Wstęp

Już w starożytności powstało przeświadczenie, że wszystko wokół zbudowane jest z maleńkich elementów, które charakteryzują się ogromną różnorodnością. Ta różnorodność właśnie powoduje , że świat jest taki bogaty w kształty i kolory. Pierwsze doniesienia odnoszące się do czegoś co dziś nazywa się atomami pochodzą z IV wieku przed naszą erą. Odkryto je w Chinach. Po raz pierwszy w tych pismach została postulowana granica podzielności materii. W średniowieczu starożytne poglądy o budowie materii zostały zarzucone. Taka sytuacja miała miejsce aż do wieku dziewiętnastego kiedy to Dalton sformułował założenia teorii atomistycznej. Wcześniej co prawda nieliczni uczeni przyjmowali taki porządek świata ale nic to nie wnosiło do ich koncepcji badań..

Dokładne postulaty Daltona mówią , że:

- wszystkie substancje składają się z atomów zachowujących swoją indywidualność we wszystkich procesach chemicznych

- wszystkie atomy danego pierwiastka mają identyczne własności, natomiast atomy różnych pierwiastków różnią się między sobą

- związki chemiczne powstają na skutek łączenia się atomów.

Dalton wprowadził także rozróżnienie między atomem a cząsteczką. Nie od razu natomiast zaczęto zastanawiać się nad rozmiarami atomów. Postulowano tylko, że są niewielkie natomiast nie było narzędzia do ich wyznaczenia.

Atomy rzeczywiście są bardzo małych rozmiarów, średnica mieści się w zakresie 10- 10m. Natomiast późniejsze badania dowiodły, że atom nie jest niepodzielny, jak postulował Dalton. Składa się bowiem z jądra i rozmieszczonych w chmurze elektronowej elektronów. Rozmiary jądra to około 10m.

Jądro zbudowane jest z nukleonów. Nazwą tą określa się neutrony i protony. Ich masy są zbliżone. Natomiast jeśli chodzi o ładunki to neutron jest elektrycznie obojętny, a proton obdarzony jest ładunkiem dodatnim. Z tego powodu jądro również jest dodatnio naładowane, a ładunek ilościowo równy jest ładunkowi protonów. Liczbie protonów w jądrze równa jest ilość elektronów w chmurze elektronowej. Ponieważ elektrony obdarzone są ładunkiem ujemnym, co do wartości równym ładunkowi protonów, więc atom jest elektrycznie obojętny.

Ponieważ masa elektronu jest około 1840 razy mniejsza od masy protonu czy neutronu przyjmuje się, że cała masa atomu skupiona jest w jądrze.

Jednostką masy atomowej jest tzw. atomowa jednostka masy - u. Jest ona równa masie 1/ 12 masy atomu izotopu węgla C12. Jest więc równa: 1 u = 1.66 · 10 kg. Można ją również przedstawić w jednostkach energii.

Do określenia liczności materii zostało wprowadzone pojęcie mola. Jeden mol zawiera taką liczbę atomów ile atomów znajduje się w 12 gramach izotopu węgla C12. W jednym molu znajduje się ok. 6.02 × 10 cząsteczek, atomów, jonów, elektronów lub innych cząstek. Liczba ta jest nazywana liczbą Avogadra. Masa jednego mola jest liczbowo równa masie atomowej lub cząsteczkowej, ale wyrażona jest w gramach. Jest to wygodne we wszelkiego rodzaju obliczeniach.

Liczbę nukleonów w jądrze nazywa się liczbą masową, natomiast liczba protonów i zarazem liczba elektronów to liczba atomowa. Liczba atomowa decyduje o położeniu pierwiastka w układzie okresowym.

Liczba masowa atomu jest liczbą całkowitą i co charakterystyczne nie jest równa masie atomowej. Decydują o tym dwa zjawiska. Po pierwsze ani masa protonu ani masa neutronu nie jest dokładnie równa 1u, tylko większa. Po drugie występuje zjawisko zwane defektem masy. Suma mas cząstek bowiem, z których zbudowane jest jądro jest zawsze większa od rzeczywistej masy jądra. Wynika to z faktu, iż podczas syntezy jądra wydziela się energia, którą można obliczyć ze słynnego wzoru Einsteina dotyczącego równoważności masy i energii.

