From Wikipedia, the free encyclopedia
En física nuclear, a fisión (non confundir coa fusión nuclear) é a división dun núcleo en núcleos máis liviáns, [1][2] ademais dalgúns subproductos como neutróns libres, fotóns (xeralmente raios gamma) e outros fragmentos do núcleo como partículas alfa (núcleos de helio) e beta (electróns e positróns de alta enerxía) ademais de gran cantidade de enerxía.[3] O seu descubrimento débese a Otto Hahn e Lise Meitner, aínda que foi o primeiro o único en recibir o premio Nobel polo mesmo.[4]
A fisión nuclear dos elementos pesados foi descuberta o 17 de decembro de 1938 polo alemán Otto Hahn e o seu axudante Fritz Strassmann a proposta da física austro-sueca Lise Meitner que a explicou teoricamente en xaneiro de 1939 xunto co seu sobriño Otto Robert Frisch. Frisch deu nome ao proceso por analoxía coa fisión binaria das células vivas. No caso dos nucleidos pesados, trátase dunha reacción exotérmica que pode liberar grandes cantidades de enerxía, tanto en forma de radiación electromagnética como de enerxía cinética dos fragmentos. Do mesmo xeito que a fusión nuclear, para que a fisión produza enerxía, a enerxía de ligazón total dos elementos resultantes debe ser maior que a do elemento inicial.
A fisión é unha forma de transmutación nuclear porque os fragmentos resultantes (ou átomos fillos) non son o mesmo elemento que o átomo pai orixinal. Os dous (ou máis) núcleos producidos adoitan ser de tamaños comparables pero lixeiramente diferentes, normalmente cunha relación de masas dos produtos de aproximadamente 3 a 2, para isótopos comúns fisionables.[5][6] A maioría das fisións son binarias (producen dous fragmentos cargados), pero ocasionalmente (de 2 a 4 veces por cada 1000 eventos), prodúcense tres fragmentos cargados positivamente, nunha fisión ternaria. O máis pequeno destes fragmentos nos procesos ternarios varía en tamaño desde un protón ata un núcleo de argon.
Á parte da fisión inducida por un neutrón, aproveitada e explotada polo ser humano, unha forma natural de desintegración radioactiva espontánea (que non require un neutrón) tamén se denomina fisión, e prodúcese especialmente en isótopos de moi alto número de masa. A fisión espontánea foi descuberta en 1940 por Fliórov, Pétrzhak, e Kurchátov[7] en Moscova, nun experimento que pretendía confirmar que, sen bombardeo de neutróns, a taxa de fisión do uranio era desprezable, tal e como predixera Niels Bohr; non era desprezable.[7]
A composición impredicible dos produtos (que varían de forma amplamente probabilística e algo caótica) distingue a fisión dos procesos puramente de efecto túnel como a emisión de protóns, a desintegración alfa e a desintegración en acio, que dan os mesmos produtos cada vez. A fisión nuclear produce enerxía para a enerxía nuclear e impulsa a explosión de armas nucleares. Ambos os usos son posibles porque certas substancias chamadas combustibles nucleares sofren a fisión cando son golpeadas polos neutróns de fisión, e á súa vez emiten neutróns cando rompen. Isto fai posible unha reacción nuclear en cadea autosostida, que libera enerxía a un ritmo controlado nun reactor nuclear ou a un ritmo moi rápido e incontrolado nunha arma nuclear.
A cantidade de enerxía libre contida no combustible nuclear é millóns de veces superior á cantidade de enerxía libre contida nunha masa similar de combustible químico como a gasolina, o que fai da fisión nuclear unha fonte de enerxía moi densa. Con todo, os produtos da fisión nuclear son, máis ou menos, moito máis radioactivos que os elementos pesados que normalmente se fisionan como combustible, e permanecen así durante moito tempo, dando lugar a un problema de residuos nucleares. A preocupación pola acumulación de residuos nucleares e o potencial destrutivo das armas nucleares contraponse ao desexo pacífico de utilizar a fisión como fonte de enerxía.
Cando se calcula a masa total dos produtos da escisión nuclear, verifícase que é menor que a masa orixinal do átomo antes da escisión. A teoría da relatividade de Albert Einstein dá a explicación para esta masa perdida: Einstein demostrou que masa e enerxía son dúas equivalentes. Polo tanto, a masa perdida durante a escisión reaparece baixo a forma de enerxía. Einstein resumía esta equivalencia na famosa ecuación:
Onde E é a enerxía, m a masa e c a velocidade da luz. Dado que c é moi grande (300.000 km/s), ocorre igual con E, que é realmente moi grande, mesmo cando se perde unha moi pequena porción da masa.
