Rakstā runāts par to, kas ir kodolsintēze, kā šis process tika atvērts un aprakstīts. Atklāj tās izmantošanu kā enerģijas un kodolieroču avotu.
Divdesmit pirmais gadsimts ir piepildīts ar šādām izpausmēmkā "atomenerģija", "kodoltehnoloģijas", "radioaktīvie atkritumi". Ikreiz un pēc tam laikrakstu virsrakstos parādījās vēstījumi par Antarktikas augsnes, okeānu un ledus radioaktīvā piesārņojuma iespējamību. Tomēr parasts cilvēks bieži vien nav labi informēts par to, kas ir šī zinātnes joma un kā tas palīdz ikdienas dzīvē. Iespējams, ir vērts sākt ar stāstu. No paša pirmā jautājuma, kas jautāja labi barotam un ģērbtam cilvēkam, viņš interesējās par pasaules darbību. Kā viņš redz acis, kāpēc viņš dzird auss, kā ūdens atšķiras no akmens - tas ir tas, kas uztrauc gudrus no vecajām dienām. Pat senajā Indijā un Grieķijā daži zinātnieki domāja, ka ir minimāla daļiņa (to sauca arī par “nedalāmu”), kurai piemīt materiāla īpašības. Viduslaiku ķīmiķi ir apstiprinājuši gudrības gudrību, un mūsdienu atoma definīcija ir šāda: atoms ir mazākās daļiņas no vielām, kas nes savas īpašības.
Tomēr tehnoloģiju attīstība (jo īpaši \ tfotogrāfijas) noveda pie tā, ka atoms vairs netiek uzskatīts par mazāko iespējamo vielas daļiņu. Un, lai gan viens atoms ir elektriski neitrāls, zinātnieki diezgan ātri saprata: tas sastāv no divām daļām ar atšķirīgiem maksājumiem. Pozitīvi uzlādēto daļu skaits kompensē negatīvo skaitu, tāpēc atoms paliek neitrāls. Bet nepārprotams atoma modelis nebija. Tā kā klasiskā fizika joprojām dominēja tajā laikā, tika pieņemti dažādi pieņēmumi.
Sākumā tika piedāvāts modelis „bulciņa ar rozīnēm”.Šķita, ka pozitīvais lādiņš piepilda visu atomu telpu, un tajā, tāpat kā rozīne bulciņā, tika sadalītas negatīvas maksas. Rutherford slavenā pieredze noteica: ļoti smags elements ar pozitīvu lādiņu (kodols) atrodas atoma centrā, un ap to atrodas daudz vieglāki elektroni. Kodola masa ir simtiem reižu smagāka nekā visu elektronu summa (tas veido 99,9 procentus no visa atoma masas). Tātad piedzima Bohr atoma planētu modelis. Tomēr daži no tā elementiem bija pretrunā tajā laikā pieņemtajai klasiskajai fizikai. Tāpēc tika izstrādāta jauna, kvantu mehānika. Ar savu izskatu sākās ne-klasiskais zinātnes periods.
No visa iepriekš minētā kļūst skaidrs, kaKodols ir smagais, pozitīvi uzlādētais atoma daļa, kas veido tās lielāko daļu. Kad ir labi pētīta elektronu enerģijas un pozīciju kvantēšana atoma orbītā, ir pienācis laiks saprast atomu kodola raksturu. Brīnišķīga un negaidīti atvērta radioaktivitāte nonāca glābšanā. Tas palīdzēja atklāt atomu smagās centrālās daļas būtību, jo radioaktivitātes avots ir kodola skaldīšana. Deviņpadsmitā un divdesmitā gadsimta mijā atklāsme viens pēc otra nokrita. Vienas problēmas teorētiskais risinājums izraisīja nepieciešamību noteikt jaunus eksperimentus. Eksperimentu rezultāti radīja teorijas un hipotēzes, kas bija nepieciešamas, lai apstiprinātu vai noliegtu. Bieži vien lielākie atklājumi parādījās vienkārši tāpēc, ka šādā veidā formula kļuva ērta aprēķiniem (piemēram, Max Planck kvantu). Pat fotogrāfiju laikmeta sākumā zinātnieki zināja, ka urāna sāļi izgaismo gaismjutīgu filmu, bet viņi neapšaubīja, ka kodolskaldīšana ir šīs parādības pamatā. Tāpēc tika pētīta radioaktivitāte, lai izprastu kodolatkritumu raksturu. Acīmredzot radiāciju radīja kvantu pārejas, bet tas nebija pilnīgi skaidrs, kuri. Chet Curie ieguva tīru radiju un poliju, apstrādājot urāna rūdu gandrīz manuāli, lai iegūtu atbildi uz šo jautājumu.
