Nuklearna fisija: proces razdvajanja atomske jezgre. Nuklearne reakcije

U članku se govori o nuklearnoj fazi, kako je taj proces otkriven i opisan. Ona otkriva svoju uporabu kao izvor energije i nuklearnog oružja.

"Nedjeljivi" atom

Dvadeset i prvo stoljeće obiluje izrazima poput "energije atoma", "nuklearne tehnologije", "radioaktivnog otpada". Svakih novinskih naslova u novinama prikazuje poruke o mogućnosti radioaktivnog onečišćenja tla, oceana, leda Antarktika. Međutim, obična osoba često ne zna dobro kakvu vrstu znanosti i kako to pomaže u svakodnevnom životu. Vrijedno je početi, možda, s poviješću. Od prvog pitanja koje je postavila dobro obučena osoba, bio je zainteresiran za način na koji svijet funkcionira. Kao što oko vidi, zašto čuje uho, a voda se razlikuje od kamena - to je ono što je zabrinuto za mudrace od početka. Povratak u drevnu Indiju i Grčku, neki znatiželjni umovi pretpostavljaju da postoji minimalna čestica (također je nazvana "nedjeljiva") koja posjeduje svojstva materijala. Srednjovjekovni kemičari potvrdili su nagađanje mudrih, a suvremena definicija atoma je sljedeća: atom je najmanji čestica tvari koja nosi svojstva.

Dijelovi atoma

Međutim, razvoj tehnologije (posebice fotografije) dovelo je do činjenice da se atom prestane smatrati najmanjom mogućom česticom materije. I iako je jedan atom električki neutralan, znanstvenici su brzo shvatili da se sastoje od dva dijela s različitim optužbama. Broj pozitivno nabijenih dijelova kompenzira broj negativnih čestica, tako da atom ostaje neutralan. Ali nije bilo jedinstvenog modela atoma. Budući da je u to vrijeme dominirala klasična fizika, izražene su različite pretpostavke.

Modeli Atoma

U početku je predložen model "uzgajivač grožđa". Čini se da je pozitivan naboj ispunio čitav prostor atoma, au njemu, poput grožđica u listi, podijeljeni su negativni optužbe. poznat Rutherfordovo iskustvo definirani na slijedeći način: u centar atom je vrlo teška element sa pozitivnim nabojem (jezgre) i smješten u biti oko upaljača elektrona. Zrna stotine puta teži od zbroja svih elektrona (koji je 99,9 posto od ukupne mase atoma). Tako je rođen planetarni model atoma Bohr. Međutim, neki od njegovih elemenata proturječili su klasičnoj fizici koja je tada bila prihvaćena. Stoga je razvijena nova kvantna mehanika. Sa svojim izgledom započeo je neklasicno razdoblje znanosti.

Atom i radioaktivnost

Iz svega navedenog, postaje jasno da je jezgra teški, pozitivno nabijen dio atoma, koji čini njegovu glavnu masu. kada kvantizacija energije i pozicije elektrona u orbiti atoma dobro su proučavane, vrijeme je da se shvati priroda atomske jezgre. Pomoć je došla na genijalnu i neočekivano otvorenu radioaktivnost. Pomoglo je otkriti suštinu teškog središnjeg dijela atoma, budući da je izvor radioaktivnosti fisija jezgri. Na prijelazu devetnaestog i dvadesetog stoljeća, otkrića su pale jedna za drugom. Teorijsko rješenje jednog problema uzrokovalo je potrebu stavljanja novih eksperimenata. Rezultati eksperimenata stvorili su teorije i hipoteze koje je trebalo potvrditi ili opovrgnuti. Često se najveća otkrića pojavljuju jednostavno zato što je na taj način formula postala prikladna za izračune (kao što je, na primjer, kvantni Max Planck). Čak i na početku ere, znanstvenici su znali da soli uranata osvjetljavaju fotoosjetljivi film, ali nisu sumnjali da je nuklearna fisija u središtu ovog fenomena. Stoga je proučena radioaktivnost kako bi se razumjela priroda propadanja jezgre. Očito, zračenje je generirano kvantnim prijelazima, ali nije bilo posve jasno što točno. Par Curie miniran je čistim radijem i polonijem, gotovo ručno obrađivajući rudnik urana kako bi dobili odgovor na to pitanje.