Nukleony.

Wiadomo już, że masy atomowe izotopów poszczególnych pierwiastków przyjmują wartości zbliżone do liczb całkowitych. Jest to wynikiem faktu, iż jądro, które skupia w sobie w zasadzie całą masę atomu jest zbudowane z dwóch rodzajów cząstek zwanych ogólnie nukleonami. Są to neutrony i protony. Masa każdego z nich zbliżona jest do jedności. Proton inaczej to jądro najlżejszego izotopu wodoru. Masa protonu wynosi dokładnie 1.0072764 u czyli atomowych jednostek masy. Ładunek protonu jest dodatni.

Neutron natomiast jest cząstką pozbawioną ładunku elektrycznego. Jego masa wynosi zaś 1.008665 u. Jest wiec troszkę większa od masy protonu.

Zatem liczba protonów w jadrze określa jego całkowity ładunek dodatni. Liczba ta równa jest liczbie atomowej Z danego pierwiastka.

O masie całkowitej jądra stanowią zaś obie cząstki czyli protony i neutrony. Łączn liczba nukleonów w jądrze równa jest liczbie masowej danego pierwiastka oznaczanej jako A.

Niektóre pierwiastki występują w kilku odmianach izotopowych. Izotopy tego samego pierwiastka mają taką samą liczbę protonów w jądrze, różnią się natomiast liczbą neutronów.

Pojęcie izotopów można przybliżyć na podstawie wodoru.

Jądro wodoru, najlżejsze jadro występujące w przyrodzie składa się tylko z pojedynczego protonu. Liczba atomowa tego atomu wynosi zatem 1 , liczb masowa także równa się jedności. Ten izotop wodoru został nazwany prot.

Drugim izotopem wodoru jest deuter. Zawiera on w jądrze jeden proton i jeden neutron. Jego liczba atomowa dalej równa się jeden, ale liczba masowa już wynosi 2.

Trzecim izotopem wodoru jest tryt. Zawiera on w jądrze jeden proton i dwa neutrony. Zatem jego liczba masowa wzrasta do trzech.

Widać wiec, że wodór występuje w trzech odmianach izotopowych. Oczywiście najbardziej rozpowszechniony jest prot.

Należy jeszcze pamiętać o tym, że wodór jest jedynym pierwiastkiem , którego izotopy otrzymały własne symbole chemiczne. I tak litera H oznacza prot, D deuter, a T to tryt. Dla pozostałych pierwiastków izotopy oznacza się takim samym symbolem, dla każdego zapisując wartość liczby masowej.

Atomy izotopów tego samego pierwiastka zawierają taką samą liczbę elektronów na powłokach elektronowych. Ponieważ w izotopach ładunek jądra nie ulega zmianie zatem elektrony przyciągane są w każdym przypadku z taką samą siłą i ich zachowanie nie zmienia się. Stąd właśnie wynika fakt, iż własności chemiczne izotopów danego pierwiastka są takie same.

W celu wykrycia obecności izotopów pierwiastka i oznaczenia ich zawartości stosuje się specjalną technikę badawczą zwaną spektrometrią masową.

Wyniki licznych badań pozwoliły na ustalenie składu izotopowego poszczególnych pierwiastków. Wiadomo także , że skład ten jest praktycznie stały i nie ma znaczenia skąd pochodził badany materiał. Widać wiec, że pierwiastki występują w postaci mieszaniny izotopowej. Niektóre z nich mają więcej izotopów a niektóre mniej. Największa liczbę trwałych izotopów stwierdzono w przypadku cyny. Jest ich aż 10. Są również pierwiastki , które mają tylko jeden trwały izotop. Do takich pierwiastków należą m.in. : sód, fluor, glin , fosfor, mangan , kobalt.

Co ciekawe są to pierwiastki o nieparzystych liczbach atomowych.