Rutherforda daudz strādāja, lai izpētītu struktūruatoms un veicināja pētījumus par to, kā atomu kodola sadalīšanās. Zinātnieks radīja radioaktīvā elementa izstaroto starojumu magnētiskā laukā un ieguva pārsteidzošu rezultātu. Izrādījās, ka starojums sastāv no trim komponentiem: viens bija neitrāls un pārējie divi ir pozitīvi un negatīvi uzlādēti. Pētījums par kodola skaldīšanu sākās ar tā sastāvdaļu definīciju. Tika pierādīts, ka kodols var sadalīties, dod daļu no pozitīvā lādiņa.
Vēlāk izrādījās, ka atomu kodols navtikai no pozitīvi uzlādētām protonu daļiņām, bet arī no neitrālu neitrālu daļiņu. Kopā tos sauc par kodoliem (no angļu kodola, kodola). Tomēr zinātnieki atkal saskārās ar problēmu: kodola masa (tas ir, kodolu skaits) ne vienmēr atbilda tās līmenim. Ūdeņraža kodolam ir uzlāde +1, un masa var būt trīs, un divas un viena. Hēlijā pēc periodiskās tabulas kodola lādiņš ir +2, bet tā kodols satur no 4 līdz 6 kodoliem. Sarežģītākiem elementiem var būt daudz vairāk dažādu masu ar tādu pašu uzlādi. Šādas atomu variācijas sauc par izotopiem. Turklāt daži izotopi izrādījās diezgan stabili, bet citi strauji saruka, jo tiem bija raksturīga kodola skaldīšana. Kādam principam atbildēja kodolu stabilitātes kodolu skaits? Kāpēc tikai viena neitrona pievienošana smagam un diezgan stabilam kodolam noveda pie tā sadalīšanās, radioaktivitātes izdalīšanās? Dīvaini, atbilde uz šo svarīgo jautājumu vēl nav atrasta. Eksperimentāli tika konstatēts, ka stabilas atomu kodolu konfigurācijas atbilst noteiktiem protonu un neitronu daudzumiem. Ja kodolā ir 2, 4, 8, 50 neitroni un / vai protoni, tad kodols noteikti būs stabils. Šos skaitļus sauc pat par maģiskiem (un tā saucamajiem pieaugušajiem zinātniekiem, kodolfizistiem). Tādējādi kodolskaldīšana ir atkarīga no to masas, tas ir, uz to kodolu skaita.
Nosakiet atbildīgo faktorugalvenā stabilitāte šobrīd neizdevās. Ir daudzas atomu struktūras modeļa teorijas. Trīs no slavenākajiem un iecerētajiem bieži vien savstarpēji ir pretrunīgi dažādos jautājumos. Saskaņā ar pirmo, kodols ir īpaša kodolšķidruma piliens. Tāpat kā ūdenim, to raksturo plūstamība, virsmas spriedze, saplūšana un sabrukums. Korpusa modelī kodolā ir arī daži enerģijas līmeņi, kas ir piepildīti ar nukleīniem. Trešajā ir teikts, ka kodols ir vide, kas spēj atcelt konkrētus viļņus (de Broglie viļņus), bet refrakcijas indekss ir potenciālā enerģija. Tomēr neviens modelis vēl nav spējis pilnībā aprakstīt, kāpēc, nosakot noteiktu kritisko masu tieši šo ķīmisko elementu, sākas kodola sadalīšana.
Radioaktivitāte, kā minēts iepriekš, bijaatrodams vielās, kuras var atrast dabā: urāns, polonijs, radijs. Piemēram, svaigi iegūts, tīrs urāns ir radioaktīvs. Sadalīšanas process šajā gadījumā būs spontāns. Bez jebkādas ārējas ietekmes noteikts skaits urāna atomu izstaro alfa daļiņas, spontāni pārvēršoties torijā. Ir rādītājs, ko sauc par pussabrukšanas periodu. Tas parāda, cik ilgā laikā no detaļas sākotnējā numura paliek apmēram puse. Katram radioaktīvajam elementam ir atšķirīgs pusperiods - no sekundes daļām Kalifornijā līdz simtiem tūkstošu gadu urānam un cēzijam. Bet ir arī piespiedu radioaktivitāte. Ja atomu kodoli tiek bombardēti ar protoniem vai alfa daļiņām (hēlija kodoliem) ar augstu kinētisko enerģiju, tad tie var "sadalīties". Pārveidošanas mehānisms, protams, atšķiras no tā, kā tiek salauzta jūsu mātes mīļākā vāze. Tomēr var izsekot noteiktai līdzībai.
