Jedrska fisija: proces cepitve atomskega jedra. Jedrske reakcije

Članek govori o jedrski fisiji, kako je bil ta proces odkrit in opisan. Odkriva svojo uporabo kot vir energije in jedrskega orožja.

"Nedeljiv" atom

21. stoletje je polno izrazov, kot so "energija atoma", "jedrska tehnologija", "radioaktivni odpadki". Vedno znova časopisni naslovi kažejo na možnost radioaktivnega onesnaženja tal, oceanov in ledu Antarktike. Vendar navadna oseba pogosto ni zelo zamišljena, kakšno področje znanosti in kako pomaga v vsakdanjem življenju. Morda bi se moral začeti z zgodovino. Od prvega vprašanja, ki ga je postavil dobro hranjena in oblečena oseba, ga je zanimalo, kako deluje svet. Kot vidi oko, zakaj sliši uho, kot se voda razlikuje od kamna - to je tisto, kar je zaskrbelo modrece od začetka. V starodavni Indiji in Grčiji so nekateri preudarni moži domnevali, da obstaja minimalni delec (imenovana tudi "nedeljiva"), ki ima lastnosti materiala. Srednjeveški kemiki so potrdili uganko modrega in sodobna definicija atoma je naslednja: atom je najmanjši delec snovi, ki je nosilec njegovih lastnosti.

Deli atomov

Vendar pa je razvoj tehnologije (zlasti fotografije) pripeljal do tega, da atom ni več veljal za najmanjši možni delec snovi. Čeprav je en atom električno nevtralen, so znanstveniki hitro ugotovili, da je sestavljen iz dveh delov z različnimi obremenitvami. Število pozitivno napolnjenih delov kompenzira število negativnih delcev, tako da atom ostane nevtralen. Ampak ni bilo enotnega modela atoma. Ker je takrat klasična fizika še vedno prevladovala, so bile izražene različne predpostavke.

Modeli Atoma

Sprva je bil predlagan model "raisin-roll". Zdi se, da je pozitivni naboj zapolnil celoten prostor atoma, v njej pa, kot so rozine v hlevu, razporejeni negativni naboji. Poznan Rutherfordova izkušnja je določil naslednje: v središču atoma je zelo težek element s pozitivnim nabojom (jedrom), in okoli njega so veliko lažji elektroni. Masa jedra je na stotine krat težja od vsote vseh elektronov (to je 99,9 odstotka mase celotnega atoma). Tako se je rodil planetni model Borovega atoma. Nekateri njeni elementi pa so nasprotovali klasični fiziki, ki je bila takrat sprejeta. Zato smo razvili novo, kvantno mehaniko. S svojim videzom se je začelo neklasično obdobje znanosti.

Atom in radioaktivnost

Iz vsega, kar je bilo povedano zgoraj, postane jasno, da je jedro težek, pozitivno nabiti del atoma, ki predstavlja njegovo glavno maso. Kdaj energijska kvantizacija in položaji elektronov v orbiti atoma so dobro proučeni, je čas, da razumemo naravo atomskega jedra. Za pomoč je prišla genialna in nepričakovano odprta radioaktivnost. Pomagala je odkriti bistvo težkega osrednjega dela atoma, saj je vir radioaktivnosti fisija jeder. Na prelomu devetnajstega in dvajsetega stoletja so odkritja padla ena za drugo. Teoretična rešitev ene težave je povzročila potrebo po novih poskusih. Rezultati eksperimentov so ustvarili teorije in hipoteze, ki jih je bilo treba potrditi ali zavrniti. Pogosto so se največja odkritja pojavila preprosto zato, ker je bila taka, da je formula postala primerna za izračune (kot npr. Max Planck kvant). Tudi na začetku obdobja so znanstveniki vedeli, da uranove soli prižgejo svetlobno občutljiv film, vendar pa niso domnevali, da je jedrska fisija v središču tega pojava. Zato je bila raziskana radioaktivnost, da bi razumeli naravo razpadanja jedra. Očitno je, da je sevanje nastalo s kvantnimi prehodi, vendar natančno ni bilo povsem jasno. Par Curie je izkopal čisti radij in polonij, ki je skoraj ročno obdelal uranove rude, da bi dobili odgovor na to vprašanje.

