250px|thumb|Fisión nuclear de un átomo de uranio-235. En física nuclear, la fisión (no confundir con la fusión nuclear) es la división de un núcleo en núcleos más livianos, además de algunos subproductos como neutrones libres, fotones (generalmente rayos gamma) y otros fragmentos del núcleo como partículas alfa (núcleos de helio) y beta (electrones y positrones de alta energía), además de gran cantidad de energía. Su descubrimiento se debe a Otto Hahn y Lise Meitner, aunque solo Hahn fue el único en recibir el premio Nobel por este descubrimiento.
La fisión nuclear de los elementos pesados fue descubierta el 17 de diciembre de 1938 por el alemán Otto Hahn y su ayudante Fritz Strassmann a propuesta de la física austro-sueca Lise Meitner, quien la explicó teóricamente en enero de 1939 junto con su sobrino Otto Robert Frisch. Frisch dio nombre al proceso por analogía con la fisión binaria de las células vivas. En el caso de los nucleidos pesados, se trata de una reacción exotérmica que puede liberar grandes cantidades de energía, tanto en forma de radiación electromagnética como de energía cinética de los fragmentos. Al igual que la fusión nuclear, para que la fisión produzca energía, la energía de enlace total de los elementos resultantes debe ser mayor que la del elemento inicial.
La fisión es una forma de transmutación nuclear porque los fragmentos resultantes (o átomos hijos) no son el mismo elemento que el átomo padre original. Los dos (o más) núcleos producidos suelen ser de tamaños comparables pero ligeramente diferentes, normalmente con una relación de masas de los productos de aproximadamente 3 a 2, para fisibles comunes, isótopo común. La mayoría de las fisiones son binarias (producen dos fragmentos cargados), pero ocasionalmente (de 2 a 4 veces por cada 1000 eventos), se producen tres fragmentos cargados positivamente, en una fisión ternaria. El más pequeño de estos fragmentos en los procesos ternarios varía en tamaño desde un protón hasta un núcleo de argón.
Aparte de la fisión inducida por un neutrón, aprovechada y explotada por el ser humano, una forma natural de desintegración radiactiva espontánea (que no requiere un neutrón) también se denomina fisión, y se produce especialmente en isótopos de muy alto número de masa. La fisión espontánea fue descubierta en 1940 por Fliórov, Pétrzhak, y Kurchátov en Moscú, en un experimento que pretendía confirmar que, sin bombardeo de neutrones, la tasa de fisión del uranio era despreciable, tal y como había predicho Niels Bohr; no era despreciable.
La composición impredecible de los productos (que varían de forma ampliamente probabilística y algo caótica) distingue la fisión de los procesos puramente de efecto túnel como la emisión de protones, la desintegración alfa y la desintegración en racimo, que dan los mismos productos cada vez. La fisión nuclear produce energía para la energía nuclear e impulsa la explosión de armas nucleares. Ambos usos son posibles porque ciertas sustancias llamadas combustibles nucleares sufren la fisión cuando son golpeadas por los neutrones de fisión, y a su vez emiten neutrones cuando se rompen. Esto hace posible una reacción nuclear en cadena autosostenida, que libera energía a un ritmo controlado en un reactor nuclear o a un ritmo muy rápido e incontrolado en un arma nuclear.
La cantidad de energía libre contenida en el combustible nuclear es millones de veces superior a la cantidad de energía libre contenida en una masa similar de combustible químico como la gasolina, lo que hace de la fisión nuclear una fuente de energía muy densa. Sin embargo, los productos de la fisión nuclear son, por término medio, mucho más radiactivos que los elementos pesados que normalmente se fisionan como combustible, y permanecen así durante mucho tiempo, dando lugar a un problema de residuos nucleares. La preocupación por la acumulación de residuos nucleares y el potencial destructivo de las armas nucleares se contrapone al deseo pacífico de utilizar la fisión como fuente de energía.
Mecanismo 250px|right|thumb|Representación visual de un evento de fisión nuclear inducida donde un neutrón de movimiento lento es absorbido por el núcleo de un átomo de uranio-235, que se fisiona en dos elementos más ligeros de movimiento rápido (productos de fisión) y neutrones adicionales. La mayor parte de la energía liberada está en forma de velocidades cinéticas de los productos de fisión y los neutrones. thumb|300px|Rendimientos de producto de fisión en masa para la fisión de neutrones térmicos de U-235, Pu-239, una combinación de los dos típicos de los reactores de energía nuclear actuales, y U-233 utilizado en el ciclo del torio La fisión de núcleos pesados es un proceso exotérmico, lo que supone que se liberan cantidades sustanciales de energía. El proceso genera mucha más energía que la liberada en las reacciones químicas convencionales, en las que están implicadas las cortezas electrónicas; la energía se emite, tanto en forma de radiación gamma como de energía cinética de los fragmentos de la fisión, que calentarán la materia que se encuentre alrededor del espacio donde se produzca la fisión.
La fisión se puede inducir por varios métodos, incluyendo el bombardeo del núcleo de un átomo fisionable con una partícula de la energía correcta; la partícula es generalmente un neutrón libre. Este neutrón libre es absorbido por el núcleo, haciéndolo inestable (a modo de ejemplo, se podría pensar en la inestabilidad de una pirámide de naranjas en el supermercado, al lanzarse una naranja contra ella a la velocidad correcta). El núcleo inestable entonces se partirá en dos o más pedazos: los productos de la fisión que incluyen dos núcleos más pequeños, hasta siete neutrones libres (con una media de dos y medio por reacción), y algunos fotones.
