Нуклеарна фисија: процес на поделба на атомското јадро. Нуклеарни реакции

Статијата раскажува како е нуклеарна фисија, како овој процес е откриен и опишан. Таа ја открива неговата употреба како извор на енергија и нуклеарно оружје.

"Неделлив" атом

Дваесет и првиот век е исполнет со изрази како "енергија на атомот", "нуклеарна технологија", "радиоактивен отпад". Веднаш потоа, насловите во весникот покажуваат пораки за можноста за радиоактивна контаминација на почвата, океаните, мразот на Антарктикот. Сепак, обичниот човек често не е добро замислете каква област на науката и како таа помага во секојдневниот живот. Вреди да се почне, можеби, со историја. Од првото прашање што го поставил добро облечен и облечен човек, тој бил заинтересиран за тоа како функционира светот. Како што окото гледа, зошто го слуша увото, отколку што водата се разликува од каменот - тоа е она што ги загрижуваше мудреците од самиот почеток. Назад во античка Индија и Грција, некои испитувачки умови претпоставуваа дека има минимална честичка (исто така беше наречена "неделива") која ги поседува својствата на материјалот. Средновековните хемичари ја потврдија претпоставката на мудриот, а модерната дефиниција на атомот е следна: атом е најмалата честичка на супстанца која е носител на неговите својства.

Делови од атомот

Сепак, развојот на технологијата (особено фотографијата) доведе до фактот дека атомот престанал да се смета за најмала можна честичка на материјата. И покрај тоа што еден атом е електрично неутрален, научниците брзо сфатија дека се состои од два дела со различни обвиненија. Бројот на позитивно наелектризираните делови компензира за бројот на негативни честички, така што атомот останува неутрален. Но, немаше единечен модел на атомот. Бидејќи во тоа време сè уште доминирала класичната физика, биле направени разни претпоставки.

Модели на атомот

Најпрво, беше предложен модел за "суво грозје". Позитивниот полнеж се чинеше дека го пополнува целиот простор на атомот, а во него, како суво грозје во леб, беа дистрибуирани негативни обвиненија. Познатото искуство на Ратерфорд го определи следново: во центарот на атомот е многу тежок елемент со позитивен полнеж (јадро), а околу него има многу полесни електрони. Масата на јадрото е стотици пати потешки од збирот на сите електрони (тоа е 99,9 проценти од масата на целиот атом). Така, се родил планетарниот модел на аромата Бох. Меѓутоа, некои од неговите елементи се спротивставија на класичната физика прифатена во тоа време. Затоа, беше развиена нова, квантна механика. Со својот изглед започна некласичниот период на науката.

Атом и радиоактивност

Од сето она што е кажано погоре, станува јасно дека јадрото е тежок, позитивно наелектричен дел од атомот, што го сочинува својот дел. Кога квантизацијата на енергијата и позициите на електроните во орбитата на атомот беше добро проучена, време беше да се разбере природата на атомското јадро. До помошта дојде генијална и неочекувано отворена радиоактивност. Тоа помогна да се открие суштината на тешката централна дел на атомот, бидејќи изворот на радиоактивност е фисија на јадра. На крајот на деветнаесеттиот и дваесеттиот век, откритијата паднаа еден по друг. Теоретското решение на еден проблем предизвика потреба да постави нови експерименти. Резултатите од експериментите генерираа теории и хипотези кои требаше да бидат потврдени или побиени. Најчесто најголемите откритија се појавиле едноставно затоа што на тој начин формулата станала погодна за пресметки (како, на пример, Квант на Макс Планк). Дури и на почетокот на ерата, научниците знаеле дека ураниумовите соли го осветлуваат фотосензитивниот филм, но тие не се сомневаат дека нуклеарната фисија е во центарот на овој феномен. Затоа, беше проучувана радиоактивност за да се разбере природата на распаѓањето на јадрото. Очигледно, зрачењето беше генерирано од квантните транзиции, но не беше сосема јасно што точно. Двојката Кири го минира чистиот радиум и полониум, речиси рачно обработувајќи ја уранската руда за да добие одговор на ова прашање.

Надоместок за радиоактивно зрачење

Ратерфорд направил многу за да ја проучи структурата на атомот и да придонесе за проучување на тоа како се случува фисија на атомското јадро. Научниците ја радијацијата што ја емитираат радиоактивните елементи во магнетното поле и добиле неверојатен резултат. Се покажа дека зрачењето се состои од три компоненти: еден е неутрален, а две други - позитивно и негативно наелектризирани. Студијата за нуклеарна фисија започна со одредување на нејзините компоненти. Беше докажано дека јадрото може да се подели, да даде дел од својот позитивен полнеж.

