Uraani-235

Uraani-235 (²³⁵U) on uraanin isotooppi, jonka atomin ytimessä on 92 protonia ja 143 neutronia. Sitä on luonnon uraanissa noin 0,7 prosenttia. Muiden uraani-isotooppien tavoin uraani-235 on radioaktiivista, mutta toisin kuin uraani-238, se on lisäksi fissiiliä, eli siinä voi fissio tapahtua kiihtyvänä ketjureaktiona. Uraani-235 on ainoa primordiaalinen fissiili nuklidi, jota esiintyy mainittavassa määrin luonnossa. Tämän vuoksi sillä on keskeinen merkitys ydin­tekniikassa. Ydin­voimaloissa käytetään tavallisesti rikastettua uraania, jonka uraani-235-pitoisuus on tavallisesti noin 3 prosenttia. Ydinaseissa käytetään paljon pidemmälle rikastettua uraania, jossa on yli 85 prosenttia isotooppia 235.

Uraani-235-ytimen hajoaminen

Uraani-235-atomi voi hajota joko alfa­hajoamisella tai fissiolla. Luonnossa alfahajoaminen on verrattomasti yleisempää: sen suhteen U-235:n puoliintumisaika on 708,3 miljoonaa vuotta ja hajoamisvakio näin ollen 3,10 · 10^-17 s^-1, toisin sanoen U-235-atomi hajoaa alfa­hajoamisella seuraavan sekunnin kuluessa todennäköisyydellä 3,10 · 10^-17.

Radioaktiivinen hajoaminen

Kun uraani-235-ydin hajoaa alfahajoamisella, siitä lohkeaa alfahiukkanen eli heliumatomin ydin ja jäljelle jää torium-231-atomin ydin. Se on edelleen radioaktiivinen, ja uraani-235:stä alkaakin pitkä hajoamissarja, aktiniumsarja eli 4n+3 -sarja, joka päättyy vakaaseen lyijyisotooppiin ²⁰⁷Pb. Tämän sarjan tunnetuimman välijäsen, aktiniumin (tarkemmin sanottuna isotoopin ²²⁷Ac) mukaan uraani-235:tä onkin aikoinaan nimitetty myös aktinouraaniksi (AcU, Malline:K-en).

Hajoamissarjan välijäsenet ovat seuraavat:

$\begin{array}{c}{\phantom{A}}_{\phantom{92}}^{\phantom{235}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}92}^{\phantom{2}235}\mathrm{U}\underset{7.038\times 10{\phantom{A}}^8\mathrm{a}}{\overset{\mathrm{\alpha }}{\to }}{\phantom{A}}_{\phantom{90}}^{\phantom{231}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}90}^{\phantom{2}231}\mathrm{T}\mathrm{h}\underset{25.52\mathrm{h}}{\overset{\mathrm{\beta }{\phantom{A}}^{-}}{\to }}{\phantom{A}}_{\phantom{91}}^{\phantom{231}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}91}^{\phantom{2}231}\mathrm{P}\mathrm{a}\underset{3.276\times 10{\phantom{A}}^4\mathrm{a}}{\overset{\mathrm{\alpha }}{\to }}{\phantom{A}}_{\phantom{89}}^{\phantom{227}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}89}^{\phantom{2}227}\mathrm{A}\mathrm{c}\left\{\begin{array}{c}\underset{21.773\mathrm{a}}{\overset{98.62\mathrm{\%}\mathrm{\beta }{\phantom{A}}^{-}}{\to }}{\phantom{A}}_{\phantom{90}}^{\phantom{227}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}90}^{\phantom{2}227}\mathrm{T}\mathrm{h}\underset{18.718\mathrm{d}}{\overset{\mathrm{\alpha }}{\to }}\\ \underset{21.773\mathrm{a}}{\overset{1.38\mathrm{\%}\mathrm{\alpha }}{\to }}{\phantom{A}}_{\phantom{87}}^{\phantom{223}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}87}^{\phantom{2}223}\mathrm{F}\mathrm{r}\underset{21.8\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}{\overset{\mathrm{\beta }{\phantom{A}}^{-}}{\to }}\end{array}\right\}{\phantom{A}}_{\phantom{88}}^{\phantom{223}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}88}^{\phantom{2}223}\mathrm{R}\mathrm{a}\underset{11,434\mathrm{d}}{\overset{\mathrm{\alpha }}{\to }}{\phantom{A}}_{\phantom{86}}^{\phantom{219}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}86}^{\phantom{2}219}\mathrm{R}\mathrm{n}\\ {\phantom{A}}_{\phantom{86}}^{\phantom{219}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}86}^{\phantom{2}219}\mathrm{R}\mathrm{n}\underset{3.96\mathrm{s}}{\overset{\mathrm{\alpha }}{\to }}{\phantom{A}}_{\phantom{84}}^{\phantom{215}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}84}^{\phantom{2}215}\mathrm{P}\mathrm{o}⟶[\mathrm{\alpha }][1.778\mathrm{m}\mathrm{s}]{\phantom{A}}_{\phantom{82}}^{\phantom{211}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}82}^{\phantom{2}211}\mathrm{P}\mathrm{b}\underset{36.1\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}{\overset{\mathrm{\beta }{\phantom{A}}^{-}}{\to }}{\phantom{A}}_{\phantom{83}}^{\phantom{211}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}83}^{\phantom{2}211}\mathrm{B}\mathrm{i}\left\{\begin{array}{c}\underset{2,13\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}{\overset{99.73\mathrm{\%}\mathrm{\alpha }}{\to }}{\phantom{A}}_{\phantom{81}}^{\phantom{207}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}81}^{\phantom{2}207}\mathrm{T}\mathrm{l}\underset{4,77\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}{\overset{\mathrm{\beta }{\phantom{A}}^{-}}{\to }}\\ \underset{2,13\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}{\overset{0,27\mathrm{\%}\mathrm{\beta }{\phantom{A}}^{-}}{\to }}{\phantom{A}}_{\phantom{84}}^{\phantom{211}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}84}^{\phantom{2}211}\mathrm{P}\mathrm{o}\underset{0,516\mathrm{s}}{\overset{\mathrm{\alpha }}{\to }}\end{array}\right\}{\phantom{A}}_{\phantom{82}}^{\phantom{207}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}82}^{\phantom{2}207}\mathrm{P}\mathrm{b}{\phantom{A}}_{(\mathrm{v}\mathrm{a}\mathrm{k}\mathrm{a}\mathrm{a})}\end{array}$

