Articolul spune despre ce este fisiunea nucleară, cum a fost descoperit și descris acest proces. Utilizarea acestuia ca sursă de energie și arme nucleare este dezvăluită.
Secolul XXI este plin de astfel de expresiica „energie a atomului”, „tehnologie nucleară”, „deșeuri radioactive”. Din când în când, în titlurile ziarelor există rapoarte despre posibilitatea contaminării radioactive a solului, oceanelor, gheții din Antarctica. Cu toate acestea, o persoană obișnuită de multe ori nu are o idee prea bună despre ceea ce este acest domeniu al științei și despre modul în care ajută în viața de zi cu zi. Merită să începem, poate, cu istorie. De la prima întrebare adresată de o persoană bine hrănită și îmbrăcată, el a fost interesat de modul în care funcționează lumea. Cum vede ochiul, de ce aude urechea, cum diferă apa de o piatră - asta este ceea ce înțelepții s-au îngrijorat din timpuri imemoriale. Chiar și în India antică și Grecia, unele minți curioase au sugerat că există o particulă minimă (a fost numită și „indivizibilă”), care are proprietățile unui material. Chimiștii medievali au confirmat conjectura înțelepților, iar definiția modernă a atomului este următoarea: un atom este cea mai mică particulă a unei substanțe care este purtătorul proprietăților sale.
Cu toate acestea, dezvoltarea tehnologiei (în special,fotografie) a condus la faptul că atomul nu mai era 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 este format din două părți cu sarcini diferite. Numărul de părți încărcate pozitiv compensează numărul de părți negative, astfel încât atomul rămâne neutru. Dar nu a existat un model fără echivoc al atomului. Din moment ce fizica clasică era încă dominantă, s-au făcut diverse presupuneri.
Inițial, a fost propus modelul „rulou de stafide”.Sarcina pozitivă părea să umple întregul spațiu al atomului, iar sarcinile negative erau distribuite în el, ca o stafidă într-o sul. Celebrul experiment al lui Rutherford a determinat următoarele: în centrul atomului există un element foarte greu cu o sarcină pozitivă (nucleu), iar în jurul lor se află electroni mult mai ușori. Masa unui nucleu este de sute de ori mai grea decât suma tuturor electronilor (este 99,9 la sută din masa întregului atom). Astfel, s-a născut modelul planetar al atomului Bohr. Cu toate acestea, unele dintre elementele sale contraziceau fizica clasică acceptată în acel moment. Prin urmare, a fost dezvoltată o nouă mecanică cuantică. Odată cu apariția sa, a început perioada neclasică a științei.
Din toate cele spuse mai sus, devine clar cănucleul este partea grea, încărcată pozitiv a unui atom care alcătuiește volumul său. Când cuantificarea energiei și pozițiile electronilor pe orbita unui atom au fost bine înțelese, a venit timpul să înțelegem natura nucleului atomic. O radioactivitate ingenioasă și descoperită pe neașteptate a venit în ajutor. Ea a ajutat la dezvăluirea esenței părții centrale grele a atomului, deoarece sursa radioactivității este fisiunea nucleară. La începutul secolelor al XIX-lea și al XX-lea, descoperirile s-au revărsat una după alta. Soluția teoretică a unei probleme a necesitat noi experimente. Rezultatele experimentelor au dat naștere la teorii și ipoteze care trebuiau confirmate sau infirmate. Adesea cele mai mari descoperiri au venit pur și simplu pentru că astfel devine ușor de calculat formula (cum ar fi, de exemplu, cuantumul Max Planck). Chiar și la începutul erei fotografiei, oamenii de știință știau că sărurile de uraniu luminează un film fotosensibil, dar nu au bănuit că fisiunea nucleară a stat la baza acestui fenomen. Prin urmare, radioactivitatea a fost studiată pentru a înțelege natura degradării nucleare. Evident, radiația a fost generată de tranziții cuantice, dar nu a fost complet clar care dintre ele. Curii au extras radiu pur și poloniu, prelucrând minereul de uraniu aproape manual pentru a obține un răspuns la această întrebare.
Rutherford a făcut multe pentru a studia structuraatom și a contribuit la studiul modului în care apare fisiunea nucleului atomic. Omul de știință a plasat radiația emisă de un element radioactiv într-un câmp magnetic și a primit un rezultat uimitor. S-a dovedit că radiația constă din trei componente: una era neutră, iar celelalte două erau încărcate pozitiv și negativ. Studiul fisiunii nucleare a început cu determinarea constituenților săi. S-a dovedit că nucleul se poate diviza, renunța la o parte din sarcina sa pozitivă.
