Het artikel vertelt over wat kernsplijting is, hoe dit proces werd ontdekt en beschreven. Het gebruik ervan als energiebron en kernwapens wordt onthuld.
De eenentwintigste eeuw is rijk aan dergelijke uitdrukkingenals "energie van het atoom", "nucleaire technologie", "radioactief afval". Af en toe verschijnen er in krantenkoppen berichten over de mogelijkheid van radioactieve besmetting van de bodem, oceanen en ijs van Antarctica. Een gewoon persoon heeft echter vaak geen goed idee van wat dit wetenschapsgebied is en hoe het in het dagelijks leven helpt. Misschien moeten we beginnen met geschiedenis. Vanaf de allereerste vraag die werd gesteld door een goedgevoede en goedgeklede persoon, was hij geïnteresseerd in hoe de wereld werkt. Hoe het oog ziet, waarom het oor hoort, hoe water verschilt van een steen - dat is wat de wijzen sinds onheuglijke tijden zorgen baart. Zelfs in het oude India en Griekenland suggereerden sommige nieuwsgierige geesten dat er een minimaal deeltje is (het werd ook wel "ondeelbaar" genoemd) met de eigenschappen van een materiaal. Middeleeuwse chemici hebben het vermoeden van de wijzen bevestigd, en de moderne definitie van het atoom is als volgt: een atoom is het kleinste deeltje van een stof dat de drager is van zijn eigenschappen.
De ontwikkeling van technologie (met namefotografie) leidden ertoe dat het atoom niet langer als het kleinst mogelijke materiedeeltje werd beschouwd. En hoewel een enkel atoom elektrisch neutraal is, realiseerden wetenschappers zich al snel dat het uit twee delen met verschillende ladingen bestaat. Het aantal positief geladen delen compenseert het aantal negatieve, zodat het atoom neutraal blijft. Maar er was geen enkel model van het atoom. Omdat de klassieke natuurkunde in die tijd nog dominant was, werden verschillende aannames gedaan.
Aanvankelijk werd het "rozijnenbroodje" -model voorgesteld. De positieve lading leek de hele ruimte van het atoom te vullen en negatieve ladingen werden erin verdeeld, als rozijnen in een rol. Het beroemde experiment van Rutherford stelde het volgende vast: in het midden van het atoom bevindt zich een zeer zwaar element met een positieve lading (kern) en er bevinden zich veel lichtere elektronen rondom. De massa van een kern is honderden keren zwaarder dan de som van alle elektronen (het is 99,9 procent van de massa van het hele atoom). Zo werd het planetaire model van het Bohr-atoom geboren. Sommige elementen waren echter in tegenspraak met de klassieke fysica die op dat moment werd aanvaard. Daarom werd een nieuwe, kwantummechanica ontwikkeld. Met zijn verschijning begon de niet-klassieke periode van de wetenschap.
Uit alles wat hierboven is gezegd, wordt het duidelijk datde kern is het zware, positief geladen deel van een atoom dat zijn massa vormt. Toen de kwantisering van de energie en de posities van elektronen in de baan van een atoom goed begrepen werd, werd het tijd om de aard van de atoomkern te begrijpen. Een ingenieuze en onverwacht ontdekte radioactiviteit kwam te hulp. Ze hielp bij het onthullen van de essentie van het zware centrale deel van het atoom, aangezien de bron van radioactiviteit kernsplijting is. Aan het begin van de negentiende en twintigste eeuw stroomden de ontdekkingen de een na de ander binnen. De theoretische oplossing van één probleem maakte het noodzakelijk om nieuwe experimenten op te zetten. De resultaten van de experimenten leidden tot theorieën en hypothesen die bevestigd of weerlegd moesten worden. Vaak kwamen de grootste ontdekkingen simpelweg omdat de formule zo gemakkelijk te berekenen werd (zoals het Max Planck-kwantum). Zelfs aan het begin van het fotografietijdperk wisten wetenschappers dat uraniumzouten een lichtgevoelige film verlichten, maar ze vermoedden niet dat kernsplijting de basis was van dit fenomeen. Daarom werd radioactiviteit bestudeerd om de aard van nucleair verval te begrijpen. De straling werd duidelijk opgewekt door kwantumovergangen, maar het was niet helemaal duidelijk welke. De Curies ontgonnen puur radium en polonium en verwerkten uraniumerts bijna met de hand om een antwoord op deze vraag te krijgen.
