Fissió nuclear
De Viquipèdia
En física, la fissió nuclear és el procés mitjançant el qual un nucli atòmic pesat es divideix en dos o més nuclis lleugers i altres subproductes, generalment neutrons i fotons (aquests últims generalment en forma de raigs gamma). La fissíó allibera una quantitat substancial d'energia, tant en forma de fotons com en forma d'energia cinètica. Aquesta energia estava prèviament emmagatzemada com energia de lligam forta entre els nucleons.
La fissió es pot induir de diverses formes. Generalment hom bombardeja el nucli amb un neutró de l'energia adequada. Aquest neutró lliure és absorbit pel nucli, que esdevé inestable i es divideix en diverses peces (productes de fissió). Aquestes peces generalment consisteixen en dos nuclis més lleugers, dos o tres neutrons lliures i alguns fotons. La fissió nuclear també es pot induir pel bombardeig amb protons, altres nuclis, o fotons molt energètics. En alguns elements, la fissió nuclear pot fins i tot esdevenir de manera espontània. La fissió nuclear és tant més fàcil com més pesat sigui el nucli atòmic original. Els elements més habituals per produir fissió són l'urani i el plutoni.
La fissió nuclear produeix un efecte de reacció en cadena, que és la base de les centrals nuclears i les bombes atòmiques. En efecte, la fissió d'un nucli allibera dos o més neutrons que escapen en direccions aleatòries i colpegen altres nuclis, que també fissionen. Donat que la fissió de cada nucli allibera dos o més neutrons, i que aquests produeixen noves fissions, depenent de les condicions de pressió i a partir d'una certa massa crítica, el procés finalitza amb la fissió de tots els nuclis atòmics. En les bombes atòmiques el procés de fissió és incontrolat, i en les centrals nuclears el procés es controla absorbint l'excés de neutrons alliberats.
Durant la reacció, es produeixen una gran quantitat de neutrons lliures i d'energia, car la suma de les masses dels productes de la fissió és menor que la massa de l'isòtop radioactiu inicial segons l'equació d'Einstein:
-
- E = mc2
on E és l'energia, m és la massa, i c és la velocitat de la llum en el buit.
Taula de continguts |
[edita] Descoberta
El fenomen de la fissió nuclear induïda va ser descobert el 17 de desembre del 1938 per Otto Hahn i el seu assistent Fritz Strassmann, dos químics del Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie de Berlin.
Els efectes de bombardejar nuclis d'urani amb neutrons eren estudiats des de feia temps, el primer va ser Enrico Fermi i els seus col·legues el 1934 però els resultats no van ser interpretats correctament fins alguns anys més tard.
El 16 de gener del 1939 Niels Bohr va arribar als Estats Units per passar uns mesos a la Universitat de Princeton, poc abans de la serva marxa de Dinamarca dos dels seus col·legues, Lise Meitner i Otto Frisch, l'havien fet coneixedor de la seva hipòtesi segons la que l'absorció d'un neutró per un nucli d'urani provocaria la seva escissió en dues parts aproximadament iguals i l'alliberament d'una enorme quantitat d'energia. Van anomenar el fenomen fissió nuclear. Aquesta hipòtesi es basava sobre la descoberta d'Otto Hahn i Fritz Strassmann que demostrava que en bombardejar urani amb neutrons s'obtenia un isòtop del bari i que havia estat publicada a la revista Die Naturwissenschaften de la Max-Planck-Gesellschaft.
Bohr havia promès de guardar el secret de la interpretació de Lise Meitner i Otto Frisch fins que publiquessin un article per tal d'assegurar la paternitat de la descoberta, però a bord del vaixell que el portava als Estats Units en va parlar amb Léon Rosenfeld sense demanar-li de respectar el secret. A la seva arribada Rosenfeld ho va comentar amb els físics de Princeton i la notícia es va expandir arribant a físics com Enrico Fermi de la Universitat de Columbia. Les converses entre Fermi, John Ray Dunning i George Braxton Pegram els va conduir a la recerca a Columbia sobre les radiacions ionitzants produïdes pels fragments de nuclis d'urani obtinguts després de la fissió.
El 26 de gener del 1939 va haver una conferència de física teòrica a Washington DC organitzada conjuntament per la Universitat George Washington i la Carnegie Institution for Science. Fermi va deixar Nova York per participar a la conferència abans del començament d'experiments sobre la fissió a Columbia. Bohr i Fermi van discutir sobre el problema de la fissió en particular Fermi va apuntar la possibilitat de que durant el procés es poguéssim emetre neutrons. Tot i que només era una hipòtesi, les seves conseqüències, la possibilitat d'una reacció en cadena, eren evidents. Abans d'acabar la conferència ja s'havien publicat nombrosos articles sobre el tema i es van començar a desenvolupar experiments per confirmar la tesi de la fissió del nucli.
