miniatura|Representació animada de la fissió nuclear, un neutró impacta amb un nucli i el divideix en dos nuclis més petits, alliberant-se tres neutrons que poden impactar amb d'altres nuclis recomençant el procés. miniatura|Central nuclear de fissió Una fissió nuclear és una reacció nuclear mitjançant la qual un nucli atòmic pesant es divideix en dos o més nuclis lleugers i potser altres subproductes, generalment neutrons i fotons, sovint en forma de raigs gamma. La fissió pot ser una reacció molt exotèrmica que alliberi una quantitat substancial d'energia, tant en forma de radiació electromagnètica com en forma d'energia cinètica, que escalfa el material on es produeix. Aquesta energia estava prèviament emmagatzemada com a energia d'enllaç forta entre els nucleons. La fissió nuclear és una forma de transmutació atès que els fragments que es produeixen són elements diferents de l'original.
La fissió es pot fer de diverses formes. Generalment hom bombardeja el nucli amb un neutró de l'energia adequada. Aquest neutró lliure és absorbit pel nucli, que esdevé inestable i es divideix en diverses peces (productes de fissió). Aquestes peces generalment consisteixen en dos nuclis més lleugers, dos o tres neutrons lliures i alguns fotons. La fissió nuclear també es pot induir pel bombardeig amb protons, altres nuclis, o fotons molt energètics. En alguns elements, la fissió nuclear pot fins i tot esdevenir de manera espontània. La fissió nuclear és tant més fàcil com més pesant sigui el nucli atòmic original. Els elements més habituals per produir fissió són l'urani i el plutoni.
A la fissió de l'urani 235 es produeixen uns 925 megawatts d'energia. A cada fissió es desprèn un nombre mitjà de 2,42 neutrons de fissió per a una energia neutrònica de 0,025 electró-volts (neutrons lents), o 2'07 neutrons de mitjana per a cada fissió (i majors per a energies neutroniques una mica majors). L'energia cinètica dels neutrons obtinguts per fissió és de l'ordre de dos electró-volts. Més del 99% dels neutrons produïts són instantanis i la resta són neutrons retardats. Tanmateix els productes que genera la fissió nuclear són radioactius i continuen actius durant milers d'anys, cosa que fa que el tractament dels residus radioactius sigui un problema important a considerar. La preocupació per l'acumulació i el tractament dels residus nuclears i també per l'efecte destructiu de les armes nuclears s'oposen als avantatges de l'energia nuclear obtinguda a centrals nuclears com a font d'energia primària i han fet sorgir un debat polític i social sobre la seva conveniència.
Història La fissió nuclear en cadena no és habitual a la naturalesa, fins al 1972 es va descobrir aquest fenomen a uns dipòsits de mineral a Oklo (Gabon), tot i que havia estat postulat per Paul Kuroda el 1956.On the physical stability of uranium minerals Paul K. Kuroda. Journal of Chemical Physics, vol. 25, pàg. 781–782.(1956) El físic francès Francis Perrin va descobrir a la regió d'Oklo setze llocs on fa uns dos milions d'anys s'hauria produït una fissió nuclear autosostinguda a gran escala. Aquest procés s'hauria basat en l'urani natural i la reacció hauria estat moderada per l'aigua corrent, això va ser possible perquè llavors l'urani natural era més ric que ara en l'isòtop físsil U-235, al voltant del 3%, que avui dia, que conté només un 0,7% i cal que sigui enriquit (fins al 3%) per tal de poder ser utilitzat als reactors nuclears que utilitzen aigua lleugera.