Līdz šim mēs neesam atbildējuši uz praktisko jautājumuraksturs: kur enerģija tiek iegūta kodola dalīšanās laikā. Vispirms ir jāprecizē, ka kodola veidošanās laikā darbojas īpaši kodolspēki, kurus sauc par spēcīgu mijiedarbību. Tā kā kodols sastāv no daudziem pozitīviem protoniem, paliek jautājums, kā tie turas kopā, jo elektrostatiskajiem spēkiem tie ir pietiekami spēcīgi jāatgrūž viens no otra. Atbilde ir vienkārša un nē: kodolu tur kopā ļoti ātra apmaiņa starp nukleoniem ar īpašām daļiņām - pi-mezoniem. Šī saite dzīvo neticami maz. Tiklīdz pi-mezonu apmaiņa apstājas, kodols sabrūk. Noteikti zināms arī tas, ka kodola masa ir mazāka par visu to veidojošo nukleonu summu. Šo parādību sauc par masveida defektu. Patiesībā trūkstošā masa ir enerģija, kas tiek tērēta kodola integritātes uzturēšanai. Tiklīdz kāda daļa ir atdalīta no atoma kodola, šī enerģija tiek atbrīvota un atomelektrostacijās tiek pārveidota par siltumu. Tas ir, kodola skaldīšanas enerģija ir skaidra slavenā Einšteina formulas demonstrācija. Atgādinām, ka formula saka: enerģija un masa var pārveidoties savā starpā (E = mc2)
Tagad pastāstīsim, kā tas ir tīri teorētiskiatklājums tiek izmantots dzīvē, lai radītu gigavatus elektrības. Pirmkārt, jāatzīmē, ka kontrolētās reakcijas ietver piespiedu kodola skaldīšanu. Visbiežāk tas ir urāns vai polonijs, kas tiek bombardēts ar ātriem neitroniem. Otrkārt, ir jāsaprot, ka kodola dalīšanos pavada jaunu neitronu radīšana. Rezultātā neitronu skaits reakcijas zonā var augt ļoti ātri. Katrs neitrons saduras ar jauniem, joprojām veseliem kodoliem, tos sadala, kas noved pie siltuma izdalīšanās palielināšanās. Šī ir kodola skaldīšanas ķēdes reakcija. Nekontrolēts neitronu skaita pieaugums reaktorā var izraisīt sprādzienu. Tieši tas notika 1986. gadā Černobiļas atomelektrostacijā. Tāpēc reakcijas zonā vienmēr atrodas viela, kas absorbē neitronu pārpalikumu, novēršot katastrofu. Tas ir grafīts garu stieņu formā. Kodola skaldīšanas ātrumu var palēnināt, iegremdējot stieņus reakcijas zonā. Kodolreakcijas vienādojums tiek sastādīts īpaši katrai aktīvajai radioaktīvajai vielai un to bombardējošajām daļiņām (elektroniem, protoniem, alfa daļiņām). Tomēr galīgo enerģijas izlaidi aprēķina saskaņā ar saglabāšanas likumu: E1 + E2 = E3 + E4. Tas ir, sākotnējā kodola un daļiņas (E1 + E2) kopējai enerģijai jābūt vienādai ar iegūtā kodola enerģiju un enerģijai, kas atbrīvota brīvā formā (E3 + E4). Kodolreakcijas vienādojums arī parāda, kāda veida viela rodas sabrukšanas laikā. Piemēram, urānam U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Ķīmisko elementu izotopi šeit nav uzskaitīti, bet tas ir svarīgi. Piemēram, ir veselas trīs urāna šķelšanās iespējas, kurās veidojas dažādi svina un neona izotopi. Gandrīz simts procentos gadījumu kodola dalīšanās reakcija rada radioaktīvos izotopus. Tas ir, urānam sadaloties, iegūst radioaktīvo toriju. Torijs spēj sadalīties līdz protaktīnijam, aktinijam utt. Gan bismuts, gan titāns šajā sērijā var būt radioaktīvi. Pat ūdeņradi, kura kodolā ir divi protoni (ar viena protona ātrumu), sauc citādi - par deitēriju. Ūdens, kas veidojas ar šādu ūdeņradi, tiek saukts par smago un aizpilda kodolreaktoru primāro ķēdi.