Nukleony tworzące jadro charakteryzują się bardzo małymi objętościami . Rozmiary jader są bowiem bardzo małe, rzędu m. W tak małym jądrze protony obdarzone ładunkami jednoimiennymi muszą zatem odpychać się z dużymi siłami. Jak to się jednak dzieje, że jadra są układami bardzo trwałymi? Wynika z tego, że oprócz sił odpychania muszą w jadrach występować jeszcze inne siły , które przewyższają to odpychanie. I faktycznie tak jest .

Siły te noszą nazwę sił jądrowych. Są to siły krótkiego zasięgu i ulegają szybkiemu zanikowi w miarę wzrostu odległości między cząstkami. Siły jądrowe są bardzo silne wówczas jeśli odległość miedzy dwoma nukleonami nie przekracza rozmiarów jądra.

Działaniom sił jądrowych podlegają w takim samym stopniu protony jak i neutrony. Energię oddziaływań między nukleonami można obliczyć mając świadomość jednej bardzo ważnej rzeczy. Mianowicie na podstawie teorii względności Einsteina można założyć, że w przyrodzie zachodzą procesy , w których zmiana masy układu zachodzi nie na skutek wymiany materii ale wymiany energii. Jeśli zatem nastąpi zmniejszenie masy układu o m to wówczas układ odda energię , która można obliczyć ze wzoru:

Jest to słynny wzór Einsteina mówiący o równoważności masy i energii.

Teraz można już wrócić do jąder atomowych i energii wiązań. Liczne doświadczenia wskazują na to, że masa jądra atomowego składająca się z Z protonów i (A-Z) neutronów jest mniejsza od sumy mas tworzących je nukleonów. Różnica ta nosi nazwę defektu masy M. Znając defekt masy można teraz na podstawie wzoru Einsteina obliczyć energię wiązania jądra. Po podzieleniu otrzymanej wartości przez liczbę nukleonów otrzymuje się energię wiązania przypadająca na jeden nukleon w jądrze.

Dla potrzeb fizyki jądrowej wygodnie jest wyrażać masę w atomowych jednostkach masy a energię w elektronowoltach. Jeden elektronowolt równy jest energii kinetycznej elektronu, który przebył w polu elektrycznym drogę, wzdłuż której nastąpił spadek potencjału o 1 wolt.

Zatem można łatwo przeliczyć, że :

Łatwo można obliczyć energię , która odpowiada zanikowi 1 u masy. Jest to wartość równa :

Po zestawieniu energii wiązań dla jąder wszystkich pierwiastków można stwierdzić, że dla większości z nich energia wiązania nukleonu mieści się w przedziale od 7 do 8.7 MeV.Na tej podstawie można wykreślić krzywą zależności energii wiązania nukleonu od liczby masowej jądra. Wartość 8.7 czyli wartość maksymalna odpowiada energii wiązania w jądrach o liczbie masowej 56. Jest to izotop żelaza. Od tego punku krzywa opada w obie strony. W stronę mniejszych liczb masowych stromo, natomiast w stronę cięższych jader spadek jest łagodny.

Na podstawie tego wykresu widać także w jaki sposób można uzyskać energię z przemian jądrowych. I tak np. jeżeli nastąpi rozbicie jądra ciężkiego na dwa jądra lżejsze o liczbach masowych zbliżonych do wartości 55 wydzieli się duża ilość energii. Drugi sposób to synteza jąder cięższych z jader najlżejszych czyli wodoru czy helu.

Zarówno w pierwszym jak i w drugim przypadku energia wiązania przypadająca na jeden nukleon ulega wzrostowi i dlatego będzie dochodziło do wydzielania się energii w tych układach. Powstałe w obu procesach jądra będą charakteryzowały się większą stabilnością niż wyjściowe jądra i wobec tego trudniej będzie je rozbić.

W chwili obecnej oba wymienione procesy wykorzystywane są do uzyskiwania energii jądrowej. Pierwszy to reakcje rozszczepienia a drugi to reakcje syntezy termojądrowej.

