Ambil atom berat seperti uranium atau plutonium. Pukul dengan neutron. Perhatikan itu retak.
Perpecahan itu adalah fisi nuklir. Ini bukanlah reaksi kimia. Ini adalah sesuatu yang jauh lebih keras dan energik. Nukleus terbagi menjadi dua fragmen yang kira-kira sama. Potongan berat. Produk samping radioaktif. Namun kisah sebenarnya bukanlah puing-puingnya. Itu adalah energinya.
Sejumlah besar energi meledak ketika atom terpecah.
Proses ini adalah mesin di balik pembangkit listrik tenaga nuklir. Ini juga merupakan mekanisme di balik senjata nuklir. Perbedaannya terletak pada pengendaliannya. Seseorang menciptakan reaksi berantai yang tidak terkendali. Yang lainnya mempertahankan denyut nadi yang stabil dan terkendali.
Mekanisme Perpecahan
Mengapa pembelahan atom melepaskan tenaga? Jawabannya terletak pada cacat massal.
Massa gabungan kedua fragmen tersebut sedikit lebih kecil dari inti aslinya. Massa yang hilang itu tidak hilang. Ini mengkonversi langsung menjadi energi. Persamaan Albert Einstein, E=mc², menjelaskan konversi ini. Massa yang sangat kecil menghasilkan energi yang sangat besar karena kecepatan cahaya dikuadratkan dalam jumlah yang sangat besar.
Fragmen-fragmen itu terbang terpisah. Mereka membawa energi kinetik. Mereka membanting atom di sekitarnya. Panas meningkat. Uap memutar turbin. Aliran listrik.
Mengontrol Reaksi Berantai
Fisi tidak terjadi secara terpisah. Proses pembelahan seringkali melepaskan neutron tambahan. Neutron ini dapat menyerang atom uranium lainnya. Atom-atom itu terbelah. Mereka melepaskan lebih banyak neutron.
Ini adalah reaksi berantai.
Jika dibiarkan, reaksinya akan dipercepat secara eksponensial. Itu sebuah bom. Jika dikendalikan, reaksinya tetap stabil. Itu adalah reaktor.
Batang kendali yang terbuat dari bahan penyerap neutron seperti boron atau kadmium dimasukkan ke dalam inti. Mereka menyerap kelebihan neutron. Mereka memperlambat reaksinya. Operator menyesuaikan batang ini untuk mempertahankan tingkat daya yang diinginkan.
Mengapa Ini Penting Saat Ini
Fisi nuklir menghasilkan sebagian besar listrik rendah karbon di dunia. Ini berjalan dengan andal. Berbeda dengan tenaga surya atau angin, hal ini tidak bergantung pada cuaca. Ini tidak menghasilkan emisi karbon langsung selama pengoperasian.
Namun, limbahnya tetap ada. Fragmen radioaktif dari atom yang terbelah tetap berbahaya selama ribuan tahun. Penyimpanan dan pembuangan merupakan tantangan yang berkelanjutan. Teknologi ini sangat kuat. Hal ini juga sangat kompleks.
Melampaui Energi
Fisi bukan hanya tentang pembangkit listrik. Isotop medis sering diproduksi di reaktor. Isotop ini membantu mendiagnosis dan mengobati penyakit. Terapi kanker bergantung pada sumber radiasi yang tepat. Beberapa berasal dari produk sampingan fisi.
Konsep ilmunya sederhana. Pisahkan inti yang berat. Dapatkan energi. Penerapannya adalah tempat kompleksitas mengambil alih. Keamanan, limbah, dan politik memperumit gambaran ini.
Fisika tidak berubah. Konsekuensinya memang demikian.
Seiring kemajuan teknologi, desain reaktor baru bertujuan untuk meningkatkan efisiensi dan keamanan. Reaktor modular kecil menjanjikan daya yang lebih murah dan terukur. Penelitian fusi menawarkan jalur yang berbeda—menggabungkan atom daripada memisahkannya. Namun fisi tetap menjadi landasan lanskap energi saat ini.
Kami mengandalkannya. Kami takut akan hal itu. Kami mengelolanya.
Atom terbelah. Energi mengalir. Pertanyaannya bukanlah apakah kita bisa melakukannya. Tergantung apakah kita bisa melakukannya dengan bijak.
Cara Kerja Fisi Nuklir Sebenarnya
Ini dimulai dengan perpecahan. Dalam fisi nuklir, inti atom terpecah menjadi dua inti yang lebih ringan. Hal ini tidak terjadi hanya untuk bersenang-senang. Terkadang hal itu terjadi secara spontan. Lebih seringnya, Anda harus memaksakan masalah tersebut.
Anda dapat menyebabkan pemutusan menggunakan partikel seperti neutron, proton, deuteron, atau partikel alfa. Sinar gamma juga berfungsi.
Begitu inti tersebut retak, imbalannya akan sangat besar.
Pelepasan energi dalam jumlah besar. Produk radioaktif terbentuk seketika. Beberapa neutron terbang menuju kehampaan.
Dan inilah penendangnya. Neutron yang dibebaskan itu? Mereka tidak hanyut begitu saja. Mereka menabrak inti bahan fisi di dekatnya. Mendorong fisi di sana. Melepaskan lebih banyak neutron.
Urutannya berulang. Reaksi berantai terjadi. Inti mengalami pembelahan berbondong-bondong. Sejumlah besar energi meledak ke luar.
Kekuatan Terkendali vs. Kehancuran Tak Terkendali
Kendalikan reaksi berantai ini. Lakukan di reaktor nuklir. Anda mendapatkan kekuatan. Energi yang bersih dan padat untuk kepentingan masyarakat.
Lakukan dengan salah. Atau melakukannya dengan sengaja. Seperti dalam bom atom. Hasilnya adalah ledakan kekuatan destruktif yang luar biasa.
Fisika yang sama. Hasil yang berlawanan. Yang satu memberi makan kota. Yang lain menyamakannya.
Zaman Atom dan Komplikasinya
Penemuan fisi nuklir membuka era baru. Zaman Atom.
Potensi kebaikan atau kejahatan telah membentuk segalanya. Pergeseran sosiologis. Pergolakan politik. Ledakan ekonomi. Lompatan ilmiah.
Hal ini juga menimbulkan kekhawatiran besar. Rasio risiko terhadap manfaat tidaklah sederhana. Ini adalah perjalanan di atas tali yang konstan.
Bahkan dari sudut pandang ilmiah murni, fisi tetaplah kompleks. Ini menghadirkan teka-teki. Penjelasan teoritis tidak lengkap. Kami memahami mekanismenya lebih baik daripada gambaran keseluruhannya.
Kita tahu cara membelah atom.
Kami masih mencari tahu apa sebenarnya arti memegang kekuasaan itu.
Kata “fisi” baru ditemukan pada tahun 1939. Fisikawan Jerman Lise Meitner dan Otto Frisch menciptakan istilah tersebut untuk menggambarkan inti atom berat yang terbelah menjadi dua inti lebih ringan dengan ukuran yang kira-kira sama. Itu adalah akhir dari kisah ilmiah yang kacau dan awal dari periode penelitian yang intens.
Kisah sebenarnya dimulai lebih awal. James Chadwick menemukan neutron di Inggris pada tahun 1932. Enrico Fermi dan timnya di Italia segera mulai membombardir unsur-unsur dengan partikel netral ini. Pada tahun 1934, mereka menyadari sesuatu yang aneh. Membombardir uranium dengan neutron lambat menciptakan empat spesies radioaktif berbeda. Mereka memancarkan partikel beta. Para ilmuwan mengira mereka telah menemukan unsur transuranium dengan nomor atom 93, 94, atau lebih tinggi.
Ahli radiokimia berbondong-bondong mempelajari isotop baru ini. Hasilnya membingungkan. Kebingungan berlangsung hingga tahun 1939.
Otto Hahn dan Fritz Strassmann di Jerman membuktikan secara pasti bahwa unsur-unsur “transuranik” tersebut sebenarnya adalah barium, lantanum, dan unsur-unsur tabel periodik pertengahan lainnya. Mereka mengikuti petunjuk dari Irène Joliot-Curie dan Pavle Savić di Prancis.
Ida Noddack pada tahun 1934 mengemukakan bahwa unsur-unsur yang lebih ringan dapat terbentuk dari inti atom yang berat. Gagasan itu diabaikan. Ini menantang fisika nuklir yang diterima dan tidak memiliki bukti kimia. Hahn dan Strassmann memberikan buktinya.
Meitner dan Frisch menggunakan model tetesan cairan untuk menjelaskan prosesnya. Mereka menunjukkan pelepasan energi yang sangat besar. Laboratorium di seluruh dunia mengkonfirmasi reaksi tersebut. Dalam setahun, lebih dari 100 makalah menjelaskan prosesnya.
