Nukleær fisjon: prosessen med å splitte atomkjernen. Nuclear Reactions

Artikkelen forteller om atomfission, hvordan denne prosessen ble oppdaget og beskrevet. Det avslører bruken som en kilde til energi og atomvåpen.

"Udelbart" atom

Det tjueførste århundre er fullt av slike uttrykk,som "atomens energi", "atomteknologi", "radioaktivt avfall". Nå og da viser avisoverskrifter meldinger om muligheten for radioaktiv forurensning av jord, hav, is i Antarktis. Imidlertid kan en vanlig person ikke veldig godt forestille seg hva slags vitenskapsområde og hvordan det hjelper i hverdagen. Det er verdt å starte, kanskje med historien. Fra det aller første spørsmålet fra en velmattet og kledd person, var han interessert i hvordan verden fungerer. Som øyet ser, hvorfor hører han øret, enn vannet avviger fra steinen - det er det som bekymrer vismennene fra begynnelsen. Tilbake i det gamle India og Hellas antok noen nysgjerrige tanker at det var en minimal partikkel (det ble også kalt "udelelig"), og hadde egenskapene til materialet. Middelalderlige kjemikere har bekreftet gjetningen til de vise, og den moderne definisjonen av atomet er som følger: Et atom er den minste partikkel av et stoff som er bæreren av egenskapene.

Deler av atomet

Men utviklingen av teknologi (spesielt,bilder) førte til at atomet ikke lenger ble vurdert som den minste partikkel av materie. Og selv om et enkelt atom er elektrisk nøytral, oppdaget forskerne raskt at det består av to deler med forskjellige ladninger. Antallet positivt ladede deler kompenserer for antall negative partikler, så atomet forblir nøytral. Men det var ingen enkeltverdig modell av atomet. Siden den tiden klassisk fysikk fortsatt dominert, ble ulike forutsetninger uttrykt.

Modeller av Atom

Først ble det foreslått en "raisin-roll" -modell. Den positive ladningen syntes å fylle hele rommet, og i det, som rosiner i et brød, ble negative kostnader fordelt. Rutherfords berømte erfaring bestemte seg for følgende: i midten av atomet er et veldig tungt element med en positiv ladning (kjernen), og rundt det er det mye lettere elektroner. Kjernens masse er hundrevis av ganger tyngre enn summen av alle elektronene (det er 99,9 prosent av massen av hele atom). Dermed ble planetmodellen til Bohr-atomet født. Men noen av dens elementer motsatte seg den klassiske fysikken som ble akseptert på den tiden. Derfor ble det utviklet en ny kvantemekanikk. Med sin utseende begynte den ikke-klassiske vitenskapsperioden.

Atom og radioaktivitet

Fra alt som er sagt ovenfor, blir det klart atkjernen er en tung, positivt ladet del av atomet, som er dens hovedmasse. Når kvantiseringen av energiene og posisjonene til elektronene i atomets bane var godt studert, var det på tide å forstå atomkernens natur. Til hjelp kom den geniale og uventet åpne radioaktiviteten. Det bidro til å avdekke essensen av den tunge sentrale delen av atomet, siden kilden til radioaktivitet er klyvfelling. Ved begynnelsen av det nittende og tyvende århundre falt funnene etter hverandre. Den teoretiske løsningen av ett problem forårsaket behovet for å sette nye eksperimenter. Resultatene fra forsøkene genererte teorier og hypoteser som måtte bekreftes eller avvises. Ofte oppsto de største funnene bare fordi det var på denne måten at formelen ble praktisk for beregninger (som for eksempel Max Planck-kvantaet). Selv i begynnelsen av æraen visste forskerne at uransalter lyser en lysfølsom film, men de mistenkte ikke at atomfission var i hjertet av dette fenomenet. Derfor ble radioaktivitet studert for å forstå karakteren av forfallet av kjernen. Tydeligvis ble strålingen generert av kvanteoverganger, men det var ikke helt klart hva som helst. Curie-paret gruved av ren radium og polonium, som nesten håndterer uranmalmen for å få svar på dette spørsmålet.

Ansvaret for radioaktiv stråling

Rutherford gjorde mye for å studere strukturenatom og bidro til studiet av hvordan fisjonen av atomkernen foregår. Vitenskapsmannen plasserte strålingen fra det radioaktive elementet i et magnetfelt og fikk et fantastisk resultat. Det viste seg at strålingen består av tre komponenter: den ene var nøytral og de andre to - positivt og negativt ladet. Studien av atomfission begynte med bestemmelsen av komponentene. Det ble bevist at kjernen kan dele seg, gi opp en del av sin positive ladning.

