Trong các phản ứng hạt nhân, chúng ta sẽ xét xem một loại phản ứng hạt nhân đặc biệt, đó là phản ứng phân hạch của các hạt nhân cực nặng.
Hiện tượng này do hai nhà bác học người Đức là Han và Sraxman (Hahn - Strassman) phát hiện năm 1939, khi bắn nơtron vào hạt nhân nặng, hạt nhân này bị vỡ thành hai mảnh có khối lượng gần bằng nhau.
Quá trình phân hạch được giải thích theo mô hình giọt chất lỏng của mẫu hạt nhân đó là: Trong hạt nhân, lực đẩy Culông giữa các prôton có khuynh hướng phá vỡ kích thước của hạt nhân, ngược lại lực căng bề mặt của các nuclon phía ngoài lại có khuynh hướng giữ nguyên dạng hình cầu của hạt nhân. Nếu hạt nhân nhận mộ năng lượng kích thích thì hình dạng của nó bắt đầu thay đổi, từ hình cầu chuyển sang hình elipxoít. Nếu mặt căng lực ngoài lớn giữđược các nuclon lại với nhau thì giot hạt nhân chỉ dao động rồi sau đó trở về trạng thái ban đầu của nó. Nhưng nếu năng lượng kích thích lớn, làm cho hạt nhân dao động mạnh thì nó chuyển dần thành hình số 8 rồi sau đó vỡ thành hai mảnh. Hiện tương này đã xảy ra khi một nơtron có năng lượng thâp bị bắt bởi hạt nhân nặng: Đồng vị Urani 235. Hạt nhân ở trạng thái kích thích với năng lượng cỡ 6,8 MeV. Hạt nhân này vỡ thành hai mảnh (có lúc tới 3 hoặc 4 mảnh). Các mảnh vỡđeeuf dư thừa nơtron nên không bền, mà phóng xạ tiếp các nơtron thứ cấp. sau đó các mảnh vỡ lại tiếp tục biến các nơtron thành các proton, để rở thành đồng vị bền hơn, kết quả là các mảnh vỡ thường phát ra cac tia phóng xạ b- và g.
Ta xét một ví dụ sau: Ví dụ 1:
(1-1) Các mảnh phân hạch tiếp tục phân rã như sau:
(1-2) (1-3) Ví dụ 2:
(1-4) Các nhánh phân hạch tiếp tục phân rã như sau:
(1-6)
Chúng ta biết rằng quá trình phân hạch toả ra một năng lượng rất lớm và phát ra một số nơtron thứ cấp. Chính điều này là cơ sởđể thực hiện phản ứng dây chuyền phân hạch hạt nhân.
Về lý thuyết các nơtron thứ cấp này tiếp tục gây ra phân hạch và lại giải phóng tiếp nơtron. Như vậy quá trình xảy ra cho tới nào không còn nguyên tố Uran nữa. Những trong thực tế, phản ứng phân hạch không hoàn toàn xảy ra như vậy mà nó còn phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Không phải mọi nơtron đi vào khối Uran đều gây ra phản ứng hạt nhân mà chỉ có các nơtron bị hạt nhân 235U bắt được mới gây ra phản ứng phân hạch. - Không phải mọi nơtron được sinh ra đều có thể sử dụng vào phản ứng phân hạch được, bởi vì một sốđã thoát ra khỏi khối Uran.
- Trong khối Uran còn có các đồng vị tuy bắt được các mơtron, nhưng hoàn toàn không gây ra phản ứng phân hạch (Ví dụ: 236U). Vì những lý do trên mà phản ứng phân hạch hạt nhân chỉđược thực hiện với những điều kiện nhất định.
2. ĐIỀU KIỆN XẢY RA PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH:
Chúng ta gọi n là số nơtron trung bình được sinh ra trong một phản ứng phân hạch. Số nơtron trung bình này làm giảm năng lượng của chúng, một số bị 238U hấp thụ mà không gây ra phản ứng phân hạch, một số bị các tạp chất hập thụ và một số khác đi ra ngoài khỏi khối Uran, do vậy cũng không gây ra phản ứng phân hạch hạt nhân.
Chúng ta giả sử rằng chỉ có p nơtron được làm chậm lại, tức là có np nơtron chậm. Trong số np nơtron chậm này thì không phải đều được 235U hấp thụ. Chúng ta giả thuyết rằng chỉ có k nơtron chậm bị235U hấp thụ mà thôi, vậy k được gọi là hệ số sử dụng nơtron chậm. Và ta có npk nơtron có khả năng gây ra phản ứng tiếp theo. Nhưng chúng ta lại cũng thấy rằng vẫn có những nơtron nhanh bị235U hấp thụ và gây ra phản ứng phân hạch. Và ta coi các trường hợp này tương đương với hệ sốε (ε=1,03-1,1). Vậy ta có tích số:
f = ε.n.p.k (2-7)
Tích số trên được gọi là hệ số nhân nơtron. Vì vậy ε.n.p.k >1 thì số nơtron làm phân hạch hạt nhân tăng lên. Vậy thì muốn duy trì được phản ứng phân hạch hạt nhân tức là duy trì được phản ứng dây chuyền thì điều kiện cần là
.