Rutherford heeft veel gedaan om de structuur te bestuderenatoom en droeg bij aan de studie van hoe de splitsing van de atoomkern plaatsvindt. De wetenschapper plaatste de straling van een radioactief element in een magnetisch veld en kreeg een verbluffend resultaat. Het bleek dat straling uit drie componenten bestaat: de ene was neutraal en de andere twee waren positief en negatief geladen. De studie van kernsplijting begon met de bepaling van de bestanddelen ervan. Het is bewezen dat de kern zich kan delen en een deel van zijn positieve lading kan opgeven.
Later bleek dat de atoomkern er niet uit bestaatalleen van positief geladen deeltjes van protonen, maar ook van neutrale deeltjes van neutronen. Samen worden ze nucleonen genoemd (van de Engelse "nucleus", de nucleus). Wetenschappers kwamen echter opnieuw een probleem tegen: de massa van de kern (dat wil zeggen, het aantal nucleonen) kwam niet altijd overeen met de lading. In waterstof heeft de kern een lading van +1, en de massa kan drie, of twee of één zijn. Het volgende helium in het periodiek systeem heeft een kernlading van +2, terwijl de kern 4 tot 6 nucleonen bevat. Complexere elementen kunnen voor dezelfde lading veel meer verschillende massa's hebben. Deze variaties van atomen worden isotopen genoemd. Bovendien bleken sommige isotopen vrij stabiel te zijn, terwijl andere snel vervielen omdat ze werden gekenmerkt door kernsplijting. Met welk principe kwam het aantal nucleonen van nucleaire stabiliteit overeen? Waarom leidde de toevoeging van slechts één neutron aan een zware en volledig stabiele kern tot splitsing, tot het vrijkomen van radioactiviteit? Vreemd genoeg is het antwoord op deze belangrijke vraag nog niet gevonden. Experimenteel is gevonden dat stabiele configuraties van atoomkernen overeenkomen met bepaalde hoeveelheden protonen en neutronen. Als er 2, 4, 8, 50 neutronen en / of protonen in de kern zijn, dan zal de kern zeker stabiel zijn. Deze getallen worden zelfs magie genoemd (en zo noemden volwassen wetenschappers, kernfysici ze). De splitsing van kernen hangt dus af van hun massa, dat wil zeggen van het aantal nucleonen dat erin komt.
Bepaal de factor die verantwoordelijk is voorkernel stabiliteit, op dit punt mislukt. Er zijn veel theorieën over het atomaire model. De drie bekendste en meest ontwikkelde spreken elkaar vaak op verschillende punten tegen. Volgens de eerste is de kern een druppel van een speciale nucleaire vloeistof. Net als bij water wordt het gekenmerkt door vloeibaarheid, oppervlaktespanning, coalescentie en verval. In het schaalmodel zijn er ook bepaalde energieniveaus in de kern, die gevuld zijn met nucleonen. De derde stelt dat de kern een medium is dat in staat is om speciale golven te breken (de Broglie), terwijl de brekingsindex potentiële energie is. Er is echter nog geen model dat volledig kan beschrijven waarom, bij een bepaalde kritische massa van dit specifieke chemische element, kernsplijting begint.
Radioactiviteit, zoals hierboven vermeld, wasgevonden in stoffen die in de natuur voorkomen: uranium, polonium, radium. Zo is pas gewonnen, puur uranium radioactief. Het splitsingsproces zal in dit geval spontaan zijn. Zonder enige externe invloeden zal een bepaald aantal uraniumatomen alfadeeltjes uitstoten, die spontaan in thorium worden omgezet. Er is een indicator die de halfwaardetijd wordt genoemd. Het laat zien hoe lang het duurt vanaf het eerste nummer van het onderdeel om ongeveer de helft te blijven. Elk radioactief element heeft een andere halfwaardetijd - van fracties van een seconde voor Californië tot honderdduizenden jaren voor uranium en cesium. Maar er is ook gedwongen radioactiviteit. Als de atoomkernen worden gebombardeerd met protonen of alfadeeltjes (heliumkernen) met hoge kinetische energie, kunnen ze "splitsen". Het transformatiemechanisme is natuurlijk anders dan hoe de favoriete vaas van je moeder is gebroken. Er is echter een zekere analogie te vinden.