A fisión de núcleos pesados é un proceso exotérmico, o que supón que se liberan cantidades substanciais de enerxía. O proceso xera moita máis enerxía que a liberada nas reaccións químicas convencionais, en que están implicadas as cortizas electrónicas; a enerxía emítese, tanto na forma de radiación gamma como de enerxía cinética dos fragmentos da fisión, que quentan a materia que se atopa arredor do espazo onde se produce a fisión.
A fisión pódese inducir por varios métodos, incluíndo o bombardeo do núcleo dun átomo fisionable cunha partícula da enerxía correcta; a partícula é xeralmente un neutrón libre. Este neutrón libre é absorbido polo núcleo, facéndoo inestable,[8] a modo de exemplo, pódese pensar na inestabilidade dunha pirámide de laranxas nun supermercado, ao lanzarse unha laranxa contra ela á velocidade correcta. O núcleo inestable partirase entón en dous ou máis anacos: os produtos da fisión que inclúen dous núcleos máis pequenos, ata sete neutróns libres (cunha media de dous e medio por reacción), e algúns fotóns.
Os núcleos atómicos lanzados como produtos da fisión poden ser varios elementos químicos. Os elementos que se producen son resultado do azar, mais estatisticamente o resultado máis probable é atopar núcleos coa metade de protóns e neutróns do átomo fisionado orixinal.
Os produtos da fisión son xeralmente altamente radioactivos, non son isótopos estables;[9] ests isótopos entón decaen, mediante cadeas de desintegración.
O descubrimento da fisión nuclear produciuse en 1938 nos edificios da Sociedade Kaiser Wilhelm de Química, hoxe parte da Universidade Libre de Berlín, tras máis de catro décadas de traballo na ciencia da radioactividade e a elaboración dunha nova física nuclear que describía os compoñentes dos átomos. En 1911, Ernest Rutherford propuxo un modelo do átomo no que un núcleo moi pequeno, denso e cargado positivamente de protóns estaba rodeado por electróns cargados negativamente en órbita (o modelo de Rutherford).[10] Niels Bohr mellorouno en 1913 ao conciliar o comportamento cuántico dos electróns (o modelo de Bohr). En 1928, George Gamow propuxo a fórmula semiempírica da masa, que se converteu en esencial para comprender a física da fisión.[11]:49-51,70-77,228[12] :6-7
En 1896, Henri Becquerel atopara, e Marie Curie nomeara, a radioactividade. En 1900, Rutherford e Frederick Soddy, investigando o gas radioactivo que emanaba do torio, "transmitiron a tremenda e inevitable conclusión de que o elemento torio estaba lenta e espontaneamente transmutándose en gas argon!".[11]:41-43
En 1919, como continuación dunha anomalía anterior que Ernest Marsden observou en 1915, Rutherford tentou "romper o átomo". Rutherford foi capaz de lograr a primeira transmutación artificial de nitróxeno en osíxeno, utilizando partículas alfa dirixidas ao nitróxeno 14N + α → 17O + p. Rutherford declarou, "...debemos concluír que o átomo de nitróxeno está desintegrado", mentres que os xornais afirmaban que dividira o átomo. Foi a primeira observación dunha reacción nuclear, é dicir, unha reacción na que as partículas dunha desintegración utilízanse para transformar outro núcleo atómico. Tamén ofreceu unha nova forma de estudar o núcleo. A continuación, Rutherford e James Chadwick utilizaron partículas alfa para "desintegrar" boro, flúor, sodio, aluminio e fósforo antes de chegar a unha limitación asociada á enerxía da súa fonte de partículas alfa.[11] Finalmente, en 1932, os colegas de Rutherford Ernest Walton e John Cockcroft conseguiron unha reacción nuclear e unha transmutación nuclear totalmente artificiais, utilizando protóns acelerados artificialmente contra o litio-7 para dividir este núcleo en dúas partículas alfa. A fazaña coñeceuse popularmente como "dividir o átomo", e valeríalles o Premio Nobel de Física de 1951 por "Transmutación de núcleos atómicos mediante partículas atómicas aceleradas artificialmente", aínda que non se trataba da reacción de fisión nuclear descuberta posteriormente nos elementos pesados.[13]
