Ядрено делене: процесът на разделяне на атомното ядро. Ядрени реакции

Статията разказва за ядрения разпад, как е бил открит и описан този процес. Той разкрива неговото използване като източник на енергия и ядрени оръжия.

"Неделим" атом

Двадесет и първи век е изпълнен с изрази като "енергията на атома", "ядрената технология", "радиоактивните отпадъци". Всеки сега и отново заглавията на вестниците показват съобщения за възможността от радиоактивно замърсяване на почвата, океаните, ледът на Антарктика. Обикновеното лице обаче често не си представя добре каква научна област и как помага в ежедневието. Струва си да започнем, може би, с историята. От първия въпрос, поставен от добре подхранван и облечен човек, той се интересуваше от начина, по който работи светът. Както вижда окото, защо чува ухото, отколкото водата се различава от камъка - това е, което притеснява мъдреците от самото начало. Дори и в древна Индия и Гърция, някои питане умовете предполагат, че има най-малко частици (тя се нарича още "неделим"), със свойствата на материала. Средновековни химици потвърдени предполагам разумни и модерен определение атом, включва атом - най-малката частица на вещество, което е носител на свойства.

Части от атома

Развитието на технологията (по-специално фотографията) обаче доведе до факта, че атомът престава да бъде считан за възможно най-малката частица от материята. И въпреки че един атом е електрически неутрален, учените бързо осъзнават, че той се състои от две части с различни заряди. Броят положително заредени части компенсира броя на отрицателните частици, така че атомът остава неутрален. Но нямаше един единствен модел на атома. Тъй като по това време класическата физика все още доминираше, бяха изразени различни предположения.

Модели на Atom

Първоначално беше предложен модел "стафиди". Положителният заряд сякаш запълваше цялото пространство на атома, а в него, като стафиди в хляб, бяха разпределени отрицателни такси. известен Опитът на Ръдърфорд определи следното: в центъра на атома е много тежък елемент с положителен заряд (ядро), а около него има много по-леки електрони. Масата на ядрото е стотици пъти по-тежка от сумата от всички електрони (то е 99,9% от масата на целия атом). По този начин се ражда планетарният модел на атома Bohr. Някои от неговите елементи обаче противоречат на класическата физика, приета по това време. Поради това е разработена нова, квантова механика. С появата си започва некласическият период на науката.

Атом и радиоактивност

От всичко казано по-горе става ясно, че ядрото е тежка, положително заредена част от атома, която представлява основната му маса. когато енергийно квантуване и позициите на електроните в орбитата на атома са добре проучени, е време да се разбере естеството на атомното ядро. Към помощта идваше гениалната и неочаквано открита радиоактивност. Тя помогна да се разкрие същността на тежката централна част на атома, тъй като източникът на радиоактивност е разцепването на ядрата. В края на деветнадесети и двадесети век, откритията паднаха един след друг. Теоретичното решение на един проблем предизвика необходимостта от поставяне на нови експерименти. Резултатите от експериментите генерират теории и хипотези, които трябва да бъдат потвърдени или отхвърлени. Често най-големите открития се появяват просто защото по този начин формулата стана удобна за изчисления (като например квантът на Макс Планк). Дори в началото на ерата учените са знаели, че ураниевите соли осветяват фоточувствителния филм, но те не подозират, че ядреното делене е в основата на това явление. Следователно радиоактивността е изследвана, за да се разбере естеството на разпадането на ядрото. Очевидно е, че лъчението е генерирано от квантовите преходи, но не беше напълно ясно какво точно. Двойката "Кюри" извади чист радий и полоний, обработвайки почти ръчно урановата руда, за да получи отговор на този въпрос.

Зарядът на радиоактивно излъчване

Ръдърфорд е направил много за изучаването на структурата на атома и е допринесъл за проучването как се извършва разцепването на атомното ядро. Ученият поставя радиацията, излъчвана от радиоактивния елемент, в магнитно поле и получава невероятен резултат. Оказа се, че радиацията се състои от три компонента: едната е неутрална, а другата - положително и отрицателно заредена. Изследването на ядрения разпад започва с определянето на неговите компоненти. Доказано е, че ядрото може да се раздели, да се откаже от част от положителния си заряд.

