Միջուկի տրոհումը ծանր ատոմի պառակտումն է մոտավորապես հավասար զանգվածով երկու բեկորների, որոնք ուղեկցվում են մեծ քանակությամբ էներգիայի արտազատմամբ:
Միջուկային տրոհման բացահայտումը սկսեց նոր դարաշրջան՝ «ատոմային դար»: Դրա հնարավոր օգտագործման ներուժը և դրա օգտագործումից օգուտների ռիսկի հարաբերակցությունը ոչ միայն առաջացրել են բազմաթիվ սոցիոլոգիական, քաղաքական, տնտեսական և գիտական ձեռքբերումներ, այլև լուրջ խնդիրներ: Նույնիսկ զուտ գիտական տեսանկյունից միջուկային տրոհման գործընթացը ստեղծել է մեծ թվով գլուխկոտրուկներ ու բարդություններ, և դրա ամբողջական տեսական բացատրությունը ապագայի խնդիր է։
Կիսվելը շահավետ է
Կապող էներգիաները (մեկ նուկլեոնի համար) տարբերվում են տարբեր միջուկների համար: Ավելի ծանրներն ունեն ավելի ցածր կապող էներգիա, քան նրանք, որոնք գտնվում են պարբերական աղյուսակի մեջտեղում:
Սա նշանակում է, որ 100-ից ավելի ատոմային թվով ծանր միջուկները շահում են երկու փոքր բեկորների բաժանվելուց, դրանով իսկ ազատելով էներգիա, որըվերածվում է բեկորների կինետիկ էներգիայի: Այս գործընթացը կոչվում է ատոմային միջուկի պառակտում։
Համաձայն կայունության կորի, որը ցույց է տալիս պրոտոնների քանակի կախվածությունը նեյտրոնների քանակից կայուն նուկլիդների համար, ավելի ծանր միջուկները նախընտրում են ավելի շատ նեյտրոններ (պրոտոնների քանակի համեմատ), քան թեթևերը։ Սա թույլ է տալիս ենթադրել, որ պառակտման գործընթացին զուգահեռ որոշ «պահեստային» նեյտրոններ են արտանետվելու։ Բացի այդ, նրանք կվերցնեն նաև թողարկված էներգիայի մի մասը: Ուրանի ատոմի միջուկային տրոհման ուսումնասիրությունը ցույց է տվել, որ 3-4 նեյտրոն է արձակվում՝ 238U → 145La + 90Br + 3n.
Մեկ հատվածի ատոմային թիվը (և ատոմային զանգվածը) հավասար չէ ծնողի ատոմային զանգվածի կեսին: Պառակտման արդյունքում ձևավորված ատոմների զանգվածների միջև տարբերությունը սովորաբար կազմում է մոտ 50: Այնուամենայնիվ, դրա պատճառը դեռ լիովին պարզված չէ:
238U, 145La և 90Br-ի կապող էներգիաները 1803թ. 1198 և 763 ՄէՎ համապատասխանաբար: Սա նշանակում է, որ այս ռեակցիայի արդյունքում ազատվում է ուրանի միջուկի տրոհման էներգիան, որը հավասար է 1198 + 763-1803=158 ՄէՎ։
Ինքնաբուխ տրոհում
Ինքնաբուխ պառակտման գործընթացները հայտնի են բնության մեջ, բայց դրանք շատ հազվադեպ են: Այս գործընթացի միջին ժամկետը մոտ 1017 տարի է, և, օրինակ, նույն ռադիոնուկլիդի ալֆա քայքայման միջին ժամկետը մոտ 1011 է:տարի։
Սրա պատճառն այն է, որ երկու մասի բաժանվելու համար միջուկը պետք է.սկզբում ենթարկվում են դեֆորմացման (ձգման)՝ դառնալով էլիպսոիդային, այնուհետև, մինչև վերջնական բաժանվելը երկու բեկորի, մեջտեղում ձևավորվում է «պարանոց»:
Պոտենցիալ խոչընդոտ