El 15 de febrer del 1939, a la Physical Review[1] quatre laboratoris anunciaren resultats positius: Universitat de Columbia, Carnegie Institution de Washington, Universitat Johns-Hopkins i Universitat de Califòrnia. En aquest moment Bohr coneixia experiències similars al seu laboratori de Copenhaguen cap el 15 de gener (carta d'Otto Frisch a la revista Nature, datada el 16 de gener del 1939 i publicada al número del 18 de febrer[2]). A partir d'aquest moment les publicacions sobre la fissió nuclear serien molt freqüents.
[edita] El fenomen
Hi ha dos tipus de fissió: la fissió espontània i la fissió induïda. La matèria físsil és aquella que disposa de nuclis físsils, aquells que tenen un nombre atòmic superior o igual a 98, tots formen part de la sèrie dels actínids.
[edita] Fissió espontània
El fenomen de la fissió espontània va ser descobert el 1940 pels físics soviètics Giorgi Nikolaievitx Fliorov (Гео́ргий Никола́евич Флёров) i Konstantin Petrzhak (Константин Антонович Петржак)[3][4] treballant amb nuclis d'urani 238.
Es parla de fissió nuclear espontània quan un nucli es desintegra en varis fragments sense que hi hagi l'absorció prèvia d'una partícula. Aquest tipus de fissió només és possible en el cas dels nuclis extremadament pesats perquè l'energia d'enllaç per nucleó és més petita que per al cas dels nuclis mitjanament pesats que s'en formen.
L'urani 235 (present a la natura en una petita proporció) i especialment el californi 252 són dos exemples de nuclis espontàniament físsils[5].
[edita] Fissió induïda
La fissió induïda es produeix quan un nucli pesat captura una altra partícula, habitualment un neutró, i el nucli així composat es desintegra en diversos fragments més petits. La fissió induïda de l'urani 235 per absorció d'un neutró és la reacció d'aquest tipus més coneguda, es desenvolupa d'aquesta manera:
on X i Y són dos nuclis mitjanament pesats i generalment radioactius que reben el nom de productes de la fissió.
D'aquesta manera la fissió d'un nucli d'urani 235 pot donar dos productes de fissió, el criptó i el bari acompanyats de tres neutrons:
Les fissión induïdes més utilitzades són les de l'urani 235, l'urani 238 i el plutoni 239.
[edita] Massa crítica
No hi ha prou amb que el factor multiplicador dels neutrons sigui més gran que la unitat per tal que s'iniciï la reacció en cadena. D'una banda els neutrons són inestables i es poden desintegrat, però això té poca importància perquè el seu temps de vida mig és de gairebé un quart d'hora, però sobre tot, el problema és que poder sortir del medi on es pot produir la reacció en cadena. És necessari que tinguin una col·lisió abans de sortir d'aquest medi, d'altra manera no participaran a la reacció en cadena. Això comporta que el gruix mig del medi físsil ha de ser prou gran per assegurar un probabilitat suficient de que els neutrons trobin un nucli físsil en el seu camí. El que porta a la noció de massa crítica de la matèria físsil, que seria una massa per sota de la qual no es tindria prou neutrons, sigui quina sigui la forma de la càrrega físsil, per tal de mantenir la reacció. Això explica perquè no es poden fer minireactors nuclears o minibombes atòmiques.
[edita] Referències
- ↑ The Physical Review, Vol. 55, Número. 4, 15 de Febrer del 1939.
- ↑ Lise Meitner and O. R. Frisch Disintegration of Uranium by Neutrons: a New Type of Nuclear Reaction, Nature, Volum 143, Número 3615, pàgines 239-240 (18 de febrer del 1939). L'escrit és datat el 16 de gener del 1939.
- ↑ G. Scharff-Goldhaber and G. S. Klaiber. «Spontaneous Emission of Neutrons from Uranium». Phys. Rev., vol. 70, 3-4, pàg. 229 - 229 [Consulta: 6-6-2009].
- ↑ Igor Sutyagin: The role of nuclear weapons and its possible future missions
- ↑ K.H.Lieser, Einführung in die Kernchemie (1980) S.204/688ff; ISBN 3-527-25749-7
