Artiklen fortæller om, hvad nuklear fission er, hvordan denne proces blev opdaget og beskrevet. Dens anvendelse som energikilde og atomvåben afsløres.
Det 21. århundrede bugner af sådanne udtryksom "atomets energi", "nuklear teknologi", "radioaktivt affald". Af og til i avisoverskrifter rapporteres der om muligheden for radioaktiv forurening af jorden, havene, isen fra Antarktis. En almindelig person har dog ofte ikke en meget god idé om, hvad dette videnskabelige område er, og hvordan det hjælper i hverdagen. Måske skulle vi starte med historien. Fra det allerførste spørgsmål, som blev stillet af en velmættet og klædt person, var han interesseret i, hvordan verden fungerer. Hvordan øjet ser, hvorfor øret hører, hvordan vandet adskiller sig fra stenen - det er det, som de vismænd har bekymret for fra umindelige tider. Selv i det gamle Indien og Grækenland foreslog nogle nysgerrige sind, at der er en minimal partikel (det blev også kaldet "udelelig"), der har egenskaberne af et materiale. Middelalderens kemikere har bekræftet vismandenes formodninger, og den moderne definition af atomet er som følger: et atom er den mindste partikel af et stof, der bærer dets egenskaber.
Udviklingen af teknologi (isærfotografering) førte til, at atomet ikke længere blev betragtet som den mindst mulige partikel af stof. Og selv om et enkelt atom er elektrisk neutralt, indså forskerne hurtigt, at det består af to dele med forskellige ladninger. Antallet af positivt ladede dele kompenserer for antallet af negative, så atomet forbliver neutralt. Men der var ingen entydig model for atomet. Da klassisk fysik på det tidspunkt stadig var dominerende, blev der antaget forskellige antagelser.
Oprindeligt blev modellen "rosinrulle" foreslået.Den positive ladning syntes at fylde hele atomets rum, og negative ladninger blev fordelt i det, som rosiner i en rulle. Det berømte eksperiment med Rutherford bestemte følgende: i midten af atomet er der et meget tungt element med en positiv ladning (kerne), og meget lettere elektroner er placeret omkring. Massen af en kerne er hundreder af gange tungere end summen af alle elektroner (den er 99,9 procent af hele atomets masse). Således blev den planetariske model af Bohr-atom født. Imidlertid var nogle af dens elementer i modstrid med den klassiske fysik, der blev accepteret på det tidspunkt. Derfor blev der udviklet en ny kvantemekanik. Med udseendet begyndte den ikke-klassiske videnskabsperiode.
Af alt det, der er blevet sagt ovenfor, bliver det klart, atkernen er den tunge, positivt ladede del af et atom, der udgør dets hovedpart. Da kvantiseringen af energien og positionerne af elektroner i et atoms bane blev forstået godt, var det tid til at forstå atomkernens natur. En genial og uventet opdaget radioaktivitet kom til undsætning. Hun hjalp med at afsløre essensen af den tunge centrale del af atomet, da kilden til radioaktivitet er nuklear fission. Ved begyndelsen af det nittende og tyvende århundrede strømmede opdagelser efter hinanden. Den teoretiske løsning af et problem gjorde det nødvendigt at oprette nye eksperimenter. Resultaterne af eksperimenterne gav anledning til teorier og hypoteser, der skulle bekræftes eller tilbagevises. Ofte er de største opdagelser kommet, simpelthen fordi det er sådan, at formlen bliver let at beregne (som Max Planck-kvanten). Allerede i begyndelsen af fotografiets æra vidste forskere, at uransalte lyser en lysfølsom film, men de mistænkte ikke, at kernefission var grundlaget for dette fænomen. Derfor blev radioaktivitet undersøgt for at forstå arten af nukleart henfald. Strålingen blev naturligvis genereret af kvanteovergange, men det var ikke helt klart, hvilke. Curies udvindede rent radium og polonium og bearbejdede uranmalm næsten manuelt for at få svar på dette spørgsmål.
Rutherford gjorde meget for at studere strukturenatom og bidrog til undersøgelsen af, hvordan splittelsen af atomkernen opstår. Forskeren placerede strålingen fra et radioaktivt element i et magnetfelt og fik et fantastisk resultat. Det viste sig, at stråling består af tre komponenter: den ene var neutral, og de andre to var positivt og negativt ladet. Undersøgelsen af nuklear fission begyndte med bestemmelsen af dens bestanddele. Det er bevist, at kernen kan dele sig, opgive noget af sin positive ladning.
