Zgłoś uwagi
Pokaż spis treści
Wróć do informacji o e-podręczniku

Jak już wiecie, podczas reakcji jądrowych emitowane są cząstki. Co się jednak stanie, gdy te cząstki napotkają kolejne jądra? Wtedy te jądra się rozpadną i wyrzucą cząstki, te z kolei zderzą się z innymi jądrami, które również się rozpadną i... tak właśnie powstaje reakcja łańcuchowa.

Źródło: AutorCharles Levy / U.S. Army, Wikimedia Commons, Public Domain https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e0/Nagasakibomb.jpg, licencja: CC BY 3.0. Do przeprowadzenia niekontrolowanej reakcji łańcuchowej rozszczepienia jąder atomowych nie potrzeba zbyt wiele: wystarczy odpowiednia ilość właściwego materiału. W przypadku bomby Fat Man zrzuconej na Nagasaki, której eksplozja pochłonęła ponad 40 tysięcy istnień ludzkich, był to pluton 239 w ilości zaledwie 6 kg.
Już potrafisz
  • podać definicję promieniowania jądrowego;

  • wymienić rodzaje promieniowania jonizującego i opisać jego właściwości;

  • zdefiniować aktywność pierwiastka i jej jednostkę w układzie SI;

  • przytoczyć treść prawa rozpadu promieniotwórczego;

  • podać definicję reakcji jądrowej;

  • wymienić zastosowania izotopów promieniotwórczych w przemyśle, medycynie i nauce;

  • opisać zależność energii wiązania od liczby nukleonów.

Nauczysz się
  • opisywać reakcję łańcuchową;

  • uzupełniać zapisy rekcji rozszczepienia.

Enrico Fermi, urodzony w 1901 r., był uważany za bardzo zdolnego fizyka. Już w 1926 r. opublikował prace na temat cząstek, które obecnie nazywamy fermionami (należą do nich m.in. elektron, proton czy neutron).
W 1934 r. prowadził badania nad sztucznymi pierwiastkami promieniotwórczymi (odkrytymi przez Irenę i Fryderyka Joliot‑Curie). Próbował w ten sposób znaleźć odpowiedź na pytanie, czy można zwiększyć promieniotwórczość ciał poprzez naświetlanie ich neutronami (odkrytymi dwa lata wcześniej).

Na drodze strumienia neutronów stawiał różne materiały. Planował użyć ołowiu jako swego rodzaju filtra, ale pewnego dnia wpadł na pomysł, aby między źródłem neutronów a badanym materiałem (srebrna folia) umieścić parafinę zamiast ołowiu. Efekt był zdumiewający: naświetlane srebro zaczęło bardzo intensywnie promieniować.

Stosowanie materiałów wykonanych z innych substancji nie dawało podobnych efektów. Fermi zrozumiał, że kluczowe jest ich spowolnienie, gdyż neutrony są wówczas lepiej pochłaniane przez srebro.
Dlaczego parafina spowalnia przechodzące przez nią neutrony? Posłużmy się analogią do zderzających się kul bilardowych. Kule o jednakowych masach mogą się zderzyć w taki sposób, że jedna z nich się zatrzyma, a druga zostanie wprawiona w ruch (dzięki przekazanej energii). Jeśli kule znacznie różnią się od siebie pod względem masy (np. piłeczka pingpongowa zderza się z kulą bilardową), istnieje duża szansa na to, że kula o mniejszej masie odbije się od kuli o większej masie i prawie nie zmieni swojej prędkości (a zatem i energii kinetycznej).

Oznacza to, że jeżeli neutron uderza w jądro o małej masie, to strata energii jest duża, a jeżeli uderza w jądro o dużej masie – prawie w ogóle nie traci energii. Parafina, która składa się głównie z węglowodorów, czyli jąder lekkich (węgla i wodoru), w doświadczeniu Fermiego pełniła funkcję spowalniacza neutronów.

Dalsza historia badania zjawiska rozszczepienia jąder ciężkich związana jest z nazwiskami niemieckich i austriackich uczonych, takich jak Lise Meitner, Otto Hahn, Fritz StrassmannOtto Frisch.

