Articolul spune despre ce este fisiunea nucleară, cum a fost descoperit și descris acest proces. Este dezvăluită utilizarea sa ca sursă de energie și de arme nucleare.
atom „indivizibil”
Secolul douăzeci și unu este plin de expresii precum „energia atomului”, „tehnologia nucleară”, „deșeurile radioactive”. Din când în când în titlurile ziarelor mesaje flash despre posibilitatea contaminării radioactive a solului, oceanelor, gheții Antarcticii. Cu toate acestea, o persoană obișnuită adesea nu are o idee foarte bună despre ce este acest domeniu al științei și cum ajută el în viața de zi cu zi. Merită să începem, poate, cu istoria. Încă de la prima întrebare, care a fost pusă de o persoană bine hrănită și îmbrăcată, a fost interesat de modul în care funcționează lumea. Cum vede ochiul, de ce aude urechea, cum diferă apa de piatră - asta i-a îngrijorat pe înțelepți din timpuri imemoriale. Chiar și în India și Grecia antică, unele minți curiozitoare au sugerat că există o particulă minimă (a fost numită și „indivizibilă”) care are proprietățile unui material. Chimiștii medievali au confirmat presupunerea înțelepților, iar definiția modernă a atomului este următoarea: un atom este cea mai mică particulă a unei substanțe care este purtătoarea proprietăților sale.
Părți ale unui atom
Cu toate acestea, dezvoltarea tehnologiei (înîn special, fotografia) a condus la faptul că atomul nu mai este considerat cea mai mică particulă posibilă de materie. Și deși un singur atom este neutru din punct de vedere electric, oamenii de știință și-au dat seama rapid că este format din două părți cu sarcini diferite. Numărul de părți încărcate pozitiv compensează numărul de părți negative, astfel încât atomul rămâne neutru. Dar nu a existat un model clar al atomului. Deoarece fizica clasică încă domina în acea perioadă, s-au făcut diverse presupuneri.
Modele Atom
La început, a fost propus modelul „rulată de stafide”. Sarcina pozitivă, așa cum spunea, a umplut întreg spațiul atomului, iar sarcinile negative au fost distribuite în el, ca stafidele într-o chiflă. Celebrul experiment al lui Rutherford a determinat următoarele: un element foarte greu cu sarcină pozitivă (nucleul) este situat în centrul atomului, iar electroni mult mai ușori sunt localizați în jur. Masa nucleului este de sute de ori mai grea decât suma tuturor electronilor (este 99,9 la sută din masa întregului atom). Astfel, a luat naștere modelul planetar al atomului lui Bohr. Cu toate acestea, unele dintre elementele sale au contrazis fizica clasică acceptată atunci. Prin urmare, a fost dezvoltată o nouă mecanică cuantică. Odată cu apariția sa, a început perioada non-clasică a științei.
Atomi și radioactivitate
Din toate cele de mai sus, devine clar că nucleul este o parte grea, încărcată pozitiv, a atomului, care formează volumul său. Când cuantizarea energiei și pozițiile electronilor pe orbita unui atom au fost bine înțelese, era timpul să înțelegemnatura nucleului atomic. Radioactivitatea ingenioasă și descoperită pe neașteptat a venit în ajutor. A ajutat la dezvăluirea esenței părții centrale grele a atomului, deoarece sursa de radioactivitate este fisiunea nucleară. La începutul secolelor al XIX-lea și al XX-lea, descoperirile au plouat una după alta. Rezolvarea teoretică a unei probleme a necesitat noi experimente. Rezultatele experimentelor au dat naștere la teorii și ipoteze care trebuiau confirmate sau infirmate. Adesea, cele mai mari descoperiri au apărut pur și simplu pentru că astfel formula a devenit ușor de calculat (cum ar fi, de exemplu, cuantica lui Max Planck). Chiar și la începutul erei fotografiei, oamenii de știință știau că sărurile de uraniu luminează un film fotosensibil, dar nu bănuiau că fisiunea nucleară stă la baza acestui fenomen. Prin urmare, radioactivitatea a fost studiată pentru a înțelege natura dezintegrarii nucleare. Evident, radiația a fost generată de tranziții cuantice, dar nu era complet clar care dintre ele. Soții Curies au extras radiu pur și poloniu, lucrând aproape manual în minereu de uraniu, pentru a răspunde la această întrebare.
