Nuklearna fisija: proces razdvajanja atomske jezgre. Nuklearne reakcije

U članku se govori o tome kako je nuklearna fisija, 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 radioaktivne kontaminacije tla, oceana, leda Antarktika. Međutim, obična osoba često ne može zamisliti kakvo područje znanosti i kako to pomaže u svakodnevnom životu. Vrijedi početi, možda, s poviješću. Od prvog pitanja koje je postavio dobro hranio i obučen čovjek, 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 mudracima 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 (osobito fotografije) dovelo je do činjenice da se atom prestaje 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 tada dominirala klasična fizika, napravljene su različite pretpostavke.

Modeli Atoma

U početku je predložen model "grožđica". Čini se da je pozitivan naboj ispunio čitav prostor atoma, au njemu, poput grožđica u listi, podijeljeni su negativni optužbe. Poznato iskustvo Rutherforda određuje sljedeće: u središtu atoma je vrlo teški element s pozitivnim nabojem (jezgrom), a oko nje postoje mnogo lakši elektroni. Masa jezgre je stotina puta teža od zbroja svih elektrona (99,9% mase cijelog atoma). Tako je rođen planetarni model atoma Bohr. Međutim, neki od njegovih elemenata proturječili su klasičnoj fizici koja je bila prihvaćena u to vrijeme. 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 teška, pozitivno nabijen dio atoma, koji čini njegovu glavnu masu. Kad je kvantizacija energije i položaja elektrona u orbiti atoma dobro proučavana, bilo je vrijeme 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 postavljanja 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 urana daju svjetlosni senzitiv film, ali nisu sumnjali da je nuklearna fisija u središtu ovog fenomena. Stoga se proučavala radioaktivnost kako bi se razumjela priroda propadanja jezgre. Očito, zračenje je generirano kvantnim prijelazima, ali nije bilo posve jasno što točno. Par Curie minirao je čisti radij i polonij, gotovo ručno obrađujući rudnik urana kako bi dobili odgovor na to pitanje.

Napunjen radioaktivnim zračenjem

Rutherford je napravio mnogo za proučavanje strukture atoma i pridonio proučavanju načina na koji se fisija atomske jezgre odvija. Znanstvenik je postavio zračenje koje je zračio radioaktivni element u magnetskom polju i dobio nevjerojatan rezultat. Ispalo je da se zračenje sastoji od tri komponente: jedan je bio neutralan, a druga dva - pozitivan i negativan naboj. Proučavanje nuklearne fisije započelo je određivanjem njegovih komponenti. Dokazano je da jezgra može podijeliti, dati neke od svojih pozitivnih 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). Ipak, 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 od 4 do 6 nukleona. Složeniji elementi 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, budući da je nuklearna fisija bila karakteristična za njih. Na koji je princip odgovarao broj nukleona nuklearne stabilnosti? Zašto je dodavanje samo jednog neutrona u tešku i potpuno stabilnu jezgru dovelo do podjele, do oslobađanja radioaktivnosti? Čudno, odgovor na ovo važno pitanje još nije pronađen. Eksperimentalno je utvrđeno da stabilne konfiguracije atomske jezgre odgovaraju određenim količinama protona i neutrona. Ako u jezgri 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 jezgara ovisi o njihovoj masi, to jest 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. Treća tvrdnja da je jezgra okoliš sposoban prevariti posebne valove (de Broglie), a indeks loma je potencijalna energija. Međutim, niti jedan model nije do sada u potpunosti mogao opisati zašto, pri određenoj kritičnoj masi ovog posebnog kemijskog elementa, počinje cijepanje jezgre.