Zaračunavanje radioaktivnega sevanja

Rutherford je veliko naredil za preučevanje strukture atoma in prispeval k študiji o tem, kako poteka fisija atomskega jedra. Znanstvenik je dal obsevanje, ki ga radioaktivni element oddaja v magnetnem polju in je dobil čudovit rezultat. Izkazalo se je, da obsevanje sestavljajo tri komponente: eden je nevtralen, drugi dve - pozitivno in negativno napolnjeni. Študija jedrske fisije se je začela z določitvijo njegovih sestavin. Dokazano je bilo, da se jedro lahko razdeli, odnehati del svojega pozitivnega naboja.

Struktura jedra

Kasneje je bilo ugotovljeno, da atomsko jedro ne sestoji samo iz pozitivno nabitih delcev protonov, temveč tudi nevtralnih delcev nevtronov. Vse skupaj se imenujejo nukleoni (iz angleškega "jedra", jedra). Vendar pa so znanstveniki znova naleteli na težavo: masa jedra (to je število nukleonov) ni vedno ustrezala njegovemu naboru. V vodiku jedro ima napetost +1, masa pa lahko tri, dve in ena. Naslednji naboj sledi polnjenje jedra +2 v periodični tabeli helija, medtem ko njegovo jedro vsebuje od 4 do 6 nukleonov. Bolj kompleksni elementi lahko imajo veliko večje število različnih mas z enakim polnjenjem. Takšne različice atomov imenujemo izotopi. Nekateri izotopi so se izkazali za precej stabilni, drugi pa so se hitro razpadli, saj je bila fisija jeder značilna. Na katero načelo je bilo število nukleonov stabilnosti jeder ustrezalo? Zakaj je dodajanje samo enega nevtronja v težko in povsem stabilno jedro pripeljalo do njenega razpada, do radioaktivnosti? Čudno, odgovor na to pomembno vprašanje še ni bil najden. Eksperimentalno je bilo ugotovljeno, da stabilne konfiguracije atomskih jeder ustrezajo določenim količinam protonov in nevtronov. Če je v jedru 2, 4, 8, 50 nevtronov in / ali protonov, potem bo jedro nedvoumno stabilno. Te številke so celo imenovane magične (in so jih tako imenovali tudi odrasli znanstveniki, jedrski fiziki). Tako je cepitev jeder odvisna od njihove mase, to je od števila nukleonov, ki vstopajo vanje.

Drop, lupina, kristal

Določite faktor, ki je odgovoren za stabilnost jedra, v trenutku, ko to ni bilo mogoče. Obstaja veliko teorij o modelu strukture atoma. Trije najbolj znani in razviti tisti pogosto nasprotujejo drug drugemu v različnih zadevah. Glede na prvo je jedro kapljica posebne jedrske tekočine. Kot voda, je značilna fluidity, površinska napetost, fuzija in razpad. Tudi v modelu lupine v jedru obstajajo določene ravni energije, ki so napolnjene z nukleoni. Tretja trditev, da je jedro okolje, ki lahko refrakcijo posebnih valov (de Broglie), medtem ko je lomni indeks potencialna energija. Vendar pa noben model doslej ni uspel popolnoma opisati, zakaj se pri določeni kritični masi tega določenega kemijskega elementa začne delitev jedra.