Структурата на јадрото

Подоцна беше откриено дека атомското јадро не се состои само од позитивно наелектризирани честички на протоните, туку и неутрални честички на неутроните. Сите заедно се нарекуваат нуклони (од англиското "јадро", јадрото). Сепак, научниците повторно наидоа на проблем: масата на јадрото (т.е. бројот на нуклеоните) не секогаш соодветствуваше со нејзиниот полнеж. Во водород, јадрото има задолжен за +1, а масата може да биде три, и две, и една. Следниот полнеж е проследен со полнење на јадрото +2 во периодниот систем на хелиум, додека неговото јадро содржи од 4 до 6 нуклони. Покомплексните елементи можат да имаат многу поголем број на различни маси со исто полнење. Ваквите варијации на атомите се нарекуваат изотопи. И некои изотопи се покажаа доста стабилни, додека други брзо се распаднаа, бидејќи нуклеарната фисија беше карактеристична за нив. На кој принцип се согласува бројот на нуклеоните на нуклеарната стабилност? Зошто додавањето на само еден неутрон во тешка и целосно стабилно јадро доведе до нејзино поделба, до ослободување на радиоактивност? Чудно е, одговорот на ова важно прашање сè уште не е пронајден. Експериментално е утврдено дека стабилните конфигурации на атомските јадра соодветствуваат на одредени количини на протони и неутрони. Ако во јадрото 2, 4, 8, 50 неутрони и / или протони, тогаш јадрото ќе биде недвосмислено стабилно. Овие броеви се нарекуваат магични (и тие беа именувани така од страна на возрасни научници, нуклеарни физичари). Така, фисија на јадра зависи од нивната маса, односно од бројот на нуклеоните што влегуваат во нив.

Капка, школка, кристал

Одреди го факторот кој е одговорен за стабилноста на кернелот, во моментот кога тоа не беше можно. Постојат многу теории за моделот на структурата на атомот. Трите најпознати и развиени честопати се контрадикторни во различни работи. Според првото, јадрото е капка од специјална нуклеарна течност. Како вода, таа се карактеризира со флуидност, површинска напнатост, фузија и распаѓање. Во школка модел во јадрото, исто така, постојат одредени нивоа на енергија кои се полни со нуклони. Третото тврдење дека јадрото е средина која е способна да прекрши посебни бранови (de Broglie), додека индексот на рефракција е потенцијална енергија. Сепак, ниеден модел до сега не може целосно да опише зошто, во одредена критична маса на овој хемиски елемент, започнува поделбата на јадрото.

Што е дефект

Радиоактивноста, како што е споменато погоре, беше пронајдена во супстанции кои можат да се најдат во природата: ураниум, полониум, радиум. На пример, свежо ископан, чист ураниум е радиоактивен. Процесот на разделување во овој случај ќе биде спонтан. Без никакви надворешни влијанија, одреден број атоми на ураниум ќе испуштаат алфа-честички, спонтано трансформирајќи се во ториум. Постои индикатор наречен полу-живот. Тоа покажува, за кој временски интервал од почетниот број на дел ќе биде околу половина. За секој радиоактивен елемент, нејзиниот полуживот е од фракции од секунда за Калифорнија до стотици илјади години за ураниум и цезиум. Но, исто така, постои и присилна радиоактивност. Ако атомските јадра се бомбардирани со протони или алфа-честички (јадра на хелиум) со висока кинетичка енергија, тие можат да "поделат". Механизмот на трансформација, се разбира, е различен од тоа како се скршила вазната на саканата мајка. Сепак, се следи некоја аналогија.

Енергијата на атомот

Досега не ни одговоривме на практичното прашање: каде енергијата ја зема фисијата на јадрото? За почеток, ние треба да разјасниме дека кога формира јадро, дејствуваат посебни нуклеарни сили, кои се нарекуваат силни интеракции. Бидејќи јадрото се состои од збир на позитивни протони, останува прашањето за тоа како тие се држат заедно, бидејќи електростатските сили треба силно да ги одвратат едни од други. Одговорот е едноставен и не: јадрото се чува на сметка на многу брза размена меѓу нуклеоните со специјални честички-пи-мезони. Оваа врска живее неверојатно малку. Штом се прекине размената на пион, јадрото се распаѓа. Исто така е познато дека масата на јадрото е помала од збирот на сите негови составни нуклони. Овој феномен беше наречен дефект на масите. Всушност, масата што недостасува е енергијата што се троши за одржување на интегритетот на јадрото. Веднаш штом ќе се оддели дел од јадрото на атомот, оваа енергија се ослободува и се претвора во топлина во нуклеарните централи. Тоа е, енергијата на нуклеарната фисија е визуелна демонстрација на познатата формула на Ајнштајн. Потсетиме, формулата вели: енергијата и масата можат да се конвертираат еден во друг (E = mc ² ).