Kjernens struktur

Senere viste det seg at atomkjernen ikke erbare fra positivt ladede protonpartikler, men også nøytrale neutronpartikler. Alt sammen kalles de nukleonene (fra den engelske "kjernen", kjernen). Imidlertid har forskere igjen oppstått et problem: massen av kjernen (dvs. antall nukleoner) ikke alltid svarer til sin kostnad. I hydrogen har kjernen en kostnad på +1, og massen kan være tre og to og en. Ved å følge den i det periodiske system helium ladning kjerne 2, med sin kjerne inneholder 4 til 6 nukleoner. Mer komplekse elementer kan ha et mye større antall forskjellige masser med samme ladning. Slike variasjoner av atomer kalles isotoper. Og noen var ganske stabile isotoper, andre raskt oppløst, fordi for dem var det preget av fisjon. Til hvilket prinsipp korresponderte antall nukleoner med stabilitet av kjerner? Hvorfor var tillegget av bare ett nøytron til en tung og helt stabil kjerne ført til at den splittet seg, til radioaktivitet? Merkelig nok har svaret på dette viktige spørsmålet ennå ikke blitt funnet. Det har blitt eksperimentelt funnet ut at stabile konfigurasjoner av atomkjerner korresponderer med bestemte mengder protoner og nøytroner. Dersom kjernen 2, 4, 8, 50 nøytroner og / eller protoner, kjernen vil entydig stabil. Disse tallene kalles selv magisk (og de ble kalt så av voksenforskere, kjernefysikere). Således avhenger kjernefysjonen av deres masse, det vil si på antall nukleoner som kommer inn i dem.

Drop, skall, krystall

Identifiser faktoren som er ansvarlig forKjernens stabilitet, for øyeblikket var det ikke mulig. Det er mange teorier om modellen av atomkonstruksjonen. De tre mest kjente og utviklede seg motsier seg hverandre i forskjellige saker. Ifølge den første er kjernen en dråpe av en spesiell kjernevæske. Som vann er det preget av fluiditet, overflatespenning, fusjon og forfall. I skallmodellen i kjernen er det også visse energinivåer som er fylt med nukleon. Den tredje sier at kjernen er et miljø som er i stand til å bryte spesielle bølger (de Broglie-bølger), mens brytningsindeksen er potensiell energi. Imidlertid har ingen modell hittil vært i stand til å fullstendig beskrive hvorfor, ved en bestemt kritisk masse av dette kjemiske elementet, begynner splittingen av kjernen.

Hva er nedbrytingen

Radioaktivitet, som allerede nevnt ovenfor, varDet finnes i stoffer som kan finnes i naturen: uran, polonium, radium. For eksempel, ferskmalt, ren uran er radioaktiv. Kloakkeprosessen i dette tilfellet vil være spontan. Uten ekstern påvirkning vil et visst antall uranatomer avgi alfa-partikler, som spontant forvandles til thorium. Det er en indikator som kalles halveringstid. Det viser, for hvilket tidsintervall fra et innledende nummer på en del forblir omtrent halvparten. For hvert radioaktivt element er halveringstiden fra fraksjoner av et sekund til California til hundretusener av år for uran og cesium. Men det er også tvunget radioaktivitet. Hvis atomkjernene bombarderes med protoner eller alfa-partikler (heliumkjerner) med høy kinetisk energi, kan de "splitte". Transformasjonsmekanismen er selvsagt forskjellig fra hvordan den elskede mors vas er ødelagt. Imidlertid spores en viss analogi.

Atomenes energi

Så langt har vi ikke besvart spørsmålet om praktiskkarakter: hvorfra fisjonen av kjernen tar energi. Til å begynne med bør det klargjøres at når en kjerne dannes, opererer spesielle atomstyrker, som kalles sterke samspill. Siden kjernen består av et sett med positive protoner, gjenstår spørsmålet om hvordan de holder sammen, fordi elektrostatiske krefter bør sterkt avstøte dem fra hverandre. Svaret er både enkelt og ikke: kjernen holdes på bekostning av en veldig rask utveksling mellom nukleonene ved spesielle partikler-pi-mesoner. Denne forbindelsen lever utrolig lite. Så snart vekslingen av pioner er stoppet, kaster kjernen ned. Det er også kjent at kjernemassen er mindre enn summen av alle dens kjernekomponenter. Dette fenomenet ble kalt massefeil. Faktisk er den manglende massen den energien som er brukt på å opprettholde integriteten til kjernen. Så snart en del av atomkjernen skiller seg, frigjøres denne energien og konverteres til varme i atomkraftverk. Det vil si at energien fra atomfission er en visuell demonstrasjon av Einsteins berømte formel. Husk, formelen sier: energi og masse kan konverteres til hverandre (E = mc²).