Mai târziu s-a dovedit că nucleul atomic nu este format dinnumai din particule de protoni încărcați pozitiv, dar și din particule neutre de neutroni. Împreună sunt numiți nucleoni (din engleza „nucleus”, nucleul). Cu toate acestea, oamenii de știință s-au confruntat din nou cu o problemă: masa nucleului (adică numărul de nucleoni) nu a corespuns întotdeauna sarcinii sale. În hidrogen, nucleul are o sarcină de +1, iar masa poate fi de trei, sau două, sau una. Următorul heliu din tabelul periodic are o sarcină de nucleu de +2, 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 pentru aceeași încărcare. Aceste variații ale atomilor se numesc izotopi. Mai mult, unele izotopi s-au dovedit a fi destul de stabile, în timp ce altele s-au degradat rapid, deoarece erau caracterizate prin fisiune nucleară. Cu ce principiu a corespuns numărul de nucleoni de stabilitate a nucleilor? De ce adăugarea unui singur neutron la un nucleu greu și complet stabil a dus la divizarea acestuia, la eliberarea radioactivității? În mod ciudat, răspunsul la această întrebare importantă nu a fost încă găsit. S-a descoperit experimental că configurațiile stabile ale nucleilor atomici corespund anumitor cantități de protoni și neutroni. Dacă există 2, 4, 8, 50 de neutroni și / sau protoni în nucleu, atunci nucleul va fi cu siguranță stabil. Aceste numere sunt chiar numite magie (și așa le-au numit oamenii de știință adulți, fizicieni nucleari). Astfel, fisiunea nucleilor depinde de masa lor, adică de numărul de nucleoni care intră în ei.
Determinați factorul responsabilstabilitatea nucleului, a eșuat în acest moment. Există multe teorii ale modelului structurii atomului. Cele mai cunoscute și dezvoltate trei se contrazic adesea pe probleme diferite. Conform primului, nucleul este o picătură de lichid nuclear special. La fel ca apa, se caracterizează prin fluiditate, tensiune superficială, coalescență și degradare. În modelul învelișului, există și anumite niveluri de energie în nucleu, care sunt umplute cu nucleoni. Al treilea afirmă că nucleul este un mediu capabil să refracteze unde speciale (de Broglie), în timp ce indicele de refracție este energie potențială. Cu toate acestea, niciun singur model nu a reușit să descrie pe deplin de ce, la o anumită masă critică a acestui element chimic special, începe fisiunea nucleară.
Radioactivitatea, așa cum s-a menționat mai sus, a fostgăsite în substanțe care se găsesc în natură: uraniu, poloniu, radiu. De exemplu, proaspăt extras, uraniul pur 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 timp de înjumătățire. Arată cât durează de la numărul inițial al piesei să rămână aproximativ jumătate. Fiecare element radioactiv are propriul său timp de înjumătățire - de la fracțiuni de secundă pentru California la sute de mii de ani pentru uraniu și cesiu. Dar există și radioactivitate forțată. Dacă nucleele atomilor sunt bombardate cu protoni sau particule alfa (nuclei de heliu) cu energie cinetică ridicată, atunci se pot „diviza”. Desigur, mecanismul de transformare este diferit de modul în care este spart vaza preferată a mamei mele. Cu toate acestea, se poate urmări o anumită analogie.
Până în prezent, nu am răspuns la întrebarea practicăcaracter: de unde se ia energia în timpul fisiunii nucleare. Pentru început, este necesar să clarificăm că în timpul formării unui nucleu acționează forțe nucleare speciale, care se numesc interacțiuni puternice. Deoarece nucleul este format din mulți protoni pozitivi, întrebarea rămâne cum se lipesc împreună, deoarece forțele electrostatice trebuie să le respingă destul de puternic una de alta. Răspunsul este atât simplu, cât și nu: nucleul este ținut împreună printr-un schimb foarte rapid între nucleoni de particule speciale - pi-mezoni. Această legătură trăiește incredibil de puțin. De îndată ce schimbul de pi-mezoni se oprește, nucleul se descompune. De asemenea, se știe cu siguranță că masa unui nucleu este mai mică decât suma tuturor nucleonilor săi constituenți. Acest fenomen se numește defect de masă. De fapt, masa lipsă este energia care este cheltuită pentru a menține integritatea miezului. De îndată ce o parte este separată de nucleul unui atom, această energie este eliberată și este transformată în căldură la centralele nucleare. Adică energia de fisiune nucleară este o demonstrație clară a celebrei formule a lui Einstein. Amintiți-vă că formula spune: energia și masa se pot transforma una în cealaltă (E = mc2).
