Artikkelissa puhutaan siitä, mikä on ydinfissio, miten tämä prosessi avattiin ja kuvattu. Se paljastaa sen käytön energian ja ydinaseiden lähteenä.
21. vuosisata on täynnä tällaisia ilmaisuja"atomienergia", "ydinteknologia", "radioaktiivinen jäte". Aina sanomalehden otsikoissa tuodaan esiin viestejä Antarktiksen maaperän, valtamerien ja jään radioaktiivisen saastumisen mahdollisuudesta. Tavallinen ihminen ei kuitenkaan usein ole kovin hyvin tietoinen siitä, mitä tämä tieteenala on ja miten se auttaa jokapäiväisessä elämässä. Luultavasti kannattaa aloittaa tarina. Ensimmäisestä kysymyksestä, joka pyysi hyvin ruokittua ja pukeutunutta miestä, hän oli kiinnostunut siitä, miten maailma toimii. Kuinka hän näkee silmän, miksi hän kuulee korvaa, miten vesi eroaa kivestä - se on huolissaan muinaisista ajoista. Jopa muinaisessa Intiassa ja Kreikassa jotkut utelias mielet ehdottivat, että on olemassa vähäinen hiukkanen (sitä kutsuttiin myös "jakamattomaksi"), jolla on materiaalin ominaisuudet. Keskiaikaiset kemikaalit vahvistivat salaperäisen arvoituksen, ja atomin moderni määritelmä on seuraava: atomi on sen ominaisuuksien pienin hiukkanen.
Teknologian kehittäminen (erityisestivalokuvat) johti siihen, että atomia ei enää pidetty pienimpänä mahdollisena ainepartikkelina. Ja vaikka yksi atomi on sähköisesti neutraali, tutkijat ymmärsivät nopeasti: se koostuu kahdesta osasta, joilla on erilaiset varaukset. Positiivisesti varautuneiden osien lukumäärä kompensoi negatiivisten osien lukumäärän, joten atomi pysyy neutraalina. Mutta yksiselitteistä atomimallista ei ollut. Koska klassinen fysiikka hallitsi vielä tuolloin, tehtiin erilaisia oletuksia.
Alun perin mallia ehdotettiin "rulla ruisin kanssa".Positiivinen varaus näytti täyttävän koko atomin tilan, ja negatiiviset varaukset jakautuivat siihen, kuten rusinat pulloon. Rutherfordin kuuluisa kokemus määritteli seuraavan: Hyvin raskas elementti, jolla on positiivinen varaus (ydin), sijaitsee atomin keskellä ja sen ympärillä on paljon kevyempiä elektroneja. Ytimen massa on satoja kertoja raskaampi kuin kaikkien elektronien summa (se on 99,9 prosenttia koko atomin massasta). Näin syntyi Bohr-atomin planeettamalli. Jotkut sen elementit olivat kuitenkin ristiriidassa tuolloin hyväksytyn klassisen fysiikan kanssa. Siksi kehitettiin uusi kvantimekaniikka. Ilmestymisen kanssa alkoi ei-klassinen tiedekausi.
Edellä esitetystä käy selväksi, ettäydin on atomin raskas, positiivisesti varautunut osa, joka muodostaa sen suurimman osan. Kun energian ja elektronien sijaintien kvantisointia atomin kiertoradalla tutkittiin hyvin, oli aika ymmärtää atomin ytimen luonne. Pehmeä ja odottamattomasti avoin radioaktiivisuus tuli auttamaan. Hän auttoi paljastamaan atomin raskaan keskusosan olemuksen, koska radioaktiivisuuden lähde on ydinfissio. 1800- ja 1900-luvun vaihteessa löytöjä satoi peräkkäin. Yhden ongelman teoreettinen ratkaisu johti uusien kokeiden asettamiseen. Koetulokset tuottivat teorioita ja hypoteeseja, jotka piti vahvistaa tai kiistää. Usein suurimmat löytöt ilmestyivät yksinkertaisesti siksi, että juuri siten kaavasta tuli kätevä laskelmiin (kuten esimerkiksi Max Planckin kvantti). Valokuvauksen aikakauden alussa tutkijat tiesivät: uraanisuolat valaisevat valoherkkää elokuvaa, mutta he eivät uskoneet, että tämän ilmiön perusta on ydinfissio. Siksi radioaktiivisuutta tutkittiin ydinhajoamisen luonteen ymmärtämiseksi. Ilmeisesti säteily syntyi kvanttisiirtymien kautta, mutta ei ollut täysin selvää, mitkä niistä. Curie-pari louhitsi puhtaan radiumin ja poloniumin, jalosti uraanimalmin melkein manuaalisesti saadakseen vastauksen tähän kysymykseen.
