Fisiunea nucleară: procesul de divizare a nucleului atomic. Reacții nucleare
Articolul descrie fisiunea nucleară, cum a fost descoperit și descris acest proces. Descoperă utilizarea sa ca sursă de energie și arme nucleare.
Atomul "indivizibil"
Secolul al XXI-lea este plin de astfel de expresii,ca "energie a atomului", "tehnologie nucleară", "deșeuri radioactive". În fiecare zi și din nou, ziarele de ziar arată mesaje despre posibilitatea contaminării radioactive a solului, a oceanelor, a gheții din Antarctica. Cu toate acestea, o persoană obișnuită adesea nu prea își imaginează ce fel de domeniu științei și cum îi ajută în viața de zi cu zi. Merită să începem, probabil, cu istoria. De la prima întrebare adresată de o persoană bine hrănită și îmbrăcată, el a fost interesat de modul în care funcționează lumea. Pe măsură ce ochiul vede, de ce aude urechea, decât apa diferă de piatră - asta a îngrijorat înțelepții de la început. Înapoi în India antică și în Grecia, unele minți curioase au presupus că există o particulă minimă (denumită și "indivizibilă"), care posedă proprietățile materialului. Medicii chimiști au confirmat presupunerea înțeleptului, iar definiția modernă a atomului este după cum urmează: un atom este cea mai mică particulă a unei substanțe care este purtătorul proprietăților sale.
Părți ale atomului
Cu toate acestea, dezvoltarea tehnologiei (în special,fotografii) a condus la faptul că atomul a încetat să fie considerat cea mai mică particulă posibilă de materie. Și, deși un singur atom este neutru din punct de vedere electric, oamenii de știință au realizat rapid că este alcătuit din două părți cu sarcini diferite. Numărul de piese încărcate pozitiv compensează numărul de particule negative, astfel încât atomul rămâne neutru. Dar nu exista un singur model al atomului. De vreme ce fizica clasică încă mai domina, s-au exprimat diferite ipoteze.
Modele ale Atomului
La început, a fost propus un model "rasin-roll". Acuzația pozitivă părea să umple întregul spațiu al atomului și, în el, ca și stafidele într-o pâine, s-au distribuit acuzații negative. Experiența faimoasă a lui Rutherford a determinat următoarele: în centrul atomului este un element foarte greu cu o încărcătură pozitivă (nucleul) și în jurul acestuia există mult mai ușor electroni. Masa nucleului este de sute de ori mai grea decât suma tuturor electronilor (este de 99,9% din masa întregului atom). Astfel sa născut modelul planetar al atomului Bohr. Cu toate acestea, unele dintre elementele sale contraziceau fizica clasică acceptată la acel moment. Prin urmare, a fost dezvoltată o nouă mecanică cuantică. Odată cu apariția sa, a început perioada neclasică a științei.
Atom și radioactivitate
Din toate cele spuse mai sus, devine clar cănucleul este o parte grea, pozitiv încărcată a atomului, care este masa sa principală. Când cuantificarea energiei și a pozițiilor electronilor în orbita atomului a fost bine studiată, a fost timpul să înțelegem natura nucleului atomic. Pentru ajutor a venit radioactivitatea ingenios și neașteptat de deschisă. A ajutat la descoperirea esenței părții centrale grele a atomului, deoarece sursa de radioactivitate este fisiunea nucleelor. La începutul secolului al XIX-lea și al XX-lea, descoperirile au căzut una după alta. Soluția teoretică a unei probleme a cauzat necesitatea de a pune noi experimente. Rezultatele experimentelor au generat teorii și ipoteze care trebuiau confirmate sau respinse. Adesea, cele mai mari descoperiri au apărut pur și simplu pentru că în acest fel formula a devenit convenabilă pentru calcule (cum ar fi, de exemplu, cuantele Max Planck). Chiar și la începutul epocii, oamenii de știință știau că sărurile de uraniu luminează un film fotosensibil, dar nu bănuiesc că fisiunea nucleară era în centrul acestui fenomen. Prin urmare, radioactivitatea a fost studiată pentru a înțelege natura dezintegrării nucleului. Evident, radiația a fost generată de tranziții cuantice, dar nu a fost complet clar ce anume. Cuplul Curie a minat radiul curat și poloniul, procesând aproape manual mina de uraniu pentru a obține un răspuns la această întrebare.
