Fisiunea nucleară: procesul de divizare a nucleului atomic. Reacțiile nucleare

Articolul descrie cum este 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 expresii precum "energia atomului", "tehnologia nucleară", "deșeurile radioactive". Din când în când, titlurile de ziar prezintă 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 arie de știință și cum îi ajută în viața de zi cu zi. Merită să începem, probabil, cu istoria. De la prima întrebare adresată de un om bine hrănit și îmbrăcat, 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 celor înțelepți, 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 fotografie) a dus 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 acesta 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 făcut diverse 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 sarcină pozitivă (nucleu), și în jurul acestuia există mult mai ușor electroni. Masa nucleului este de sute de ori mai grea decât suma tuturor electronilor (99,9% din masa întregului atom). Astfel sa născut modelul planetar al atomului Bohr. Cu toate acestea, unele dintre elementele sale au contrazis fizica clasică acceptată la acel moment. Prin urmare, a fost dezvoltată o nouă mecanică cuantică. Cu apariția ei, a început epoca neclasică a științei.

Atom și radioactivitate

Din tot ceea ce sa spus mai sus, devine clar că nucleul este o parte greu, încărcată pozitiv a atomului, care constituie masa sa principală. Atunci când cuantizarea energiei și a pozițiilor electronilor în orbita atomului a fost bine studiată, a fost timpul să înțelegem natura nucleului atomic. La 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 stabili noi experimente. Rezultatele experimentelor au generat teorii și ipoteze care trebuiau să fie confirmate sau respinse. Deseori, 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, cuantumul 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 se afla în centrul acestui fenomen. Prin urmare, radioactivitatea a fost studiată pentru a înțelege natura degradării 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 structura atomului și a contribuit la studiul modului în care are loc fisiunea nucleului atomic. Cercetătorul a plasat radiația emisă de elementul radioactiv într-un câmp magnetic și a primit un rezultat uimitor. Sa dovedit că radiația constă din trei componente: una era neutră, iar altele două - încărcate pozitiv și negativ. Studiul fisiunii nucleare a început cu determinarea componentelor sale. Sa demonstrat că nucleul poate să se împartă, să dea o parte din sarcina sa pozitivă.

Structura nucleului

Mai târziu sa constatat că nucleul atomic constă nu numai în particule încărcate pozitiv de protoni, ci și în particule neutre de neutroni. Toți împreună sunt numiți nucleoni (de la "nucleul" englezesc, 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 fisiunea nucleară a fost caracteristică pentru ei. La ce principiu corespunde numărul nucleonilor de stabilitate nucleară? De ce adăugarea unui singur neutron la un nucleu greu și complet stabil a condus la împărțirea lui, la eliberarea de radioactivitate? În mod ciudat, răspunsul la această întrebare importantă nu a fost încă găsit. S-a stabilit experimental că configurațiile stabile ale nucleelor atomice corespund anumitor cantități de protoni și neutroni. Dacă în nucleul 2, 4, 8, 50 neutroni și / sau protoni, atunci nucleul va fi stabil în mod neechivoc. Aceste numere sunt chiar numite magice (și au fost numite astfel de oameni de știință adulți, fizicieni nucleari). Astfel, fisiunea nucleilor depinde de masa lor, adică de numărul de nucleoni care intră în ele.

Drop, coajă, cristal

Determinați factorul care este responsabil pentru stabilitatea kernelului, în momentul în care nu a fost posibil. Există multe teorii ale modelului structurii atomului. Cele trei cele mai renumite și cele mai dezvoltate se contrazic adesea între ele în diferite chestiuni. Potrivit primului, nucleul este o picătură de lichid nuclear special. Ca și apa, se caracterizează prin fluiditate, tensiune superficială, fuziune și dezintegrare. În modelul coajă din nucleu, există și anumite niveluri de energie care sunt umplute cu nucleoni. A treia afirmație că nucleul este un mediu capabil să refractoreze undele speciale (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 mai sus, a fost găsită în substanțe care se găsesc în natură: uraniu, poloniu, radiu. De exemplu, uraniul curat proaspat minat 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. Arată, pentru ce interval de timp de la un număr inițial de o parte va fi aproximativ jumătate. Pentru fiecare element radioactiv, timpul 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 o energie cinetică ridicată, se pot "împărți". Mecanismul de transformare, desigur, este diferit de modul în care vaza mamei iubite este ruptă. Cu toate acestea, o analogie este urmărită.

