¿Por qué es más probable que los neutrones lentos rompan los núcleos U que los neutrones rápidos?

Answer 1

Parafraseando lo que otros han dicho aquí, cuando se trata de física, sea muy escéptico con su intuición.

Aquí hay excelentes respuestas, así que pensé en agregar una o dos notas.
Los neutrones no solo se rompen en núcleos y los rompen en pedazos. Un neutrón que incide puede ser absorbido en el núcleo objetivo. Cuando eso sucede, el núcleo cambia de carácter.

Podría convertirse en un isótopo más pesado, pero bastante estable; Ese es el resultado habitual. Ese isótopo más pesado podría ser radiactivo, en cuyo caso se descompondrá, a través de la desintegración alfa (que emite un núcleo de helio), la desintegración beta (que emite un electrón), o mediante fisión espontánea (que produce dos “hijas” de fisión, radiación gamma y posiblemente un neutrón o dos).

La otra posibilidad es que el núcleo se vuelva extremadamente inestable. En ese caso, el núcleo recién formado se somete a fisión.

Cuanto más tiempo permanezca un neutrón incidente cerca del núcleo objetivo, mayores serán las posibilidades de que el núcleo lo capture. Imagine dejar caer una lavadora en un chasis de computadora estrecho. Tienes que sacar la maldita cosa, pero no puedes alcanzarla, así que sondas con un destornillador con punta de cinta enrollada. La mejor manera de enganchar la lavadora es sondear lenta y cuidadosamente. Moviéndose rápidamente, es más probable que tire la arandela antes de que el adhesivo de la cinta se adhiera bien.

Por lo tanto, los neutrones térmicos (también conocidos como neutrones lentos) siempre tienen más probabilidades de ser capturados que los neutrones rápidos.

Ahora que nuestro núcleo objetivo ha capturado un neutrón itinerante y se ha convertido en un isótopo diferente, tenemos que considerar lo que sucede a continuación. Eso depende de dos cosas: la energía cinética del neutrón capturado y la estabilidad relativa del núcleo modificado.

Para los isótopos fisionables , como el U-238, el neutrón capturado debe proporcionar mucha energía extra para inducir la fisión en el núcleo modificado; Debe ser un neutrón rápido . Como hemos visto, los neutrones rápidos no se capturan muy fácilmente.

Para los isótopos fisionables , como el U-235, el núcleo recién formado es muy inestable. El neutrón capturado no necesita proporcionar mucha energía extra para inducir la división del nuevo núcleo.

¿Por qué llamamos isótopos como U-238 fisionables, entonces? Podemos entonces someternos a fisión, pero solo con neutrones rápidos difíciles de capturar. En la práctica, eso significa bombardear una masa de U-238 con una gran cantidad de neutrones. Sobre una base por neutrón, las probabilidades de captura son muy bajas, pero no cero. Si sigues arrojando neutrones rápidos al U-238, tarde o temprano, obtendrás una fisión.

Una cosa que garantiza que producirá un enorme flujo de neutrones es una reacción nuclear en cadena desbocada: una bomba nuclear. Una vez que comience la explosión, ya no tendrá que preocuparse por los neutrones térmicos. Tienes más neutrones de los que podrías capturar. Este es un punto clave para cualquier arma nuclear: necesitamos neutrones térmicos solo para comenzar el proceso.

En los reactores nucleares construidos para producir energía, configuramos las cosas para que no generemos un alto flujo de neutrones. Nunca tenemos una reacción en cadena desbocada . Necesitamos esos neutrones térmicos fáciles de capturar para mantener una reacción en cadena apenas sostenible. Por cierto, esta es la razón por la cual los reactores nucleares nunca pueden producir una explosión nuclear.

EDITAR: Como señala el usuario-10185532933882708813, no obtendrá cantidades significativas de fisión U-238 en bombas de fisión pura. Necesita los neutrones altamente energéticos de las reacciones de fusión para que la fisión U-238 funcione a niveles significativos.

Esto es importante porque la mayoría de las bombas de fisión usan manipuladores U-238. Un sabotaje es un proyectil masivo alrededor del núcleo de la bomba. Mantiene el núcleo unido durante unos pocos microsegundos más antes de que la explosión explote el núcleo y detenga la reacción nuclear desbocada. Esos pocos microsegundos le dan un gran impulso en el rendimiento explosivo. En armas de fisión pura, el sabotaje U-238 es pasivo. El U-238 es conveniente porque es increíblemente denso y te sobra mucho después de hacer el U-235.

