Ang artikulo ay nagsasabi tungkol sa kung ano ang nuclear fission, kung paano natuklasan at inilarawan ang prosesong ito. Ang paggamit nito bilang pinagmumulan ng enerhiya at mga sandatang nuklear ay nahayag.
"Indivisible" atom
Ang ikadalawampu't isang siglo ay puno ng mga ekspresyon tulad ng "enerhiya ng atom", "nuclear technology", "radioactive waste". Paminsan-minsan sa mga headline ng pahayagan ay mga flash message tungkol sa posibilidad ng radioactive contamination ng lupa, karagatan, yelo ng Antarctica. Gayunpaman, ang isang ordinaryong tao ay madalas na walang napakagandang ideya kung ano ang larangan ng agham na ito at kung paano ito nakakatulong sa pang-araw-araw na buhay. Ito ay nagkakahalaga ng pagsisimula, marahil, sa kasaysayan. Mula sa pinakaunang tanong, na tinanong ng isang mahusay na pinakain at bihis na tao, interesado siya sa kung paano gumagana ang mundo. Paano nakikita ng mata, bakit naririnig ng tainga, kung paano naiiba ang tubig sa bato - ito ang nag-aalala sa mga pantas mula pa noong una. Maging sa sinaunang India at Greece, ang ilang mga mapagtanong na kaisipan ay nagmungkahi na mayroong isang maliit na butil (tinatawag din itong "indivisible") na may mga katangian ng isang materyal. Kinumpirma ng mga medyebal na chemist ang hula ng mga pantas, at ang modernong kahulugan ng atom ay ang mga sumusunod: ang atom ay ang pinakamaliit na particle ng isang substance na siyang nagdadala ng mga katangian nito.
Mga bahagi ng isang atom
Gayunpaman, ang pag-unlad ng teknolohiya (sasa partikular, ang photography) ay humantong sa katotohanan na ang atom ay hindi na itinuturing na pinakamaliit na posibleng particle ng bagay. At kahit na ang isang atom ay neutral sa kuryente, mabilis na napagtanto ng mga siyentipiko na ito ay binubuo ng dalawang bahagi na may magkakaibang mga singil. Ang bilang ng mga bahaging may positibong singil ay bumabayad sa bilang ng mga negatibo, kaya nananatiling neutral ang atom. Ngunit walang hindi malabo na modelo ng atom. Dahil nangingibabaw pa rin ang klasikal na pisika sa panahong iyon, iba't ibang pagpapalagay ang ginawa.
Mga modelo ng Atom
Sa una, ang modelong “raisin roll” ay iminungkahi. Ang positibong singil, kumbaga, ay napuno ang buong espasyo ng atom, at ang mga negatibong singil ay ipinamahagi dito, tulad ng mga pasas sa isang tinapay. Tinukoy ng sikat na eksperimento ng Rutherford ang mga sumusunod: isang napakabigat na elemento na may positibong singil (ang nucleus) ay matatagpuan sa gitna ng atom, at mas magaan na mga electron ang matatagpuan sa paligid. Ang masa ng nucleus ay daan-daang beses na mas mabigat kaysa sa kabuuan ng lahat ng mga electron (ito ay 99.9 porsyento ng masa ng buong atom). Kaya, ipinanganak ang planetaryong modelo ng atom ni Bohr. Gayunpaman, ang ilan sa mga elemento nito ay sumasalungat sa tinanggap noon na klasikal na pisika. Samakatuwid, isang bago, quantum mechanics ang binuo. Sa hitsura nito, nagsimula ang hindi klasikal na panahon ng agham.
