Fisio
En la partikla fiziko, la fisio (ankaŭ nomata kernofendado aŭ nuklea fendiĝo) estas fizika reago en kiu atomkerno fendiĝas en pli malgrandajn nukleojn dum elsendado de neŭtronoj. Ĉi tiu fenomeno okazas en la kernoj de pezaj elementoj kaj estas akompanata de liberigo de multe da energio, kiu estas elsendita en formo de kineta energio de la fisiaj produktoj kaj gamaradioj. La procezo povas estas spontanea ĉe kelkaj izotopoj, sed tio estas escepto.
Ĝenerale, la fisio estas okazigita per nuklea reakcio, en kiu unu fisiebla nukleo estas bombardata per neŭtronoj. Se la energio estas adekvata, la nukleo absorbas la neŭtronon, kaj post malstabila stato, ĝi fendiĝas, kaj la rezulto estas la kreado de du aŭ tri pli malgrandaj kernoj, plus la elsendo de aliaj radiadoj, ĉefe pliaj neŭtronoj kaj gama-radiado. Ankaŭ produktiĝas granda kvanto da energio, kio klarigas ĝian uzon en atomcentraloj aŭ en armiloj (vidu artikolon atomeksplodo).
En la tipa procezo de fisio, la nombro da elirintaj neŭtronoj estas egala aŭ pli granda ol tiuj produktintaj la unuan reakcion, kio permesas la daŭrigo de la procezo. Oni tiam parolas pri ĉenreakcio.
La rezultantaj kernoj, aŭ fisiproduktoj, havas eksceson de neŭtronoj, kaj do estas radioaktivaj. Ili konsistigas parton de la reziduo de la atomcentraloj.
Tipa ekzemplo de tiu reakcio estas jena:
Neŭtrono + 235U → fisiproduktoj + pliaj neŭtronoj + energio
Aliaj nuklidoj kiuj suferas fision estas 238U kaj izotopoj de plutonio kaj torio.
Mekanismo
redaktiFisio povas okazi sen neŭtronbombado kiel speco de radiaktiva disfalo. Tiu speco de fisio (nomita spontanea fisio) estas malofta krom en kelkaj pezaj izotopoj. En realigitaj atomaparatoj, esence fisio okazas kiel "nuklea reago" - bombad-movita procezo kiu rezultas de la kolizio de du subatomaj partikloj. En nukleaj reagoj, subatoma partiklo kolizias kun atomkerno kaj kaŭzas ŝanĝojn al ĝi. Nukleaj reagoj estas tiel movitaj per la mekaniko de bombado, ne preter la relative konstanta eksponenta atomdisfalo kaj duoniĝotempo karakterizaĵo de spontaneaj radioaktivaj procezoj.
Multaj specoj de nukleaj reagoj estas nuntempe konataj. Fisio devias grave de aliaj specoj de nukleaj reagoj, en tio ke ĝi povas esti plifortigita kaj foje kontrolita per atomĉenreakcio (unu speco de ĝenerala ĉenreakcio). En tia reago, liberaj neŭtronoj liberigitaj per ĉiu fisiokazaĵo ankoraŭ povas ekigi pli da okazaĵoj, kiuj en victurno liberigas pli da neŭtronoj kaj kaŭzas pli da fisioj.
La kemia elemento izotopoj kiuj povas daŭrigi fisian ĉenreakcion estas nomitaj nukleaj fueloj, kaj laŭdire estas fendeblaj. La plej oftaj nukleaj fueloj estas 235U (la izotopo de uranio kun atompezo de 235 kaj de uzo en nukleaj reaktoroj) kaj 239Pu (la izotopo de plutonio kun atompezo de 239). Tiuj fueloj krevas dise en dumodalan vicon da kemiaj elementoj kun atompezcentrado proksime de 95 kaj 135 u (fisiproduktoj). La plej multaj nukleaj fueloj spertas spontanean fision nur tre malrapide, kadukiĝante anstataŭe plejparte per alfa-beta disfala vico dum periodoj de jarmiloj al eonoj. En nuklea rektoro aŭ atombombo, la superforta plimulto de fisiokazaĵoj estas okazigita per bombado kun alia partiklo, neŭtrono, kiu estas sinproduktita per antaŭaj fisiokazaĵoj.
