Ydinfissio
Raskaan ytimen haljetessa massa ja sidosenergia jakautuvat kevyemmille fragmenteille, vapaille neutroneille ja säteilylle. Fissio on sekä yksittäinen ydinreaktio että mahdollisen neutroniketjun alku.
Perusajatus ja määritelmä
Tyypillinen fissio alkaa, kun raskas ydin sieppaa neutronin ja muodostaa virittyneen yhdistelmäytimen. Se voi muuttaa muotoaan ja haljeta kahdeksi pääfragmentiksi. A:n ja Z:n on täsmättävä, kun kaikki fragmentit ja vapaat neutronit lasketaan mukaan.
Mekanismi ja kvantitatiivinen malli
Energia tulee alku- ja lopputuotteiden kokonais-sidosenergian erosta. Noin 200 MeV fissioita kohti on hyvä suuruusluokka; energia jakautuu fragmenttien liike-energiaan, neutronien energiaan ja gammasäteilyyn. Q=Δmc² perustuu massavajeeseen.
Mitä havainnot ja laskut kertovat
Vapaat neutronit voivat käynnistää uusia fissioita. Kerroin k kuvaa ketjua: k<1 on alikriittinen, k=1 kriittinen ja k>1 ylikriittinen. Vuoto ja absorptio ilman fissiota pienentävät seuraavaan sukupolveen pääsevien neutronien määrää.
Rajoitukset ja yhteydet
Nopeat neutronit syntyvät lähes heti, viivästyneet neutronit joidenkin fissiotuotteiden beetahajoamisen jälkeen. Pieni viivästynyt osuus muuttaa ketjun aikaskaalaa ratkaisevasti, joten hallittu reaktori ja nopeasti kasvava ketju eivät ole sama dynaaminen tilanne.
Ratkaistuja esimerkkejä
Tehtävä 1
Laske x reaktiossa ²³⁵U+n→¹⁴¹Ba+⁹²Kr+x n.
Ratkaisu
Massaluku: 236=141+92+x, joten x=3. Varaus: 92=56+36.
Tehtävä 2
Laske Q, kun Δm=0,215 u ja 1 u c²=931,5 MeV.
Ratkaisu
Q=0,215×931,5=200,3 MeV, siis noin 200 MeV.
Tehtävä 3
k=0,97 ja N₀=1000. Laske neutronit 10 sukupolven jälkeen.
Ratkaisu
N₁₀=1000·0,97¹⁰≈737. Koska k<1, ketju vaimenee.
Tyypillinen fissio alkaa, kun raskas ydin sieppaa neutronin ja muodostaa virittyneen yhdistelmäytimen. Se voi muuttaa muotoaan ja haljeta kahdeksi pääfragmentiksi. A:n ja Z:n on täsmättävä, kun kaikki fragmentit ja vapaat neutronit lasketaan mukaan. Energia tulee alku- ja lopputuotteiden kokonais-sidosenergian erosta. Noin 200 MeV fissioita kohti on hyvä suuruusluokka; energia jakautuu fragmenttien liike-energiaan, neutronien energiaan ja gammasäteilyyn. Q=Δmc² perustuu massavajeeseen. Vapaat neutronit voivat käynnistää uusia fissioita. Kerroin k kuvaa ketjua: k<1 on alikriittinen, k=1 kriittinen ja k>1 ylikriittinen. Vuoto ja absorptio ilman fissiota pienentävät seuraavaan sukupolveen pääsevien neutronien määrää. Nopeat neutronit syntyvät lähes heti, viivästyneet neutronit joidenkin fissiotuotteiden beetahajoamisen jälkeen. Pieni viivästynyt osuus muuttaa ketjun aikaskaalaa ratkaisevasti, joten hallittu reaktori ja nopeasti kasvava ketju eivät ole sama dynaaminen tilanne.
Todellisessa näytteessä matemaattinen malli on yhdistettävä materiaalin ja mittalaitteen käyttäytymiseen. Isotooppien menetys tai lisäys, säteilyn itseabsorptio, tausta, ilmaisimen rajallinen hyötysuhde ja kemiallinen fraktioituminen voivat muuttaa havaittua signaalia muuttamatta itse hajoamislakia. Siksi johtopäätös kannattaa varmistaa kontrollinäytteellä, riippumattomalla kalibroinnilla tai toisella isotooppijärjestelmällä aina kun mahdollista. Myös suuruusluokka on tarkistettava ennen kuin tulokseen kirjoitetaan enemmän desimaaleja kuin mittaus oikeuttaa. Ydinfysiikassa A:n, Z:n ja sähkövarauksen säilyminen on vahva tarkistus, kun taas aktiivisuudessa ja ajoituksessa eksponentiaalisen muodon ja puoliintumislogiikan on sovittava mitattuihin suhteisiin. Oikea numero väärästä syystä ei ole luotettava tieteellinen selitys.