Atom at radyaktibidad
Mula sa lahat ng nasa itaas, nagiging malinaw na ang nucleus ay isang mabigat, positibong sisingilin na bahagi ng atom, na bumubuo sa bulk nito. Kapag ang quantization ng enerhiya at ang mga posisyon ng mga electron sa orbit ng isang atom ay mahusay na naiintindihan, oras na upang maunawaanang likas na katangian ng atomic nucleus. Ang mapanlikha at hindi inaasahang natuklasang radioactivity ay sumagip. Nakatulong ito upang maihayag ang kakanyahan ng mabigat na gitnang bahagi ng atom, dahil ang pinagmulan ng radyaktibidad ay nuclear fission. Sa pagpasok ng ikalabinsiyam at ikadalawampu siglo, sunod-sunod na umulan ang mga natuklasan. Ang teoretikal na solusyon ng isang problema ay nangangailangan ng mga bagong eksperimento. Ang mga resulta ng mga eksperimento ay nagbunga ng mga teorya at hypotheses na kailangang kumpirmahin o pabulaanan. Kadalasan ang pinakadakilang mga pagtuklas ay nangyari lamang dahil sa kung paano naging madaling kalkulahin ang formula (tulad ng, halimbawa, ang kabuuan ni Max Planck). Kahit na sa simula ng panahon ng photography, alam ng mga siyentipiko na ang uranium s alts ay nagpapagaan ng isang photosensitive na pelikula, ngunit hindi nila pinaghihinalaan na ang nuclear fission ang batayan ng hindi pangkaraniwang bagay na ito. Samakatuwid, ang radioactivity ay pinag-aralan upang maunawaan ang likas na katangian ng pagkabulok ng nukleyar. Malinaw, ang radiation ay nabuo sa pamamagitan ng mga quantum transition, ngunit hindi ito lubos na malinaw kung alin. Ang mga Curies ay nagmina ng purong radium at polonium, halos gumagawa ng kamay sa uranium ore, upang sagutin ang tanong na ito.
Ang singil ng radioactive radiation
Malaki ang ginawa ni Rutherford sa pag-aaral ng istruktura ng atom at nag-ambag sa pag-aaral kung paano nangyayari ang fission ng atom nucleus. Inilagay ng siyentipiko ang radiation na ibinubuga ng isang radioactive na elemento sa isang magnetic field at nakakuha ng kamangha-manghang resulta. Ito ay lumabas na ang radiation ay binubuo ng tatlong bahagi: ang isa ay neutral, at ang iba pang dalawa ay positibo at negatibong sisingilin. Ang pag-aaral ng nuclear fission ay nagsimula sa kahulugan nitomga bahagi. Napatunayan na ang nucleus ay maaaring hatiin, ibigay ang bahagi ng positibong singil nito.
Istruktura ng nucleus
Mamaya ay lumabas na ang atomic nucleus ay binubuo hindi lamang ng mga positively charged na particle ng mga proton, kundi pati na rin ng mga neutral na particle ng neutrons. Magkasama silang tinatawag na mga nucleon (mula sa Ingles na "nucleus", ang nucleus). Gayunpaman, ang mga siyentipiko ay muling nagkaroon ng problema: ang masa ng nucleus (iyon ay, ang bilang ng mga nucleon) ay hindi palaging tumutugma sa singil nito. Sa hydrogen, ang nucleus ay may singil na +1, at ang masa ay maaaring tatlo, at dalawa, at isa. Ang susunod na helium sa periodic table ay may nuclear charge na +2, habang ang nucleus nito ay naglalaman ng mula 4 hanggang 6 na nucleon. Ang mas kumplikadong mga elemento ay maaaring magkaroon ng maraming iba't ibang masa para sa parehong singil. Ang ganitong mga pagkakaiba-iba ng mga atom ay tinatawag na isotopes. Bukod dito, ang ilang mga isotopes ay naging medyo matatag, habang ang iba ay mabilis na nabulok, dahil sila ay nailalarawan sa pamamagitan ng nuclear fission. Anong prinsipyo ang tumutugma sa bilang ng mga nucleon ng katatagan ng nuclei? Bakit ang pagdaragdag ng isang neutron lamang sa isang mabigat at medyo matatag na nucleus ay humantong sa paghahati nito, sa paglabas ng radyaktibidad? Kakatwa, ang sagot sa mahalagang tanong na ito ay hindi pa nahahanap. Sa empirikal, lumabas na ang mga matatag na pagsasaayos ng atomic nuclei ay tumutugma sa ilang mga halaga ng mga proton at neutron. Kung mayroong 2, 4, 8, 50 neutron at/o proton sa nucleus, tiyak na magiging stable ang nucleus. Ang mga numerong ito ay tinatawag na magic (at tinawag sila ng mga adult scientist, nuclear physicist,). Kaya, ang fission ng nuclei ay nakasalalay sa kanilang masa, iyon ay, sa bilang ng mga nucleon na kasama sa kanila.
