Pembelahan nuklear: proses pembelahan nuklear. tindak balas nuklear

Artikel ini bercakap tentang apa yang pembelahan nuklear sebagai proses telah ditemui dan diterangkan. Mendedahkan penggunaannya sebagai sumber tenaga dan senjata nuklear.

"Dibahagikan" atom

abad kedua puluh satu adalah penuh dengan ungkapan-ungkapan seperti "tenaga atom", "Teknologi nuklear", "sisa radioaktif". Setiap sekarang dan kemudian tajuk-tajuk utama pemimpin-pemimpin laporan tentang kemungkinan pencemaran radioaktif tanah, lautan, ais Antartika. Walau bagaimanapun, orang biasa sering tidak idea yang sangat baik apa bidang sains dan bagaimana ia membantu dalam kehidupan seharian. Anda perlu mula, mungkin, dengan cerita-cerita. Dari soalan yang pertama, yang meminta seorang lelaki cukup makan dan berpakaian, dia mahu tahu bagaimana dunia berfungsi. Bagaimana mata melihat, telinga mendengar mengapa daripada air berbeza daripada batu - itulah yang bijaksana dari semasa penjagaan berzaman. Walaupun di India purba dan Greece, sesetengah minda bertanya telah mencadangkan bahawa terdapat satu zarah minimum (ia juga dikenali sebagai "dibahagikan"), dengan sifat-sifat bahan. ahli kimia Medieval disahkan meneka bijak, dan atom definisi moden termasuk atom - zarah yang paling kecil daripada bahan yang merupakan pembawa hartanah.

bahagian atom

Walau bagaimanapun, pembangunan teknologi (misalnya, gambar) membawa kepada atom itu terhenti menjadi mungkin bahan zarah yang paling kecil. Walaupun diambil secara berasingan atom adalah neutral secara elektrik, ahli-ahli sains dengan cepat menyedari: ia terdiri daripada dua bahagian dengan caj berbeza. Bilangan unit yang bercas positif jumlah negatif mengkompensasi itu kekal atom neutral. Tetapi tidak ada model jelas atom. Kerana pada masa itu masih didominasi oleh fizik klasik, bahawa terdapat andaian yang berbeza.

model atom

Pada mulanya, model "roti putih dengan kismis" telah dicadangkan. Caj positif kerana ia memenuhi keseluruhan ruang atom dan ia, seperti kismis dalam bun, caj negatif diedarkan. Yang terkenal eksperimen Rutherford dikenalpasti berikut: adalah elemen yang sangat berat dengan caj positif (nukleus), dan dikelilingi dengan elektron lebih ringan di pusat atom. beratus-ratus Kernel Berat kali lebih berat daripada jumlah semua elektron (yang adalah 99.9 peratus mengikut berat jumlah atom). Oleh itu dilahirkan model planet atom Bohr. Walau bagaimanapun, beberapa unsur-unsur yang bercanggah diterima pada masa fizik klasik. Oleh itu, mekanik kuantum baru telah dibangunkan. Dengan penampilan tempoh yang bermula sains nonclassical.