Rutherford teki paljon tutkiakseen rakennettaja auttoi tutkimaan miten ydinfissio tapahtuu. Tutkija sijoitti radioaktiivisen elementin vapauttaman säteilyn magneettikenttään ja sai hämmästyttävän tuloksen. Kävi ilmi, että säteily koostuu kolmesta komponentista: toinen oli neutraali, ja kaksi muuta olivat positiivisesti ja negatiivisesti varautuneita. Ydinfission tutkimus aloitettiin sen komponenttien määrittelyllä. Osoitettiin, että ydin voi jakaa ja antaa osan positiivisesta varauksestaan.
Myöhemmin kävi selväksi, että atomin ydin ei koostuvain positiivisesti varautuneista protonihiukkasista, mutta myös neutraaleista neutronipartikkeleista. Kaikkia niitä kutsutaan nukleoneiksi (englanniksi "nucleus", nucleus). Tutkijat kuitenkin joutuivat jälleen ongelmaan: ytimen massa (ts. Nukleonien lukumäärä) ei aina vastannut sen varausta. Vetyssä ytimen varaus on +1, ja massa voi olla kolme, kaksi tai yksi. Jaksotaulukon vieressä olevalla heliumilla on +2 ydinvaraus, kun taas sen ydin sisältää 4 - 6 nukleonia. Monimutkaisemmilla elementeillä voi olla paljon suurempi määrä erilaisia massoja samalla varauksella. Sellaisia atomien variaatioita kutsutaan isotoopeiksi. Lisäksi jotkut isotoopit osoittautuivat melko vakaiksi, kun taas toiset hajoavat nopeasti, koska ydinfissio oli ominaista heille. Mitä periaatetta ydinstabiilisuuden nukleonien lukumäärä täytti? Miksi vain yhden neutronin lisääminen raskaaseen ja melko vakaaseen ytimeen johti sen jakautumiseen, radioaktiivisuuden vapautumiseen? Kummallista kyllä, vastausta tähän tärkeään kysymykseen ei ole vielä löydetty. Kokeellisesti havaittiin, että atomiytimien vakaat konfiguraatiot vastaavat tiettyjä protonien ja neutronien määriä. Jos ytimessä on 2, 4, 8, 50 neutronia ja / tai protonia, niin ydin on ehdottomasti vakaa. Näitä numeroita kutsutaan jopa magiaksi (ja aikuiset tutkijat, ydinfyysikot). Siten ydinten fissio riippuu niiden massasta, ts. Niihin saapuvien nukleonien lukumäärästä.
Tunnista vastuussa oleva tekijäytimen vakaus, tällä hetkellä epäonnistui. Atomirakennemalleista on monia teorioita. Kolme kuuluisinta ja kehittyneintä ovat usein ristiriidassa toisiinsa eri kysymyksissä. Ensimmäisen mukaan ydin on tippa erityistä ydinnestettä. Kuten vedenkin, sille on ominaista juoksevuus, pintajännitys, yhtyminen ja rappeutuminen. Ytimen kuorimallissa on myös tiettyjä energiatasoja, jotka ovat täynnä nukleoneja. Kolmannessa väitetään, että ydin on väliaine, joka kykenee taittamaan tietyt aallot (de Broglie), kun taas taitekerroin on potentiaalienergiaa. Kukaan malli ei kuitenkaan ole vielä pystynyt kuvaamaan täysin, miksi tietyllä kriittisellä massalla kyseistä kemiallista alkuainetta ydinfissio alkaa.
Radioaktiivisuus, kuten edellä mainittiin, olilöytyy luonnossa löydettävistä aineista: uraani, polonium, radium. Esimerkiksi juuri louhittu puhdas uraani on radioaktiivista. Halkaisuprosessi on tässä tapauksessa spontaani. Ilman ulkoisia vaikutuksia tietty määrä uraaniatomeita emittoi alfahiukkasia, jotka muuttuvat spontaanisti toriumiksi. On indikaattori, nimeltään puoliintumisaika. Se osoittaa, kuinka paljon aikaa osan alkuperäisestä numerosta jää noin puoleen. Kunkin radioaktiivisen alkuaineen puoliintumisaika on Kalifornian sekunnin murto-osista satojen tuhansien vuosien ajan uraanin ja cesiumin osalta. Mutta siellä on myös pakotettua radioaktiivisuutta. Jos atomiytimiä pommitetaan protoneilla tai alfahiukkasilla (heliumydimillä), joilla on korkea kineettinen energia, ne voivat ”halkeilla”. Muutosmekanismi tietenkin eroaa siitä, kuinka rakastetun äidin maljakko rikkoutuu. Tietty analogia voidaan kuitenkin jäljittää.
