הצגת המקור של הדף "ביקוע גרעיני"

{{פישוט}}
'''ביקוע גרעיני''' (ב[[אנגלית]]: '''Nuclear fission''') הוא תגובה [[פיזיקה|פיזיקלית]] שבה [[גרעין האטום|גרעין אטום]] מתפצל לגרעינים קטנים יותר תוך פליטה של [[נייטרון|נייטרונים]]. תופעה זו מתרחשת בגרעינים של יסודות כבדים ומלווה בשחרור של [[אנרגיה]] רבה, הנפלטת בצורת [[אנרגיה קינטית]] של תוצרי הביקוע ו[[קרני גמא]].

הביקוע הגרעיני, או, ליתר דיוק, [[תגובת שרשרת]] של ביקוע גרעיני, הוא הבסיס לפעולתם של [[כור גרעיני]], שבו הביקוע הגרעיני נעשה בצורה איטית ומבוקרת, ושל [[פצצת ביקוע גרעיני|פצצת אטום]], שבה הביקוע הגרעיני נעשה בצורה מהירה ביותר. פצצות מסוג זה [[הטלת פצצות האטום על הירושימה ועל נגסאקי|הוטלו על הירושימה ועל נגסאקי]] בשלהי [[מלחמת העולם השנייה]] על ידי [[ארצות הברית]].

==תיאור פיזיקלי==
[[קובץ:Nuclear fission.svg|שמאל|ממוזער|200px|דוגמה של ביקוע גרעיני של [[אורניום-235|אורניום־235]]: ניטרון מתחבר לגרעין אורנים 235 והופך אותו לאורניום 236 בלתי יציב שמתפרק לשני יסודות חדשים ויציבים יותר – [[באריום]] ו[[קריפטון]]]]
גרעינים של יסודות כבדים אינם יציבים כמו אלה של יסודות קלים יותר. הכוח שמחזיק ביחד את ה[[נוקליאון|נוקליאונים]] (ה[[פרוטון|פרוטונים]] וה[[נייטרון|נייטרונים]]) בגרעין הוא כוח קצר טווח, [[הכוח הגרעיני]], שעוצמתו דועכת בחדות מעל מרחק של כ־2 [[פמטומטר]]. זאת, לעומת [[הכוח האלקטרומגנטי]] שהטווח שלו אינסופי וגורם לדחיה בין הפרוטונים בגרעין. בגרעינים כבדים, הדחיה החשמלית מתגברת על המשיכה של הכוח קצר הטווח, והם מתפרקים. ההתפרקות הנפוצה היא [[התפרקות אלפא]], בה נפלט מהגרעין המקורי גרעין של [[חלקיק אלפא]], שהוא גרעין של ה[[איזוטופ]] [[הליום]]־4. אולם לעיתים, ובמיוחד בגרעינים כבדים במיוחד, ההתפרקות היא יותר דרמטית, ובה הגרעין הכבד מתפרק לשני גרעינים קלים יותר (המכונים "תוצרי ביקוע") ולמספר נייטרונים. תהליך כזה מכונה '''ביקוע גרעיני'''.

היציבות הגדולה יותר של התוצרים, משמעותה היא שהם נמצאים בסך הכל במצב אנרגטי נמוך יותר, שמתבטא (על פי עקרון שקילות האנרגיה והמסה – [[E=mc²]]) במסה קטנה יותר של התוצרים. האנרגיה העודפת שונה במקצת בהתאם לגרעין המתבקע ולתוצרי הביקוע, אך עומדת על כ־200 [[אלקטרון וולט|MeV]], כלומר כאלפית מהמסה של הגרעין (כשהיא מתורגמת לאנרגיה). אנרגיה זו נפלטת הן כאנרגיה קינטית של התוצרים השונים, והן כקרני גמא.

ביקוע גרעיני יכול להתרחש באופן ספונטני. אולם החשיבות של התופעה היא התרחשותה כתוצאה מפגיעה של נייטרון בגרעין. הנייטרון נבלע בגרעין, והופך אותו לאיזוטופ אחר, בעל מספר מסה גבוה יותר, ובדרך כלל לא במצב היסוד אלא ב[[עירור|מצב מעורר]]. עבור גרעינים מסוימים לגרעין מעורר זה יש סיכוי גבוה להתפרק בביקוע גרעיני. החשיבות של הביקוע כתוצאה מפגיעת נייטרון היא מכיוון שבכל ביקוע נפלטים עוד נייטרונים, הם בעצמם יכולים לגרום לביקוע דומה בגרעינים אחרים, וכן הלאה. תופעה זו נקראת '''[[תגובת שרשרת גרעינית]]'''.