Încărcarea radiațiilor radioactive
Rutherford a făcut multe pentru a studia structuraatom și a contribuit la studiul modului în care are loc fisiunea nucleului atomului. Cercetătorul a plasat radiația emisă de elementul radioactiv într-un câmp magnetic și a primit un rezultat uimitor. Sa dovedit că radiația constă în trei componente: una era neutră, iar cealaltă două încărcate pozitiv și negativ. Studiul fisiunii nucleare a început cu determinarea componentelor sale. Sa demonstrat că nucleul poate să se împartă, să renunțe la o parte din sarcina sa pozitivă.
Structura nucleului
Mai târziu sa dovedit că nucleul atomic nu estenumai din particule de proton încărcate pozitiv, dar și din particule neutronice neutre. Toți împreună sunt numiți nucleoni (din nucleul "nucleu", nucleul). Totuși, oamenii de știință au dat din nou o problemă: masa nucleului (adică numărul nucleonilor) nu corespunde întotdeauna încărcării sale. În hidrogen, nucleul are o încărcătură de +1, iar masa poate fi de trei, două și una. Următoarea încărcare este urmată de o încărcare a nucleului +2 în tabelul periodic al heliului, în timp ce nucleul său conține de la 4 la 6 nucleoni. Elementele mai complexe pot avea un număr mult mai mare de mase diferite cu aceeași încărcătură. Astfel de variații ale atomilor sunt numite izotopi. Și unii izotopi s-au dovedit a fi destul de stabili, în timp ce alții s-au dezintegrat rapid, deoarece pentru ei era caracteristică fisiunea nucleelor. La ce principiu corespunde numărul nucleonilor de stabilitate ai nucleelor? De ce adăugarea unui singur neutron la un nucleu greu și complet stabil a dus la împărțirea lui, la radioactivitate? În mod ciudat, răspunsul la această importantă întrebare nu a fost încă găsit. S-a descoperit experimental că configurațiile stabile ale nucleelor atomice corespund anumitor cantități de protoni și neutroni. Dacă în nucleu există 2, 4, 8, 50 de neutroni și / sau protoni, atunci nucleul va fi stabil în mod neechivoc. Aceste numere sunt chiar numite magice (și au fost numite astfel de către oamenii de știință adulți, fizicienii nucleari). Astfel, fisiunea nucleelor depinde de masa lor, adică de numărul de nucleoni care intră în ele.
Drop, coajă, cristal
Identificați factorul responsabilstabilitatea nucleului, în momentul în care nu a fost posibil. Există multe teorii ale modelului structurii atomului. Cele trei cele mai celebre și cele mai dezvoltate se contrazic adesea între ele în diferite probleme. Potrivit primului, nucleul este o picătură de lichid nuclear special. Ca și apa, se caracterizează prin fluiditate, tensiune superficială, fuziune și dezintegrare. În modelul de coajă din nucleu, există și anumite niveluri de energie care sunt umplute cu nucleoni. Cea de-a treia afirmă că nucleul este un mediu capabil să reflecte undele speciale (valurile de Broglie), în timp ce indicele de refracție este energia potențială. Cu toate acestea, nici un model nu a putut până acum să descrie pe deplin de ce, la o anumită masă critică a acestui element chimic particular, începe divizarea nucleului.