Descoberta de la fissió artificial Ernest Rutherford va ser el primer a trencar un àtom el 1917,Ernest Rutherford Collision of alpha particles with light atoms IV. An anomalous effect in nitrogen, Philosophical Magazine, 6a sèrie, vol. 37, pàg. 581-587. 1919. Disponible on-line. el seu equip va bombardejar nitrogen amb partícules alfa naturals procedents d'un material radioactiu, observant l'emissió d'un protó amb una energia més gran que la de la partícula alfa. El 1932 els seus estudiants John Cockcroft i Ernest Walton, treballant sota la seva direcció, van intentar de trencar els nuclis amb mitjans artificials, utilitzant un accelerador de partícules per bombardejar liti amb protons produint dos nuclis d'heli.J. D. Cockcroft and E. T. S. Walton (30 d'abril del 1932) Letters to the Editor: Disintegration of lithium by swift protons, Nature, vol. 129, pàg. 649. (Consultable on-line). Més tard apareixeria un informe més detallat: J. D. Cockcroft and E. T. S. Walton (1 Juliol del 1932) "Experiments with high velocity positive ions. II. The disintegration of elements by high velocity protons," Proceedings of the Royal Society of London, sèrie A, vol. 137, no 831, pàg. 229-242.
Després que el 1932 el físic James Chadwick va descobrir els neutrons,Chadwick va anunciar el seu descobriment a: James Chadwick (27 de febrer del 1932) Letters to the editor: Possible existence of a neutron, Nature, vol. 129, pàg. 312. (Disponible on-line PDF). Més tard va comunicar la seva troballa amb més detalls a: Chadwick, J. (1932) The existence of a neutron, Proceedings of the Royal Society, Sèrie A, vol. 136, pàg. 692-708 (Disponible on-line); i a: Chadwick, J. (1933) The Bakerian Lecture: The neutron, Proceedings of the Royal Society, Sèrie A, vol. 142, pàg. 1-25. el 1934 Enrico Fermi i els seus col·legues van estudiar a Roma els resultats de bombardejar urani amb neutrons, essent els primers a fer-ho però els resultats no van ser interpretats correctament fins alguns anys més tard.E. Fermi, E. Amaldi, O. D'Agostino, F. Rasetti, i E. Segrè (1934) "Radioacttività provocata da bombardamento di neutroni III," La Ricerca Scientifica, vol. 5, no. 1, pàg. 452-453. La primera persona que va mencionar la idea de la fissió nuclear va ser Ida Noddack el 1934.Ida Noddack (1934) Über das Element 93, Zeitschrift für Angewandte Chemie, vol. 47, no. 37, pàg. 653-655. (Disponible on-line en anglès).
Després de la publicació dels treballs de Fermi, a Alemanya Lise Meitner, Otto Hahn i Fritz Strassmann van començar a dur a terme experiments similars. Meitner era una jueva austríaca i el 1938 va perdre la seva nacionalitat a causa de l'Anschluss, per això va haver de fugir a Suècia des d'on va continuar col·laborant per correu i amb reunions amb Hahn a Suècia. Per una causalitat el nebot de Meitner, Otto Robert Frisch, també refugiat, era a Suècia quan va rebre una carta de Hahn descrivint alguns dels productes que resultaven de bombardejar urani amb neutrons, obtenien bari i no radi (el bari té al voltant del 60% el pes atòmic de l'urani). Frisch es va mostrar escèptic sobre la fiabilitat dels resultats però Meitner confiava en la capacitat de Hahn com a químic. Marie Curie havia separat el bari del radi durant molts anys i les tècniques eren ben conegudes.
