Jaderné štěpení: proces rozdělení atomového jádra. Jaderné reakce

Článek popisuje jaderné štěpení, jak byl tento proces objeven a popsán. Odhaluje jeho využití jako zdroje energie a jaderných zbraní.

"Nedělitelný" atom

Jednadvacátého století je plná takových výrazů jako „atomová energie“, „jaderné technologie“, „radioaktivní odpad“. Tu a tam titulky blýskl zprávy o možnosti radioaktivní kontaminace půdy, oceánů, antarktického ledu. Nicméně obyčejný člověk často nedokáže dobře představit, jaký druh vědy a jak to pomáhá v každodenním životě. Stojí za to začít s historií. Od první otázky, kterou položil dobře krmený a oblečený člověk, se zajímal o to, jak svět funguje. Jak vidí oko, ucho slyší, proč než voda se liší od kamene - to je to, co mudrci od nepaměti péče. Dokonce i ve starověké Indii a Řecku, některé zvídavé mozky se domnívají, že existuje minimální částic (to je také nazýván „nedělitelné“), s vlastnostmi materiálu. Středověkých lékárny potvrzené asi moudrý, a moderní atom definice patří atom - nejmenší částice o látku, která je nositelem vlastností.

Části atomu

Vývoj technologie (zejména fotografie) však vedl k tomu, že atom přestal být považován za nejmenší možnou částic hmoty. A ačkoli jediný atom je elektricky neutrální, vědci si rychle uvědomili, že se skládá ze dvou částí s různými náboji. Počet kladně nabitých částí kompenzuje počet negativních částic, takže atom zůstává neutrální. Ale neexistoval jediný model atomu. Vzhledem k tomu, že stále dominovala klasická fyzika, byly vyjádřeny různé předpoklady.

Modely Atomu

Zpočátku byl navržen model "rozinky". Pozitivní náboj zřejmě vyplňoval celý prostor atomu a v něm jako rozinky v bochníku byly rozděleny záporné poplatky. Slavný Rutherfordova zkušenost určuje následující: ve středu atomu je velmi těžký prvek s kladným nábojem (jádrem) a kolem něj jsou mnohem lehčí elektrony. Hmota jádra je stokrát těžší než součet všech elektronů (to je 99,9 procenta hmotnosti celého atomu). Tak se narodil planetární model atomu Bohr. Nicméně některé jeho prvky byly v rozporu s klasickou fyzikou přijatou v té době. Proto byla vyvinuta nová kvantová mechanika. Se svým vzhledem se začalo neklasické období vědy.

Atom a radioaktivita

Ze všeho, co bylo řečeno výše, je zřejmé, že jádro je těžká, pozitivně nabitá část atomu, která tvoří její hlavní masu. Kdy kvantifikace energie a pozice elektronu v oběžné dráze atomu byly dobře studovány, je čas pochopit podstatu atomového jádra. K pomoci přicházela geniální a nečekaně otevřená radioaktivita. To pomohlo odhalit podstatu těžké centrálního atomu, jako radioaktivního zdroje - jaderné štěpení. Na přelomu devatenáctého a dvacátého století objevily objevy jeden po druhém. Teoretické řešení jednoho problému způsobilo nutnost nových experimentů. Výsledky experimentů generovaly teorie a hypotézy, které je třeba potvrdit nebo vyvrátit. Často největší objevy objevil, jednoduše proto, že tímto způsobem vzorec je vhodný pro práci na počítači (jako kvantové Max Planck). Na začátku éry fotografování, vědci věděli, že uranové soli světlem tuhnoucí citlivého na světlo filmu, ale oni nevěděli, že základ tohoto jevu je jaderné štěpení. Proto byla studována radioaktivita, aby bylo možné pochopit povahu rozpadu jádra. Je zřejmé, že záření bylo generováno kvantovými přechody, ale nebylo úplně jasné, co přesně. Chet Curie extrahuje čistý radium a polonium, zpracování uranovou rudu prakticky ručně získat odpověď na tuto otázku.

Nabíjení radioaktivního záření

Rutherford hodně studoval strukturu atomu a přispěl ke studiu toho, jak probíhá štěpení atomového jádra. Vědec umístil záření vyzařované radioaktivním prvkem do magnetického pole a získalo úžasný výsledek. Ukázalo se, že záření sestává ze tří složek: jedna byla neutrální a druhá dvě - pozitivně a negativně nabitá. Studium jaderného štěpení začalo stanovením jeho složek. Bylo prokázáno, že jádro se může rozdělit, vzdát se části jeho pozitivního náboje.

