Článok hovorí o tom, čo je jadrové štiepenie, ako bol tento proces otvorený a popísaný. Odhaľuje jej využitie ako zdroja energie a jadrových zbraní.
Dvadsiate prvé storočie je plné takých výrazov„atómová energia“, „jadrové technológie“, „rádioaktívny odpad“. V novinách sa v novinách objavovali správy o možnosti rádioaktívnej kontaminácie pôdy, oceánov a ľadu Antarktídy. Bežný človek si však často nie je veľmi dobre vedomý toho, čo táto oblasť vedy je a ako pomáha v každodennom živote. Pravdepodobne stojí za to začať s príbehom. Od prvej otázky, ktorá sa opýtala dobre živeného a oblečeného muža, sa zaujímal o to, ako funguje svet. Ako vidí oko, prečo počuje ucho, ako sa voda líši od kameňa - to je to, čo mudrcov znepokojovalo od staroveku. Dokonca aj v starovekej Indii a Grécku niektorí zvedaví myseľ navrhli, že existuje minimálna častica (bola tiež nazývaná „nedeliteľná“), ktorá má vlastnosti materiálu. Stredovekí lekári potvrdili dohady mudrcov a moderná definícia atómu je nasledovná: atóm je najmenšia častica látky, ktorá nesie svoje vlastnosti.
Rozvoj technológie (najmä \ tviedli k tomu, že atóm už nie je považovaný za najmenšiu možnú časticu hmoty. A hoci jeden atóm je elektricky neutrálny, vedci skôr rýchlo pochopili: pozostáva z dvoch častí s rôznymi nábojmi. Počet kladne nabitých častí kompenzuje počet negatívnych, takže atóm zostáva neutrálny. Ale jednoznačný model atómu neexistoval. Keďže klasická fyzika v tom čase stále dominovala, boli urobené rôzne predpoklady.
Spočiatku bol navrhnutý model „hrozienka“.Kladný náboj akoby vyplňoval celý priestor atómu a záporné náboje sa v ňom distribuovali ako hrozienka v roli. Slávny Rutherfordov experiment určil nasledovné: v strede atómu je veľmi ťažký prvok s kladným nábojom (jadro) a okolo sú umiestnené oveľa ľahšie elektróny. Hmotnosť jadra je stokrát ťažšia ako súčet všetkých elektrónov (je to 99,9 percenta hmotnosti celého atómu). Tak sa zrodil planetárny model Bohrovho atómu. Niektoré z jeho prvkov však boli v rozpore s klasickou fyzikou prijatou v tom čase. Preto bola vyvinutá nová kvantová mechanika. Svojím zjavom začalo neklasické obdobie vedy.
Zo všetkého, čo bolo povedané vyššie, je zrejmé, žejadro je ťažká, kladne nabitá časť atómu, ktorá tvorí jeho objem. Keď bola kvantifikácia energie a polohy elektrónov na obežnej dráhe atómu dobre pochopená, bolo treba pochopiť podstatu atómového jadra. Na pomoc prišla dômyselná a nečakane objavená rádioaktivita. Pomohla odhaliť podstatu ťažkej centrálnej časti atómu, pretože zdrojom rádioaktivity je jadrové štiepenie. Na prelome devätnásteho a dvadsiateho storočia sa objavy hrnuli jeden za druhým. Teoretické riešenie jedného problému si vyžiadalo nové experimenty. Výsledky experimentov viedli k teóriám a hypotézam, ktoré bolo treba potvrdiť alebo vyvrátiť. Najväčšie objavy často prišli jednoducho preto, lebo takto sa dá ľahko vypočítať vzorec (napríklad kvantum Maxa Plancka). Už na začiatku éry fotografie vedci vedeli, že soli uránu osvetľujú fotocitlivý film, netušili však, že jadrové štiepenie je základom tohto javu. Preto bola študovaná rádioaktivita, aby sa pochopila podstata jadrového rozpadu. Je zrejmé, že žiarenie bolo generované kvantovými prechodmi, ale nebolo úplne jasné, ktoré z nich. Curiesovci ťažili čisté rádium a polónium, spracovávajúc uránovú rudu takmer ručne, aby dostali odpoveď na túto otázku.