Acum să vă spunem cum acest lucru este pur teoreticdescoperirea este folosită în viață pentru a genera gigavati de electricitate. În primul rând, trebuie remarcat faptul că fisiunea nucleară controlată este utilizată în reacțiile controlate. Cel mai adesea este uraniu sau poloniu, care este bombardat cu neutroni rapidi. În al doilea rând, trebuie să înțelegem că fisiunea nucleară este însoțită de crearea de noi neutroni. Ca rezultat, numărul de neutroni din zona de reacție poate crește foarte repede. Fiecare neutron se ciocnește cu nuclei noi, încă intacti, îi desparte, ceea ce duce la o creștere a eliberării de căldură. Aceasta este o reacție în lanț a fisiunii nucleare. O creștere necontrolată a numărului de neutroni din reactor poate duce la o explozie. Exact asta s-a întâmplat în 1986 la centrala nucleară de la Cernobîl. Prin urmare, există întotdeauna o substanță în zona de reacție care absoarbe excesul de neutroni, prevenind o catastrofă. Este grafit sub formă de tije lungi. Rata fisiunii nucleare poate fi încetinită prin scufundarea tijelor în zona de reacție. Ecuația reacției nucleare este elaborată special pentru fiecare substanță radioactivă activă și particulele care o bombardează (electroni, protoni, particule alfa). Cu toate acestea, producția de energie finală este calculată conform legii conservării: E1 + E2 = E3 + E4. Adică, energia totală a nucleului și a particulei originale (E1 + E2) trebuie să fie egală cu energia nucleului rezultat și energia eliberată în formă liberă (E3 + E4). Ecuația reacției nucleare arată, de asemenea, ce fel de substanță este produsă ca urmare a decăderii. De exemplu, pentru uraniu U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Izotopii elementelor chimice nu sunt enumerate aici, dar acest lucru este important. De exemplu, există până la trei posibilități de fisiune a uraniului, în care se formează diferiți izotopi de plumb și neon. În aproape o sută la sută din cazuri, reacția de fisiune nucleară produce izotopi radioactivi. Adică, atunci când uraniul se descompune, se obține toriu radioactiv. Toriu este capabil să se descompună în protactiniu, în actiniu și așa mai departe. Atât bismutul, cât și titanul pot fi radioactive în această serie. Chiar și hidrogenul care conține doi protoni în nucleul său (cu o rată de un proton) se numește diferit - deuteriu. Apa formată cu astfel de hidrogen se numește apă grea și umple circuitul primar din reactoarele nucleare.
Expresii precum „cursa înarmărilor”„Războiul rece”, „amenințarea nucleară” pentru omul modern pot părea istorice și irelevante. Dar la un moment dat, fiecare comunicat de presă din întreaga lume a fost însoțit de rapoarte despre câte tipuri de arme nucleare au fost inventate și despre cum să le abordăm. Oamenii construiau buncăruri subterane și depozitau pentru o iarnă nucleară. Familii întregi au lucrat la crearea adăpostului. Chiar și utilizarea pașnică a reacțiilor de fisiune nucleară poate duce la dezastre. S-ar părea că Cernobîl a învățat omenirea să fie exactă în această zonă, dar elementele planetei s-au dovedit a fi mai puternice: cutremurul din Japonia a deteriorat fortificațiile foarte fiabile ale centralei nucleare de la Fukushima. Energia unei reacții nucleare este mult mai ușor de utilizat pentru distrugere. Tehnologii trebuie doar să limiteze forța exploziei pentru a nu distruge accidental întreaga planetă. Cele mai „umane” bombe, dacă le poți numi așa, nu poluează zona înconjurătoare cu radiații. În general, ei folosesc cel mai adesea o reacție în lanț necontrolată. Ceea ce centralele nucleare încearcă să evite prin toate mijloacele, în bombe, le realizează într-un mod foarte primitiv. Pentru orice element radioactiv natural, există o anumită masă critică de substanță pură, în care apare o reacție în lanț de la sine. De exemplu, pentru uraniu este vorba doar de cincizeci de kilograme. Deoarece uraniul este foarte greu, este doar o bilă mică de metal cu diametrul de 12-15 centimetri. Primele bombe atomice aruncate pe Hiroshima și Nagasaki au fost realizate conform acestui principiu: două părți inegale de uraniu pur s-au combinat pur și simplu și au creat o explozie terifiantă. Armele moderne sunt probabil mai sofisticate. Cu toate acestea, nu trebuie uitat de masa critică: între volumele mici de material radioactiv pur în timpul depozitării, ar trebui să existe bariere care să împiedice îmbinarea pieselor.
Toate elementele cu o sarcină a unui nucleu atomic mai mare de 82radioactiv. Aproape toate elementele chimice mai ușoare au izotopi radioactivi. Cu cât nucleul este mai greu, cu atât durata de viață este mai scurtă. Unele elemente (cum ar fi California) pot fi obținute numai artificial - prin ciocnirea atomilor grei cu particule mai ușoare, cel mai adesea în acceleratoare. Deoarece sunt foarte instabili, nu se află în scoarța terestră: în timpul formării planetei, s-au dezintegrat foarte repede în alte elemente. Substanțele cu nuclee mai ușoare, cum ar fi uraniul, sunt destul de minabile. Acesta este un proces îndelungat și chiar și minereurile foarte bogate conțin mai puțin de un procent de uraniu potrivit pentru minerit. A treia cale, poate, indică faptul că a început deja o nouă eră geologică. Aceasta este extragerea elementelor radioactive din deșeurile radioactive. După ce combustibilul este consumat la o centrală electrică, pe un submarin sau un portavion, se obține un amestec de uraniu inițial și substanța finală, rezultatul fisiunii. În prezent, acestea sunt considerate deșeuri radioactive solide și există o întrebare acută despre cum să le eliminați, astfel încât să nu polueze mediul. Cu toate acestea, este probabil ca în viitorul apropiat să fie extrase substanțe radioactive concentrate gata preparate (de exemplu, poloniu) din aceste deșeuri.
