Kernsplijting (zelden: kernfissie) is in de natuurkunde een proces waarbij een zware onstabiele atoomkern zich deelt of splijt in twee of meer lichtere kernen, waarbij aanzienlijke hoeveelheden energie vrijkomen. Dit principe wordt bijvoorbeeld toegepast om energie op te wekken in een kerncentrale, en in kernwapens.
Geschiedenis alt=Lize Meitner and Otto Hahn|miniatuur|380x380px|Hahn en Meitner in 1912. Het splijtingsproces werd in 1938 in Berlijn ontdekt door Otto Hahn, Fritz Strassmann en Lise Meitner.Tretkoff, Ernie (December 2007). "December 1938: Discovery of Nuclear Fission". APS News. American Physical Society. 16(11). Gearchiveerd op 7 augustus 2023.
Kernreacties
Bij scheikundige reacties blijft de hoeveelheid van ieder scheikundig element precies behouden: dit is een formulering van de wet van Lavoisier. Transmutatie in de klassieke zin van de alchemisten is daardoor onmogelijk. Op microscopisch niveau betekent dit dat de aard van een atoomkern tijdens de reactie niet wijzigt.
In 1917 slaagde Ernest Rutherford erin een kleine hoeveelheid stikstof in zuurstof te veranderen door een aanhoudend bombardement met alfadeeltjes (heliumkernen). Hiermee was de eerste kunstmatige transmutatie een feit.
In 1932 beschoten Ernest Walton en John Cockcroft kernen van een lithiumisotoop met protonen (waterstofkernen), waarbij telkens twee alfadeeltjes ontstonden. Zij wonnen de Nobelprijs voor Natuurkunde in 1951 voor wat populair bekendraakte als "atoomsplijting", hoewel het niet om dezelfde soort reactie ging als bij de later ontdekte splitsing van uranium.
Ontdekking van kernsplijting Enrico Fermi en zijn medewerkers waren in 1934 de eersten die uranium met neutronen beschoten. Er ontstonden stoffen met andere chemische eigenschappen en deze werden als zogenaamde transuranen geduid: elementen met atoomnummers groter dan dat van uranium. Hoewel in 1934 de mogelijkheid van uiteenvallen van zware atoomkernen in grotere brokstukken na de beschietingen met neutronen al door Ida Noddack werd geopperd, werd dit bij gebrek aan een theoretische onderbouwing toch voor onmogelijk gehouden.
Aanvankelijk zette Otto Hahn de experimenten van Fermi gezamenlijk met Lise Meitner en zijn assistent Fritz Strassmann voort. In juli 1938 moest de joodse Meitner nazi-Duitsland echter ontvluchten. Haar Oostenrijkse paspoort werd door het naziregime ongeldig gemaakt, en het was haar verboden meer dan tien rijksmark op zak te hebben. Hahn gaf Meitner zijn moeders diamanten ring mee op haar vlucht, zodat ze een grenswachter zou kunnen omkopen. Ze gebruikte die uiteindelijk niet: met de hulp van Nederlandse wetenschappers wist ze de grens over te komen. Uiteindelijk bereikte ze Zweden en vond daar veiligheid.Sutton, Mike (5 November 2018). "Hahn, Meitner and the discovery of nuclear fission". Chemistry World. Royal Society of Chemistry. Gearchiveerd op 6 juni 2023.
In Duitsland gingen Hahn en Strassmann zonder haar verder, en het verdere contact met haar verliep per brief. De aanzet van de ontdekking van kernsplijting was dat er een radioactieve stof werd gevormd die chemisch identiek bleek te zijn met barium, atoomnummer 56, wat tot dan toe dus voor onmogelijk werd gehouden. Met behulp van aanwijzingen van Meitner werd het beslissende experiment op 17 december 1938 uitgevoerd en stelde Hahn definitief vast dat er kernsplijting had plaatsgevonden. De resultaten werden op 6 januari 1939 door Hahn en Strassmann in Die Naturwissenschaften gepubliceerd.Meitner, L.; Hahn, O.; Strassmann, F. (1 March 1937). "Über die Umwandlungsreihen des Urans, die durch Neutronenbestrahlung erzeugt werden". Zeitschrift für Physik (in German). 106 (3): 249–270. doi:10.1007/BF01340321. ISSN 0044-3328.Hahn, O., Strassmann, F. Über den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle. Naturwissenschaften 27, 11–15 (1939). https://doi.org/10.1007/BF01488241 Een brief (gedateerd 16 januari 1939) met een eerste theoretische verklaring door Meitner en haar neef Otto Frisch verscheen op 11 februari 1939 in Nature.Meitner, Lise; Frisch, O. R. (February 1939). "Disintegration of Uranium by Neutrons: a New Type of Nuclear Reaction". Nature. 143 (3615): 239–240. doi:10.1038/143239a0. ISSN 1476-4687.
