Artiklen fortæller om, hvad nuklear fission er, hvordan denne proces blev opdaget og beskrevet. Dets brug som en kilde til energi og atomvåben er afsløret.
"Udeleligt" atom
Det enogtyvende århundrede er fyldt med udtryk som "atomets energi", "atomteknologi", "radioaktivt affald". Nu og da i avisoverskrifter flashbeskeder om muligheden for radioaktiv forurening af jorden, oceanerne, isen på Antarktis. Men en almindelig person har ofte ikke en særlig god idé om, hvad dette videnskabsområde er, og hvordan det hjælper i hverdagen. Det er måske værd at starte med historien. Allerede fra det første spørgsmål, som blev stillet af en velnæret og påklædt person, var han interesseret i, hvordan verden fungerer. Hvordan øjet ser, hvorfor øret hører, hvordan vand adskiller sig fra sten - det er det, der bekymrede de vise mænd fra umindelige tider. Selv i det gamle Indien og Grækenland foreslog nogle nysgerrige sind, at der er en minimal partikel (den blev også kaldt "udelelig"), der har et materiales egenskaber. Middelalderkemikere bekræftede vismændenes gæt, og den moderne definition af atomet er som følger: et atom er den mindste partikel af et stof, der er bæreren af dets egenskaber.
Dele af et atom
Men udviklingen af teknologi (iisær fotografering) har ført til, at atomet ikke længere betragtes som den mindst mulige stofpartikel. Og selvom et enkelt atom er elektrisk neutr alt, indså forskerne hurtigt, at det består af to dele med forskellige ladninger. Antallet af positivt ladede dele kompenserer for antallet af negative, så atomet forbliver neutr alt. Men der var ingen entydig model af atomet. Da klassisk fysik stadig dominerede i den periode, blev der lavet forskellige antagelser.
Atom-modeller
Først blev modellen "rosinrulle" foreslået. Den positive ladning fyldte så at sige hele atomets rum, og negative ladninger blev fordelt i den, som rosiner i en bolle. Det berømte eksperiment af Rutherford bestemte følgende: et meget tungt grundstof med en positiv ladning (kernen) er placeret i midten af atomet, og meget lettere elektroner er placeret rundt omkring. Massen af kernen er hundredvis af gange tungere end summen af alle elektronerne (det er 99,9 procent af massen af hele atomet). Således blev Bohrs planetariske model af atomet født. Men nogle af dens elementer modsagde den dengang accepterede klassiske fysik. Derfor blev en ny, kvantemekanik udviklet. Med dets udseende begyndte den ikke-klassiske videnskabsperiode.
Atom og radioaktivitet
Fra alt det ovenstående bliver det klart, at kernen er en tung, positivt ladet del af atomet, som udgør dets hovedmasse. Da kvantiseringen af energi og positionerne af elektroner i et atoms kredsløb var godt forstået, var det tid til at forståatomkernens natur. Den geniale og uventet opdagede radioaktivitet kom til undsætning. Det var med til at afsløre essensen af den tunge centrale del af atomet, da kilden til radioaktivitet er nuklear fission. Ved overgangen til det nittende og tyvende århundrede regnede opdagelserne ned efter hinanden. Den teoretiske løsning af et problem nødvendiggjorde nye eksperimenter. Resultaterne af eksperimenterne gav anledning til teorier og hypoteser, som skulle bekræftes eller afkræftes. Ofte er de største opdagelser sket, simpelthen fordi det var sådan formlen blev let at beregne (som f.eks. Max Plancks kvante). Selv i begyndelsen af fotografiets æra vidste forskerne, at urans alte lyser op i en lysfølsom film, men de havde ikke mistanke om, at nuklear fission var grundlaget for dette fænomen. Derfor blev radioaktivitet undersøgt for at forstå karakteren af nukleart henfald. Det er klart, at strålingen blev genereret af kvanteovergange, men det var ikke helt klart hvilke. Curies udvindede rent radium og polonium og arbejdede næsten i hånden i uranmalm for at besvare dette spørgsmål.
Ladningen af radioaktiv stråling
Rutherford gjorde meget for at studere atomets struktur og bidrog til studiet af, hvordan sp altningen af atomkernen opstår. Forskeren placerede strålingen fra et radioaktivt grundstof i et magnetfelt og fik et fantastisk resultat. Det viste sig, at stråling består af tre komponenter: den ene var neutral, og de to andre var positivt og negativt ladede. Studiet af nuklear fission begyndte med definitionen af denskomponenter. Det blev bevist, at kernen kan dele sig, opgive en del af sin positive ladning.