Energia atomului

Până în prezent nu am răspuns la întrebarea practică: unde energia ia fisiunea nucleului? În primul rând, trebuie să clarificăm faptul că atunci când se formează un nucleu, funcționează forțe nucleare speciale, numite interacțiuni puternice. Deoarece nucleul constă dintr-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 unele de altele. Răspunsul este simplu și nu: nucleul este păstrat în detrimentul schimbului 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 defectul maselor. De fapt, masa lipsă este energia folosită pentru menținerea integrității nucleului. De îndată ce o parte din nucleul atomului este separată, 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 = mc ² ).

Teorie și practică

Acum, să vorbim despre modul în care această descoperire pur teoretică 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 trebuie să înțelegem că fisiunea nucleelor este însoțită de crearea de noi neutroni. Ca urmare, numărul de neutroni din zona de reacție este capabil să crească 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 Cernobâl. Prin urmare, în zona de reacție există întotdeauna o substanță care absoarbe excesul de neutroni, împiedicând o catastrofă. Este grafitul sub formă de tije lungi. Rata de fisiune a nucleelor poate fi încetinită prin imersarea tijelor în zona de reacție. Ecuația reacției nucleare este făcută special pentru fiecare substanță radioactivă activă și particulele sale care o bombardează (electroni, protoni, particule alfa). Cu toate acestea, producția finală de energie 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 energia eliberată în forma liberă (E3 + E4). Ecuația reacției nucleare arată, de asemenea, ce substanță se obține ca urmare a degradării. De exemplu, pentru uraniul U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Nu sunt arătate izotopii elementelor chimice, dar acest lucru este important. De exemplu, există trei posibilități de fisiune a uraniului, la care se formează diferiți izotopi de plumb și neon. În aproape 100% din cazuri, reacția fisiunii nucleare produce izotopi radioactivi. Adică, decăderea uraniului produce un toriu radioactiv. Thorium este capabil să se dizolve la protactinium, care - la actinia, și așa mai departe. Radioactive din 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 astfel de hidrogen se numește greu și umple primul circuit din reactoarele nucleare.

Atomul ne-pașnic

Asemenea expresii precum "cursa înarmărilor", "războiul rece", "amenințarea nucleară" pentru omul modern pot părea istorice și irelevante. Dar, la un moment dat, fiecare problemă de știri aproape în toată lumea a fost însoțită de rapoarte despre câte tipuri de arme nucleare au fost inventate și cum să se ocupe de ea. Oamenii au construit buncuri subterane și au făcut provizii în cazul unei ierni nucleare. Întreg familiile au lucrat pentru stabilirea azilului. Chiar și utilizarea pașnică a reacțiilor de fisiune nucleară poate duce la catastrofă. Se pare că Cernobîl a predat omenirii precizia în acest domeniu, dar elementele planetei s-au dovedit a fi mai puternice: cutremurul din Japonia a fost afectat de consolidarea foarte fiabilă a centralei nucleare de la Fukushima. Energia reacției nucleare este mult mai ușor de folosit pentru distrugere. Tehnologii trebuie doar să limiteze puterea exploziei, astfel încât să nu distrugă întreaga planetă din greșeală. 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 în mod natural, există o masă critică de materie pură în care reacția în lanț este generată de ea însăși. Pentru uraniu, de exemplu, e doar cincizeci de kilograme. Deoarece uraniul este foarte greu, este vorba doar de o minge mică de metal de 12-15 centimetri în diametru. Primele bombe atomice care au căzut pe Hiroshima și Nagasaki au fost făcute tocmai pe baza acestui principiu: două părți inegale de uraniu pur s-au legat pur și simplu și au dat naștere unei explozii terifiante. Armele moderne sunt probabil mai complexe. Cu toate acestea, nu trebuie uitat de masa critică: între volume mici de material radioactiv pur în timpul depozitării trebuie să existe bariere care să nu permită conectarea la piese.

Surse de radiații

Toate elementele cu o sarcină nucleară atomică mai mare de 82 sunt 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 numai 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. Substanțele cu nuclee mai ușoare, cum ar fi uraniul, pot fi extrase. Acest proces lung, potrivit pentru uraniu minier chiar și în minereuri foarte 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 purtător de aeronave, se obține un amestec de uraniu inițial și substanța finală, rezultat al fisiunii. În prezent, se consideră deșeuri radioactive solide și este o întrebare urgentă cum să le eliminăm astfel încât să nu polueze mediul. Cu toate acestea, este probabil ca în viitorul apropiat să fie extrase din aceste deșeuri deja preparate substanțe radioactive concentrate (de exemplu, poloniu).