Դեֆորմացված վիճակում միջուկի վրա գործում են երկու ուժ: Դրանցից մեկը մակերևութային էներգիայի ավելացումն է (հեղուկի կաթիլի մակերևութային լարվածությունը բացատրում է դրա գնդաձև ձևը), իսկ մյուսը՝ Կուլոնյան վանումը՝ տրոհման բեկորների միջև։ Նրանք միասին ստեղծում են պոտենցիալ խոչընդոտ։
Ինչպես ալֆա քայքայման դեպքում, որպեսզի ուրանի ատոմի միջուկի ինքնաբուխ տրոհումը տեղի ունենա, բեկորները պետք է հաղթահարեն այս արգելքը՝ օգտագործելով քվանտային թունելավորում: Արգելքը մոտավորապես 6 ՄէՎ է, ինչպես ալֆա քայքայման դեպքում, սակայն α մասնիկի թունելավորման հավանականությունը շատ ավելի մեծ է, քան շատ ավելի ծանր ատոմի տրոհման արդյունքը:
:
Հարկադիր բաժանում
Շատ ավելի հավանական է ուրանի միջուկի առաջացած տրոհումը: Այս դեպքում մայր միջուկը ճառագայթվում է նեյտրոններով։ Եթե ծնողը կլանում է այն, նրանք կապում են՝ ազատելով կապող էներգիա թրթռումային էներգիայի տեսքով, որը կարող է գերազանցել պոտենցիալ արգելքը հաղթահարելու համար պահանջվող 6 ՄէՎ-ը։
Երբ լրացուցիչ նեյտրոնի էներգիան անբավարար է պոտենցիալ արգելքը հաղթահարելու համար, անկումային նեյտրոնը պետք է ունենա նվազագույն կինետիկ էներգիա, որպեսզի կարողանա առաջացնել ատոմի պառակտումը: 238U կապի էներգիայի դեպքում լրացուցիչնեյտրոնները բացակայում են մոտ 1 ՄէՎ: Սա նշանակում է, որ ուրանի միջուկի տրոհումը հրահրվում է միայն 1 ՄէՎ-ից ավելի կինետիկ էներգիա ունեցող նեյտրոնի կողմից: Մյուս կողմից, 235U իզոտոպն ունի մեկ չզույգացված նեյտրոն: Երբ միջուկը կլանում է հավելյալը, նրա հետ զույգ է կազմում, և այդ զուգակցման արդյունքում առաջանում է հավելյալ կապող էներգիա։ Սա բավական է էներգիայի քանակն ազատելու համար, որն անհրաժեշտ է միջուկին պոտենցիալ արգելքը հաղթահարելու համար, և իզոտոպի տրոհումը տեղի է ունենում ցանկացած նեյտրոնի հետ բախվելիս:
Բետա քայքայում
Չնայած այն փաստին, որ տրոհման ռեակցիան արձակում է երեք կամ չորս նեյտրոն, բեկորները դեռ ավելի շատ նեյտրոններ են պարունակում, քան իրենց կայուն իզոբարները: Սա նշանակում է, որ տրոհման բեկորները հիմնականում անկայուն են բետա քայքայման դեմ։
Օրինակ, երբ ուրանի տրոհումը տեղի է ունենում 238U, A=145-ով կայուն իզոբարը նեոդիմում է 145Nd, ինչը նշանակում է, որ լանթանի բեկորը 145Լա քայքայվում է երեք փուլով՝ ամեն անգամ արձակելով էլեկտրոն և հականեյտրինո, մինչև ձևավորվի կայուն նուկլիդ: A=90-ով կայուն իզոբարը ցիրկոնիում է 90Zr, ուստի պառակտող բեկորը բրոմ 90Br քայքայվում է β-քայքայման շղթայի հինգ փուլերում:
Այս β-քայքայման շղթաներն ազատում են լրացուցիչ էներգիա, որը գրեթե ամբողջը տանում են էլեկտրոնները և հականեյտրինոները:
Միջուկային ռեակցիաներ. ուրանի միջուկների տրոհում
