ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΣΧΑΣΗ

ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΣΧΑΣΗ

ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΣΧΑΣΗ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Όπως γνωρίζουμε,ένα μεγάλο ποσό ενέργειας σύνδεσης θα απελευθερωθεί εάν σπάσουμε ένα μεγάλο πυρήνα σε άλλους μικρότερους.Αλλά συνήθως δεν είναι καθόλου εύκολο να διασπάσουμε ένα πυρήνα.

Ένα μεγάλο ποσό ενέργειας σύνδεσης θα απελευθερωθεί εάν σπάσουμε ένα μεγάλο πυρήνα σε άλλους μικρότερους

 Ότι χρειαζόμαστε είναι μια διαδικασία μέσω της οποίας δίνοντας λιγότερη ενέργεια από αυτή που θα πάρουμε,να διασπάσουμε ένα βαρύ πυρήνα.

ΠΡΟΣΠΙΠΤΟΝΤΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ ΜΠΟΡΟΥΝ ΝΑ ΠΡΟΚΑΛΕΣΟΥΝ ΤΗΝ ΣΧΑΣΗ ΒΑΡΕΩΝ ΠΥΡΗΝΩΝ

  Η διάσπαση του ατόμου  είχε μελετηθεί θεωρητικά από τον Ενρίκο Φέρμι το 1934.

Ο Ενρίκο Φέρμι (Enrico Fermi,29 Σεπτεμβρίου 1901-28 Νοεμβρίου 1954) ήταν Ιταλός φυσικός,ο οποίος τιμήθηκε το 1938 με το βραβείο Νόμπελ Φυσικής.Ο Φέρμι μελέτησε τα σωμάτια των ατόμων και ανακάλυψε ένα ακόμη σωμάτιο,το οποίο ονομάστηκε φερμιόνιο.Επίσης,διατύπωσε τη θεωρία της ραδιενέργειας β.Το 1942 κατασκεύασε τον πρώτο ατομικό αντιδραστήρα,στο Σικάγο των Η.Π.Α.Εκεί πέτυχε την τεχνητή αλυσιδωτή πυρηνική αντίδραση.Ο Φέρμι συμμετείχε και στην κατασκευή της ατομικής βόμβας μαζί με πολλούς διάσημους φυσικούς της εποχής του

 Πρακτικά η απάντηση ήρθε το 1938 από τους Otto Hahn(Ότο Χαν) και Fritz Strassman (Φριτς Στράσμαν),όταν ανακάλυψαν ότι ένας πυρήνας ουρανίου-235 όταν βομβαρδιστεί με νετρόνια υφίσταται σχάση.Το γεγονός αυτό δεν οφείλεται στη σύγκρουση των νετρονίων.

Ο Otto Hahn(Ότο Χαν) και ο Fritz Strassman (Φριτς Στράσμαν) ανακάλυψαν ότι ένας πυρήνας ουρανίου-235 όταν βομβαρδιστεί με νετρόνια υφίσταται σχάση

 Αυτό που συμβαίνει,είναι ότι ο πυρήνας του ουρανίου-235 απορροφά το νετρόνιο μετασχηματιζόμενος σε ένα πυρήνα ουρανίου-235.Αρκετοί άλλοι βαρείς πυρήνες βρέθηκαν αργότερα να είναι σχάσιμοι μέσω παρόμοιας διαδικασίας με νετρόνια.Υπάρχουν περίπου 90 διαφορετικοί συνδυασμοί  των δύο θυγατρικών πυρήνων που αποτελούν τα θραύσματα του πυρήνα ουρανίου.

Στα βαρύτερα στοιχεία η σχάση είναι εξώθερμη αντίδραση αποδίδοντας στο περιβάλλον ενέργεια ως ακτινοβολία γ και ως κινητική ενέργεια των θραυσμάτων.Στην αντίδραση αυτή η ολική μάζα ηρεμίας των προϊόν των είναι μικρότερη  από την αρχική μάζα ηρεμίας

 Πυρηνική σχάση ονομάζεται η πυρηνική διαδικασία κατά την οποία ένας ασταθής ατομικός πυρήνας χωρίζεται σε δυο ή περισσότερους μικρότερους πυρήνες και σε μερικά παραπροϊόντα σωμάτια,όπως νετρόνια.