O físico inglés James Chadwick descubriu o neutrón en 1932.[14] Chadwick utilizou unha cámara de ionización para observar protóns desprendidos de varios elementos por radiación de berilio, seguindo as observacións anteriores de Joliot-Curies. En palabras de Chadwick, "...Para explicar o gran poder de penetración da radiación debemos supoñer ademais que a partícula non ten carga neta..." A existencia do neutrón foi postulada por primeira vez por Rutherford en 1920, e en palabras de Chadwick, "...como demos ías construír un gran núcleo cunha gran carga positiva? E a resposta era unha partícula neutra."[11]:153-165 Posteriormente comunicou os seus descubrimentos con máis detalle.[15]
En palabras de Richard Rhodes, referíndose ao neutrón: "Serviría, por tanto, como unha nova sonda nuclear dun poder de penetración superior". Philip Morrison afirmou: "Un feixe de neutróns térmicos que se move á velocidade do son... produce reaccións nucleares en moitos materiais moito máis facilmente que un feixe de protóns... que viaxa miles de veces máis rápido." Segundo Rhodes, "retardar un neutrón dáballe máis tempo nas proximidades do núcleo, e iso dáballe máis tempo para ser capturado." O equipo de Fermi, que estudaba a captura radiativa, que é a emisión de radiación gamma despois de que o núcleo captura un neutrón, estudou sesenta elementos, inducindo radioactividade en corenta. No proceso, descubriron a capacidade do hidróxeno para frear os neutróns.[11]:165,216-220
Enrico Fermi e os seus colegas de Roma estudaron os resultados de bombardear uranio con neutróns en 1934.[16] Fermi chegou á conclusión de que os seus experimentos crearan novos elementos con 93 e 94 protóns, que o grupo denominou ausonio e hesperio. Con todo, a análise dos resultados de Fermi non convenceu a todos, a pesar de que gañaría o Premio Nobel de Física de 1938 polas súas "demostracións da existencia de novos elementos radioactivos producidos por irradiación de neutróns, e polo seu descubrimento relacionado de reaccións nuclearess provocadas por neutróns lentos". A química alemá Ida Noddack suxeriu notablemente en 1934 que no canto de crearse un novo elemento 93, máis pesado, que "é concebible que o núcleo rompa en varios fragmentos grandes".[17] Con todo, a obxección citada vén de lonxe, e non era máis que unha das varias lagoas que observou na afirmación de Fermi. Aínda que Noddack era unha química analítica de renome, carecía da formación en física necesaria para apreciar a enormidade do que estaba a propoñer.[18]
.
Tras a publicación de Fermi, Otto Hahn, Lise Meitner e Fritz Strassmann comezaron a realizar experimentos similares en Berlín. Meitner, xudía austriaca, perdeu a nacionalidade austriaca co Anschluss (a unión de Austria coa Alemaña nazi en marzo de 1938), pero fuxiu en xullo de 1938 a Suecia e iniciou unha correspondencia por correo con Hahn en Berlín. Casualmente, o seu sobriño Otto Robert Frisch, tamén refuxiado, atopábase en Suecia cando Meitner recibiu unha carta de Hahn datada o 19 de decembro na que describía a súa proba química de que parte do produto do bombardeo do uranio con neutróns era bario. Hahn suxeriu un estalido do núcleo, pero non estaba seguro de cal era a base física dos resultados. O bario tiña unha masa atómica un 40% inferior á do uranio, e ningún método de desintegración radioactiva coñecido ata entón podía explicar unha diferenza tan grande na masa do núcleo. Frisch era escéptico, pero Meitner confiaba na capacidade de Hahn como químico. Marie Curie levaba moitos anos separando o bario do radio, e as técnicas eran ben coñecidas. Meitner e Frisch interpretaron entón correctamente os resultados de Hahn no sentido de que o núcleo do uranio partiuse aproximadamente pola metade. Frisch suxeriu que o proceso se denominase "fisión nuclear", por analoxía co proceso de división das células vivas en dúas, que entón se chamaba fisión binaria. Do mesmo xeito que o termo "reacción en cadea" nuclear tomaríase prestado da química, o termo "fisión" tomouse prestado da bioloxía..[21]
Rapidamente difundiuse a noticia do novo descubrimento, que se considerou correctamente como un efecto físico totalmente novo con grandes posibilidades científicas e potencialmente prácticas. A interpretación de Meitner e Frisch do descubrimento de Hahn e Strassmann cruzou o océano Atlántico con Niels Bohr, que ía dar unha conferencia na Universidade de Princeton. I.I. Rabi e Willis Lamb, dous físicos da Universidade Columbia que traballaban en Princeton, decatáronse da noticia e levárona a Columbia. Rabi dixo que llo contou a Enrico Fermi; Fermi atribuíullo a Lamb. Pouco despois, Bohr foi de Princeton a Columbia para ver a Fermi. Ao non atopar a Fermi no seu despacho, Bohr baixou á zona do ciclotrón e atopou a Herbert L. Anderson. Bohr agarroulle polo ombreiro e díxolle: "Mozo, permítame explicarlle algo novo e emocionante en física".[22]