Fisioj en fendeblaj fueloj estas la rezulto de la atomenergio produktita kiam fendebla nukleo kaptas neŭtronon. Tiu energio, rezultiĝante el la neŭtronasimilado, estas rezulto de la alloga nuklea forto aganta inter la neŭtrono kaj nukleo. Ĝi estas sufiĉe por misformi la nukleon en duoble-loba "guton", ĝis la punkto ke atomfragmentoj superas la distancojn ĉe kiuj la nuklea forto povas teni du grupojn de ŝarĝitaj nukleonoj kune kaj, kiam tio okazas, la du fragmentoj kompletigas sian apartigon kaj tiam estas movitaj pli malproksime dise per siaj reciproke fiaj pagendaĵoj, en procezo kiu iĝas nemaligebla kun pli granda distanco. Simila procezo okazas en fisieblaj izotopoj (kiel ekzemple urani-granda), sed por fisio, tiuj izotopoj postulas kroman energion disponigitan per rapidaj neŭtronoj (kiel ekzemple tiuj produktitaj per fuzio en termonukleaj armiloj).
La likvaĵa gutmodelo de la atomkerno antaŭdiras egal-grandajn fisiproduktojn kiel rezulto de atomdeformado. La pli sofistika atomŝelmodelo estas necesa por mekanike klarigi la itineron al la pli energie favora rezulto, en kiu unu fisiprodukto estas iomete pli malgranda ol la alia. Teorio de la fisio bazita sur ŝelmodelo estis formulita fare de Maria Goeppert Mayer.
La plej ofta fisioprocezo estas binara fisio, kaj ĝi produktas la fisiproduktojn supre, ĉe 95±15 kaj 135±15 u. Tamen, la binara procezo okazas simple ĉar ĝi estas la plej verŝajna. En ie ajn de 2 ĝis 4 fisioj per 1000 en nuklea rektoro, procezo de ternara fisio produktas tri pozitive ŝargitajn fragmentojn (kaj plie neŭtronoj) kaj la plej malgranda el tiuj povas gami de tiom eta aĵo kiel protono (Z 1), ĝis same granda fragmento kiel argono (Z 18). La plej oftaj malgrandaj fragmentoj, aliflanke, estas kunmetitaj de 90% nukleoj de heliumo kun pli da energio ol alfa-partikloj de alfa-kadukiĝo (tielnomitaj "longdistancaj alfaoj" ĉe 16 MeV), kaj plie heliumnukleoj, kaj tritonoj (la nukleoj el tricio). La ternara procezo estas malpli ofta, sed daŭre finas produkti signifan helium-trician gasamasiĝon en la fuelstangoj de modernaj nukleaj reaktoroj.
Historio
redakti
La procezo de fisio estis renkontita plurfoje dum la esploroj pri kernenergio dum la tridekaj jaroj de la 20-a jarcento, sed ili ne estis ĝuste interpretitaj ĝis 1939, fare de Otto Hahn, Fritz Strassmann kaj aliaj en Berlino. Fisio de pezaj elementoj estis malkovrita precize la 17-an de decembro 1938 fare de germana Otto Hahn kaj lia asistanto Fritz Strassmann, kaj klarigita teorie en januaro 1939 fare de Lise Meitner kaj ŝia nevo Otto Robert Frisch. Frisch nomis la procezon de analogeco kun biologia fisio de vivantaj ĉeloj. Ĝi estas eksoterma reago kiu povas liberigi grandajn kvantojn de energio kaj same elektromagnetan ondon kaj kiel kineta energio de la fragmentoj (varmigante la grocan materialon kie fisio okazas). En ordo por fisio por produkti energion, la totala ligoenergio de la rezultaj elementoj devas esti malpli negativa (pli alta energio) ol tiu de la startelemento.
Tre baldaŭ sekvis diversaj aliaj esploroj, kaj estis agnoskita la ebleco ĝin uzi por diversaj aplikoj, inter ili militaj. En Usono, Enrico Fermi gvidis la konstruon de la unua atomreaktoro. Spontanea fisio estis malkovrita en 1940 fare de Fljorov, Petrĵak kaj Kurĉatov en Moskvo, kiam ili decidis konfirmi ke, sen bombado de neŭtronoj, la fisiofteco de uranio estis efektive nekonsiderinda, kiel antaŭdirite de Niels Bohr; fakte ĝi ne estis.