Bukti kimia yang sangat penting dalam mengarahkan Hahn dan Strassmann pada penemuan fisi nuklir diperoleh melalui penerapan teknik pembawa dan pelacak.
Cara ilmuwan mengidentifikasi produk fisi
Teknik kimia sangat penting. Spesies radioaktif dalam jumlah tak terlihat telah tercipta. Para ilmuwan menyimpulkan identitas mereka dengan melacak bagaimana mereka bergerak dengan unsur pembawa yang diketahui.
Mereka menambahkan pelacak radioaktif yang dikenal. Mereka membandingkan perilaku untuk mengidentifikasi hal-hal yang tidak diketahui. Metode radiokimia ini telah mengisolasi 34 unsur dari fisi. Kisarannya berkisar dari seng (nomor atom 30) hingga gadolinium (nomor atom 64).
Beragamnya radioaktivitas menjadikan fisi sebagai sumber pelacak yang kaya. Ini digunakan dalam aplikasi kimia, biologi, dan industri.
Isotop mana yang menyebabkan fisi dan mengapa hal itu penting
Eksperimen awal menggunakan uranium biasa. Dengan cepat diketahui bahwa uranium-235 bertanggung jawab. Ini fisi dengan neutron lambat.
Uranium-238 lebih melimpah. Dibutuhkan neutron cepat dengan energi melebihi 1 MeV untuk melakukan fisi. Inti torium dan protaktinium juga mengalami fisi dengan neutron cepat.
Partikel lain juga berfungsi. Proton cepat, deuteron, dan alfa menginduksi reaksi. Sinar gamma juga efektif.
Penemuan reaktor nuklir
Pada tahun 1939, Frédéric Joliot-Curie, Hans von Halban, dan Lew Kowarski menemukan bahwa beberapa neutron dipancarkan selama fisi uranium-235. Hal ini menunjukkan adanya reaksi berantai yang berkelanjutan.
Fermi dan rekan kerjanya melihat potensi tersebut. Mereka mengakui kekuatan reaksi yang terkendali. Pada tanggal 2 Desember 1942, mereka berhasil.
Mereka mengoperasikan reaktor nuklir pertama di dunia. Itu disebut “tumpukan”. Itu terdiri dari blok uranium dan grafit. Itu dibangun di kampus Universitas Chicago.
Proyek Manhattan menyusul. Itu adalah upaya rahasia. Mereka mengembangkan bom atom setelah AS memasuki Perang Dunia II.
Ketika perang berakhir, upaya beralih. Para ilmuwan mengembangkan jenis reaktor baru. Mereka bertujuan untuk pembangkit listrik skala besar. Hal ini melahirkan industri tenaga nuklir.
Dasar-dasar proses fisi sekarang sudah jelas. Teknologi telah berpindah dari teori ke kenyataan. Implikasinya terhadap energi dan peperangan sangat terasa. Dunia berubah dengan cara yang tidak dapat diprediksi oleh sedikit orang pada tahun 1934.
Rahasia fisi nuklir bukanlah sihir. Itu struktural. Anda harus melihat bagaimana materi nuklir terbentuk. Dan betapa stabilnya itu.
Inti terbuat dari nukleon. Itu hanya istilah keren untuk proton dan neutron. Jumlah total partikel-partikel ini adalah nomor massa Anda. Cukup sederhana. Tapi di sinilah hal menjadi aneh. Massa inti yang sebenarnya selalu lebih kecil dari jumlah bagian-bagiannya. Jika Anda mengambil semua neutron dan proton bebas tersebut dan menimbangnya secara terpisah, beratnya akan lebih besar daripada inti yang mereka ciptakan.
Perbedaan antara kedua bobot tersebut adalah cacat massa. Dan massa yang hilang itu? Itu tidak hilang. Itu berubah menjadi energi.
Persamaan Einstein menjelaskan hal ini. E = mc 2. Energi sama dengan massa dikalikan kecepatan cahaya kuadrat. Ini adalah tingkat konversi yang sangat besar. Cacat massa tersebut merupakan ukuran langsung dari energi pengikat. Yang pada dasarnya adalah lem yang menyatukan inti.
Pikirkan seperti ini. Ketika inti terbentuk, ia melepaskan energi. Anda harus mengembalikan jumlah energi yang sama untuk memecahnya. Untuk menguraikannya menjadi nukleon individu. Semakin tinggi energi ikatnya, semakin stabil inti atomnya. Semakin sulit untuk memisahkannya.
“Perbedaannya dikenal sebagai cacat massa dan merupakan ukuran energi ikat total (dan stabilitas) inti.”
Stabilitas ini penting. Karena jika inti tidak stabil, maka bisa saja terjadi perpecahan. Pembelahan. Jika stabil, ia akan berada di sana. Menunggu.
Energi yang dilepaskan selama pembentukan adalah energi yang sama yang perlu Anda suplai untuk menghancurkannya. Ini adalah putaran tertutup. Segel yang rapat. Massa menjadi energi. Energi menyatukan massa. Dan itulah sebabnya beberapa atom mudah terpecah sementara yang lain tidak terganggu selama miliaran tahun.
Lihatlah kurva energi ikat rata-rata per nukleon. Ini adalah bentuk yang umum dalam fisika, memuncak tepat di sekitar nomor massa 56. Itulah titik terbaiknya. Itu besi.
Grafik tersebut menceritakan kisah sederhana tentang stabilitas. Besi berada di puncak bukit. Jika Anda memiliki inti yang lebih berat dari besi, ia ingin terpecah. Ia ingin memecah menjadi bagian-bagian yang lebih ringan yang berada lebih rendah pada kemiringan energi. Perbedaan energi ikat tidak hilang begitu saja. Itu akan dirilis. Ini adalah fisi.
Jika Anda memiliki sesuatu yang lebih ringan dari besi, jalannya berbeda. Inti-inti tersebut dapat memperoleh stabilitas dengan cara saling bertabrakan. Mereka berfusi menjadi inti yang lebih berat dengan cacat massa yang lebih besar. Perbedaan massa diubah menjadi energi. Ini adalah fusi. Itu adalah mesin matahari. Ini adalah dasar dari bom hidrogen. Hal ini juga merupakan cawan suci bagi pembangkit listrik yang ramah lingkungan, sebuah bidang yang telah mengalami upaya aktif selama puluhan tahun, dan sering kali membuat frustrasi.
Penghalang Peluruhan Spontan
Di sinilah model energi sederhana dipecah.
Jika pertimbangan energi adalah satu-satunya faktor, semua materi pada akhirnya akan hancur menjadi besi. Semuanya akan mencari konfigurasi yang paling stabil. Tapi itu tidak terjadi. Alam semesta tidak terlalu malas—atau seefisien itu.
Ada hambatan. Faktor-faktor lain menghentikan konversi spontan.
Untuk memahami alasannya, fisikawan memperlakukan inti atom seperti setetes cairan bermuatan. Ini adalah analogi kualitatif, tetapi tetap berlaku. Gaya nuklir yang kuat mengikat nukleon menjadi satu. Itu menarik. Ini sangat kuat. Tapi ini adalah jangka pendek. Ini hanya berfungsi antara tetangga terdekat.
Nukleon di permukaan mempunyai tetangga yang lebih sedikit dibandingkan nukleon yang terkubur di bagian dalam. Hal ini menciptakan tegangan permukaan. Tetesan tersebut ingin meminimalkan luas permukaannya untuk mengurangi energi. Bentuk yang paling efisien untuk menutup volume adalah bola. Jadi, inti atom berbentuk bola.
Soal Tolakan Coulomb
Proton tidak bermain dengan aturan jarak pendek yang sama. Mereka bermuatan positif. Mereka saling tolak menolak melalui gaya Coulomb jarak jauh.
Ketika inti atom bertambah besar, gaya tolak menolak ini menjadi masalah yang serius. Setelah Anda melewati jumlah nukleon sekitar 40, gaya tarik menarik dari interaksi kuat berjuang untuk menjaga semuanya tetap bersatu melawan dorongan listrik.
Solusinya? Pengenceran.
Inti yang lebih berat menjaga stabilitas relatif dengan menambahkan kelebihan neutron. Neutron menambah gaya tarik-menarik yang kuat tanpa menambah tolakan Coulomb. Mereka bertindak sebagai lem, mengencerkan kepadatan proton. Anda memerlukan lebih banyak neutron seiring bertambahnya jumlah massa agar neutron tidak terbang terpisah.
