In der Kernphysik und Kernchemie bezieht sich Atomspaltung entweder auf eine Kernreaktion oder auf einen radioaktiven Zerfall-Prozess, in dem sich der Kern eines Atoms in kleinere Teile (leichtere Kerne) aufspaltet, häufig freie Neutronen und Fotonen (in der Form der Gammastrahlung) erzeugend, und einen sehr großen Betrag der Energie sogar nach den energischen Standards des radioaktiven Zerfalls veröffentlichend. Die zwei erzeugten Kerne sind meistenteils vergleichbarer, aber ein bisschen verschiedener Größen, normalerweise mit einem Massenverhältnis von Produkten von ungefähr 3 bis 2, für allgemeine spaltbare Isotope. Die meisten Spaltungen sind binäre Spaltungen (zwei beladene Bruchstücke erzeugend), aber gelegentlich (2 bis 4 Male pro 1000 Ereignisse) werden drei positiv beladene Bruchstücke in einer dreifältigen Spaltung erzeugt. Das kleinste von diesen Bruchstücken in dreifältigen Prozessen erstreckt sich in der Größe von einem Proton bis einen Argon-Kern.

Spaltung, wie gestoßen, in der modernen Welt ist gewöhnlich eine absichtlich erzeugte künstliche durch ein Neutron veranlasste Kernreaktion. Darauf wird als eine natürliche Form des spontanen radioaktiven Zerfalls (das nicht Verlangen eines Neutrons) weniger allgemein gestoßen, besonders in Isotopen der sehr hohen Massenzahl vorkommend. Die unvorhersehbare Zusammensetzung der Produkte (die sich in einem breiten probabilistic und etwas chaotischer Weise ändern) unterscheidet Spaltung von rein Prozessen des Quant-Tunnelbaues wie Protonenemission, Alpha-Zerfall und Traube-Zerfall, die denselben Produkten jedes Mal geben.

Die Spaltung von schweren Elementen ist eine exothermic Reaktion, die große Beträge der Energie sowohl als elektromagnetische Radiation als auch als kinetische Energie der Bruchstücke veröffentlichen kann (das Schüttgut heizend, wo Spaltung stattfindet). In der Größenordnung von der Spaltung, um Energie zu erzeugen, muss die Gesamtbindungsenergie der resultierenden Elemente größer sein als dieses des Startelements. Spaltung ist eine Form der Kernumwandlung, weil die resultierenden Bruchstücke nicht dasselbe Element wie das ursprüngliche Atom sind.

Atomspaltung erzeugt Energie für die Kernkraft und die Explosion von Kernwaffen zu steuern. Beider Gebrauch ist möglich, weil bestimmte Substanzen genannt Kernbrennstoff Spaltung, wenn geschlagen, durch Spaltungsneutronen erleben, und der Reihe nach Neutronen ausstrahlen, wenn sie auseinander brechen. Das macht möglich eine selbststützende Kernkettenreaktion, die Energie an einer kontrollierten Rate in einem Kernreaktoren oder an einer sehr schnellen nicht kontrollierten Rate in einer Kernwaffe veröffentlicht.

Der Betrag der freien in Kernbrennstoff enthaltenen Energie ist Millionen von Zeiten der Betrag der freien Energie, die in einer ähnlichen Masse des chemischen Brennstoffs wie Benzin enthalten ist, Atomspaltung eine sehr dichte Energiequelle machend. Die Produkte der Atomspaltung sind durchschnittlich jedoch viel radioaktiver als die schweren Elemente, die normalerweise fissioned als Brennstoff sind, und so für die bedeutende Zeitdauer bleiben, ein Problem des radioaktiven Abfalls verursachend. Sorgen über die Anhäufung des radioaktiven Abfalls und über das zerstörende Potenzial von Kernwaffen können die wünschenswerten Qualitäten der Spaltung als eine Energiequelle ausgleichen, und andauernde politische Debatte über die Kernkraft verursachen.

Physische Übersicht

Mechanik

Atomspaltung kann ohne Neutronbeschießung als ein Typ des radioaktiven Zerfalls vorkommen. Dieser Typ der Spaltung (hat spontane Spaltung genannt), ist außer in einigen schweren Isotopen selten. In konstruierten Kerngeräten im Wesentlichen kommt die ganze Atomspaltung als eine "Kernreaktion" — ein geBeschießungssteuerter Prozess vor, der sich aus der Kollision von zwei subatomaren Partikeln ergibt. In Kernreaktionen kollidiert eine subatomare Partikel mit einem Atomkern und verursacht Änderungen dazu. Kernreaktionen werden so durch die Mechanik der Beschießung gesteuert, nicht durch den relativ unveränderlichen Exponentialzerfall und die Halbwertzeit-Eigenschaft von spontanen radioaktiven Prozessen.

Viele Typen von Kernreaktionen sind zurzeit bekannt. Atomspaltung unterscheidet sich wichtig von anderen Typen von Kernreaktionen, in denen sie verstärkt und manchmal über eine Kernkettenreaktion kontrolliert werden kann. In solch einer Reaktion können freie durch jedes Spaltungsereignis veröffentlichte Neutronen noch mehr Ereignisse auslösen, die der Reihe nach mehr Neutronen veröffentlichen und mehr Spaltungen verursachen.

Die chemischen Element-Isotope, die eine Spaltungskettenreaktion stützen können, werden Kernbrennstoff genannt und werden gesagt, spaltbar zu sein. Der allgemeinste Kernbrennstoff ist U (das Isotop von Uran mit einer Atommasse 235 und des Gebrauches in Kernreaktoren) und Pu (das Isotop von Plutonium mit einer Atommasse 239). Diese Brennstoffe brechen in eine bimodal Reihe von chemischen Elementen mit Atommassen auseinander, in der Nähe von 95 und 135 u (Spaltungsprodukte) im Mittelpunkt stehend. Der grösste Teil von Kernbrennstoff erlebt spontane Spaltung nur sehr langsam, stattdessen hauptsächlich über eine Zerfall-Kette des Alphas/Betas im Laufe Perioden von Millennien zu Äonen verfallend. In einem Kernreaktoren oder Kernwaffe wird die überwältigende Mehrheit von Spaltungsereignissen durch die Beschießung mit einer anderen Partikel, einem Neutron veranlasst, das selbst durch vorherige Spaltungsereignisse erzeugt wird.

Die Atomspaltung in spaltbaren Brennstoffen ist das Ergebnis der erzeugten Kernerregungsenergie, wenn ein spaltbarer Kern ein Neutron gewinnt. Diese Energie, sich aus der Neutronfestnahme ergebend, ist ein Ergebnis der attraktiven Kernkraft, die zwischen dem Neutron und Kern handelt. Es ist genug, den Kern in einen doppelt gelobbten "Fall" zum Punkt zu deformieren, dass Kernbruchstücke die Entfernungen überschreiten, in denen die Kernkraft zwei Gruppen von beladenen Nukleonen zusammenhalten kann, und wenn das geschieht, vollenden die zwei Bruchstücke ihre Trennung und werden dann weiter einzeln durch ihre gegenseitig abstoßenden Anklagen in einem Prozess gesteuert, der irreversibel mit der größeren und größeren Entfernung wird. Ein ähnlicher Prozess kommt in fissionable Isotopen (wie Uran 238) vor, aber um zur Spaltung diese Isotope zusätzliche Energie verlangen, die durch schnelle Neutronen (solcher, wie erzeugt, durch die Kernfusion in thermonuklearen Waffen) zur Verfügung gestellt ist.

Das flüssige Fall-Modell des Atomkerns sagt gleich-große Spaltungsprodukte als ein mechanisches Ergebnis der Kerndeformierung voraus. Das hoch entwickeltere Kernschalenmodell ist erforderlich, um den Weg zum mehr energisch günstigen Ergebnis mechanistisch zu erklären, in dem ein Spaltungsprodukt ein bisschen kleiner ist als der andere.