Wśród jąder izotopów naturalnych lub sztucznych występują takie , które mają tendencje do ulegania rozpadom. Rozpady te są samorzutne, a w ich wyniku powstaje nowe stabilniejsze jądro i emitowane są rozmaite cząstki. Zjawisko samorzutnego rozpadu zostało nazwane promieniotwórczością. Zostało ono odkryte w końcu dziewiętnastego wieku przez uczonego o nazwisku Becquerel.

Po przeprowadzeniu licznych badań i analiz okazało się, że trwałość jąder związana jest ze stosunkiem liczny neutronów do liczby protonów w tychże jądrach. Analizując ten stosunek dla jąder izotopów o różnych liczbach atomowych można zauważyć, że w jądrach o liczbach atomowych nie większych niż 20 ten stosunek jest bardzo zbliżony do jedności. Natomiast w miarę zwiększania się liczby atomowej zaczynają w jądrach przeważać neutrony, zatem ten stosunek będzie większy. Obliczono, że może wzrosnąć do 1.6. W obrębie tego samego pierwiastka dla jego różnych izotopów zmiany tego stosunku są nieznaczne.

Jeśli w jądrze pojawi się duży nadmiar neutronów lub duży niedobór wówczas jadro takiego izotopu jest nietrwałe . W celu uzyskania trwałości będzie ono ulegało rozpadowi promieniotwórczemu lub całemu szeregowi rozpadów.

Jądra, które mają nadmiar neutronów chętnie pozbywają się go ulegając przemianie promieniotwórczej beta minus. W wyniku tej przemiany jądro emituje elektron powstający na skutek neutronu w proton. Zachodzi wiec następująca przemiana:

Dodatkowa cząstka, która powstaje w tej przemianie czyli  to tzw. antyneutrino. Jest to pozbawiona ładunku elektrycznego, prawdopodobnie o bardzo małej masie spoczynkowej.

Dzięki przemianie neutronu w proton nowe jądro ma o jeden większą liczbę atomową. Jest to wiec nowy pierwiastek położony w układzie okresowym o jedno miejsce dalej od jądra wyjściowego. Jako przykład takiej przemiany można podać rozpad promieniotwórczego izotopu węgla.

Jeśli w jądrach dominują protony wówczas jadra takie mają tendencję do rozpadów typu beta plus. Podczas tego procesu emitowane są pozytony czyli antycząstki dla elektronów. Różnią się one od elektronów tylko znakiem ładunku. Bezwzględna wartość ładunku zaś jest taka sama dla obu cząstek. Emitowany pozyton powstaje w jądrze w wyniku przemiany protonu w neutron. Przemianę można zapisać jako:

Powstająca w przemianie cząstka  to neutrino. Własności tej cząstki są zbliżone do własności antyneutrina z wcześniejszej przemiany.

Ponieważ w wyniku tego procesu z jądra ubywa jeden proton zatem liczba atomowa nowego jądra zmniejsza się o jeden. Powstaje zatem jądro nowego pierwiastka położonego w układzie okresowym bezpośrednio za pierwiastkiem , z którego jądra powstało. Stwierdzono, że przemianie beta plus ulegają tylko sztuczne izotopy promieniotwórcze.

Jeśli jądra mają nadmiar protonów w stosunku do neutronów mogą zmniejszyć ich liczbę jeszcze w jeden sposób. Mianowicie może zachodzić także wychwytywanie przez jądro elektronów z najbliższej powłoki elektronowej

Dzięki takiemu wychwytowi możliwa jest następnie przemiana protonu w neutron. Dzięki temu następuje zmniejszenie liczby atomowej nowego jądra o jedną jednostkę. Zatem podobnie jak w przemianie beta plus następuje przesuniecie pierwiastka o jedno miejsce do tyłu w układzie okresowym.

Ponieważ wychwytywany elektron znajduje się na powłoce oznaczonej literą K zatem cały proces nosi nazwę wychwytu K. Na miejsce wychwyconego elektronu przechodzi elektron z kolejnych powłok. Ponieważ energia elektronów na dalszych powłokach jest większa od energii elektronów na powłoce K zatem nadmiar energii musi zostać wypromieniowany w postaci promieniowania rentgenowskiego.