Atom dan radioaktif

Daripada semua di atas ia menjadi jelas bahawa kernel - ia adalah berat, bercas positif sebahagian daripada atom, yang merupakan sebahagian besar daripada ia. Apabila pengkuantuman tenaga dan kedudukan elektron mengorbit atom telah dikaji dengan baik, ia adalah masa untuk memahami sifat nukleus atom. Ia datang ke bantuan penemuan cemerlang dan tidak dijangka radioaktif. Ia telah membantu untuk mendedahkan intipati atom pusat berat, sebagai sumber radioaktif - pembelahan nuklear. Pada awal abad kesembilan belas dan kedua puluh, pembukaan turun satu demi satu. penyelesaian teori satu masalah menyebabkan keperluan untuk menetapkan pengalaman baru. Keputusan eksperimen menimbulkan teori dan hipotesis yang diperlukan untuk mengesahkan atau menafikan. Selalunya, penemuan yang besar muncul, semata-mata kerana dengan cara ini formula adalah mudah untuk pengkomputeran (seperti kuantum Max Planck). Pada awal era fotografi, saintis tahu bahawa garam uranium cahaya-sembuh filem sensitif cahaya, tetapi mereka tidak tahu bahawa asas fenomena ini adalah pembelahan nuklear. Oleh itu, radioaktif yang telah dikaji untuk memahami sifat pereputan nuklear. Ia adalah jelas bahawa pelepasan peralihan kuantum telah dihasilkan, tetapi ia tidak jelas apa yang ada. Chet Curie diekstrak radium tulen dan polonium, pemprosesan bijih uranium hampir secara manual untuk mendapatkan jawapan kepada soalan ini.

radiasi caj

Rutherford telah banyak untuk kajian struktur atom dan juga menyumbang kepada kajian bagaimana pembahagian nukleus atom. Saintis meletakkan radiasi yang dipancarkan oleh unsur radioaktif dalam medan magnet dan mendapat hasil yang besar. Ternyata bahawa radiasi itu terdiri daripada tiga komponen: satu adalah neutral dan dua yang lain - secara positif dan bercas negatif. kajian pembelahan bermula dengan pengenalpastian komponennya. Ia telah terbukti bahawa teras boleh dibahagikan, untuk memberi sebahagian daripada caj positif.

Struktur nukleus

Ia kemudian muncul bahawa nukleus atom terdiri bukan sahaja daripada bercas positif zarah proton, tetapi zarah neutron neutral. Bersama-sama mereka dipanggil nukleon (dari English «nukleus», kernel). Walau bagaimanapun, para saintis telah sekali lagi mengalami masalah: jisim nukleus (iaitu bilangan nukleon) tidak selalu sesuai dengan casnya. Y hidrogen nukleus mempunyai cas daripada 1, dan jisim yang berkenaan tiga, dua, dan satu. Dalam mengikuti dalam berkala Rajah helium caj teras 2, dengan nukleusnya mengandungi 4 hingga 6 nukleon. Lebih unsur-unsur kompleks boleh mempunyai nombor yang lebih besar ramai yang berbeza dengan pertuduhan yang sama. apa-apa pengubahan atom dipanggil isotop. Dan ada yang isotop agak stabil, yang lain dengan cepat hancur, kerana bagi mereka ia dicirikan oleh pembelahan nuklear. Apa asas konsisten dengan jumlah kestabilan nukleon nukleus? Mengapa penambahan hanya satu neutron dengan nukleus berat dan agak stabil membawa kepada perpecahan beliau untuk melepaskan radioaktif? Apa yang cukup pelik, jawapan kepada persoalan yang penting ini belum lagi ditemui. Empirik, didapati bahawa sebilangan proton dan neutron sesuai dengan konfigurasi stabil nukleus. Jika teras 2, 4, 8, 50 neutron dan / atau proton, kernel akan unik stabil. Nombor-nombor ini walaupun dirujuk sebagai ajaib (dan menamakan mereka sebagai orang dewasa, ahli-ahli sains, fizik nuklear). Oleh itu, pembelahan nuklear bergantung kepada besar-besaran mereka, iaitu, bilangan nukleon konstituen mereka.

Drop, perlindungan, kristal

Menentukan faktor yang bertanggungjawab, ia tidak mungkin pada masa ini bagi kestabilan nukleus. Terdapat banyak teori model struktur atom. Tiga daripada yang paling terkenal dan maju sering bertentangan antara satu sama lain dalam perkara-perkara yang berbeza. Yang pertama adalah bahawa teras - setitik cecair nuklear khas. Bagi air, ia mempunyai ciri-ciri sifat berubah-ubah, ketegangan permukaan, fusion dan kerosakan. Dalam model shell dalam kernel juga, terdapat tahap tenaga tertentu, yang dipenuhi dengan nukleon. Negeri-negeri ketiga yang teras - medium yang mampu membiaskan panjang gelombang tertentu (de Broglie), di mana indeks biasan - adalah tenaga keupayaan. Walau bagaimanapun, tiada model setakat ini gagal untuk menerangkan sepenuhnya mengapa pada lebih ramai tertentu unsur kimia tertentu, pembelahan nukleus bermula.