Der allgemeinste Spaltungsprozess ist binäre Spaltung, und es erzeugt die Spaltungsprodukte, die oben an 95±15 und 135±15 u bemerkt sind. Jedoch geschieht der binäre Prozess bloß, weil es am wahrscheinlichsten ist. In überall von 2 bis 4 Spaltungen pro 1000 in einem Kernreaktoren hat ein Prozess gerufen dreifältige Spaltung erzeugt drei positiv beladene Bruchstücke (plus Neutronen), und der kleinste von diesen kann sich von einer so kleinen Anklage und Masse erstrecken wie ein Proton (Z=1), zu einem so großen Bruchstück wie Argon (Z=18). Die allgemeinsten kleinen Bruchstücke werden jedoch aus 90-%-Helium 4 Kerne mit mehr Energie zusammengesetzt als Alphateilchen vom Alpha-Zerfall (so genannte "lange Reihe-Alphas" an ~ 16 MeV), plus Helium 6 Kerne und tritons (die Kerne von Tritium). Der dreifältige Prozess ist weniger üblich, aber endet noch damit, bedeutendes Helium 4 und Tritium-Gaszunahme in den Kraftstoffstangen von modernen Kernreaktoren zu erzeugen.

Energetics

Eingang

Die Spaltung eines schweren Kerns verlangt eine Gesamteingangsenergie von ungefähr 7 bis 8 MeV, die starke Kraft am Anfang zu überwinden, die meint, dass der Kern in eine kugelförmige oder fast kugelförmige Gestalt, und von dort, es in einen zwei gelobbten ("Erdnuss") Gestalt deformiert, in der die Lappen im Stande sind fortzusetzen, sich von einander zu trennen, der durch ihre gegenseitige positive Anklage, im allgemeinsten Prozess der binären Spaltung (zwei positiv beladene Spaltungsprodukte + Neutronen) gestoßen ist. Sobald die Kernlappen zu einer kritischen Entfernung gestoßen worden sind, außer der die kurze Reihe starke Kraft sie nicht mehr zusammenhalten kann, geht der Prozess ihrer Trennung von der Energie (längere Reihe) elektromagnetische Repulsion zwischen den Bruchstücken aus. Das Ergebnis ist zwei Spaltungsbruchstücke, die von einander an der hohen Energie abrücken.

Ungefähr 6 MeV der Spaltungseingebe-Energie werden durch die einfache Schwergängigkeit des Neutrons zum Kern über die starke Kraft versorgt; jedoch, in vielen fissionable Isotopen, ist dieser Betrag der Energie nicht genug für die Spaltung. Wenn keine zusätzliche Energie durch einen anderen Mechanismus geliefert wird, wird der Kern nicht Spaltung, aber wird das Neutron bloß absorbieren, wie es geschieht, wenn U-238 langsame Neutronen absorbiert, um U-239 zu werden. Die restliche Energie, Spaltung zu beginnen, kann durch zwei andere Mechanismen geliefert werden: Einer von diesen ist die kinetische Energie des eingehenden Neutrons, das zunehmend zur Spaltung ein fissionable schwerer Kern fähig ist, weil es eine kinetische Energie eines MeV oder mehr (so genannte schnelle Neutronen) überschreitet. Solche hohen Energieneutronen sind zur Spaltung U-238 direkt fähig (sieh thermonukleare Waffe für die Anwendung, wo die schnellen Neutronen durch die Kernfusion geliefert werden). Jedoch kann dieser Prozess nicht in reichem Maße in einem Kernreaktoren geschehen, weil ein zu kleiner Bruchteil der durch jeden Typ der Spaltung erzeugten Spaltungsneutronen genug Energie zu direkt der Spaltung U-238 hat.

Unter den schweren actinide Elementen, jedoch, binden jene Isotope, die eine ungerade Zahl von Neutronen haben, Neutronen mit zusätzlichen 1 bis 2 MeV der Energie, die infolge des Mechanismus von Neutronpaarungseffekten bereitgestellt wird. Diese Extraenergie ergibt sich aus dem Ausschluss-Grundsatz von Pauli, der ein Extraneutron erlaubt, dasselbe Kern-Augenhöhlen-als das letzte Neutron im Kern zu besetzen, so dass die zwei ein Paar bilden. In solchen Isotopen, deshalb, ist keine kinetische Neutronenergie erforderlich, weil die ganze notwendige Energie durch die Absorption jedes Neutrons, entweder der langsamen oder schnellen Vielfalt geliefert wird (der erstere wird in Kernreaktoren verwendet, und die Letzteren werden in Waffen verwendet). Wie bemerkt, oben wird die Untergruppe von fissionable Elementen, die fissioned mit ihren eigenen Spaltungsneutronen sein können, spaltbar genannt. Beispiele von spaltbaren Isotopen sind U-235 und Plutonium 239.

Produktion

Typische Spaltungsereignisse veröffentlichen ungefähr zweihundert Millionen eV (200 MeV) von der Energie für jedes Spaltungsereignis. Im Vergleich veröffentlichen die meisten chemischen Oxydationsreaktionen (wie brennende Kohle oder TNT) höchstens einige eV pro Ereignis. Also, Kernbrennstoff enthält mindestens zehn Millionen Male verwendbarere Energie pro Einheitsmasse, als chemischen Brennstoff tut. Die Energie der Atomspaltung wird als kinetische Energie der Spaltungsprodukte und Bruchstücke, und als elektromagnetische Radiation in der Form der Gammastrahlung veröffentlicht; in einem Kernreaktoren wird die Energie umgewandelt, um als die Partikeln zu heizen, und Gammastrahlung kollidiert mit den Atomen, die den Reaktor und seine Arbeitsflüssigkeit, gewöhnlich das Wasser oder das gelegentlich schwere Wasser zusammensetzen.

Wenn ein Uran-Kern Spaltungen in zwei Tochter-Kern-Bruchstücke, ungefähr 0.1 Prozent der Masse des Uran-Kerns als die Spaltungsenergie von ~200 MeV erscheinen. Für Uran 235 (Gesamtmittelspaltungsenergie 202.5 MeV) normalerweise erscheinen ~169 MeV als die kinetische Energie der Tochter-Kerne, die einzeln mit ungefähr 3 % der Geschwindigkeit des Lichtes wegen der Ampere-Sekunde-Repulsion fliegen. Außerdem wird ein Durchschnitt von 2.5 Neutronen, jeder mit einer kinetischen Energie von ~2 MeV (ganz von 4.8 MeV) ausgestrahlt. Die Spaltungsreaktion befreit auch ~7 MeV in schnellen Gammastrahl-Fotonen. Die letzte Zahl meint, dass eine Atomspaltungsexplosion oder criticality Unfall ungefähr 3.5 % seiner Energie als Gammastrahlung, weniger als 2.5 % seiner Energie so schnelle Neutronen (ganze ~ 6 %), und der Rest ausstrahlen wie kinetische Energie von Spaltungsbruchstücken (das erscheint fast sofort wenn der Bruchstück-Einfluss Umgebungssache, als einfache Hitze). In einer Atombombe kann diese Hitze dienen, um die Temperatur des Bombe-Kerns zu 100 Millionen kelvin und Ursache-Sekundäremission von weichen Röntgenstrahlen zu erheben, die etwas von dieser Energie zur ionisierenden Strahlung umwandeln. Jedoch, in Kernreaktoren, das Spaltungsbruchstück bleibt kinetische Energie als Hitze der niedrigen Temperatur, die selbst wenig oder keine Ionisation verursacht.

So genannte Neutronenbomben (erhöhte Strahlenwaffen) sind gebaut worden, die einen größeren Bruchteil ihrer Energie als ionisierende Strahlung veröffentlichen (spezifisch, Neutronen), aber das sind alle thermonuklearen Geräte, die sich auf die Kernfusionsbühne verlassen, um die Extraradiation zu erzeugen. Die Energietriebkräfte von reinen Spaltungsbomben bleiben immer an ungefähr 6 % Ertrag der Summe in der Radiation als ein schnelles Ergebnis der Spaltung.

Die schnelle Gesamtspaltungsenergie beläuft sich auf ungefähr 181 MeV, oder ~ 89 % der Gesamtenergie, die schließlich durch die Spaltung mit der Zeit veröffentlicht wird. Die restlichen ~ 11 % werden im Beta-Zerfall veröffentlicht, der verschiedene Halbwertzeiten hat, aber als ein Prozess in den Spaltungsprodukten sofort beginnt; und im verzögerten Gamma haben Emissionen mit diesem Beta-Zerfall verkehrt. Zum Beispiel in Uran wird 235 diese verzögerte Energie in ungefähr 6.5 MeV in Betas, 8.8 MeV in antineutrinos (veröffentlicht zur gleichen Zeit als die Betas), und schließlich, zusätzliche 6.3 MeV in der verzögerten Gammaemission von den aufgeregten Produkten des Beta-Zerfalls (für eine Mittelsumme von ~10 Gammastrahl-Emissionen pro Spaltung, insgesamt) geteilt. So werden zusätzliche 6 % der Gesamtenergie der Spaltung auch schließlich als nichtschnelle ionisierende Strahlung veröffentlicht, und das ist über gleichmäßig geteilten zwischen Gamma und Beta-Strahl-Energie. Der Rest ist antineutrinos.

