Fisiunea nucleară: procesul de divizare a nucleului atomic. Reacții nucleare

Articolul descrie fisiunea nucleară, cum a fost descoperit și descris acest proces. Descoperă utilizarea sa ca sursă de energie și arme nucleare.

Atomul "indivizibil"

Secolul al XXI-lea este plin de expresii precum "energia atomului", "tehnologia nucleară", "deșeurile radioactive". În fiecare zi și din nou, ziarele de ziar arată mesaje despre posibilitatea contaminării radioactive a solului, a oceanelor, a gheții din Antarctica. Cu toate acestea, o persoană obișnuită adesea nu prea își imaginează ce fel de domeniu științei și cum îi ajută în viața de zi cu zi. Merită să începem, probabil, cu istoria. De la prima întrebare adresată de o persoană bine hrănită și îmbrăcată, el a fost interesat de modul în care funcționează lumea. Pe măsură ce ochiul vede, de ce aude urechea, decât apa diferă de piatră - asta a îngrijorat înțelepții de la început. Înapoi în India antică și în Grecia, unele minți curioase au presupus că există o particulă minimă (denumită și "indivizibilă"), care posedă proprietățile materialului. Medicii chimiști au confirmat presupunerea înțeleptului, iar definiția modernă a atomului este după cum urmează: un atom este cea mai mică particulă a unei substanțe care este purtătorul proprietăților sale.

Părți ale atomului

Cu toate acestea, dezvoltarea tehnologiei (în special fotografie) a dus la faptul că atomul a încetat să mai fie 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 alcătuit din două părți cu sarcini diferite. Numărul de piese încărcate pozitiv compensează numărul de particule negative, astfel încât atomul rămâne neutru. Dar nu exista un singur model al atomului. De vreme ce fizica clasică încă mai domina, s-au exprimat diferite ipoteze.

Modele ale Atomului

La început, a fost propus un model "rasin-roll". Acuzația pozitivă părea să umple întregul spațiu al atomului și, în el, ca și stafidele într-o pâine, s-au distribuit acuzații negative. celebru Experiența lui Rutherford a determinat următoarele: în centrul atomului este un element foarte greu cu o sarcină pozitivă (nucleu), iar în jurul acestuia există mult mai ușor electroni. Masa nucleului este de sute de ori mai grea decât suma tuturor electronilor (este de 99,9% din masa întregului atom). Astfel sa născut modelul planetar al atomului Bohr. Cu toate acestea, unele dintre elementele sale contraziceau fizica clasică acceptată la acel moment. Prin urmare, a fost dezvoltată o nouă mecanică cuantică. Odată cu apariția sa, a început perioada neclasică a științei.

Atom și radioactivitate

Din tot ceea ce sa spus mai sus, devine clar că nucleul este o parte grea, pozitiv încărcată a atomului, care constituie masa sa principală. când cuantificarea energiei iar pozițiile electronilor din orbita atomului au fost bine studiate, este timpul să înțelegem natura nucleului atomic. Pentru ajutor a venit radioactivitatea ingenios și neașteptat de deschisă. A ajutat la descoperirea esenței părții centrale grele a atomului, deoarece sursa de radioactivitate este fisiunea nucleelor. La începutul secolului al XIX-lea și al XX-lea, descoperirile au căzut una după alta. Soluția teoretică a unei probleme a cauzat necesitatea de a pune noi experimente. Rezultatele experimentelor au generat teorii și ipoteze care trebuiau confirmate sau respinse. Adesea, cele mai mari descoperiri au apărut pur și simplu pentru că în acest fel formula a devenit convenabilă pentru calcule (cum ar fi, de exemplu, cuantele Max Planck). Chiar și la începutul epocii, oamenii de știință știau că sărurile de uraniu luminează un film fotosensibil, dar nu bănuiesc că fisiunea nucleară era în centrul acestui fenomen. Prin urmare, radioactivitatea a fost studiată pentru a înțelege natura dezintegrării nucleului. Evident, radiația a fost generată de tranziții cuantice, dar nu a fost complet clar ce anume. Cuplul Curie a minat radiul curat și poloniul, procesând aproape manual mina de uraniu pentru a obține un răspuns la această întrebare.

Încărcarea radiațiilor radioactive

Rutherford a făcut multe pentru a studia structura atomului și a contribuit la studiul modului în care are loc fisiunea nucleului atomic. Cercetătorul a plasat radiația emisă de elementul radioactiv într-un câmp magnetic și a primit un rezultat uimitor. Sa dovedit că radiația constă în trei componente: una era neutră, iar cealaltă două încărcate pozitiv și negativ. Studiul fisiunii nucleare a început cu determinarea componentelor sale. Sa demonstrat că nucleul poate să se împartă, să renunțe la o parte din sarcina sa pozitivă.