===חומר בקיע===
ישנם איזוטופים כבדים רבים (כבדים מ[[רדיום]]) שיכולים לעבור ביקוע כתוצאה מפגיעה של נייטרונים מהירים. אולם עבור רובם, האנרגיה הקינטית של נייטרון הדרושה לשם כך שיהיה סיכוי גדול ומשמעותי שהוא יבקע את הגרעין גבוהה מהאנרגיה הממוצעת שיש לנייטרון שנפלט בביקוע. לכן בחומרים כאלה לא יכולה להתפתח [[תגובת שרשרת גרעינית]], והם אינם נחשבים ל[[חומר בקיע|חומרים בקיעים]].

יש מספר איזוטופים בהם יש סיכוי משמעותי שגם פגיעה של נייטרון שנפלט בביקוע יגרום בעצמו לביקוע נוסף. איזוטופים אלה נקראים איזוטופים בקיעים, והם החומר החיוני בכל מתקן גרעיני.

תכונה חשובה של [[איזוטופ]]ים אלה היא שהסיכוי לביקוע שלהם גדל עוד יותר (בכשלושה סדרי גודל) עבור נייטרונים איטיים, שהאנרגיה שלהם נמוכה משמעותית מהאנרגיה שיש לנייטרונים שנפלטים בביקוע. בגלל זה ב[[כור גרעיני|כורים גרעיניים]] משתמשים בחומרים מאיטי נייטרונים, כמו [[מים כבדים]] או [[גרפיט]] על מנת להגביר את תגובת השרשרת.

איזוטופים בקיעים מאופיינים ב[[מספר אטומי]] זוגי, ו[[מספר מסה]] אי זוגי. החומר הבקיע היחידי שנמצא בטבע בכמויות משמעותיות הוא [[אורניום-235|אורניום־235]]. חומר בקיע נפוץ נוסף הוא [[פלוטוניום-239|פלוטוניום־239]] שמסונתז באופן מלאכותי מ[[אורניום-238|אורניום־238]], ויש שימוש גם ב־[[אורניום 233]], שמסונתז גם הוא באופן מלאכותי.

===תוצרי הביקוע===
<!-- [[תוצרי ביקוע]] מפנה לפה. לא לשנות את שם הפסקה בלי לשנות בהתאם שם-->
אין תוצרי ביקוע קבועים עבור גרעין מסוים, אלא הוא יכול להתפרק באחת מצורות רבות אפשריות. תוצרי הביקוע גם אינם שווים או קרובים בגודלם. כמו למשל, ב[[אורניום 235]] בדרך כלל [[מספר מסה|מספר המסה]] של התוצר הכבד יותר הוא לרוב בסביבות 135, ושל הקל יותר בסביבות 95. לעיתים נדירות יש שלושה תוצרי ביקוע ולא שניים, כאשר התוצר הקל יותר הוא גרעין בעל מספר נוקליאונים בודדים.

דוגמאות לאופנים אפשריים של ביקוע הן:

:<math>\ ^{235}U + ^1 n \rarr ^{236}U^* \rarr ^{92}Kr + ^{141}Ba + 3 ^1 n </math>
: <math>\ ^{235}U + ^1 n \rarr ^{236}U^* \rarr ^{90}Kr + ^{144}Ba + 2 ^1 n </math>
: <math>\ ^{235}U + ^1 n \rarr ^{236}U^* \rarr ^{90}Rb + ^{143}Cs + 3 ^1 n </math>
:<math>\ ^{239}Pu + ^1 n \rarr ^{240}Pu^* \rarr ^{94}Sr + ^{144}Ba + 2 ^1 _0 n </math>