8.8 MeV/202.5 MeV = werden 4.3 % der Energie, die als antineutrinos veröffentlicht wird, durch das Reaktormaterial als Hitze nicht gewonnen, und flüchten direkt durch alle Materialien (einschließlich der Erde) mit fast der Geschwindigkeit des Lichtes, und in den interplanetarischen Raum (ist der absorbierte Betrag miniscule). Neutrino-Radiation wird normalerweise als ionisierende Strahlung nicht klassifiziert, weil es nicht absorbiert wird und deshalb Effekten nicht erzeugt. Fast der ganze Rest der Radiation (Beta und Gammastrahlung) wird schließlich umgewandelt, um in einem Reaktorkern oder seiner Abschirmung zu heizen.

Einige Prozesse, die mit Neutronen verbunden sind, sind für das Aufsaugen oder schließlich Nachgeben der Energie — zum Beispiel bemerkenswert kinetische Neutronenergie gibt Hitze sofort nicht nach, wenn das Neutron durch ein Uran gewonnen wird, wird 238 Atom, um Plutonium 239, aber diese Energie zu gebären, ausgestrahlt, wenn das Plutonium 239 später fissioned ist. Andererseits sind so genannte verzögerte Neutronen ausgestrahlt als radioaktive Zerfall-Produkte mit Halbwertzeiten bis zu mehreren Minuten, von SpaltungsTöchtern, für die Reaktorkontrolle sehr wichtig, weil sie eine charakteristische "Reaktions"-Zeit für die Gesamtkernreaktion geben, sich in der Größe zu verdoppeln, wenn die Reaktion in "verzögert - kritische" Zone geführt wird, die sich absichtlich auf diese Neutronen für eine superkritische Kettenreaktion verlässt (derjenige, in dem jeder Spaltungszyklus mehr Neutronen nachgibt, als es absorbiert). Ohne ihre Existenz würde die Kernkettenreaktion kritisch und Zunahme in der Größe schneller sein schnell, als es vom menschlichen Eingreifen kontrolliert werden konnte. In diesem Fall wären die ersten experimentellen Atomreaktoren zu einer gefährlichen und unordentlichen "schnellen kritischen Reaktion" davongelaufen, bevor ihre Maschinenbediener sie manuell geschlossen haben könnten (aus diesem Grund, hat Entwerfer Enrico Fermi strahlengegenausgelöste Kontrollstangen eingeschlossen, die durch Elektromagneten aufgehoben sind, die ins Zentrum des Chikagoer Stapels 1 automatisch hereinschauen konnten). Wenn diese verzögerten Neutronen gewonnen werden, ohne Spaltungen zu erzeugen, erzeugen sie Hitze ebenso.

Produktkerne und Bindungsenergie

In der Spaltung gibt es eine Vorliebe, um Bruchstücke mit sogar Protonenzahlen nachzugeben, der genannt wird, die sonderbar-gleiche Wirkung auf die Bruchstücke beladen Vertrieb. Jedoch wird keine sonderbar-gleiche Wirkung auf dem Bruchstück-Massenzahl-Vertrieb beobachtet. Dieses Ergebnis wird dem Nukleonenpaar zugeschrieben, das bricht.

In Atomspaltungsereignissen können die Kerne in jede Kombination von leichteren Kernen einbrechen, aber das allgemeinste Ereignis ist nicht Spaltung zu gleichen Massenkernen ungefähr der Masse 120; das allgemeinste Ereignis (je nachdem Isotop und Prozess) ist eine ein bisschen ungleiche Spaltung, in der ein Tochter-Kern eine Masse von ungefähr 90 bis 100 u und dem anderen die restlichen 130 bis 140 u hat. Ungleiche Spaltungen sind energisch günstiger, weil das einem Produkt erlaubt, am energischen Minimum in der Nähe von der Masse 60 u näher zu sein (nur ein Viertel des Durchschnitts fissionable Masse), während der andere Kern mit der Masse 135 u sind aus der Reihe der am dichtesten bestimmten Kerne noch immer nicht weit (eine andere Behauptung davon, ist, dass die Atombindungsenergie-Kurve links von der Masse 120 u ein bisschen steiler ist als rechts davon).

Ursprung der aktiven Energie und die Kurve der Bindungsenergie

Die Atomspaltung von schweren Elementen erzeugt Energie, weil die spezifische Bindungsenergie (Bindungsenergie pro Masse) Zwischenmassenkerne mit Atomnummern und Atommassen in der Nähe von Ni und Fe größer ist als die nukleonenspezifische Bindungsenergie von sehr schweren Kernen, so dass Energie veröffentlicht wird, wenn schwere Kerne auseinander gebrochen werden. Die Gesamtrest-Massen der Spaltungsprodukte (Mitglied des Parlaments) von einer einzelnen Reaktion sind weniger als die Masse des ursprünglichen Kraftstoffkerns (M). Die Übermasse Δm = M - Mitglied des Parlaments ist die invariant Masse der Energie, die als Fotonen (Gammastrahlung) und kinetische Energie der Spaltungsbruchstücke, gemäß der Massenenergie-Gleichwertigkeitsformel E = mc veröffentlicht wird.

Die Schwankung in der spezifischen Bindungsenergie mit der Atomnummer ist wegen des Wechselspiels der zwei grundsätzlichen Kräfte, die den Teilnukleonen folgen (Protone und Neutronen), die den Kern zusammensetzen. Kerne werden durch eine attraktive Kernkraft zwischen Nukleonen gebunden, die die elektrostatische Repulsion zwischen Protonen überwindet. Jedoch handelt die Kernkraft nur über relativ kurze Reihen (einige Nukleonendiameter), da sie einem exponential verfallenden Potenzial von Yukawa folgt, das sie unbedeutend in längeren Entfernungen macht. Die elektrostatische Repulsion ist der längeren Reihe, da es durch eine Umgekehrt-Quadratregel verfällt, so dass Kerne, die größer sind als ungefähr 12 Nukleonen im Durchmesser, einen Punkt erreichen, dass die elektrostatische Gesamtrepulsion die Kernkraft überwindet und sie veranlasst, spontan nicht stabil zu sein. Aus demselben Grund werden größere Kerne (mehr als ungefähr acht Nukleonen im Durchmesser) pro Einheitsmasse weniger dicht gebunden, als kleinere Kerne sind; das Brechen eines großen Kerns in zwei oder mehr vermitt-große Kerne, Ausgabe-Energie. Der Ursprung dieser Energie ist die Kernkraft, die vermitt-große Kerne erlaubt, effizienter zu handeln, weil jedes Nukleon mehr Nachbarn hat, die innerhalb der kurzen Reihe-Anziehungskraft dieser Kraft sind. So ist weniger Energie in den kleineren Kernen und dem Unterschied zum Staat erforderlich, bevor befreit wird.

Auch wegen der kurzen Reihe der starken verbindlichen Kraft müssen große stabile Kerne proportional mehr Neutronen enthalten, als die leichtesten Elemente tun, die mit 1 bis 1 Verhältnis von Protonen und Neutronen am stabilsten sind. Kerne, die mehr als 20 Protone haben, können nicht stabil sein, wenn sie mehr als eine gleiche Anzahl von Neutronen nicht haben. Extraneutronen stabilisieren schwere Elemente, weil sie zur Schwergängigkeit der starken Kraft beitragen (der zwischen allen Nukleonen handelt), ohne zur Protonenproton-Repulsion beizutragen. Spaltungsprodukte, haben durchschnittlich, über dasselbe Verhältnis von Neutronen und Protonen als ihr Elternteilkern, und sind deshalb gewöhnlich zum Beta-Zerfall nicht stabil (der Neutronen zu Protonen ändert), weil sie proportional zu viele Neutronen im Vergleich zu stabilen Isotopen der ähnlichen Masse haben.

