalam tiga tahap.
Fission uranium: reaksi berantai
Neutron yang dipancarkan dalam reaksi fisi dapat diserap oleh inti induk lain, yang kemudian dengan sendirinya mengalami fisi terinduksi. Dalam kasus uranium-238, tiga neutron yang dihasilkan keluar dengan energi kurang dari 1 MeV (energi yang dilepaskan selama fisi inti uranium - 158 MeV - sebagian besar diubah menjadi energi kinetik dari fragmen fisi), sehingga mereka tidak dapat menyebabkan fisi lebih lanjut dari nuklida ini. Namun, dengan konsentrasi signifikan dari isotop langka 235U, neutron bebas ini dapat ditangkap oleh inti 235U, yang memang dapat menyebabkan fisi, karena dalam kasus ini, tidak ada ambang batas energi di mana fisi tidak diinduksi di bawahnya.
Ini adalah prinsip reaksi berantai.
Jenis reaksi nuklir
Biarkan k menjadi jumlah neutron yang dihasilkan dalam sampel bahan fisil pada tahap n dari rantai ini, dibagi dengan jumlah neutron yang dihasilkan pada tahap n - 1. Jumlah ini akan tergantung pada berapa banyak neutron yang dihasilkan pada tahap n - 1, diserap oleh nukleus, yang mungkin mengalami pembelahan paksa.
• Jika k < adalah 1, maka reaksi berantai akan gagal dan proses akan berhenti dengan sangat cepat. Inilah yang terjadi pada bijih uranium alam, di mana konsentrasi 235U sangat rendah sehingga kemungkinan penyerapan salah satu neutron oleh isotop ini sangat kecil.
• Jika k > 1, maka reaksi berantai akan bertambah sampai semua bahan fisil habis (bom atom). Ini dicapai dengan memperkaya bijih alami untuk mendapatkan konsentrasi uranium-235 yang cukup tinggi. Untuk sampel bola, nilai k meningkat dengan peningkatan probabilitas penyerapan neutron, yang tergantung pada jari-jari bola. Oleh karena itu, massa U harus melebihi beberapa massa kritis agar fisi inti uranium (reaksi berantai) dapat terjadi.
• Jika k=1, maka terjadi reaksi terkontrol. Ini digunakan dalam reaktor nuklir. Prosesnya dikendalikan dengan mendistribusikan batang kadmium atau boron di antara uranium, yang menyerap sebagian besar neutron (elemen ini memiliki kemampuan untuk menangkap neutron). Fisi inti uranium dikendalikan secara otomatis dengan menggerakkan batang sehingga nilai k tetap sama dengan satu.
