Artikeln berättar om vad kärnklyvning är, hur denna process upptäcktes och beskrevs. Dess användning som energikälla och kärnvapen avslöjas.
"Odelbar" atom
Det tjugoförsta århundradet är fullt av uttryck som "atomens energi", "kärnteknik", "radioaktivt avfall". Då och då i tidningsrubriker blinkar meddelanden om möjligheten av radioaktiv kontaminering av marken, haven, isen på Antarktis. Men en vanlig person har ofta inte en bra uppfattning om vad detta vetenskapsområde är och hur det hjälper i vardagen. Det är värt att börja, kanske, med historien. Redan från första frågan, som ställdes av en välmatad och klädd person, var han intresserad av hur världen fungerar. Hur ögat ser, varför örat hör, hur vatten skiljer sig från sten - det är detta som oroade de vise männen sedan urminnes tider. Även i det antika Indien och Grekland föreslog några nyfikna sinnen att det finns en minimal partikel (den kallades också "odelbar") som har egenskaperna hos ett material. Medeltida kemister bekräftade de vises gissning, och den moderna definitionen av atomen är följande: en atom är den minsta partikeln av ett ämne som är bäraren av dess egenskaper.
Delar av en atom
Men utvecklingen av teknik (ii synnerhet fotografi) har lett till att atomen inte längre anses vara den minsta möjliga partikeln av materia. Och även om en enda atom är elektriskt neutral, insåg forskarna snabbt att den består av två delar med olika laddningar. Antalet positivt laddade delar kompenserar för antalet negativa, så atomen förblir neutral. Men det fanns ingen entydig modell av atomen. Eftersom klassisk fysik fortfarande dominerade under den perioden gjordes olika antaganden.
Atom-modeller
Först föreslogs modellen "russinrulle". Den positiva laddningen fyllde så att säga hela atomens utrymme, och negativa laddningar fördelades i den, som russin i en bulle. Det berömda experimentet av Rutherford bestämde följande: ett mycket tungt grundämne med en positiv laddning (kärnan) är beläget i atomens centrum, och mycket lättare elektroner finns runt omkring. Kärnans massa är hundratals gånger tyngre än summan av alla elektroner (det är 99,9 procent av hela atomens massa). Därmed föddes Bohrs planetmodell av atomen. Men några av dess element stred mot den då accepterade klassiska fysiken. Därför utvecklades en ny, kvantmekanik. Med sitt utseende började den icke-klassiska vetenskapens period.
Atom och radioaktivitet
Av allt ovanstående blir det tydligt att kärnan är en tung, positivt laddad del av atomen, som utgör dess huvuddel. När kvantiseringen av energi och positionerna för elektroner i en atoms omloppsbana var väl förstått, var det dags att förståatomkärnans natur. Den geniala och oväntat upptäckta radioaktiviteten kom till undsättning. Det hjälpte till att avslöja essensen av den tunga centrala delen av atomen, eftersom källan till radioaktivitet är kärnklyvning. Vid 1800- och 1900-talsskiftet regnade upptäckterna ner en efter en. Den teoretiska lösningen av ett problem krävde nya experiment. Resultaten av experimenten gav upphov till teorier och hypoteser som behövde bekräftas eller vederläggas. Ofta har de största upptäckterna kommit till helt enkelt för att det var så formeln blev lätt att beräkna (som till exempel Max Plancks kvantum). Redan i början av fotografiets era visste forskarna att urans alter lyser upp en ljuskänslig film, men de misstänkte inte att kärnklyvning var grunden för detta fenomen. Därför studerades radioaktivitet för att förstå karaktären av kärnkraftsförfall. Uppenbarligen genererades strålningen av kvantövergångar, men det var inte helt klart vilka. Curies bröt rent radium och polonium och arbetade nästan för hand i uranmalm för att svara på denna fråga.
Laddningen av radioaktiv strålning
Rutherford gjorde mycket för att studera atomens struktur och bidrog till studiet av hur klyvningen av atomkärnan sker. Forskaren placerade strålningen som sänds ut av ett radioaktivt element i ett magnetfält och fick ett fantastiskt resultat. Det visade sig att strålning består av tre komponenter: en var neutral och de andra två var positivt och negativt laddade. Studiet av kärnklyvning började med definitionen av desskomponenter. Det bevisades att kärnan kan dela sig, ge upp en del av sin positiva laddning.