Keseimbangan yang rumit ini menentukan batas-batas tabel periodik. Ini menjelaskan mengapa beberapa unsur stabil dan yang lainnya membusuk. Hal ini menjelaskan mengapa kita tidak bisa membiarkan alam semesta berubah menjadi tumpukan bola besi. Hambatannya nyata. Fisika itu rumit. Dan energi yang terkunci di dalam tetesan-tetesan berat yang kaya akan neutron itu? Masih menunggu untuk dibuka.
Ketika sebuah inti menjadi bersemangat, ia mulai bergerak. Itu berhenti menjadi bola yang sempurna.
Kekuatan permukaan segera menyerang. Mereka ingin mengembalikan inti atom ke bentuk bulat karena bola meminimalkan tegangan permukaan. Namun ada kekuatan balasan. Proton-proton di dalamnya saling mendorong satu sama lain. Saat inti meregang, proton-proton tersebut semakin menjauh. Tolakan menurun.
Kedua kecenderungan yang berlawanan ini menimbulkan masalah. Sebuah penghalang.
Gambar 2 menunjukkan hal ini dengan jelas. Kurva energi naik pada awalnya. Mengapa? Karena gaya nuklir kuat—perekat yang menyatukan inti atom—bersifat jangka pendek dan kuat. Ini melawan deformasi.
Namun tolakan Coulomb antar proton melemah lebih cepat dibandingkan kenaikan tegangan permukaan. Akhirnya, mereka bertemu di jalan buntu.
Ini poin B.
Lokasi spesifik ini dikenal sebagai “titik pelana”.
Dalam peta energi potensial tiga dimensi, puncak ini tampak seperti pelana kuda. Ini adalah titik resistensi tertinggi sebelum inti membelah. Jika Anda tidak memiliki cukup energi untuk mengatasi pelana ini, tidak akan terjadi apa-apa.
Di luar poin B, aturannya berubah. Tolakan Coulomb mengambil kendali. Ini mendorong inti ke pemanjangan lebih lanjut. Proton mendorong lebih keras daripada yang dapat ditahan oleh tegangan permukaan. Inti atom meregang hingga patah.
Ini titik S, titik potong. Inti atom pecah menjadi dua. Secara kualitatif, fisi hanyalah hasil dari penolakan proton untuk berada di dekatnya.
Fisi terinduksi
Tidak semua inti membelah dengan sendirinya. Ketinggian penghalang energi tersebut bergantung sepenuhnya pada inti mana yang Anda lihat.
Untuk memaksa fisi, Anda harus mengeksitasi inti atom. Anda perlu memukulnya dengan energi yang cukup untuk melewati penghalang. Anda dapat melakukan ini dengan sinar gamma (fotofisi) atau dengan memasukkan partikel ke dalamnya. Neutron, proton, apa pun yang berfungsi.
Di sinilah pentingnya sifat ganjil-genap neutron. Ini mengubah energi pengikat.
Jika Anda menambahkan neutron ke inti yang sudah memiliki jumlah neutron ganjil, Anda akan mendapatkan bilangan genap. Pasangan ini stabil. Energi pengikatnya meningkat.
Jika Anda menambahkan neutron ke inti neutron genap, Anda mendapatkan bilangan ganjil. Perolehan energi ikat lebih kecil.
Perbedaan ini menjelaskan mengapa beberapa material terpecah dengan neutron lambat sementara material lain memerlukan neutron cepat.
Sebagian besar unsur berat tidak stabil dalam proses fisi, namun berada di lubang yang dalam. Mereka membutuhkan tendangan untuk keluar.
- Uranium-233, Uranium-235, Plutonium-239: Memiliki jumlah neutron ganjil. Penambahan satu neutron lagi akan melepaskan energi ikat yang cukup untuk mendorongnya melewati penghalang. Neutron yang lambat dan berenergi rendah bekerja dengan baik.
- Thorium-232, Uranium-238: Jumlah neutronnya genap. Perolehan energi pengikatan terlalu lemah. Anda memerlukan energi kinetik dari neutron yang masuk untuk menutupi perbedaannya. Diperlukan neutron cepat dengan energi sekitar 1 MeV.
Perhitungannya sederhana. Jika energi aktivasi tidak ada, penghalang akan bertahan.
Fisi spontan
Mekanika kuantum itu aneh. Ini berkaitan dengan probabilitas, bukan kepastian.
Bahkan dalam kondisi dasarnya—konfigurasi energi paling rendah, yang berada tepat di bawah penghalang—sistem fisi memiliki peluang yang kecil dan terbatas untuk berada di sisi lain.
Ambil uranium-238. Itu terkurung di dalam penghalang. Tapi terowongan kuantum memungkinkannya menembus dinding. Itu tidak memanjat. Itu melewati.
Ini adalah fisi spontan. Tidak diperlukan pengaruh luar.
Kemungkinannya kecil. Untuk uranium-238, diperlukan waktu lebih dari $10^{15}$ tahun agar separuh materialnya dapat membusuk dengan cara ini. Itu adalah waktu yang lama.
Namun untuk nuklida terberat yang diketahui, kemungkinannya meningkat. Penghalang menjadi lebih tipis. Fisi spontan menjadi modus peluruhan yang dominan. Beberapa inti superberat ini hanya bertahan sepersekian detik.
Ketidakstabilan ini merupakan batas yang sulit. Hal ini mungkin mencegah pembentukan inti yang lebih berat sama sekali. Alam semesta menarik garis di pasir, dan fisi spontan adalah penghapusnya.
Tahapan fisi
Gambar 3 memetakan garis waktu pembelahan inti atom yang berat. Jam di bagian bawah memberitahu kita seberapa cepat hal ini terjadi. Ini bukan luka bakar yang lambat. Ini adalah kekerasan dan seketika.
Kemungkinan terpecah
Ketika inti atom yang berat retak, ia tidak selalu pecah menjadi potongan-potongan yang sama. Neutron dan proton bergerak dengan cara yang tidak dapat diprediksi. Hal ini menciptakan distribusi probabilitas untuk massa dan muatan nuklir.
Para ilmuwan menyebut kemungkinan munculnya fragmen tertentu sebagai hasil fisi. Ini diukur sebagai persentase dari semua fisi yang menghasilkan hasil tertentu.
Begitu nukleusnya patah, kedua bagiannya akan mundur. Mereka bermuatan positif. Tolakan Coulomb di antara mereka sangat besar. Mereka terbang terpisah dengan energi kinetik yang ditentukan oleh muatannya dan jarak antara pusat muatannya pada saat terjadi pemotongan. Bahkan untuk pembelahan massa yang sama, energinya bervariasi. Parameternya bergeser. Kecepatan mundurnya berubah.
Mengupas dan memperlambat
Fragmen-fragmen tersebut bergerak terlalu cepat untuk elektronnya sendiri. Elektron atom tidak dapat mengimbanginya. Mereka dilucuti.
Fragmen fisi terbang terpisah sebagai atom bermuatan tinggi, bukan entitas netral.
Muatan inti tidak segera dinetralkan oleh elektron atom. Fragmennya masih berubah bentuk. Saat kembali ke bentuk stabil, ia melepaskan energi deformasi. Ini diubah menjadi energi eksitasi internal. Neutron menguap. Sinar gamma cepat dipancarkan hampir bersamaan.
Atom-atom yang bergerak cepat dan bermuatan tinggi ini bertabrakan dengan medium yang dilaluinya. Di udara, jangkauannya hanya beberapa sentimeter. Energi kinetik berpindah ke medium sebagai ionisasi dan panas. Atom melambat.
Selama perlambatan ini, ia mengambil elektron dari lingkungan. Itu menjadi netral pada saat berhenti. Sekarang bukan lagi sebuah fragmen. Ini adalah produk fisi.
Nomor massa mungkin telah berubah. Neutron hilang selama transisi. Produknya masih radioaktif. Itu tidak stabil. Ia mengalami peluruhan beta. Skala waktu? Sepersekian detik hingga bertahun-tahun. Emisi beta menghasilkan elektron dan antineutrino. Sinar gamma dan sinar-X sering kali ikut berperan.
Variabel tersembunyi
Distribusi massa, muatan, dan energi kinetik bergantung pada spesies fisi. Mereka juga bergantung pada energi eksitasi dari tindakan tersebut.
Fenomenologinya sangat luas. Ada banyak aspek untuk ditafsirkan. Pertimbangkan sistematika penampang fisi. Itu adalah ukuran kemungkinan terjadinya fisi. Pertimbangkan variasi emisi neutron cepat. Hal ini bervariasi menurut spesies dan perpecahan massa.
Lihatlah distribusi sudut fragmen relatif terhadap berkas partikel. Lihatlah waktu paruh fisi spontan. Lihatlah isomer fisi spontan, yang merupakan keadaan tereksitasi dari inti atom.