Πυρηνική σχάση ονομάζεται η πυρηνική διαδικασία κατά την οποία ένας ασταθής ατομικός πυρήνας χωρίζεται σε δυο ή περισσότερους μικρότερους πυρήνες και σε μερικά παραπροϊόντα σωμάτια,όπως νετρόνια

 Η σχάση αποτελεί μια περίπτωση μεταστοιχείωσης κατά την οποία παράγονται δύο θραύσματα με συγκρίσιμες μάζες. 
 Στα βαρύτερα στοιχεία η σχάση είναι εξώθερμη αντίδραση αποδίδοντας στο περιβάλλον ενέργεια ως ακτινοβολία γ και ως κινητική ενέργεια των θραυσμάτων.Στην αντίδραση αυτή η ολική μάζα ηρεμίας των προϊόν των είναι μικρότερη  από την αρχική μάζα ηρεμίας.

ΑΝΑΛΟΓΙΑ ΜΕ ΤΗΝ ΥΓΡΗ ΣΤΑΓΟΝΑ

 Η πυρηνική σχάση μπορεί να ερμηνευτεί στη βάση του μοντέλου υγρής σταγόνας.Όταν μια υγρή σταγόνα διεγερθεί κατάλληλα,μπορεί να υποστεί ταλαντώσεις με διάφορους τρόπους.Ένας άλλος τρόπος φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.Η σταγόνα διαδοχικά γίνεται ένα αυγοειδές σφαιροειδές,σφαίρα,ένα πεπλατυσμένο σφαιροειδές,μια σφαίρα ένα αυγοειδές σφαιροειδές κ.ο.κ.Η δύναμη επαναφοράς της επιφανειακής της τάσης αναγκάζει την σταγόνα να επανέρχεται στο σφαιρικό της σχήμα,αλλά η αδράνεια των κινούμενων μορίων αναγκάζει επίσης την σταγόνα να υπερβαίνει τη σφαιρικότητα και να φθάσει στο αντίθετο άκρο της παραμόρφωσης.

Η πυρηνική σχάση μπορεί να ερμηνευτεί στη βάση του μοντέλου υγρής σταγόνας.Όταν μια υγρή σταγόνα διεγερθεί κατάλληλα,μπορεί να υποστεί ταλαντώσεις με διάφορους τρόπους.Η σταγόνα διαδοχικά γίνεται ένα αυγοειδές σφαιροειδές,σφαίρα,ένα πεπλατυσμένο σφαιροειδές,μια σφαίρα ένα αυγοειδές σφαιροειδές κ.ο.κ

 Αν και οι πυρήνες μπορούν να θεωρηθούν ότι παρουσιάζουν επιφανειακές τάσεις και άρα μπορούν να ταλαντώνονται ως υγρές σταγόνες όταν είναι σε διεγερμένη κατάσταση,επίσης υπόκειται σε αποσχιστικές δυνάμεις λόγω των αμοιβαίων απωστικών ηλεκτρικών δυνάμεων από τα πρωτόνια τους.

Όταν ένας πυρήνας απομακρύνεται από το σφαιρικό σχήμα,η μικρού βεληνεκούς δύναμη επαναφοράς λόγω επιφανειακής τάσης πρέπει να ανταπεξέλθει με την μεγάλης εμβέλειας απωστική δύναμη όπως επίσης και με την αδράνεια της πυρηνικής μάζας

 Όταν ένας πυρήνας απομακρύνεται από το σφαιρικό σχήμα,η μικρού βεληνεκούς δύναμη επαναφοράς λόγω επιφανειακής τάσης πρέπει να ανταπεξέλθει με την μεγάλης εμβέλειας απωστική δύναμη όπως επίσης και με την αδράνεια της πυρηνικής μάζας.Εάν ο βαθμός παραμόρφωσης είναι επαρκώς μεγάλος η επιφανειακή τάση δεν αρκεί να επαναφέρει τις δύο τώρα πολύ απομακρυσμένες ομάδες πρωτονίων και ο πυρήνας διασπάται σε δύο μέρη.

