Rozszczepienie jądra atomowego to przemiana jądrowa, w której ciężkie jądro atomowe rozpada się na co najmniej dwa lżejsze jądra. Większość takich reakcji zachodzi po zderzeniu owego ciężkiego jądra z neutronem. Produktem takiej reakcji są najczęściej dwa różne jądra o różniących się nieco masach atomowych oraz kilka swobodnych neutronów. Przykładowe reakcje rozszczepienia dla rozszczepialnego izotopu uranu  zapisano poniżej:

Sumaryczna masa produktów reakcji rozszczepienia jest mniejsza niż sumaryczna masa substratów – oznacza to, że w wyniku takiej reakcji wydzielana jest energia (zgodnie z zasadą zachowania energii całkowitej), którą unoszą produkty rozpadu. Powstałe w wyniku tej reakcji neutrony unoszą większość tej energii, a ponadto są one w stanie inicjować kolejne reakcje rozszczepienia, co sprawia, że w przypadku zgromadzenia odpowiedniej ilości (masy) izotopów rozszczepialnych (np. uran U-235, pluton Pu-239), możliwe jest uzyskanie tzw. reakcji łańcuchowej, w której rozszczepienia następują „łańcuchowo”, jedno po drugim,  a w każdym z nich wyzwalana jest energia.

Przykładową reakcję rozszczepienia jądra uranu U-235 na jądra baru i kryptonu przedstawiono schematycznie na Rys. 1.

Rys. 1.

Reaktor jądrowy

Łańcuchową reakcję rozszczepienia w sposób kontrolowany wykorzystujemy w reaktorach jądrowych. Paliwo, które w reaktorach jądrowych stanowią rozszczepialne izotopy (np. uran U-235), umieszczane jest w prętach paliwowych w rdzeniu reaktora. Ponieważ typowe neutrony powstałe w reakcji rozszczepienia posiadają z reguły zbyt wysoką energię kinetyczną, by mogły zainicjować kolejne rozszczepienia, to należy je najpierw spowolnić. Okazuje się, że doskonałym moderatorem (spowalniaczem) neutronów może być zwykła woda, dlatego najczęściej reaktor znajduje się właśnie w zbiorniku z wodą, która spowalnia powstałe w reakcjach rozszczepienia neutrony. Te spowolnione już neutrony będą z dużym prawdopodobieństwem inicjować kolejne reakcje rozszczepienia i w ten sposób uzyskujemy reakcję łańcuchową. Aby móc kontrolować to jak szybko zachodzi taka reakcja, wykorzystuje się tzw. pręty kontrolne, które można wsuwać do reaktora między pręty paliwowe. Pręty kontrolne wykonane są z materiału, który dobrze pochłania neutrony (np. kadm), dzięki czemu ich wsunięcie do reaktora spowalnia tempo reakcji łańcuchowej.

Podczas trwania reakcji neutrony oddają swoją energię cząsteczkom wody, dzięki czemu ta się podgrzewa. Taka gorąca woda, która znajduje się pod wysokim ciśnieniem przepływa do drugiego zbiornika wody o normalnym ciśnieniu przekazując jej swoje ciepło. Tam woda pod normalnym ciśnieniem zamienia się w parę, która kierowana jest na turbiny generatora elektrycznego (prądnicy), w wyniku czego powstaje prąd elektryczny.

Bomba jądrowa

Niekontrolowana reakcja łańcuchowa zachodzi podczas wybuchu bomby jądrowej. Gdy np. dwa kawałki materiału rozszczepialnego (zawierającego np. uran U-235 czy pluton Pu-239) połączy się ze sobą uzyskując odpowiednią jego masę (przekroczona zostaje wtedy tzw. masa krytyczna), to dochodzi wówczas do takiej samopodtrzymującej się łańcuchowej reakcji rozszczepienia. W takiej sytuacji w bardzo krótkim czasie wydzielana jest bardzo duża energia, co przekłada się na tak niszczycielską moc bomby jądrowej.

Przykład:

Oblicz energię wyzwalaną w następującej reakcji rozszczepienia:

Energie wiązania na nukleon dla jąder uranu, baru i kryptonu wynoszą odpowiednio: , , . Przyjmij, że energie kinetyczne substratów były zaniedbywalnie małe.

Rozwiązanie:

Należy zastosować zasadę zachowania energii całkowitej, a zatem:

Energia całkowita to suma energii spoczynkowej i energii kinetycznej. Zaniedbujemy energię kinetyczną produktów (zgodnie z poleceniem). Wyzwolona energia to energia kinetyczna jaką uzyskają produkty rozszczepienia, zapiszemy ją jako jedną energię :

Nie znamy mas jąder uranu, baru i kryptonu, ale znamy ich energie wiązania, a ta wyraża się przez odpowiednie deficyty mas jąder. Możemy zatem rozpisać masy tych jąder poprzez ich deficyty, wykorzystując wzór na bilans masy w jądrze (wprowadziliśmy go w rozdziale 17.2):

Wykorzystując ów wzór w przypadku naszego równania otrzymujemy:

Wyrażenia  i  redukują się po obu stronach równania, wobec czego otrzymujemy:

Ponieważ energia wiązania dla danego jądra to iloczyn deficytu masy danego jądra i prędkości światła do kwadratu, to otrzymujemy:

Aby obliczyć energię wiązania każdego jądra, należy pomnożyć energię wiązania danego jądra na nukleon przez liczbę nukleonów w tym jądrze. Stąd otrzymujemy:

Zadania do zrobienia:

1. Uzupełnij równanie reakcji rozszczepienia:

Odp.:

2. Przyjmij, że przy pojedynczym rozszczepieniu jądra uranu uwalniania jest energia równa 200 MeV. Oblicz energię wyzwalaną podczas rozczepienia 0,1 mola czystego uranu . Wyraź tę energię w kilowatogodzinach (kWh).

Odp.:

2. Oblicz energię uwalnianą w procesie rozszczepienia jądra uranu . Energie wiązania na nukleon kolejno jąder uranu, bromu i lantanu wynoszą: , , . Pomiń energie kinetyczne substratów.

Odp.:

Jeśli jesteś zainteresowany/a dodatkowymi materiałami dotyczącymi tego zagadnienia, to pod poniższym linkiem znajdziesz płatne (60 zł) dwugodzinne nagranie z omówieniem teorii i rozwiązaniami zadań maturalnych w tej tematyce:

https://szkolamaturzystow.pl/kurs/kurs-maturalny-fizyka-fizyka-jadrowa