Ihulog, shell, kristal
Hindi posibleng matukoy ang salik na responsable para sa katatagan ng core sa ngayon. Mayroong maraming mga teorya ng modelo ng istraktura ng atom. Ang tatlong pinakasikat at maunlad ay kadalasang nagkakasalungatan sa iba't ibang isyu. Ayon sa una, ang nucleus ay isang patak ng isang espesyal na likidong nuklear. Tulad ng tubig, ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng pagkalikido, pag-igting sa ibabaw, pagsasama at pagkabulok. Sa modelo ng shell, mayroon ding ilang mga antas ng enerhiya sa nucleus, na puno ng mga nucleon. Ang pangatlo ay nagsasaad na ang core ay isang daluyan na may kakayahang mag-refracte ng mga espesyal na alon (de Broglie), habang ang refractive index ay potensyal na enerhiya. Gayunpaman, wala pang modelo ang ganap na nakapaglarawan kung bakit, sa isang partikular na kritikal na masa ng partikular na elemento ng kemikal na ito, nagsisimula ang nuclear fission.
Ano ang ibig sabihin ng breakup
Radioactivity, tulad ng nabanggit sa itaas, ay natagpuan sa mga sangkap na matatagpuan sa kalikasan: uranium, polonium, radium. Halimbawa, ang bagong minahan, purong uranium ay radioactive. Ang proseso ng paghahati sa kasong ito ay magiging kusang-loob. Nang walang anumang panlabas na impluwensya, ang isang tiyak na bilang ng mga atomo ng uranium ay maglalabas ng mga particle ng alpha, na kusang nagko-convert sa thorium. Mayroong isang tagapagpahiwatig na tinatawag na kalahating buhay. Ipinapakita nito kung anong tagal ng panahon mula sa unang bilang ng bahagi na humigit-kumulang kalahati ang mananatili. Para sa bawat radioactive na elemento, ang kalahating buhay ay iba - mula sa mga fraction ng isang segundo para sa California hanggangdaan-daang libong taon para sa uranium at cesium. Ngunit mayroon ding sapilitang radioactivity. Kung ang nuclei ng mga atomo ay binomba ng mga proton o alpha particle (helium nuclei) na may mataas na kinetic energy, maaari silang "mahati". Ang mekanismo ng pagbabago, siyempre, ay iba sa kung paano nabasag ang paboritong plorera ng ina. Gayunpaman, mayroong isang tiyak na pagkakatulad.
Atom Energy
Sa ngayon, wala pa kaming nasasagot na praktikal na tanong: saan nanggagaling ang enerhiya sa panahon ng nuclear fission. Upang magsimula, dapat itong linawin na sa panahon ng pagbuo ng isang nucleus, ang mga espesyal na puwersang nuklear ay kumikilos, na tinatawag na malakas na pakikipag-ugnayan. Dahil ang nucleus ay binubuo ng maraming positibong proton, ang tanong ay nananatili kung paano sila magkakadikit, dahil ang mga puwersang electrostatic ay dapat itulak sila palayo sa isa't isa nang medyo malakas. Ang sagot ay parehong simple at hindi sa parehong oras: ang nucleus ay gaganapin magkasama sa pamamagitan ng isang napakabilis na pagpapalitan sa pagitan ng mga nucleon ng mga espesyal na particle - pi-mesons. Ang koneksyon na ito ay nabubuhay nang hindi kapani-paniwalang maikli. Sa sandaling huminto ang pagpapalitan ng pi-meson, ang nucleus ay nabubulok. Ito ay kilala rin para sa tiyak na ang mass ng isang nucleus ay mas mababa kaysa sa kabuuan ng lahat ng mga constituent nucleon nito. Ang kababalaghang ito ay tinatawag na mass defect. Sa katunayan, ang nawawalang masa ay ang enerhiya na ginugol sa pagpapanatili ng integridad ng nucleus. Sa sandaling humiwalay ang ilang bahagi mula sa nucleus ng isang atom, ang enerhiyang ito ay inilalabas at na-convert sa init sa mga nuclear power plant. Iyon ay, ang enerhiya ng nuclear fission ay isang malinaw na pagpapakita ng sikat na formula ng Einstein. Alalahanin na ang formula ay nagsasabi: ang enerhiya at masa ay maaaring maging isa't isa (E=mc2).