Kakšna je razčlenitev

Radioaktivnost, kot je bilo že omenjeno zgoraj, je bila ugotovljena v snovi, ki jih lahko najdemo v naravi: uran, polonij, radij. Na primer, sveže minirano, čisti uran je radioaktiven. Postopek cepljenja bo v tem primeru spontan. Brez zunanjih vplivov bo določeno število atomov urana sproščalo alfa delce, ki se spontano pretvorijo v torij. Obstaja kazalnik, ki se imenuje razpolovna doba. Pokaže, v kakšnem časovnem intervalu bo začetna številka dela približno polovica. Za vsak radioaktivni element razpolovna doba Njegova - od frakcij sekunde za Kalifornijo do sto tisoč let za uran in cezij. Toda prisotna je tudi prisilna radioaktivnost. Če so atomska jedra bombardirane s protoni ali delci alfa (jeziki helij) z visoko kinetično energijo, se lahko "razcepi". Mehanizem preoblikovanja, seveda, se razlikuje od tega, kako je pokvarjena vaza mami. Vendar pa izsledi določeno analogijo.

Energija atoma

Doslej nismo odgovorili na praktično vprašanje: kje energija jemlje cepitev jedra? Za začetek je treba pojasniti, da ko nastane jedro, delujejo posebne jedrske sile, ki se imenujejo močne interakcije. Ker je jedro sestavljeno iz sklopa pozitivnih protonov, ostaja vprašanje, kako se držijo skupaj, ker bi jih elektrostatične sile močno zavrnile drug od drugega. Odgovor je preprost in ne: jedro se hrani na račun zelo hitre izmenjave med nukleoni s posebnimi delci-pi-mezoni. Ta povezava živi neverjetno malo. Ko se izmenjava pionov ustavi, se jedro razpada. Znano je tudi, da je jedrska masa manjša od vsote vseh njenih sestavnih nukleonov. Ta pojav se imenuje masovna napaka. Dejansko je manjkajoča masa energija, ki se porabi za ohranjanje celovitosti jedra. Takoj, ko se del jedrnega jedra loči, se ta energija sprosti in pretvori v toploto v jedrskih elektrarnah. To pomeni, da je energija jedrske fisije vizualna demonstracija znane formule Einsteina. Spomnimo se, formula pravi: energija in masa se lahko pretvorita drug v drugega (E = mc²).

Teorija in praksa

Zdaj pa govorimo o tem, kako se to čisto teoretično odkritje uporablja v življenju za ustvarjanje gigavatov električne energije. Najprej je treba opozoriti, da se v nadzorovanih reakcijah uporablja prisilna jedrska cepitev. Najpogosteje je uran ali polonij, ki ga bombardirajo hitri nevtroni. Drugič, ne moremo razumeti, da cepitev jeder spremlja nastajanje novih nevtronov. Posledično lahko število nevtronov v reakcijski coni hitro naraste. Vsak nevtron trči z novimi, še vedno celimi jedri, jih razdeli, kar vodi k povečanju sproščanja toplote. To je verižna reakcija jedrske fisije. Nekontrolirano povečanje števila nevtronov v reaktorju lahko povzroči eksplozijo. To se je zgodilo leta 1986 v jedrski elektrarni Černobila. Zato v reakcijskem območju vedno obstaja snov, ki absorbira presežne nevtrone in preprečuje katastrofo. Gre za grafit v obliki dolgih palic. Hitrost fisije jeder se lahko upočasni s potopitvijo palic v reakcijsko cono. Enačba jedrska reakcija je izdelan posebej za vsako aktivno radioaktivno snov in njene delce, ki jih bombardirajo (elektroni, protoni, alfa delci). Vendar pa se končna izhodna energija izračuna v skladu z zakonom o ohranjanju: E1 + E2 = E3 + E4. To pomeni, da mora biti skupna energija začetnega jedra in delcev (E1 + E2) enaka energiji nastalega jedra in sproščeni energiji (E3 + E4). Enačba jedrske reakcije kaže tudi, kaj je snov nastala kot posledica razpada. Na primer, za uran U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Izotopi kemijskih elementov niso prikazani, vendar je to pomembno. Na primer, obstaja kar tri možnosti za cepitev urana, v katerem nastajajo različni izotopi svinca in neona. V skoraj sto odstotkih primerov reakcija jedrske fisije prinaša radioaktivne izotope. To pomeni, da razpad urana povzroča radioaktivni torij. Torij se lahko raztopi pred protaktiniumom, to - proti aktiniini in tako naprej. Radioaktivna v tej seriji je lahko bizmut in titan. Tudi vodik, ki vsebuje dva protona v jedru (s hitrostjo enega protona), se imenuje drugače - devterij. Voda, oblikovana s takim vodikom, se imenuje težka in zapolnjuje prvo vezje v jedrskih reaktorjih.