Spontaani fissio

Paitsi alfahajoamisella, voi uraani-235-ydin hajota myös spontaanilla fissiolla. Silloin se halkeaa kahdeksi keski­raskaaksi ytimeksi ja samalla vapautuu keski­määrin 2,5 neutronia. Spontaani fissio on kuitenkin yksittäisen atomin kannalta varsin epätodennäköinen tapahtuma. Sen suhteen U-235:n laskettu puoliintumisaika on 3,5 · 10¹⁷ vuotta ja hajoamisvakio näin ollen 6,28 · 10^-26 s^-1. Kun grammassa uraani-235:tä on 2,56 ·10²¹ atomia, voidaan näin ollen laskea, että siinä hajoaa sekunnissa alfahajoamisella noin 79 360 atomia, mutta spontaanilla fissiolla vain yksi atomi 6 250 sekunnissa eli vajaassa kahdessa tunnissa.

Fissio ketjureaktiona

Uraani-235-ytimen fissio

Tarpeeksi suuressa määrässä uraani-235:tä spontaanissa fissiossa vapautuvilla neutroneilla on kuitenkin suuri todennäköisyys törmätä lähellä oleviin toisiin uraani-235-ytimiin. Jos niin tapahtuu, ne saavat myös sen ytimen fissioitumaan, johon ne osuvat, jolloin siitä vapautuu vuorostaan neutroneja, ja täten syntyy ketjureaktio. Tiettyä kriittistä massaa suurempi kappale puhdasta uraani-235:tä räjähtäisikin välittömästi.

Uraani-235-ytimen fissio voi tapahtua monella tavalla, esimerkiksi seuraavasti:

$${\phantom{A}}_{\phantom{92}}^{\phantom{235}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}92}^{\phantom{2}235}\mathrm{U}+{\phantom{A}}_{\phantom{0}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}0}^{\phantom{2}1}\mathrm{n}⟶{\phantom{A}}_{\phantom{56}}^{\phantom{141}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}56}^{\phantom{2}141}\mathrm{B}\mathrm{a}+{\phantom{A}}_{\phantom{36}}^{\phantom{92}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}36}^{\phantom{2}92}\mathrm{K}\mathrm{r}+3{\phantom{A}}_{\phantom{0}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}0}^{\phantom{2}1}\mathrm{n}$$

Uraani-235-ydin voi haljeta muillakin tavoilla, kuitenkin aina siten, että syntyvissä ytimissä on yhteensä 92 protonia ja 141 neutronia.

Vakaissa ytimissä neutroneja on sitä enemmän suhteessa protonien lukumäärään, mitä suurempi on ytimen massaluku. Tämän vuoksi uraani-235:n fissio­tuotteet ovatkin beeta-aktiivisia eli niissä yksi neutroni muuttuu jonkin ajan kuluttua protoniksi vapauttaen samalla beetasäteilyä, toisin sanoen elektronin, ja antineutriinon.

Fissiossa vapautuva energia

Yhden uraani-235-atomin fissioituessa vapautuu energiaa välittömästi 180,9 MeV. Tähän sisältyvät fissiotuotteiden ja vapautuvien neutronien liike-energia sekä suoraan fission yhteydessä syntyvän gammasäteilyn energia. Fissio­tuotteiden lähettämänä säteilynä vapautuu lisäksi energiaa myöhemmin 21,6 MeV atomia kohti, joten kaikkiaan energiaa vapautuu 202,5 MeV eli 3,24 · 10^-11 J. Täten moolia kohti energiaa vapautuu kaikkiaan 19,54 TJ ja kilogrammaa kohti 83,14 TJ.

Uraani-235:n fissiossa vapautuu noin 2,8 miljoonaa kertaa niin paljon energiaa kuin poltettaessa massaltaan sama määrä hiiltä. Vapautuva energia on silti vain noin 0,09 prosenttia uraani-235:n massaa yhtälön E=mc² mukaan vastaavasta energiasta.

Löytöhistoria

Uraani-235:n löysi massaspektrometrin avulla kanadalais-yhdys­valtalainen fyysikko Arthur Jeffery Dempster vuonna 1935. Sen radioaktiivisten hajoamistuotteiden muodostama aktiniumsarja oli kyllä tunnettu jo aikaisemmin, mutta aktiniumin oli tällöin päätelty alkavan jostakin uraanin hajoamis­tuotteesta ja aktinium­sarjan haarautuvan siten radiumsarjasta.

Uraani-235:n fission havaitsivat ensimmäisinä vuonna 1938 Otto Hahn ja Fritz Strassmann. Teoreettisesti sen selittivät seuraavana vuonna 1939 Lise Meitner ja Otto Robert Frisch.

Aiheesta muualla

• Malline:Lehtiviite