Artikkelen forteller om hva kjernefysisk fisjon er, hvordan denne prosessen ble oppdaget og beskrevet. Dens bruk som energikilde og atomvåpen blir avslørt.
"Udelelig" atom
Det tjueførste århundre er fylt med uttrykk som «atomets energi», «atomteknologi», «radioaktivt avfall». Nå og da i avisoverskrifter blinker meldinger om muligheten for radioaktiv forurensning av jorda, hav, is i Antarktis. Imidlertid har en vanlig person ofte ikke en veldig god ide om hva dette vitenskapsfeltet er og hvordan det hjelper i hverdagen. Det er verdt å begynne, kanskje, med historien. Allerede fra det første spørsmålet, som ble stilt av en velmatet og kledd person, var han interessert i hvordan verden fungerer. Hvordan øyet ser, hvorfor øret hører, hvordan vann skiller seg fra stein - det er dette som bekymret de vise menn fra uminnelige tider. Selv i det gamle India og Hellas antydet noen nysgjerrige hjerner at det er en minimal partikkel (den ble også k alt "udelelig") som har egenskapene til et materiale. Middelalderkjemikere bekreftet vismennenes gjetning, og den moderne definisjonen av atomet er som følger: et atom er den minste partikkelen av et stoff som er bæreren av dets egenskaper.
Deler av et atom
Men utviklingen av teknologi (ispesielt fotografi) har ført til at atomet ikke lenger regnes som den minste mulige materiepartikkel. Og selv om et enkelt atom er elektrisk nøytr alt, innså forskerne raskt at det består av to deler med forskjellige ladninger. Antall positivt ladede deler kompenserer for antall negative, slik at atomet forblir nøytr alt. Men det var ingen entydig modell av atomet. Siden klassisk fysikk fortsatt dominerte i denne perioden, ble det gjort forskjellige antakelser.
Atom-modeller
Først ble modellen "rosinrull" foreslått. Den positive ladningen fylte så å si hele atomrommet, og negative ladninger ble fordelt i den, som rosiner i en bolle. Det berømte eksperimentet til Rutherford bestemte følgende: et veldig tungt grunnstoff med positiv ladning (kjernen) er lokalisert i sentrum av atomet, og mye lettere elektroner er plassert rundt. Massen til kjernen er hundrevis av ganger tyngre enn summen av alle elektronene (den er 99,9 prosent av massen til hele atomet). Dermed ble Bohrs planetmodell av atomet født. Imidlertid var noen av dens elementer i strid med den da aksepterte klassiske fysikken. Derfor ble en ny, kvantemekanikk utviklet. Med dets utseende begynte den ikke-klassiske vitenskapsperioden.
Atom og radioaktivitet
Fra alt det ovennevnte blir det klart at kjernen er en tung, positivt ladet del av atomet, som utgjør hoveddelen. Da kvantiseringen av energi og posisjonene til elektroner i banen til et atom ble godt forstått, var det på tide å forståatomkjernens natur. Den geniale og uventet oppdagede radioaktiviteten kom til unnsetning. Det bidro til å avsløre essensen av den tunge sentrale delen av atomet, siden kilden til radioaktivitet er kjernefysisk fisjon. Ved overgangen til det nittende og tjuende århundre regnet funn ned etter hverandre. Den teoretiske løsningen av ett problem nødvendiggjorde nye eksperimenter. Resultatene av eksperimentene ga opphav til teorier og hypoteser som måtte bekreftes eller avkreftes. Ofte har de største oppdagelsene skjedd ganske enkelt fordi det var slik formelen ble lett å beregne (som for eksempel Max Plancks kvante). Selv i begynnelsen av fotografiets æra visste forskerne at urans alter lyser opp en lysfølsom film, men de mistenkte ikke at kjernefysisk fisjon var grunnlaget for dette fenomenet. Derfor ble radioaktivitet studert for å forstå arten av kjernefysisk forfall. Det er klart at strålingen ble generert av kvanteoverganger, men det var ikke helt klart hvilke. Curies utvunnet rent radium og polonium, og arbeidet nesten for hånd i uranmalm, for å svare på dette spørsmålet.