Apa yang berlaku kerosakan

radioaktif, seperti yang dinyatakan di atas, ditemui dalam bahan-bahan yang boleh didapati dalam alam semula jadi: uranium, polonium, radium. Sebagai contoh, baru dihasilkan, uranium tulen adalah radioaktif. proses pemisahan dalam kes ini akan menjadi spontan. Tanpa apa-apa pengaruh jumlah tertentu luar atom uranium memancarkan zarah alfa secara spontan berubah menjadi torium. Ia merupakan petunjuk, yang dipanggil separuh hayat. Ia menunjukkan, bagi tempoh masa dari nombor bahagian awal akan menjadi kira-kira separuh. Setiap elemen radioaktif separuh hayat sendiri - dari sebahagian kecil daripada kedua ke California untuk beratus-ratus beribu-ribu tahun untuk uranium dan cesium. Tetapi ada satu aktiviti paksa. Jika nukleus atom membedil proton atau zarah alfa (helium nukleus) dengan tenaga kinetik yang tinggi, mereka boleh menjadi "perpecahan". mekanisme penukaran, sudah tentu, berbeza daripada bagaimana kegemaran ibu memecahkan pasu. Walau bagaimanapun, satu analogi tertentu dapat dikesan.

tenaga atom

Setakat ini kita tidak memberi respons kepada soalan praktikal: di manakah tenaga dalam pembelahan nuklear. Sebagai permulaan, ia adalah perlu untuk menjelaskan bahawa semasa pembentukan nukleus adalah daya nuklear khas, yang dipanggil interaksi kuat. Sejak teras terdiri daripada satu set proton positif, persoalannya, bagaimana mereka melekat bersama-sama, kerana kuasa-kuasa elektrostatik mempunyai cukup kuat untuk menangkis mereka antara satu sama lain. jawapannya adalah kedua-dua mudah, dan terdapat: disimpan teras dengan mengorbankan pertukaran yang sangat pesat antara nukleon zarah khas - pions. Pautan ini hidup adalah sangat kecil. Setelah menamatkan pertukaran pi-meson, teras hancur. sama dengan baik ia dikenali bahawa jisim nukleus adalah kurang daripada jumlah semua nukleon konstituennya. Fenomena ini dipanggil kecacatan massa. Malah, jisim yang hilang - adalah tenaga yang dibelanjakan untuk mengekalkan integriti kernel. Apabila dipisahkan dari nukleus atom sebahagian dari tenaga ini dihasilkan di loji kuasa nuklear dan ditukar menjadi haba. Iaitu, tenaga pembelahan nuklear - adalah demonstrasi yang jelas formula terkenal Einstein. Recall, formula yang berbunyi: tenaga dan jisim boleh ditukar ke dalam satu sama lain (E = mc ^2).

