नाभिक का विखंडन एक भारी परमाणु के लगभग बराबर द्रव्यमान के दो टुकड़ों में विभाजित होने के साथ-साथ बड़ी मात्रा में ऊर्जा का उत्सर्जन होता है।
परमाणु विखंडन की खोज ने एक नए युग की शुरुआत की - "परमाणु युग"। इसके संभावित उपयोग की संभावना और इसके उपयोग से लाभ के जोखिम के अनुपात ने न केवल कई सामाजिक, राजनीतिक, आर्थिक और वैज्ञानिक उपलब्धियां पैदा की हैं, बल्कि गंभीर समस्याएं भी पैदा की हैं। विशुद्ध रूप से वैज्ञानिक दृष्टिकोण से भी, परमाणु विखंडन की प्रक्रिया ने बड़ी संख्या में पहेलियाँ और जटिलताएँ पैदा की हैं, और इसकी पूरी सैद्धांतिक व्याख्या भविष्य की बात है।
साझा करना लाभदायक है
अलग-अलग नाभिकों के लिए बाध्यकारी ऊर्जा (प्रति न्यूक्लियॉन) भिन्न होती है। आवर्त सारणी के मध्य में स्थित की तुलना में भारी लोगों में बाध्यकारी ऊर्जा कम होती है।
इसका मतलब है कि 100 से अधिक परमाणु संख्या वाले भारी नाभिक दो छोटे टुकड़ों में विभाजित होने से लाभान्वित होते हैं, जिससे ऊर्जा जारी होती हैटुकड़ों की गतिज ऊर्जा में परिवर्तित। इस प्रक्रिया को परमाणु नाभिक का विभाजन कहते हैं।
स्थिरता वक्र के अनुसार, जो स्थिर न्यूक्लाइड के लिए प्रोटॉन की संख्या पर न्यूट्रॉन की संख्या पर निर्भरता को दर्शाता है, भारी नाभिक हल्के वाले की तुलना में अधिक न्यूट्रॉन (प्रोटॉन की संख्या की तुलना में) को पसंद करते हैं। इससे पता चलता है कि विभाजन प्रक्रिया के साथ कुछ "अतिरिक्त" न्यूट्रॉन उत्सर्जित होंगे। इसके अलावा, वे कुछ जारी ऊर्जा को भी ले लेंगे। यूरेनियम परमाणु के परमाणु विखंडन के अध्ययन से पता चला है कि 3-4 न्यूट्रॉन निकलते हैं: 238U → 145La + 90बीआर + 3एन.
एक टुकड़े की परमाणु संख्या (और परमाणु द्रव्यमान) माता-पिता के परमाणु द्रव्यमान के आधे के बराबर नहीं है। विभाजन के परिणामस्वरूप बनने वाले परमाणुओं के द्रव्यमान के बीच का अंतर आमतौर पर लगभग 50 है। हालांकि, इसका कारण अभी तक पूरी तरह से समझा नहीं गया है।
238U, 145La और 90Br की बाध्यकारी ऊर्जाएं 1803 हैं, 1198 और 763 MeV, क्रमशः। इसका मतलब है कि इस प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप, यूरेनियम नाभिक की विखंडन ऊर्जा 1198 + 763-1803=158 MeV के बराबर निकलती है।
सहज विखंडन
स्वस्फूर्त विभाजन की प्रक्रियाएं प्रकृति में जानी जाती हैं, लेकिन वे बहुत दुर्लभ हैं। इस प्रक्रिया का औसत जीवनकाल लगभग 1017 वर्ष है, और, उदाहरण के लिए, उसी रेडियोन्यूक्लाइड के अल्फा क्षय का औसत जीवनकाल लगभग 1011 है। वर्ष।
इसका कारण यह है कि कर्नेल को दो भागों में विभाजित करने के लिए जरूरी हैपहले एक दीर्घवृत्ताकार आकार में विरूपण (खिंचाव) से गुजरना पड़ता है, और फिर, दो टुकड़ों में अंतिम विभाजन से पहले, बीच में एक "गर्दन" बनाते हैं।
संभावित बाधा
विकृत अवस्था में कोर पर दो बल कार्य करते हैं। उनमें से एक बढ़ी हुई सतह ऊर्जा है (एक तरल बूंद का सतह तनाव इसके गोलाकार आकार की व्याख्या करता है), और दूसरा विखंडन टुकड़ों के बीच कूलम्ब प्रतिकर्षण है। साथ में वे एक संभावित अवरोध उत्पन्न करते हैं।
