Jaderné štěpení: proces rozdělení atomového jádra. Jaderné reakce

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

"Nedělitelný" atom

Dvacáté století je plné výrazů jako "energie atomu", "jaderná technologie", "radioaktivní odpad". Každé dřívější novinové noviny obsahují zprávy o možnosti radioaktivní kontaminace půdy, oceánů, ledů Antarktidy. Nicméně, obyčejný člověk často nedokáže dobře představit, jaká oblast vědy a jak to pomáhá v každodenním životě. Stojí za to začít s historií. Od první otázky, kterou položil dobře krmený a oblečený muž, se zajímal o to, jak svět funguje. Jak oko vidí, proč slyší ucho, než se voda liší od kamene - to je to, co se mudrců staralo od začátku. Ve staré Indii a Řecku někteří zvědaví mysli předpokládali, že existuje minimální částice (nazývaná také "nedělitelná"), která má vlastnosti materiálu. Středověké lékárny potvrdily odhad moudrých a moderní definice atomu je následující: atom je nejmenší částice látky, která je nositelem jejích 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 učiněny různé předpoklady.

Modely Atomu

Zpočátku byl navržen model "raisin-roll". Pozitivní náboj zřejmě vyplňoval celý prostor atomu a v něm, jako rozinky v bochníku, byly rozděleny záporné poplatky. Rutherfordova slavná zkušenost stanovila následující: v centru 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). Proto 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. Svojí podobou se začalo neklasické období vědy.

Atom a radioaktivita

Ze všeho, co bylo řečeno výše, je zřejmé, že jádro je těžká, kladně nabitá část atomu, která tvoří jeho objem. Když byla kvantizace energie a polohy elektronů na oběžné dráze atomu dobře studována, bylo na čase pochopit podstatu atomového jádra. K pomoci přicházela geniální a nečekaně otevřená radioaktivita. To pomohlo odhalit podstatu těžké centrální části atomu, protože zdrojem radioaktivity je štěpení jader. Na přelomu devatenáctého a dvacátého století objevily objevy jeden po druhém. Teoretické řešení jednoho problému způsobilo potřebu nastavit nové experimenty. Výsledky experimentů generovaly teorie a hypotézy, které je třeba potvrdit nebo vyvrátit. Často se objevují největší objevy jednoduše proto, že se tento vzorec stal vhodným pro výpočty (jako je například Max Planck kvantum). Dokonce i na začátku vědy vědci věděli, že uranové soli osvětlují fotosenzitivní film, ale nepochybovali o tom, že jádro tohoto jádra bylo jaderné štěpení. Proto byla studována radioaktivita, aby se pochopila povaha rozpadu jádra. Je zřejmé, že záření bylo generováno kvantovými přechody, ale nebylo zcela jasné, co přesně. Curie pár vyčistil čistý rádius a polonium, zpracovával téměř ručně uranovou rudu, aby získal 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 se skládá ze tří složek: jedna byla neutrální a další dvě - pozitivně a negativně nabitá. Studium jaderného štěpení začalo stanovením jeho složek. Bylo prokázáno, že jádro se může rozdělit, rozdělit některé z jeho pozitivních nábojů.

Struktura jádra

Později bylo zjištěno, že atomové jádro sestává nejen z kladně nabitých částic protonů, ale také neutrálních částic neutronů. Všichni se nazývají nukleony (z anglického "jádra", jádra). Vědci se však znovu setkali s problémem: hmotnost jádra (to jest počet nukleonů) neodpovídala vždy jeho náboji. 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. Některé izotopy se ukázaly jako poměrně stabilní, zatímco jiné se rychle rozpadly, jelikož jaderné štěpení bylo pro ně charakteristické. K jakému principu odpovídal počet nukleonů jaderné stability? Proč bylo přidání pouze jednoho neutronu k těžkému a zcela stabilnímu jádru vedeno k jeho rozdělení, k uvolnění radioaktivity? Zvláštní odpověď na tuto důležitou otázku zatím nebyla nalezena. Bylo experimentálně zjištěno, že stabilní uspořádání atomových jader odpovídá určitému množství protonů a neutronů. Jestliže v jádru 2, 4, 8, 50 neutronů a / nebo protonech bude jádro jednoznačně stabilní. Tato čísla jsou dokonce nazývána magickou (a byli pojmenováni tak vědci vědců, jadernými fyziky). Štěpení jader tedy závisí na jejich hmotě, tedy na počtu nukleonů, které do nich vstupují.

Drop, shell, křišťál

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 záležitostech 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 zvláštní vlny (de Broglie), zatímco index lomu je potenciální energie. Žádný model však doposud nebyl schopen plně popsat, proč se při určitém kritickém množství tohoto konkrétního chemického prvku začíná dělení jádra.

