La fissione nucleare
Quando un nucleo subisce una fissione, sidivide in parecchi frammenti più piccoli. Questi frammenti, o prodotti di fissione, sono circa uguali alla metà della massa originaria. Vengono pure emessi due o tre neutroni. La somma delle masse di questi frammenti è inferiore alla massa originaria. Questa massa "scomparsa" (circa lo \(0,1\%\) della massa iniziale) è stata convertita in energia in accordo con l'equazione di Einstein: \(E = mc^2\)
La fissione può avvenire quando un nucleo di un atomo pesante cattura un neutrone, o può avvenire spontaneamente.
Reazione a Catena
Una reazione a catena si riferisce a un processo nel quale i neutroni emessi nella fissione producono un'ulteriore fissione in almeno un altro nucleo. Questo nucleo a sua volta produce neutroni e il processo si ripete. Il processo può essere controllato (energia nucleare) o non controllato (armi nucleari). Se ogni neutrone produce più di due neutroni, allora il numero di fissioni raddoppia ogni generazione. In questo caso, in \(10\) generazioni vi sono \(1024\) fissioni e in \(80\) generazioni circa \(6 \cdot 10^{23}\) (una mole) fissioni.
Fissione Nucleare Controllata
Per sostenere una reazione controllata, per ogni \(2\) o \(3\) neutroni emessi, solo a uno deve essere permesso di collidere con un altro nucleo di uranio. Se questo rapporto è inferiore a uno allora la reazione cesserà; se è maggiore di uno aumenterà in modo incontrollato (una esplosione atomica). Le reazioni nucleari sono controllate da un materiale che assorbe i neutroni, come la grafite.
Perché Uranio e Plutonio?
Gli scienziati sapevano che l'isotopo più comune, uranio 238, non era idoneo per un'arma nucleare. Vi è un'alta probabilità che un neutrone incidente venga catturato per formare uranio 239 invece di dare origine a una fissione. L'uranio 235 ha invece un'alta probabilità di fissione. Dell'uranio naturale, solo lo \(0.7\%\) è uranio 235. Ciò significa che era necessaria una grande quantità di uranio per ottenere le quantità necessarie di uranio 235. Inoltre, l'uranio 235 non può essere separato chimicamente dall'uranio 238, poiché gli isotopi sono chimicamente simili.
Sono stati sviluppati metodi alternativi per separare gli isotopi. Questo fu un altro problema da risolvere per gli scienziati del Progetto Manhattan prima di poter realizzare una bomba. Le ricerche avevano inoltre mostrato che anche il plutonio 239 aveva un'alta probabilità di fissione. Tuttavia il plutonio 239 non è un elemento presente in natura e deve essere ottenuto. Furono costruiti reattori ad Hanford, Washington per produrre plutonio.
Fissione Spontanea
Il numero di fissioni spontanee è la probabilità per secondo che un dato atomo si fissioni spontaneamente, cioè, senza alcun intervento esterno. Se avviene una fissione spontanea prima che la bomba sia completamente approntata, sarebbe un fallimento. Il Plutonio 239 ha un numero di fissioni spontanee molto alto rispetto a quelle dell'uranio 235. Gli scienziati dovettero considerare il numero di fissioni spontanee di ogni materiale quando progettarono l'arma nucleare.