जैसे अल्फा क्षय के मामले में, यूरेनियम परमाणु नाभिक के सहज विखंडन के लिए, क्वांटम टनलिंग का उपयोग करके टुकड़ों को इस बाधा को दूर करना होगा। अल्फा क्षय के मामले में बाधा लगभग 6 MeV है, लेकिन एक α कण की सुरंग की संभावना बहुत भारी परमाणु विखंडन उत्पाद की तुलना में बहुत अधिक है।
जबरन बंटवारा
यूरेनियम नाभिक के प्रेरित विखंडन की बहुत अधिक संभावना है। इस मामले में, मूल नाभिक न्यूट्रॉन से विकिरणित होता है। यदि माता-पिता इसे अवशोषित करते हैं, तो वे बाध्यकारी ऊर्जा को कंपन ऊर्जा के रूप में मुक्त करते हैं, जो संभावित अवरोध को दूर करने के लिए आवश्यक 6 MeV से अधिक हो सकती है।
जहां एक अतिरिक्त न्यूट्रॉन की ऊर्जा संभावित अवरोध को दूर करने के लिए अपर्याप्त है, एक परमाणु के विभाजन को प्रेरित करने में सक्षम होने के लिए घटना न्यूट्रॉन में न्यूनतम गतिज ऊर्जा होनी चाहिए। के मामले में 238U बांड ऊर्जा अतिरिक्तन्यूट्रॉन लगभग 1 MeV गायब हैं। इसका मतलब है कि यूरेनियम नाभिक का विखंडन केवल एक न्यूट्रॉन द्वारा प्रेरित होता है जिसकी गतिज ऊर्जा 1 MeV से अधिक होती है। दूसरी ओर, समस्थानिक 235U में एक अयुग्मित न्यूट्रॉन है। जब नाभिक एक अतिरिक्त को अवशोषित करता है, तो यह इसके साथ एक जोड़ी बनाता है, और इस युग्मन के परिणामस्वरूप, अतिरिक्त बाध्यकारी ऊर्जा प्रकट होती है। यह संभावित अवरोध को दूर करने के लिए नाभिक के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा को मुक्त करने के लिए पर्याप्त है और किसी भी न्यूट्रॉन से टकराने पर समस्थानिक विखंडन होता है।
बीटा क्षय
इस तथ्य के बावजूद कि विखंडन प्रतिक्रिया तीन या चार न्यूट्रॉन का उत्सर्जन करती है, टुकड़ों में अभी भी उनके स्थिर आइसोबार की तुलना में अधिक न्यूट्रॉन होते हैं। इसका मतलब है कि विखंडन के टुकड़े आमतौर पर बीटा क्षय के खिलाफ अस्थिर होते हैं।
उदाहरण के लिए, जब यूरेनियम का विखंडन होता है 238U, A=145 के साथ स्थिर आइसोबार नियोडिमियम होता है 145Nd, जिसका अर्थ है कि लैंथेनम का टुकड़ा 145La तीन चरणों में क्षय होता है, हर बार एक इलेक्ट्रॉन और एक एंटीन्यूट्रिनो उत्सर्जित करता है, जब तक कि एक स्थिर न्यूक्लाइड नहीं बन जाता। ए=90 के साथ स्थिर आइसोबार ज़िरकोनियम 90Zr है, इसलिए बंटवारे का टुकड़ा ब्रोमीन 90Br β-क्षय श्रृंखला के पांच चरणों में क्षय होता है।
ये β-क्षय श्रृंखला अतिरिक्त ऊर्जा छोड़ती हैं, जिनमें से लगभग सभी को इलेक्ट्रॉनों और एंटीन्यूट्रिनो द्वारा ले जाया जाता है।
परमाणु प्रतिक्रियाएं: यूरेनियम नाभिक का विखंडन
एक न्यूक्लाइड से न्यूट्रॉन का प्रत्यक्ष विकिरण भीकर्नेल की स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए उनमें से एक बड़ी संख्या की संभावना नहीं है। यहाँ मुद्दा यह है कि कोई कूलम्ब प्रतिकर्षण नहीं है, और इसलिए सतह ऊर्जा न्यूट्रॉन को जनक के साथ बंधन में रखती है। हालाँकि, ऐसा कभी-कभी होता है। उदाहरण के लिए, बीटा क्षय के पहले चरण में विखंडन खंड 90Br क्रिप्टन-90 का उत्पादन करता है, जो सतह ऊर्जा को दूर करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा के साथ उत्तेजित अवस्था में हो सकता है। ऐसे में क्रिप्टन-89 के बनने से न्यूट्रॉनों का उत्सर्जन सीधे हो सकता है। यह आइसोबार अभी भी β क्षय के लिए अस्थिर है जब तक कि यह स्थिर yttrium-89 में परिवर्तित नहीं हो जाता है, इसलिए क्रिप्टन-89 तीन चरणों में क्षय हो जाता है।
