การแบ่งแยกนิวเคลียส

การแบ่งแยกนิวเคลียส หรือ นิวเคลียร์ฟิชชัน (อังกฤษ: nuclear fission) ในสาขาฟิสิกส์นิวเคลียร์และเคมีนิวเคลียร์ เป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์หรือกระบวนการการสลายกัมมันตรังสีอย่างหนึ่งที่นิวเคลียสของอะตอม แตกออกเป็นชิ้นขนาดเล็ก (นิวเคลียสที่เบากว่า) กระบวนการฟิชชันมักจะผลิตนิวตรอนและโปรตอนอิสระ (ในรูปของรังสีแกมมา) พร้อมทั้งปลดปล่อยพลังงานออกมาจำนวนมาก แม้ว่าจะเป็นการปลดปล่อยจากการสลายกัมมันตรังสีก็ตาม

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิซชันแบบเหนี่ยวนำ นิวตรอนถูกดูดซับโดยนิวเคลียสของยูเรเนียม-235 เปลี่ยนมันให้เป็นนิวเคลียสของยูเรเนียม-236 พร้อมกับพลังงานการกระตุ้นที่เกิดจากพลังงานจลน์ของนิวตรอนบวกกับแรงที่ยึดเหนี่ยวนิวตรอนไว้ในนิวเคลียส ผลก็คือ ยูเรเนียม-236 แยกออกเป็นส่วนประกอบที่เบากว่าและความเร็วสูง(ผลผลิตจากฟิชชัน) และปลดปล่อยนิวตรอนอิสระออกมาสามตัว ในขณะเดียวกันก็ผลิต"รังสีแกมมาฉับพลัน" (อังกฤษ: prompt gamma rays) ออกมาด่วย (ไม่ได้แสดงในภาพ)

นิวเคลียร์ฟิชชันของธาตุหนักถูกค้นพบเมื่อวันที่ 17 ธันวาคม 1938 โดยชาวเยอรมัน นายอ็อตโต ฮาห์นและผู้ช่วยของเขา นายฟริตซ์ Strassmann และได้รับการอธิบายในทางทฤษฎีในเดือนมกราคมปี 1939 โดยนาง Lise Meitner และหลานชายของเธอ นายอ็อตโต โรเบิร์ต Frisch. Frisch ได้ตั้งชื่อกระบวนการนี้โดยการเปรียบเทียบกับฟิชชันทางชีวภาพของเซลล์ที่มีชีวิต มันเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน (อังกฤษ: exothermic reaction) อย่างหนึ่งซึ่งสามารถปลดปล่อยพลังงานจำนวนมากในรูปของทั้งรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและพลังงานจลน์ของชิ้นส่วนย่อยที่แตกออก (ความร้อนที่ให้กับวัสดุที่เป็นกลุ่มในขณะที่ปฏิกิริยาการแบ่งแยกเกิดขึ้น) เพื่อให้การหลอมสามารถผลิตพลังงานขึ้นมาได้ พลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียสโดยรวมขององค์ประกอบที่เกิดขึ้นจะต้องเป็นลบน้อยกว่า (พลังงานที่สูงขึ้น) กว่าพลังงานขององค์ประกอบช่วงเริ่มต้น

ฟิชชันเป็นรูปแบบหนึ่งของการแปลงพันธ์นิวเคลียส (อังกฤษ: nuclear transmutation) เพราะชิ้นส่วนที่แตกออกไม่ได้มีองค์ประกอบทางเคมีเดียวกันกับอะตอมเดิม ทั้งสองนิวเคลียสที่ถูกผลิตส่วนใหญ่มักจะมีขนาดเทียบเคียงกันแต่แตกต่างกันเล็กน้อย โดยทั่วไปมักจะมีอัตราส่วนมวลของผลิตภัณฑ์อยู่ที่ประมาณ 3 ต่อ 2 สำหรับไอโซโทปของวัสดุฟิสไซล์ธรรมดา ฟิชชันส่วนใหญ่จะเป็นฟิชชันแบบไบนารี (ผลิตชิ้นแตกที่มีประจุสองชิ้น) แต่ในบางครั้ง (2-4 ครั้งต่อหนึ่งพันเหตุการณ์) ชิ้นแตกที่มีประจุบวก 3 ชิ้นถูกผลิตออกมาในการหลอมที่เรียกว่าฟิชชันสามชิ้น (อังกฤษ: ternary fission) ชิ้นแตกที่เล็กที่สุดในกระบวนการฟิชชันสามชิ้นเหล่านี้มีขนาดในช่วงตั้งแต่โปรตอนจนถึงนิวเคลียสของอาร์กอน

นอกเหนือไปจากฟิชชันที่เกิดจากนิวตรอน ควบคุมและใช้ประโยชน์โดยมนุษย์แล้ว รูปแบบโดยธรรมชาติของการสลายกัมมันตรังสีที่เกิดขึ้นเอง (ไม่ต้องใช้นิวตรอน) จะยังถูกเรียกว่าฟิชชันเช่นกัน และมันเกิดขึ้นโดยเฉพาะอย่างยิ่งในไอโซโทปที่มีเลขมวลสูงมาก ฟิชชันเกิดเอง ถูกค้นพบในปี 1940 โดย Flyorov, Petrzhak และ Kurchatov ในมอสโก เมื่อพวกเขาได้ตัดสินใจที่จะยืนยันว่า โดยไม่ต้องมีการระดมยิงด้วยนิวตรอน อัตราการเกิดฟิชชันของยูเรเนียมจะเล็กน้อยจนไม่ต้องนำมาคำนวณได้ ตามที่ได้คาดการณ์โดย Niels Bohr; มันไม่ได้เป็นเช่นนั้น