Teorya at kasanayan
Ngayon sasabihin namin sa iyo kung paano ginagamit ang purong teoretikal na pagtuklas na ito sa buhay upang makagawa ng mga gigawatt na kuryente. Una, dapat tandaan na ang mga kinokontrol na reaksyon ay gumagamit ng sapilitang nuclear fission. Kadalasan ito ay uranium o polonium, na binomba ng mabilis na mga neutron. Pangalawa, imposibleng hindi maunawaan na ang nuclear fission ay sinamahan ng paglikha ng mga bagong neutron. Bilang resulta, ang bilang ng mga neutron sa reaction zone ay maaaring tumaas nang napakabilis. Ang bawat neutron ay bumangga sa bago, buo pa rin na nuclei, hinati ang mga ito, na humahantong sa pagtaas ng paglabas ng init. Ito ang nuclear fission chain reaction. Ang hindi makontrol na pagtaas sa bilang ng mga neutron sa isang reaktor ay maaaring humantong sa isang pagsabog. Ito mismo ang nangyari noong 1986 sa Chernobyl nuclear power plant. Samakatuwid, sa zone ng reaksyon ay palaging may isang sangkap na sumisipsip ng labis na mga neutron, na pumipigil sa isang sakuna. Ito ay grapayt sa anyo ng mga mahabang pamalo. Ang rate ng nuclear fission ay maaaring pabagalin sa pamamagitan ng paglubog ng mga rod sa reaction zone. Ang equation ng reaksyong nuklear ay partikular na pinagsama-sama para sa bawat aktibong radioactive substance at ang mga particle na nagbobomba dito (mga electron, proton, alpha particle). Gayunpaman, ang panghuling output ng enerhiya ay kinakalkula ayon sa batas ng konserbasyon: E1+E2=E3+E4. Iyon ay, ang kabuuang enerhiya ng orihinal na nucleus at particle (E1 + E2) ay dapat na katumbas ng enerhiya ng nagresultang nucleus at ang enerhiya na inilabas sa libreng anyo (E3 + E4). Ipinapakita rin ng equation ng nuclear reaction kung anong uri ng substance ang nakukuha bilang resulta ng pagkabulok. Halimbawa, para sa uranium U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Ang isotopes ng mga elemento ay hindi nakalista dito.gayunpaman, ito ay mahalaga. Halimbawa, mayroong kasing dami ng tatlong posibilidad para sa fission ng uranium, kung saan nabuo ang iba't ibang isotopes ng lead at neon. Sa halos isang daang porsyento ng mga kaso, ang nuclear fission reaction ay gumagawa ng radioactive isotopes. Iyon ay, ang pagkabulok ng uranium ay gumagawa ng radioactive thorium. Maaaring mabulok ang Thorium sa protactinium, iyon sa actinium, at iba pa. Ang parehong bismuth at titanium ay maaaring radioactive sa seryeng ito. Kahit na ang hydrogen, na naglalaman ng dalawang proton sa nucleus (sa rate ng isang proton), ay tinatawag na naiiba - deuterium. Ang tubig na nabuo gamit ang naturang hydrogen ay tinatawag na heavy water at pinupuno ang pangunahing circuit sa mga nuclear reactor.