Optužnica za radioaktivno zračenje

Rutherford je mnogo proučavao strukturu atoma i pridonio proučavanju načina na koji se fisija atomske jezgre odvija. Znanstvenik je stavio zračenje koje je zračio radioaktivni element u magnetskom polju i dobio nevjerojatan rezultat. Pokazalo se da zračenje sastoji se od tri komponente: jedna je bila neutralna, a druga dva - pozitivno i negativno napunjena. Proučavanje nuklearne fisije započelo je određivanjem njegovih komponenti. Dokazano je da jezgra može podijeliti, odustati od dijela svog pozitivnog naboja.

Struktura jezgre

Kasnije je otkriveno da se atomska jezgra sastoji ne samo od pozitivno nabijenih čestica protona, već i neutralnih čestica neutrona. Sve zajedno se nazivaju nukleoni (od engleske "jezgre", jezgre). Međutim, znanstvenici su ponovno naišli na problem: masa jezgre (tj. Broj nukleona) nije uvijek odgovarala njegovoj naboju. U vodiku, jezgra ima naboj od +1, a masa može biti tri, a dva i jedna. Sljedeći naboj slijedi naboj jezgre +2 u periodičnoj tablici helija, dok njegova jezgra sadrži 4 do 6 nukleona. Složenije elemente mogu imati mnogo veći broj različitih masa s istim nabojem. Takve varijacije atoma nazivaju se izotopi. Neki su izotopi bili prilično stabilni, dok su se drugi brzo razilazili, a za njih je fisija jezgri bila karakteristična. Kojem je principu odgovaralo broju nukleona stabilnosti jezgri? Zašto je dodavanje samo jednog neutrona u tešku i potpuno stabilnu jezgru dovelo do njegovog podjele, do radioaktivnosti? Čudno, odgovor na ovo važno pitanje još nije pronađen. Eksperimentalno je otkriveno da stabilne konfiguracije atomske jezgre odgovaraju određenim količinama protona i neutrona. Ako u jezgri ima 2, 4, 8, 50 neutrona i / ili protona, tada će jezgra biti jednoznačno stabilna. Ti se brojevi nazivaju čak i čarobni (i imenovali su ih odrasli znanstvenici, nuklearni fizičari). Dakle, fisija jezgri ovisi o njihovoj masi, tj. O broju nukleona koji ulaze u njih.

Kap, ljuska, kristal

Odredite faktor koji je odgovoran za stabilnost jezgre, u trenutku kada to nije bilo moguće. Postoje mnoge teorije modela strukture atoma. Tri najpoznatije i razvijenije često se proturječe u različitim pitanjima. Prema prvoj, jezgra je kap posebne nuklearne tekućine. Poput vode, karakterizira fluidnost, površinska napetost, fuzija i propadanje. U modelu ljuske u jezgri, također, postoje određene razine energije koje su ispunjene nukleonima. Treći navodi da je jezgra - medij koji može prelomiti specifične valne duljine (de Broglie), gdje je indeks loma - je potencijalne energije. Međutim, niti jedan model nije do sada mogao u potpunosti opisati zašto, pri određenoj kritičnoj masi ovog posebnog kemijskog elementa, počinje cijepanje jezgre.