Los núcleos atómicos lanzados como productos de la fisión pueden ser varios elementos químicos. Los elementos que se producen son resultado del azar, pero estadísticamente el resultado más probable es encontrar núcleos con la mitad de protones y neutrones del átomo fisionado original.
Los productos de la fisión son generalmente altamente radiactivos, no son isótopos estables; estos isótopos entonces decaen, mediante cadenas de desintegración. Descomposición radiactiva La fisión nuclear puede producirse sin bombardeo de neutrones como un tipo de desintegración radiactiva. Este tipo de fisión (llamada fisión espontánea) es poco frecuente, excepto en algunos isótopos pesados. Reacción nuclear En los dispositivos nucleares de ingeniería, esencialmente toda la fisión nuclear se produce como una "reacción nuclear", un proceso impulsado por un bombardeo que resulta de la colisión de dos partículas subatómicas. En las reacciones nucleares, una partícula subatómica colisiona con un núcleo atómico y provoca cambios en él. Las reacciones nucleares son, por tanto, impulsadas por la mecánica del bombardeo, y no por el decaimiento exponencial relativamente constante y la vida media característica de los procesos radiactivos espontáneos.
Actualmente se conocen muchos tipos de reacciones nucleares. La fisión nuclear se diferencia de forma importante de otros tipos de reacciones nucleares, en que puede ser amplificada y a veces controlada mediante una reacción nuclear en cadena (un tipo de reacción en cadena general). En una reacción de este tipo, los neutrones libres liberados por cada evento de fisión pueden desencadenar aún más eventos, que a su vez liberan más neutrones y causan más fisiones.
Los elementos químicos isótopos que pueden mantener una reacción de fisión en cadena se llaman combustible nuclear y se dice que son fisionables. Los combustibles nucleares más comunes son el 235U (el isótopo de uranio con número de masa 235 y de uso en reactores nucleares) y 239Pu (el isótopo del plutonio con número de masa 239). Estos combustibles se descomponen en una gama bimodal de elementos químicos con masas atómicas centradas cerca de 95 y 135 u ( productos de fisión). La mayoría de los combustibles nucleares se someten a la fisión espontánea solo muy lentamente, decayendo en su lugar principalmente a través de una alfa-beta durante períodos de milenios a eones. En un reactor nuclear o en un arma nuclear, la inmensa mayoría de los eventos de fisión son inducidos por el bombardeo con otra partícula, un neutrón, que a su vez es producido por eventos de fisión anteriores.
La fisión nuclear en los combustibles fisionables es el resultado de la energía de excitación nuclear producida cuando un núcleo fisionable captura un neutrón. Esta energía, resultante de la captura del neutrón, es el resultado de la fuerza nuclear atractiva que actúa entre el neutrón y el núcleo. Es suficiente para deformar el núcleo en una "gota" de doble lóbulo, hasta el punto de que los fragmentos nucleares superan las distancias a las que la fuerza nuclear puede mantener unidos dos grupos de nucleones cargados y, cuando esto ocurre, los dos fragmentos completan su separación y luego se separan aún más por sus cargas mutuamente repulsivas, en un proceso que se hace irreversible con una distancia cada vez mayor. Un proceso similar ocurre en los isótopos fisionables (como el uranio-238), pero para poder fisionar, estos isótopos requieren energía adicional proporcionada por los neutrones rápidos (como los producidos por la fusión nuclear en las armas termonucleares).
El modelo de gota líquida del núcleo atómico predice productos de fisión de igual tamaño como resultado de la deformación nuclear. El más sofisticado modelo de capas nuclear es necesario para explicar mecánicamente la ruta hacia el resultado energéticamente más favorable, en el que un producto de fisión es ligeramente más pequeño que el otro. Una teoría de la fisión basada en el modelo de cáscara ha sido formulada por Maria Goeppert Mayer.
El proceso de fisión más común es la fisión binaria, y produce los productos de fisión señalados anteriormente, a 95±15 y 135±15 u. Sin embargo, el proceso binario se produce simplemente porque es el más probable. En cualquier lugar de 2 a 4 fisiones por 1000 en un reactor nuclear, un proceso llamado fisión ternaria produce tres fragmentos cargados positivamente (más neutrones) y el más pequeño de ellos puede variar desde una carga y masa tan pequeña como un protón (Z = 1), hasta un fragmento tan grande como el argón (Z = 18). Sin embargo, los fragmentos pequeños más comunes se componen en un 90% de núcleos de helio-4 con más energía que las partículas alfa de la desintegración alfa (los llamados "alfas de largo alcance" a ~ 16 MeV), además de núcleos de helio-6, y tritones (los núcleos de tritio). El proceso ternario es menos común, pero sigue produciendo una importante acumulación de gas de helio-4 y tritio en las barras de combustible de los reactores nucleares modernos.S. Vermote, et al. (2008) "Comparative study of the ternary particle emission in 243-Cm (nth,f) and 244-Cm(SF)" en Dynamical aspects of nuclear fission: proceedings of the 6th International Conference. J. Kliman, M. G. Itkis, S. Gmuca (eds.). World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. Singapur. .
Fisión fría y rotura de pares de nucleones
La mayor parte de las investigaciones sobre fisión nuclear se basan en la distribución de masa y energía cinética de los fragmentos de fisión. Sin embargo, esta distribución es perturbada por la emisión de neutrones por parte de los fragmentos antes de llegar a los detectores.