Na trwałość jądra ma wpływ jednak nie tylko analizowany stosunek neutronów do protonów ale także masa jądra. Jeśli jądro ma dużą liczbę masową wówczas charakteryzują się mała trwałością bez względu na proporcje neutronów i protonów.

Najcięższym trwałym jądrem jest jądro izotopu bizmutu o liczbie masowej 209. Powyżej tej masy nie stwierdzono już trwałych jąder.

Jądra o dużych masach dążąc do trwałości ulegają przemianie alfa. W wyniku tej przemiany emitowane są cząstki alfa czyli inaczej jądra izotopu helu (liczba atomowa = 2, liczba masowa = 4). Z racji tego , że są to jądra zatem ładunek cząstek alfa jest dodatni. Cząstki alfa są obdarzone dosyć dużą energią. Wynosi ona około 4 MeV. Zasięg cząstek alfa w powietrzu jest jednak dużo mniejszy niż cząstek beta.

W wyniku przemiany alfa powstaje jądro o liczbie atomowej zmniejszonej o 2, a liczbie masowej zmniejszonej o 4 w stosunku do jądra wyjściowego.

Podsumowując można zatem powiedzieć, że w wyniku wymienionych przemian promieniotwórczych nietrwałych jader atomowych powstają atomy innych pierwiastków niż wyjściowe pierwiastki.

Przypomnijmy, dzięki:

  • emisji cząstki alfa powstaje pierwiastek położony o 2 miejsca na lewo w układzie okresowym,
  • cząstki beta minus o 1 miejsce w prawo
  • cząstki beta plus o 1 miejsce w lewo

Wyżej wymienione twierdzenie to tzw. reguła przesunięć Soddy'ego i Fajansa. Początkowo dotyczyła ona tylko przemiany beta plus. Potem została rozszerzona.

W wyniku każdej z wymienionych przemian mogą powstawać jadra wzbudzone. Pozbywają się one nadmiaru energii emitując promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwościach odpowiadających promieniowaniu gamma.

Szybkość rozpadu jąder izotopów promieniotwórczych można zapisać za pomocą równania:

We wzorze tym po lewej stronie występuje stosunek liczby atomów do czasu zaś po prawej stronie iloczyn liczby nierozpadniętych jeszcze jader i stałej rozpadu promieniotwórczego . Po odpowiednich przekształceniach i operacji całkowania ostatecznie otrzymujemy:

W powyższym wzorze N z indeksem zero oznacza początkową liczbę jąder izotopu promieniotwórczego.

Ważną wielkością charakteryzującą dany izotop promieniotwórczy jest czas połowiczego rozpadu. Czas ten nie zależy od początkowej liczby jąder promieniotwórczych. Można go wyrazić jako:

Izotopy promieniotwórcze mają bardzo różne czasy połowicznego rozpadu. Wahają się one od milionów lat po dziesięciotysięczne części sekundy.

W przypadku większości naturalnych izotopów promieniotwórczych powstające w wyniku ich rozpadu jadra także nie są trwałe i ulegają dalszym rozpadom. W taki właśnie sposób dochodzi do powstania szeregów promieniotwórczych. Okazuje się, że jeśli w danym preparacie promieniotwórczym dojdzie do ustalenia się stanu równowagi promieniotwórczej to można w nim odnaleźć wszystkie ogniwa danego szeregu promieniotwórczego. Stosunek ilości tych składników będzie równy stosunkowi ich okresów połowicznego rozpadu. Preparat promieniotwórczy jako całość jest źródłem promieniowania zarówno alfa jak i beta oraz gamma.

Wszystkie naturalnie występujące izotopy promieniotwórcze można skupić w trzy szeregi promieniotwórcze. I tak wyróżnia się szereg: uranowo - radowy, uranowo - aktynowy i torowy. Na początku każdego z szeregów występuje izotop o większej trwałości niż pozostałe nuklidy w szeregu. Jego rozpad następuje zatem najwolniej z całego szeregu. I tak na początku szeregu uranowo - radowego stoi izotop uranu 238, uranowo - aktynowego izotop uranu 235 a szeregu torowego izotop toru 232.