Gevolgen Op 16 januari 1939 arriveerde Niels Bohr uit Kopenhagen in de Verenigde Staten om verscheidene maanden in Princeton door te brengen. Hij was vooral gekomen om enkele abstracte problemen met Albert Einstein te bespreken. Net voor hij Denemarken verliet hadden Otto Frisch en Lise Meitner hem verteld over hun idee dat de absorptie van een neutron door een uraniumkern soms ertoe leidde dat die kern in twee ongeveer gelijke delen splitste, waarbij enorm veel energie vrijkwam, een proces dat al spoedig 'kernsplijting' werd genoemd (volgens George GamowGamow, George, Biografie van de fysica, Nederlandse vertaling D. Burger, uitg. W. de Haan 1962. stond de informatie in een telegram dat Meitner op 27 januari naar Bohr had gestuurd).
Meteen na zijn aankomst in de VS gaf Bohr dit idee door aan zijn voormalige student John Wheeler en anderen op de Universiteit van Princeton, en van daaruit werd het mondeling doorgegeven en bereikte ook Enrico Fermi op de Universiteit van Columbia. Als gevolg van conversaties tussen Fermi, John R. Dunning, en George B. Pegram werd toen op Columbia gezocht naar de sterke ionisatiepulsen die verwacht werden bij de zware rondvliegende fragmenten van een uraniumkern.
Op 26 of 27 januari 1939 organiseerden de George Washington-universiteit en het Carnegie Institute of Technology gezamenlijk een conferentie over theoretische natuurkunde in Washington, D.C. Fermi kwam voor deze bijeenkomst over uit New York voordat de splijtingsexperimenten in Columbia waren verricht. Na de bijeenkomst discussieerde Fermi met Bohr over kernsplijting, en Fermi noemde daarbij specifiek de mogelijkheid dat hierbij ook neutronen vrij zouden kunnen komen. Hoewel dit maar een gok was, was de implicatie daarvan, namelijk het mogelijk kunnen bestaan van een kettingreactie, aan insiders meteen duidelijk.
Nog tijdens de bijeenkomst had Enrico Fermi aan de andere deelnemers een aantal formules in verband met kernsplijting gepresenteerd. Toen een journalist van een Washingtonse krant al te ijverig notities nam, werd hij door Merle Tuve naar buiten gewerkt, maar wat hij had gehoord, verscheen in de kranten. De volgende ochtend kreeg George Gamow al een interzonaal telefoontje uit Californië van Robert Oppenheimer, die graag wilde weten wat dit allemaal betekende.
Al voordat het congres in Washington was afgelopen waren er verschillende andere experimenten in gang gezet om het bestaan van kernsplijting te bevestigen, en uit vier verschillende laboratoria (universiteit van Columbia, het Carnegie Institution of Washington, Johns Hopkins-universiteit en de Universiteit van Californië) werd bevestiging gepubliceerd in het nummer van 15 februari van Physical Review. Rond deze tijd had Bohr ook gehoord dat vergelijkbare experimenten rond 15 januari in zijn eigen laboratorium in Kopenhagen hadden plaatsgevonden. Frédéric Joliot-Curie in Parijs had ook zijn eerste resultaten gepubliceerd in de Comptes Rendus van 30 januari 1939. Vanaf dit moment verscheen er een niet aflatende stroom van publicaties over kernsplijting, zodat tegen de tijd dat J. Turner, van Princeton, een overzichtsartikel schreef in Reviews of Modern Physics op 6 december 1939, er al haast 100 publicaties beschikbaar waren. Een volledige analyse en bespreking van deze artikelen verscheen in het artikel van Turner en elders.
De betrokken onderzoekers hadden zich al vroeg gerealiseerd dat kernsplijting zou kunnen worden toegepast voor het opwekken van energie en voor het creëren van bommen. Tijdens de Tweede Wereldoorlog legden zowel de geallieerden als de Duitsers zich toe op de militaire toepassing van kernsplijting. Het was uiteindelijk het Manhattanproject van de Verenigde Staten, met Canadese en Britse medewerking, dat in 1945 de atoombommen opleverde waarmee de Amerikaanse luchtmacht Hiroshima en Nagasaki in de as legde.