Što je slom

Radioaktivnost, kao što je već spomenuto, pronađeno je u supstancijama koje se mogu naći u prirodi: uranij, polonij, radium. Na primjer, svježe iskopani, čisti uranij je radioaktivan. Postupak cijepanja u ovom slučaju će biti spontan. Bez ikakvih vanjskih utjecaja, određeni broj atoma urana emitira alfa čestice, spontano pretvarajući u torium. Postoji indikator nazvan poluvijek. Pokazuje, za koji vremenski interval od početnog broja dijela ostaje približno polovica. Za svaki radioaktivni element Poluživot Njegova - od frakcija sekunde za kaliforniju do stotina tisuća godina za uran i cezij. Ali postoji i prisilna radioaktivnost. Ako se atomske jezgre bombardiraju s protonskim ili alfa česticama (jezgri helija) s visokom kinetičkom energijom, mogu se podijeliti. Mehanizam preobrazbe, naravno, se razlikuje od toga kako se slomljena vaza ljubljene majke. Ipak, određena je analogija.

Energija atoma

Do sada nismo odgovorili na praktično pitanje: gdje se energija uzima fisija jezgre? Za početak, trebalo bi pojasniti da kada se formira jezgra, djeluju posebne nuklearne sile, koje se nazivaju jake interakcije. Budući da se jezgra sastoji od skupa pozitivnih protona, ostaje pitanje kako se oni drže zajedno, jer ih elektrostatske sile snažno odbijaju jedna od druge. Odgovor je jednostavan, a ne: jezgra se čuva na vrlo brzu izmjenu među nukleonima posebnim česticama-pi-mezonima. Ova veza živi nevjerojatno malo. Čim se zaustavi razmjena piona, jezgra se raspada. Također je poznato da je osnovna masa manja od zbroja svih njegovih konstitutivnih nukleona. Taj je fenomen zvao maseni nedostatak. Zapravo, masa koja nedostaje jest energija koja se troši na održavanje cjelovitosti jezgre. Čim se dio atomske jezgre odvoji, ova se energija oslobađa i pretvori u toplinu u nuklearnim elektranama. To jest, energija nuklearne fisije je vizualna demonstracija Einsteinove poznate formule. Sjetite se, formula kaže: energija i masa mogu se pretvoriti u svaki drugi (E = mc²).

Teorija i praksa

Sada razgovarajmo o tome kako se ovo čisto teoretsko otkriće koristi u životu da generira gigawatt električne energije. Prvo, valja napomenuti da se u kontroliranim reakcijama koristi prisilna nuklearna fisija. Najčešće se radi o uranu ili poloniju koji je bombardiran brzim neutronima. Drugo, ne možemo ne shvatiti da je fisija jezgara praćena stvaranjem novih neutrona. Kao rezultat toga, broj neutrona u reakcijskoj zoni može narasti vrlo brzo. Svaki neutron se sudara s novim, još uvijek cijele jezgre, dijeli ih, što dovodi do povećanja oslobađanja topline. Ovo je lančana reakcija nuklearne fisije. Nekontrolirano povećanje broja neutrona u reaktoru može dovesti do eksplozije. To se dogodilo 1986. godine u černobilskoj nuklearnoj elektrani. Stoga, u reakcijskoj zoni uvijek postoji tvar koja upija višak neutrona, sprečavajući katastrofu. Grafit je u obliku dugih šipki. Fizacija jezgre se može usporiti uranjanjem štapića u reakcijsku zonu. jednačina nuklearna reakcija je izrađen posebno za svaku aktivnu radioaktivnu tvar i njegove čestice koje ga bombardiraju (elektrone, protone, alfa čestice). Međutim, konačna proizvodnja energije izračunava se prema zakonu o zaštiti: E1 + E2 = E3 + E4. To jest, ukupna energija početne jezgre i čestice (E1 + E2) treba biti jednaka energiji dobivene jezgre i oslobođenoj energiji (E3 + E4). Jednadžba nuklearne reakcije također pokazuje kakva se supstanca proizvodi kao posljedica propadanja. Na primjer, za uranij U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Nije prikazano izotope kemijskih elemenata, ali to je važno. Na primjer, postoji čak tri mogućnosti za fisija urana, u kojem se formiraju različiti izotopi olova i neona. U gotovo stotinu slučajeva reakcija nuklearne fisije daje radioaktivni izotopi. To jest, propadanje urana proizvodi radioaktivni torium. Trijum se može otopiti prije protaktinija, to - na aktiniju, i tako dalje. Radioaktivni u ovoj seriji može biti i bizmut i titan. Čak i vodik, koji sadrži dva protona u jezgri (po stopi od jednog protona), zove se drugačije - deuterij. Voda formirana s takvim vodikom naziva se teška i ispunjava prvi krug u nuklearnim reaktorima.