เมฆเห็ดที่ผลิตโดยซาร์บอมบา, ขณะนี้มันเป็นอุปกรณ์นิวเคลียร์ที่ใหญ่ที่สุดที่มนุษย์เคยสร้างขึ้นในประวัติศาสตร์ เทียบกับเมฆเห็ดอื่น ๆ ของอุปกรณ์นิวเคลียร์ชนิดต่างๆ จะเห็นระเบิดปรมาณูที่ฮิโระชิมะที่มีขนาดเล็กมาก

องค์ประกอบของผลิตภัณฑ์เหล่านั้นคาดเดาไม่ได้ (ซึ่งแตกต่างกันไปในวงกว้างของความน่าจะเป็นและลักษณะที่ค่อนข้างวุ่นวาย) พวกมันทำให้ฟิชชันแตกต่างจากกระบวนการควอนตัมอุโมงค์ที่เกิดอย่างชัดเจน เช่นการปล่อยโปรตอน การสลายแอลฟาและการสลายกลุ่ม ที่ในแต่ละครั้งให้ผลิตภัณฑ์ตัวเดียวกัน นิวเคลียร์ฟิชชันผลิตพลังงานเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าและขับการระเบิดของอาวุธนิวเคลียร์ การนำไปใช้งานทั้งสองนี้เป็นไปได้เพราะสารบางอย่างที่เรียกว่าเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ทำให้เกิดการฟิชชันเมื่อพวกมันถูกกระแทกด้วยนิวตรอนฟิชชัน และส่งผลให้มีการปลดปล่อยนิวตรอนเมื่อนิวเคลียสแตกออก นี้จะทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ที่ยั่งยืนด้วยตนเอง และปล่อยพลังงานออกมาในอัตราที่สามารถควบคุมได้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรือในอัตราที่ไม่สามารถควบคุมได้อย่างรวดเร็วมากในอาวุธนิวเคลียร์

ปริมาณของ'พลังงานอิสระ'ที่มีอยู่ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์มีเป็นล้านเท่าของปริมาณพลังงานอิสระที่มีอยู่ในมวลที่คล้ายกันของเชื้อเพลิงสารเคมีเช่นน้ำมันก๊าซโซลีน ทำให้นิวเคลียร์ฟิชชนเป็นแหล่งพลังงานที่มีความหนาแน่นสูง อย่างไรก็ตามผลิตภัณฑ์ที่ได้จากนิวเคลียร์ฟิชชันโดยค่าเฉลี่ยจะมีกัมมันตรังสีมากกว่าธาตุหนักทั้งหลายที่ถูกฟิชชันตามปกติเพื่อทำให้เป็นเชื้อเพลิง และยังคงอยู่อย่างนั้นเป็นเวลานานมากอย่างมีนัยสำคัญซึ่งทำให้เกิดปัญหากากนิวเคลียร์เพิ่มขึ้น ความกังวลทั้งหลายเกี่ยวกับการสะสมของกากนิวเคลียร์และเกี่ยวกับศักยภาพในการทำลายล้างของอาวุธนิวเคลียร์อาจถ่วงดุลกับคุณภาพที่พึงประสงค์ของนิวเคลียร์ฟิชชันว่าเป็นแหล่งพลังงานแหล่งหนึ่ง และเพิ่มการอภิปรายทางการเมืองอย่างต่อเนื่องด้านพลังงานนิวเคลียร์

โดยปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่นิวเคลียสของธาตุขนาดใหญ่แยกตัวเป็นนิวเคลียสของธาตุที่มีขนาดเล็กลง เรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน ซึ่งค่อนข้างจะคุ้นหูสำหรับคนไทยเนื่องจากมีการกล่าวถึงอยู่บ่อยครั้ง ในปัจจุบันมีการนำเอาพลังงานนิวเคลียร์จากปฏิกิริยาฟิชชันมาใช้อย่างแพร่หลายในหลายประเทศ เช่น สหรัฐอเมริกา ประเทศอังกฤษ และประเทศฝรั่งเศส เป็นต้น แต่การนำเอาปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันมาใช้นั้นมีความเสี่ยงในเรื่องผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมสูงมาก ซึ่งเห็นได้จากอุบัติเหตุที่เกิดขึ้นที่โรงงานไฟฟ้าเชอโนเบิล ที่สหภาพโซเวียต ซึ่งก่อให้เกิดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมมากมายและยังคงเป็นเรื่องเศร้าใจและน่ากลัวจนถึงทุกวันนี้

อ้างอิง

1. M. G. Arora and M. Singh (1994). Nuclear Chemistry. Anmol Publications. p. 202. ISBN 81-261-1763-X.
2. Gopal B. Saha (1 November 2010). Fundamentals of Nuclear Pharmacy. Springer. pp. 11–. ISBN 978-1-4419-5860-0.
3. Петржак, Константин (1989). "Как было открыто спонтанное деление" [How spontaneous fission was discovered]. ใน Черникова, Вера (บ.ก.). Краткий Миг Торжества — О том, как делаются научные открытия [Brief Moment of Triumph — About making scientific discoveries] (ภาษารัสเซีย). Наука. pp. 108–112. ISBN 5-02-007779-8.

• Elisabeth Crawford, Ruth Lewin Sime, and Mark Walker. "A Nobel Tale of Postwar Injustice", Physics Today Volume 50, Issue 9, 26–32 (1997).

ดูเพิ่ม

• ปฏิกิริยานิวเคลียร์
• ระเบิดนิวเคลียร์ลิตเติลบอย