Care este defalcarea
Radioactivitatea, așa cum sa menționat deja mai sus, a fostSe găsește în substanțe care se găsesc în natură: uraniu, poloniu, radium. De exemplu, uraniul curat proaspat exploatat este radioactiv. Procesul de divizare în acest caz va fi spontan. Fără influențe externe, un anumit număr de atomi de uraniu vor emite particule alfa, transformându-se spontan în toriu. Există un indicator numit timpul de înjumătățire plasmatică. Se arată, pentru ce interval de timp de la un număr inițial de o parte va fi aproximativ jumătate. Pentru fiecare element radioactiv, perioada de înjumătățire este de la fracțiuni de secundă pentru California până la sute de mii de ani pentru uraniu și cesiu. Dar există și radioactivitate forțată. Dacă nucleele atomice sunt bombardate cu protoni sau particule alfa (nuclei de heliu) cu energie cinetică ridicată, ei se pot "împărți". Mecanismul transformării, desigur, diferă de modul în care vasul mamei iubite este rupt. Cu toate acestea, o anumită analogie este urmărită.
Energia atomului
Până acum nu am răspuns la întrebarea practicăcaracter: de unde fisiunea nucleului are energie. În primul rând, trebuie clarificat faptul că, atunci când se formează un nucleu, funcționează forțe nucleare speciale, numite interacțiuni puternice. Din moment ce miezul constă într-un set de protoni pozitivi, rămâne întrebarea cu privire la modul în care acestea se reunesc, deoarece forțele electrostatice ar trebui să le respingă puternic una de cealaltă. Răspunsul este simplu și nu: nucleul este păstrat în detrimentul unui schimb foarte rapid între nucleoni de particule particulare-pi-mezoni. Această conexiune trăiește incredibil de puțin. Imediat ce schimbul de pioni este oprit, nucleul se descompune. Este, de asemenea, cunoscut faptul că masa de bază este mai mică decât suma tuturor nucleonilor constituenți ai acesteia. Acest fenomen a fost numit defect de masă. De fapt, masa lipsă este energia folosită pentru menținerea integrității nucleului. De îndată ce o parte a nucleului atomului se separă, această energie este eliberată și transformată în căldură în centralele nucleare. Adică, energia fisiunii nucleare este o demonstrație vizuală a celebrului model al lui Einstein. Reamintim că formula spune: energia și masa pot fi convertite între ele (E = mc2).
Teorie și practică
Acum hai să vorbim despre cum este pur teoreticăDescoperirea este folosită în viață pentru a genera gigawați de energie electrică. În primul rând, trebuie remarcat faptul că în reacțiile controlate se utilizează fisiune nucleară forțată. Cel mai adesea, este uraniu sau poloniu, care este bombardat de neutronii rapizi. În al doilea rând, nu se poate înțelege că fisiunea nucleelor este însoțită de crearea de noi neutroni. Ca urmare, numărul de neutroni din zona de reacție poate crește foarte rapid. Fiecare neutron se ciocnește cu nuclee noi, încă întregi, le desparte, ceea ce duce la o creștere a eliberării căldurii. Aceasta este reacția în lanț a fisiunii nucleare. Creșterea necontrolată a numărului de neutroni din reactor poate duce la o explozie. Așa sa întâmplat în 1986 la centrala nucleară de la Cernobîl. Prin urmare, în zona de reacție există întotdeauna o substanță care absoarbe excesele de neutroni, împiedicând o catastrofă. Este grafitul sub formă de tije lungi. Rata de fisiune a nucleului poate fi încetinită prin imersarea tijelor în zona de reacție. Ecuația reacției nucleare se compune în mod specific pentru fiecare substanță radioactivă activă și particulele care o bombardează (electroni, protoni, particule alfa). Cu toate acestea, producția de energie finală este calculată în conformitate cu legea conservării: E1 + E2 = E3 + E4. Aceasta înseamnă că energia totală a nucleului inițial și a particulei (E1 + E2) ar trebui să fie egală cu energia nucleului rezultat și a energiei eliberate (E3 + E4). Ecuația reacției nucleare arată, de asemenea, ce substanță este produsă ca rezultat al decăderii. De exemplu, pentru uraniul U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Nu sunt arătate izotopi ai elementelor chimice, dar acest lucru este important. De exemplu, există până la trei posibilități de fisiune a uraniului, în care se formează diferiți izotopi de plumb și neon. În aproape o sută la sută din cazuri, reacția fisiunii nucleare produce izotopi radioactivi. Adică, decăderea uraniului produce toriu radioactiv. Thorium este capabil să se dizolve înainte de protactinium, care - la actinia, și așa mai departe. Radioactive în această serie pot fi atât bismut cât și titan. Chiar și hidrogenul, care conține doi protoni în nucleu (la rata unui proton), se numește diferit - deuteriu. Apa formată cu un astfel de hidrogen se numește greu și umple primul circuit din reactoarele nucleare.
