Reakcje jądrowe, rozszczepienie jąder ciężkich

Zderzenia jąder

Gdybyśmy zderzyli ze sobą jądra atomów to moglibyśmy uzyskać większe jądra, które będąc niestabilne szybko ulegałyby rozpadowi. Zderzenie jąder atomowych nawet po ich zjonizowaniu (usunięciu wszystkich elektronów jest trudne. Muszą one uderzyć w siebie centralnie (nie tak jak na rysunku). Jednak energia ich zderzenia musi być olbrzymia. Energia termiczna wystarczająca do zderzenia dla lekkich jąder wodoru wynosi ponad 20 mln K. Dla cięższych jąder z dużą ilością protonów jest ona wielokrotnie wyższa. Taką energię możemy wytworzyć w akceleratorach, ale tylko dla pojedynczych cząsteczek. Nie jest to więc metoda, która mogłaby być wykorzystywana do tworzenia lub rozszczepiania jąder.

Akceleratory cząstek

Do rozpędzania cząstek naelektryzowanych służą cyklotrony (z lewej), oraz akceleratory. Wykorzystują one pole magnetyczny do zakrzywiania biegu cząstek oraz pole elektryczne do ich przyspieszania.

Reakcja rozszczepienia z neutronem

Aby uzyskać rozszczepienie jąder, nie możemy po prostu czekać na ich rozpad, ponieważ zazwyczaj czas ich połowicznego zaniku jest duży np. dla uranu wynosi kilka milionów lat.

Ponieważ neutron nie ma ładunku może więc on bez problemu dostać się do wnętrza jądra. Musi zostać przez to jądro wyłapany i zespolony siłami jądrowymi, zatem nie może poruszać się zbyt szybko (energia zbliżona do energii cząsteczek związanej z temperaturą).

Po przejęciu neutronu zmienia się izotop i jeżeli jest on niestabilny następuje rozpad, jak w przypadku uranu pokazanego na rysunku.

Produkty rozszczepienia uranu

Najbardziej prawdopodobna reakcja rozszczepienia uranu to:

${\displaystyle {}_{ 92}^{235}U+{}_0^{1}n={}_{36}^{93}Kr+{}_{ 56}^{140}Ba+3\cdot {}_0^{1}n}$

Inne reakcje mogą dawać również 2 neutrony i inne pierwiastki. Rozszczepienie wymuszone przechwyceniem neutronu przebiega też inaczej niż samoistne rozszczepienie.

Neutrony powstałe w wyniku rozszczepienia mogą być użyte ponownie do następnej reakcji, jednak ich energia kinetyczna musi zostać zmniejszona.

Radioizotopy

Są to pierwiastki promieniotwórcze uzyskiwane w wyniku rozszczepień większych jąder lub zderzeń jąder z innymi małymi jądrami będą promieniowaniem w tym neutronowym. Produkty rozszczepienia są zazwyczaj bardzo promieniotwórcze, a w szczególności charakteryzują się wytwarzaniem promieniowania alfa. Dlatego też produkty te są niebezpieczne dla zdrowia i życia ludzi, ale część z nich jest wykorzystywanych w wielu dziedzinach nauki, w technice oraz medycynie. Wykorzystywane przez człowieka radioizotopy produkuje się w specjalnych reaktorach badawczych i są one niezbędne w nowoczesnej gospodarce.

CERN

CERN to Europejska Rada badań jądrowych (obecnie Europejska Organizacja Badań Jądrowych) czyli instytucja powołana do rozwijania współpracy międzynarodowej w badaniu zjawisk jądrowych. Pracuje w niej obecnie około 2600 stałych pracowników oraz około 8000 naukowców z całego świata. Technologie opracowane na potrzeby CERN znajdują wiele zastosowań

• elektronice i systemach komunikacji (sieć www),
• techniki obrazowania używane w medycynie,
• obserwowanie w czasie rzeczywistym reakcji chemicznych (synchrotronowe źródła promieniowania rentgenowskiego),
• neutralizacja odpadów nuklearnych źródłami wysokoenergetycznych protonów.

Wielki Zderzacz Hadronów

Jest to największe narzędzie badawcze CERN. Uruchomiono go 10 września 2008 na granicy Szwajcarii i Francji w pobliżu Genewy. Ma długość około 27 km. Rozpędzone w nim cząstki okrążają go 11 000 razy na sekundę. Natężenie prądu płynące w magnesach zakrzywiających tor ruchu cząstek dochodzi do 11850A, a energia cząstek może dochodzić do 1200TeV. W porównaniu do innych akceleratorów jest nie tylko duży, ale też mając dużą ilość cząstek w rozpędzonej wiązce ułatwia obserwację interesujących zdarzeń. Posiada też cztery ogromne detektory (największe wysokości sześciopiętrowego budynku). Dzięki niemu udało się między innym odkryć ostatnią cząstkę elementarną modelu standardowego bozon Higgsa.