Warum spalten nur schwere radioaktive Elemente?

Das wichtige Argument für diese Diskussion ist die Bethe-Weizsäcker-Formel , die die Bindungsenergie von Kernen beschreibt. Ich werde versuchen, einen flüchtigen Überblick über die wichtigsten Aspekte zu geben.

Nicht nur schwere Elemente zeigen Spaltung und Fusion. Alle Elemente bis Eisen-56 (einer der Kerne mit der höchsten Bindungsenergie pro Nukleon) können bei der Fusion Energie erzeugen (und tun dies in alten Sternen, wo es eine Folge von kollabierenden Schalen gibt, da die immer schwereren Fusionsprodukte sind). weitere Fusionsreaktionen durchlaufen).

Wenn Sie Energie verbrauchen, können Sie auch schwerere Elemente durch Fusion erzeugen (z. B. ist dies eine Methode, um ultraschwere Elemente zu erzeugen; schießen Sie schwere Kerne mit viel kinetischer Energie auf so etwas wie Blei- oder Goldziele).

Bei der Spaltung verläuft die Diskussion umgekehrt. Da es in der Bindungsenergiekurve ein Maximum gibt, gewinnen Sie Energie, wenn Sie schwere Kerne spalten und leichtere erzeugen, wenn Sie über dem Maximum liegen (weil die Bindungsenergiedifferenz freigesetzt wird). Aber mit genügend Energie kann man auch leichte Elemente spalten, man kann sogar Deuteronen trennen, indem man sie mit intensiver Gammastrahlung ausreichender Energie bestrahlt.

Warum sind Neutronen eine clevere Methode zur Spaltung? Denn sie sind elektrisch neutral und müssen daher keine Coulomb-Barriere überwinden, um den Kern zu erreichen. Und außerdem zeigen sie Kernkraftwechselwirkungen und setzen daher Bindungsenergie frei, wenn sie von einem Kern eingefangen werden (dies ist der Prozess bei der Spaltung von Uran-235, ein Neutron wird eingefangen, wobei Bindungsenergie freigesetzt wird, die den Kern zum Schwingen bringt, diese Schwingungen verursachen eine Ladung versetzt, während die Kernkräfte geschwächt werden, da die verbundene Fläche reduziert wird, wodurch die Spaltung verursacht wird).

Warum funktionieren Elektronen nicht gut? Weil der Querschnitt für ein Elektron, direkt mit dem Kern zu interagieren, lächerlich klein ist. Selbst wenn es genügend Energie hat, wird es immer noch viel wahrscheinlicher sein, dass es durch Coulomb-Wechselwirkung abgelenkt wird, nie den Kern erreicht (ja sogar für anziehende Coulomb-Wechselwirkung), als Ablagerungs-relevante Energie im Kern. Aber Elektronen sind nützlich, um die Ladungsverteilung im Kern abzubilden. Elektronen können also Spaltung verursachen, aber sehr ineffizient.

Und schließlich, warum radioaktive Elemente? Nun, wir wissen, warum schwere Elemente Spaltung zeigen. Und es gibt noch eine weitere Tatsache: Schwere Kerne zeigen ein Proton-Neutronen-Ungleichgewicht, da Kernkräfte sehr kurzreichweitig sind, wenn ein Kern irgendwann Protonen gewinnt, braucht er mehr als ein Neutron pro Proton, um stabil zu bleiben (da die Coulomb-Wechselwirkung quadratisch wächst). mit Ladung, die Kernbindungsenergie gerade linear mit der Nukleonenzahl). Und dies lässt eine andere grundlegende Wechselwirkung wirken, die schwache Kraft. Diese Kraft ist, wie der Name schon sagt, sehr schwach, also sind diese Prozesse unwahrscheinlich, aber sobald es energetisch günstig ist, kann es passieren, dass ein Neutron im Kern zu einem Proton zerfällt, also aus nicht ganz anderen Gründen eher schwere Kerne sind gleichzeitig radioaktiv und setzen bei der Spaltung Energie frei.