Beberapa peristiwa mengeluarkan partikel cahaya seperti hidrogen-3, helium-3, atau helium-4. Tidak selalu. Namun dalam jumlah kecil dan signifikan. Pemancar neutron tertunda ada di antara produk-produk tersebut. Skala waktu setiap tahapan penting. Distribusi pelepasan energi antar partikel dan radiasi sangatlah kompleks.
Diskusi lengkap tentang semua aspek ini tidak mungkin dilakukan di sini. Namun beberapa detail memberikan wawasan. Mereka menawarkan rasa daya tarik.
Distribusi massa fragmen fisi
Cara pecahan fisi terpecah adalah salah satu karakteristik paling menentukan dari keseluruhan proses nuklir. Ini tidak acak. Hal ini sangat bergantung pada dua hal: massa inti yang terbelah dan energi eksitasi yang ada saat pembelahan tersebut terjadi.
Pada energi eksitasi rendah, segala sesuatunya menjadi asimetris. Ambil uranium-235 atau plutonium-239. Mereka tidak terbagi menjadi dua bagian yang sama. Sebaliknya, mereka lebih memilih pembagian yang tidak setara. Hal ini menciptakan distribusi probabilitas berpunuk dua. Kelompok fragmen ringan bergeser ke jumlah massa yang lebih tinggi seiring dengan semakin beratnya inti fisi. Kelompok berat sebagian besar tidak bergerak.
Tingkatkan energinya, dan aturannya berubah.
Perpecahan simetris menjadi lebih mungkin terjadi. Yang asimetris akan hilang. Lembah di antara kedua puncak itu terisi. Pada eksitasi tinggi, kurva menjadi berpunuk tunggal. Hasil maksimum berada tepat pada simetri.
Tidak semua inti bermain dengan aturan yang sama. Isotop radium menunjukkan distribusi berpunuk tiga yang aneh. Nuklida yang lebih ringan tetap berpunuk tunggal dan simetris. Namun mereka memerlukan energi aktivasi yang signifikan untuk melakukan fisi. Lalu ada inti yang sangat berat di dekat fermium-260. Di sini, fisi spontan menghasilkan kurva berpunuk tunggal yang simetris. Energi kinetik dari fragmen yang dihasilkan sangat tinggi.
Memahami distribusi ini merupakan teka-teki besar. Penjelasan teoretis yang lengkap masih sulit dipahami, meskipun terdapat kemajuan yang signifikan.
Bagaimana Rantai Peluruhan Mengembalikan Keseimbangan
Stabilitas memerlukan rasio neutron-proton (n /p ) yang spesifik. Rasio ini harus meningkat seiring dengan meningkatnya jumlah proton. Hingga kalsium (20 proton), rasionya tetap satu. Setelah itu, ia naik. Untuk unsur terberat mencapai sekitar 1,5.
Ketika sebuah inti atom berat mengalami fisi, ia mengeluarkan sejumlah neutron. Ini membantu, tapi tidak cukup. Fragmen yang tersisa masih memiliki rasio n /p yang terlalu tinggi untuk stabilitas. Mereka tidak stabil.
Mereka memperbaikinya melalui peluruhan radioaktif. Khususnya, peluruhan beta-minus. Neutron berubah menjadi proton. Elektron negatif (partikel beta) dan antineutrino dipancarkan. Nomor massanya tetap sama. Nomor atom bertambah satu. Elemen baru lahir dengan setiap konversi.
Peluruhan beta yang berurutan ini membentuk rantai peluruhan produk fisi isobarik. Setiap nomor massa mempunyai rantai tersendiri. Waktu paruh spesies radioaktif ini umumnya meningkat ketika mereka mendekati isobar stabil di ujung garis.
Untuk memperjelas terminologinya:
– Isotop memiliki muatan inti yang sama (Z, proton) namun berbeda dalam jumlah neutron dan nomor massa (A ).
– Isobar memiliki nomor massa yang sama (A ) tetapi nomor atomnya berbeda (Z ).
Pertimbangkan perpecahan massa yang khas dalam fisi uranium-235 yang disebabkan oleh neutron. Jika dua neutron dipancarkan dari fragmen awal, massa komplementer 93 dan 141 akan terbentuk. Pembagian muatan antara fragmen-fragmen ini merupakan parameter penting dalam proses tersebut.
Untuk massa spesifik ini, rantai peluruhan isobarik berlangsung sebagai berikut. Waktu paruh untuk setiap tahap peluruhan beta ditunjukkan di sepanjang panah transisi.
Perhitungan di balik fisi nuklir sangatlah tepat. Jika dilihat lambang suatu unsur, angka terbawah adalah Z (proton) dan angka atas adalah A (massa). Ketika uranium-235 terpecah, ia harus memperhitungkan seluruh 92 proton. Inti atom tidak pecah begitu saja. Itu cenderung terpecah menjadi pasangan yang saling melengkapi. Krypton-36 dan Barium-56. Rubidium-37 dan Cesium-55. Strontium-38 dan Xenon-54. Kombinasi ini menghemat muatan. Itu adalah hasil yang mungkin terjadi.
Hasil Independen vs. Kumulatif
Tidak semua produk fisi tampak sama. Beberapa muncul seketika. Beberapa membutuhkan waktu. hasil independen mengukur seberapa sering nuklida tertentu terbentuk langsung dari fragmen awal setelah mendingin. Itu adalah serangan langsung. Tapi itu bukanlah keseluruhan cerita.
Jika ingin gambaran lengkapnya, Anda memerlukan hasil kumulatif. Ini adalah persentase total nuklida dalam rantai peluruhan. Anda mendapatkannya dengan menambahkan hasil independen dari nuklida tersebut ke hasil setiap prekursor yang meluruh ke dalamnya. Ini adalah permainan penjumlahan. Hasil total seluruh rantai untuk nomor massa tertentu disebut hasil kumulatif.
Hipotesis Perpindahan Muatan Setara
Ahli radiokimia telah mempelajari hal ini selama beberapa dekade. Mereka menemukan sebuah pola. Pembagian muatan yang paling mungkin tidak berpusat pada stabilitas. Itu terlantar. Dan inilah yang menarik: perpindahannya pada jarak yang sama baik pada pecahan ringan maupun berat. Para ilmuwan menyebutnya hipotesis perpindahan muatan yang sama (ECD). Pengukuran fisik telah mendukungnya.
Dalam contoh rubidium-cesium yang saya sebutkan sebelumnya, ECD memperkirakan muatan yang paling mungkin ada di sekitar Rubidium-37 dan Cesium-55. Tapi alam menyukai jalan pintas. Jika sebuah fragmen memiliki 50 proton, efek cangkang yang kuat akan muncul. Hal ini mengacaukan ekspektasi ECD. Distribusi pembentukan muatannya sempit. Itu terlihat Gaussian. Ini hampir sama terlepas dari pemisahan massa atau atom fisi spesifiknya.
Tagihan yang paling mungkin ($Z_p$) adalah konsep yang berguna di sini. Tidak harus berupa bilangan bulat. Ini adalah rata-rata statistik. Ketika energi fisi meningkat, fragmen-fragmen tersebut berusaha mempertahankan rasio neutron-proton ($n/p$) yang sama seperti inti aslinya. Ini disebut distribusi biaya tidak berubah.
Neutron Cepat: Ledakan Segera
Berapa jumlah neutron yang keluar? Ini bervariasi. Jumlah rata-rata per fisi adalah $\bar{\nu}$. Untuk fisi spontan uranium-238, suhunya sekitar 2,0. Untuk fermium-257, melonjak ke 4.0. Untuk fisi uranium-235 yang diinduksi neutron termal, nilainya 2,4.
Tapi $\bar{\nu}$ adalah rata-rata. Setiap peristiwa individu berbeda. Itu tergantung pada bagaimana perpecahan massa terjadi. Masih ada perdebatan tentang berapa banyak neutron yang terbang tepat pada saat terjadi guntingan. Namun, sebagian besar fisikawan setuju bahwa sebagian besar neutron dilepaskan oleh fragmen yang berputar kembali tepat setelah mereka terpecah.
Mengapa? Energi. Fragmen-fragmen tersebut mempunyai energi. Panas eksitasi internal. Energi deformasi disimpan seperti pegas. Ketika fragmen kembali ke bentuk stabilnya, energi tersebut melepaskan neutron. Semakin banyak energi yang dimiliki suatu fragmen, semakin banyak pula neutron yang dimuntahkannya.
Neutron Tertunda: Mekanisme Kontrol
Kebanyakan neutron bersifat cepat. Ada pula yang tertunda. Ini terjadi ketika produk fisi peluruhan beta. Energi peluruhan beta tinggi. Lebih tinggi dari energi ikat neutron pada inti anak. Hal ini biasanya terjadi ketika anakan tersebut memiliki satu atau dua neutron tambahan yang melewati kulit tertutup 50 atau 82. Neutron tambahan tersebut terikat secara longgar.