ladningen av radioaktiv stråling
Rutherford gjorde mye for å studere strukturen til atomet og bidro til studiet av hvordan fisjon av atomkjernen skjer. Forskeren plasserte strålingen som sendes ut av et radioaktivt element i et magnetfelt og fikk et fantastisk resultat. Det viste seg at stråling består av tre komponenter: en var nøytral, og de to andre var positivt og negativt ladet. Studiet av kjernefysisk fisjon begynte med definisjonen av denskomponenter. Det ble bevist at kjernen kan dele seg, gi opp deler av sin positive ladning.
Structure of the nucleus
Senere viste det seg at atomkjernen ikke bare består av positivt ladede partikler av protoner, men også av nøytrale partikler av nøytroner. Sammen kalles de nukleoner (av engelsk "nucleus", kjernen). Imidlertid møtte forskere igjen et problem: massen til kjernen (det vil si antall nukleoner) samsvarte ikke alltid med ladningen. I hydrogen har kjernen en ladning på +1, og massen kan være tre, og to, og en. Helium neste i det periodiske systemet har en kjerneladning på +2, mens kjernen inneholder fra 4 til 6 nukleoner. Mer komplekse elementer kan ha mange flere forskjellige masser for samme ladning. Slike variasjoner av atomer kalles isotoper. Dessuten viste noen isotoper seg å være ganske stabile, mens andre raskt forf alt, siden de var preget av kjernefysisk fisjon. Hvilket prinsipp tilsvarte antallet nukleoner for stabiliteten til kjernene? Hvorfor førte tilsetningen av bare ett nøytron til en tung og ganske stabil kjerne til at den ble splittet, til frigjøring av radioaktivitet? Merkelig nok er svaret på dette viktige spørsmålet ennå ikke funnet. Empirisk viste det seg at stabile konfigurasjoner av atomkjerner tilsvarer visse mengder protoner og nøytroner. Hvis det er 2, 4, 8, 50 nøytroner og/eller protoner i kjernen, vil kjernen definitivt være stabil. Disse tallene kalles til og med magi (og voksne forskere, kjernefysikere, k alte dem det). Dermed avhenger fisjon av kjerner av massen deres, det vil si antall nukleoner som er inkludert i dem.
Dråpe, skall, krystall
Det var ikke mulig å bestemme faktoren som er ansvarlig for stabiliteten til kjernen for øyeblikket. Det er mange teorier om modellen for strukturen til atomet. De tre mest kjente og utviklede motsier ofte hverandre i ulike spørsmål. Ifølge den første er kjernen en dråpe av en spesiell kjernefysisk væske. I likhet med vann er det preget av flyt, overflatespenning, koalescens og forfall. I skallmodellen er det også visse energinivåer i kjernen, som er fylt med nukleoner. Den tredje sier at kjernen er et medium som er i stand til å bryte spesielle bølger (de Broglie), mens brytningsindeksen er potensiell energi. Imidlertid har ingen modell ennå klart å beskrive hvorfor, ved en viss kritisk masse av dette bestemte kjemiske elementet, begynner kjernefysisk fisjon.
Hvordan samlivsbrudd er
Radioaktivitet, som nevnt ovenfor, ble funnet i stoffer som finnes i naturen: uran, polonium, radium. For eksempel er nyutvunnet, rent uran radioaktivt. Splittingsprosessen i dette tilfellet vil være spontan. Uten ytre påvirkning vil et visst antall uranatomer avgi alfapartikler som spontant omdannes til thorium. Det er en indikator som kalles halveringstiden. Den viser i hvilken tidsperiode fra det første nummeret til delen omtrent halvparten vil gjenstå. For hvert radioaktivt grunnstoff er halveringstiden forskjellig - fra brøkdeler av et sekund for California tilhundretusenvis av år for uran og cesium. Men det er også tvungen radioaktivitet. Hvis atomkjernene blir bombardert med protoner eller alfapartikler (heliumkjerner) med høy kinetisk energi, kan de "deles". Mekanismen for transformasjon er selvfølgelig forskjellig fra hvordan mors favorittvase er ødelagt. Det er imidlertid en viss analogi.