Na końcu zaś każdego z szeregów występują nuklidy niepromieniotwórcze. Nie ulegają one zatem kolejnym rozpadom.

Wymienione dotychczas procesy dotyczą naturalnych izotopów promieniotwórczych. Wiadomo jednak, że jest szereg reakcji jądrowych , które można wywołać w warunkach sztucznych czyli np. w laboratoriach czy reaktorach jądrowych.

Po raz pierwszy sztuczna reakcja jądrowa została zainicjowana przez Rutherforda w roku 1919. Uczony ten działał cząstkami alfa na atomy azotu. W wyniku zderzeń jądra azotu przekształcały się w jądra izotopu tlenu o liczbie masowej 17. Powstawał także proton.

Reakcja ta była bezpośrednim dowodem, że możliwe jest przeprowadzenie sztucznej przemiany promieniotwórczej. W obecnych czasach takich reakcji przeprowadza się bardzo dużo i to na różną skalę. W wyniku sztucznych przemian jądrowych naukowcy otrzymują zarówno takie izotopy, które występują w przyrodzie jak i takie , które do danego momentu w ogóle nie były znane. Wiadomo, że na dzień dzisiejszy znane jest 1350 sztucznych izotopów promieniotwórczych . Jest to liczba dużo większa w porównaniu z liczbą naturalnych izotopów promieniotwórczych.

Sztuczne przemiany promieniotwórcze są zapoczątkowywane poprzez bombardowanie jąder atomowych różnymi cząstkami. Mogą to być cząstki alfa, protony, neutrony itp.

Reakcje jądrowe dzieli się na cztery grupy. Są to zatem: proste reakcje jądrowe, kruszenie jąder , reakcje rozszczepienia i reakcje syntezy termojądrowej.

W prostych reakcjach jądrowych energia cząstek bombardujących nie przekracza kilkudziesięciu MeV. Podczas procesów kruszenia jąder wykorzystuje się cząstki o energiach rzędu kilkuset MeV.

Reakcjom rozszczepienia ulegają jądra niektórych ciężkich pierwiastków pod wpływem bombardowania neutronami. W wyniku rozszczepienia powstają dwa jadra lżejsze oraz neutrony w liczbie 2-3.

Reakcje syntezy termojądrowej polegają na łączeniu się jąder o najmniejszych masach w jądra cięższe.

Jądra atomowe, które powstają w wyniku bombardowania istniejących jąder różnymi cząstkami przeważnie także ulegają dalszym rozpadom. Jest to tzw. sztuczna promieniotwórczość. Po raz pierwszy zjawisko to zostało odkryte w roku 1934 przez córkę Marii Curie - Skłodowskiej, Irenę Curie i jej męża Fryderyka Joliot.

Reakcja przez nich przeprowadzona polegała na bombardowaniu cząstkami alfa jader glinu. Stwierdzili oni, że w wyniku reakcji powstały atomy fosforu 30. jest to izotop promieniotwórczy, który rozpada się z emisją pozytonów.

Okres połowicznego rozpadu izotopu fosforu wynosi 3 minuty i 15 sekund.

Od czasu odkrycia sztucznej promieniotwórczości zostało poznanych wiele reakcji , w wyniku których otrzymano sztuczne izotopy promieniotwórcze. Rozpadają się one bądź z emisją elektronu bądź pozytonu. Wszystko zależy podobnie jak i dla naturalnych izotopów od stosunku neutronów do pozytonów w jądrze atomowym. I tak jeśli w jądrze jest nadmiar neutronów to właściwy typ rozpadu dla takich jąder to beta minus. Jeśli zaś jest nadmiar protonów wówczas takie jądro rozpada się emitując pozytony. Czyli jest to rozpad beta plus.

Miejscem otrzymywania izotopów promieniotwórczych są reaktory jądrowe i cyklotrony.

Na dokładniejsze omówienie zasługują niewątpliwie szczególnie dwa typy reakcji jądrowych. Mowa reakcji rozszczepienia oraz syntezy termojądrowej.

