NENÍ TO TAK JEDNODUCHÉ

Schéma exotermických a endotermických reakcí.
Energetické změny, které probíhají při těchto reakcích, si můžeme znázornit na mechanickém modelu.
V případě a. je znázorněn vznik stabilního útvaru snížením potencionální energie jeho částí, v případě b. rozdělením složeného útvaru vzniknou dvě stabilnější části opět snížením jejich potenciální energie. Tyto dva modely představují schéma reakcí exotermických. Případy c. a d. jsou modely reakcí endotermických.

Hovořili jsme o reakcích, při kterých se uvolňuje energie. Takové reakce nazýváme exotermické. Uvolněná energie je úměrná úbytku klidové hmotnosti při reakci. Opačné reakce, při kterých musíme energii dodávat, se nazývají endotermické. Dodaná energie je úměrná zvýšení klidové hmotnosti při reakci. Zapišme si jadernou reakci jednoduše jako a + b ®c + d, kde a, b jsou částice či jádra do reakce vstupující a c, d jsou produkty reakce. O typu reakce pak rozhodne energie reakce
Q = (ma + mb - mc -md ). c2, která vyjadřuje rozdíl součtu klidových energií částic vstupujících do reakce a součtu klidových energií produktů reakce. Jestliže Q > 0, jde o reakci exotermickou, jestliže Q < 0, jedná se o reakci endotermickou. Pokud je
Q = 0, nazýváme takovou reakci pružným procesem, při němž hmotnosti částic před a po reakci zůstávají stejné.

Ne každá exotermická reakce však probíhá samovolně.
Např. k tomu, aby hořelo uhlí, ho musíme zapálit dodat počáteční impulz pro rozběh reakce. Pro nastartování jaderné syntézy musí jádra překonat bariéru odpudivých elektromagnetických sil. Podobně je tomu i pro reakci štěpení uranu. Samovolně se uran štěpí s obrovským poločasem rozpadu asi 1016 let. Pro energetické využití musíme reakci štěpení urychlit.

Některé vlastnosti atomového jádra můžeme odvodit z modelu jádra jako kapky kapaliny. Kvalitativně dobře se dá tímto modelem vysvětlit například štěpení i syntéza jader.

Začneme s kapkou rtuti. Ze zkušenosti víme, že kapka rtuti se rozdělí, jestliže překonáme sily povrchového napětí, např. klepnutím skleněnou tyčinkou. Podobně i jádro atomu můžeme s určitým omezením považovat za kapku jaderné kapaliny. Během štěpení se původně kulové jádro deformuje, zvětšuje svůj povrch a proti silám povrchového napětí musí konat práci. Současně pomalu klesá odpuzování elektrickými silami mezi protony jádra. Nakonec se kapka zaškrtí, elektrostatické odpuzování nabyde převahy nad silami povrchového napětí a oddělí obě části jádra, které se od sebe rozletí velkou rychlostí asi 10 000 km.s-1. Proto štěpení bude probíhat pouze tehdy, jestliže jádru dodáme energii větší, než je bariéra štěpení (způsobená vlivem povrchové energie) tzv. aktivační energie Ea. Počátečním podnětem pro štěpení, "klepnutím" do jádra, může být např. interakce jádra s neutronem. Neutron je zvláště výhodný, neboť nenese elektrický náboj a nemusí překonávat bariéru odpudivých elektrických sil protonů tak jako nabité částice. Bariéra štěpení Ea klesá se zvyšující se nestabilitou jader, která je vyjádřena parametrem štěpení Z2/A:
Jádra, pro která je Z2/A > 45, nemohou existovat, neboť taková jádra se po vytvoření ihned samovolně rozštěpí. Pro některá těžší jádra stačí pro aktivaci štěpení energie získaná zachycením neutronu.
Tímto způsobem si můžeme vysvětlit i rozdíl v charakteru štěpení izotopů uranu 235U a 238U.

Průběh potenciální bariéry při štěpení těžkého jádra
(kapkový model jádra).

Zatímco 238U lze štěpit pouze rychlými neutrony, 235U se štěpí
i pomalými neutrony s minimální energií.
V čem tento rozdíl spočívá?

  1. Jádro 235U má větší hodnotu Z2/A než 235U, a tedy i menší výšku bariéry Ea.
  2. Vazebná energie neutronu k jádru 235U je větší než k jádru 238, což plyne z toho, že z jádra 235U se záchytem neutronu stává sudo - sudé jádro (má sudý počet protonů i neutronů). Tento typ jader je velmi stabilní. Uvolněná vazebná energie neutronu může převýšit bariéru štěpení Ea.

Vazebná energie neutronu k jádru 235U převyšuje i při minimální kinetické energii neutronu výšku bariéry štěpení, zatímco pro štěpení 238U je nutné použít neutrony s minimální kinetickou energii 1 MeV.
Vzhledem k tomu, že při procesu štěpení jádra uranu je emitováno i několik neutronů, otvírá se. zde možnost realizace řetězové reakce, vhodné pro energetické využití v jaderných reaktorech. Dnes je jadernou energetikou produkováno asi 17% světové výroby elektrické energie.