Toistaiseksi emme ole vastanneet käytännön kysymykseenmerkki: mistä fissio tulee? Ensin on selvitettävä, että ytimen muodostuessa toimivat erityiset ydinvoimat, joita kutsutaan vahvoiksi vuorovaikutuksiksi. Koska ydin koostuu monista positiivisista protoneista, on edelleen kysymys siitä, kuinka ne tarttuvat toisiinsa, koska sähköstaattisten voimien pitäisi työntää ne toisistaan melko voimakkaasti. Vastaus on sekä yksinkertainen että ei: ydin tukee erityisen hiukkasten - pi-mesonien - välistä erittäin nopeaa vaihtoa. Tämä yhteys elää uskomattoman vähän. Heti kun pi-mesonien vaihto lakkaa, ydin rapistuu. On myös varmaa, että ytimen massa on pienempi kuin kaikkien ytimien summa. Tätä ilmiötä kutsutaan massavikaksi. Itse asiassa puuttuva massa on energia, joka kuluu ytimen eheyden ylläpitämiseen. Heti kun jokin osa on erotettu atomin ytimestä, tämä energia vapautuu ja muuttuu lämmöksi ydinvoimalaitoksissa. Eli ydinfissioenergia on selkeä osoitus kuuluisasta Einsteinin kaavasta. Muistakaa, että kaava sanoo: energia ja massa voivat muuttua toisiinsa (E = mc2).
Nyt kerromme sinulle kuinka puhtaasti teoreettinenLöytöä käytetään elämässä tuottamaan gigawattia sähköä. Ensinnäkin on huomattava, että kontrolloiduissa reaktioissa käytetään ytimien pakotettua fissioa. Useimmiten se on uraania tai poloniumia, jota pommittavat nopeat neutronit. Toiseksi ei voida ymmärtää, että ydinfissioon liittyy uusien neutronien luominen. Seurauksena on, että neutronien lukumäärä reaktiovyöhykkeellä voi kasvaa erittäin nopeasti. Jokainen neutroni törmää uusiin, vielä kokonaisiin ytimiin, halkaisee ne, mikä johtaa lämmöntuotannon lisääntymiseen. Tämä on ydinfission ketjureaktio. Hallitsematon neutronien lukumäärän kasvu reaktorissa voi johtaa räjähdykseen. Juuri näin tapahtui vuonna 1986 Tšernobylin ydinvoimalassa. Siksi reaktiovyöhykkeellä on aina ainetta, joka imee ylimääräisiä neutroneja estäen katastrofin. Tämä on grafiitti pitkien sauvojen muodossa. Ydinfission nopeutta voidaan hidastaa upottamalla sauvat reaktiovyöhykkeelle. Ydinreaktioyhtälö kootaan erityisesti jokaiselle aktiiviselle radioaktiiviselle aineelle ja sen pommihiukkasille (elektronit, protonit, alfapartikkelit). Lopullinen energiantuotos lasketaan kuitenkin säilyvyyslain mukaan: E1 + E2 = E3 + E4. Toisin sanoen alkuperäisen ytimen ja hiukkasen (E1 + E2) kokonaisenergian tulisi olla yhtä suuri kuin syntyvän ytimen energia ja vapaassa muodossa vapautuneen energian (E3 + E4). Ydinreaktioyhtälö osoittaa myös, mikä aine syntyy rappeutumalla. Esimerkiksi uraanille U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Kemiallisten alkuaineiden isotooppeja ei ole esitetty tässä, mutta tämä on tärkeää. Esimerkiksi uraanifissiolle on olemassa kolme mahdollisuutta, joissa muodostuu erilaisia lyijyn ja neonin isotooppeja. Lähes sata prosenttia tapauksista ydinfissioreaktio tuottaa radioaktiivisia isotooppeja. Eli uraanin hajoaminen tuottaa radioaktiivista toriumia. Torium voi hajota protaktiniumiksi, yksi aktiniumiksi jne. Sekä vismutti että titaani voivat olla radioaktiivisia tässä sarjassa. Jopa vetyä, joka sisältää kaksi protonia ytimessä (yleensä yksi protoni), kutsutaan eri tavalla - deuteriumiksi. Sellaisella vedyllä muodostettua vettä kutsutaan raskaaksi ja se täyttää ensimmäisen ydinreaktorien piirin.