Diese Tendenz für Spaltungsproduktkerne zum Beta-Zerfall ist die grundsätzliche Ursache des Problems der radioaktiven hohen Verschwendung von Kernreaktoren. Spaltungsprodukte neigen dazu, Beta-Emitter zu sein, schnell bewegende Elektronen ausstrahlend, um elektrische Anklage zu erhalten, weil sich Überneutronen zu Protonen in den Spaltungsprodukt-Atomen umwandeln. Sieh Spaltungsprodukte (durch das Element) für eine Beschreibung von durch das Element sortierten Spaltungsprodukten.

Kettenreaktionen

Mehrere schwere Elemente, wie Uran, Thorium, und Plutonium, erleben sowohl spontane Spaltung, eine Form des radioaktiven Zerfalls als auch veranlasste Spaltung, eine Form der Kernreaktion. Elementare Isotope, die veranlasste Spaltung, wenn geschlagen, durch ein freies Neutron erleben, werden fissionable genannt; Isotope, die Spaltung, wenn geschlagen, durch ein thermisches, langsames bewegendes Neutron erleben, werden auch spaltbar genannt. Einige besonders spaltbare und sogleich erreichbare Isotope (namentlich U und Pu) werden Kernbrennstoff genannt, weil sie eine Kettenreaktion stützen können und in großen genug Mengen erhalten werden können, um nützlich zu sein.

Der ganze fissionable und spaltbare Isotope erleben einen kleinen Betrag der spontanen Spaltung, die einige freie Neutronen in jede Probe von Kernbrennstoff veröffentlicht. Solche Neutronen würden schnell aus dem Brennstoff flüchten und ein freies Neutron, mit einer Mittellebenszeit von ungefähr 15 Minuten vor dem Verfallen zu Protonen und Beta-Partikeln werden. Jedoch wirken Neutronen fast unveränderlich ein und sind von anderen Kernen in der Umgebung gefesselt, lange bevor das (kürzlich geschaffene Spaltungsneutronbewegung mit ungefähr 7 % der Geschwindigkeit des Lichtes und sogar gemäßigte Neutronbewegung mit ungefähr 8mal der Geschwindigkeit des Tons) geschieht. Einige Neutronen werden Kraftstoffkerne zusammenpressen und weitere Spaltungen veranlassen, noch mehr Neutronen veröffentlichend. Wenn genug Kernbrennstoff in einem Platz gesammelt wird, oder wenn die flüchtenden Neutronen genug enthalten werden, dann sind diese frisch ausgestrahlten Neutronen den Neutronen zahlenmäßig überlegen, die dem Zusammenbau entfliehen, und eine anhaltende Kernkettenreaktion stattfinden wird.

Ein Zusammenbau, der eine anhaltende Kernkettenreaktion unterstützt, wird einen kritischen Zusammenbau genannt oder, wenn der Zusammenbau fast aus einem Kernbrennstoff, einer kritischen Masse völlig gemacht wird. Das "kritische" Wort bezieht sich auf eine Spitze im Verhalten der Differenzialgleichung, die die Zahl der freien Neutrongegenwart im Brennstoff regelt: Wenn weniger als eine kritische Masse da ist, dann wird der Betrag von Neutronen durch den radioaktiven Zerfall bestimmt, aber wenn eine kritische Masse oder mehr da sind, dann wird der Betrag von Neutronen stattdessen durch die Physik der Kettenreaktion kontrolliert. Die wirkliche Masse einer kritischen Masse von Kernbrennstoff hängt stark von der Geometrie und den Umgebungsmaterialien ab.

Nicht alle fissionable Isotope können eine Kettenreaktion stützen. Zum Beispiel ist U, die reichlichste Form von Uran, fissionable, aber nicht spaltbar: Es erlebt veranlasste Spaltung, wenn zusammengepresst, durch ein energisches Neutron mit mehr als 1 MeV der kinetischen Energie. Jedoch sind zu wenige der durch die U Spaltung erzeugten Neutronen energisch genug, um weitere Spaltungen in U zu veranlassen, so ist keine Kettenreaktion mit diesem Isotop möglich. Statt dessen veranlasst das Bombardieren U mit langsamen Neutronen es, sie zu absorbieren (U werdend), und Zerfall durch die Beta-Emission zu Np, der dann wieder durch denselben Prozess Pu verfällt; dieser Prozess wird verwendet, um Pu in Züchter-Reaktoren zu verfertigen. In - situ Plutonium-Produktion trägt auch zur Neutronkettenreaktion in anderen Typen von Reaktoren bei, nachdem genügend Plutonium 239 erzeugt worden ist, da Plutonium 239 auch ein spaltbares Element ist, das als Brennstoff dient. Es wird geschätzt, dass bis zu Hälfte der durch einen Standard-"Nichtzüchter"-Reaktor erzeugten Macht durch die Spaltung von Plutonium - 239 erzeugte im Platz über den Gesamtlebenszyklus einer Kraftstofflast erzeugt wird.

Fissionable, nichtspaltbare Isotope können als Spaltungsenergiequelle sogar ohne eine Kettenreaktion verwendet werden. Das Bombardieren U mit schnellen Neutronen veranlasst Spaltungen, Energie veröffentlichend, so lange die Außenneutronquelle anwesend ist. Das ist eine wichtige Wirkung in allen Reaktoren, wo schnelle Neutronen vom spaltbaren Isotop die Spaltung von nahe gelegenen U Kernen verursachen können, was bedeutet, dass ein kleiner Teil des U im ganzen Kernbrennstoff besonders in schnellen Züchter-Reaktoren "verbrannt" wird, die mit Neutronen der höheren Energie funktionieren. Dass dieselbe Wirkung der schnellen Spaltung verwendet wird, um die Energie zu vermehren, die durch moderne thermonukleare Waffen, durch das Ummanteln der Waffe mit U veröffentlicht ist, um mit Neutronen zu reagieren, die durch die Kernfusion am Zentrum des Geräts veröffentlicht sind.

Spaltungsreaktoren

Kritische Spaltungsreaktoren sind der allgemeinste Typ des Kernreaktoren. In einem kritischen Spaltungsreaktor werden durch die Spaltung von Kraftstoffatomen erzeugte Neutronen verwendet, um noch mehr Spaltungen zu veranlassen, einen kontrollierbaren Betrag der Energieausgabe zu stützen. Geräte, die konstruiert erzeugen, aber Spaltungsreaktionen "nicht selbst das Unterstützen" sind unterkritische Spaltungsreaktoren. Solche Geräte verwenden radioaktiven Zerfall oder Partikel-Gaspedale, um Spaltungen auszulösen.

Kritische Spaltungsreaktoren werden zu drei primären Zwecken gebaut, die normalerweise verschiedene Technikumtausche einschließen, um entweder die Hitze oder die durch die Spaltungskettenreaktion erzeugten Neutronen auszunutzen:

• Macht-Reaktoren sind beabsichtigt, um Hitze für die Kernkraft, entweder als ein Teil eines Kraftwerks oder als ein lokales Macht-System wie ein Kernunterseeboot zu erzeugen.
• Forschungsreaktoren sind beabsichtigt, um Neutronen zu erzeugen und/oder radioaktive Quellen für wissenschaftlichen, medizinisches, Technik oder andere Forschungszwecke zu aktivieren.
• Züchter-Reaktoren sind beabsichtigt, um Kernbrennstoff in großen Mengen von reichlicheren Isotopen zu erzeugen. Der besser bekannte schnelle Züchter-Reaktor macht Pu (ein Kernbrennstoff) vom natürlich sehr reichlichen U (nicht ein Kernbrennstoff). Thermalzüchter-Reaktoren das vorher geprüfte Verwenden von Th, um das spaltbare Isotop U zu gebären, setzen fort, studiert und entwickelt zu werden.