Peluruhan beta mendorong putrinya menjadi bersemangat. Keadaan tereksitasi yang tidak stabil. Ini memancarkan neutron. Tapi itu tidak instan. Ini tertunda karena waktu paruh pendahulunya. Kami telah mengidentifikasi enam penghasil neutron tertunda. Waktu paruhnya berkisar antara 0,5 detik hingga 56 detik.
Hasil panen mereka kecil. Sekitar 1 persen neutron cepat. Jadi mengapa itu penting? Tanpa mereka, pengendalian reaktor nuklir hampir mustahil dilakukan. Reaksi berantai akan berubah terlalu cepat untuk disesuaikan oleh tangan manusia atau bahkan sebagian besar sistem mekanis. Neutron yang tertunda ini memberi kita waktu. Mereka membuat reaksinya dapat dikendalikan.
Perhitungan Pelepasan Energi
Dari mana datangnya panas? Perbedaan massa. Anda menghitung pelepasan energi total dengan melihat massa sisanya. Reaktan versus produk. Ambil uranium-235 ditambah neutron. Bandingkan dengan produk akhir yang stabil seperti niobium-93 dan praseodymium-141 ditambah dua neutron. Massa tidak kekal. Beberapa di antaranya hilang.
Persamaan Einstein, $E=mc^2$, memberi tahu kita kemana perginya. Itu menjadi energi. Pelepasan total bergantung pada pemisahan massa spesifik. Namun dalam fisi uranium-235 yang diinduksi neutron termal, energinya terdistribusi dalam pola yang dapat diprediksi.
Mayoritas tetap bertahan pada fragmen-fragmen tersebut. Energi kinetik. Fragmen-fragmen tersebut terbang terpisah dengan kecepatan tinggi, bertabrakan dengan atom-atom di sekitarnya, menciptakan panas. Lalu ada neutron. Mereka membawa energi kinetik. Sinar gamma melepaskan energi secara instan. Partikel beta dan neutrino membawa energi selama peluruhan. Sayangnya, neutrino lolos seluruhnya. Mereka membawa energi dan tidak pernah melepaskannya.
Inilah sebabnya mengapa desain reaktor sangat rumit. Anda mengelola panas dalam benda padat, radiasi dalam ruang hampa, dan partikel yang keluar ke luar angkasa. Matematikanya bersih. Kenyataannya berantakan. Dan distribusi energi menentukan seberapa panas inti Anda.
Fisika energi yang hilang dan model nuklir
Tidak semua neutron yang ditangkap di inti reaktor tetap berada di tempatnya. Beberapa diantaranya lolos seluruhnya, dan pelepasan energi dari neutron cepat tersebut bergantung pada bagaimana mereka akhirnya dihentikan. Pelepasan energi yang cepat ini terjadi dalam skala waktu sekitar $10^{-12}$detik. Sebagian besar diubah menjadi panas di dalam reaktor yang beroperasi dan digunakan untuk pembangkit listrik.
Namun ada juga pelepasan energi yang tertunda. Hal ini berasal dari peluruhan radioaktif produk fisi, yang waktu paruhnya bervariasi dari sepersekian detik hingga beberapa tahun. Spesies yang berumur lebih pendek membusuk di dalam reaktor, dan energinya menambah panas yang dihasilkan; namun, spesies yang berumur lebih panjang tetap bersifat radioaktif dan menimbulkan masalah dalam penanganan dan pembuangan elemen bahan bakar reaktor ketika perlu diganti.
Antineutrino yang menyertai peluruhan beta produk fisi tidak reaktif, dan energi kinetiknya (sekitar 10 MeV per fisi) tidak diperoleh kembali. Secara keseluruhan, sekitar 200 MeV energi per fisi dapat diperoleh kembali untuk aplikasi daya.
Tantangan ketepatan teoritis
Fisi nuklir adalah proses kompleks yang melibatkan penataan ulang ratusan nukleon dalam satu inti untuk menghasilkan dua inti terpisah. Pemahaman teoritis yang lengkap tentang reaksi ini memerlukan pengetahuan rinci tentang gaya-gaya yang terlibat dalam pergerakan masing-masing nukleon melalui proses tersebut. Karena pengetahuan tersebut masih belum tersedia, maka perlu untuk membangun model sederhana dari sistem aktual untuk mensimulasikan perilakunya dan mendapatkan gambaran seakurat mungkin tentang langkah-langkah dalam proses tersebut. Keberhasilan dan kegagalan model dalam memperhitungkan berbagai observasi proses fisi dapat memberikan wawasan baru mengenai fisika fundamental yang mengatur perilaku inti atom, khususnya pada deformasi inti besar yang terjadi pada inti yang mengalami fisi.
Kerangka pemahaman reaksi nuklir serupa dengan kerangka reaksi kimia dan melibatkan konsep permukaan energi potensial tempat reaksi terjadi. Kekuatan pendorong reaksi fisika atau kimia adalah kecenderungan untuk menurunkan energi potensial dan meningkatkan stabilitas sistem. Jadi, misalnya, sebuah batu di puncak bukit akan menggelinding menuruni bukit, mengubah energi potensialnya di puncak menjadi energi kinetik gerak, dan akan berhenti di dasar dalam keadaan lebih stabil dengan energi potensial lebih rendah. Energi potensial dihitung sebagai fungsi dari berbagai parameter sistem yang sedang dipelajari. Dalam kasus fisi, energi potensial dapat dihitung sebagai fungsi dari bentuk sistem saat ia melewati penghalang menuju titik potong, dan jalur energi potensial terendah dapat ditentukan.
Seperti yang telah dijelaskan, penghitungan energi potensial nuklir secara pasti belum dapat dilakukan, dan untuk memperkirakan penghitungan inilah berbagai model telah dibangun untuk mensimulasikan sistem sebenarnya. Beberapa model dikembangkan untuk mengatasi aspek struktur nuklir dan spektroskopi serta fitur reaksi nuklir, dan model tersebut juga telah digunakan dalam upaya untuk memahami kompleksitas fisi nuklir. Model-model tersebut didasarkan pada asumsi-asumsi dan perkiraan-perkiraan berbeda mengenai sifat gaya-gaya nuklir dan dinamika jalur menuju pemutusan hubungan kerja. Tidak ada satu model pun yang dapat menjelaskan seluruh fenomenologi fisi yang luas, namun masing-masing model membahas aspek proses yang berbeda dan memberikan landasan untuk pengembangan lebih lanjut menuju teori yang lengkap.
Tetesan Cairan dan Misteri Asimetri
Inti atom tidak hanya diam di sana. Itu bergerak. Terkadang semuanya bergoyang seperti setetes air. Di lain waktu, partikel-partikel individu menari di jalurnya masing-masing. Dualitas ini membingungkan fisikawan selama beberapa dekade.
George Gamow mulai menggelindingkan bola pada tahun 1935. Dia menggambarkan inti atom sebagai tetesan cairan yang tidak dapat dimampatkan. Niels Bohr mengambil ide itu dan menjalankannya. Pada tahun 1939, Bohr dan John A. Wheeler telah menggunakan model tetesan cairan untuk menjelaskan fisi nuklir. Konsepnya sederhana. Anda menembakkan neutron ke dalam inti. Itu diserap. Energinya menyebar. Inti atomnya bergetar. Akhirnya, itu terpecah.
Model ini bekerja dengan baik untuk gambaran besarnya. Hal ini menunjukkan bagaimana gaya nuklir kuat yang mencoba menyatukan benda-benda bersaing dengan tolakan listrik antara proton yang mencoba memisahkannya. Namun ternyata ada kesalahan yang fatal. Diperkirakan bahwa ketika sebuah inti terbelah, ia akan pecah menjadi dua bagian yang sama besar. Simetris. Membersihkan.
Hal itu tidak terjadi.
Fisi menghasilkan massa yang tidak sama. Satu potong itu besar. Yang lainnya kecil. Model tetesan cairan tidak dapat menjelaskan asimetri massa ini. Ia juga berjuang melawan massa negara bagian dan hambatan fisi. Untuk inti yang sangat tereksitasi, modelnya baik-baik saja. Untuk yang stabil? Tidak terlalu banyak.
Kerang dan Angka Ajaib
Para ilmuwan membutuhkan sudut pandang yang berbeda. Mereka berhenti memandang nukleus sebagai gumpalan. Mereka mulai melihat partikel individual.
Bayangkan sebuah nukleon bergerak melalui medan yang diciptakan oleh nukleon lainnya. Ini adalah potensi rata-rata. Sebuah sumur berbentuk bola. Mekanika kuantum memecahkan masalah pergerakan partikel di dalam sumur tersebut. Hasilnya? Tingkat energi.