Varios científicos de Columbia tiñan claro que debían tentar detectar a enerxía liberada na fisión nuclear do uranio por bombardeo de neutróns. O 25 de xaneiro de 1939, un equipo da Universidade de Columbia realizou o primeiro experimento de fisión nuclear nos Estados Unidos,[23] que se realizou no soto de Pupin Hall.[24] O experimento consistía en colocar óxido de uranio dentro dunha cámara de ionización e irradialo con neutróns, e medir a enerxía así liberada. Os resultados confirmaron que se estaba producindo a fisión e deron a entender que era o isótopo uranio-235 en particular o que se estaba fisionando. Ao día seguinte comezou en Washington, D.C. a Quinta Conferencia de Washington sobre Física Teórica, auspiciada conxuntamente pola Universidade George Washington e a Institución Carnegie de Washington. Alí difundíronse aínda máis as noticias sobre a fisión nuclear, o que propiciou moitas máis demostracións experimentais.[25] O artigo de Hahn e Strassman do 6 de xaneiro de 1939 anunciaba o descubrimento da fisión. Na súa segunda publicación sobre a fisión nuclear, en febreiro de 1939, Hahn e Strassmann utilizaron por primeira vez o termo Uranspaltung (fisión do uranio) e predixeron a existencia e liberación de neutróns adicionais durante o proceso de fisión, abrindo a posibilidade dunha reacción nuclear en cadea.[26] O artigo de Meitner e Frisch do 11 de febreiro de 1939 comparaba o proceso coa división dunha pinga líquida e estimaba a enerxía liberada en 200 MeV.[27] O artigo de Bohr e Wheel do 1 de setembro de 1939 utilizou este modelo de pinga líquida para cuantificar os detalles da fisión, incluíndo a enerxía liberada, estimou a sección transversal para a fisión inducida por neutróns, e deduciu que 235
U era o principal contribuínte a esa sección transversal e á fisión lenta por neutróns.[28][11]:262,311[12]:9-13
Durante este período, o físico húngaro Leó Szilárd deuse conta de que a fisión de átomos pesados impulsada por neutróns podía utilizarse para crear unha reacción nuclear en cadea. Tal reacción utilizando neutróns era unha idea que formulara por primeira vez en 1933, ao ler os comentarios despectivos de Rutherford sobre a xeración de enerxía a partir de colisións de neutróns. Con todo, Szilárd non fora capaz de lograr unha reacción en cadea impulsada por neutróns utilizando berilio. Szilard declarou: "...se puidésemos atopar un elemento que se dividise por neutróns e que emitise dous neutróns cando absorbese un neutrón, tal elemento, se se reunise en masa suficientemente grande, podería soster unha reacción nuclear en cadea." O 25 de xaneiro de 1939, tras coñecer o descubrimento de Hahn por Eugene Wigner, Szilard sinalou: "...se se emiten suficientes neutróns... entón debería ser posible, por suposto, manter unha reacción en cadea. Todas as cousas que H.G. Wells predixo parecéronme de súpeto reais". Tras a publicación do traballo de Hahn-Strassman, Szilard sinalou nunha carta a Lewis Strauss, que durante a fisión do uranio, "a enerxía liberada nesta nova reacción debe ser moi superior á de todos os casos coñecidos ata o de agora...", o que podería conducir a "a produción a gran escala de enerxía e elementos radioactivos, por desgraza tamén quizais a bombas atómicas."[29][11]:26-28,203-204,213-214,223-225,267-268
Szilard instou entón a Fermi (en Nova York) e a Frédéric Joliot-Curie (en París) a que se abstivesen de publicar sobre a posibilidade dunha reacción en cadea, para que o goberno nazi non se decatase das posibilidades en vésperas do que máis tarde se coñecería como segunda guerra mundial. Con algunhas dúbidas, Fermi accedeu a autocensurarse. Pero Joliot-Curie non o fixo, e en abril de 1939 o seu equipo de París, entre os que se atopaban Hans von Halban e Lew Kowarski, informou na revista Nature de que o número de neutróns emitidos coa fisión nuclear do uranio era entón de 3,5 por fisión.[30] Szilard e Walter Zinn atoparon que "...o número de neutróns emitidos por fisión é de aproximadamente dous.". Fermi e Anderson estimaron "un rendemento duns dous neutróns por cada neutrón capturado"."[11]:290-291,295-296