W wyniku bombardowania uranu neutronami odkryto atomy baru – pierwiastka, który ma masę atomową dwa razy mniejszą od masy atomowej uranu. Proces ten nazwano rozszczepieniem jądra atomowego. Stwierdzono także, że fragmenty rozszczepionego jądra atomu uranu mają bardzo dużą energię.

W 1944 r. Otto Hahn otrzymał za odkrycie rozszczepienia jądra Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Spodziewano się, że Lise Meitner otrzyma Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Tak się jednak nie stało, ale odkryty (a właściwie wyprodukowany) w 1982 r. pierwiastek o liczbie porządkowej 109 został nazwany „meitner”.

Animacja przedstawiająca rozszczepienie jądra izotopu uranu (92^235)U. Na środku ekranu jądro U235: kulka złożona z kulek 2 kolorów: czerwonych i szarozielonych, kulki wymieszane chaotycznie, kulka nie drga. Z lewej strony ekranu nadlatuje neutron. Neutron przyłącza się do jądra. Z jądra uranu robi się nowa kulka. Po kilku zniekształceniach elipsoidalnych jądro wydłuża się w „hantle”. Niezależne części oddalają się od siebie w przeciwnych kierunkach.

Jak zapewne pamiętacie, analiza wykresu energii wiązania jąder przypadającej na jeden nukleon w różnych pierwiastkach prowadziła do wniosku, że najsilniej związane są nukleony w jądrach żelaza i w jądrach pierwiastków o liczbach masowych zbliżonych do liczby masowej żelaza (nikiel, molibden). Właściwa energia wiązania jest mniejsza dla jąder zwierających zarówno więcej, jak i mniej nukleonów.

Jeśli z jednego jądra powstają dwa, mamy do czynienia z większym deficytem masy na jeden nukleon w każdym z nowo powstałych jąder. Innymi słowy sumaryczna masa wszystkich produktów rozszczepienia jest mniejsza od masy jądra przed rozszczepieniem. Co się stało z brakującą masą? Zgodnie ze wzorem E=mc2 została ona zamieniona na energię. Przykładowo: dla jądra o 240 nukleonach energia wiązania przypadająca na jeden nukleon jest większa o ok. 0,8 MeV niż dla jądra o 120 nukleonach. Oznacza to, że podczas rozpadu jądra o 240 nukleonach wydzieli się energia równa ok. 200 MeV (dla porównania energia uzyskana przy rozpadzie cząsteczki trotylu wynosi w przybliżeniu 30 eV). Energia będąca rezultatem reakcji rozszczepienia jądra przybiera głównie postać energii kinetycznej nowo powstałych jąder i neutronów oraz promieniowania gamma.

Składowe wyzwalanej energii w procesie przemian jądrowych

Wartość [MeV]

Składowe wyzwalanej energii

167

Energia kinetyczna fragmentów rozszczepienia (X i Y)

5

Energia kinetyczna neutronów

17

Energia promieniowania beta

7

Energia promieniowania gamma

196

Razem

Reakcję rozszczepienia jądra uranu 235U możemy zapisać następująco:
U+n01U92236Kr+Ba+3n0156142369192235

Reakcja rozszczepienia jądra plutonu 239Pumoże zachodzić według kilku schematów:
Pu+n0194239Ba+Sr+2n01389456144
lub
Pu+n0194239Sb+Tc+43107511303n,01
a jego wynikiem mogą być pary zupełnie innych jąder, np

Rb37Cs55 lub Br35La57. Jak widać, zazwyczaj jedno z jąder ma większą masę. Podział na części o równych masach zdarza się bardzo rzadko.

Naukowców badających to zjawisko zaskoczyło to, że mogło się ono samo podtrzymywać. Każda reakcja rozpadu wytwarzała kolejne neutrony, które bombardowały sąsiadujące jądra i powodowały kolejne reakcje rozszczepienia. Proces ten trwał, dopóki dostępne były jądra izotopu uranu. Wszystkie opisane tutaj procesy składają się na tzw. reakcję łańcuchową.

Początkowo na ekranie widać tylko jądra uranu 235. Nadlatuje neutron z lewej, „uderza” w jądro uranu a to się dzieli. Części po podziale rozbiegają się. Trzy neutrony uderzają w kolejne 3 jądra uranu i je rozszczepiają. W każdym akcie rozszczepienia powstają 3 neutrony.