Structure of the nucleus
Senare visade det sig att atomkärnan inte bara består av positivt laddade partiklar av protoner, utan också av neutrala partiklar av neutroner. Tillsammans kallas de nukleoner (av engelskan "nucleus", kärnan). Men forskare stötte återigen på ett problem: kärnans massa (det vill säga antalet nukleoner) motsvarade inte alltid dess laddning. I väte har kärnan en laddning på +1, och massan kan vara tre, och två och en. Helium nästa i det periodiska systemet har en kärnladdning på +2, medan dess kärna innehåller från 4 till 6 nukleoner. Mer komplexa element kan ha många fler olika massor för samma laddning. Sådana variationer av atomer kallas isotoper. Dessutom visade sig vissa isotoper vara ganska stabila, medan andra snabbt sönderföll, eftersom de kännetecknades av kärnklyvning. Vilken princip motsvarade antalet nukleoner av kärnans stabilitet? Varför ledde tillägget av bara en neutron till en tung och ganska stabil kärna till att den splittrades, till att radioaktivitet frigjordes? Märkligt nog har svaret på denna viktiga fråga ännu inte hittats. Empiriskt visade det sig att stabila konfigurationer av atomkärnor motsvarar vissa mängder protoner och neutroner. Om det finns 2, 4, 8, 50 neutroner och/eller protoner i kärnan, kommer kärnan definitivt att vara stabil. Dessa siffror kallas till och med magi (och vuxna forskare, kärnfysiker, kallade dem det). Sålunda beror klyvningen av kärnor på deras massa, det vill säga på antalet nukleoner som ingår i dem.
Drop, skal, kristall
Det var inte möjligt att bestämma vilken faktor som är ansvarig för kärnans stabilitet för tillfället. Det finns många teorier om modellen för atomens struktur. De tre mest kända och utvecklade motsäger ofta varandra i olika frågor. Enligt den första är kärnan en droppe av en speciell kärnvätska. Liksom vatten kännetecknas det av flytbarhet, ytspänning, koalescens och förfall. I skalmodellen finns även vissa energinivåer i kärnan, som är fyllda med nukleoner. Den tredje säger att kärnan är ett medium som är kapabelt att bryta speciella vågor (de Broglie), medan brytningsindex är potentiell energi. Ingen modell har dock ännu kunnat beskriva varför, vid en viss kritisk massa av just detta kemiska element, kärnklyvning börjar.
Hur är uppbrott
Radioaktivitet, som nämnts ovan, hittades i ämnen som kan finnas i naturen: uran, polonium, radium. Till exempel är nybrytet, rent uran radioaktivt. Splittringsprocessen i detta fall kommer att vara spontan. Utan yttre påverkan kommer ett visst antal uranatomer att avge alfapartiklar som spontant omvandlas till torium. Det finns en indikator som kallas halveringstiden. Den visar under vilken tidsperiod från det ursprungliga numret på delen ungefär hälften kommer att återstå. För varje radioaktivt grundämne är halveringstiden olika - från bråkdelar av en sekund för Kalifornien tillhundratusentals år för uran och cesium. Men det finns också påtvingad radioaktivitet. Om kärnorna av atomer bombarderas med protoner eller alfapartiklar (heliumkärnor) med hög kinetisk energi kan de "delas". Förvandlingsmekanismen är naturligtvis annorlunda än hur mammas favoritvas är trasig. Det finns dock en viss analogi.
Atom Energy
Hittills har vi inte svarat på en praktisk fråga: var kommer energin ifrån under kärnklyvning. Till att börja med måste det klargöras att under bildandet av en kärna verkar speciella kärnkrafter, som kallas den starka växelverkan. Eftersom kärnan är uppbyggd av många positiva protoner kvarstår frågan hur de håller ihop, eftersom de elektrostatiska krafterna måste trycka bort dem från varandra ganska kraftigt. Svaret är både enkelt och inte på samma gång: kärnan hålls samman av ett mycket snabbt utbyte mellan nukleoner av speciella partiklar - pi-mesoner. Denna koppling lever otroligt kort. Så fort utbytet av pi-mesoner upphör, sönderfaller kärnan. Det är också säkert känt att massan av en kärna är mindre än summan av alla dess ingående nukleoner. Detta fenomen kallas massdefekten. Faktum är att den saknade massan är den energi som spenderas på att upprätthålla kärnans integritet. Så snart någon del separeras från kärnan i en atom frigörs denna energi och omvandlas till värme i kärnkraftverk. Det vill säga, kärnklyvningens energi är en tydlig demonstration av den berömda Einstein-formeln. Kom ihåg att formeln säger: energi och massa kan förvandlas till varandra (E=mc2).