यूरेनियम विखंडन: श्रृंखला प्रतिक्रिया
विखंडन प्रतिक्रिया में उत्सर्जित न्यूट्रॉन को दूसरे मूल नाभिक द्वारा अवशोषित किया जा सकता है, जो तब स्वयं प्रेरित विखंडन से गुजरता है। यूरेनियम-238 के मामले में, उत्पन्न होने वाले तीन न्यूट्रॉन 1 MeV से कम की ऊर्जा के साथ निकलते हैं (यूरेनियम नाभिक के विखंडन के दौरान जारी ऊर्जा - 158 MeV - मुख्य रूप से विखंडन के टुकड़ों की गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है)), इसलिए वे इस न्यूक्लाइड के और विखंडन का कारण नहीं बन सकते। हालांकि, दुर्लभ समस्थानिक 235U की एक महत्वपूर्ण एकाग्रता के साथ, इन मुक्त न्यूट्रॉन को नाभिक 235U द्वारा कब्जा कर लिया जा सकता है, जो वास्तव में विखंडन का कारण बन सकता है, चूंकि इस मामले में, कोई ऊर्जा सीमा नहीं है जिसके नीचे विखंडन प्रेरित नहीं होता है।
यह श्रृंखला प्रतिक्रिया सिद्धांत है।
परमाणु प्रतिक्रियाओं के प्रकार
मान लें कि इस श्रृंखला के चरण n पर विखंडनीय सामग्री के एक नमूने में उत्पादित न्यूट्रॉन की संख्या, चरण n - 1 पर उत्पादित न्यूट्रॉन की संख्या से विभाजित है। यह संख्या इस बात पर निर्भर करेगी कि कितने न्यूट्रॉन का उत्पादन होता है चरण n - 1, नाभिक द्वारा अवशोषित होते हैं, जो बलपूर्वक विखंडन से गुजर सकते हैं।
• अगर k < 1 है, तो चेन रिएक्शन बस फीके पड़ जाएगा और प्रक्रिया बहुत जल्दी रुक जाएगी। प्राकृतिक यूरेनियम अयस्क में ठीक ऐसा ही होता है, जिसमें 235U की सांद्रता इतनी कम होती है कि इस समस्थानिक द्वारा किसी एक न्यूट्रॉन के अवशोषण की संभावना अत्यंत नगण्य होती है।
• यदि k > 1 है, तो श्रृंखला प्रतिक्रिया तब तक बढ़ेगी जब तक कि सभी विखंडनीय सामग्री (परमाणु बम) का उपयोग नहीं किया जाता। यह यूरेनियम -235 की पर्याप्त उच्च सांद्रता प्राप्त करने के लिए प्राकृतिक अयस्क को समृद्ध करके प्राप्त किया जाता है। एक गोलाकार नमूने के लिए, k का मान न्यूट्रॉन अवशोषण संभावना में वृद्धि के साथ बढ़ता है, जो गोले की त्रिज्या पर निर्भर करता है। इसलिए, यूरेनियम नाभिक (एक श्रृंखला प्रतिक्रिया) के विखंडन के लिए यू का द्रव्यमान कुछ महत्वपूर्ण द्रव्यमान से अधिक होना चाहिए।
• यदि k=1 है, तो एक नियंत्रित प्रतिक्रिया होती है। इसका उपयोग परमाणु रिएक्टरों में किया जाता है। इस प्रक्रिया को यूरेनियम के बीच कैडमियम या बोरॉन छड़ों को वितरित करके नियंत्रित किया जाता है, जो अधिकांश न्यूट्रॉन को अवशोषित करते हैं (इन तत्वों में न्यूट्रॉन को पकड़ने की क्षमता होती है)। यूरेनियम नाभिक के विखंडन को छड़ों को घुमाकर स्वचालित रूप से नियंत्रित किया जाता है ताकि k का मान एक के बराबर रहे।