Aby mogła zajść reakcja łańcuchowa, muszą zostać spełnione pewne warunki. Reakcja ta nie zachodzi w metalicznym uranie, ponieważ izotop 235U stanowi zaledwie 0,7% jego składu, a pozostałe 99,3% to słabo promieniotwórczy izotop 238U, który pochłania neutrony, ale nie prowadzi to do reakcji rozszczepienia. Ponadto masa izotopu 235U musi być wystarczająco duża, by neutrony wywołały reakcję łańcuchową i nie opuściły próbki. Musi zostać przekroczona masa krytyczna, powyżej której reakcja łańcuchowa zachodzi samorzutnie.

W bombach atomowych dochodzi do wybuchu, gdy dwie części substancji radioaktywnej zostaną połączone i ich masa sumaryczna przekroczy masę krytyczną. Gwałtownie zachodząca reakcja łańcuchowa wyzwala wówczas ogromne ilości energii. Gdy dwie części substancji są oddalone od siebie, w każdej z nich reakcja rozszczepienia się wygasza.

Polecenie 1

Kiedy na zewnątrz próbki uranu wydobędzie się więcej neutronów: gdy stanowi ona jedną całość czy gdy jest podzielona na dwie równe części? Odpowiedź uzasadnij.

Podsumowanie

  • Rozszczepienie jądra atomowego polega na podziale jądra na dwa (rzadziej na trzy) fragmenty – jądra innych pierwiastków lub ich izotopów, w tym co najmniej dwa, dla których liczba masowa A > 20. Jest rezultatem pochłonięcia cząstki (najczęściej neutronu) lub promieniowania γ. Rozszczepieniu jądra towarzyszy emisja promieniowania jonizującego.

  • Reakcje jądrowe najczęściej zachodzą w wyniku wychwytu neutronów przez jądro. Neutrony nie oddziałują elektrycznie z jądrami izotopów promieniotwórczych (jądra te – jak wszystkie jądra atomowe – mają ładunek dodatni), co upraszcza zaplanowanie i przeprowadzenie reakcji jądrowych.

  • Reakcja łańcuchowa zachodzi samorzutnie. W wyniku każdej reakcji rozszczepienia powstają co najmniej dwie cząstki (neutrony), które bombardują sąsiednie jądra atomowe. Cząstki zostają pochłonięte przez jądra, które się rozpadają i wytwarzają następne neutrony. Proces zachodzi lawinowo w całej objętości substancji.

  • Reakcji łańcuchowej towarzyszy wydzielanie olbrzymich ilości energii będącej skutkiem deficytu masy. W wyniku reakcji rozszczepienia jądra uranu U92235 wydziela się energia wynosząca ok. 200 MeV.

  • Deficyt masy to różnica między masą jądra przed rozpadem, a sumą mas wszystkich nukleonów uzyskanych w wyniku reakcji. W wypadku reakcji rozszczepienia jest dodatni i podlega przemianie w energię (zgodnie ze wzorem E=mc2).

  • Reakcja łańcuchowa nie zachodzi w każdych warunkach. Materiał rozszczepialny musi przekroczyć masę krytyczną.

  • Izotop uranu U92238 jest metalem o słabych właściwościach promieniotwórczych, ponieważ zawiera tylko 0,7%, niestabilnego uranu U92235. Izotop 235U ulega wymuszonemu rozszczepieniu wskutek bombardowania neutronami. Wychwyt neutronów przez izotop 238U nie prowadzi do łańcuchowej reakcji rozszczepienia.

Zadanie podsumowujące moduł

Ćwiczenie 1
Praca domowa
Polecenie 2.1

Na podstawie dodatkowych źródeł znajdź schematy reakcji rozszczepienia izotopu uranu 235U. Zapisz przykłady, które nie zostały wymienione w tym rozdziale.
Izotop uranu 235U, który został poddany bombardowaniu neutronami, rozpadł się zgodnie z poniższym schematem reakcji:

U92235+n01Zr4098+YZ2A2+2·n01

Skorzystaj z układu okresowego pierwiastków i zidentyfikuj pierwiastek Y. Oblicz deficyt masy.