באופן כללי, היחס בין מספר הנייטרונים לפרוטונים בגרעין גדל עם גודל הגרעין, דבר הנובע מכך שהכוח הגרעיני שמחזיק את הגרעין פועל לטווח קצר יותר מאשר הכוח החשמלי הדוחה בין הפרוטונים, וכדי לשמור על היציבות יש צורך ביותר נייטרונים בשביל לאזן את הדחיה בין הפרוטונים. משום כך, תוצרי הביקוע הם איזוטופים, בהם היחס בין מספר הנייטרונים למספר הפרוטונים גדול מאשר יש לגרעינים יציבים בגודל דומה, ולכן הם איזוטופים [[רדיואקטיביות|רדיואקטיביים]] שעוברים שרשרת של דעיכות, רובן [[קרינת בטא|התפרקויות בטא מינוס]] אשר בכל אחת מהן נייטרון אחד הופך לפרוטון תוך פליטת [[אלקטרון]] ו[[נייטרינו|אנטי נייטרינו]]. לחלק מהתפרקויות אלו יש [[זמן מחצית חיים]] ארוך ביותר (של עד אלפי שנים), מה שגורם לכך שהחומר שנותר אחרי הביקוע נשאר [[רדיואקטיבי]] לתקופה ארוכה.

תכונה זו של תוצרי הביקוע אחראית ל[[נשורת גרעינית|נשורת הרדיואקטיבית]] שמתפזרת בעת [[נשק גרעיני|פיצוץ גרעיני]], ולפסולת הרדיואקטיבית שמצטברת במוטות הדלק הגרעיני המשומש ב[[כור גרעיני|כורים גרעיניים]], מהווה את הסכנה העיקרית בהם (כפי שקרה ב[[אסון צ'רנוביל]]), ודורשת טיפול מיוחד באחסון הפסולת לאחר השימוש.

==היסטוריה==
ב[[שנות ה-30 של המאה ה-20|שנות ה־30 של המאה ה־20]] החלו מדענים שונים (בעיקר [[אנריקו פרמי]], [[אירן ז'וליו-קירי|אירן]] ו[[פרדריק ז'וליו-קירי|פרדריק ז'וליו־קירי]]) לבצע ניסויים של "הפצצת" אורניום בנייטרונים, מתוך תקווה לבנות באופן כזה את [[נפטוניום|היסוד ה־93]] (רעיון שהתממש בסוף, אך מאוחר יותר). במהלך ניסויים אלה התגלה, שנוצרים באורניום כתוצאה מ"הפצצה" כגון זו כל מיני יסודות שונים, אך כולם אינם היסוד ה־93, אלא יסודות מוכרים מאמצע [[הטבלה המחזורית]], כגון [[לנתן]], [[ברום]], [[קריפטון]], [[טלור]] וכדומה. תוצאות אלה נראו מוזרות, והנסיינים תירצו אותן בכך שאלה אינם היסודות האלה, אלא היסודות הרדיואקטיביים הדומים להם מבחינה כימית.

במהלך [[1937]] חזרו על ניסוי זה המדענים ה[[גרמניה|גרמניים]] [[אוטו האן]] ו[[פריץ שטרסמן]]. הם גילו ופרסמו, שבעת הפגזה של אורניום על ידי נייטרונים נוצר בו איזוטופ רדיואקטיבי של היסוד [[בריום]]. מכאן הסיקה מנחתם הגולה [[ליזה מייטנר]], יחד עם אחיינה [[אוטו פריש]], שחדירת הנייטרון הנוסף לגרעין איזוטופ האורניום מערערת את יציבותו, עד שהוא מתפלג למספר גרעינים קטנים יותר. פריש [[תחדיש|טבע את המונח]] ''fission process'' ("תהליך ביקוע") בהשראת המונח ''Binary fission'' (בעברית [[פליגה]]) המתאר התחלקות [[תא]]ים [[פרוקריוטיים]].

עד מהרה החדשות הגיעו ל[[ארצות הברית]] – דרך הפיזיקאי הדני [[נילס בוהר]], ותוך מספר ימים התכנסה ב[[וושינגטון די. סי.|וושינגטון]] ועידה של פיזיקאים תאורטיקנים בנושא ביקוע האורניום. בוועידה זו השתתף גם [[אנריקו פרמי]], אשר בשיחה עם בוהר העלה את ההשערה כי במהלך הביקוע עשויים להיפלט נייטרונים נוספים, ועל ידי כך יכולה להיווצר [[תגובת שרשרת]] גרעינית.