Struktura jádra

Později bylo zjištěno, že atomové jádro sestává nejen z kladně nabitých částic protónů, ale také neutrálních částic neutronů. Všichni jsou nazýváni nukleony (z anglického "jádra", jádra). Vědci se však znovu setkali s problémem: hmotnost jádra (tedy počet nukleonů) neodpovídala vždy jeho zátěži. Ve vodíku má jádro náboj +1 a hmotnost může být tři, dvě a jedna. Následující náboj je následován nábojem jádra +2 v periodické tabulce hélia, zatímco jeho jádro obsahuje od 4 do 6 nukleonů. Složitější prvky mohou mít mnohem větší počet různých hmotností se stejným nábojem. Takové variace atomů se nazývají izotopy. A některé izotopy se ukázaly jako poměrně stabilní, zatímco jiné se rychle rozpadly, jelikož pro ně byly charakteristické štěpení jader. K jakému principu odpovídal počet nukleonů stability jader? Proč bylo přidání pouze jednoho neutronu k těžkému a zcela stabilnímu jádru vedeno k jeho rozdělení na radioaktivitu? Je zřejmé, že odpověď na tuto důležitou otázku ještě nebyla nalezena. Bylo experimentálně zjištěno, že stabilní uspořádání atomových jader odpovídá určitému množství protonů a neutronů. Pokud jádro obsahuje 2, 4, 8, 50 neutronů a / nebo protonů, bude jádro jednoznačně stabilní. Tato čísla jsou dokonce nazývána magickou (a jmenovali se ji dospělí vědci, jaderní fyzici). Štěpení jader tedy závisí na jejich hmotě, tj. Počtu nukleonů, které do nich vstupují.

Drop, shell, krystal

Určete faktor, který je zodpovědný za stabilitu jádra, v okamžiku, kdy to nebylo možné. Existuje mnoho teorií modelu struktury atomu. Tři nejznámější a nejvíce rozvinuté se v různých otázkách často navzájem odporují. Podle prvního jádra je kapka speciální jaderné kapaliny. Stejně jako voda je charakterizována fluiditou, povrchovým napětím, fúzí a rozpadem. V shell modelu v jádru také existují určité úrovně energie, které jsou naplněny nukleony. Třetí tvrzení, že jádro je prostředí schopné odrazit speciální vlny (de Broglie), zatímco index lomu je potenciální energie. Žádný model však doposud nebyl schopen plně popsat, proč v určitém kritickém množství tohoto konkrétního chemického prvku začíná dělení jádra.

Jaké je rozdělení

Radioaktivita, jak již bylo zmíněno výše, bylo nalezeno v látkách, které se nacházejí v přírodě: uran, polonium, radium. Například čerstvě vytěžený čistý uran je radioaktivní. Proces dělení bude v tomto případě spontánní. Bez vnějších vlivů určitý počet atomů uranu vydává alfa částice, které se samovolně transformují na thorium. Existuje indikátor s názvem poločas rozpadu. Ukazuje, jaký časový interval od počátečního čísla zůstává přibližně polovina. Pro každý radioaktivní prvek poločas a - od zlomku sekundy do Kalifornie, aby statisíce let pro uran a cesium. Ale je zde také nucená radioaktivita. V případě, že atomová jádra bombardují protony nebo alfa částice (jádra hélia) s vysokou kinetickou energii, mohou být „dělené“. Mechanismus transformace, samozřejmě, se liší od toho, jak je vázaná matka váze rozbitá. Nicméně určitá analogie je vysledována.

Energie atomu

Zatím jsme na praktickou otázku neodpověděli: kde dělá energie štěpení jádra? Nejprve je třeba ujasnit, že když vznikne jádro, fungují speciální jaderné síly, které se nazývají silné interakce. Vzhledem k tomu, že jádro se skládá ze souboru pozitivních protonů, zůstává otázka, jak se drží, protože elektrostatické síly by je měly silně odpuzovat od sebe navzájem. Odpověď je jednoduchá a nikoliv: jádro je udržováno na úkor velmi rychlé výměny mezi nukleony pomocí speciálních částic - pí-mezonů. Toto spojení žije neuvěřitelně málo. Jakmile je výměna pionů zastavena, jádro se rozpadne. Je také známo, že jádrová hmota je menší než součet všech jejích nukleonů. Tento jev se nazýval hromadnou vadou. Ve skutečnosti chybějící hmota je energie, která se vynakládá na udržení integrity jádra. Jakmile se část atomového jádra oddělí, uvolní se tato energie a převede se na teplo v jaderných elektrárnách. To znamená, že energie jaderného štěpení je vizuální ukázkou slavné Einsteinovy ​​formulace. Vzpomeňte si, vzorec říká: energie a hmotnost mohou být převedeny do sebe (E = mc²).