Hindi mapayapang atom
Ang mga ekspresyong gaya ng "labanan ng armas", "cold war", "nuclear threat" ay maaaring mukhang makasaysayan at walang kaugnayan sa isang modernong tao. Ngunit noong unang panahon, ang bawat paglabas ng balita halos sa buong mundo ay may kasamang mga ulat tungkol sa kung ilang uri ng mga sandatang nuklear ang naimbento at kung paano haharapin ang mga ito. Nagtayo ang mga tao ng mga bunker sa ilalim ng lupa at nag-imbak sa kaso ng nuclear winter. Buong pamilya ay nagtrabaho upang maitayo ang kanlungan. Kahit na ang mapayapang paggamit ng mga reaksyon ng nuclear fission ay maaaring humantong sa kapahamakan. Tila tinuruan ng Chernobyl ang sangkatauhan na mag-ingat sa lugar na ito, ngunit ang mga elemento ng planeta ay naging mas malakas: ang lindol sa Japan ay nasira ang napaka-maaasahang mga kuta ng Fukushima nuclear power plant. Ang enerhiya ng isang nuclear reaction ay mas madaling gamitin para sa pagkasira. Kailangan lang limitahan ng mga teknologo ang lakas ng pagsabog, upang hindi aksidenteng masira ang buong planeta. Ang pinaka "makatao" na mga bomba, kung matatawag mo silang ganyan, huwag dumumi ang paligid ng radiation. Sa pangkalahatan, madalas nilang ginagamithindi nakokontrol na chain reaction. Ang sinisikap nilang iwasan sa mga nuclear power plant sa lahat ng paraan ay nakakamit sa mga bomba sa isang napaka primitive na paraan. Para sa anumang natural na radioactive na elemento, mayroong isang tiyak na kritikal na masa ng purong sangkap kung saan ang isang chain reaction ay ipinanganak nang mag-isa. Para sa uranium, halimbawa, ito ay limampung kilo lamang. Dahil ang uranium ay napakabigat, ito ay isang maliit na bolang metal na 12-15 sentimetro ang lapad. Ang mga unang bombang atomika na ibinagsak sa Hiroshima at Nagasaki ay ginawa nang eksakto ayon sa prinsipyong ito: dalawang hindi pantay na bahagi ng purong uranium ang pinagsama-sama at nakabuo ng isang nakakatakot na pagsabog. Ang mga modernong armas ay malamang na mas sopistikado. Gayunpaman, hindi dapat kalimutan ng isa ang tungkol sa kritikal na masa: dapat mayroong mga hadlang sa pagitan ng maliliit na volume ng purong radioactive na materyal sa panahon ng pag-iimbak, na pumipigil sa mga bahagi mula sa pagkonekta.
Mga mapagkukunan ng radiation
Lahat ng elementong may nuclear charge na higit sa 82 ay radioactive. Halos lahat ng mas magaan na elemento ng kemikal ay may mga radioactive isotopes. Kung mas mabigat ang nucleus, mas maikli ang buhay nito. Ang ilang elemento (gaya ng California) ay maaari lamang makuha sa artipisyal na paraan - sa pamamagitan ng pagbangga ng mabibigat na atomo na may mas magaan na mga particle, kadalasan sa mga accelerator. Dahil ang mga ito ay napaka hindi matatag, hindi sila umiiral sa crust ng lupa: sa panahon ng pagbuo ng planeta, sila ay napakabilis na nabuwag sa iba pang mga elemento. Ang mga sangkap na may mas magaan na nuclei, tulad ng uranium, ay maaaring minahan. Ang prosesong ito ay mahaba, ang uranium ay angkop para sa pagkuha, kahit na sa napakayaman na mga ores, ay naglalaman ng mas mababa sa isang porsyento. ikatlong paraan,marahil ay nagpapahiwatig na ang isang bagong heolohikal na panahon ay nagsimula na. Ito ang pagkuha ng mga radioactive elements mula sa radioactive waste. Pagkatapos na gastusin ang gasolina sa isang planta ng kuryente, sa isang submarino o sasakyang panghimpapawid, isang pinaghalong orihinal na uranium at ang panghuling sangkap, ang resulta ng fission, ay nakuha. Sa ngayon, ito ay itinuturing na solid radioactive waste at mayroong isang matinding tanong kung paano itapon ang mga ito upang hindi madumihan ang kapaligiran. Gayunpaman, malamang na sa malapit na hinaharap, ang mga ready-made na concentrated radioactive substance (halimbawa, polonium) ay minahan mula sa mga basurang ito.
