Uraani-235

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.[4] Tämän sarjan tunnetuimman välijäsen, aktiniumin (tarkemmin sanottuna isotoopin ²²⁷Ac) mukaan uraani-235:tä onkin aikoinaan nimitetty myös aktinouraaniksi (AcU, engl. Actinouranium).[4][5]

Hajoamissarjan välijäsenet ovat seuraavat:[4]

${\displaystyle {\begin{array}{l}{\ce {^{235}_{92}U->[\alpha ][7.038\times 10^{8}\ {\ce {a}}]_{90}^{231}Th->[\beta ^{-}][25.52\ {\ce {h}}]_{91}^{231}Pa->[\alpha ][3.276\times 10^{4}\ {\ce {a}}]_{89}^{227}Ac}}{\begin{Bmatrix}{\ce {->[98.62\%\beta ^{-}][21.773\ {\ce {a}}]_{90}^{227}Th->[\alpha ][18.718\ {\ce {d}}]}}\\{\ce {->[1.38\%\alpha ][21.773\ a]_{87}^{223}Fr->[\beta ^{-}][21.8\ {\ce {min}}]}}\end{Bmatrix}}{\ce {^{223}_{88}Ra->[\alpha ][11,434\ {\ce {d}}]_{86}^{219}Rn}}\\{\ce {^{219}_{86}Rn->[\alpha ][3.96\ {\ce {s}}]_{84}^{215}Po->[\alpha ][1.778\ {\ce {ms}}]_{82}^{211}Pb->[\beta ^{-}][36.1\ {\ce {min}}]_{83}^{211}Bi}}{\begin{Bmatrix}{\ce {->[99.73\%\alpha ][2,13\ {\ce {min}}]_{81}^{207}Tl->[\beta ^{-}][4,77\ {\ce {min}}]}}\\{\ce {->[0,27\%\beta ^{-}][2,13\ {\ce {min}}]_{84}^{211}Po->[\alpha ][0,516\ {\ce {s}}]}}\end{Bmatrix}}{\ce {^{207}_{82}Pb_{(vakaa)}}}\end{array}}}$

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.[6] 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.

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.[6] Tiettyä kriittistä massaa suurempi kappale puhdasta uraani-235:tä räjähtäisikin välittömästi.[6]

Uraani-235-ytimen fissio voi tapahtua monella tavalla, esimerkiksi seuraavasti:[7]

$${\displaystyle {\ce {^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n -> ^{141}_{56}Ba + ^{92}_{36}Kr + 3 ^{1}_{0}n}}}$$

Uraani-235-ydin voi haljeta muillakin tavoilla, kuitenkin aina siten, että syntyvissä ytimissä on yhteensä 92 protonia ja 141 neutronia.[7]

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.[6]

Yhden uraani-235-atomin fissioituessa vapautuu energiaa välittömästi 180,9 MeV.[8] 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[8] 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.[9] Vapautuva energia on silti vain noin 0,09 prosenttia uraani-235:n massaa yhtälön E=mc² mukaan vastaavasta energiasta.