Atomul ne-pașnic
Expresii precum "cursa înarmărilor""Războiul rece", "amenințarea nucleară" pentru omul modern poate părea istoric și irelevant. Dar, o dată la fiecare comunicat de presă a fost însoțită de rapoarte de știri aproape peste tot în lume, despre cât de mult a inventat armele nucleare și cum să lupte. Oamenii au construit buncăre subterane și au făcut rezervări în cazul unei iarnă nucleară. Întreg familiile au lucrat pentru a stabili azil. Chiar și utilizarea pașnică a reacțiilor de fisiune nucleară poate duce la catastrofă. S-ar părea că la Cernobâl a învățat omenirea exactitatea în acest domeniu, dar elementele planetei a fost mai puternică: cutremurul din Japonia rănit consolidarea foarte robustă a CNE „Fukushima“. Energia reacției nucleare este mult mai ușor de folosit pentru distrugere. Tehnologia necesită doar o forță limitată de explozie, astfel încât să nu distrugă din greșeală întreaga planetă. Cele mai "bombe", dacă pot fi numite astfel, nu poluează cartierul cu radiații. În general, cele mai multe ori folosesc o reacție în lanț necontrolată. Ceea ce încearcă să evite la centralele nucleare este bombardat într-un mod foarte primitiv. Pentru orice element radioactiv natural, există o anumită masă critică de substanță pură, în care o reacție în lanț în sine apare. Pentru uraniu, de exemplu, sunt doar cincizeci de kilograme. Din moment ce uraniul este foarte greu, este vorba doar de o minge mică de metal de 12-15 centimetri în diametru. Primele bombe atomice la Hiroshima și Nagasaki, au fost făcute tocmai pe acest principiu: două părți inegale de uraniu pur și simplu combinate a dat naștere la o explozie terifiantă. Armele moderne sunt probabil mai complexe. Cu toate acestea, despre masa critică nu este necesar să uităm că între volumele mici de substanță radioactivă pură în timpul depozitării trebuie să fie bariere care împiedică piesele împreună.
Surse de radiații
Toate elementele cu o sarcină nucleară atomică mai mare de 82sunt radioactive. Aproape toate elementele chimice mai ușoare au izotopi radioactivi. Cu cât nucleul este mai greu, cu atât este mai puțin timpul de viață. Unele elemente (cum ar fi California) pot fi obținute doar artificial - prin lovirea atomilor grei cu particule mai ușoare, cel mai adesea pe acceleratoare. Deoarece sunt foarte instabile, ele nu există în crusta pământului: când au format planeta, ele s-au dezintegrat rapid în alte elemente. Pot fi extrase substanțe cu nuclei mai ușoare, cum ar fi uraniul. Acest proces lung, potrivit pentru uraniu minier, chiar și în minele bogate, conține mai puțin de un procent. A treia cale, probabil, indică faptul că noua epocă geologică a început deja. Aceasta este extracția elementelor radioactive din deșeurile radioactive. După oprirea combustibilului de la o stație electrică, pe un submarin sau un transportator de aeronave, se obține un amestec de uraniu inițial și substanța finală, rezultat al fisiunii. În prezent, acest lucru este considerat deșeuri radioactive solide și este o problemă urgentă de a le elimina astfel încât să nu polueze mediul. Cu toate acestea, este probabil ca în viitorul apropiat să fie extrase deja substanțe radioactive concentrate deja pregătite (de exemplu, poloniu) din aceste deșeuri.