Ne-mirni atom

Takvi izrazi poput "rata naoružanja", "hladnog rata", "nuklearne prijetnje" suvremenom čovjeku mogu se činiti povijesnim i irelevantnim. No, u jednom trenutku, svako izdanje vijesti gotovo u cijelom svijetu bilo je popraćeno izvješćima o tome koliko je vrsta nuklearnog oružja izmisleno i kako se nositi s tim. Ljudi su izgradili podzemne bunkere i napravili rezerve u slučaju nuklearne zime. Cijele obitelji su radile na uspostavi azila. Čak i mirno korištenje nuklearnih fisija može dovesti do katastrofe. Čini se da je Černobil učio čovječanstvu točnost na ovom području, ali elementi planeta pokazali su se jačima: potres u Japanu oštetio je vrlo pouzdano jačanje nuklearke Fukushima. Energija nuklearne reakcije mnogo je jednostavnija za uništavanje. Tehnolozi trebaju samo ograničiti snagu eksplozije, kako ne bi slučajno uništili cijeli planet. Većina "humanih" bombi, ako ih se može nazvati, ne zagađuju susjedstvo zračenjem. Općenito, oni najčešće koriste nekontroliranu lančanu reakciju. Ono što oni pokušavaju izbjeći kod nuklearnih elektrana bombardira se na vrlo primitivan način. Za svaki prirodno radioaktivni element, postoji neka kritična masa čiste tvari u kojoj se lančana reakcija generira sama po sebi. Na primjer, za uran, to je samo pedeset kilograma. Budući da je uran vrlo teška, to je samo mala metalna kuglica promjera 12-15 cm. Prve atomske bombe na Hirošimi i Nagasaki bile su upravo na ovom principu: dva nejednaka dijela čistog urana bili su jednostavno povezani i izazvali zastrašujuću eksploziju. Moderno oružje vjerojatno su složenije. Međutim, ne smije se zaboraviti na kritičnu masu: između malih količina čistog radioaktivnog materijala tijekom skladištenja, moraju postojati prepreke koje ne dopuštaju spajanje na dijelove.

Izvori zračenja

Radioaktivni su svi elementi s nabojem atomske jezgre veći od 82. Gotovo svi lakši kemijski elementi imaju radioaktivne izotope. Što je jezgri teži, to je manje životno vrijeme. Neki elementi (poput Kalifornije) mogu se dobiti samo umjetno - kopanjem teških atoma lakšim česticama, najčešće na akceleratorima. Budući da su vrlo nestabilni, oni ne postoje u zemljinoj korahu: kada su formirali planet, oni se brzo raspadaju u druge elemente. Mogu se izdvojiti tvari sa lakšim jezgrama, kao što je uran. Ovaj dugi proces, pogodan za miniranje urana, čak iu vrlo bogatim rudama, sadrži manje od jednog posto. Treći put, možda, ukazuje na to da je nova geološka epoha već počela. Ovo je vađenje radioaktivnih elemenata iz radioaktivnog otpada. Nakon odstranjivanja goriva na elektrani, na podmornici ili nosaču zrakoplova, dobiva se mješavina početnog urana i konačne tvari, rezultat fisije. Trenutno se to smatra krutim radioaktivnim otpadom i hitno je kako ih odbaciti kako ne bi onečišćavali okoliš. Međutim, vjerojatno je da će u bliskoj budućnosti biti izvučeni iz tih otpadaka već pripremljene koncentrirane radioaktivne tvari (na primjer polonija).