Coa noticia dos neutróns de fisión procedentes da fisión do uranio, Szilárd comprendeu inmediatamente a posibilidade dunha reacción nuclear en cadea utilizando uranio. No verán, Fermi e Szilárd propuxeron a idea dun reactor nuclear (pila) para mediar neste proceso. A pila utilizaría uranio natural como combustible. Fermi demostrara moito antes que os neutróns eran capturados moito máis eficazmente polos átomos se eran de baixa enerxía (os chamados neutróns "lentos" ou "térmicos"), xa que por razóns cuánticas facía que os átomos parecesen brancos moito máis grandes aos neutróns. Así pois, para retardar os neutróns secundarios liberados polos núcleos de uranio en fisión, Fermi e Szilard propuxeron un "moderador" de grafito, contra o que chocarían os neutróns secundarios rápidos e de alta enerxía, retardándoos eficazmente. Con suficiente uranio e grafito suficientemente puro, a súa "pila" podería teoricamente soster unha reacción en cadea de neutróns lentos. Isto daría lugar á produción de calor, así como á creación de produtos de fisión radioactivos.[11]:291,298-302
En agosto de 1939, Szilard, Teller e Wigner pensaron que os alemáns podería facer uso da reacción de fisión en cadea e víronse impulsados a tentar atraer a atención do goberno dos Estados Unidos sobre o asunto. Para iso, convenceron a Albert Einstein de que prestase o seu nome a unha carta dirixida ao presidente Franklin D. Roosevelt. O 11 de outubro, a carta Einstein-Szilárd foi entregada a través de Alexander Sachs. Roosevelt comprendeu rapidamente as implicacións e declarou: "Alex, o que buscas é que os nazis non nos fagan voar polo aire". Roosevelt ordenou a formación dun Comité Asesor sobre o Uranio.[11]:303-309,312-317
En febreiro de 1940, animado por Fermi e John R. Dunning, Alfred O. C. Nier conseguiu separar o U-235 e o U-238 do tetracloruro de uranio nun espectrómetro de masas de vidro. Posteriormente, Dunning, bombardeando a mostra de U-235 con neutróns xerados polo ciclotrón da Universidade Columbia, confirmou que «o U-235 era o responsable da fisión neutrónica lenta do uranio.»[11]:297–298,332
Na Universidade de Birmingham, Frisch asociouse con Peierls, que estivera traballando nunha fórmula de masa crítica. Supoñendo que a separación de isótopos fose posible, consideraron o 235O, que tiña unha sección transversal aínda non determinada, pero que se supoñía moito maior que a do uranio natural. Calcularon que só unha ou dúas libras nun volume inferior ao dunha pelota de golf, daría lugar a unha reacción en cadea máis rápida que a vaporización, e a explosión resultante xeraría unha temperatura superior á do interior do sol, e presións superiores ás do centro da terra. Ademais, os custos da separación de isótopos "serían insignificantes comparados co custo da guerra." En marzo de 1940, animados por Mark Oliphant, redactaron o memorándum Frisch-Peierls en dúas partes, "Sobre a construción dunha 'superbomba; baseada nunha reacción nuclear en cadea no uranio", e "Memorándum sobre as propiedades dunha 'superbomba' radioactiva. ". O 10 de abril de 1940 celebrouse a primeira reunión do Comité MAUD.[11]:321–325,330–331,340–341 Así naceu o Proxecto Manhattan. A primeira bomba atómica explosionou o 16 de xullo de 1945 no polígono de Alamogordo en Novo México.
Os reactores de fisión naturais son pouco comúns. En minas en Oklo (Gabón) descubríronse dezaseis lugares (chamados reactores nucleares fósiles de Oklo) no que tiveron lugar fisións nucleares hai aproximadamente dous mil millóns de anos. Descoñecidos ata 1972, aínda que postulados por Paul Kuroda en 1956[31], cando o físico francés Francis Perrin descubriu estes reactores, quedou claro que a natureza vencera o ser humano. Reaccións en cadea de fisión do uranio a grande escala, moderadas con auga, teñen ocorrido no pasado e serían imposibles agora. Este proceso puido empregar auga normal como moderador só porque hai dous mil millóns de anos o uranio natural era máis rico en isótopos 235U (sobre 3%), que o uranio natural dispoñible na actualidade (que é só do 0,7%, e debe ser enriquecido ata o 3% para poder empregalo en reactores de auga lixeira).
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