Što je slom

Radioaktivnost, kao što je gore 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 emitirat će alfa čestice, spontano pretvarajući se u trijum. Postoji indikator nazvan poluvijek. To pokazuje, za koji vremenski interval od početnog broja dijela bit će otprilike polovica. Za svaki radioaktivni element, njegov poluživot je iz frakcija sekunde za kaliforniju do stotina tisuća godina za uran i cezij. No, tu je 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, razlikuje se od toga kako je 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, moramo pojasniti da kad nastaju jezgri, 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 bi se elektrostatske sile trebale snažno odbaciti jedna od druge. Odgovor je i jednostavan, a ne: jezgra se drži na račun vrlo brzih razmjena između nukleona posebnim česticama-pi-mezonima. Ta povezanost živi nevjerojatno malo. Čim se zaustavi razmjena piona, jezgra se raspada. Također je precizno poznato da je masa jezgre manja od zbroja svih njegovih konstitutivnih nukleona. Taj se fenomen nazivao defektom masa. Zapravo, masa koja nedostaje jest energija koja se troši na održavanje cjelovitosti jezgre. Čim se odvoji dio atomske jezgre, ta energija se oslobađa i pretvori u toplinu u nuklearnim elektranama. To jest, energija nuklearne fisije je vizualna demonstracija Einsteinove poznate formule. Podsjetimo, formula kaže: energija i masa mogu se pretvoriti u svaki drugi (E = mc ² ).

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 je uran ili polonij, koji je bombardiran brzim neutronima. Drugo, ne možemo ne shvatiti da se fisija jezgara prati stvaranjem novih neutrona. Kao rezultat toga, broj neutrona u reakcijskoj zoni može rasti 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. Nekontrolirani rast 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 apsorbira višak neutrona, sprečavajući katastrofu. Grafit je u obliku dugih šipki. Fizacija jezgre se može usporiti uranjavanjem štapića u reakcijsku zonu. Jednadžba nuklearne reakcije napravljena je specifično za svaku aktivnu radioaktivnu tvar i njegove čestice koje ga bombardiraju (elektroni, protoni, 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) bi trebala biti jednaka energiji rezultirajuće jezgre i energije oslobođene u slobodnom obliku (E3 + E4). Jednadžba nuklearne reakcije također pokazuje što se tvari proizvode kao rezultat 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, pri čemu 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 u protaktinium, 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 kao što su "rasa naoružanja", "hladni rat", "nuklearna prijetnja" 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 izmišljeno i kako se nositi s tim. Ljudi su izgradili podzemne bunkere i opskrbljivali u slučaju nuklearne zime. Cijele obitelji su radile na uspostavi azila. Čak i mirno korištenje reakcija nuklearne fisije 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 oštećen je vrlo pouzdanim jačanjem nuklearne elektrane Fukushima. Energija nuklearne reakcije mnogo je lakše koristiti za uništavanje. Tehnolozi trebaju ograničiti samo snagu eksplozije, kako ne bi slučajno uništili cijeli planet. Većina "humanih" bombi, ako ih se može nazvati, ne zagađuje susjedstvo zračenjem. Općenito, oni najčešće koriste nekontroliranu lančanu reakciju. Ono što oni pokušavaju izbjeći na atomskim elektranama 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 uranija vrlo teška, to je samo mala metalna kugla 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. Suvremeno oružje vjerojatno su složenije. Međutim, ne smije se zaboraviti na kritičnu masu: između malih količina čistog radioaktivnog materijala tijekom skladištenja mora 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 umjetno - udarajući teške atome lakšim česticama, najčešće na akceleratorima. Budući da su vrlo nestabilni, oni ne postoje u zemljinoj korahu: kada su formirali planet, brzo su se raspali u druge elemente. Tvari sa lakšim jezgrama, kao što je uran, mogu se izdvojiti. 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 započela. 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 smatra krutim radioaktivnim otpadom i hitno je pitanje kako ih odbaciti kako ne bi onečišćavali okoliš. Međutim, vjerojatno je da će se u bliskoj budućnosti iz ovog otpada izdvojiti već pripremljene koncentrirane radioaktivne tvari (na primjer polonija).