Structura nucleului

Mai târziu, sa constatat că nucleul atomic constă nu numai în particule încărcate pozitiv de protoni, ci și în particule neutre de neutroni. Toți împreună sunt numiți nucleoni (din nucleul "nucleu", nucleul). Totuși, oamenii de știință au dat din nou o problemă: masa nucleului (adică numărul nucleonilor) nu corespunde întotdeauna încărcării sale. În hidrogen, nucleul are o încărcătură de +1, iar masa poate fi de trei, două și una. Următoarea încărcare este urmată de o încărcare a nucleului +2 în tabelul periodic al heliului, 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 cu aceeași încărcătură. Astfel de variații ale atomilor sunt numite izotopi. Și unii izotopi s-au dovedit a fi destul de stabili, în timp ce alții s-au dezintegrat rapid, deoarece pentru ei era caracteristică fisiunea nucleelor. La ce principiu corespunde numărul nucleonilor de stabilitate ai nucleelor? De ce adăugarea unui singur neutron la un nucleu greu și complet stabil a dus la împărțirea lui, la radioactivitate? În mod ciudat, răspunsul la această importantă întrebare nu a fost încă găsit. S-a descoperit experimental că configurațiile stabile ale nucleelor ​​atomice corespund anumitor cantități de protoni și neutroni. Dacă în nucleu există 2, 4, 8, 50 de neutroni și / sau protoni, atunci nucleul va fi stabil în mod neechivoc. Aceste numere sunt chiar numite magice (și au fost numite astfel de către oamenii de știință adulți, fizicienii nucleari). Astfel, fisiunea nucleelor ​​depinde de masa lor, adică de numărul de nucleoni care intră în ele.

Drop, coajă, cristal

Determinați factorul care este responsabil pentru stabilitatea kernelului, în momentul în care nu a fost posibil. Există multe teorii ale modelului structurii atomului. Cele trei cele mai celebre și cele mai dezvoltate se contrazic adesea între ele în diferite probleme. Potrivit primului, nucleul este o picătură de lichid nuclear special. Ca și apa, se caracterizează prin fluiditate, tensiune superficială, fuziune și dezintegrare. În modelul de coajă din nucleu, există și anumite niveluri de energie care sunt umplute cu nucleoni. A treia afirmație că nucleul este un mediu capabil să refractoreze undele speciale (de Broglie), în timp ce indicele de refracție este energie potențială. Cu toate acestea, nici un model nu a putut până acum să descrie pe deplin de ce, la o anumită masă critică a acestui element chimic particular, începe divizarea nucleului.

Care este defalcarea

Radioactivitatea, așa cum sa menționat deja, a fost găsită în substanțe care se găsesc în natură: uraniu, poloniu, radium. De exemplu, uraniul curat proaspat exploatat 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 timpul de înjumătățire plasmatică. Se arată, pentru ce interval de timp de la un număr inițial de o parte va fi aproximativ jumătate. Pentru fiecare element radioactiv timp de înjumătățire Sale - de la fracțiuni de secundă pentru California până la sute de mii de ani pentru uraniu și cesiu. Dar există și radioactivitate forțată. Dacă nucleele atomice sunt bombardate cu protoni sau particule alfa (nuclei de heliu) cu energie cinetică ridicată, ei se pot "împărți". Mecanismul transformării, desigur, diferă de modul în care vasul mamei iubite este rupt. Cu toate acestea, o anumită analogie este urmărită.

Energia atomului

Până în prezent nu am răspuns la întrebarea practică: unde energia ia fisiunea nucleului? În primul rând, trebuie clarificat faptul că, atunci când se formează un nucleu, funcționează forțe nucleare speciale, numite interacțiuni puternice. Din moment ce miezul constă într-un set de protoni pozitivi, rămâne întrebarea cu privire la modul în care acestea se reunesc, deoarece forțele electrostatice ar trebui să le respingă puternic una de cealaltă. Răspunsul este simplu și nu: nucleul este păstrat în detrimentul unui schimb foarte rapid între nucleoni de particule particulare-pi-mezoni. Această conexiune trăiește incredibil de puțin. Imediat ce schimbul de pioni este oprit, nucleul se descompune. Este, de asemenea, cunoscut faptul că masa de bază este mai mică decât suma tuturor nucleonilor constituenți ai acesteia. Acest fenomen a fost numit defect de masă. De fapt, masa lipsă este energia folosită pentru menținerea integrității nucleului. De îndată ce o parte a nucleului atomului se separă, această energie este eliberată și transformată în căldură în centralele nucleare. Adică, energia fisiunii nucleare este o demonstrație vizuală a celebrului model al lui Einstein. Reamintim că formula spune: energia și masa pot fi convertite între ele (E = mc²).