El desembre del 1938 Otto Hahn i el seu assistent Fritz Strassmann que treballaven al Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie de Berlín van enviar un manuscrit a la revista científica Die Naturwissenschaften (Ciències Naturals) on informaven que havien detectat l'element bari després de bombardejar urani amb neutrons.O. Hahn and F. Strassmann. Über den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle ("Sobre la detecció i les característiques dels metalls alcalinoterris formats per irradiació d'urari amb neutrons"), Naturwissenschaften, volum 27, núm. 1, pàg. 11–15 (1939). Rebut el 22 de desembre del 1938. De manera simultània van comunicar els seus resultats a Lise Meitner, que juntament amb Otto Robert Frisch, va interpretar els resultats correctament com una fissió nuclear.Lise Meitner i O. R. Frisch. "Disintegration of Uranium by Neutrons: a New Type of Nuclear Reaction", Nature, volum 143, núm. 3615, pàg. 239–240 11 de febrer del 1939 Disponible on-line. L'escrit potava data del 16 de gener del 1939 i Meitner deia ser a l'Institut de Física de l'Acadèmia de Ciències d'Estocolm, mentre Frisch deia ser a l'Institut de Física Teòrica de la Universitat de Copenhaguen. Frisch va confirmar els resultats experimentalment el 13 de gener del 1939.O. R. Frisch. "Physical Evidence for the Division of Heavy Nuclei under Neutron Bombardment", Nature, volum 143, núm. 3616, pàg. 276–276, 18 de febrer del 1939 Disponible on-line . L'escrit porta data del 17 de gener del 1939. (L'experiment es va fer el 13 de gener de 1939; vegeu Richard Rhodes The Making of the Atomic Bomb. Pàg. 263 i 268 (Simon and Schuster, 1986).) El 1944 Hahn va rebre el Premi Nobel de Química pel descobriment de la fissió nuclear. Però alguns historiadors que han documentat la història del descobriment pensen que Meitner també havia d'haver estat premiada amb el Nobel conjuntament amb Hahn.Ruth Lewin Sime. From Exceptional Prominence to Prominent Exception: Lise Meitner at the Kaiser Wilhelm Institute for Chemistry Ergebnisse 24 Forschungsprogramm Geschichte der Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft im Nationalsozialismus (2005).Ruth Lewin Sime. Lise Meitner: A Life in Physics (Universitat de Califòrnia, 1997).Elisabeth Crawford, Ruth Lewin Sime, and Mark Walker. "A Nobel Tale of Postwar Injustice", Physics Today. Vol. 50, n. 9, pàg. 26–32 (1997).
El 16 de gener del 1939 Niels Bohr va arribar als Estats Units per passar uns mesos a la Universitat de Princeton, poc abans de la serva marxa de Dinamarca dos dels seus col·legues, Lise Meitner i Otto Frisch, l'havien fet coneixedor de la seva hipòtesi segons la que l'absorció d'un neutró per un nucli d'urani provocaria la seva escissió en dues parts aproximadament iguals i l'alliberament d'una enorme quantitat d'energia. Van anomenar el fenomen fissió nuclear. Aquesta hipòtesi es basava sobre la descoberta d'Otto Hahn i Fritz Strassmann que demostrava que en bombardejar urani amb neutrons s'obtenia un isòtop del bari i que havia estat publicada a la revista Die Naturwissenschaften de la Max-Planck-Gesellschaft.
Bohr havia promès de guardar el secret de la interpretació de Lise Meitner i Otto Frisch fins que publiquessin un article per tal d'assegurar la paternitat de la descoberta, però a bord del vaixell que el portava als Estats Units en va parlar amb Léon Rosenfeld sense demanar-li de respectar el secret. A la seva arribada Rosenfeld ho va comentar amb els físics de Princeton i la notícia es va expandir arribant a físics com Enrico Fermi de la Universitat de Colúmbia. Les converses entre Fermi, John Ray Dunning i George Braxton Pegram els va conduir a la recerca a Columbia sobre les radiacions ionitzants produïdes pels fragments de nuclis d'urani obtinguts després de la fissió.
El 26 de gener del 1939 va haver-hi una conferència de física teòrica a Washington DC organitzada conjuntament per la Universitat George Washington i la Carnegie Institution for Science. Fermi va deixar Nova York per participar en la conferència abans del començament d'experiments sobre la fissió a Columbia. Bohr i Fermi van discutir sobre el problema de la fissió en particular Fermi va apuntar la possibilitat que durant el procés es poguessin emetre neutrons. Tot i que només era una hipòtesi, les seves conseqüències, la possibilitat d'una reacció en cadena, eren evidents. Abans d'acabar la conferència ja s'havien publicat nombrosos articles sobre el tema i es van començar a desenvolupar experiments per confirmar la tesi de la fissió del nucli.