Neutron dan proton memiliki tingkatannya masing-masing. Mereka dikelompokkan menjadi cangkang. Sama seperti elektron dalam atom. Sejumlah nukleon tertentu mengisi cangkang ini sepenuhnya. Ini adalah angka ajaib.
2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.
Inti dengan angka-angka ini sangat stabil. Mereka mengikat dengan erat. Maria Goeppert Mayer dan J. Hans D. Jensen meresmikan hal ini pada tahun 1949. Mereka menyebutnya model cangkang bola. Juga dikenal sebagai model partikel independen.
Ini menjelaskan massa negara bagian. Ini menjelaskan putaran nuklir. Ini menjelaskan mengapa beberapa keadaan tereksitasi bertahan lebih lama dibandingkan yang lain (isomer). Jika inti atom berbentuk bola dan mendekati angka ajaib, modelnya sangat bagus.
Tapi bagaimana dengan tabel periodik lainnya?
Inti yang Cacat
Ambil lantanida dan aktinida. Lantanum melalui Lutetium. Aktinium melalui Lawrensium. Jumlah nukleon mereka berada di antara angka ajaib.
Model cangkang bola gagal di sini. Inti atom ini tidak berbentuk bola. Mereka cacat. Mereka berbaring. Mereka terlihat seperti sepak bola. Atau semangka.
Pada tahun 1955, Aage Bohr, Ben R. Mottelson, dan Sven G. Nilsson turun tangan. Mereka menghitung gerak nukleon dalam potensial bola. Bukan bola. Sebuah bola.
Sebuah bola mempunyai tiga sumbu simetri. Itu bisa berputar. Rotasi terjadi secara independen dari eksitasi internal nukleon. Inti atom juga bisa bergetar. Itu bisa berdenyut.
Pendekatan hibrid ini menggabungkan gerak partikel independen dengan gerak kolektif seluruh sistem. Rotasi. Getaran. Struktur cangkang.
Mereka menyebutnya model terpadu. Itu menjadi model cangkang yang cacat.
Itu bukan sekedar perubahan. Itu adalah perubahan dalam cara kita memandang inti atom. Nukleus bukan sekedar setetes. Ini bukan hanya kumpulan bola yang terisolasi. Ini adalah objek yang dinamis dan dapat diubah bentuknya.
Mengapa ini penting?
Karena fisi nuklir bukan hanya tentang menghancurkan sesuatu. Ini tentang memahami struktur yang menampungnya. Asimetri fisi terkait dengan efek cangkang ini. Tingkat energi bergeser seiring dengan deformasi inti. Jalan menuju perpecahan menjadi rumit.
Kami masih menggunakan model tetesan cairan. Ini berguna untuk tabrakan berenergi tinggi. Tapi untuk detail halusnya? Untuk perpecahan massal? Untuk kestabilan unsur berat? Anda memerlukan model shell. Anda memerlukan deformasi.
Kisah tentang inti atom adalah kisah tentang model-model yang bersaing ini. Menjatuhkan. Kerang. Bersatu. Mereka tidak membatalkan satu sama lain. Mereka berlapis di atas satu sama lain.
Kami masih menyempurnakan parameternya. Masih mengoptimalkan potensi yang ada. Inti atom tetap menjadi salah satu sistem skala kecil paling kompleks yang kita ketahui.
Dan kita bahkan belum mulai mempelajari quark di dalam proton.
Aage Bohr menerapkan model terpadu pada fisi dengan memperlakukan keadaan tereksitasi suatu sistem sebagai fungsi parameter deformasi. Bayangkan parameter ini sebagai pemanjangan—peregangan fisik inti saat bergerak menuju pembelahan. Bohr mengevaluasi keadaan-keadaan ini pada titik pelana. Ini adalah puncak dari penghalang energi.
Inilah hasil tangkapannya. Setelah sistem mencapai titik pelana, sebagian besar energi eksitasinya digunakan untuk mendeformasi inti. Sistem menjadi “dingin”. Ia hanya mempunyai sedikit energi panas yang tersisa. Hanya negara-negara tereksitasi dataran rendah yang tersedia. Di sinilah segalanya menjadi rumit bagi para ahli teori.
Bagaimana Spin dan Paritas Mendikte Jalur Fisi
Putaran dan paritas saluran spesifik yang ditempati sistem pada titik pelana menentukan hasil fisi. Hal ini dikenal sebagai analisis keadaan transisi. Secara kualitatif, hal ini menjelaskan beberapa karakteristik utama dari proses tersebut.
Ambang batas fisi bergantung pada putaran dan paritas keadaan inti gabungan. Distribusi sudut fragmen diatur oleh momentum sudut rotasi kolektif keadaan tersebut. Asimetri dalam distribusi massa dihasilkan dari melewati penghalang dalam keadaan paritas negatif. Paritas negatif tidak memiliki simetri refleksi.
“Ini adalah satu-satunya model yang memberikan interpretasi yang memuaskan mengenai distribusi sudut fragmen fisi.”
Model ini berfungsi dengan baik, namun memiliki asumsi besar. Hal ini mengasumsikan sifat-sifat keadaan transisi pada titik sadel tidak diubah oleh pertimbangan dinamik selama turun ke titik potong. Ini adalah “jika” yang besar. Meski begitu, model tersebut tetap penting. Setiap teori fisi yang lengkap harus menyertakan fitur-fiturnya yang menarik.
Mengapa Angka Ajaib Penting untuk Pembagian Massal
Penggunaan pertama model cangkang bola dalam fisi lebih sederhana. Ia mengakui bahwa puncak distribusi massa fisi berkorelasi dengan angka ajaib. Hal ini menyarankan interpretasi kualitatif pembagian massa asimetris.
Inti lebih menyukai stabilitas. Preferensi untuk membentuk inti dengan jumlah neutron mendekati 82 akan mendukung puncak kelompok berat. Hal ini menentukan pemisahan massa untuk sistem fisi. Lihat Gambar 4 pada data asli.
Stabilitas ekstra untuk 50 proton diharapkan. Hal ini tidak terlalu terlihat dalam data. Ambil timah-132. Ini adalah inti ajaib ganda dengan 50 proton dan 82 neutron. Hasil fisi berenergi rendah agak rendah. Modelnya tidak sempurna.
Peter Fong dan Pendekatan Statistik
Peter Fong di Amerika Serikat membuat penerapan yang lebih kuantitatif pada tahun 1956. Ia menggunakan pendekatan model statistik. Dia menghubungkan kemungkinan pembentukan sepasang fragmen tertentu dengan kepadatan keadaan yang tersedia pada titik potong.
Logikanya jelas. Gerakan acak berarti sistem mengalami semua kemungkinan konfigurasi. Kemungkinannya lebih tinggi untuk berada di wilayah di mana jumlah konfigurasi terbanyak terkonsentrasi. Model ini mengasumsikan energi potensial pada titik sadel diubah menjadi energi eksitasi. Keseimbangan statistik di antara semua negara bagian terbentuk pada titik pemotongan.
Inti atom dengan cangkang tertutup mempunyai energi ikat ekstra. Hal ini menyebabkan kepadatan keadaan yang lebih tinggi pada energi eksitasi tertentu. Inti lainnya tidak. Hal ini menciptakan kemungkinan pembentukan yang lebih tinggi untuk konfigurasi cangkang tertutup. Hasilnya adalah distribusi massa yang asimetris. Hal ini sesuai dengan pengamatan fisi uranium-235 yang diinduksi neutron.
Masalah Kesetimbangan Titik Gunting
Perubahan distribusi massa dengan peningkatan energi eksitasi juga dijelaskan. Ketika energi eksitasi meningkat, pentingnya efek shell menurun. Hal ini meningkatkan kemungkinan fisi simetris dibandingkan dengan fisi asimetris.
Fitur-fitur lainnya dijelaskan secara kualitatif. Namun, perubahan besar dalam parameter model diperlukan agar sesuai dengan eksperimen nuklida fisi lainnya. Ada masalah mendasar dengan asumsi dasar.
Pertanyaan inti untuk model titik gunting adalah validitas. Apakah sistem tetap berada pada titik potong cukup lama pada penurunan tajam permukaan energi potensial? Apakah ada waktu untuk mewujudkan kondisi kuasi-ekuilibrium?
Ada beberapa bukti bahwa kondisi seperti itu memang terjadi. Hal ini tidak ditetapkan dengan jelas. Meski begitu, model ini terbukti bermanfaat. Mereka menafsirkan pengamatan distribusi massa, muatan, dan energi kinetik. Mereka menjelaskan ketergantungan emisi neutron pada massa fragmen.
