miniatura|upright|Reacción de fisión inducida. Un neutrón é absorbido por un núcleo de uranio-235, converténdoo brevemente nun núcleo excitado de uranio-236, coa enerxía de excitación proporcionada pola enerxía cinética do neutrón máis a forzas que unen o neutrón. O uranio-236, á súa vez, divídese en elementos máis lixeiros que se moven rapidamente (produtos de fisión) e libera varios neutróns libres, un ou máis raios gamma rápidos (non mostrados) e unha cantidade (proporcionalmente) grande de enerxía cinética. En física nuclear, a fisión (non confundir coa fusión nuclear) é a división dun núcleo en núcleos máis liviáns, ademais dalgúns subprodutos 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, mesmo para os estándares enerxéticos da desintegración radioactiva. O seu descubrimento débese a Otto Hahn e Lise Meitner, aínda que foi o primeiro o único en recibir o premio Nobel polo mesmo.
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. 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 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.
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.
Mecanismo 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, 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; estes isótopos entón decaen, mediante cadeas de desintegración. Desintegración radioactiva A fisión nuclear pode producirse sen bombardeo de neutróns como un tipo de desintegración radioactiva. Este tipo de fisión denomínase fisión espontánea é pouco frecuente, excepto nalgúns isótopos pesados e observouse por primeira vez en 1940. Reacción nuclear Durante a fisión inducida, fórmase un sistema composto despois de que unha partícula incidente se fusiose cun obxectivo. A enerxía de excitación resultante pode ser suficiente para emitir neutróns ou raios gamma e provocar a fisión nuclear. A fisión en dous fragmentos denomínase fisión binaria e é a reacción nuclear máis común. A menos frecuente é a fisión ternaria, na que se emite unha terceira partícula. Esta terceira partícula adoita ser unha partícula α. Dado que na fisión nuclear o núcleo emite máis neutróns dos que absorbe, é posible que se produza unha reacción en cadea..
A fisión binaria pode producir calquera dos produtos de fisión, a 95±15 e 135±15 daltons. Un exemplo dun evento de fisión binaria no núclido fisible máis utilizado, o , dáse como:
Non obstante, o proceso binario ocorre simplemente porque é o máis probable. En calquera lugar de dúas a catro fisións por cada 1000 nun reactor nuclear, a fisión ternaria pode producir tres fragmentos cargados positivamente (ademais de neutróns) e o máis pequeno destes pode variar desde unha carga e masa tan pequenas como un protón (Z=1), ata un fragmento tan grande como o argon (Z=18). Non obstante, os fragmentos pequenos máis comúns están compostos por un 90 % de núcleos de helio-4 con máis enerxía que as partículas alfa procedentes da desintegración alfa (as chamadas "alfas de longo alcance" a ~16 megaelectronvolts (MeV)), ademais de núcleos de helio-6 e tritóns (os núcleos do tricio). Aínda que é menos común que a fisión binaria, aínda produce unha acumulación significativa de gas helio-4 e tritio nas barras de combustible dos reactores nucleares modernos.S. Vermote, et al. (2008) "Comparative study of the ternary particle emission in 243-Cm (nth,f) and 244-Cm(SF)" in Dynamical aspects of nuclear fission: proceedings of the 6th International Conference. J. Kliman, M. G. Itkis, S. Gmuca (eds.). World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. Singapore. .
Historia Descubrimento da fisión nuclear miniatura|upright|Otto Hahn e Lise Meitner en 1912 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). 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.
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!".
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. 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.
O físico inglés James Chadwick descubriu o neutrón en 1932. 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." Posteriormente comunicou os seus descubrimentos con máis detalle. and