Структурата на ядрото

По-късно се установи, че атомното ядро ​​се състои не само от положително заредени частици от протони, но и неутрални частици от неутрони. Всички заедно те се наричат ​​нуклеони (от английското "ядро", ядрото). Учените отново се сблъскали с проблема: масата на ядрото (т.е. броят на нуклеоните) не винаги съответства на неговия заряд. Във водород ядрото има заряд +1, а масата може да бъде три, две и една. Следващото зареждане е последвано от заряд на ядрото +2 в периодичната таблица на хелий, докато сърцевината му съдържа от 4 до 6 нуклеона. По-сложните елементи могат да имат много по-голям брой различни маси със същия заряд. Такива вариации на атомите се наричат ​​изотопи. И някои изотопи се оказаха доста стабилни, докато други бързо се разпаднаха, а за тях беше характерно явлението ядро. За какъв принцип съответстваше броят на нуклеоните на стабилността на ядрата? Защо добавянето на само един неутрон към тежко и напълно стабилно ядро ​​доведе до разделянето му на радиоактивност? Странно е, че все още не е намерен отговор на този важен въпрос. Експериментално е установено, че стабилните конфигурации на атомните ядра съответстват на определени количества протони и неутрони. Ако в ядрото има 2, 4, 8, 50 неутрона и / или протони, тогава ядрото ще бъде недвусмислено стабилно. Тези числа дори се наричат ​​магически (и те са били наименувани от възрастни учени, ядрени физици). По този начин разцепването на ядра зависи от тяхната маса, т.е. от броя на нуклеоните, които влизат в тях.

Капка, черупка, кристал

Определете фактора, който е отговорен за стабилността на ядрото, в момента, в който не е възможно. Има много теории за модела на структурата на атома. Трите най-известни и развити се противопоставят взаимно по различни въпроси. Според първото, ядрото е капка от специална ядрена течност. Подобно на водата, тя се характеризира с течливост, повърхностно напрежение, сливане и разпадане. В модела на черупката в сърцевината също има определени нива на енергия, които са пълни с нуклеони. Третото твърдение, че ядрото е среда, способна да пречупва специални вълни (de Broglie), докато индексът на пречупване е потенциална енергия. Въпреки това досега нито един модел не е могъл напълно да опише защо, при определена критична маса на този конкретен химически елемент, разцепването на ядрото започва.

Каква е разбивката

Радиоактивността, както вече бе споменато по-горе, се открива в вещества, които могат да се намерят в природата: уран, полоний, радий. Например, прясно изваден, чист уран е радиоактивен. Процесът на разделяне в този случай ще бъде спонтанен. Без каквито и да било външни влияния, определен брой уранови атоми ще излъчват алфа частици, спонтанно трансформирани в торий. Има индикатор, наречен полуживот. То показва кой интервал от първоначален брой части остава приблизително половината. За всеки радиоактивен елемент полуживот Неговите - от части на секунда за Калифорния до стотици хиляди години за уран и цезий. Но има и насилена радиоактивност. Ако атомните ядра са бомбардирани с протони или алфа частици (хелиеви ядра) с висока кинетична енергия, те могат да се "разделят". Механизмът на трансформацията, разбира се, се различава от това как вазата на любимата майка е нарушена. Определена аналогия обаче е проследена.

Енергията на атома

Досега не сме отговорили на практическия въпрос: къде енергията отнема ядрото на ядрото? Първо, трябва да се изясни, че когато се формира ядро, действат специални ядрени сили, които се наричат ​​силни взаимодействия. Тъй като ядрото се състои от набор от положителни протони, остава въпросът как те се слепват заедно, защото електростатичните сили трябва силно да ги отблъскват един от друг. Отговорът е прост и не: ядрото се съхранява за сметка на много бърза смяна на нуклеони със специални частици - пи-мезони. Тази връзка живее невероятно малко. Веднага след като се спре размяната на пиони, ядрото се разпада. Също така е известно, че ядрената маса е по-малка от сумата от всички съставни ядра. Това явление се нарича масов дефект. Всъщност, липсващата маса е енергията, която се изразходва за поддържане на целостта на сърцевината. Веднага след като част от атомното ядро ​​се отдели, тази енергия се освобождава и се превръща в топлина в атомните електроцентрали. Тоест, енергията на ядрения разпад е визуална демонстрация на известната формула на Айнщайн. Спомнете си, формулата казва: енергията и масата могат да се преобразуват един в друг (E = mc²).