בתקופת [[מלחמת העולם השנייה]] נערכו מחקרים רבי־היקף על הביקוע הגרעיני, הן לצורך יצירת תגובת שרשרת מבוקרת (שעליה פועל [[כור גרעיני]]) והן לצורך יצירת תגובת שרשרת לא מבוקרת (שעליה מבוססת [[פצצת אטום]]). מחקרים אלה נודעו בשם הכולל '''[[פרויקט מנהטן]]''', והם אכן השיגו את מטרותיהם: ב־[[1942]] הופעל הכור הגרעיני הראשון בתולדות האנושות, וב־[[16 ביולי]] [[1945]] פוצצה פצצת האטום הראשונה בהיסטוריה, במסגרת "[[ניסוי טריניטי]]". פחות מחודש לאחר מכן, ב־[[6 באוגוסט]] 1945, נעשה בפעם הראשונה שימוש בפצצת אטום לצרכים מלחמתיים, כשהפצצה שכונתה "[[ילד קטן]]" הוטלה על העיר [[הירושימה]] ב[[יפן]].

==שימושים==
ביקוע גרעיני הוא תגובה אנרגטית מאוד – כל ביקוע משחרר כמה מאות [[אלקטרונוולט|מא"ו]] עבור כל אטום מבוקע, לעומת כמה עשרות א"ו עבור כל תגובה יחידאית של [[חמצון]], כגון בשריפה או פיצוץ של [[TNT]]. משום כך, מאז שהתגלה הביקוע הגרעיני והאפשרות לתגובת שרשרת של ביקועים, נעשה שימוש באנרגיית הביקוע, הן לצורכי מלחמה ([[פצצת אטום]]) והן לצורכי שלום ([[כור גרעיני]]).

נוסף על כך שהביקוע הגרעיני הוא אנרגטי יותר מחמצון ושריפה, יש לו יתרונות נוספים על פני שריפת [[דלק מאובן]]: בעת ביקוע גרעיני נוצרת אנרגיה ללא פליטת [[פחמן דו-חמצני|פחמן דו־חמצני]], שהוא [[אפקט החממה|גז חממה]], ולאורניום, בניגוד ל[[פחם]] או ל[[נפט]], אין שימושים אחרים העשויים להביא לייקור מחירו. ברם, למרות יתרונות מפתים אלה, לדלק הגרעיני חסרונות גדולים בתחום הבטיחות: תאונה בכור גרעיני כמו זו שקרתה ב[[צ'רנוביל]] או כמו זו שכמעט קרתה ב[[תאונת אי שלושת המילין|אי שלושת המילין]] עלולה להביא לזיהום רדיואקטיבי ולגבות רבבות קורבנות בסביבה עצומה סביב המוקד. בעיה נוספת בהפעלתם של כורים גרעיניים היא בעיית תוצרי הביקוע, שהם חומרים רדיואקטיביים מאוד, אשר לא מתפרקים במשך אלפי שנים: הדרך היחידה להיפטר מהם באופן בטוח היא לקבור אותם בפירים עמוקים בבטן האדמה, בעומק של כמה מאות מטרים, בתוך סלע קשה ובקופסאות אטומות, כדי שהחומרים הרדיואקטיביים לא ידלפו החוצה ולא יזהמו את הקרקע או את [[מי תהום|מי התהום]]. בשל חסרונות אלה השימוש בדלק גרעיני עדיין אינו גורף, והוא מהווה מושא לדיון ציבורי נוקב.

בשנת [[1993]] הוצע סוג חדשני של [[תחנת כוח]] גרעינית, בה משולבים [[מאיץ חלקיקים]] וכור גרעיני [[מסה קריטית|תת־קריטי]]. תחנת כוח מסוג זה, הנקראת [[מגבר אנרגיה]], צפויה להיות נקייה, בטוחה וזולה לתפעול. למעשה, נבחנת האפשרות להשתמש במגברי אנרגיה לביקוע חומרים רדיואקטיביים מסוכנים לתוצרים לא מסוכנים. כך ניתן להיפטר מפסולת גרעינית במקום להטמינה. יישום זה מעורר עניין במיוחד לאור החשש משימוש עוין בפסולת גרעינית להכנת "[[פצצה מלוכלכת]]".

==ראו גם==
* [[היתוך גרעיני]]

==קישורים חיצוניים==
{{מיזמים|ויקימילון=בקוע גרעיני}}
*[http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/fission.html Nuclear Fission] מהאתר HyperPhysics של אוניברסיטת מדינת ג'ורג'יה {{אנגלית}}
*{{דוידסון|ארז גרטי|ביקוע גרעיני|tikshuv/physics/ביקוע-גרעיני|18 ספטמבר 2011}}
* {{בריטניקה}}
* {{דף שער בספרייה הלאומית|987007536102605171|ביקוע גרעיני}}

{{בקרת זהויות}}

[[קטגוריה:פיזיקה גרעינית]]
[[קטגוריה:כימיה גרעינית]]