Kernens struktur
Senere viste det sig, at atomkernen ikke kun består af positivt ladede partikler af protoner, men også af neutrale partikler af neutroner. Sammen kaldes de nukleoner (af engelsk "nucleus", kernen). Forskere stødte dog igen på et problem: kernens masse (det vil sige antallet af nukleoner) svarede ikke altid til dens ladning. I brint har kernen en ladning på +1, og massen kan være tre, og to og en. Helium næste i det periodiske system har en nuklear ladning på +2, mens dets kerne indeholder fra 4 til 6 nukleoner. Mere komplekse elementer kan have mange flere forskellige masser for den samme ladning. Sådanne variationer af atomer kaldes isotoper. Desuden viste nogle isotoper sig at være ret stabile, mens andre hurtigt henfaldt, da de var præget af nuklear fission. Hvilket princip svarede til antallet af nukleoner af kernernes stabilitet? Hvorfor førte tilføjelsen af kun én neutron til en tung og ret stabil kerne til dens sp altning, til frigivelse af radioaktivitet? Mærkeligt nok er svaret på dette vigtige spørgsmål endnu ikke fundet. Empirisk viste det sig, at stabile konfigurationer af atomkerner svarer til visse mængder af protoner og neutroner. Hvis der er 2, 4, 8, 50 neutroner og/eller protoner i kernen, så vil kernen helt sikkert være stabil. Disse tal kaldes endda magi (og voksne videnskabsmænd, kernefysikere, kaldte dem det). Sp altningen af kerner afhænger således af deres masse, det vil sige af antallet af nukleoner, der er inkluderet i dem.
Dråbe, skal, krystal
Det var ikke muligt at bestemme den faktor, der er ansvarlig for stabiliteten af kernen i øjeblikket. Der er mange teorier om modellen for atomets struktur. De tre mest kendte og udviklede modsiger ofte hinanden i forskellige spørgsmål. Ifølge den første er kernen en dråbe af en speciel kernevæske. Ligesom vand er det kendetegnet ved fluiditet, overfladespænding, sammensmeltning og henfald. I skalmodellen er der også visse energiniveauer i kernen, som er fyldt med nukleoner. Den tredje angiver, at kernen er et medium, der er i stand til at bryde særlige bølger (de Broglie), mens brydningsindekset er potentiel energi. Ingen model har dog endnu været i stand til fuldt ud at beskrive, hvorfor nuklear fission begynder ved en vis kritisk masse af dette særlige kemiske grundstof.
Hvordan er brud
Radioaktivitet blev som nævnt ovenfor fundet i stoffer, der kan findes i naturen: uran, polonium, radium. For eksempel er frisk udvundet, rent uran radioaktivt. Sp altningsprocessen i dette tilfælde vil være spontan. Uden nogen ydre påvirkninger vil et vist antal uranatomer udsende alfapartikler, som spontant omdannes til thorium. Der er en indikator kaldet halveringstiden. Det viser, i hvilket tidsrum fra det oprindelige nummer af delen omkring halvdelen vil være tilbage. For hvert radioaktivt grundstof er halveringstiden forskellig - fra brøkdele af et sekund for Californien tilhundredtusinder af år for uran og cæsium. Men der er også tvungen radioaktivitet. Hvis atomkerner bliver bombarderet med protoner eller alfapartikler (heliumkerner) med høj kinetisk energi, kan de "splitte". Mekanismen for transformation er selvfølgelig forskellig fra, hvordan mors yndlingsvase er knækket. Der er dog en vis analogi.
Atom Energy
Indtil videre har vi ikke besvaret et praktisk spørgsmål: hvor kommer energien fra under nuklear fission. Til at begynde med skal det præciseres, at der under dannelsen af en kerne virker særlige kernekræfter, som kaldes den stærke vekselvirkning. Da kernen består af mange positive protoner, er spørgsmålet tilbage, hvordan de hænger sammen, fordi de elektrostatiske kræfter skal skubbe dem ret kraftigt væk fra hinanden. Svaret er både enkelt og ikke på samme tid: kernen holdes sammen af en meget hurtig udveksling mellem nukleoner af specielle partikler - pi-mesoner. Denne forbindelse lever utrolig kort. Så snart udvekslingen af pi-mesoner stopper, henfalder kernen. Det er også kendt med sikkerhed, at massen af en kerne er mindre end summen af alle dens nukleoner. Dette fænomen kaldes massedefekten. Faktisk er den manglende masse den energi, der bruges på at opretholde kernens integritet. Så snart en del er adskilt fra kernen af et atom, frigives denne energi og omdannes til varme i atomkraftværker. Det vil sige, at energien fra nuklear fission er en klar demonstration af den berømte Einstein-formel. Husk på, at formlen siger: energi og masse kan blive til hinanden (E=mc2).