Încărcarea radiațiilor radioactive
Rutherford a făcut mult pentru a studia structura atomului și a contribuit la studiul modului în care are loc fisiunea nucleului atomului. Omul de știință a plasat radiația emisă de un element radioactiv într-un câmp magnetic și a obținut un rezultat uimitor. S-a dovedit că radiația constă din trei componente: una era neutră, iar celel alte două erau încărcate pozitiv și negativ. Studiul fisiunii nucleare a început cu definirea acesteiacomponente. S-a dovedit că nucleul se poate diviza, renunță la o parte din sarcina sa pozitivă.
Structura nucleului
Mai târziu s-a dovedit că nucleul atomic este format nu numai din particule de protoni încărcate pozitiv, ci și din particule neutre de neutroni. Împreună se numesc nucleoni (din engleză „nucleus”, nucleul). Cu toate acestea, oamenii de știință s-au confruntat din nou cu o problemă: masa nucleului (adică numărul de nucleoni) nu corespundea întotdeauna încărcăturii sale. În hidrogen, nucleul are o sarcină de +1, iar masa poate fi trei, și două și unu. Heliul următor în tabelul periodic are o sarcină nucleară de +2, în timp ce nucleul său conține de la 4 la 6 nucleoni. Elementele mai complexe pot avea mult mai multe mase diferite pentru aceeași sarcină. Astfel de variații ale atomilor se numesc izotopi. În plus, unii izotopi s-au dovedit a fi destul de stabili, în timp ce alții s-au degradat rapid, deoarece erau caracterizați de fisiune nucleară. Ce principiu corespundea numărului de nucleoni ai stabilității nucleelor? De ce adăugarea unui singur neutron la un nucleu greu și destul de stabil a dus la scindarea acestuia, la eliberarea de radioactivitate? În mod ciudat, răspunsul la această întrebare importantă nu a fost încă găsit. Din punct de vedere empiric, s-a dovedit că configurațiile stabile ale nucleelor atomice corespund anumitor cantități de protoni și neutroni. Dacă există 2, 4, 8, 50 de neutroni și/sau protoni în nucleu, atunci nucleul va fi cu siguranță stabil. Aceste numere sunt chiar numite magie (și oamenii de știință adulți, fizicienii nucleari, le-au numit așa). Astfel, fisiunea nucleelor depinde de masa lor, adică de numărul de nucleoni incluși în ele.
Picătură, coajă, cristal
Nu a fost posibil să se determine factorul care este responsabil pentru stabilitatea miezului în acest moment. Există multe teorii ale modelului structurii atomului. Cele trei cele mai celebre și dezvoltate se contrazic adesea pe diverse probleme. Potrivit primei, nucleul este o picătură dintr-un lichid nuclear special. La fel ca apa, se caracterizează prin fluiditate, tensiune superficială, coalescență și degradare. În modelul învelișului, există și anumite niveluri de energie în nucleu, care sunt umplute cu nucleoni. Al treilea afirmă că miezul este un mediu care este capabil să refracte unde speciale (de Broglie), în timp ce indicele de refracție este energia potențială. Cu toate acestea, niciun model nu a reușit încă să descrie pe deplin de ce, la o anumită masă critică a acestui element chimic particular, începe fisiunea nucleară.