Mechanismen De stabiliteit van een atoomkern wordt bepaald door de sterke kernkracht. Op grond van louter elektromagnetische kracht zou de kern, die uitsluitend uit neutronen en protonen bestaat, uit elkaar gerukt worden door de onderlinge afstoting van de positief geladen protonen.
Gestimuleerde kernsplijting treedt op wanneer in een laboratorium, in een reactor of in een wapen atoomkernen worden beschoten met andere deeltjes zoals neutronen.
Spontane kernsplijting betekent dat een atoomkern van nature onstabiel is en zichzelf ontbindt in kleinere kernen. Natuurlijke radioactiviteit is het gevolg van spontane kernsplijting bij elementen die in de natuur voorkomen.
Sterke kernkracht
De sterke kernkracht is op zeer kleine schaal verantwoordelijk voor de interne structuur van kerndeeltjes (protonen en neutronen), die telkens uit 3 quarks bestaan. Ze blijft echter in kleinere mate voelbaar op de grotere schaal van interactie tussen kerndeeltjes onderling, in de vorm van de Yukawa-potentiaal. Het blijkt dat de stabielste isotopen een kern hebben die bestaat uit een even aantal protonen en een even aantal neutronen. Andere configuraties, vooral de combinatie van een oneven aantal protonen met een oneven aantal neutronen, vallen spontaan uit elkaar of zijn relatief gemakkelijk te splijten. Hieruit volgt dat de kern van uraan-236, die uit 92 protonen en 144 neutronen bestaat, erg stabiel is. Spontane splijting van deze isotoop komt dus zelden voor. Daarentegen is het juist de toevoeging van een neutron aan een kern van uraan-235, dus met precies dezelfde configuratie van protonen en neutronen, die resulteert in de klassieke splijting van uranium in kernreactoren.
Gestimuleerde kernsplijting: de kernreactie thumb|Een voorbeeld van een splijtingsreactie.Een kernreactie wordt in gang gezet door een atoomkern te bombarderen met een ander subatomair deeltje. Als een vrij neutron met een geschikte kinetische energie wordt ingevangen door de kern van een splijtbaar atoom raakt de kern in een aangeslagen toestand. Deze onstabiele kern deelt zich dan in verschillende splijtingsproducten: atoomkernen van andere elementen (brokstukken van min of meer willekeurige grootte (zie figuur) van de oorspronkelijke kern), gammafotonen, neutrino's en snelle neutronen.
De energieverdeling is typisch ongeveer 3,5% gammastraling, 2,5% snelle neutronen en 94% in de kinetische energie van de brokstukken, die door de elektrostatische afstoting versneld worden tot 3% van de lichtsnelheid. Bij een kernwapen wordt door de lading en snelheid van deze brokstukken ook zachte röntgenstraling gevormd.
Bijzonder bij gestimuleerde kernsplijting is dat het invangen van één neutron het vrijkomen van meerdere neutronen kan veroorzaken. Hierdoor kunnen de vrijgekomen neutronen ook weer andere kernen splijten en ontstaat de mogelijkheid van een kettingreactie. De energie die vrijkomt bij één splitsingsreactie ligt in de orde van 100 miljoen eV. Bij chemische reacties zijn dat hooguit enkele eV, zodat de energieopbrengst gigantisch genoemd kan worden, als er inderdaad een kettingreactie optreedt en een aanzienlijk percentage van de kernen zich splijt. Een kerncentrale heeft in de orde van honderden tonnen uranium in de reactor, een kernwapen bevat enkele kilo's uranium of plutonium.
Ongeveer een duizendste van de massa van de gespleten splijtstof wordt omgezet in energie. De orde van grootte van de energie in relatie tot de massa van de gespleten splijtstof (energiedichtheid) is daarmee 100 TJ/kg.
Een bekende splijtbare isotoop is uraan-235, waarmee vele splijtingsreacties mogelijk zijn. Enkele voorbeelden zijn:
235U + 1 neutron 2 neutronen + 92Kr + 142Ba + E (energie) 235U + 1 neutron 2 neutronen + 94Sr + 140Xe + E 235U + 1 neutron 3 neutronen + 90Kr + 143Ba + E
Spontane kernsplijting: radioactief verval