Теория и практика

Сега нека поговорим как това чисто теоретично откритие се използва в живота за генериране на гигавата енергия. Първо, трябва да се отбележи, че при контролирани реакции се използва принудително ядрено делене. Най-често това е уран или полониум, който се бомбардира от бързи неутрони. На второ място, не може да не разберем, че разцепването на ядра е придружено от създаването на нови неутрони. В резултат броят на неутроните в реакционната зона може да нараства много бързо. Всеки неутрон се сблъсква с нови, все още цели ядра, разделя ги, което води до увеличаване на отделянето на топлина. Това е верижната реакция на ядрения разпад. Неконтролираното увеличение на броя на неутроните в реактора може да доведе до експлозия. Това се случи през 1986 г. в атомната електроцентрала в Чернобил. Следователно, в реакционната зона винаги има вещество, което абсорбира излишните неутрони, предотвратявайки катастрофа. Това е графит под формата на дълги пръти. Скоростта на делене на ядрата може да се забави чрез потапяне на пръчките в реакционната зона. уравнение ядрена реакция се прави специално за всяко активно радиоактивно вещество и неговите частици, които го бомбардират (електрони, протони, алфа частици). Окончателната енергийна мощност обаче се изчислява съгласно Закона за опазване: E1 + E2 = E3 + E4. Тоест общата енергия на първоначалното ядро ​​и частицата (Е1 + Е2) трябва да бъде равна на енергията на полученото ядро ​​и освободената енергия (Е3 + Е4). Уравнението на ядрената реакция също така показва какво вещество произвежда в резултат на гниенето. Например за уран U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Не се показват изотопи на химични елементи, но това е важно. Например, има три възможности за разграждане на уран, в който се образуват различни изотопи на олово и неоон. В почти сто процента от случаите ядрената реакция на делене дава радиоактивни изотопи. Това означава, че разпадът на урана произвежда радиоактивен торий. Торият е способен да се разтвори преди прокатиниум, това - на актинията и т.н. Радиоактивни в тази серия могат да бъдат както бисмут, така и титан. Дори водородът, който съдържа два протона в ядрото (със скорост на един протон), се нарича различно - деутерий. Водата, образувана с такъв водород, се нарича тежка и запълва първата верига в ядрените реактори.

Не-мирен атом

Изрази като "надпревара във въоръжаването", "Студената война", "ядрена заплаха" за съвременния човек може да изглежда исторически и неуместни. Но по едно и също време всеки вестник на новини почти по целия свят беше придружен от доклади за това колко видове ядрени оръжия бяха изобретени и как да се справят с тях. Хората построиха подземни бункери и направиха резерви в случай на ядрена зима. Цели семейства са работили за установяване на убежище. Дори мирното използване на ядрени реакции може да доведе до катастрофа. Изглежда, че Чернобил преподава човечеството на точността в тази област, но елементите на планетата се оказват по-силни: земетресението в Япония поврежда много надеждното укрепване на атомната електроцентрала Фукушима. Енергията от ядрената реакция е много по-лесна за унищожаване. Технология изисква само ограничено сила на експлозията, така че да не невнимание унищожи цялата планета. Най;"хуманните" бомби, ако могат да се нарекат така, не замърсяват квартала с радиация. Като цяло те най-често използват неконтролирана верижна реакция. Това, което се опитват да избегнат при атомните електроцентрали, е бомбардирано по много примитивен начин. За всеки естествено радиоактивен елемент има известна критична маса чиста материя, при която верижната реакция се генерира от само себе си. За уран, например, това е само петдесет килограма. Тъй като уранът е много тежък, той е само малка метална топка с диаметър 12-15 сантиметра. Първите атомни бомби, пуснати на Хирошима и Нагасаки, бяха направени точно въз основа на този принцип: две неравномерни части от чист уран бяха просто свързани и предизвикаха ужасяваща експлозия. Модерните оръжия вероятно са по-сложни. Не трябва обаче да се забравя критичната маса: между малки количества чист радиоактивен материал по време на съхранение трябва да има бариери, които да не позволяват свързването с части.

Източници на радиация

Всички елементи с натоварване на атомното ядро ​​над 82 са радиоактивни. Почти всички по-леки химически елементи имат радиоактивни изотопи. Колкото по-тежко е сърцевината, толкова по-малко е животът му. Някои елементи (като например Калифорния) могат да бъдат постигнати само изкуствено - чрез натискане на тежки атоми с по-леки частици, най-често върху ускорители. Тъй като те са много нестабилни, те не съществуват в земната кора: когато формирали планетата, те бързо се разпадат на други елементи. Вещества с по-леки ядра, като уран, могат да бъдат извлечени. Този дълъг процес, подходящ за добив на уран, дори в много богати руди, съдържа по-малко от един процент. Третият път вероятно показва, че новата геоложка епоха вече е започнала. Това е извличането на радиоактивни елементи от радиоактивните отпадъци. След отработване на горивото в електроцентрала, на подводница или самолетоносач се получава смес от първоначалния уран и крайното вещество, резултат от деленето. В момента това се счита за твърд радиоактивен отпадък и е спешно въпросът как да се изхвърли така, че да не замърсява околната среда. Обаче, вероятно е в близко бъдеще да бъдат извлечени вече готови концентрирани радиоактивни вещества (например полоний) от тези отпадъци.