  

ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΣΧΑΣΗ ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΙ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΟΙ ΠΥΡΗΝΕΣ ΚΑΙ ΑΡΚΕΤΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ

 Οι νέοι πυρήνες που παράγονται στη σχάση ονομάζονται θραύσματα σχάσης και συνήθως δεν έχουν ίδιο μέγεθος.Επειδή οι βαρύτεροι πυρήνες έχουν μεγαλύτερο λόγο νετρονίων/πρωτονίων έναντι των ελαφρότερων πυρήνων,οι αποσχίσθέντες πυρήνες περιέχουν μια περίσσεια νετρονίων.

Για να ελαττωθεί η περίσσεια αυτή,δύο ή τρία νετρόνια εκπέμπονται από τους πυρήνες αμέσως μόλις σχηματιστούν και ακολούθως αποδιεγείρονται με ακτινοβολία-β φέροντας τον λόγο νετρονίων πρωτονίων σε τιμές που αντιστοιχούν σε πυρηνική σταθερότητα

 Για να ελαττωθεί η περίσσεια αυτή,δύο ή τρία νετρόνια εκπέμπονται από τους πυρήνες αμέσως μόλις σχηματιστούν και ακολούθως αποδιεγείρονται με ακτινοβολία-β φέροντας τον λόγο νετρονίων πρωτονίων σε τιμές που αντιστοιχούν σε πυρηνική σταθερότητα.Μια τυπική αντίδραση σχάσης είναι η ακόλουθη:

                                              10²²⁵92U+n --->0¹⁴⁰54Xe+⁹²38Sr+n+n

  Η αντίδραση αυτή είναι ισχυρά εξώθερμη και τα θραύσματα της σχάσης, καθώς και τα νετρόνια, έχουν μια υψηλή κινητική ενέργεια της τάξης των 200 MeV.

ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΠΥΡΗΝΕΣ ΕΧΟΥΝ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΕΠΙΔΕΚΤΙΚΟΤΗΤΕΣ ΩΣ ΠΡΟΣ ΤΗ ΣΧΑΣΗ

 Ένας βαρύς πυρήνας υπόκειται σε σχάση εάν συγκεντρώνει αρκετή ενέργεια διέγερσης (περίπου 5MeV) ώστε να αρχίσει να ταλαντώνεται ισχυρά.Λίγοι πυρήνες,σημειώστε το ²²⁸U,διεγείρονται επαρκώς με την απλή απορρόφηση ενός επιπρόσθετου νετρονίου και σχίζονται στα δύο.Άλλοι πυρήνες όπως το ²²⁸U(αποτελεί το 99,3% του φυσικού ουρανίου) απαιτούν περισσότερη ενέργεια για σχάση από την ενέργεια σύνδεσης που απελευθερώνεται όταν ένα άλλο νετρόνιο απορροφάται.Τέτοιοι πυρήνες υφίσταται σχάση μόνο με αντιδράσεις με ταχέα νετρόνια των οποίων η κινητική ενέργεια υπερβαίνει το 1 MeV. 

Σχάση μπορεί να συμβεί μετά από διέγερση με άλλα μέσα εκτός της σύλληψης με νετρόνια,π.χ. με βομβαρδισμό με ακτίνες -γ ή με πρωτόνια

 Σχάση μπορεί να συμβεί μετά από διέγερση με άλλα μέσα εκτός της σύλληψης με νετρόνια,π.χ. με βομβαρδισμό με ακτίνες -γ ή με πρωτόνια.Μερικοί πυρήνες είναι τόσο ασταθείς ώστε είναι δυνατόν να υποστούν σχάση αυθόρμητα,αλλά είναι περισσότερο πιθανό να υποστούν αποδιέγερση -α πριν η σχάση πάρει μέρος.

ΜΕΓΑΛΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ ΣΧΑΣΗΣ

 Ένα σημαντικό στοιχείο της πυρηνικής σχάσης είναι το μέγεθος ενέργειας που απελευθερώνεται.Όπως είδαμε το ποσό αυτό βρίσκεται κοντά στα 200 MeV,μια αξιοσημείωτη τιμή για ένα απλό πυρηνικό γεγονός σε σύγκρουση οι χημικές αντιδράσεις ελευθερώνουν μόνο μερικά eV ανά γεγονός.