Jaké je rozdělení

Rádioaktivita, jak bylo zmíněno výše, bylo nalezeno v látkách, které se nacházejí v přírodě: uran, polonium, radium. Například čerstvě těžený čistý uran je radioaktivní. Proces dělení bude v tomto případě spontánní. Bez vnějších vlivů určitý počet atomů uranu vydává částice alfa, které se samovolně transformují na thorium. Existuje indikátor s názvem poločas rozpadu. Ukazuje, jaký časový interval od počátečního čísla části bude přibližně polovina. U každého radioaktivního prvku je jeho poločas rozpadu od zlomek sekundy pro kalifornii až po stovky tisíc let uranu a cesia. Ale je zde také nucená radioaktivita. Pokud jsou atomová jádra bombardována protóny nebo alfa (heliové jádro) s vysokou kinetickou energií, mohou se "rozdělit". Mechanismus transformace, samozřejmě, se liší od toho, jak je vázaná milovaná matka zničena. Některá analogie je však vysledována.

Energie atomu

Zatím jsme neodpověděli na praktickou otázku: kde energie získá štěpení jádra? Za prvé, musíme objasnit, že když se tvoří jádro, působí speciální jaderné síly, které se nazývají silné interakce. Vzhledem k tomu, že jádro se skládá ze souboru pozitivních protonů, zůstává otázkou, 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 speciálním částicím-p-mesons. 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 defekt hmot. Ve skutečnosti chybějící hmota je energie, která se vynakládá na udržení integrity jádra. Jakmile je část atomového jádra oddělena, uvolní se tato energie a přemění 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 = mc ² ).

Teorie a praxe

Nyní mluvíme o tom, jak se tento čistě teoretický objev používá v životě, aby se vytvořily gigawatty elektrické energie. Nejprve 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. Nekontrolovaný růst 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 jaderné reakce je vytvořena speciálně pro každou aktivní radioaktivní látku a její částice bombardovat (elektrony, protony, alfa částice). Konečný energetický výkon se však vypočítá podle zákona o ochraně: E1 + E2 = E3 + E4. To znamená, že celková energie počátečního jádra a částice (E1 + E2) by se měla rovnat energii výsledného jádra a energie uvolněné ve volné formě (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 až tři možnosti štěpení uranu, při kterém se vytvářejí různé izotopy olova a neonu. V téměř 100% případů reakce jaderného štěpení produkuje radioaktivní izotopy. To znamená, že rozklad uranu produkuje radioaktivní thorium. Thorium se dokáže rozpustit na protactinium, to - na aktinii a tak dále. Radioaktivní v této sérii mohou být jak vizmut, tak titan. Dokonce i vodík, který obsahuje dva protony v jádru (ve výši jednoho protonu), se nazývá jinak - deuterium. Voda vytvořená tímto vodíkem se nazývá těžká a zaplňuje první okruh v jaderných reaktorech.

Nerovný atom

Takové výrazy jako "zbrojní závod", "studená válka", "jaderná hrozba" pro moderní člověka se mohou zdát historické a irelevantní. Ale najednou bylo každé vydání zpráv téměř po celém světě doprovázeno zprávami o tom, kolik druhů jaderných zbraní bylo vynalezeno a jak se s nimi vypořádat. Lidé postavili podzemní bunkry a zásobili je v případě jaderné zimy. Celé rodiny pracovaly na založení azylu. Dokonce mírové využití jaderného štěpení může vést k katastrofě. Zdá se, že Černobyl učil lidstvo přesnost v této oblasti, ale prvky planety se ukázaly být silnější: zemětřesení v Japonsku bylo poškozeno velmi spolehlivým posilováním jaderné elektrárny Fukushima. 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, neohrozují sousedství radiací. Obecně 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 množství čisté hmoty, ve které je řetězová reakce generována sama. U uranu je to například pouhých padesát kilogramů. Protože uran je velmi těžký, je to jen malá kovová koule o průměru 12-15 centimetrů. První atomové bomby padly na Hirošimu a Nagasaki, a to právě na tomto principu: dvě nerovné části čistého uranu byly prostě propojeny a vyvolaly děsivý výbuch. Moderní zbraně jsou pravděpodobně složitější. Nemělo by se však zapomínat na kritickou hmotnost: mezi malými objemy čistého radioaktivního materiálu během skladování musí existovat bariéry, které neumožňují připojení k dílům.

Zdroje radiace

Všechny prvky s nábojem atomového jádra větším 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 získat pouze uměle - tím, že udeří těžké atomy s lehčími částicemi, nejčastěji urychlovačů. Jelikož jsou velmi nestabilní, v zemské kůře neexistují: když tvořili planetu, rychle se rozpadli na další prvky. Látky s lehčími jádry, jako je například uran, mohou být extrahovány. Tento dlouhý proces, vhodný pro těžbu uranu 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 odstranění paliva v elektrárně, na ponorce nebo v letadlovém nosiči se získá počáteční směs uranu a konečné látky, výsledkem štěpení. V současné době se považuje za pevný radioaktivní odpad a je naléhavou otázkou, jak je likvidovat, aby nepoškodily životní prostředí. Je však pravděpodobné, že v blízké budoucnosti budou z těchto odpadů získány již připravené koncentrované radioaktivní látky (například polonium).