Tādas izteiksmes kā "ieroču rase""Aukstais karš", "kodoldraudi" mūsdienu cilvēkam var šķist vēsturiski un nebūtiski. Bet vienlaikus katrā ziņu izlaidumā gandrīz visā pasaulē tika pievienoti ziņojumi par to, cik daudz kodolieroču veidu tika izgudrots un kā ar tiem rīkoties. Cilvēki būvēja pazemes bunkurus un krāja kodolziemu. Patversmes izveidē strādāja veselas ģimenes. Pat miermīlīga kodola dalīšanās reakciju izmantošana var izraisīt katastrofu. Varētu šķist, ka Černobiļa mācīja cilvēcei būt precīzai šajā jomā, taču planētas elementi izrādījās spēcīgāki: Japānas zemestrīce sabojāja ļoti uzticamos Fukušimas atomelektrostacijas nocietinājumus. Kodolreakcijas enerģiju ir daudz vieglāk izmantot iznīcināšanai. Tehnologiem tikai jāierobežo sprādziena spēks, lai nejauši neiznīcinātu visu planētu. "Humānākās" bumbas, ja jūs varat tās tā saukt, nepiesārņo apkārtni ar radiāciju. Parasti viņi visbiežāk izmanto nekontrolētu ķēdes reakciju. Tas, no kā atomelektrostacijas cenšas izvairīties no visa spēka, bumbās tiek panākts ļoti primitīvi. Jebkuram dabiski radioaktīvam elementam ir noteikta tīras vielas kritiskā masa, kurā ķēdes reakcija rodas pati par sevi. Piemēram, urānam tas ir tikai piecdesmit kilogrami. Tā kā urāns ir ļoti smags, tas ir tikai mazs metāla lodīte ar diametru 12-15 centimetri. Pirmās atombumbas, kas nomestas uz Hirosimu un Nagasaki, tika izgatavotas pēc šī principa: divas nevienlīdzīgas tīra urāna daļas vienkārši apvienojās un radīja drausmīgu sprādzienu. Mūsdienu ieroči, iespējams, ir sarežģītāki. Tomēr nevajadzētu aizmirst par kritisko masu: starp nelieliem tīra radioaktīvā materiāla apjomiem uzglabāšanas laikā jābūt barjerām, kas neļauj detaļām pievienoties.
Visi elementi, kuru atoma kodola lādiņš ir lielāks par 82radioaktīvs. Gandrīz visos vieglākajos ķīmiskajos elementos ir radioaktīvi izotopi. Jo smagāks ir kodols, jo īsāks ir tā kalpošanas laiks. Dažus elementus (piemēram, Kaliforniju) var iegūt tikai mākslīgi - sadurot smagus atomus ar vieglākām daļiņām, visbiežāk paātrinātājos. Tā kā tie ir ļoti nestabili, tie neatrodas zemes garozā: planētas veidošanās laikā viņi ļoti ātri sadalījās citos elementos. Var iegūt vielas ar vieglākiem kodoliem, piemēram, urānu. Tas ir ilgs process, un pat ļoti bagātās rūdās ir mazāk nekā viens procents ieguves vajadzībām piemērota urāna. Trešais ceļš, iespējams, norāda, ka jauna ģeoloģiskā ēra jau ir sākusies. Tas ir radioaktīvo elementu ieguve no radioaktīvajiem atkritumiem. Pēc tam, kad degviela ir iztērēta spēkstacijā, zemūdenē vai lidmašīnas nesējā, tiek iegūts sākotnējā urāna un galīgās vielas maisījums, kas ir sadalīšanās rezultāts. Pašlaik tie tiek uzskatīti par cietajiem radioaktīvajiem atkritumiem, un ir aktuāls jautājums, kā tos iznīcināt, lai tie nepiesārņotu vidi. Tomēr, visticamāk, tuvākajā nākotnē no šiem atkritumiem tiks iegūtas gatavas koncentrētas radioaktīvas vielas (piemēram, polonijs).
