Theo thực nghiệm thì một trong các phản ứng thông dụng nhất là việc tạo ra các hạt nhân hợp phần khi một hạt nhân nặng (có số khối A > 230), hấp thụ một nơtron nhiệt (nơtron nhiệt là nơtron ở trạng thái cân bằng với vật chất ở nhiệt độ phòng, có động năng trung bình chỉ cỡ 0,04 eV). Đa số các hạt nhân hợp phần đó đều vỡ thành hai mảnh hạt nhân có khối lượng trung bình và phát ra vài ba nơtron thứ cấp (nơtron mới) kèm theo giải phóng năng lượng. Phản ứng hạt nhân này gọi là phản ứng phân hạch.
Trong phản ứng phân hạch, nơtron nhiệt được hấp thụ đã đưa vàn hạt nhân một lượng năng lượng kích thích. Lượng năng lượng kích thích mà nơtron nhiệt đưa vàn hạt nhân đúng bằng công cẩn thiết để bứt một nơtron ra khỏi hạt nhân đó, tức là bằng năng lượng liên kết Wlk của nơtron. Sự phân hạch chỉ xảy ra nếu nơtron được hấp thụ cung cấp cho hạt nhân một năng lượng kích thích Wlk đủ lớn đế vượt qua bờ rào thế Eb. Theo cơ học lượng tử, vì còn có khả năng xuyên đường ngầm, nên Wlk không cần phải lớn cỡ chiều cao Eb của bờ rào thế. Hình 4-3 cho thấy, đường cong thế năng ở ác giai đoạn khác nhau trong quá trình phân hạch. Ò đây r là tham số biến dạng, biểu thị phạm vi mà hạt nhân dao động chệch khỏi dạng cầu, còn khi hai mảnh đã tách rời nhau thì r chỉ là khoảng cách giữa tâm của chúng, Q là năng lượng phân rã, đó là
khoảng cách năng lượng giữa trạng thái ban đầu. (Wo) và trạng thái cuối cùng của hạt nhân phân hạch ; Eb là chiều cao bờ rào thế cần phải vượt qua (hay xuyên đường ngầm qua) .
Đối với các hạt nhân có Wlk > Eb (ví dụ235
U và 239Pu: 235U có Wlk = 6,5 MeV và Eb = 5,2 MeV ; còn 239Pu có Wlk = 6,4 MeV và Eb = 4,8 MeV) thì sự phân hạch bằng cách hấp thụ nơtron nhiệt có thể xảy ra. Đối với các hạt nhân có Wlk < Eb (ví dụ 238
U và 243Am: 238U có Wlk = 4,8 MeV và Eb = 5,7 MeV ; còn 243Am có Wlk = 5,5 MeV và Eb = 5,8 Mev), sao cho không có đủ năng lượng đối với nơtron nhiệt để vượt qua hàng rào thế hoặc xuyên đường ngầm qua nó có hiệu quả, thì trong trường hợp này hạt nhân kích thích không bị phân rã mà sẽ giải phóng năng lượng kích thích bằng cách phát ra các tia gamma rồi trở về trạng thái cơ bản. Những dựđoán đó đã được khẳng định.
Sau đây chúng ta đưa ra một mẫu mô hình diễn tả quá trình phân hạch hạt nhân: Khi một hạt nhân nặng giả sử là 235U, hấp thụ một nơtron chậm (có động năng cỡ động năng nơtron nhiệt) (xem hình 4-4a)
tạo thành hạt nhân 236U ở trạng thái kích thích cao, có năng lượng dư và dao động rất mạnh (xem hình 4-4b). Chuyển động dao động mạnh này của hạt nhân giống như một giọt chất lỏng tích điện dao động mạnh và dù spin hay muộn cũng sẽ dẫn đến tạo thành dạng thắt cổ chai, rồi bắt đầu tách thành hai "khối cầu" tích điện xa dần ra (xem hình 4-4c) . Khi có các điều kiện thích hợp thì lực đẩy tĩnh điện giữa hai “khối cầu” đó đẩy chúng duỗi dài ra xa nhau (xem hình 4-4d) và làm đứt chỗ thắt cổ chai. Hai mảnh này tách ra và các nơtron được phát ra, vì còn mang một số năng lượng kích thích còn dư,
nên chúng bay ra xa nhau và sự phân hạch đã xảy ra (xem hình 4-4e) .