Teorie și practică

Acum, să vorbim despre modul în care această descoperire pur teoretică este folosită în viață pentru a genera gigawați de energie electrică. În primul rând, trebuie remarcat faptul că în reacțiile controlate se utilizează fisiune nucleară forțată. Cel mai adesea, este uraniu sau poloniu, care este bombardat de neutronii rapizi. În al doilea rând, nu se poate înțelege că fisiunea nucleelor ​​este însoțită de crearea de noi neutroni. Ca urmare, numărul de neutroni din zona de reacție poate crește foarte rapid. Fiecare neutron se ciocnește cu nuclee noi, încă întregi, le desparte, ceea ce duce la o creștere a eliberării căldurii. Aceasta este reacția în lanț a fisiunii nucleare. Creșterea necontrolată a numărului de neutroni din reactor poate duce la o explozie. Așa sa întâmplat în 1986 la centrala nucleară de la Cernobîl. Prin urmare, în zona de reacție există întotdeauna o substanță care absoarbe excesele de neutroni, împiedicând o catastrofă. Este grafitul sub formă de tije lungi. Rata de fisiune a nucleului poate fi încetinită prin imersarea tijelor în zona de reacție. ecuație reacția nucleară se face special pentru fiecare substanță radioactivă activă și particulele sale care o bombardează (electroni, protoni, particule alfa). Cu toate acestea, producția de energie finală este calculată în conformitate cu legea conservării: E1 + E2 = E3 + E4. Aceasta înseamnă că energia totală a nucleului inițial și a particulei (E1 + E2) ar trebui să fie egală cu energia nucleului rezultat și a energiei eliberate (E3 + E4). Ecuația reacției nucleare arată, de asemenea, ce substanță este produsă ca rezultat al decăderii. De exemplu, pentru uraniul U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Nu sunt arătate izotopi ai elementelor chimice, 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 fisiunii nucleare produce izotopi radioactivi. Adică, decăderea uraniului produce toriu radioactiv. Thorium este capabil să se dizolve înainte de protactinium, care - la actinia, și așa mai departe. Radioactive din această serie pot fi atât bismut, cât și titan. Chiar și hidrogenul, care conține doi protoni în nucleu (la rata unui proton), se numește diferit - deuteriu. Apa formată cu un astfel de hidrogen se numește greu și umple primul circuit din reactoarele nucleare.

Atomul ne-pașnic

Astfel de expresii ca "rasa înarmărilor", "războiul rece", "amenințarea nucleară" pentru omul modern pot părea istorice și irelevante. Dar, o dată la fiecare comunicat de presă a fost însoțită de rapoarte de știri aproape peste tot în lume, despre cât de mult a inventat armele nucleare și cum să lupte. Oamenii au construit buncăre subterane și au făcut rezervări în cazul unei iarnă nucleară. Întreg familiile au lucrat pentru a stabili azil. Chiar și utilizarea pașnică a reacțiilor de fisiune nucleară poate duce la catastrofă. S-ar părea că la Cernobâl a învățat omenirea exactitatea în acest domeniu, dar elementele planetei a fost mai puternică: cutremurul din Japonia rănit consolidarea foarte robustă a CNE „Fukushima“. Energia reacției nucleare este mult mai ușor de folosit pentru distrugere. Tehnologii trebuie doar să limiteze puterea exploziei, astfel încât să nu distrugă întreaga planetă din greșeală. Cele mai "bombe", dacă pot fi numite astfel, nu poluează cartierul cu radiații. În general, cele mai multe ori folosesc o reacție în lanț necontrolată. Ceea ce încearcă să evite la centralele nucleare este bombardat într-un mod foarte primitiv. Pentru orice element radioactiv în mod natural, există o masă critică de materie pură în care reacția în lanț este generată de ea însăși. Pentru uraniu, de exemplu, sunt doar cincizeci de kilograme. Din moment ce uraniul este foarte greu, este vorba doar de o minge mică de metal de 12-15 centimetri în diametru. Primele bombe atomice care au coborât pe Hiroshima și Nagasaki au fost făcute tocmai pe acest principiu: două părți inegale de uraniu pur erau pur și simplu conectate și au dat naștere unei explozii terifiante. Armele moderne sunt probabil mai complexe. Cu toate acestea, nu trebuie uitat de masa critică: între volume mici de material radioactiv pur în timpul depozitării, trebuie să existe bariere care să nu permită conectarea la piese.

Surse de radiații

Toate elementele cu o sarcină nucleară atomică mai mare de 82 sunt radioactive. Aproape toate elementele chimice mai ușoare au izotopi radioactivi. Cu cât nucleul este mai greu, cu atât este mai puțin timpul de viață. Unele elemente (cum ar fi California) pot fi obținute numai prin sinteză - împingându atomi grei cu particule mai ușoare, de multe ori cu acceleratoare. Din moment ce acestea sunt foarte instabile, ele nu sunt prezente în scoarța terestră: formarea planetei, ei putrezite rapid în alte elemente. Pot fi extrase substanțe cu nuclei mai ușoare, cum ar fi uraniul. Acest proces lung, potrivit pentru uraniu minier, chiar și în minele bogate, conține mai puțin de un procent. A treia cale, probabil, indică faptul că noua epocă geologică a început deja. Aceasta este extracția elementelor radioactive din deșeurile radioactive. După combustibil care lucrează într-o centrală electrică, pe un submarin sau un portavion, un amestec de materiale și uraniu final rezultatul diviziunii de pornire. În momentul de față, acesta este considerat un deșeuri radioactive solide și costă problema spinoasă, deoarece acestea sunt eliminate în așa fel încât să nu poluează mediul înconjurător. Cu toate acestea, este probabil ca în viitorul apropiat să fie extrase deja substanțe radioactive concentrate deja pregătite (de exemplu, poloniu) din aceste deșeuri.