Նեյտրոնի ուղիղ ճառագայթումը նուկլիդից նույնպեսդրանց մեծ քանակությունը միջուկի կայունությունն ապահովելու համար քիչ հավանական է: Բանն այստեղ այն է, որ չկա Կուլոնյան վանում, և, հետևաբար, մակերևույթի էներգիան ձգտում է նեյտրոնին կապի մեջ պահել ծնողի հետ: Այնուամենայնիվ, երբեմն դա տեղի է ունենում: Օրինակ, տրոհման 90Br բեկորը բետա քայքայման առաջին փուլում արտադրում է կրիպտոն-90, որը կարող է գրգռված վիճակում լինել՝ բավարար էներգիայով հաղթահարելու մակերեսի էներգիան: Այս դեպքում նեյտրոնների արտանետումը կարող է առաջանալ անմիջապես կրիպտոն-89-ի առաջացման հետ: Այս իզոբարը դեռևս անկայուն է β-ի քայքայման համար, մինչև չվերափոխվի կայուն իտրիում-89-ի, ուստի կրիպտոն-89-ը քայքայվում է երեք քայլով:
Ուրանի տրոհում. շղթայական ռեակցիա
Նեյտրոնները, որոնք արտանետվում են տրոհման ռեակցիայի ժամանակ, կարող են կլանվել մեկ այլ մայր միջուկի կողմից, որն այնուհետև ինքն է ենթարկվում առաջացած տրոհման: Ուրանի 238-ի դեպքում երեք նեյտրոնները, որոնք արտադրվում են, դուրս են գալիս 1 ՄէՎ-ից պակաս էներգիայով (ուրանի միջուկի տրոհման ժամանակ արձակված էներգիան՝ 158 ՄէՎ, հիմնականում վերածվում է տրոհման բեկորների կինետիկ էներգիայի։), ուստի նրանք չեն կարող առաջացնել այս նուկլիդի հետագա տրոհումը։ Այնուամենայնիվ, 235U հազվագյուտ իզոտոպի զգալի կոնցենտրացիայով այս ազատ նեյտրոնները կարող են գրավել 235U միջուկները, որոնք իսկապես կարող են առաջացնել տրոհում, քանի որ այս դեպքում չկա էներգիայի շեմ, որից ցածր տրոհում չի առաջանում:
Սա շղթայական ռեակցիայի սկզբունքն է:
Միջուկային ռեակցիաների տեսակները
Թող k-ն լինի այս շղթայի n փուլում տրոհվող նյութի նմուշում արտադրված նեյտրոնների թիվը՝ բաժանված n - 1 փուլում արտադրված նեյտրոնների թվի վրա: փուլ n - 1, ներծծվում են միջուկի կողմից, որը կարող է ենթարկվել հարկադիր տրոհման:
• Եթե k <-ը 1 է, ապա շղթայական ռեակցիան պարզապես կփչանա, և գործընթացը շատ արագ կդադարի: Դա հենց այն է, ինչ տեղի է ունենում բնական ուրանի հանքաքարում, որտեղ 235U-ի կոնցենտրացիան այնքան ցածր է, որ այս իզոտոպով նեյտրոններից մեկի կլանման հավանականությունը չափազանց աննշան է:
• Եթե k > 1, ապա շղթայական ռեակցիան կաճի այնքան ժամանակ, մինչև օգտագործվի ամբողջ տրոհվող նյութը (ատոմային ռումբ): Դա ձեռք է բերվում բնական հանքաքարի հարստացման միջոցով՝ ուրանի-235 բավականաչափ բարձր կոնցենտրացիա ստանալու համար: Գնդաձեւ նմուշի համար k-ի արժեքը մեծանում է նեյտրոնների կլանման հավանականության մեծացմամբ, որը կախված է ոլորտի շառավղից։ Հետևաբար, U-ի զանգվածը պետք է գերազանցի որոշ կրիտիկական զանգված, որպեսզի տեղի ունենա ուրանի միջուկների տրոհում (շղթայական ռեակցիա):
• Եթե k=1, ապա տեղի է ունենում վերահսկվող ռեակցիա: Սա օգտագործվում է միջուկային ռեակտորներում: Գործընթացը վերահսկվում է ուրանի մեջ կադմիումի կամ բորի ձողերի բաշխմամբ, որոնք կլանում են նեյտրոնների մեծ մասը (այդ տարրերն ունեն նեյտրոններ գրավելու հատկություն)։ Ուրանի միջուկի տրոհումն ավտոմատ կերպով կառավարվում է՝ ձողերը շարժելով այնպես, որ k-ի արժեքը մնա մեկին հավասար։