Теорија и практика

Сега да разговараме за тоа како ова чисто теоретско откритие се користи во животот за да се генерираат гигаватти електрична енергија. Прво, мора да се забележи дека во контролираните реакции се користи присилна нуклеарна фисија. Најчесто ова е ураниум или полониум, кој е бомбардиран со брзи неутрони. Второ, не може да се разбере дека фисија на јадра е придружена со создавање на нови неутрони. Како резултат на тоа, бројот на неутрони во реакциската зона е способен да расте многу брзо. Секој неутрон се судира со нови, уште цели јадра, ги раздвојува, што доведува до зголемување на ослободувањето на топлина. Ова е верижна реакција на нуклеарната фисија. Неконтролираниот раст на бројот на неутроните во реакторот може да доведе до експлозија. Ова се случи во 1986 година во нуклеарната централа Чернобил. Затоа, во реакциската зона, секогаш постои супстанца која ги апсорбира вишокот неутрони, спречувајќи катастрофа. Тоа е графит во форма на долги прачки. Стапката на фисија на јадрата може да се забави со потопување на прачки во реакциската зона. Еднаквоста на нуклеарната реакција е направена специјално за секоја активна радиоактивна материја и нејзините честички што ја бомбардираат (електрони, протони, алфа честички). Сепак, конечната енергија се пресметува според законот за конзервација: E1 + E2 = E3 + E4. Тоа е, вкупната енергија на почетното јадро и честичката (E1 + E2) треба да биде еднаква на енергијата на добиеното јадро и ослободената енергија во слободната форма (E3 + E4). Еднаквоста на нуклеарната реакција, исто така, покажува каква супстанција е произведена како резултат на распаѓањето. На пример, за ураниум U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Не се прикажани изотопи на хемиски елементи, но ова е важно. На пример, постојат три можности за фисија на ураниум, при што се формираат различни изотопи на олово и неон. Во речиси сто проценти од случаите, реакцијата на нуклеарна фисија дава радиоактивни изотопи. Тоа е, распаѓањето на ураниум произведува радиоактивен ториум. Ториум може да се раствори до пропактиниум, тоа - до актинија и така натаму. Радиоактивноста во оваа серија може да биде и бизмут и титаниум. Дури и водород, кој содржи два протони во јадрото (по стапка на еден протон), се нарекува поинаку - деутериум. Водата формирана со таков водород се нарекува тешка и го исполнува првиот круг во нуклеарните реактори.

Немирен атом

Таквите изрази како "расата на вооружување", "студената војна", "нуклеарната закана" на современиот човек може да изгледаат историски и ирелевантни. Но, едно време, секое издание на вести речиси во целиот свет беше придружено со извештаи за тоа колку видови на нуклеарно оружје беа измислени и како да се справи со тоа. Луѓето изградија подземни бункери и направија резерви во случај на нуклеарна зима. Цели семејства работеле за да основаат азил. Дури и мирното користење на реакциите на нуклеарна фисија може да доведе до катастрофа. Се чини дека Чернобил научи човештвото на точноста во оваа област, но елементите на планетата се покажаа посилни: земјотресот во Јапонија беше оштетен од многу сигурно зајакнување на нуклеарната централа Фукушима. Енергијата на нуклеарната реакција е многу полесна за уништување. Технологистите треба само да ја ограничат моќта на експлозијата, за да не ја уништи целата планета ненамерно. Најмногу "хумани" бомби, ако може да се наречат така, не го загадуваат соседството со зрачење. Во принцип, тие најчесто користат неконтролирана верижна реакција. Она што се обидува да се избегне кај нуклеарните централи е бомбардиран на многу примитивен начин. За секој природен радиоактивен елемент, постои одредена критична маса на чиста материја во која верижната реакција се создава сама по себе. За ураниум, на пример, тоа е само педесет килограми. Бидејќи ураниумот е многу тежок, тоа е само мала метална топка со дијаметар од 12-15 сантиметри. Првите атомски бомби што беа фрлени врз Хирошима и Нагасаки беа направени токму на овој принцип: два нееднакви делови од чист ураниум беа едноставно поврзани и доведоа до застрашувачка експлозија. Модерното оружје веројатно е посложено. Меѓутоа, не треба да се заборави за критичната маса: помеѓу мали количини на чист радиоактивен материјал за време на складирањето мора да постојат пречки што не дозволуваат поврзување со делови.

Извори на зрачење

Сите елементи со атомско јадро за полнење поголеми од 82 се радиоактивни. Речиси сите полесни хемиски елементи имаат радиоактивни изотопи. Колку потешко е јадрото, толку е помало неговото животно време. Некои елементи (како што се калифорнија) можат да се добијат само вештачки - со притискање на тешки атоми со полесни честички, најчесто на акцелератори. Бидејќи тие се многу нестабилни, тие не постојат во земјината кора: кога ја формираат планетата, тие брзо се распаднаа во други елементи. Супстанциите со полесни јадра, како што е ураниумот, може да се екстрахираат. Овој долг процес, погоден за рударски ураниум, дури и во многу богати руди, содржи помалку од еден процент. Третиот начин, можеби, укажува на тоа дека новата геолошка епоха веќе започнала. Ова е екстракција на радиоактивни елементи од радиоактивниот отпад. По отпуштањето на гориво во централа, на подморница или носач на воздухоплови, се добива мешавина од почетниот ураниум и финалната супстанција, како резултат на фисија. Во моментот се смета за цврст радиоактивен отпад и е итно прашање како да се отстранат, така што тие не ја загадуваат животната средина. Сепак, веројатно е дека во блиска иднина веќе подготвените концентрирани радиоактивни супстанции (на пример, полониум) ќе бидат извлечени од овие отпадоци.