Tot dusver hebben we de praktische vraag nog niet beantwoordkarakter: waar de energie vandaan komt tijdens kernsplijting. Om te beginnen is het nodig om te verduidelijken dat tijdens de vorming van een kern speciale nucleaire krachten optreden, die sterke interacties worden genoemd. Omdat de kern uit veel positieve protonen bestaat, is het de vraag hoe ze aan elkaar kleven, want elektrostatische krachten moeten ze sterk genoeg van elkaar afstoten. Het antwoord is simpel en nee: de kern wordt bij elkaar gehouden door een zeer snelle uitwisseling tussen kerndeeltjes door speciale deeltjes - pi-mesonen. Deze band leeft ongelooflijk weinig. Zodra de uitwisseling van pi-mesonen stopt, vervalt de kern. Het is ook zeker bekend dat de massa van een kern kleiner is dan de som van alle samenstellende nucleonen. Dit fenomeen wordt massa-defect genoemd. In feite is de ontbrekende massa de energie die wordt besteed aan het handhaven van de integriteit van de kern. Zodra een deel van de kern van een atoom wordt gescheiden, komt deze energie vrij en wordt deze bij kerncentrales omgezet in warmte. Dat wil zeggen, de splijtingsenergie van een kern is een duidelijke demonstratie van de beroemde formule van Einstein. Bedenk dat de formule zegt: energie en massa kunnen in elkaar overgaan (E = mc2).
Laten we u nu vertellen hoe dit puur theoretisch isde ontdekking wordt in het leven gebruikt om gigawatt aan elektriciteit op te wekken. Ten eerste moet worden opgemerkt dat gecontroleerde reacties gedwongen kernsplijting met zich meebrengen. Meestal is het uranium of polonium, dat wordt gebombardeerd met snelle neutronen. Ten tweede moet men begrijpen dat kernsplijting gepaard gaat met de vorming van nieuwe neutronen. Hierdoor kan het aantal neutronen in de reactiezone zeer snel groeien. Elk neutron botst met nieuwe, nog intacte kernen, splitst ze, wat leidt tot een toename van de warmteafgifte. Dit is een kettingreactie van kernsplijting. Een ongecontroleerde toename van het aantal neutronen in de reactor kan tot een explosie leiden. Dit is precies wat er in 1986 gebeurde bij de kerncentrale van Tsjernobyl. Daarom is er altijd een stof aanwezig in de reactiezone die overtollige neutronen absorbeert, waardoor een catastrofe wordt voorkomen. Het is grafiet in de vorm van lange staven. De snelheid van kernsplijting kan worden vertraagd door de staafjes onder te dompelen in de reactiezone. De kernreactievergelijking wordt specifiek opgesteld voor elke actieve radioactieve stof en de deeltjes die deze bombarderen (elektronen, protonen, alfadeeltjes). De uiteindelijke energieopbrengst wordt echter berekend volgens de behoudswet: E1 + E2 = E3 + E4. Dat wil zeggen, de totale energie van de oorspronkelijke kern en het oorspronkelijke deeltje (E1 + E2) moet gelijk zijn aan de energie van de resulterende kern en de energie die in vrije vorm vrijkomt (E3 + E4). De nucleaire reactievergelijking laat ook zien wat voor soort stof wordt geproduceerd door verval. Voor uranium U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Isotopen van chemische elementen worden hier niet vermeld, maar dit is belangrijk. Zo zijn er maar liefst drie mogelijkheden van splijting van uranium, waarbij verschillende isotopen van lood en neon worden gevormd. In bijna honderd procent van de gevallen produceert de kernsplijtingsreactie radioactieve isotopen. Dat wil zeggen, wanneer uranium vervalt, wordt radioactief thorium verkregen. Thorium kan vervallen tot protactinium, dat tot actinium, enzovoort. Zowel bismut als titanium kunnen in deze reeks radioactief zijn. Zelfs waterstof met twee protonen in zijn kern (met een snelheid van één proton) wordt anders genoemd - deuterium. Water gevormd met dergelijke waterstof wordt zwaar genoemd en vult het primaire circuit in kernreactoren.