Struktur cangkang fragmen kemungkinan besar memainkan peran penting. Ini menentukan jalannya proses fisi. Detailnya masih belum terselesaikan. Fisikanya berantakan.
Model tetesan cair bagus untuk bentuk umum. Mereka gagal ketika inti meregang. Secara khusus, mereka kehilangan biaya energi permukaan pada deformasi yang besar. Ini adalah masalah fisi.
V.M. Strutinskii memperbaikinya pada tahun 1967. Dia adalah seorang fisikawan Rusia. Dia mengusulkan model hybrid. Ini menambahkan efek cangkang pada potensi tetesan cairan. Bagian tetesan cairan menjaga permukaan kolektif dan efek Coulomb. Koreksi cangkang bergantung pada deformasi. Koreksi ini bisa mencapai beberapa juta elektron volt. Hal ini membuat penghalang tetesan cairan menjadi kerdil sekitar 5 MeV.
Stabilitas cangkang berubah seiring dengan bentuknya. Angka ajaib bergeser dari nilai bola. Di dekat penghalang fisi, hal ini menciptakan struktur pada kurva energi. Gambar 7 menunjukkan hal ini. Kedua puncak tersebut bervariasi berdasarkan massa dan muatan.
Penghalang Berpunuk Ganda Menjelaskan Isomer
Bentuk berpunuk ganda ini memecahkan teka-teki fisi. Ada isomer fisi spontan berumur pendek. Mereka tinggal di sumur kedua. negara bagian kelas II. Hambatan untuk keluar lebih kecil. Waktu paruh lebih pendek.
Negara-negara bagian ini berbeda bentuknya. Negara bagian Kelas I kembali ke keadaan dasar melalui emisi gamma. Negara-negara Kelas II menghalangi hal ini. Mereka adalah isomer bentuk. Penghalang berpunuk ganda juga menjelaskan penampang fisi yang disebabkan oleh neutron. Ini menyusun distribusi sudut fragmen.
Metode Strutinskii mendorong perhitungan. Ini menangani efek makroskopis dan mikroskopis secara konsisten. Fisikawan Amerika W.J. Swiatecki dan James R. Nix memimpin penelitian ini. Mereka memetakan permukaan energi potensial. Beberapa karya bahkan menyentuh evolusi dinamis.
Asimetri dan Titik Gunting
Aktinida menunjukkan asimetri pada penghalang kedua. Pemisahan massa asimetris memiliki energi yang lebih rendah. Perpecahan simetris lebih disukai nantinya. Potensi tunggal gagal pada deformasi besar. Ia tidak dapat menangani dua fragmen pembentuk dengan baik.
Diskontinuitas terjadi pada saat pemotongan. Hasil bergantung pada perlakuan sistem sebagai satu atau dua inti. Potensi dua pusat membantu. Ini menggunakan bidang yang tumpang tindih. Ini cocok dengan perilaku satu pusat pada deformasi kecil. Ini cocok dengan perilaku terpisah pada deformasi besar.
Hal ini menunjukkan pembentukan cangkang fragmen sejak dini. Model titik potong mungkin memiliki asumsi yang lemah. Namun mereka cocok dengan observasi. Model Argonne Scission-Point adalah kuncinya. Ia menggunakan cangkang fragmen yang cacat. Ini mencakup interaksi melalui leher. Ini memprediksi distribusi massa, muatan, dan energi kinetik. Ini mencakup ketergantungan emisi neutron. Itu tidak memprediksi kemungkinan fisi. Atau distribusi sudut.
Koreksi cangkang memudar dengan energi eksitasi. Perilaku makroskopis mengambil alih.
Angka Ajaib Mendorong Pembelahan Simetris
Fermium-264 mengalami fisi simetris. Energi kinetik pecahan sangat tinggi. Mengapa? Stabilitas angka ajaib. 50 proton. 82 neutron.
Dua pecahan timah-132 terbentuk. Ini adalah keajaiban ganda. Ini sangat disukai. Fisi uranium atau plutonium pada energi rendah tidak mendukung dua fragmen tersebut. Hanya satu.
Fragmen Timah-132 berbentuk bola. Tidak cacat. Konfigurasi ringkas saat pemotongan. Pusat muatan saling berdekatan. Hasil energi kinetik yang lebih tinggi.
Fisikanya jelas. Struktur itu penting. Permukaan energi tidak mulus. Mereka punya sumur. Dan hambatan. Dan diskontinuitas. Kami masih memetakannya.
Efek cangkang tetap penting untuk proses fisi. Hal ini berlaku baik kita melihat sistem fisi pada titik sadel atau pecahan terdeformasi di dekat titik potong. Sifat mekanika kuantum ini membantu menjelaskan banyak fitur yang diamati. Namun kami masih belum memiliki jawaban yang jelas mengenai tahap pasti penentuan distribusi fragmen.
Bahan-bahan untuk pemahaman yang masuk akal tentang fisi ada di sana. Hanya saja teori-teori tersebut belum disintesis menjadi sebuah teori yang lengkap dan dinamis.
Pendekatan Adiabatik
Perhatikan dinamika penurunannya. Sistem bergerak pada permukaan energi potensial dari titik sadel ke titik potong. Salah satu pandangan ekstrem adalah pendekatan adiabatik. Model ini mengasumsikan gerak kolektif sistem berlangsung lambat. Atau mungkin hubungan antara derajat kebebasan partikel tunggal kolektif dan internal lemah.
Jika hal ini benar, gerakan partikel tunggal yang cepat dapat dengan mudah menyesuaikan diri dengan perubahan bentuk inti fisi. Ia berkembang menuju pemotongan tanpa mengganggu keadaan internalnya. Perubahan terjadi tanpa memperoleh atau kehilangan energi panas.
Penurunan energi potensial antara titik pelana dan titik gunting akan tampak terutama dalam derajat kebebasan kolektif pada saat pemotongan dan diasosiasikan dengan energi kinetik dari gerak relatif dari fragmen yang baru lahir.
Ini dikenal sebagai energi kinetik pra-gunting. Energi tersebut digunakan untuk menggerakkan pecahan-pecahan tersebut saat mereka terbang terpisah.
Transfer Energi Non-Adiabatik
Ekstrem sebaliknya melibatkan gerakan kolektif yang lebih cepat. Atau kopling yang lebih kuat dengan gerakan partikel. Di sini, energi kolektif diubah menjadi eksitasi internal. Ini menjadi energi panas untuk nukleon.
Anggap saja seperti pemanasan karena gerakan fluida kental. Gesekan antar lapisan menghasilkan panas. Dalam proses non-adiabatik ini, pencampuran derajat kebebasan partikel tunggal mungkin terjadi secara sempurna. Model statistik mungkin dapat diterapkan pada titik pemotongan.
Jalan Tengah
Kedua ekstrem tersebut merupakan perkiraan. Mereka mewakili perilaku kompleks yang disederhanakan untuk dianalisis. Bukti eksperimental dapat mendukung interpretasi tergantung pada inti spesifik atau energi yang terlibat.
Alam jarang masuk ke dalam kotak biner. Kebenarannya mungkin terletak di antara kedua ekstrem ini. Mekanisme adiabatik dan non-adiabatik mungkin berperan dalam proses fisi. Interaksi antara perubahan bentuk makroskopis dan penyesuaian kuantum mikroskopis tetap menjadi salah satu pertanyaan terbuka dalam fisika nuklir. Kami tahu bagian-bagiannya. Kami hanya belum memasangkannya.
Fisi tidak hanya terjadi sekali. Itu menyebar. Ketika sebuah inti membelah, ia mengeluarkan neutron. Jika neutron tersebut mengenai atom fisil lain, atom tersebut juga akan terpecah. Ini melepaskan lebih banyak neutron. Rantai itu tumbuh. Atau mati.
Perhitungan di balik ini sederhana namun mematikan. Kita mengukurnya dengan k, faktor perkaliannya. Ini adalah rasio fisi dalam satu generasi dengan generasi terakhir.
- Jika k kurang dari 1, reaksi gagal.
- Jika k sama dengan 1, denyut nadi Anda stabil. Pertemuan yang kritis.
- Jika k lebih besar dari 1, rantai akan meledak. Sangat kritis.
Rakitan penting bukan sekadar sebongkah logam. Ini adalah sistem yang dirancang dengan cermat. Anda memerlukan bahan fisil, biasanya logam atau oksida. Anda memerlukan moderator untuk memperlambat neutron. Anda memerlukan reflektor untuk memantulkan neutron liar kembali ke inti agar tidak lolos.
Fisika Bom vs. Pembangkit Listrik
Dalam sebuah bom, kecepatan adalah segalanya. Anda ingin k setinggi mungkin. Anda ingin waktu antar langkah menjadi semakin kecil. Tujuannya adalah melepaskan energi besar-besaran dalam waktu sekitar 10^-7 detik.