Malmultaj jaroj poste eksplodis la unua atombombo, bazita en la fenomeno (A-bombo: oni ne konfuzu ĝin kun la H-bombo, bazita en la procezo de fuzio).
Nuklea fisio, aŭ pli ĝuste, nuklea fisia ĉenreakcio, estas la bazo por funkciado de nuklea rektoro, en kiu nuklea fisio estas farita en malrapida kaj kontrolita maniero, kaj de atombombo, en kiu nuklea fisio estas farita pleje rapide. Bomboj de tiu tipo estis ĵetitaj sur Japanio, Hiroŝimo kaj Nagasako ĉe la fino de Dua Mondmilito fare de Usono. En la 1950-aj jaroj komenciĝis la paca uzo de la fisio, kaj la konstruado de la unuaj atomcentraloj.
Atombomboj
redakti
Pli detalaj informoj troveblas en artikolo Atombombo.
Atombombo aŭ nuklea bombo estas bombo funkcianta per la energio produktita de la fisio aŭ fuzio de atomaj kernoj, t.e. de kernenergio (aŭ: nuklea energio aŭ atom-energio). La ĝusta nomo devus esti nuklea bombo, ĉar fakte la energio estas originata en procezoj en la nukleo de la atomoj (atomkernoj), kaj ne en la atomo kiel tuto. La uzo estas malsama laŭ lingvoj, kaj en Esperanto la nomo atombombo pli enradikiĝis en nefaka literaturo. Kelkfoje la vorto atombombo estas uzata nur por la armiloj kiuj uzas la nuklean fision, la t.n. A-bomboj, dum tiuj uzantaj la fuzion ricevas la nomon H-bomboj (hidrogenaj bomboj). La granda detrukapablo de la atomarmiloj estas produktata de la liberigo de energio, ĉefe meĥanika (pro la eksplodo) aŭ terma. La elsendo de joniga radiado estas sekundara, kvankam ĝi havas longdaŭrajn efikojn.
La unua atombombo estis konstruita de Usono dum la Dua mondmilito. Kiam estis malkovrita la nuklea fisio, en 1939, la sciencistoj rimarkis, ke ĝi ebligis la militan uzon. La milita situacio, kaj la timo, ke la nazia reĝimo en Germanio povus disvolvi la armilon antaŭe, okazigis la sisteman esploron, per la kreado de la Projekto Manhattan. La unuan bombon oni testeksplodigis la 16-an de julio 1945 je la kvina kaj duono en la dezerto de Alamogordo en Nov-Meksiko. Nur kelkajn horojn, post kiam evidentiĝis, ke "la bombo funkciis", la usona krozoŝipo USS Indianapolis forlasis la havenon de San-Francisko. Ĝia celo estis la insulo Tinian en la Pacifiko. En ĝia ŝipkelo troviĝis "Little Boy", la urania bombo, kiu la 6-an de aŭgusto 1945 detruos Hiroŝimon.
Pli detalaj informoj troveblas en artikolo Atoma bombado de Hiroŝima kaj Nagasaki.Ĝis nun nur unu ŝtato faligis atombombon kontraŭ loĝataj urboj. Tiu estis Usono, en 1945, en la finaj tagoj de la Dua mondmilito, kontraŭ la japanaj urboj Hiroŝimo (la 6-an de aŭgusto je la okaj kaj kvarono), kaj Nagasako (la 9-an). Usono elektis uzi la bombojn por eviti eventualan invadon de la Japana ĉefinsulo, kaj la multcentoj da miloj da mortoj kiuj nepre sekvus.
Vidu ankaŭ
redaktiNotoj
redaktiBibliografio
redakti- DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory Volume 1 (PDF). U.S. Department of Energy. Januaro 1993. Arkivita el la originalo (PDF) en 2014-03-19. Alirita en 2012-01-03.
- DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory Volume 2 (PDF). U.S. Department of Energy. Januaro 1993. Arkivita el la originalo (PDF) en 2013-12-03. Alirita en 2012-01-03.
- Bulgac, Aurel; Jin, Shi; Stetcu, Ionel (2020). "Nuclear Fission Dynamics: Past, Present, Needs, and Future". Frontiers in Physics. 8: 63. arXiv:1912.00287. Bibcode:2020FrP.....8...63B. doi:10.3389/fphy.2020.00063.