Nenormalni atom

Takšni izrazi kot "rasa orožja", "hladna vojna", "jedrska grožnja" sodobnemu človeku se lahko zdijo zgodovinski in nepomembni. Toda naenkrat je vsako vprašanje novic skoraj po vsem svetu spremljalo poročila o tem, koliko je bilo tipov jedrskega orožja izumljeno in kako se spopasti z njo. Ljudje so zgradili podzemne bunkerje in rezervirali v primeru jedrske zime. Cele družine so delale za vzpostavitev azila. Celo miroljubna uporaba reakcij jedrske fisije lahko vodi v katastrofo. Zdi se, da je Černobil učil človeštvo točnost na tem področju, vendar so se elementi planeta izkazali za močnejši: potres na Japonskem je poškodoval zelo zanesljivo okrepitev jedrske elektrarne Fukushima. Energijo jedrske reakcije je veliko lažje uporabiti za uničenje. Tehnologi potrebujejo le omejitev moči eksplozije, da ne bi nenamerno uničili ves planet. Najbolj "humane" bombe, če jih tako lahko imenujemo, ne onesnažujejo soseske s sevanjem. Na splošno najpogosteje uporabljajo nenadzorovano verižno reakcijo. Kaj se želijo izogniti v jedrskih elektrarnah je bombardirano zelo primitivno. Za vsak naravni radioaktivni element obstaja nekaj kritične mase čiste snovi, v kateri veriga reakcija povzroči sam. Za uran, na primer, le petdeset kilogramov. Ker je uran zelo težek, je le majhen kovinski krog premera 12-15 centimetrov. Prve atomske bombe, ki so padle na Hirošimo in Nagasaki, so bile narejene ravno po tem načelu: dve neenaki deli čistega urana so bili preprosto povezani in povzročili zastrašujočo eksplozijo. Sodobno orožje je verjetno bolj zapleteno. Vendar pa ne smemo pozabiti na kritično maso: med majhnimi količinami čistega radioaktivnega materiala med skladiščenjem morajo biti ovire, ki ne dovoljujejo povezovanja z deli.

Viri sevanja

Vsi elementi z atomskim jedrom, ki so večji od 82, so radioaktivni. Skoraj vsi lažji kemični elementi imajo radioaktivne izotope. Težje je jedro, manj je njegov življenjski čas. Nekatere elemente (kot je kalifornija) je mogoče pridobiti le umetno - tako, da trkate težke atome z lahkimi delci, najpogosteje na pospeševalnikih. Ker so zelo nestabilne, v zemeljski skorji ne obstajajo: ko so oblikovali planet, so se hitro razpadli v druge elemente. Snovi z lahkimi jedri, kot je uran, se lahko ekstrahirajo. Ta dolg proces, primeren za rudarjenje urana, tudi v zelo bogatih rudah, vsebuje manj kot en odstotek. Tretji način morda kaže, da se je nova geološka epoha že začela. To je pridobivanje radioaktivnih elementov iz radioaktivnih odpadkov. Po izčrpanju goriva na elektrarni, na podmornici ali nosilcu zrakoplova, dobimo zmes začetnega urana in končne snovi, ki je rezultat cepitve. Trenutno se to šteje za trdne radioaktivne odpadke in nujno je, kako jih odstraniti, tako da ne onesnažujejo okolja. Vendar pa je verjetno, da bodo v bližnji prihodnosti iz teh odpadkov pridobljeni že zgrajeni koncentrirani radioaktivni snovi (npr. Polonij).