Ένα σημαντικό στοιχείο της πυρηνικής σχάσης είναι το μέγεθος ενέργειας που απελευθερώνεται που βρίσκεται κοντά στα 200 MeV

  Η περισσότερη ενέργεια που απελευθερώνεται στη σχάση πηγαίνει σε κινητική ενέργεια των θραυσμάτων σχάσης.Στην περίπτωση της σχάσης ²³⁵U της ενέργειας εμφανίζεται ως κινητική ενέργεια των αποσχισθέντων πυρήνων.

Στην περίπτωση της σχάσης ²³⁵U της ενέργειας εμφανίζεται ως κινητική ενέργεια των αποσχισθέντων πυρήνων.Περίπου 2,5% πηγαίνει ως κινητική ενέργεια των νετρονίων και περίπου 3,5% εκπέμπεται ως ακτίνες-γ,ενώ το υπόλοιπο 11% αποδίδεται στις ακτινοβολίες β και γ που εκπέμπουν οι αποσχισθέτες πυρήνες

 Περίπου 2,5% πηγαίνει ως κινητική ενέργεια των νετρονίων και περίπου 3,5% εκπέμπεται ως ακτίνες-γ,ενώ το υπόλοιπο 11% αποδίδεται στις ακτινοβολίες β και γ που εκπέμπουν οι αποσχισθέτες πυρήνες.

ΑΛΥΣΩΤΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ

 Σχεδόν αμέσως μετά την ανακάλυψη της σχάσης αναγνωρίσθηκε ότι εφόσον ένα νετρόνιο μπορεί να ξεκινήσει σχάση σε ένα κατάλληλο πυρήνα με επακόλουθο την εκπομπή επιπρόσθετων νετρονίων,είναι δυνατή μια αυτοτροφοδοτούμενη ακολουθία σχάσεων.

Αλυσωτή αντίδραση

 Η συνθήκη ώστε να συμβεί μια τέτοια αλυσωτή αντίδραση σε ένα σχάσιμο υλικό,είναι απλή:τουλάχιστον ένα νετρόνιο που παράγεται σε ένα γεγονός σχάσης πρέπει κατά μέσο όρο να ξεκινήσει μια άλλη σχάση.

Η συνθήκη ώστε να συμβεί μια τέτοια αλυσωτή αντίδραση σε ένα σχάσιμο υλικό,είναι απλή:τουλάχιστον ένα νετρόνιο που παράγεται σε ένα γεγονός σχάσης πρέπει κατά μέσο όρο να ξεκινήσει μια άλλη σχάση

 Εάν πολύ λίγα νετρόνια ξεκινούν σχάση,η αντίδραση θα επιβραδυνθεί και θα σταματήσει,εάν ακριβώς ένα νετρόνιο ανά σχάση παράγει μια άλλη σχάση τότε θα έχουμε σταθερή παραγωγή ενέργειας(είναι η περίπτωση ενός πυρηνικού αντιδραστήρα).

Εάν η συχνότητα του αριθμού σχάσεων αυξάνει,η ενέργεια που ελευθερώνεται αυξάνει τόσο γρήγορα που προκαλείται έκρηξη(είναι η περίπτωση της ατομικής βόμβας)

 Εάν η συχνότητα του αριθμού σχάσεων αυξάνει,η ενέργεια που ελευθερώνεται αυξάνει τόσο γρήγορα που προκαλείται έκρηξη(είναι η περίπτωση της ατομικής βόμβας).Οι καταστάσεις αυτές ονομάζονται αντίστοιχα υποκρίσιμη,κρίσιμη και υπερκρίσιμη κατάσταση.

Αντίθετα, σε έναν αντιδραστήρα παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος επιβραδύνονται με κατάλληλο μηχανισμό τα παραγόμενα νετρόνια,ώστε  να διατηρούν μια αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση,η οποία όμως  θα προχωρεί  αργά και ελεγχόμενα,χωρίς  να οδηγεί σε έκρηξη

 Αντίθετα,σε έναν αντιδραστήρα παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος επιβραδύνονται με κατάλληλο μηχανισμό τα παραγόμενα νετρόνια,ώστε  να διατηρούν μια αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση,η οποία όμως  θα προχωρεί  αργά και ελεγχόμενα,χωρίς  να οδηγεί σε έκρηξη.