Während, im Prinzip, alle Spaltungsreaktoren in allen drei Kapazitäten handeln können, in der Praxis führen die Aufgaben zu widerstreitenden Technikabsichten, und die meisten Reaktoren sind mit nur einer der obengenannten Aufgaben im Sinn gebaut worden. (Es gibt mehrere frühe Gegenbeispiele, wie der Hanford N Reaktor, jetzt stillgelegt). Macht-Reaktoren wandeln allgemein die kinetische Energie von Spaltungsprodukten in die Hitze um, die verwendet wird, um eine Arbeitsflüssigkeit zu heizen und einen Hitzemotor zu steuern, der mechanische oder elektrische Leistung erzeugt. Die Arbeitsflüssigkeit ist gewöhnlich Wasser mit einer Dampfturbine, aber einige Designs verwenden andere Materialien wie gasartiges Helium. Solche Reaktoren geben häufig radioaktive Verschwendung ab, die besonders hart ist sicher zu verfügen, da sie in radioaktiven Probepositionen wie Untergrundbahn versorgt werden muss. Forschungsreaktoren erzeugen Neutronen, die auf verschiedene Weisen mit der Hitze der Spaltung verwendet werden, die als ein unvermeidliches Abfallprodukt wird behandelt. Züchter-Reaktoren sind eine Spezialform des Forschungsreaktors mit der Verwahrung, dass die Probe, die wird bestrahlt, gewöhnlich der Brennstoff selbst, eine Mischung von U und U. ist

Für eine detailliertere Beschreibung der Physik und Betriebsgrundsätze von kritischen Spaltungsreaktoren, sieh Kernreaktor-Physik. Für eine Beschreibung ihrer sozialen, politischen und Umweltaspekte, sieh Kernkraft.

Spaltungsbomben

Eine Klasse der Kernwaffe, einer Spaltungsbombe (um mit der H-Bombe nicht verwirrt zu sein), sonst bekannt als eine Atombombe oder Atombombe, ist ein Spaltungsreaktor, der entworfen ist, um so viel Energie wie möglich so schnell zu befreien, wie möglich, bevor die veröffentlichte Energie den Reaktor veranlasst (und die Kettenreaktion zu explodieren, anzuhalten). Die Entwicklung von Kernwaffen war die Motivation hinter der frühen Forschung in die Atomspaltung: Das Projekt von Manhattan des amerikanischen Militärs während des Zweiten Weltkriegs hat den grössten Teil der frühen wissenschaftlichen Arbeit an Spaltungskettenreaktionen ausgeführt, in der Dreieinigkeitstestbombe und dem Kleinen Jungen und den Fetten Mann-Bomben kulminierend, die über die Städte Hiroshima, und Nagasaki, Japan im August 1945 gesprengt wurden.

Sogar die ersten Spaltungsbomben waren Tausende von Zeiten mehr Explosivstoff als eine vergleichbare Masse von chemischem Explosivstoff. Zum Beispiel hat Kleiner Junge insgesamt ungefähr vier Tonnen gewogen (von denen 60 Kg Kernbrennstoff war) und lang war; es hat auch eine zu ungefähr 15 kilotons von TNT gleichwertige Explosion nachgegeben, einen großen Teil der Stadt Hiroshima zerstörend. Moderne Kernwaffen (die eine thermonukleare Fusion sowie eine oder mehr Spaltungsstufen einschließen) sind wörtlich Hunderte von Zeiten, die für ihr Gewicht energischer sind als die erste reine Spaltung Atombomben, so dass eine moderne einzelne Raketensprengkopf-Bombe, die weniger wiegt als 1/8 nicht weniger als Kleiner Junge (sieh zum Beispiel W88) hat einen Ertrag von 475,000 Tonnen von TNT, und konnte Zerstörung zu 10mal dem Stadtgebiet bringen.

Während die grundsätzliche Physik der Spaltungskettenreaktion in einer Kernwaffe der Physik eines kontrollierten Kernreaktoren ähnlich ist, müssen die zwei Typen des Geräts ganz verschieden konstruiert werden (sieh Kernreaktor-Physik). Eine Atombombe wird entworfen, um seine ganze Energie sofort zu veröffentlichen, während ein Reaktor entworfen wird, um eine unveränderliche Versorgung der nützlichen Macht zu erzeugen. Während die Überhitzung eines Reaktors führen kann, und, Schmelzen und Dampfexplosionen geführt hat, macht die viel niedrigere Uran-Bereicherung es unmöglich für einen Kernreaktoren, mit derselben zerstörenden Macht wie eine Kernwaffe zu explodieren. Es ist auch schwierig, nützliche Macht aus einer Atombombe herauszuziehen, obwohl mindestens ein Raketenantrieb-System, Projektorion, beabsichtigt war, um durch das Sprengen von Spaltungsbomben hinter einem massiv gepolsterten und beschirmten Raumfahrzeug zu arbeiten.

Die strategische Wichtigkeit von Kernwaffen ist ein Hauptgrund, warum die Technologie der Atomspaltung politisch empfindlich ist. Lebensfähige Spaltungsbombe-Designs, sind wohl, innerhalb der Fähigkeiten zu vielen, aus einem Technikgesichtspunkt relativ einfach seiend. Jedoch, die Schwierigkeit, spaltbares Kernmaterial zu erhalten, um die Designs zu begreifen, ist der Schlüssel zur Verhältnisnichtverfügbarkeit von Kernwaffen zu fast modernen industrialisierten Regierungen mit speziellen Programmen, um spaltbare Materialien zu erzeugen (sieh Uran-Bereicherung und Kernbrennstoff-Zyklus).

Geschichte

Entdeckung der Spaltung

Die Entdeckung der Atomspaltung ist 1938, im Anschluss an fast fünf Jahrzehnte der Arbeit an der Wissenschaft der Radioaktivität und der Weiterentwicklung der neuen Kernphysik vorgekommen, die die Bestandteile von Atomen beschrieben hat. 1911 hat Neuseeländer Ernest Rutherford ein Modell des Atoms vorgeschlagen, in dem ein sehr kleiner, dichter und positiv beladener Kern von Protonen durch das Umkreisen, negativ beladene Elektronen (das Modell von Rutherford) umgeben wurde. Niels Bohr hat das 1913 übertroffen, indem er das Quant-Verhalten von Elektronen (das Modell von Bohr) beigelegt hat. Die Arbeit von Henri Becquerel, Marie Curie, Pierre Curie und Rutherford hat weiter das sorgfältig ausgearbeitet der Kern, obwohl dicht gebunden, konnte verschiedene Formen des radioaktiven Zerfalls erleben, und dadurch in andere Elemente (zum Beispiel, durch das Verlieren eines Alphateilchens) umwandeln. Alle bekannten radioaktiven Prozesse vor der Spaltung haben Masse des Atomkerns um nicht mehr als zwei Protone und zwei Neutronen (Alpha-Zerfall) geändert. Der Grundsatz von Albert Einstein der Masse - Energiegleichwertigkeit hat den Betrag der in solchen Prozessen veröffentlichten Energie beschrieben, aber das konnte auf einem in großem Umfang nicht angespannt werden.

Etwas Arbeit in der Kernumwandlung war getan worden. 1917 ist Rutherford im Stande gewesen, Umwandlung des Stickstoffs in Sauerstoff mit Alphateilchen zu vollbringen, die am Stickstoff N + α  O + p geleitet sind. Das war die erste Beobachtung einer Kernreaktion, d. h. einer Reaktion, in der Partikeln von einem Zerfall verwendet werden, um einen anderen Atomkern umzugestalten. Schließlich, 1932, eine völlig künstliche Kernreaktion und Kernumwandlung wurde von den Kollegen von Rutherford Ernest Walton und John Cockcroft erreicht, der künstlich beschleunigte Protone gegen Lithium 7 verwendet hat, um diesen Kern in zwei Alphateilchen zu spalten. Die Leistung war als das Aufspalten des Atoms populär bekannt, obwohl es nicht die moderne in schweren Elementen später entdeckte Atomspaltungsreaktion war, der unten besprochen wird. Inzwischen war die Möglichkeit, zwei leichte Kerne in der Kernfusion zu verbinden, im Zusammenhang mit den Prozessen studiert worden, welche Macht-Sterne und die erste Kernfusionsreaktion mit beschleunigten Kernen des schweren Wasserstoffs von Mark Oliphant 1932 erzeugt worden waren.