Uitdrukkingen zoals 'wapenwedloop'"Koude oorlog", "nucleaire dreiging" voor de moderne mens lijken misschien historisch en irrelevant. Maar ooit ging elk persbericht over bijna de hele wereld vergezeld van rapporten over hoeveel soorten kernwapens er waren uitgevonden en hoe ermee om te gaan. Mensen bouwden ondergrondse bunkers en legden voorraden aan voor een nucleaire winter. Hele gezinnen werkten om de schuilplaats te creëren. Zelfs het vreedzaam gebruik van kernsplijtingsreacties kan tot een ramp leiden. Het lijkt erop dat Tsjernobyl de mensheid heeft geleerd nauwkeurig te zijn op dit gebied, maar de elementen van de planeet bleken sterker te zijn: de aardbeving in Japan beschadigde de zeer betrouwbare vestingwerken van de kerncentrale van Fukushima. De energie van een nucleaire reactie is veel gemakkelijker te gebruiken voor vernietiging. Technologen hoeven alleen de kracht van de explosie te beperken om niet per ongeluk de hele planeet te vernietigen. De meest "humane" bommen, als je ze zo mag noemen, vervuilen de omgeving niet met straling. Over het algemeen gebruiken ze meestal een ongecontroleerde kettingreactie. Wat kerncentrales met alle kracht proberen te vermijden, wordt op een zeer primitieve manier bereikt met bommen. Voor elk van nature radioactief element is er een bepaalde kritische massa aan zuivere materie, waarin een kettingreactie vanzelf begint. Voor uranium is dat bijvoorbeeld maar vijftig kilogram. Omdat uranium erg zwaar is, is het slechts een kleine metalen bal met een diameter van 12-15 centimeter. De eerste atoombommen die op Hiroshima en Nagasaki werden afgeworpen, werden volgens dit principe gemaakt: twee ongelijke delen van puur uranium werden eenvoudig gecombineerd en veroorzaakten een angstaanjagende explosie. Moderne wapens zijn waarschijnlijk geavanceerder. Men mag echter de kritische massa niet vergeten: tussen kleine hoeveelheden puur radioactief materiaal tijdens opslag moeten er barrières zijn die verhinderen dat de onderdelen samenkomen.
Alle elementen met een lading van een atoomkern groter dan 82radioactief. Bijna alle lichtere chemische elementen hebben radioactieve isotopen. Hoe zwaarder de kern, hoe korter de levensduur. Sommige elementen (zoals Californië) kunnen alleen met kunstmatige middelen worden verkregen - door zware atomen te laten botsen met lichtere deeltjes, meestal in versnellers. Omdat ze erg onstabiel zijn, bevinden ze zich niet in de aardkorst: tijdens de vorming van de planeet vielen ze heel snel uiteen in andere elementen. Stoffen met lichtere kernen, zoals uranium, kunnen worden gewonnen. Dit proces is lang en zelfs zeer rijke ertsen bevatten minder dan één procent uranium dat geschikt is voor mijnbouw. Het derde pad geeft misschien aan dat er al een nieuw geologisch tijdperk is aangebroken. Dit is de winning van radioactieve elementen uit radioactief afval. Nadat de brandstof is verbruikt in een energiecentrale, op een onderzeeër of een vliegdekschip, wordt een mengsel verkregen van het aanvankelijke uranium en de uiteindelijke substantie, het resultaat van splijting. Momenteel wordt dit beschouwd als vast radioactief afval en er is een acute vraag hoe het moet worden verwijderd zodat het het milieu niet vervuilt. Het is echter aannemelijk dat in de nabije toekomst kant-en-klare geconcentreerde radioactieve stoffen (bijvoorbeeld polonium) uit dit afval zullen worden gewonnen.
