Hur kan endast en neutron klyva en Uran-235-kärna?

Hur kan endast en neutron klyva en Uran-235-kärna, vad händer i atomen?

Frågan ställdes 2023-07-29 av Mikael, 42 år.

I atomkärnan agerar främst två fundamentala naturkrafter, starka kärnkraften och elektromagnetiska repulsionen. Vid jämvikt sitter protoner och neutroner samman i balans och kärnan befinner sig i ett så-kallat stabilt grundtillstånd. Kärnan har en energibarriär som förhindrar den att slitas isär, till följd av den repellerande kraften. Däremot kan atomkärnan rubbas från sin balans om tillräckligt mycket energi tillförs. Detta kan uppnås t.ex. genom infångning av neutroner, protoner eller elektromagnetisk strålning. När partiklar fångas kan denna barriär överträffas genom att kärnan hamnar i ett högre energitillstånd (exciteras).

I det specifika fallet med en neutron som absorberas i en U-235, så bildas först isotopen U-236. Inkommande neutronen binds till kärnan och leder till att en liten del massa övergår till energi, enligt Einsteins berömda formel E=mc2. Denna överflödiga energi orsakar diverse oscillationer och vibrationer, som leder till att U-236-kärnan gungas bort från jämviktspunkten. När kärnan har erfarit tillräcklig deformation, så kan starka kärnkraften inte förmå att hålla ihop den längre. Detta eftersom den bara agerar på väldigt korta avstånd, till skillnad från den elektromagnetiska kraften som har längre räckvidd. Detta leder till att mindre kluster av protoner inom kärnan knuffar bort varandra med en växande kraft. Klyvningen är ett faktum, vilket typiskt leder till två nya mindre kärnor.

Energibarriären för fission är väldigt hög för medeltunga atomkärnor såsom bly, och därför räcker inte en långsam neutron för att klyva den, till skillnad mot tunga kärnor som uran och plutonium. Däremot kan en enda neutron faktiskt klyva även bly, ifall neutronen bär med sig mycket hög kinetisk energi vid kollisionen. Denna energi övergår till excitationsenergi och således tillåter kärnan att klättra över barriären. Så det är snarare en fråga om vilken excitationsenergi atomkärnor får vid en reaktion, relativt till deras barriärer.

Frågan besvarades av Ali Al-Adili, forskare vid avdelningen tillämpad kärnfysik, institutionen för fysik och astronomi.