Answer 2

La física no se trata de intuición; Es una ciencia experimental. El neutrón no causa fisión en el U-235 al “estrellarse contra él”. Si bien hay algunos núcleos que se fisionarán a partir de neutrones rápidos, U-235 no es uno de ellos. Un núcleo U-235 absorbe un neutrón térmico. El núcleo excitado U-236 * es inestable con respecto a la fisión en dos núcleos más ligeros y la liberación de 2 a 3 neutrones en ese proceso. La curva de rendimiento masivo para esta fisión es una curva de doble joroba como una letra mayúscula M alargada extendida horizontalmente, y los puntos redondeados para parecerse a dos colinas. La distribución se rige por la teoría nuclear de ella con núcleos de mayor estabilidad que forman las cimas de las colinas. Las partes superiores de los dos máximos son alrededor de A = 95 y A = 138. El valle está alrededor de A = 117, lo que indica que no se favorece la fisión simétrica (A, el número de masa, es la suma de protones y neutrones en el núcleo). I-131 está cerca de la cima del pico pesado, al igual que los isótopos Xe. Los isótopos Br y Kr están cerca de la parte superior de los productos de fisión más ligeros. Th-229 es el nucleido más ligero que se somete a fisión térmica de neutrones (mi tesis del MIT Sc.D. fue “La curva de rendimiento-masa para la fisión térmica de neutrones de Th-229”).
Los U-238 y Th-232 más comunes sufrirán fisión con neutrones rápidos. Los neutrones rápidos se emiten durante la fisión en un reactor; Los neutrones térmicos son neutrones rápidos ralentizados por colisiones múltiples con átomos de hidrógeno, generalmente en agua, donde el neutrón rápido cede energía cinética al átomo de hidrógeno en cada colisión. Los neutrones térmicos son aquellos que se mueven a la velocidad que tendrían a aproximadamente la temperatura ambiente.

Answer 3

Depende de qué isótopo de U estamos hablando.

Pero hay múltiples factores en el trabajo. En general, las secciones transversales de absorción de neutrones son mucho más grandes a baja energía, esto es simplemente la naturaleza de las fuerzas, si el neutrón se mueve más rápidamente, es más probable que se dispersen elásticamente o inelásticamente en el núcleo en lugar de ser absorbido. Si no se absorbe, generalmente no causará una reacción de fisión, si tiene poca energía.

Fisiones U-235 con neutrones lentos, es decir, neutrones que tienen energías hasta energías térmicas, porque hay una ligera diferencia en la estabilidad entre los núcleos pares e impares y los núcleos pares e impares debido a la naturaleza de Las fuerzas nucleares. Se fisiona incluso con un neutrón que tiene energía cero.

La fisión es así: se absorbe un neutrón en el estado fundamental de U-235, que es impar, con 92 protones y 143 neutrones, y se forma el núcleo compuesto U-236 *, que tiene 92 protones y 144 neutrones. El U-236 * cuando está hecho está en un estado muy inestable que se fisiona muy rápidamente. Ya está excitado ya que su estado fundamental se encuentra más abajo porque es uniforme.

Se encuentra más abajo en aproximadamente 1 MeV que la diferencia de energía entre U-238, que es par, y el núcleo compuesto U-239 *, que se forma por absorción de neutrones en U-238. El U-239 * es en realidad par, pero tiene una vida mucho más larga que el U-236 *.

Entonces, el U-236 * cuando se forma ya está excitado, incluso cuando el U-235 absorbe un neutrón de energía cero.

Para la fisión U-238, debe hacerle cosquillas con aproximadamente 1 MeV de energía, y esta energía tiene que venir con el neutrón. Esencialmente, no es fisión en absoluto con neutrones lentos, no más que la tasa de fisión espontánea, que es absolutamente pequeña y mucho menor que la tasa de descomposición alfa, que también es pequeña.

Para los neutrones térmicos absorbidos en U-238, solo se forma un núcleo U-239 relativamente estable que luego se desintegra beta dos veces para formar Pu-239.

El U-233 es de naturaleza más rara, pero se comporta más o menos como el U-235 para la absorción y la fisión de neutrones, porque también se dirige a un núcleo compuesto uniforme.

Todos los núcleos de este tamaño son inestables a la fisión, es solo que algunos son más estables que otros, y en teoría todos los núcleos más pesados ​​que el hierro también son teóricamente inestables, aunque algunos tienen vidas mucho más largas que la edad del universo. Realmente todos deberían llamarse metaestables, pero la convención es solo llamar a un isótopo inestable cuando se observa realmente la descomposición.

Son los detalles de la física nuclear los que importan.

Answer 4

El uranio-238 puede fisionarse si un neutrón lo golpea con suficiente fuerza. El neutrón debe tener al menos 0,8 MeV de energía para provocar la fisión del uranio-238.

El uranio-235 es tan inestable que se fisionará si simplemente absorbe un neutrón. El neutrón no necesita traer energía para causar fisión. Dado que un neutrón más lento pasa más tiempo cerca del átomo de uranio, es más probable que sea absorbido (es más fácil atrapar una pelota de béisbol lenta que una rápida).

Nota: Esto se simplifica demasiado ya que ignora la naturaleza de onda del neutrón y la absorción resonante.

También tenga en cuenta un hecho a menudo mal entendido. U-235 fisiones mejor que U-238 con neutrones rápidos.

Answer 5

Todos los tipos de neutrones pueden romperse con un núcleo U, pero con un neutrón lento el núcleo U tiene una probabilidad muy alta de capturarlo. Esta probabilidad se llama ‘sección transversal’ del núcleo objetivo (núcleo U en este caso). La sección transversal es una función de la energía de neutrones incidente y es diferente para diferentes reacciones nucleares que tienen lugar (aplastamiento, captura, etc.)
Romper es la colisión del neutrón incidente con el núcleo U y el neutrón se dispersa de su trayectoria inicial, ya sea elástica o inelástica.