Teori och praktik
Nu ska vi berätta hur denna rent teoretiska upptäckt används i livet för att producera gigawatt elektricitet. Först bör det noteras att kontrollerade reaktioner använder forcerad kärnklyvning. Oftast är det uran eller polonium, som bombarderas av snabba neutroner. För det andra är det omöjligt att inte förstå att kärnklyvning åtföljs av skapandet av nya neutroner. Som ett resultat kan antalet neutroner i reaktionszonen öka mycket snabbt. Varje neutron kolliderar med nya, fortfarande intakta kärnor, delar dem, vilket leder till en ökning av värmeavgivningen. Detta är kärnklyvningens kedjereaktion. En okontrollerad ökning av antalet neutroner i en reaktor kan leda till en explosion. Det är precis vad som hände 1986 vid kärnkraftverket i Tjernobyl. Därför finns det i reaktionszonen alltid ett ämne som absorberar överskott av neutroner, vilket förhindrar en katastrof. Det är grafit i form av långa stavar. Kärnklyvningshastigheten kan bromsas ned genom att sänka ner stavarna i reaktionszonen. Kärnreaktionsekvationen sammanställs specifikt för varje aktivt radioaktivt ämne och de partiklar som bombarderar det (elektroner, protoner, alfapartiklar). Den slutliga energiproduktionen beräknas dock enligt bevarandelagen: E1+E2=E3+E4. Det vill säga den totala energin för den ursprungliga kärnan och partikeln (E1 + E2) måste vara lika med energin för den resulterande kärnan och den energi som frigörs i fri form (E3 + E4). Kärnreaktionsekvationen visar också vilken typ av ämne som erhålls till följd av sönderfall. Till exempel, för uran U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Grundämnenas isotoper är inte listade här.detta är dock viktigt. Det finns till exempel så många som tre möjligheter för klyvning av uran, där olika isotoper av bly och neon bildas. I nästan hundra procent av fallen producerar kärnklyvningsreaktionen radioaktiva isotoper. Det vill säga att sönderfallet av uran producerar radioaktivt torium. Torium kan sönderfalla till protactinium, det till aktinium och så vidare. Både vismut och titan kan vara radioaktiva i denna serie. Även väte, som innehåller två protoner i kärnan (med en hastighet av en proton), kallas annorlunda - deuterium. Vatten som bildas med sådant väte kallas tungt vatten och fyller primärkretsen i kärnreaktorer.
Ofredlig atom
Uttryck som "kapprustning", "kallt krig", "kärnvapenhot" kan verka historiska och irrelevanta för en modern person. Men en gång i tiden åtföljdes varje pressmeddelande nästan över hela världen av rapporter om hur många typer av kärnvapen som uppfanns och hur man handskas med dem. Folk byggde underjordiska bunkrar och fyllde på i händelse av en kärnvapenvinter. Hela familjer arbetade för att bygga härbärget. Även fredlig användning av kärnklyvningsreaktioner kan leda till katastrof. Det verkar som att Tjernobyl lärde mänskligheten att vara försiktig i detta område, men planetens element visade sig vara starkare: jordbävningen i Japan skadade de mycket pålitliga befästningarna av kärnkraftverket i Fukushima. Energin i en kärnreaktion är mycket lättare att använda för destruktion. Teknologer behöver bara begränsa explosionens kraft för att inte av misstag förstöra hela planeten. De mest "humana" bomberna, om man kan kalla dem så, förorenar inte omgivningen med strålning. I allmänhet använder de oftastokontrollerad kedjereaktion. Det de strävar efter att undvika vid kärnkraftverk med alla medel uppnås i bomber på ett mycket primitivt sätt. För alla naturligt radioaktiva grundämnen finns det en viss kritisk massa av rent ämne där en kedjereaktion föds av sig själv. För uran är det till exempel bara femtio kilo. Eftersom uran är väldigt tungt är det bara en liten metallkula på 12-15 centimeter i diameter. De första atombomberna som släpptes över Hiroshima och Nagasaki gjordes exakt enligt denna princip: två ojämlika delar av rent uran kombinerades helt enkelt och genererade en skrämmande explosion. Moderna vapen är förmodligen mer sofistikerade. Man bör dock inte glömma den kritiska massan: det måste finnas barriärer mellan små volymer rent radioaktivt material under lagring, vilket hindrar delarna från att ansluta.
Strålningskällor
Alla grundämnen med en kärnladdning större än 82 är radioaktiva. Nästan alla lättare kemiska grundämnen har radioaktiva isotoper. Ju tyngre kärnan är, desto kortare livslängd. Vissa grundämnen (som Kalifornien) kan endast erhållas artificiellt - genom att kollidera tunga atomer med lättare partiklar, oftast i acceleratorer. Eftersom de är mycket instabila, existerar de inte i jordskorpan: under bildningen av planeten sönderdelade de mycket snabbt i andra element. Ämnen med lättare kärnor, som uran, kan brytas. Denna process är lång, uran lämpligt för utvinning, även i mycket rika malmer, innehåller mindre än en procent. tredje vägen,kanske tyder på att en ny geologisk epok redan har börjat. Detta är utvinning av radioaktiva ämnen från radioaktivt avfall. Efter att bränslet har använts i ett kraftverk, på en ubåt eller hangarfartyg, erhålls en blandning av det ursprungliga uranet och det slutliga ämnet, resultatet av fission. I nuläget betraktas detta som fast radioaktivt avfall och det är en akut fråga om hur man gör sig av med det så att det inte förorenar miljön. Det är dock troligt att det inom en snar framtid kommer att brytas färdiga koncentrerade radioaktiva ämnen (till exempel polonium) från detta avfall.