Ilmaisuja, kuten ”asekilpailu”,"Kylmä sota", "ydinuhka" nykymaailmalle voi vaikuttaa historialliselta ja merkityksettömältä. Mutta kerran jokaisen lehdistötiedotteen mukana oli melkein ympäri maailmaa raportteja siitä, kuinka monta tyyppiä ydinaseita keksittiin ja kuinka käsitellä niitä. Ihmiset rakensivat maanalaisia bunkkereita ja varastoivat ydintalven tapauksessa. Koko perhettä työskenteli luodakseen suojaa. Jopa ydinfission reaktioiden rauhanomainen käyttö voi johtaa katastrofiin. Vaikuttaa siltä, että Tšernobyli opetti ihmiskunnalle tarkkuutta tällä alueella, mutta planeetan elementit osoittautuivat voimakkaammiksi: Japanin maanjäristys vaurioitti Fukushiman ydinvoimalan erittäin luotettavia linnoituksia. Ydinreaktion energiaa on paljon helpompi käyttää tuhoamiseen. Technologien on vain rajoitettava räjähdyksen voimaa, jotta ei vahingossa tuhota koko planeettaa. "Inhimillisimmät" pommit, jos voit kutsua niitä, eivät saastuta ympäristöä säteilyllä. Yleensä he käyttävät useimmiten hallitsematonta ketjureaktiota. Se, mitä ydinvoimat pyrkivät välttämään kaikin voimin, saavutetaan pommeilla erittäin primitiivisella tavalla. Jokaisella luonnollisesti radioaktiivisella elementillä on tietty kriittinen massa puhdasta ainetta, jossa ketjureaktio nukleoituu itsestään. Esimerkiksi uraanilla se on vain viisikymmentä kilogrammaa. Koska uraani on erittäin raskas, se on vain pieni metallikuula, jonka halkaisija on 12-15 senttimetriä. Ensimmäiset Hiroshimaan ja Nagasakiin pudotetut atomipommit tehtiin tämän periaatteen mukaisesti: kaksi epätasa-arvoista osaa puhdasta uraania yksinkertaisesti kytketty toisiinsa ja aiheutti kauhistuttavan räjähdyksen. Nykyaikaiset aseet ovat luultavasti monimutkaisempia. Kriittistä massaa ei kuitenkaan pidä unohtaa: pienen varastoinnin aikana puhtaan radioaktiivisen aineen määrän välillä tulisi olla esteitä, jotka eivät anna osien yhdistyä.
Kaikki elementit, joiden atomin varaus on yli 82radioaktiivista. Lähes kaikissa kevyemmissä kemikaaleissa on radioaktiivisia isotooppeja. Mitä raskaampi ydin, sitä lyhyempi sen käyttöikä. Jotkut elementit (kuten Kalifornia) voidaan saada vain keinotekoisesti - törmäämällä raskaat atomit kevyempiin hiukkasiin, useimmiten kiihdyttimissä. Koska ne ovat erittäin epävakaita, niitä ei ole maankuoressa: Maapallon muodostuessa ne hajosivat nopeasti muihin elementteihin. Aineet, joilla on kevyemmät ytimet, kuten uraani, voidaan hyvin louhia. Tämä prosessi on pitkä, ja uraanin louhinta sisältää jopa erittäin rikkaita malmeja alle yhden prosentin. Ehkä kolmas polku osoittaa, että uusi geologinen aikakausi on jo alkanut. Tämä on radioaktiivisten elementtien uuttaminen radioaktiivisesta jätteestä. Kun polttoaine on käytetty loppuun voimalaitoksessa, sukellusveneessä tai ilma-aluksessa, saadaan seos alkuperäisestä uraanista ja lopullisesta aineesta, joka on jakautumisen tulos. Tällä hetkellä sitä pidetään kiinteänä radioaktiivisena jätteenä, ja akuutti kysymys on siitä, miten jätteet hävitetään, jotta ne eivät saastuta ympäristöä. On kuitenkin todennäköistä, että lähitulevaisuudessa näistä jätteistä saadaan valmiita tiivistettyjä radioaktiivisia aineita (esimerkiksi poloniumia).