Jak już wcześniej wspomniano reakcja rozszczepienia jądra ciężkiego zachodzi w wyniku bombardowania go neutronami. W skutek tego procesu powstają dwa jądra lżejsze , o porównywalnych masach oraz 2-3 neutrony. Reakcja taka po raz pierwszy została przeprowadzona w roku 1939 przez Hahna i Strassmanna. W czasach obecnych reakcje te powszechnie wykorzystywane są w reaktorach jądrowych.

Zjawisku rozszczepienia jąder ciężkich towarzyszy wydzielanie się energii, która jest równa defektowi masy. W procesie rozszczepienia np. jąder uranu 235 otrzymuje się produkty o różnych liczbach masowych. Przy czym zdecydowanie najwięcej powstających jąder ma liczby masowe około 95 i 140.

Prawie 85 % wydzielonej w procesie rozszczepienia energii stanowi energię kinetyczną obu powstających w reakcji produktów. Tylko niespełna 12 % to energia wydzielona w postaci promieniowania.

Jak już wcześniej zostało wspomniane w procesie rozszczepienia powstają neutrony. Są one w stanie wywoływać kolejne akty rozszczepienia. I właśnie w taki sposób powstaje jądrowa reakcja łańcuchowa. Jest to proces samopodtrzymujący się, pod warunkiem, że masa paliwa jądrowego będzie wystarczająca.

W reaktorach jądrowych ilość rozszczepień zachodzących w danej jednostce czasu utrzymywana jest na stałym poziomie. Na tym polega kontrolowana reakcja łańcuchowa.

Robi się to po to, aby zapobiec zbyt szybkiemu tempu reakcji co mogłoby doprowadzić do wybuchu. Kontroli można dokonywać przez regulowanie liczby powstających neutronów. W celu wychwytywania nadmiaru neutronów w reaktorach stosuje się pręty kadmowe lub borowe.

Do kontroli reakcji jądrowych służą również inne substancje, zwane moderatorami. Powodują one spowalnianie neutronów, czyli zmniejszają ich energię kinetyczną do momentu aż neutrony staną się neutronami termicznymi. Jest to konieczne, ponieważ neutrony prędkie charakteryzują się mniejszą efektywnością jeśli chodzi o reakcje jądrowe. Dzieje się tak dlatego ponieważ przelatują przez jądro ze zbyt dużą prędkością i jądro nie zdąży ich wychwycić. Moderator musi charakteryzować się dużym przekrojem czynnym na rozpraszanie neutronów, a mały na ich pochłanianie. Do tego celu może służyć woda lub bloki grafitowe oraz beryl i dwufenyl. Jako moderator wykorzystuje się też tzw. ciężką wodę czyli wodę wzbogaconą w izotop wodoru - deuter.

Jako paliwo w reaktorach jądrowych wykorzystuje się naturalne izotopy promieniotwórcze. Głównie jest to izotop uranu 235 lub 233 oraz izotop plutonu 239. Paliwo to dostarczane jest do reaktora w postaci prętów paliwowych.

Jeśli masa materiału rozszczepialnego jest nadkrytyczna wówczas neutrony powstające w pojedynczym akcie rozszczepienia wywołują więcej niż jedną reakcję rozszczepienia kolejnych jąder. Rozwija się lawinowa reakcja łańcuchowa. Cała masa materiału rozszczepialnego może ulec rozszczepieniu nawet w czasie równym tysięcznej części sekundy. W taki właśnie sposób następuje eksplozja bomby atomowej.

Duże ilości energii wydzielają się także w reakcjach syntezy termojądrowej. Dzieje się tak ponieważ masa dwóch lekkich jader jest większa niż masa jadra powstałego po reakcji syntezy. Różnica mas wydziela się w postaci energii. Jest jednak jedna poważna przeszkoda. Reakcje takie mogą przebiegać tylko w bardzo wysokich temperaturach. Stad właśnie nazwa tych reakcji - termojądrowe. Jeśli jednak taki proces zostanie zapoczątkowany to zostaje wytworzona taka ilość energii, która podtrzymuje potrzebna temperaturę, aż do momentu gdy cały materiał zostanie spalony.