Rutherford urobil veľa pre štúdium štruktúryatómu a prispel k štúdiu toho, ako dochádza k štiepeniu atómového jadra. Vedec umiestnil žiarenie emitované rádioaktívnym prvkom do magnetického poľa a dosiahol úžasný výsledok. Ukázalo sa, že žiarenie sa skladá z troch zložiek: jedna bola neutrálna a ďalšie dve boli nabité kladne a záporne. Štúdium jadrového štiepenia sa začalo stanovením jeho zložiek. Bolo dokázané, že jadro sa môže deliť a vzdať sa časti svojho kladného náboja.
Neskôr sa ukázalo, že atómové jadro nepozostávaiba z kladne nabitých častíc protónov, ale aj z neutrálnych častíc neutrónov. Spoločne sa nazývajú nukleóny (z anglického „nucleus“, jadro). Vedci však opäť narazili na problém: hmotnosť jadra (teda počet nukleónov) nie vždy zodpovedala jeho náboju. Vo vodíku má jadro náboj +1 a hmotnosť môže byť tri, dva alebo jeden. Nasledujúce hélium v periodickej tabuľke má náboj jadra +2, zatiaľ čo jeho jadro obsahuje od 4 do 6 nukleónov. Zložitejšie prvky môžu mať pri rovnakom náboji oveľa väčší počet rôznych hmôt. Tieto variácie atómov sa nazývajú izotopy. Niektoré izotopy sa navyše ukázali byť celkom stabilné, zatiaľ čo iné sa rýchlo rozpadli, pretože sa vyznačovali štiepením jadra. Akému princípu zodpovedal počet nukleónov stability jadier? Prečo pridanie iba jedného neutrónu k ťažkému a úplne stabilnému jadru viedlo k jeho štiepeniu, k uvoľneniu rádioaktivity? Zvláštne je, že odpoveď na túto dôležitú otázku sa zatiaľ nenašla. Experimentálne sa zistilo, že stabilné konfigurácie atómových jadier zodpovedajú určitému množstvu protónov a neutrónov. Ak je v jadre 2, 4, 8, 50 neutrónov a / alebo protónov, potom bude jadro určite stabilné. Tieto čísla sa dokonca nazývajú mágia (a takto ich nazývali dospelí vedci, jadroví fyzici). Takže štiepenie jadier závisí od ich hmotnosti, to znamená od počtu nukleónov, ktoré do nich vstupujú.
Určte faktor, za ktorý je zodpovednýstabilita jadra, v tomto bode zlyhala. Teórií modelu štruktúry atómu je veľa. Tri najslávnejšie a najrozvinutejšie si často protirečia v rôznych otázkach. Podľa prvého je jadro kvapkou špeciálnej jadrovej kvapaliny. Rovnako ako voda je charakterizovaná tekutosťou, povrchovým napätím, koalescenciou a rozpadom. V škrupinovom modeli existujú v jadre aj určité energetické úrovne, ktoré sú naplnené nukleónmi. Tretí tvrdí, že jadro je médium, ktoré je schopné lámať špeciálne vlny (de Broglie), zatiaľ čo index lomu je potenciálna energia. Ani jeden model však zatiaľ nebol schopný úplne popísať, prečo pri určitom kritickom množstve tohto konkrétneho chemického prvku začína jadrové štiepenie.
Rádioaktivita, ako je uvedené vyššie, bolanachádzajú sa v látkach, ktoré sa nachádzajú v prírode: urán, polónium, rádium. Napríklad čerstvo vyťažený čistý urán je rádioaktívny. Proces rozdelenia bude v tomto prípade spontánny. Bez akýchkoľvek vonkajších vplyvov bude určitý počet atómov uránu emitovať častice alfa, ktoré sa spontánne premenia na tórium. Existuje indikátor nazývaný polčas rozpadu. Ukazuje, ako dlho zostáva z pôvodného počtu dielov asi polovica. Každý rádioaktívny prvok má svoj vlastný polčas rozpadu - od zlomkov sekundy pre Kaliforniu po státisíce rokov pre urán a cézium. Existuje však aj nútená rádioaktivita. Ak sú jadrá atómov bombardované protónmi alebo časticami alfa (jadrá hélia) s vysokou kinetickou energiou, môžu sa „rozdeliť“. Mechanizmus transformácie sa samozrejme líši od toho, ako je rozbitá obľúbená váza mojej matky. Dá sa však vystopovať určitá analógia.