Atom Energy
Vi har så langt ikke svart på et praktisk spørsmål: hvor kommer energien fra under kjernefysisk fisjon. Til å begynne med må det avklares at under dannelsen av en kjerne virker det spesielle kjernekrefter, som kalles det sterke samspillet. Siden kjernen består av mange positive protoner, gjenstår spørsmålet hvordan de henger sammen, fordi de elektrostatiske kreftene må skyve dem bort fra hverandre ganske kraftig. Svaret er både enkelt og ikke på samme tid: Kjernen holdes sammen av en veldig rask utveksling mellom nukleoner av spesielle partikler - pi-mesoner. Denne forbindelsen lever utrolig kort. Så snart utvekslingen av pi-mesons stopper, forfaller kjernen. Det er også kjent med sikkerhet at massen til en kjerne er mindre enn summen av alle dens konstituerende nukleoner. Dette fenomenet kalles massedefekten. Faktisk er den manglende massen energien som brukes på å opprettholde integriteten til kjernen. Så snart en del er skilt fra kjernen til et atom, frigjøres denne energien og omdannes til varme i kjernekraftverk. Det vil si at energien til kjernefysisk fisjon er en tydelig demonstrasjon av den berømte Einstein-formelen. Husk at formelen sier: energi og masse kan bli til hverandre (E=mc2).
Teori og praksis
Nå skal vi fortelle deg hvordan denne rent teoretiske oppdagelsen brukes i livet til å produsere gigawatt elektrisitet. Først bør det bemerkes at kontrollerte reaksjoner bruker tvungen kjernefysisk fisjon. Oftest er det uran eller polonium, som bombarderes av raske nøytroner. For det andre er det umulig å ikke forstå at kjernefysisk fisjon er ledsaget av dannelsen av nye nøytroner. Som et resultat kan antallet nøytroner i reaksjonssonen øke veldig raskt. Hvert nøytron kolliderer med nye, fortsatt intakte kjerner, splitter dem, noe som fører til en økning i varmeutgivelsen. Dette er kjernefysisk kjedereaksjon. En ukontrollert økning i antall nøytroner i en reaktor kan føre til en eksplosjon. Dette er akkurat det som skjedde i 1986 ved atomkraftverket i Tsjernobyl. Derfor er det i reaksjonssonen alltid et stoff som absorberer overflødige nøytroner, og forhindrer en katastrofe. Det er grafitt i form av lange stenger. Hastigheten av kjernefysisk fisjon kan reduseres ved å senke stengene i reaksjonssonen. Kjernereaksjonsligningen er kompilert spesifikt for hvert aktivt radioaktivt stoff og partiklene som bombarderer det (elektroner, protoner, alfapartikler). Den endelige energiproduksjonen beregnes imidlertid etter fredningsloven: E1+E2=E3+E4. Det vil si at den totale energien til den opprinnelige kjernen og partikkelen (E1 + E2) må være lik energien til den resulterende kjernen og energien som frigjøres i fri form (E3 + E4). Kjernereaksjonsligningen viser også hva slags stoff som oppnås som følge av forråtnelse. For eksempel, for uran U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Isotopene til grunnstoffene er ikke oppført her.dette er imidlertid viktig. For eksempel er det så mange som tre muligheter for fisjon av uran, hvor det dannes forskjellige isotoper av bly og neon. I nesten hundre prosent av tilfellene produserer kjernefysisk fisjonsreaksjon radioaktive isotoper. Det vil si at nedbrytningen av uran produserer radioaktivt thorium. Thorium kan forfalle til protactinium, det til actinium, og så videre. Både vismut og titan kan være radioaktive i denne serien. Selv hydrogen, som inneholder to protoner i kjernen (med en hastighet på ett proton), kalles annerledes - deuterium. Vann dannet med slikt hydrogen kalles tungtvann og fyller primærkretsen i atomreaktorer.