Warum also entstehen radioaktive Produkte bei der Fusion? Denn die Ergebnisse der Fusion sind oft so etwas wie instabile angeregte Zustände (da durch die Fusion Energie für leichte Elemente freigesetzt wird). Ein weiterer Grund liegt im Schalenmodell des Kerns. Bestimmte "magische Zahlen" von Nukleonen binden sich in stabile Schalen und erzeugen so stabilere Kerne. Beim Aufbau von Fusionsprodukten trifft man nicht immer auf diese Sweet Spots (und damit wird das Produkt instabil), außerdem wird es immer einen Protonenüberschuss geben und sich somit zeigen$\beta^+$-Verfall.

Eine Kachel des Mosaiks fehlt noch, um kritische Spaltungsreaktionen zu verstehen (und warum wir sie mit Neutronen durchführen).). Und das heißt, dass normalerweise einige freie Neutronen freigesetzt werden, wenn sich ein Kern spaltet, so dass wir in einem Spaltungsreaktor natürlich Neutronen haben, die die Reaktion antreiben, anstatt einen Teilchenbeschleuniger verwenden zu müssen, um einen Elektronenstrahl zu erzeugen, um die Spaltung zu bewirken. Die relevante Größe ist die Anzahl der pro gespaltenem Kern freigesetzten Neutronen. Ist sie kleiner als eins, kommt die Spaltreaktion zum Erliegen (da jedes Neutron höchstens noch einen Kern spalten kann). Aber wenn es mehr als einen gibt und sogar genug Verlustprozesse (Neutronen verursachen keine Spaltung, Neutronen fliegen aus dem Reaktor, Neutronen reagieren mit etwas anderem als dem fraglichen Kern), dann wird die Reaktionsgeschwindigkeit exponentiell ansteigen. Wenn dieser Prozess nicht irgendwie begrenzt wird, kommt es zu einer außer Kontrolle geratenen Kernreaktion. was zu einer nuklearen Explosion führt (oder eher zu einer nicht ganz so unangenehmen Kernschmelze und Zerstreuung des Materials, eine tatsächliche nukleare Explosion erfordert eine heikle Technik). Wenn Sie diesen Prozess steuern (z. B. durch Absorbieren der überschüssigen Neutronen mit Steuerstäben), können Sie eine stationäre, kritische Spaltungsreaktion haben, die Energie erzeugt.

Es gibt ein leichteres Nuklid, das gespalten wird:$^8Be$. Es zerfällt in zwei$^4He$Kerne ($\alpha$Partikel) mit einer Lebensdauer in der Größenordnung von$10^{-17}$S. Die Bindungsenergie pro Nukleon ist beim Beryllium viel geringer als bei den beiden$\alpha$S.

Es ist wichtig, das zu beachten$^8Be$ist ein wichtiges Glied im Triple-Alpha-Fusionsprozess in älteren Sternen mit extrem hohen Kerntemperaturen (>100 MK), typischerweise Rote Riesen und Überriesen. In diesen Sternen, die$^8Be$aus der Verschmelzung von zwei entstanden$\alpha$-Partikel dauert lange genug, um mit einem Dritten zu interagieren$\alpha$und formen$^{12}C$.

Ich spreche diesen Teil der Frage an:

Warum zeigen nur Neutronen Spaltung / Fusion und warum können Elektronen keine Spaltung / Fusion durchführen?

Kerne mit vielen Neutronen sind instabil. Bei einigen von ihnen passiert es so, dass ein zusätzliches Neutron in einem bestimmten niedrigen Energiebereich eingefangen werden kann, wenn es auf diesen Kern auftrifft, aber das resultierende neue Isotop reorganisiert sich schnell in kleinere, stabilere Komponenten und Spaltungen.

Elektronen sind kein Teil eines Kerns. Sie sind ein Teil eines Atoms und in Masse sind ihre Energien zu gering, um überhaupt den Kern zu erreichen, keV bis zu den MeV, die für Kernreaktionen benötigt werden.

In Beschleunigern, in denen Elektronen, Protonen usw. große Energien erhalten, schließt die Strahlungsschädigung von Behältern usw. die Spaltung durch die Streuung hochenergetischer Teilchen ein, aber das ist eine andere Geschichte.