Doteraz sme na otázku z praktického hľadiska neodpovedaliznak: odkiaľ sa získava energia počas štiepenia jadra. Na začiatok je potrebné objasniť, že pri formovaní jadra pôsobia špeciálne jadrové sily, ktoré sa nazývajú silné interakcie. Keďže jadro pozostáva z mnohých pozitívnych protónov, otázkou zostáva, ako sa držia spolu, pretože elektrostatické sily ich musia navzájom dosť silno odpudzovať. Odpoveď je jednoduchá aj nie: jadro drží pohromade veľmi rýchla výmena medzi nukleónmi špeciálnymi časticami - pi-mezónmi. Toto puto žije neuveriteľne málo. Hneď ako sa zastaví výmena pi-mezónov, jadro sa rozpadne. Je tiež isté isté, že hmotnosť jadra je menšia ako súčet všetkých jeho základných nukleónov. Tento jav sa nazýva hromadná chyba. Chýbajúca hmota je v skutočnosti energia, ktorá sa vynakladá na udržanie integrity jadra. Len čo sa niektorá časť oddelí od jadra atómu, táto energia sa uvoľní a v jadrových elektrárňach sa prevedie na teplo. To znamená, že energia z jadrového štiepenia je jasnou ukážkou slávneho Einsteinovho vzorca. Pripomeňme si, že vzorec hovorí: energia a hmotnosť sa môžu navzájom transformovať (E = mc2).
Teraz vám povieme, ako je to čisto teoretickéobjav sa v živote používa na výrobu gigawattov elektriny. Najskôr je potrebné poznamenať, že riadené jadrové štiepenie sa používa pri kontrolovaných reakciách. Najčastejšie ide o urán alebo polónium, ktoré sú bombardované rýchlymi neutrónmi. Po druhé, je potrebné pochopiť, že jadrové štiepenie je sprevádzané vytváraním nových neutrónov. Vďaka tomu môže počet neutrónov v reakčnej zóne veľmi rýchlo rásť. Každý neutrón koliduje s novými, stále neporušenými jadrami, rozdeľuje ich, čo vedie k zvýšeniu uvoľňovania tepla. Toto je reťazová reakcia štiepenia jadra. Nekontrolované zvyšovanie počtu neutrónov v reaktore môže viesť k výbuchu. Presne to sa stalo v roku 1986 v černobyľskej jadrovej elektrárni. Preto sa v reakčnej zóne vždy nachádza látka, ktorá absorbuje prebytočné neutróny a zabráni tak katastrofe. Je to grafit vo forme dlhých tyčí. Rýchlosť štiepenia jadra sa dá spomaliť ponorením tyčí do reakčnej zóny. Rovnica jadrovej reakcie je zostavená špeciálne pre každú aktívnu rádioaktívnu látku a častice, ktoré ju bombardujú (elektróny, protóny, častice alfa). Konečný energetický výkon sa však počíta podľa zákona o konzervácii: E1 + E2 = E3 + E4. To znamená, že celková energia pôvodného jadra a častice (E1 + E2) sa musí rovnať energii výsledného jadra a energii uvoľnenej vo voľnej forme (E3 + E4). Rovnica jadrových reakcií tiež ukazuje, aký druh látky sa vyrába v dôsledku rozpadu. Napríklad pre urán U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Izotopy chemických prvkov tu nie sú uvedené, je to však dôležité. Napríklad existujú až tri možnosti štiepenia uránu, pri ktorých sa tvoria rôzne izotopy olova a neónu. V takmer sto percentách prípadov produkuje jadrové štiepne reakcie rádioaktívne izotopy. To znamená, že keď sa urán rozpadne, získa sa rádioaktívne tórium. Tórium je schopné sa rozpadnúť na protaktínium, to na aktínium atď. Vizmut aj titán môžu byť v tejto sérii rádioaktívne. Aj vodík obsahujúci dva protóny v jadre (v rýchlosti jedného protónu) sa nazýva inak - deutérium. Voda vytvorená s takýmto vodíkom sa nazýva ťažká voda a plní primárny okruh v jadrových reaktoroch.