Nachdem englischer Physiker James Chadwick das Neutron 1932 entdeckt hat, haben Enrico Fermi und seine Kollegen in Rom die Ergebnisse studiert, Uran mit Neutronen 1934 zu bombardieren. Fermi hat beschlossen, dass seine Experimente ein neues Element mit 94 Protonen geschaffen hatten, die er Hesperium synchronisiert hat. Jedoch waren nicht alle mit der Analyse von Fermi seiner Ergebnisse überzeugt. Der deutsche Chemiker Ida Noddack hat namentlich 1934 vorgeschlagen, dass, anstatt ein neues, schwereres Element zu schaffen, dass "es denkbar ist, dass sich der Kern in mehrere große Bruchstücke auflöst." Jedoch wurde der Beschluss von Noddack nicht verfolgt.

Nach der Veröffentlichung von Fermi haben Otto Hahn, Lise Meitner und Fritz Strassmann begonnen, ähnliche Experimente in Berlin durchzuführen. Meitner, ein österreichischer Jude, hat ihre Staatsbürgerschaft mit dem Anschluss 1938 verloren. Sie ist geflohen und hat in Schweden Konkurs gemacht, aber hat fortgesetzt, durch die Post und durch Sitzungen mit Hahn in Schweden zusammenzuarbeiten. Durch den Zufall war ihr Neffe Otto Robert Frisch, auch ein Flüchtling, auch in Schweden, als Meitner einen Brief von Hahn erhalten hat, der seinen chemischen Beweis beschreibt, dass etwas vom Produkt der Beschießung von Uran mit Neutronen Barium war. Hahn war dessen unsicher, was die physische Basis für die Ergebnisse waren — hatte Barium eine Atommasse um 40 % weniger als Uran, und keine vorher bekannten Methoden des radioaktiven Zerfalls konnten für solch einen radikalen Unterschied in der Größe des Kerns verantwortlich sein. In Schweden war Frisch skeptisch, aber Meitner hat der Fähigkeit von Hahn als ein Chemiker vertraut. Marie Curie hatte Barium von Radium viele Jahre lang getrennt, und die Techniken waren wohl bekannt. Gemäß Frisch:

War es ein Fehler? Nein, hat Lise Meitner gesagt; Hahn war ein zu guter Chemiker dafür. Aber wie konnte Barium von Uran gebildet werden? Keine größeren Bruchstücke als Protone oder Helium-Kerne (Alphateilchen) waren jemals weg von Kernen abgeschnitzelt worden, und eine Vielzahl nicht abzublättern, fast genug Energie war verfügbar. Noch es war möglich, dass der Uran-Kern direkt darüber zerspaltet worden sein könnte. Ein Kern ist keinem spröden Festkörper ähnlich gewesen, der zerspaltet oder gebrochen werden kann; George Gamow hatte bald vorgeschlagen, und Bohr hatte gute Argumente gegeben, dass ein Kern viel mehr einem flüssigen Fall ähnlich gewesen ist. Vielleicht konnte ein Fall sich in zwei kleinere Fälle auf eine mehr allmähliche Weise, durch das erste Werden verlängert, dann eingezwängt teilen, und schließlich aber nicht eingeschlagen zwei gerissen zu werden? Wir haben gewusst, dass es starke Kräfte gab, die solch einem Prozess widerstehen würden, gerade als die Oberflächenspannung eines gewöhnlichen flüssigen Falls dazu neigt, seiner Abteilung in zwei kleinere zu widerstehen. Aber Kerne haben sich von gewöhnlichen Fällen auf eine wichtige Weise unterschieden: Sie wurden elektrisch beladen, und, wie man bekannt, hat das der Oberflächenspannung entgegengewirkt.

Die Anklage eines Uran-Kerns, wir haben gefunden, war tatsächlich groß genug, um die Wirkung der Oberflächenspannung fast völlig zu überwinden; so könnte der Uran-Kern tatsächlich einem sehr wackligen nicht stabilen Fall, bereit ähneln, sich an der geringsten Provokation wie der Einfluss eines einzelnen Neutrons zu teilen. Aber es gab ein anderes Problem. Nach der Trennung würden die zwei Fälle einzeln durch ihre gegenseitige elektrische Repulsion gesteuert und würden hohe Geschwindigkeit und folglich eine sehr große Energie, ungefähr 200 MeV insgesamt erwerben; wo konnte diese Energie herkommen?... Lise Meitner hat... ausgearbeitet, dass die zwei Kerne, die von der Abteilung eines Uran-Kerns zusammen gebildet sind, leichter sein würden als der ursprüngliche Uran-Kern durch ungefähr einen fünft die Masse eines Protons. Jetzt, wann auch immer Masse verschwindet, wird Energie, gemäß der Formel von Einstein E=mc geschaffen, und eine fünfte von einer Protonenmasse war gerade zu 200MeV gleichwertig. Also war hier die Quelle für diese Energie; all das hat gepasst!

Kurz gesagt, Meitner hatte die Ergebnisse von Hahn richtig interpretiert zu bedeuten, dass sich der Kern von Uran grob entzwei aufgespalten hatte. Frisch hat den Prozess "Spaltung" als eine Analogie zur binären Spaltung in den biologischen Wissenschaften genannt.

Im Dezember 1938 haben die deutschen Chemiker Otto Hahn und Fritz Strassmann ein Manuskript an Naturwissenschaften gesandt berichtend, dass sie das Element-Barium nach dem Bombardieren von Uran mit Neutronen entdeckt hatten; gleichzeitig haben sie diese Ergebnisse Lise Meitner mitgeteilt. Meitner und ihr Neffe Otto Robert Frisch, haben richtig diese Ergebnisse interpretiert als, Atomspaltung zu sein. Frisch hat das experimentell am 13. Januar 1939 bestätigt. 1944 hat Hahn den Nobelpreis für die Chemie für die Entdeckung der Atomspaltung erhalten. Einige Historiker, die die Geschichte der Entdeckung der Atomspaltung dokumentiert haben, glauben, dass Meitner dem Nobelpreis mit Hahn zuerkannt worden sein sollte.

Nachrichtenausbreitung schnell der neuen Entdeckung, die als eine völlig neuartige physische Wirkung mit dem großen wissenschaftlich — und potenziell praktisch — Möglichkeiten richtig gesehen wurde. Die Interpretation von Meitner und Frischs der Arbeit von Hahn und Strassmann hat den Atlantischen Ozean mit Niels Bohr durchquert, der an der Universität von Princeton lesen sollte. I.I. Rabi und Willis Lamb, zwei Universitätsphysiker von Columbia, die an Princeton arbeiten, haben die Nachrichten gehört und haben es nach Columbia zurückgebracht. Rabi hat gesagt, dass er Enrico Fermi erzählt hat; Fermi hat Kredit Lamb gegeben. Bohr ist bald danach von Princeton bis Columbia gegangen, um Fermi zu sehen. Fermi in seinem Büro nicht findend, ist Bohr zum Zyklotron-Gebiet hinuntergegangen und hat Herbert L. Anderson gefunden. Bohr hat ihn durch die Schulter ergriffen und hat gesagt: "Junger Mann, lassen Sie mich zu Ihnen über etwas Neues und Aufregendes in der Physik erklären." Es war mehreren Wissenschaftlern an Columbia klar, dass sie versuchen sollten, die Energie zu entdecken, die in der Atomspaltung von Uran von der Neutronbeschießung veröffentlicht ist. Am 25. Januar 1939 hat eine Universitätsmannschaft von Columbia das erste Atomspaltungsexperiment in den Vereinigten Staaten durchgeführt, die im Keller des Pupin Saals getan wurden; die Mitglieder der Mannschaft waren Herbert L. Anderson, Eugene T. Booth, John R. Dunning, Enrico Fermi, G. Norris Glasoe und Francis G. Slack. Das Experiment ist mit dem Stellen von Uran-Oxyd innerhalb eines Ionisationsraums und des Bestrahlens davon mit Neutronen und dem Messen der so veröffentlichten Energie verbunden gewesen. Die Ergebnisse haben bestätigt, dass Spaltung vorkam und stark angedeutet hat, dass es das Isotop-Uran 235 insbesondere war, der fissioning war. Am nächsten Tag hat die Fünfte Washingtoner Konferenz für die Theoretische Physik in Washington, D.C. unter der gemeinsamen Schirmherrschaft der Universität von George Washington und der Einrichtung von Carnegie Washingtons begonnen. Dort wurden die Nachrichten auf der Atomspaltung noch weiter ausgebreitet, der viele mehr experimentelle Demonstrationen gefördert hat.

