حاجز الانشطار Fission Barrier

غالباً ما يحدث الانشطار النووي عندما تقذف نواة بالنيوترونات البطيئة أو السريعة ولكن وجد أن بعض الأنوية تنشطر عند قذفها بنيوترون حراري والأخرى لا تنشطر إلا عند قذفها بنيوترون سريع. كما سنجد فيما بعد أنه عند حساب Q للانشطار النووي فإن هذه القيمة ستكون موجبة للأنوية ذات عدد الكتلة 85 < A. ولكن امثال هذه الأنوية لا ننطر تلقائياً. ومن هنا نفترض وجود حاجز للانشطار (كما في حالة جسيمات α). وقد بينا أنه نتيجة للانشطار النووي تنتج شظيتي الانشطار وهما نواتين مشحونتين بشحنات موجبة أي أنهما تتنافران حسب قانون كولوم. دعنا الآن ننظر إلى المسألة من وجهة نظر عكسية. لنفترض أننا حاولنا أن نحضر كرتين متماثلتين مشحونتين بشحنتين موجبتين من ما لا نهاية إلى مسافة أدنى اقتراب بحيث تتلامسان. فإننا لنفعل ذلك يلزمنا بذل شغل (طاقة) تساوي طاقة كولوم (E_b) حيث:

(1)....................

حيث Z₁ ,Z₂ شحنتي شظيتي الانشطار.

R₂, R₁ نصفي قطريهما.

فإذا كان الانشطار متماثلاً، أي أن:

حيث A, Z العدد الذري وعدد الكتلة للنواة الأم المنشطرة وينتج أن :

(2) ..............

وبالتعويض عن الثوابت في هذه المعادلة فإنه يمكن استنتاج أن:

  (3)................  

وفي حالة انشطار نواة ثقيلة كاليورانيوم (235 = A) فإن:

تمثل (E_b) هنا حاجز كولوم الذي يجب أن تتغلب عليه شظية الانشطار كي تنطلق كناتج من نواتج الانشطار النووي.

دعنا الآن نرسم طاقة جهد النواة الممثلة بقطرة سائلة كدالة في المسافة الفاصلة بين مركزي شظيتي الانشطار وذلك كما نبينه في الشكل (1).

الشكل (1)

في المرحلة (أ) نجد أن النواة عبارة عن قطرة سائلة تأخذ شكلاً كروياً . في المرحلة (ب) نجد أن النواة قد أثيرت نتيجة لقذفها بنيوترون. وهنا تأخذ النواة شكلاً مشوهاً. في المرحلة (ح) يزداد هذا التشوه إلى درجة تسمح بأن تأخذ كل من الشظيتين شكلاً كروياً ولكنهما ما زالتا متلامستين حيث تفصلهما مسافة قدرها R2(حيث R نصف قطر أي منهما وذلك في حالة الانشطار المتماثل). عندما تصل النواة إلى هذ المرحلة فإن قوة التوتر السطحي لا تستطيع استعادة الشكل الكروي للنواة وتصبح اضعف من قوة التنافر الكهربي التي تعمل على تمزيق النواة وهنا لا تجد النواة مناصا من الانشطار. هذه المرحلة تسمى المرحلة الحرجة Critical Stage والنقطة التي تمثلها على منحنى الطاقة تعرف بنقطة الانقلاب (Saddle Point).

في المرحلة (د) نجد أن الشظيتين قد انفصلتا تماماً حيث تفصلهما مسافة أكبر منR 2. أما في المرحلة (ه) وهي متأخرة جداً نجد أن كلاً منهما قد انطلقت متباعدة عن الأخرى وبطاقة حركة كلية تساوي طاقة حاجز كولوم (E_b) التي هي عبارة عن قيمة Q للانشطار.

في الشكل (1) نجد أن هناك ثلاث حالات 1، 2، 3 عندما تكون r أقل من 2R. حيث تمثل الحالة (1) الأنوية ذات عدد الكتلة 100 ∼ A. حيث نجد أن طاقات هذه الأنوية تقع عند حوالى 50 م. أ. ف. تحت طاقة كولوم. وبالتالي فهذه الأنوية تحتاج إلى طاقة قدرها 50 م.أ.ف. كي تتمكن من الاشطار .