Výrazy ako „preteky v zbrojení“„Studená vojna“, „jadrová hrozba“ pre moderného človeka sa môžu javiť ako historické a irelevantné. Ale niekedy boli každé správy takmer po celom svete sprevádzané správami o tom, koľko druhov jadrových zbraní bolo vynájdených a ako s nimi zaobchádzať. Ľudia stavali podzemné bunkre a hromadili si zásoby na jadrovú zimu. Na vytvorení útulku pracovali celé rodiny. Aj mierové využitie štiepnych reakcií môže viesť ku katastrofe. Mohlo by sa zdať, že Černobyľ naučil ľudstvo presnosti v tejto oblasti, ale prvky planéty sa ukázali byť silnejšie: zemetrasenie v Japonsku poškodilo veľmi spoľahlivé opevnenie jadrovej elektrárne Fukušima. Energia jadrovej reakcie sa oveľa ľahšie využije na zničenie. Technológom stačí obmedziť silu výbuchu, aby náhodou nezničili celú planétu. Najhumánnejšie bomby, ak sa nimi tak dá nazvať, neznečisťujú okolie radiáciou. Spravidla najčastejšie používajú nekontrolovanú reťazovú reakciu. Čomu sa atómové elektrárne snažia vyhnúť všetkými prostriedkami, v bombách dosahujú veľmi primitívnym spôsobom. Pre každý prirodzene rádioaktívny prvok existuje určité kritické množstvo čistej látky, v ktorom reťazová reakcia vzniká sama. Napríklad pre urán je to iba päťdesiat kilogramov. Pretože je urán veľmi ťažký, je to iba malá kovová guľa s priemerom 12-15 centimetrov. Prvé atómové bomby zhodené na Hirošimu a Nagasaki boli vyrobené podľa tohto princípu: dve nerovné časti čistého uránu sa jednoducho spojili a vytvorili desivý výbuch. Moderné zbrane sú pravdepodobne sofistikovanejšie. Nemalo by sa však zabúdať na kritické množstvo: medzi malými objemami čistého rádioaktívneho materiálu počas skladovania by mali existovať bariéry, ktoré bránia spojeniu častí.
Všetky prvky s nábojom atómového jadra vyšším ako 82rádioaktívny. Takmer všetky ľahšie chemické prvky majú rádioaktívne izotopy. Čím je jadro ťažšie, tým kratšia je jeho životnosť. Niektoré prvky (napríklad Kalifornia) je možné získať iba umelo - zrážkou ťažkých atómov s ľahšími časticami, najčastejšie v urýchľovačoch. Pretože sú veľmi nestabilné, nenachádzajú sa v zemskej kôre: počas formovania planéty sa veľmi rýchlo rozpadli na ďalšie prvky. Látky s ľahšími jadrami, ako napríklad urán, sú dosť ťažné. Toto je dlhý proces a dokonca aj veľmi bohaté rudy obsahujú menej ako jedno percento uránu vhodného na ťažbu. Tretia cesta snáď naznačuje, že nová geologická éra sa už začala. Jedná sa o ťažbu rádioaktívnych prvkov z rádioaktívneho odpadu. Potom, čo sa palivo spotrebuje v elektrárni, na ponorke alebo na lietadlovej lodi, získa sa zmes počiatočného uránu a konečnej látky, ktorá je výsledkom štiepenia. V súčasnosti sa to považuje za tuhý rádioaktívny odpad a existuje akútna otázka, ako s ním naložiť, aby neznečisťoval životné prostredie. Je však pravdepodobné, že v blízkej budúcnosti sa z tohto odpadu budú ťažiť hotové koncentrované rádioaktívne látky (napríklad polónium).