Senere viste det sig, at atomkernen ikke består afkun fra positivt ladede partikler af protoner, men også fra neutrale partikler af neutroner. Sammen kaldes de nukleoner (fra den engelske "kerne", kernen). Imidlertid løb forskere igen ind i et problem: kernen (dvs. antallet af nukleoner) svarede ikke altid til dens ladning. I hydrogen har kernen en ladning på +1, og massen kan være tre eller to eller en. Det næste helium i det periodiske system har en kerneopladning på +2, mens dens kerne indeholder fra 4 til 6 nukleoner. Mere komplekse elementer kan have mange flere forskellige masser til den samme ladning. Disse variationer af atomer kaldes isotoper. Desuden viste nogle isotoper sig at være ret stabile, mens andre hurtigt henfaldt, da de var præget af nuklear fission. Hvilket princip svarede antallet af nukleoner med nuklear stabilitet til? Hvorfor førte tilføjelsen af kun en neutron til en tung og fuldstændig stabil kerne til dens splittelse, til frigivelse af radioaktivitet? Mærkeligt nok er svaret på dette vigtige spørgsmål endnu ikke fundet. Det er eksperimentelt fundet, at stabile konfigurationer af atomkerner svarer til visse mængder protoner og neutroner. Hvis der er 2, 4, 8, 50 neutroner og / eller protoner i kernen, vil kernen bestemt være stabil. Disse tal kaldes endda magi (og sådan kaldte voksne forskere, atomfysikere dem). Fission af kerner afhænger således af deres masse, det vil sige af antallet af nukleoner, der er inkluderet i dem.
Bestem den faktor, der er ansvarlig forkernestabilitet, mislykkedes på dette tidspunkt. Der er mange teorier om atommodellen. De tre mest berømte og udviklede modsiger ofte hinanden om forskellige emner. Ifølge den første er kernen en dråbe af en særlig nuklear væske. Som med vand er det kendetegnet ved fluiditet, overfladespænding, koalescens og henfald. I skalmodellen er der også visse energiniveauer i kernen, som er fyldt med nukleoner. Den tredje hævder, at kernen er et medium, der er i stand til at bryde specielle bølger (de Broglie), mens brydningsindekset er potentiel energi. Imidlertid har ingen model endnu været i stand til fuldt ud at beskrive, hvorfor kernefission begynder ved en bestemt kritisk masse af dette bestemte kemiske element.
Radioaktivitet, som nævnt ovenfor, varfindes i stoffer, der kan findes i naturen: uran, polonium, radium. For eksempel er frisk minet, rent uran radioaktivt. Opdelingsprocessen i dette tilfælde vil være spontan. Uden nogen ydre påvirkninger udsender et bestemt antal uranatomer alfapartikler, der spontant omdannes til thorium. Der er en indikator kaldet halveringstiden. Det viser, hvor lang tid det tager fra det oprindelige nummer på delen at forblive omkring halvdelen. Hvert radioaktivt element har sin egen halveringstid - fra fraktioner af et sekund for Californien til hundreder af tusinder af år for uran og cæsium. Men der er også tvunget radioaktivitet. Hvis atomkernerne bombarderes med protoner eller alfapartikler (heliumkerner) med høj kinetisk energi, så kan de "splitte". Transformationsmekanismen er naturligvis forskellig fra, hvordan min mors yndlingsvase er brudt. Imidlertid kan en bestemt analogi spores.
Indtil videre har vi ikke besvaret spørgsmålet om praktiskkarakter: hvor energien kommer fra under nuklear fission. Til at begynde med er det nødvendigt at præcisere, at der under dannelsen af en kerne virker specielle nukleare kræfter, der kaldes stærke interaktioner. Da kernen består af mange positive protoner, forbliver spørgsmålet, hvordan de holder sammen, fordi elektrostatiske kræfter skal afvise dem ret stærkt fra hinanden. Svaret er både enkelt og nej: kernen understøttes af en meget hurtig udveksling mellem nukleoner af specielle partikler - pi-mesoner. Denne obligation lever utroligt lidt. Så snart udvekslingen af pi-mesoner stopper, henfalder kernen. Det vides også med sikkerhed, at massen af en kerne er mindre end summen af alle dens bestanddele. Dette fænomen kaldes massefejl. Faktisk er den manglende masse den energi, der bruges på at opretholde kernens integritet. Så snart en del er adskilt fra atomets kerne, frigives denne energi og omdannes til varme ved kernekraftværker. Det vil sige, at en kernes fissionsenergi er en klar demonstration af den berømte Einsteins formel. Husk at formlen siger: energi og masse kan transformere til hinanden (E = mc2).