Teori og praksis

La oss nå snakke om hvordan dette er rent teoretiskFunnet er brukt i livet for gigawatt elektrisitet. For det første bør det bemerkes at i kontrollerte reaksjoner indusert fisjons benyttes. Oftest er det uran eller polonium, som er bombardert av hurtige nøytroner. Dernest bør det bli forstått at fisjon er ledsaget av etableringen av nye nøytroner. Som et resultat er antallet nøytroner i reaksjonssonen i stand til å vokse meget raskt. Hver nøytron kolliderer med nye, mer hele kjerner, splitter dem, noe som fører til en økning i varmeutvikling. Dette er kjedereaksjonen av atomfission. Ukontrollerte mengder av nøytron økning i reaktoren kan føre til en eksplosjon. Det er hva som skjedde i 1986 ved Tsjernobyl kjernekraftverk. Derfor, i reaksjonssonen er alltid en substans som absorberer overskudds nøytroner for å forhindre en katastrofe. Det er grafitt i form av lange stenger. fisjonsraten kan bli redusert ved å senke stavene i reaksjonssonen. Ligning kjernereaksjonen er laget spesielt for hvert virkestoff og radioaktiv bombardere dens partikler (elektroner, protoner, a-partikler). Imidlertid er den endelige energiproduksjon beregnet i henhold til loven om bevaring: E1 + E2 + E4 E3 =. Det vil si at den totale energien i den opprinnelige kjernepartikkel, og (E1 + E2) skal være lik energien av den resulterende kjerne og den frie energien som frigjøres i form av (+ E3 E4). Ligningen viser også en kjernereaksjon, en substans som ble oppnådd ved spaltning. For eksempel uran U = Th + Han, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Det er ikke gitt isotoper av de kjemiske grunnstoffer, men dette er viktig. For eksempel er det tre muligheter uran fisjon, som produserer forskjellige avlednings isotoper og neon. Nesten hundre prosent av det fisjonsreaksjon frembringer radioaktive isotoper. Det vil si at nedbrytning av uran oppnådd radioaktiv thorium. Thorium er protactinium i stand til å gå i oppløsning, som - til actinium, og så videre. Radioaktiv i denne serien kan være, og vismut, og titan. Selv hydrogenholdig kjerne to protoner (ved en hastighet på ett proton), ellers kalt - deuterium. Vannet som ble dannet med hydrogen kalt tunge og fyller den første krets i en kjernereaktor.

Ikke-fredelig atom

Uttrykk som "våpenløpet""Kaldkrig", "kjernefysisk trussel" til den moderne mannen kan virke historisk og irrelevant. Men på en gang ble hvert utgave av nyheter nesten over hele verden ledsaget av rapporter om hvor mange typer kjernefysiske våpen som ble oppfunnet og hvordan de skulle håndtere det. Folk bygget underjordiske bunkere og lagde reserver i tilfelle en kjernefysisk vinter. Hele familier jobbet for å etablere asyl. Selv den fredelige bruken av kjernefysiske reaksjoner kan føre til katastrofe. Det ville synes at Tsjernobyl har lært menneskeheten nøyaktigheten i dette området, men elementer av planeten var sterkere: jordskjelvet i Japan såre meget robust styrking av NPP "Fukushima". Energien til atomreaksjonen er mye lettere å bruke til destruksjon. Teknologer trenger bare å begrense eksplosjonens kraft, for ikke å ødelegge hele planeten utilsiktet. De mest "humane" bomber, hvis de kan kalles slik, forurenser ikke nabolaget med stråling. Generelt bruker de oftest en ukontrollert kjedereaksjon. Det de prøver å unngå ved atomkraftverk, bombarderes på en veldig primitiv måte. For ethvert naturlig radioaktivt element er det en viss kritisk masse av rent materie der kjedereaksjonen genereres av seg selv. For uran er det for eksempel bare femti kilo. Siden uran er veldig tung, er det bare en liten metallkule 12-15 centimeter i diameter. De første atombombene falt over Hiroshima og Nagasaki, ble gjort nettopp på dette prinsippet: to ulike deler av ren uran bare kombinert og ga opphav til en skremmende eksplosjon. Moderne våpen er trolig mer komplekse. Imidlertid, om den kritiske masse er ikke nødvendig å glemme at det mellom de små volumer av ren radioaktivt stoff i løpet av lagring bør være barrierer som hindrer delene sammen.

Kilder til stråling

Alle elementer med en atomkjerne lade større enn 82er radioaktive. Nesten alle lettere kjemiske elementer har radioaktive isotoper. Jo tyngre kjernen, desto mindre er levetiden. Noen elementer (som California) kan kun oppnås kunstig - ved å banke tungt atomer med lettere partikler, oftest på akseleratorer. Siden de er svært ustabile, eksisterer de ikke i jordskorpen: da de dannet planeten, ble de raskt oppløst i andre elementer. Stoffer med lettere kjerner, som uran, kan ekstraheres. Denne lange prosessen, egnet for minedrift uran, selv i svært rike malmer, inneholder mindre enn en prosent. Den tredje måten indikerer kanskje at den nye geologiske epoken allerede har begynt. Dette er utvinning av radioaktive elementer fra radioaktivt avfall. Etter at du har arbeidet av drivstoffet på et kraftverk, på en ubåt eller en luftfartøy, oppnås en blanding av det opprinnelige uran og det endelige stoffet, resultatet av fisjonen. For øyeblikket betraktes dette som et solidt radioaktivt avfall, og det er et presserende forhold hvordan man skal avhende dem slik at de ikke forurenser miljøet. Det er imidlertid sannsynlig at i de nærmeste fremtidene vil allerede utarbeidet konsentrerte radioaktive stoffer (for eksempel polonium) bli hentet fra dette avfallet.