أما في الحالة (2) فإن هذه الأنوية ذات طاقات تقع عند حوالي 6 م.أ.ف. تحت طاقة كولوم وبالتالي من السهل إثارة مثل هذه الأنوية عند قذفها بنيوترون حراري.

تمثل هذه الأنوية مجموعة الأنوية الثقيلة Pu , U, Th، ....... الخ.

وتسمى الطاقة التي يجب أن تزود بها النواة كي تتمكن من الانشطار بطاقة التنشيط Activation Energy أو الطاقة الحرجة Critical Energy ونرمز بها بالرمز (E_c) كما بالشكل (1). ويمكن للنواة أن نحصل على هذه الطاقة عند قذفها بالنيوترونات. حيث تتكون النواة المركبة التي غالباً ما تكون مثارة. فإذا كانت طاقة الإثارة الناتجة أكبر من الطاقة الحرجة - كما هو الحال بالنسبة لذرة235U عند قذفها بنيوترون حراري - فإن النواة المركبة سوف تنشطر. وأما إذا كانت هذه الطاقة أقل من الطاقة الحرجة فلن تتمكن هذه النواة من الانشطار.

وفي ضوء نموذج القطرة السائلة قام بوهر وويلر Bohr & Wheeler بحساب الطاقة الحرجة (E_c) لبعض العناصر بافتراض تكون نواة مركبة تمر بالمراحل اللازمة للانشطار كما في الشكل (2). ونبين في الجدول (2) الطاقات الحرجة لبعض الأنوية عند قذفها بالنيوترونات الحرارية. كما نبين أيضاً

الشكل (2)

طاقة ترابط (W) النيوترون في النواة المركبة.

لاحظ أن طاقة إثارة النواة المركبة هي ببساطة عبار: عن طاقة ترابط النيوترون الذي امتص بواسطة النواة الهدف. في العمود الأخير من الجدول بينا الفرق بين طاقة الإثارة الناتجة في النواة المركبة والطاقة الحرجة اللازمة لحدوث الانشطار (W -E_c) حيث نببن التيم الموجبة أن W أكبر من ومن ثم يحدث الانشطار لمثل تلك الأنوية. وعندما (w - E_c) تأخذ قيمة سالبة فإن هذا يعني أن W أقل من الطاقة الحرجة. وبالتالي لا يحدث انشطار. . يبين الجدول أن الثوريوم واليورانيوم 238 هي أنوية غير قابلة للانشطار بالنيوتروات الحرارية لأن قيم (W - E_c) سالبة وبالتالي فإن هكي يتم الانشطار لهذه النظائر فلا بد من زيادة طاقة النيوترونات الساقطة بطاقة تساوي الفرق بين E_c ،Wعلى الأقل. أي حوالي 1 م. أ. ف. وبالتالي يمكن لهذه الأنوية أن تنشطر عند قذفها بالنيوترونات السريعة (بطاقة ≥ 1 م. أ. ف. ) . كما نلاحظ من الجدول أن أنوية لا 235,233 والبلوتونيوم - 239 يمكنها الانشطار بسهولة عند امتصاصها للنيوترونات الحرارية أو السريعة وبالتالي فهي تنشطر عند قذفها بنيوترونات أياً كانت طاقاتها.

أما الحالة (3) فتمثل تلك الأنوية التي يمكنها الانشطار آنياً وتلقائياً حيث نجد أن طاقة جهد هذه الأنوية أكبر من طاقة حاجز كولوم. وهي الأنوية الثقيلة جداً والتي يزيد عدد كتلتها عن 390.

كما ونلاحظ من الجدول (1) أنه كلما زادت النسبة Z²/A فإن احتمال الانشطار يزداد لأن النواة تقترب من شرط الانشطار التلقائي.

تبين النقاط  d, b, a في الشكل (1) أن النواة موجودة في حالة الاستقرار الأرضي حيث تنخفض طاقة جهدها وتزداد هذه الطاقة عندما تصعد النواة حتى تصل إلى نقطة الانقلاب C ثم تبدأ هذه الطاقة في الانخفاض حيث تبدأ شظيتي الانشطار في التباعد تحت تأثير قوة التنافر وتتحول الطاقة إلى طاقة حركة.