Teori og praksis
Nu vil vi fortælle dig, hvordan denne rent teoretiske opdagelse bruges i livet til at producere gigawatt elektricitet. Først skal det bemærkes, at kontrollerede reaktioner bruger tvungen nuklear fission. Oftest er det uran eller polonium, som bliver bombarderet af hurtige neutroner. For det andet er det umuligt ikke at forstå, at nuklear fission er ledsaget af skabelsen af nye neutroner. Som følge heraf kan antallet af neutroner i reaktionszonen stige meget hurtigt. Hver neutron kolliderer med nye, stadig intakte kerner, sp alter dem, hvilket fører til en stigning i varmeafgivelsen. Dette er den nukleare fission kædereaktion. En ukontrolleret stigning i antallet af neutroner i en reaktor kan føre til en eksplosion. Det er præcis, hvad der skete i 1986 ved atomkraftværket i Tjernobyl. Derfor er der i reaktionszonen altid et stof, der absorberer overskydende neutroner, hvilket forhindrer en katastrofe. Det er grafit i form af lange stænger. Hastigheden af nuklear fission kan sænkes ved at nedsænke stængerne i reaktionszonen. Kernereaktionsligningen er udarbejdet specifikt for hvert aktivt radioaktivt stof og de partikler, der bombarderer det (elektroner, protoner, alfapartikler). Den endelige energiproduktion beregnes dog efter fredningsloven: E1+E2=E3+E4. Det vil sige, at den samlede energi af den oprindelige kerne og partikel (E1 + E2) skal være lig med energien af den resulterende kerne og den energi, der frigives i fri form (E3 + E4). Kernereaktionsligningen viser også, hvilken slags stof der opnås som følge af henfald. For eksempel for uran U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Grundstoffernes isotoper er ikke anført her.dette er dog vigtigt. For eksempel er der hele tre muligheder for sp altning af uran, hvori der dannes forskellige isotoper af bly og neon. I næsten hundrede procent af tilfældene producerer den nukleare fissionsreaktion radioaktive isotoper. Det vil sige, at henfaldet af uran producerer radioaktivt thorium. Thorium kan henfalde til protactinium, det til actinium og så videre. Både bismuth og titanium kan være radioaktive i denne serie. Selv brint, som indeholder to protoner i kernen (med en hastighed på én proton), kaldes anderledes - deuterium. Vand dannet med sådan brint kaldes tungt vand og fylder det primære kredsløb i atomreaktorer.
Fredeligt atom
Sådanne udtryk som "våbenkapløb", "kold krig", "atomtrussel" kan virke historiske og irrelevante for en moderne person. Men engang var hver nyhedsmeddelelse næsten over hele verden ledsaget af rapporter om, hvor mange typer atomvåben, der blev opfundet, og hvordan man håndterer dem. Folk byggede underjordiske bunkere og fyldte op i tilfælde af en atomvinter. Hele familier arbejdede på at bygge krisecentret. Selv fredelig brug af nukleare fissionsreaktioner kan føre til katastrofe. Det ser ud til, at Tjernobyl lærte menneskeheden at være forsigtig i dette område, men planetens elementer viste sig at være stærkere: Jordskælvet i Japan beskadigede de meget pålidelige befæstninger af Fukushima-atomkraftværket. Energien fra en atomreaktion er meget lettere at bruge til destruktion. Teknologer behøver kun at begrænse eksplosionens kraft for ikke at ødelægge hele planeten ved et uheld. De mest "humane" bomber, hvis man kan kalde dem det, forurener ikke omgivelserne med stråling. Generelt bruger de oftestukontrolleret kædereaktion. Det, de stræber efter at undgå på atomkraftværker med alle midler, opnås i bomber på en meget primitiv måde. For ethvert naturligt radioaktivt grundstof er der en vis kritisk masse af rent stof, hvor en kædereaktion er født af sig selv. For uran er det for eksempel kun halvtreds kilo. Da uran er meget tungt, er det kun en lille metalkugle på 12-15 centimeter i diameter. De første atombomber, der blev kastet over Hiroshima og Nagasaki, blev lavet nøjagtigt efter dette princip: to ulige dele af rent uran kombinerede simpelthen og genererede en frygtindgydende eksplosion. Moderne våben er sandsynligvis mere sofistikerede. Man bør dog ikke glemme den kritiske masse: der skal være barrierer mellem små mængder rent radioaktivt materiale under opbevaring, hvilket forhindrer delene i at forbinde sig.
Strålekilder
Alle grundstoffer med en nuklear ladning større end 82 er radioaktive. Næsten alle lettere kemiske grundstoffer har radioaktive isotoper. Jo tungere kernen er, jo kortere levetid. Nogle grundstoffer (såsom Californien) kan kun opnås kunstigt - ved at kollidere tunge atomer med lettere partikler, oftest i acceleratorer. Da de er meget ustabile, eksisterer de ikke i jordskorpen: under dannelsen af planeten gik de meget hurtigt i opløsning i andre elementer. Stoffer med lettere kerner, såsom uran, kan udvindes. Denne proces er lang, uran egnet til udvinding, selv i meget rige malme, indeholder mindre end én procent. tredje vej,tyder måske på, at en ny geologisk epoke allerede er begyndt. Dette er udvinding af radioaktive grundstoffer fra radioaktivt affald. Efter brændstof er brugt på et kraftværk, på en ubåd eller hangarskib, opnås en blanding af det originale uran og det endelige stof, resultatet af fission. I øjeblikket betragtes dette som fast radioaktivt affald, og der er et akut spørgsmål om, hvordan man bortskaffer det, så det ikke forurener miljøet. Det er dog sandsynligt, at der i den nærmeste fremtid vil blive udvundet færdiglavede koncentrerede radioaktive stoffer (f.eks. polonium) fra dette affald.