Polecenie 2.2

Podczas bombardowania neutronami termicznymi jądro izotopu 235U rozpada się według ogólnego schematu:

U92235+n01XZ1A1+YZ2A2+kn01+energia

przy czym wydzielana energia wynosi ok. 10-11J. Oszacuj ilość uzyskanej energii pochodzącej z rozpadu 10 g izotopu uranu 235U.

Słowniczek

fermiony

– wszystkie cząstki elementarne (elektrony, pozytony, neutrino, leptony μ) o spinie połówkowym, które podlegają statystyce Fermiego‑Diraca; w jednym stanie kwantowym mogą znajdować się co najwyżej dwa fermiony.

masa krytyczna

– masa próbki pierwiastka promieniotwórczego, niezbędna to podtrzymywania reakcji łańcuchowej.

reakcja łańcuchowa

– reakcja będąca serią kolejnych reakcji rozszczepienia. Każda reakcja rozszczepienia wytwarza co najmniej dwie cząstki (neutrony), które bombardują sąsiednie jądra. Cząstki zostają pochłonięte przez jądra, które się rozpadają i wytwarzają następne neutrony. Proces zachodzi lawinowo w całej objętości substancji; reakcji łańcuchowej towarzyszy wydzielanie olbrzymiej ilości energii. Reakcja łańcuchowa zachodzi samorzutnie.

rozszczepienie jądra atomowego

– podział jądra na dwa (rzadziej trzy) fragmenty – jądra innych pierwiastków lub ich izotopów, w tym co najmniej dwa, dla których liczba masowa A > 20. Jest rezultatem pochłonięcia cząsteczki (najczęściej neutronu) lub promieniowania γ; rozszczepieniu towarzyszy emisja promieniowania jonizującego.

Źródło: Department of Energy. Office of Public Affairs (https://commons.wikimedia.org), .

Enrico Fermi

Enrico Fermi był jednym z najbardziej uzdolnionych fizyków wszech czasów. Jako pierwszy skonstruował reaktor jądrowy. Brał czynny udział w pracach nad bombą atomową (projekt Manhattan). Wniósł nieoceniony wkład do fizyki teoretycznej – stworzył statystykę kwantową dla cząstek o spinie połówkowym (statystyka Fermiego‑Diraca).

Źródło: Los Alamos National Laboratory (https://commons.wikimedia.org), .

Otto Frisch

Fizyk urodzony w Austrii, który swoje prace prowadził na terenie Wielkiej Brytanii. Otto Frisch razem ze swoją ciotką Lise Meitner opisał teoretycznie reakcję rozszczepienia jądra uranu.

Źródło: Nobel foundation (http://commons.wikimedia.org), .

Otto Hahn

Niemiecki fizyk, chemik, współodkrywca reakcji rozszczepienia jądra uranu, za co w 1944 r. został uhonorowany Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii. Odkrywca zjawiska izomerii jąder atomu oraz izotopów Ra,Ac, Th228228228 i proaktynu.

Źródło: N.N. (http://commons.wikimedia.org), .

Lise Meitner

Współpracowniczka Ottona Hahna, uważanego za prekursora technologii jądrowej. Meitner i Hahne wspólnie odkryli zjawisko odrzutu promieniotwórczego i trwały izotop proaktynu. Ze względu na swoje żydowskie pochodzenie Meitner musiała opuścić Niemcy. W Szwecji prowadziła badania w Instytucie Nobla, a następnie na Uniwersytecie Technicznym w Sztokholmie. Pod koniec życia przeprowadziła się do Wielkiej Brytanii, gdzie zamieszkała razem ze swoim siostrzeńcem Ottonem Frischem.

Źródło: Tomorrow Sp.z o.o., licencja: CC BY 3.0.

Fritz Strassmann

Niemiecki chemik, który razem z Ottonem Hahnem odkrył zjawisko rozszczepienia jądra uranu, za co w 1944 r. obaj badacze otrzymali wspólnie Nagrodę Nobla. Prowadził także prace nad praktycznym wykorzystaniem promieniotwórczości, m.in. do określania wieku tworów geologicznych.

pierwiastek radioaktywny

– pierwiastek, który w wyniku rozpadu jądra emituje promieniowanie alfa, beta i gamma.