Ta có thể quan sát được hai mảnh bay ra ở phản ứng phân hạch hạt nhân trong thí nghiệm buồng sương. Hai mảnh này tạo thành hai vết để lại trong khí của buồng sương. Các vết này không có chiều dài như nhau, ngụ ý rằng hai mảnh không có cùng khối lượng và động năng ; còn khối lượng và động năng của hai mảnh như nhau là một sự kiện rất hiếm hoi.
Năng lượng phân hạch hạt nhân:
Khi hạt nhân phân hạch thì khối lượng tổng cộng các mảnh vỡ ra luôn luôn nhỏ hơn khối lượng hạt nhân nặng ban đầu dẫn đến tỏa năng lượng. Phản năng lượng tỏa ra tương ứng với độ hụt khối đó gọi là năng lượng phân hạch hạt nhân.
Ví dụ: Hạt nhân 235U hấp thụ nơtron nhiệt tạo thành hạt nhân 236U ở trạng thái kích cao, rồi vỡ thành hai mảnh 1 1 A Z X, 2 2 A Z Y và giải phóng ra hai, ba nơtron: trong đó Zl+ Z2 = 92 ; A1+ A2+ k = 236, với k = 1,2,3. Tùy theo điều kiện của phản ứng mà hai mảnh 1
1 A Z X, 2 2 A Z Y là những hạt nhân của nhiều chất khác nhau. Xác suất xuất hiện hai hạt nhân 1
1 A Z X, 2 2 A Z Y phụ thuộc vào số khối A của chúng. Hình 4-5 biểu diễn sự phân bố số khối A của các mảnh được tạo ra khi
235
U được bắn phá bởi các nơtron nhiệt (tương ứng với sự phân hạch được mô tả bằng phương trình (4-27)). Từđồ thịở hình 4-5 ta thấy các số khối có xác suất lớn nhất tập trung xung quanh A ≈ 95 và A ≈ 140 ; còn xác suất cực tiểu khi A = 118 (bằng nửa số khối của hạt nhân 236U) .
Như vậy hai mảnh vỡ ra trong phân hạch hạt nhân bằng nhau là rất ít xảy ra. Sau đây là một ví dụ phân hạch điển hình: một hạt nhân 235U hấp thụ một nơtron nhiệt rồi phân hạch thành hai mảnh và hai mảnh này lại nhanh chóng phát ra hai nơtron nhanh để lại 140Xe và 94Sr như hai mảnh phân hạch. Ta có:
Cả 140
Xe và 94Sr đều rất không bền, chúng phân rã β-
cho tới khi có một sản phẩm bền cuối cùng:
Trong mọi trường hợp phản ứng phân hạch, hạt nhân gian đều tỏa ra năng lượng. Năng lượng phân hạch của mỗi hạt nhân toán khoảng 200 MeV, lớn hơn nhiều so với năng lượng vài MeV được trải phóng trong các phản ứng hạt nhân tỏa nhiệt điển hình. Năng lượng phân hạch 200 MeV được phân bố như sau:
- Động năng các mảnh phân hạch: 170 MeV ; - Năng lượng các nơtron phân hạch: 5 MeV ; - Năng lượng tia γ: 1 0 MeV - Năng lượng tia β-
: 5 MeV ;
- Năng lượng các nơtrino phát ra: 10 MeV.
Ta thấy trong nhiều phản ứng phân hạch, hạt nhân hợp phấn dễ được tạo thành với nơtron nhiệt (có động năng trung bình cỡ 0,04 eV). Các nơtron sinh ra trong mỗi phân hạch đều có động năng vào cỡ 2 MeV, vì vậy cần làm chậm nơtron đến năng lượng nhiệt để dễ dàng gây ra các phản ứng phân hạch khác.