Pertimbangkan skalanya. Satu kilogram uranium-235 yang mengalami fisi melepaskan energi setara dengan 20.000 ton TNT. Itu adalah pembunuh kota dalam satu kilogram.
Reaktor berbeda. Mereka tidak ingin meledak. Mereka ingin bersenandung. Dalam reaktor keadaan tunak, k tetap pada 1. Namun secara praktis? Anda tidak bisa menyimpannya tepat di angka 1. Anda mendesainnya agar sedikit di atas 1.
Mengapa? Karena keadaan memburuk.
Bahan bakar terbakar. Itu menghabiskan. Produk fisi terakumulasi. Beberapa produk sampingan ini adalah “racun”. Mereka memakan neutron. Mereka menurunkan k. Jika Anda memulai tepat pada angka 1, reaktor akan mati sebelum Anda mendapatkan daya yang berguna. Memulai sedikit lebih tinggi memungkinkan Anda mengkompensasi kehilangan bahan bakar dan penumpukan racun.
Anda juga perlu menghemat sejumlah neutron. Anda dapat menggunakannya untuk penelitian atau membuat isotop radioaktif untuk keperluan medis dan industri.
Batang kendali memungkinkan hal ini. Ini adalah batang bergerak yang terbuat dari bahan penyerap neutron seperti boron, kadmium, atau hafnium. Geser ke dalam, dan k jatuh. Tarik mereka keluar, dan k bangkit.
Tapi ini tidak instan. Berkat pemancar neutron tertunda di antara produk fisi, terdapat jeda antar generasi neutron. Penundaan kecil ini memberikan waktu bagi operator manusia dan sistem mekanis untuk bereaksi. Tanpanya, pengendalian reaktor tidak mungkin dilakukan.
Reaktor Termal, Menengah, dan Cepat
Tidak semua reaktor bekerja dengan cara yang sama. Mereka diklasifikasikan berdasarkan energi neutron yang menggerakkan rantai.
Reaktor Termal
Ini adalah yang paling umum. Mereka mengandalkan neutron “termal”. Ini adalah neutron lambat, bergerak dengan kecepatan sebanding dengan molekul gas pada suhu kamar.
Fisi menghasilkan neutron yang cepat. Energi kinetik rata-rata lebih dari 1 MeV. Terlalu cepat untuk membelah atom uranium-235 lainnya secara efisien. Anda perlu memperlambatnya. Itu tugas moderator.
Moderator umum:
– Air biasa
– Air berat (D2O)
– Grafit
Reaktor Menengah
Ini mempertahankan rantai dengan neutron berenergi menengah. Mereka mungkin menggunakan berilium sebagai moderator. Kurang umum, namun berguna dalam desain tertentu.
Reaktor Cepat
Tidak diperlukan moderator. Di sini, neutron fisi cepat yang bekerja. Mereka menjaga reaksi berantai tetap berjalan tanpa melambat. Hal ini memerlukan komposisi dan desain bahan bakar yang berbeda namun dapat lebih efisien dalam hal penggunaan bahan bakar.
Setiap jenis membutuhkan cara untuk menghilangkan panas. Anda tidak dapat mengeringkan reaktor. Pendingin bervariasi berdasarkan desain:
– Air
– Bensin
– Logam cair
Pemilihan cairan pendingin bergantung pada tekanan, suhu, dan kebutuhan stabilitas kimia.
Melampaui Listrik: Kegunaan Produk Fisi
Setelah reaktor berjalan dan bahan bakar habis, limbahnya bukan sekadar sampah. Ini adalah sumber daya. Produk fisi yang dihasilkan selama operasi mengandung banyak isotop radioaktif.
Beberapa di antaranya berumur pendek dan berbahaya. Lainnya cukup stabil untuk dipanen.
Isotop medis adalah target utama. Technetium-99m, yang digunakan dalam pencitraan diagnostik, seringkali merupakan produk sampingan dari fisi. Yodium-131 mengobati kondisi tiroid. Strontium-90 mendukung alat pacu jantung dan radio jarak jauh.
Aplikasi industri juga sama luasnya. Radioisotop digunakan untuk radiografi untuk memeriksa lapisan las pada pipa. Mereka mengukur ketebalan di jalur produksi. Mereka mensterilkan peralatan medis tanpa panas, menjaga bahan-bahan sensitif.
“Sampah” dari satu perspektif adalah bahan baku untuk industri lain. Proses yang sama yang menghasilkan tenaga juga menghasilkan peralatan untuk pengobatan dan industri modern.
Perbedaan antara produksi energi dan produksi material bersifat artifisial. Dalam siklus yang dirancang dengan baik, keduanya merupakan keluaran fluks neutron yang sama.
Reaktor nuklir, pada intinya, adalah tungku. Ini menghasilkan uap atau gas panas. Keluaran ini melakukan dua hal. Mereka memberikan panas langsung. Atau mereka menggerakkan turbin untuk memutar generator listrik.
Ini adalah kisah yang akrab. Pembangkit listrik komersial menggunakan teknologi ini secara global. Angkatan Laut menggunakannya untuk menggerakkan kapal selam dan kapal permukaan. Tapi ceritanya berakhir di situ hanya jika Anda melihat dasar-dasarnya. Kegunaan sebenarnya dari mesin-mesin ini jauh melampaui jaringan listrik.
Mengapa Fluks Neutron Tinggi Penting
Reaktor mempunyai peran penting dalam ilmu material. Mereka memberikan fluks neutron yang intens. Para ilmuwan menggunakan ini untuk mempelajari bagaimana material berperilaku di bawah tekanan. Mereka menggunakannya untuk menyelidiki struktur atom. Tapi ada jalan keluar lain di sini. Berbagai macam radionuklida.
Radionuklida ini bukan sekadar produk limbah. Selain produk fisi, mereka juga menemukan banyak kegunaan. Anda dapat menemukannya dalam perawatan medis. Anda dapat menemukannya di radiografi industri. Reaktor adalah pabrik isotop.
Keunggulan Baterai Atom
Panas dari peluruhan radioaktif mempunyai trik lain. Itu dapat diubah langsung menjadi listrik. Hal ini terjadi melalui efek termoelektrik pada bahan semikonduktor. Hasilnya adalah baterai atom.
Ini tidak seperti baterai di telepon Anda. Mereka tahan lama. Mereka bergantung pada isotop tertentu. Beberapa memancarkan partikel beta. Strontium-90 adalah salah satu contohnya. Promethium-147 adalah contoh lainnya. Yang lain memancarkan partikel alfa. Plutonium-238 termasuk dalam kategori ini. Curium-244 juga digunakan.
Mengapa menggunakan ini pada baterai tenaga surya atau kimia? Karena mereka bekerja tanpa sinar matahari. Mereka bekerja dalam cuaca yang sangat dingin. Mereka bekerja selama beberapa dekade tanpa pemeliharaan.
Tempat Kami Meletakkannya
Hal ini menjadikannya ideal untuk tempat-tempat yang tidak mudah dijangkau manusia. Atau tempat-tempat yang tidak memungkinkan untuk mengisi bahan bakar.
Ambil alat pacu jantung. Model awal menggunakan baterai nuklir ini. Mereka hidup lebih lama dari hati manusia. Mereka menjaga pasien tetap hidup ketika sumber listrik lain mati.
Mereka juga penting untuk fasilitas tak berawak yang terpencil. Pikirkan tentang pesawat luar angkasa. Misi Voyager menggunakan sumber tenaga plutonium-238. Panel surya bukanlah pilihan yang jauh dari sinar matahari.
Perhatikan wilayah kutub. Arktik dan Antartika mempunyai musim dingin yang panjang. Sinar matahari langka. Baterai nuklir menjaga instrumen tetap berjalan.
Laut terbuka juga menghadirkan tantangan serupa. Stasiun pemantauan laut dalam membutuhkan sumber listrik yang tidak cepat bocor atau terkorosi. Isotop ini memberikan stabilitas.
Dampak Dunia Nyata
Penerapan radioaktivitas lebih dari sekedar tenaga listrik. Ada juga kegunaan praktis untuk radionuklida lain. Mereka membantu mendiagnosis penyakit. Mereka mensterilkan peralatan medis. Mereka menelusuri aliran cairan di sumur minyak.
Saat Anda melihat reaktor nuklir, yang Anda lihat bukan sekadar pembangkit listrik. Ini adalah sumber presisi. Ini adalah alat untuk penemuan. Ini adalah sistem pendukung kehidupan di lingkungan paling keras di Bumi dan sekitarnya.
Ilmu pengetahuan itu rumit. Aplikasinya ada dimana-mana. Anda hanya perlu tahu di mana mencarinya.