Cum sunt despărțirile
Radioactivitatea, așa cum am menționat mai sus, a fost găsită în substanțe care pot fi găsite în natură: uraniu, poloniu, radiu. De exemplu, uraniul pur, proaspăt extras, 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 timp de înjumătățire. Arată pentru ce perioadă de timp de la numărul inițial al piesei va rămâne aproximativ jumătate. Pentru fiecare element radioactiv, timpul de înjumătățire este diferit - de la fracțiuni de secundă pentru California până lasute de mii de ani pentru uraniu și cesiu. Dar există și radioactivitate forțată. Dacă nucleele atomilor sunt bombardate cu protoni sau particule alfa (nuclee de heliu) cu energie cinetică mare, se pot „diviza”. Mecanismul de transformare, desigur, este diferit de modul în care se sparge vaza preferată a mamei. Cu toate acestea, există o anumită analogie.
Energie atomică
Până acum, nu am răspuns la o întrebare practică: de unde provine energia în timpul fisiunii nucleare. Pentru început, trebuie clarificat faptul că în timpul formării unui nucleu acţionează forţe nucleare speciale, care se numesc interacţiune puternică. Deoarece nucleul este format din mulți protoni pozitivi, întrebarea rămâne cum se lipesc, deoarece forțele electrostatice trebuie să-i împingă destul de puternic unul de celăl alt. Răspunsul este simplu și nu în același timp: nucleul este ținut împreună printr-un schimb foarte rapid între nucleoni de particule speciale - pi-mezoni. Această conexiune trăiește incredibil de scurt. De îndată ce schimbul de pi-mezoni se oprește, nucleul se descompune. De asemenea, se știe cu siguranță că masa unui nucleu este mai mică decât suma tuturor nucleonilor săi constitutivi. Acest fenomen se numește defect de masă. De fapt, masa lipsă este energia care este cheltuită pentru menținerea integrității nucleului. De îndată ce o parte este separată de nucleul unui atom, această energie este eliberată și transformată în căldură în centralele nucleare. Adică, energia fisiunii nucleare este o demonstrație clară a celebrei formule Einstein. Amintiți-vă că formula spune: energia și masa se pot transforma una în alta (E=mc2).
Teorie și practică
Acum vă vom spune cum această descoperire pur teoretică este folosită în viață pentru a produce gigawați de electricitate. În primul rând, trebuie menționat că reacțiile controlate folosesc fisiunea nucleară forțată. Cel mai adesea este uraniu sau poloniu, care este bombardat de neutroni rapizi. În al doilea rând, este imposibil să nu înțelegem că fisiunea nucleară 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 intacte, le desparte, ceea ce duce la o creștere a eliberării de căldură. Aceasta este reacția în lanț de fisiune nucleară. O creștere necontrolată a numărului de neutroni dintr-un reactor poate duce la o explozie. Este exact ceea ce s-a întâmplat în 1986 la centrala nucleară de la Cernobîl. Prin urmare, în zona de reacție există întotdeauna o substanță care absoarbe neutronii în exces, prevenind o catastrofă. Este grafit sub formă de tije lungi. Viteza de fisiune nucleară poate fi încetinită prin scufundarea tijelor în zona de reacție. Ecuația reacției nucleare este compilată special pentru fiecare substanță radioactivă activă și particulele care o bombardează (electroni, protoni, particule alfa). Cu toate acestea, producția finală de energie este calculată conform legii de conservare: E1+E2=E3+E4. Adică, energia totală a nucleului și particulei originale (E1 + E2) trebuie să fie egală cu energia nucleului rezultat și cu energia eliberată în formă liberă (E3 + E4). Ecuația reacției nucleare arată, de asemenea, ce fel de substanță se obține ca urmare a descompunerii. De exemplu, pentru uraniu U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Izotopii elementelor nu sunt enumerați aici.cu toate acestea, acest lucru este important. De exemplu, există până la trei posibilități pentru fisiunea uraniului, în care se formează diferiți izotopi de plumb și neon. În aproape sută la sută din cazuri, reacția de fisiune nucleară produce izotopi radioactivi. Adică, dezintegrarea uraniului produce toriu radioactiv. Toriul se poate degrada în protactiniu, acesta în actiniu și așa mai departe. Atât bismutul, cât și titanul pot fi radioactive în această serie. Chiar și hidrogenul, care conține doi protoni în nucleu (la rata unui proton), este numit diferit - deuteriu. Apa formată cu un astfel de hidrogen se numește apă grea și umple circuitul primar din reactoarele nucleare.