Während dieser Periode hat der ungarische Physiker Leó Szilárd, der an den Vereinigten Staaten wohnte, begriffen, dass die neutrongesteuerte Spaltung von schweren Atomen verwendet werden konnte, um eine Kernkettenreaktion zu schaffen. Solch eine Kernreaktion mit Neutronen war eine Idee, die er zuerst 1933, nach dem Lesen der verächtlichen Bemerkungen von Rutherford über das Erzeugen der Macht vom 1932 Experiment seiner Mannschaft mit Protonen formuliert hatte, um Lithium zu spalten. Jedoch war Szilárd nicht im Stande gewesen, eine neutrongesteuerte Kettenreaktion mit neutronreichen leichten Atomen zu erreichen. In solchen neutrongesteuerten Kernkettenreaktionen, wenn die Zahl von sekundären durch jede Reaktion erzeugten Neutronen größer war als eine, dann konnte jede Spaltungsreaktion, in der Theorie, noch zwei Reaktionen auslösen. Solch ein System des Exponentialwachstums hat die Möglichkeit in Aussicht gestellt, Uran-Spaltung als ein Mittel zu verwenden, große Beträge der Energie, irgendeines für den Bürger (d. h. elektrisch) Zwecke, oder sogar zu militärischen Zwecken — eine Atombombe zu erzeugen.

Szilard hat jetzt Fermi (in New York) und Frédéric Joliot-Curie (in Paris) genötigt, davon Abstand zu nehmen, auf der Möglichkeit einer Kettenreaktion zu veröffentlichen, damit sich die nazistische Regierung der Möglichkeiten am Vorabend des Zweiten Weltkriegs nicht bewusst wird. Fermi ist bereit gewesen, mit etwas Zögern zu selbstzensieren. Joliot-Curie hat jedoch nicht, und im April 1939 getan, seine Mannschaft in Paris (Joliot-Curie, Hans von Halban und Lew Kowarski) hat in der Natur berichtet, dass die Zahl von mit der Atomspaltung von U ausgestrahlten Neutronen dann an 3.5 pro Spaltung berichtet wurde. (Sie haben später das zu 2.6 pro Spaltung korrigiert.) Die gleichzeitige Arbeit von Szilard und Walter Zinn hat diese Ergebnisse bestätigt. Das ist geschienen, die Möglichkeit zu machen, Kernreaktoren (zuerst genannt "neutronic Reaktoren" durch Szilard und Fermi), und vielleicht sogar Atombomben in der Theorie zu bauen. Dort war noch viel über die Spaltung und Kettenreagieren-Systeme jedoch unbekannt.

Spaltungskettenreaktion

"Kettenreaktionen" waren damals ein bekanntes Phänomen in der Chemie, aber der analoge Prozess in der Kernphysik, mit Neutronen, war schon in 1933 von Szilárd vorausgesehen worden, obwohl Szilárd damals keine Idee damit hatte, welche Materialien der Prozess begonnen werden könnte. Szilárd hat gedacht, dass Neutronen für solch eine Situation ideal sein würden, seitdem sie an einer elektrostatischen Anklage Mangel gehabt haben.

Mit den Nachrichten über Spaltungsneutronen von der Uran-Spaltung hat Szilárd sofort die Möglichkeit einer Kernkettenreaktion mit Uran verstanden. Im Sommer haben Fermi und Szilard die Idee von einem Kernreaktoren (Stapel) vorgeschlagen, um dieser Prozess zu vermitteln. Der Stapel würde natürliches Uran als Brennstoff verwenden. Fermi hatte viel früher gezeigt, dass Neutronen durch Atome viel effektiver gewonnen wurden, wenn sie der niedrigen Energie waren (so genannte "langsame" oder "thermische" Neutronen), weil für das Quant schließt, dass es die Atome wie viel größere Ziele zu den Neutronen hat aussehen lassen. Um so die sekundären durch die fissioning Uran-Kerne veröffentlichten Neutronen zu verlangsamen, haben Fermi und Szilard einen Grafit "Vorsitzender" vorgeschlagen, gegen den die schnellen, energiereichen sekundären Neutronen kollidieren würden, effektiv sie verlangsamend. Mit genug Uran, und mit dem reinen genug Grafit konnte ihr "Stapel" eine Langsam-Neutronkettenreaktion theoretisch stützen. Das würde auf die Produktion der Hitze, sowie die Entwicklung von radioaktiven Spaltungsprodukten hinauslaufen.

Im August 1939 haben Szilard und ungarischer Mitflüchtlingsphysiker-Erzähler und Wigner gedacht, dass die Deutschen von der Spaltungskettenreaktion Gebrauch machen könnten und angespornt wurden zu versuchen, die Aufmerksamkeit der USA-Regierung zum Problem anzuziehen. Dazu haben sie deutsch-jüdischen Flüchtling Albert Einstein überzeugt, seinen Namen zu einem Präsidenten Franklin Roosevelt geleiteten Brief zu leihen. Der Brief von Einstein-Szilárd hat die Möglichkeit einer Uran-Bombe angedeutet, die durch das Schiff lieferbar ist, das "einen kompletten Hafen und viel von der Umgebungslandschaft zerstören würde." Der Präsident hat den Brief am 11. Oktober 1939 erhalten — kurz nachdem Zweiter Weltkrieg in Europa, aber zwei Jahre vor dem amerikanischen Zugang darin begonnen hat. Roosevelt hat befohlen, dass ein wissenschaftliches Komitee autorisiert wird, um Uran-Arbeit zu beaufsichtigen, und einen kleinen Geldbetrag für die Stapel-Forschung zugeteilt hat.

In England hat James Chadwick eine Atombombe vorgeschlagen, die natürliches Uran verwertet, das auf einem Vortrag von Rudolf Peierls mit der Masse gestützt ist, die für den kritischen Staat erforderlich ist, der 30-40 Tonnen ist. In Amerika hat J. Robert Oppenheimer gedacht, dass ein Würfel von Uran deuteride 10 Cm auf einer Seite (ungefähr 11 Kg Uran) sich zum Teufel "blasen könnte." In diesem Design wurde es noch gedacht, dass ein Vorsitzender für die Atombombe-Spaltung würde verwendet werden müssen (das hat sich erwiesen nicht der Fall zu sein, wenn das spaltbare Isotop getrennt wurde). Im Dezember hat Werner Heisenberg einen Bericht beim deutschen Ministerium des Krieges gegen die Möglichkeit einer Uran-Bombe geliefert. Die meisten dieser Modelle waren noch unter der Annahme, dass die Bomben durch langsame Neutronreaktionen angetrieben — und so einem Reaktor ähnlich sein würden, der ein Schmelzen erlebt.

In Birmingham, England, hat sich Frisch mit Peierls, einem Gefährten deutsch-jüdischer Flüchtling zusammengetan. Sie hatten die Idee, eine gereinigte Masse des Uran-Isotops U zu verwenden, der eine böse Abteilung gerade bestimmt hatte, und der viel größer war als dieser von U oder natürlichem Uran (der 99.3 % das letzte Isotop ist). Als sie angenommen haben, dass die böse Abteilung für die Schnell-Neutronspaltung von U dasselbe bezüglich der langsamen Neutronspaltung war, haben sie beschlossen, dass eine reine U-Bombe eine kritische Masse von nur 6 Kg statt Tonnen haben konnte, und dass die resultierende Explosion enorm sein würde. (Der Betrag hat sich wirklich erwiesen, 15 Kg zu sein, obwohl mehrere Male dieser Betrag im wirklichen Uran (Kleiner Junge) Bombe) verwendet wurde. Im Februar 1940 haben sie den Frisch-Peierls Vermerk geliefert. Komischerweise wurden sie noch "als feindliche Ausländer" zurzeit offiziell betrachtet. Glenn Seaborg, Joseph W. Kennedy, Arthur Wahl und italienisch-jüdischer Flüchtling Emilio Segrè haben kurz Pu in den Zerfall-Produkten von erzeugtem U entdeckt, indem sie U mit Neutronen bombardiert haben, und haben es bestimmt, um ein spaltbares Material, wie U. zu sein

Die Möglichkeit, Uran 235 zu isolieren, entmutigte technisch, weil Uran 235 und Uran 238 chemisch identisch ist, und sich in ihrer Masse durch nur das Gewicht von drei Neutronen ändert. Jedoch, wenn eine genügend Menge von Uran 235 isoliert werden konnte, würde es eine schnelle Neutronspaltungskettenreaktion berücksichtigen. Das, würde eine wahre "Atombombe äußerst explosiv sein." Die Entdeckung, dass Plutonium 239 in einem Kernreaktoren erzeugt werden konnte, hat zu einer anderen Annäherung an eine schnelle Neutronspaltungsbombe hingewiesen. Beide Annäherungen waren äußerst neuartig und noch nicht gut verstanden, und es gab beträchtliche wissenschaftliche Skepsis an der Idee, dass sie in einer kurzen Zeitdauer entwickelt werden konnten.