Lad os nu fortælle dig, hvordan dette er rent teoretiskopdagelsen bruges i livet til at generere gigawatt elektricitet. For det første skal det bemærkes, at kontrolleret nuklear fission anvendes i kontrollerede reaktioner. Oftest er det uran eller polonium, der bombarderes med hurtige neutroner. For det andet skal man forstå, at nuklear fission ledsages af oprettelsen af nye neutroner. Som et resultat kan antallet af neutroner i reaktionszonen vokse meget hurtigt. Hver neutron kolliderer med nye, stadig intakte kerner, opdeler dem, hvilket fører til en stigning i varmetilførslen. Dette er en kædereaktion af nuklear fission. En ukontrolleret stigning i antallet af neutroner i reaktoren kan føre til en eksplosion. Dette er præcis, hvad der skete i 1986 på kernekraftværket i Tjernobyl. Derfor er et stof altid til stede i reaktionszonen, som absorberer overskydende neutroner og forhindrer en katastrofe. Det er grafit i form af lange stænger. Hastigheden for nuklear fission kan nedsættes ved at nedsænke stængerne i reaktionszonen. Den nukleare reaktionsligning er sammensat specifikt til hvert aktivt radioaktivt stof og de partikler, der bombarderer det (elektroner, protoner, alfapartikler). Den endelige energiproduktion beregnes imidlertid i henhold til bevaringsloven: E1 + E2 = E3 + E4. Det vil sige, at den samlede energi i den originale kerne og partikel (E1 + E2) skal være lig med energien i den resulterende kerne og den energi, der frigives i en fri form (E3 + E4). Nuklear reaktionsligning viser også, hvilken type stof der produceres ved henfald. For eksempel for uran U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Isotoper af kemiske grundstoffer er ikke angivet her, men det er vigtigt. For eksempel er der så mange som tre muligheder for fission af uran, hvor forskellige isotoper af bly og neon dannes. I næsten hundrede procent af tilfældene frembringer atomfissionsreaktionen radioaktive isotoper. Det vil sige, når uran henfalder, opnås radioaktivt thorium. Thorium er i stand til at henfalde til protactinium, det til actinium osv. Både vismut og titanium kan være radioaktive i denne serie. Selv hydrogen indeholdende to protoner i sin kerne (med en protons hastighed) kaldes forskelligt - deuterium. Vand dannet med sådant brint kaldes tungt og fylder det primære kredsløb i atomreaktorer.
Udtryk som "våbenkapløb""Kold krig", "nuklear trussel" mod det moderne menneske kan virke historisk og irrelevant. Men på én gang blev hver pressemeddelelse næsten overalt i verden ledsaget af rapporter om, hvor mange typer atomvåben der blev opfundet, og hvordan man skulle håndtere dem. Folk byggede underjordiske bunkere og lagrede til en atomvinter. Hele familier arbejdede for at skabe husly. Selv den fredelige anvendelse af nuklear fissionsreaktioner kan føre til katastrofe. Det ser ud til, at Tjernobyl lærte menneskeheden at være nøjagtig i dette område, men planetens elementer viste sig at være stærkere: jordskælvet i Japan beskadigede den meget pålidelige befæstning af kernekraftværket i Fukushima. Energien ved en nuklear reaktion er meget lettere at bruge til destruktion. Teknologer behøver kun at begrænse eksplosionsstyrken for ikke ved et uheld at ødelægge hele planeten. De mest "humane" bomber, hvis du kan kalde dem det, forurener ikke det omgivende område med stråling. Generelt bruger de oftest en ukontrolleret kædereaktion. Hvad atomkraftværker forsøger at undgå med al deres magt opnås i bomber på en meget primitiv måde. For ethvert naturligt radioaktivt element er der en bestemt kritisk masse af rent stof, hvor en kædereaktion opstår af sig selv. For uran er det for eksempel kun halvtreds kilo. Da uran er meget tungt, er det kun en lille metalkugle med en diameter på 12-15 centimeter. De første atombomber, der blev kastet over Hiroshima og Nagasaki, blev fremstillet efter dette princip: to ulige dele af rent uran kombinerede simpelthen og skabte en skræmmende eksplosion. Moderne våben er sandsynligvis mere sofistikerede. Man bør dog ikke glemme den kritiske masse: mellem små mængder rent radioaktivt materiale under opbevaring skal der være barrierer, der forhindrer delene i at blive sammenføjet.
Alle elementer med en ladning af en atomkerne større end 82radioaktiv. Næsten alle lettere kemiske grundstoffer har radioaktive isotoper. Jo tungere kernen er, jo kortere er dens levetid. Nogle elementer (såsom Californien) kan kun opnås kunstigt - ved at kollidere tunge atomer med lettere partikler, oftest i acceleratorer. Da de er meget ustabile, befinder de sig ikke i jordskorpen: under dannelsen af planeten opløstes de meget hurtigt i andre elementer. Stoffer med lettere kerner, såsom uran, kan udvindes. Denne proces er lang, og selv meget rige malme indeholder mindre end en procent uran, der er egnet til minedrift. Den tredje sti indikerer måske, at en ny geologisk æra allerede er begyndt. Dette er udvinding af radioaktive grundstoffer fra radioaktivt affald. Efter at brændstoffet er brugt på et kraftværk på en ubåd eller hangarskib, opnås en blanding af det oprindelige uran og det endelige stof, resultatet af fission. I øjeblikket betragtes dette som fast radioaktivt affald, og der er et akut spørgsmål om, hvordan man bortskaffer det, så det ikke forurener miljøet. Det er imidlertid sandsynligt, at færdige koncentrerede radioaktive stoffer (for eksempel polonium) i den nærmeste fremtid vil blive ekstraheret fra dette affald.
