¿Por qué solo los elementos radiactivos pesados ​​realizan la fisión?

El argumento importante para esta discusión es la fórmula de Bethe Weizsäcker , que describe la energía de enlace de los núcleos. Intentaré dar una breve descripción de los aspectos más importantes.

No solo los elementos pesados ​​muestran fisión y fusión. Todos los elementos hasta el hierro-56 (uno de los núcleos con la energía de enlace más alta por nucleón) pueden crear energía en la fusión (y lo hacen en estrellas viejas, donde hay una secuencia de capas que se derrumban a medida que los productos de fusión son cada vez más pesados). experimentando más reacciones de fusión).

Al gastar energía, también puede crear elementos más pesados ​​por fusión (por ejemplo, este es un método para crear elementos ultrapesados; disparar núcleos pesados ​​con mucha energía cinética en algo como objetivos de plomo u oro).

Para la fisión, la discusión es al revés. Como hay un máximo en la curva de energía de enlace, ganará energía al dividir núcleos pesados ​​creando otros más ligeros si está por encima del máximo (porque se liberará la diferencia de energía de enlace). Pero con suficiente energía también se pueden fisionar elementos ligeros, incluso se pueden separar deuterones irradiándolos con una intensa radiación gamma de suficiente energía.

¿Por qué los neutrones son un método inteligente para la fisión? Porque son eléctricamente neutros y por lo tanto no tienen que cruzar una barrera de Coulomb para llegar al núcleo. Y además, muestran interacciones de fuerza nuclear, por lo tanto, liberan energía de enlace, cuando son atrapados por un núcleo (este es el proceso cuando se fisiona el uranio-235, un neutrón es atrapado, liberando energía de enlace, lo que hace que el núcleo vibre, estas vibraciones causan una carga compensar mientras se debilitan las fuerzas nucleares debido a la reducción del área conectada que causa la fisión).

¿Por qué los electrones no funcionan bien? Porque la sección transversal para que un electrón interactúe directamente con el núcleo es ridículamente pequeña. Incluso si tiene suficiente energía, será mucho más probable que se desvíe por la interacción de Coulomb y que nunca llegue al núcleo (sí, incluso para la interacción atractiva de Coulomb), que la deposición de energía relevante en el núcleo. Pero los electrones son útiles para mapear la distribución de carga en el núcleo. Entonces, los electrones pueden causar fisión, pero de manera muy ineficiente.

Y finalmente ¿por qué elementos radiactivos? Bueno, sabemos por qué los elementos pesados ​​muestran fisión. Y hay otro dato: los núcleos pesados ​​muestran un desequilibrio protón-neutrón, ya que las fuerzas nucleares son de muy corto alcance, cuando un núcleo gana protones en algún momento necesitará más de un neutrón por protón para permanecer estable (ya que la interacción de Coulomb crece cuadráticamente con carga, la energía de enlace nuclear es lineal con el número de nucleones). Y esto permite que actúe otra interacción fundamental, la fuerza débil. Esta fuerza es, como su nombre indica, muy débil, por lo que estos procesos son improbables, pero una vez que es energéticamente favorable puede suceder que un neutrón en el núcleo se desintegre en un protón, por lo que, por razones no del todo ajenas, los núcleos pesados ​​tienden a ser al mismo tiempo radiactiva y libera energía en la fisión.

Entonces, ¿por qué se producen productos radiactivos en la fusión? Porque los resultados de la fusión a menudo serán algo así como estados excitados inestables (ya que la fusión libera energía para los elementos ligeros). Otra razón se encuentra en el modelo de capa del núcleo. Ciertos "números mágicos" de nucleones se unirán en capas estables y, por lo tanto, crearán núcleos más estables. Cuando construya productos de fusión, no siempre alcanzará estos puntos óptimos (y, por lo tanto, el producto será inestable), y también siempre habrá un excedente de protones y, por lo tanto, se mostrará$\beta^+$-decadencia.

Todavía falta un mosaico del mosaico, para comprender las reacciones críticas de fisión (y por qué las hacemos con neutrones) .). Y es que, por lo general, se liberan algunos neutrones libres cuando se divide un núcleo, por lo que en un reactor de fisión tendremos naturalmente neutrones que impulsarán la reacción, en lugar de tener que usar un acelerador de partículas para crear un haz de electrones para que ocurra la fisión. La cantidad relevante es el número de neutrones liberados por núcleo fisionado. Si es menor que uno, la reacción de fisión se detendrá (ya que cada neutrón puede, como mucho, dividir un núcleo más). Pero si hay más de uno, e incluso los suficientes como para que se produzcan procesos de pérdida (neutrones que no provocan una fisión, neutrones que salen volando del reactor, neutrones que reaccionan con algo que no sea el núcleo en cuestión), entonces la velocidad de reacción crecerá exponencialmente. Si este proceso no se limita de alguna manera, tendrá una reacción nuclear fuera de control, que conduce a una explosión nuclear (o más bien a una fusión y dispersión del material no tan desagradable, una explosión nuclear real requiere una ingeniería delicada). Si controla este proceso (por ejemplo, absorbiendo los neutrones sobrantes con barras de control), entonces puede tener una reacción de fisión crítica en estado estable creando energía.

Hay un nucleido más ligero que sufre fisión:$^8Be$. Se fisiona a dos$^4He$núcleos ($\alpha$partículas) con un tiempo de vida del orden de$10^{-17}$s. La energía de enlace por nucleón es mucho menor para el berilio que para los dos$\alpha$s.

Es importante tener en cuenta que$^8Be$es un eslabón importante en el proceso de fusión triple alfa en estrellas más viejas con temperaturas centrales extremadamente altas (>100 MK), típicamente gigantes rojas y supergigantes. En esas estrellas, el$^8Be$formado por la fusión de dos$\alpha$-las partículas duran lo suficiente como para interactuar con un tercero$\alpha$y forma$^{12}C$.

Me refiero a esta parte de la pregunta:

Además, ¿por qué solo los neutrones muestran fisión/fusión y por qué los electrones no pueden preformar fisión/fusión?

Los núcleos con una gran cantidad de neutrones son inestables. A algunos de ellos les sucede que un neutrón extra en un rango específico de baja energía puede ser atrapado cuando incide en ese núcleo, pero el nuevo isótopo resultante se reorganiza rápidamente en componentes más pequeños y estables y se fisiona.

Los electrones no son parte de un núcleo. Son parte de un átomo y, en general, sus energías son demasiado bajas para alcanzar incluso el núcleo, keV a los MeV necesarios para las reacciones nucleares.

En los aceleradores donde los electrones, protones, etc. adquieren grandes energías, el daño por radiación de los contenedores, etc. incluye la fisión por la dispersión de partículas de alta energía, pero esa es otra historia.