Am 28. Juni 1941 wurde das Büro der Wissenschaftlichen Forschung und Entwicklung in den Vereinigten Staaten gebildet, um wissenschaftliche Mittel zu mobilisieren und die Ergebnisse der Forschung zur nationalen Verteidigung anzuwenden. Im September hat Fermi seinen ersten Kern"Stapel" oder Reaktor in einem Versuch gesammelt, eine langsame neutronveranlasste Kettenreaktion in Uran zu schaffen, aber das Experiment hat gescheitert, criticality, erwartet zu erreichen, richtiger Materialien oder nicht genug von den richtigen Materialien zu fehlen, die verfügbar waren.

Wie man

fand, war das Produzieren einer Spaltungskettenreaktion im natürlichen Uran-Brennstoff alles andere als trivial. Frühe Kernreaktoren haben bereichertes Uran von isotopically nicht verwendet, und in der Folge waren sie erforderlich, große Mengen des hoch gereinigten Grafits als Neutronmäßigungsmaterialien zu verwenden. Der Gebrauch von gewöhnlichem Wasser (im Vergleich mit schwerem Wasser) in Kernreaktoren verlangt bereicherten Brennstoff — die teilweise Trennung und Verhältnisbereicherung des seltenen U Isotops vom viel allgemeineren U Isotop. Gewöhnlich verlangen Reaktoren auch Einschließung äußerst chemisch reiner Neutronvorsitzender-Materialien wie schwerer Wasserstoff (in schwerem Wasser), Helium, Beryllium oder Kohlenstoff, die Letzteren gewöhnlich als Grafit. (Die hohe Reinheit für Kohlenstoff ist erforderlich, weil viele chemische Unreinheiten wie das Bor 10 Bestandteil von natürlichem Bor, sehr starke Neutronabsorber sind und so die Kettenreaktion vergiften und es vorzeitig beenden.)

Die Produktion solcher Materialien an der Industrieskala musste für die Kernkraft-Generation und zu vollbringende Waffenproduktion gelöst werden. Bis zu 1940 war die Summe von in den USA erzeugtem Uran-Metall nicht mehr als einige Gramme, und sogar das war der zweifelhaften Reinheit; metallischen Berylliums nicht mehr als einige Kilogramme; und konzentriertes Oxyd des schweren Wasserstoffs (schweres Wasser) nicht mehr als einige Kilogramme. Schließlich war Kohlenstoff in der Menge mit irgendetwas wie die eines Vorsitzenden erforderliche Reinheit nie erzeugt worden.

Das Problem, große Beträge von hohem Reinheitsuran zu erzeugen, wurde von Frank Spedding behoben, der den thermite oder Prozess "von Ames" verwendet. Laboratorium von Ames wurde 1942 gegründet, um die großen Beträge von natürlichem (unbereichertem) Uran-Metall zu erzeugen, das für die Forschung notwendig sein würde, um zu kommen. Der kritische Kernkettenreaktionserfolg des Chikagoer Stapels 1 (am 2. Dezember 1942), der unbereichertes (natürliches) Uran wie alle Atom"Stapel" verwendet hat, die das Plutonium für die Atombombe erzeugt haben, war auch spezifisch zur Verwirklichung von Szilard erwartet, dass sehr reiner Grafit für den Vorsitzenden sogar natürlichen Urans "Stapel" verwendet werden konnte. Im Kriegsdeutschland hat Misserfolg, die Qualitäten des sehr reinen Grafits zu schätzen, zu Reaktordesignabhängigem auf schwerem Wasser geführt, dem der Reihe nach die Deutschen durch Verbündete Angriffe in Norwegen bestritten wurden, wo schweres Wasser erzeugt wurde. Diese Schwierigkeiten — unter vielen anderen — haben die Nazis davon abgehalten, einen Kernreaktoren zu bauen, der zu criticality während des Krieges fähig ist, obwohl sie so viel Anstrengung nie gestellt haben wie die Vereinigten Staaten in die Kernforschung, sich auf andere Technologien konzentrierend (sieh deutsche Kernenergie für mehr Details vorspringen).

Projekt von Manhattan und darüber hinaus

In den Vereinigten Staaten wurde eine gänzliche Anstrengung darum, Atomwaffen zu machen, gegen Ende 1942 begonnen. Diese Arbeit wurde vom amerikanischen Armeekorps von Ingenieuren 1943 übernommen, und als der Ingenieur-Bezirk von Manhattan bekannt. Das streng geheime Projekt von Manhattan, wie es umgangssprachlich bekannt war, wurde von General Leslie R. Groves geführt. Unter den Dutzenden des Projektes von Seiten waren: Die Hanford Seite im Staat Washington, der die ersten Industrieskala-Kernreaktoren hatte; Eiche-Kamm, Tennessee, das in erster Linie mit Uran-Bereicherung beschäftigt gewesen ist; und Los Alamos, in New Mexico, das der wissenschaftliche Mittelpunkt für die Forschung über die Bombe-Entwicklung und das Design war. Andere Seiten, namentlich das Strahlenlaboratorium von Berkeley und das Metallurgische Laboratorium an der Universität Chicagos, haben wichtige beitragende Rollen gespielt. Die gesamte wissenschaftliche Richtung des Projektes wurde vom Physiker J. Robert Oppenheimer geführt.

Im Juli 1945, die erste Atombombe, hat "Dreieinigkeit" synchronisiert, wurde in der Wüste von New Mexico explodieren lassen. Es wurde durch an Hanford geschaffenes Plutonium angetrieben. Im August 1945 wurden noch zwei Atombomben — "Kleiner Junge", ein Uran 235 Bombe, und "Fetter Mann", eine Plutonium-Bombe — gegen die japanischen Städte Hiroshimas und Nagasakis verwendet.

In den Jahren nach dem Zweiten Weltkrieg wurden viele Länder an der weiteren Entwicklung der Atomspaltung zu den Zwecken von Kernreaktoren und Kernwaffen beteiligt.

Natürliche Spaltungskettenreaktoren auf der Erde

Criticality in der Natur ist ungewöhnlich. An drei Erzlagern an Oklo in Gabon sind sechzehn Seiten (die so genannten Oklo Fossil-Reaktoren) entdeckt worden, an dem das Selbstunterstützen der Atomspaltung vor etwa 2 Milliarden Jahren stattgefunden hat. Unbekannt bis 1972 (aber verlangt von Paul Kuroda 1956), als französischer Physiker Francis Perrin die Oklo Fossil-Reaktoren entdeckt hat, wurde es begriffen, dass Natur Menschen zum Schlag geprügelt hatte. Groß angelegte natürliche Uran-Spaltungskettenreaktionen, die durch normales Wasser gemäßigt sind, waren weit in der Vergangenheit vorgekommen und würden jetzt nicht möglich sein. Dieser alte Prozess ist im Stande gewesen, normales Wasser als ein Vorsitzender zu verwenden, nur weil 2 Milliarden Jahre bevor das gegenwärtige, natürliche Uran am kürzer gelebten spaltbaren Isotop U (ungefähr 3 %) reicher war, als natürliches Uran verfügbar heute (der nur 0.7 % ist, und zu 3 % bereichert werden muss, um in Leicht-Wasserreaktoren verwendbar zu sein).

Siehe auch

• Photospaltung
• Kernfusion

Referenzen

Links

• Die Effekten von Kernwaffen
• Kommentierte Bibliografie für die Atomspaltung von der Alsos Digitalbibliothek
• Die Entdeckung der Atomspaltung Historische Rechnung vollendet mit den Führern des Audio- und Lehrers vom amerikanischen Institut für das Physik-Geschichtszentrum
• atomicarchive.com Atomspaltung erklärter
• Kern-Files.org Was ist Atomspaltung?
• Atomspaltungszeichentrickfilm