Teorie a praxe

Nyní mluvíme o tom, jak se tento čistě teoretický objev používá v životě, aby se vytvořily gigawatty elektřiny. Za prvé, je třeba poznamenat, že při řízených reakcích se používá nucené jaderné štěpení. Nejčastěji jde o uran nebo polonium, které jsou bombardovány rychlými neutrony. Za druhé, nelze pochopit, že štěpení jader je doprovázeno vytvořením nových neutronů. Výsledkem je, že počet neutronů v reakční zóně může růst velmi rychle. Každý neutron se srazí s novými, stále úplnými jádry, rozdělí je, což vede ke zvýšení uvolňování tepla. Jedná se o řetězovou reakci jaderného štěpení. Nekontrolované zvýšení počtu neutronů v reaktoru může vést k výbuchu. To se stalo v roce 1986 v jaderné elektrárně v Černobylu. Proto v reakční zóně existuje vždy látka, která absorbuje přebytečné neutrony a zabraňuje katastrofě. Je to grafit ve formě dlouhých prutů. Rychlost štěpení jader může být zpomalena ponořením prutů do reakční zóny. Rovnice jaderná reakce připravený speciálně pro každou účinnou látku a radioaktivní bombardování jeho částice (elektrony, protony, alfy částice). Konečný energetický výkon se však vypočítá podle zákona o ochraně: E1 + E2 = E3 + E4. To znamená, že celková energie počátečního jádrové částice a (E1 + E2), musí být rovna energii výsledného jádra a volné energie uvolněné v podobě (E3 + E4). Rovnice jaderné reakce také ukazuje, jaká látka vzniká v důsledku rozkladu. Například pro uran U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Nezobrazují se izotopy chemických prvků, ale je to důležité. Například existují tři možnosti štěpení uranu, které produkují různé izotopů olova a neon. V téměř 100% případů reakce jaderného štěpení produkuje radioaktivní izotopy. To znamená, že rozklad uranu produkuje radioaktivní thorium. Thorium je schopen rozpustit před protactiniem, že - k aktinii a tak dále. Radioaktivní v této sérii mohou být jak vizmut, tak titan. I obsahující vodík jádro dva protony (rychlostí jednoho protonu), jinak nazýván - deuterium. Voda vytvořená s takovýmto vodíkem se nazývá těžká a naplňuje první okruh v jaderných reaktorech.

Nerovný atom

Takové výrazy jako "závod v zbrojení", "studená válka", "jaderná hrozba" pro moderní člověka se mohou zdát historické a irelevantní. Ale najednou byla každá otázka zpráv téměř po celém světě doprovázena zprávami o tom, kolik druhů jaderných zbraní bylo vynalezeno a jak s nimi vypořádat. Lidé postavili podzemní zásobníky a vytvořili rezervy v případě jaderné zimy. Celé rodiny pracovaly na založení azylu. Dokonce mírové využití jaderného štěpení může vést k katastrofě. Mohlo by se zdát, že Černobyl učil lidstvu přesnost v této oblasti, ale prvky planety byla silnější: zemětřesení v Japonsku bolet velmi robustní posílení NPP „Fukušima“. Energie jaderné reakce je mnohem jednodušší k ničení. Technologové potřebují pouze omezit sílu výbuchu, aby neúmyslně zničili celou planetu. Nejvíce "humánní" bomby, pokud je lze nazvat tak, ne znečišťují sousedství radiací. Obecně platí, že nejčastěji používají nekontrolovanou řetězovou reakci. To, čeho se snaží vyhnout v jaderných elektrárnách, je bombardováno velmi primitivním způsobem. Pro každý přirozeně radioaktivní prvek existuje určitá kritická hmota čisté hmoty, ve které je řetězová reakce generována sama. Například uran, je to jen padesát kilogramů. Protože uran je velmi těžký, je to jen malá kovová koule o průměru 12-15 centimetrů. První atomové bomby na Hirošimu a Nagasaki, byly provedeny právě na tomto principu: dvě nestejně velké části čistého uranu jednoduše kombinovat a dala vzniknout děsivé exploze. Moderní zbraně jsou pravděpodobně složitější. Nicméně, o kritické hmotnosti není nutné zapomínat, že mezi malé objemy čisté radioaktivní látky v průběhu skladování by měly být překážky, které brání kousky dohromady.

Zdroje radiace

Všechny prvky s nábojem atomového jádra větší než 82 jsou radioaktivní. Téměř všechny lehčí chemické prvky mají radioaktivní izotopy. Čím těžší je jádro, tím méně jeho životnosti. Některé prvky (například Kalifornie) lze dosáhnout pouze uměle - klepáním těžkých atomů na lehčí částice, nejčastěji na urychlovače. Jelikož jsou velmi nestabilní, v zemské kůře neexistují: když tvořili planetu, rychle se rozpadli na další prvky. Látky s lehčími jádry, jako je uran, lze extrahovat. Tento dlouhý proces, vhodný pro těžbu uranu, dokonce i ve velmi bohatých rudách, obsahuje méně než jedno procento. Třetí cesta možná naznačuje, že nová geologická doba již začala. Jedná se o těžbu radioaktivních prvků z radioaktivního odpadu. Po vypálení paliva v elektrárně, na ponorce nebo v letadlovém nosiči je získána směs počátečního uranu a konečné látky, výsledkem štěpení. V současné době se to považuje za pevný radioaktivní odpad a je naléhavou záležitostí, jak je zlikvidovat, aby neohrozilo životní prostředí. Je však pravděpodobné, že v blízké budoucnosti budou z těchto odpadů získány již připravené koncentrované radioaktivní látky (například polonium).