Atom nepașnic
Expresii precum „cursa înarmărilor”, „război rece”, „amenințare nucleară” pot părea istorice și irelevante pentru o persoană modernă. Dar cândva, fiecare comunicat de presă din aproape toată lumea a fost însoțit de rapoarte despre câte tipuri de arme nucleare au fost inventate și cum să le rezolvi. Oamenii au construit buncăre subterane și s-au aprovizionat în caz de iarnă nucleară. Familii întregi au lucrat la construirea adăpostului. Chiar și utilizarea pașnică a reacțiilor de fisiune nucleară poate duce la dezastru. S-ar părea că Cernobîl a învățat omenirea să fie atentă în această zonă, dar elementele planetei s-au dovedit a fi mai puternice: cutremurul din Japonia a deteriorat fortificațiile foarte sigure ale centralei nucleare de la Fukushima. Energia unei reacții nucleare este mult mai ușor de folosit pentru distrugere. Tehnologii trebuie doar să limiteze forța exploziei, pentru a nu distruge accidental întreaga planetă. Cele mai „umane” bombe, dacă le poți numi așa, nu poluează împrejurimile cu radiații. În general, ele folosesc cel mai desreacție în lanț necontrolată. Ceea ce se străduiesc să evite la centralele nucleare prin toate mijloacele se realizează în bombe într-un mod foarte primitiv. Pentru orice element radioactiv natural, există o anumită masă critică de substanță pură în care o reacție în lanț se naște de la sine. Pentru uraniu, de exemplu, este doar cincizeci de kilograme. Deoarece uraniul este foarte greu, este doar o minge mică de metal cu diametrul de 12-15 centimetri. Primele bombe atomice aruncate asupra Hiroshima si Nagasaki au fost facute exact dupa acest principiu: doua parti inegale de uraniu pur s-au combinat pur si simplu si au generat o explozie terifianta. Armele moderne sunt probabil mai sofisticate. Cu toate acestea, nu trebuie să uităm de masa critică: trebuie să existe bariere între volumele mici de material radioactiv pur în timpul depozitării, împiedicând conectarea pieselor.
Surse de radiații
Toate elementele cu o sarcină nucleară mai mare de 82 sunt radioactive. Aproape toate elementele chimice mai ușoare au izotopi radioactivi. Cu cât nucleul este mai greu, cu atât durata de viață este mai scurtă. Unele elemente (cum ar fi California) pot fi obținute numai artificial - prin ciocnirea atomilor grei cu particule mai ușoare, cel mai adesea în acceleratoare. Deoarece sunt foarte instabile, nu există în scoarța terestră: în timpul formării planetei, s-au dezintegrat foarte repede în alte elemente. Substanțele cu nuclee mai ușoare, cum ar fi uraniul, pot fi extrase. Acest proces este lung, uraniul potrivit pentru extracție, chiar și în minereuri foarte bogate, conține mai puțin de unu la sută. a treia cale,indică probabil că o nouă epocă geologică a început deja. Aceasta este extragerea elementelor radioactive din deșeurile radioactive. După ce combustibilul este cheltuit la o centrală electrică, pe un submarin sau un portavion, se obține un amestec de uraniu original și substanța finală, rezultatul fisiunii. În prezent, acestea sunt considerate deșeuri radioactive solide și există o întrebare acută cu privire la modul de eliminare a acestora astfel încât să nu polueze mediul. Cu toate acestea, este probabil ca, în viitorul apropiat, substanțe radioactive concentrate gata preparate (de exemplu, poloniu) să fie extrase din aceste deșeuri.