Ufredelig atom
Uttrykk som "våpenkappløp", "kald krig", "atomtrussel" kan virke historiske og irrelevante for en moderne person. Men en gang i tiden ble hver nyhetsmelding nesten over hele verden ledsaget av rapporter om hvor mange typer atomvåpen som ble oppfunnet og hvordan man skulle håndtere dem. Folk bygde underjordiske bunkere og fylte opp i tilfelle en atomvinter. Hele familier jobbet for å bygge krisesenteret. Selv fredelig bruk av kjernefysiske fisjonsreaksjoner kan føre til katastrofe. Det ser ut til at Tsjernobyl lærte menneskeheten å være forsiktig i dette området, men elementene på planeten viste seg å være sterkere: jordskjelvet i Japan skadet de svært pålitelige befestningene til Fukushima-atomkraftverket. Energien til en kjernefysisk reaksjon er mye lettere å bruke til ødeleggelse. Teknologer trenger bare å begrense eksplosjonens kraft, for ikke å ødelegge hele planeten ved et uhell. De mest «humane» bombene, hvis man kan kalle dem det, forurenser ikke omgivelsene med stråling. Generelt bruker de oftestukontrollert kjedereaksjon. Det de streber etter å unngå ved atomkraftverk for all del oppnås i bomber på en veldig primitiv måte. For ethvert naturlig radioaktivt grunnstoff er det en viss kritisk masse av rent stoff der en kjedereaksjon er født av seg selv. For uran er det for eksempel bare femti kilo. Siden uran er veldig tungt, er det bare en liten metallkule på 12-15 centimeter i diameter. De første atombombene som ble sluppet over Hiroshima og Nagasaki ble laget nøyaktig i henhold til dette prinsippet: to ulike deler av rent uran kom ganske enkelt sammen og genererte en skremmende eksplosjon. Moderne våpen er sannsynligvis mer sofistikerte. Man bør imidlertid ikke glemme den kritiske massen: det må være barrierer mellom små volumer av rent radioaktivt materiale under lagring, som hindrer delene i å koble seg sammen.
Strålekilder
Alle grunnstoffer med en atomladning større enn 82 er radioaktive. Nesten alle lettere kjemiske grunnstoffer har radioaktive isotoper. Jo tyngre kjernen er, jo kortere levetid. Noen grunnstoffer (som California) kan kun oppnås kunstig - ved å kollidere tunge atomer med lettere partikler, oftest i akseleratorer. Siden de er veldig ustabile, eksisterer de ikke i jordskorpen: under dannelsen av planeten gikk de veldig raskt i oppløsning til andre elementer. Stoffer med lettere kjerner, som uran, kan utvinnes. Denne prosessen er lang, uran egnet for utvinning, selv i svært rike malmer, inneholder mindre enn én prosent. tredje vei,tyder kanskje på at en ny geologisk epoke allerede har begynt. Dette er utvinning av radioaktive grunnstoffer fra radioaktivt avfall. Etter at drivstoff er brukt på et kraftverk, på en ubåt eller hangarskip, oppnås en blanding av det originale uranet og det endelige stoffet, resultatet av fisjon. For øyeblikket regnes dette som fast radioaktivt avfall og det er et akutt spørsmål om hvordan de skal deponeres slik at de ikke forurenser miljøet. Det er imidlertid sannsynlig at det i nær fremtid vil bli utvunnet ferdige konsentrerte radioaktive stoffer (for eksempel polonium) fra dette avfallet.