Teori dan amalan

Kini memberitahu kita bagaimana ia digunakan penemuan semata-mata teori dalam hidup saya untuk gigawatt elektrik. Pertama, ia harus diperhatikan bahawa dalam tindak balas dikawal pembelahan teraruh digunakan. Selalunya ia adalah uranium atau polonium, yang dihujani dengan neutron pantas. Kedua, ia perlu difahami bahawa pembelahan nuklear disertai dengan mewujudkan neutron baru. Hasilnya, bilangan neutron dalam zon tindak balas adalah dapat berkembang dengan cepat. Setiap neutron berlanggar dengan yang baru, biji lebih menyeluruh, berpecah mereka, yang membawa kepada peningkatan dalam penjanaan haba. Ini adalah tindak balas rantai pembelahan nuklear. jumlah yang tidak terkawal kenaikan neutron dalam reaktor boleh menyebabkan letupan. Itulah yang berlaku pada tahun 1986 di loji kuasa nuklear Chernobyl. Oleh itu, dalam zon tindak balas adalah sentiasa satu bahan yang menyerap neutron yang berlebihan untuk mengelakkan malapetaka. grafit ini dalam bentuk rod panjang. Kadar pembelahan boleh diperlahankan dengan merendamkannya rod dalam zon tindak balas. Persamaan tindak balas nuklear dibuat khusus untuk setiap bahan aktif dan radioaktif membedil zarah (elektron, proton, zarah alfa). Walau bagaimanapun, pengeluaran tenaga akhir dikira mengikut undang-undang pemuliharaan: E1 + E2 + E3 = E4. Iaitu, jumlah tenaga zarah teras awal dan (E1 + E2) mesti sama dengan tenaga teras yang terhasil dan tenaga bebas yang dikeluarkan dalam bentuk (E3 + E4). persamaan juga menunjukkan tindak balas nuklear, bahan yang diperolehi oleh penguraian. Sebagai contoh, uranium U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Ia tidak diberi isotop unsur-unsur kimia, tetapi ini adalah penting. Sebagai contoh, terdapat tiga kemungkinan uranium pembelahan, yang menghasilkan isotop plumbum yang berbeza, dan neon. Hampir seratus peratus daripada tindak balas pembelahan menghasilkan isotop radioaktif. Iaitu, pereputan uranium diperolehi thorium radioaktif. Torium, protaktinium mampu hancur, yang - untuk aktinium, dan sebagainya. Radioaktif dalam siri ini boleh, dan bismut, dan titanium. Walaupun hidrogen yang mengandungi nukleus dua proton (pada kadar satu proton), jika tidak dipanggil - deuterium. Air terbentuk dengan hidrogen dipanggil berat dan mengisi litar yang pertama dalam reaktor nuklear.

atom bukan aman

Ungkapan-ungkapan seperti "perlumbaan senjata", "Perang Dingin", "ancaman nuklear" kepada manusia moden mungkin kelihatan sejarah dan tidak relevan. Tetapi sekali setiap kenyataan akhbar telah disertakan dengan laporan berita hampir di seluruh dunia kira-kira berapa banyak mencipta senjata nuklear dan bagaimana untuk menentangnya. Orang telah membina kubu bawah tanah dan saham dibuat sekiranya berlaku musim sejuk nuklear. keluarga-keluarga bekerja pada penciptaan perlindungan. Walaupun kegunaan aman tindak balas pembelahan nuklear boleh membawa kepada bencana. Ia akan kelihatan seolah-olah Chernobyl telah mengajar manusia ketepatan dalam bidang ini, tetapi unsur-unsur di bumi ini adalah lebih kuat: gempa bumi di Jepun menyakiti pengukuhan sangat kukuh RFN "Fukushima". Tenaga tindak balas nuklear yang digunakan untuk kemusnahan banyak lebih mudah. Teknologi hanya memerlukan kuasa terhad letupan, supaya tidak secara tidak sengaja memusnahkan seluruh planet. Yang paling "berperikemanusiaan" bom, jika anda boleh memanggil ia, tidak mencemarkan persekitaran radiasi. Secara umum, yang paling sering mereka menggunakan tindak balas rantai yang tidak terkawal. Apa dalam kuasa nuklear loji berusaha dengan segala cara untuk mengelakkan bom untuk mencapai cara yang sangat primitif. Untuk apa-apa unsur radioaktif semula jadi, terdapat beberapa massa kritikal bahan tulen di mana tindak balas rantai timbul sendiri. Uranium, sebagai contoh, hanya lima puluh kilogram. Sejak uranium adalah sangat keras, ia hanya satu bola logam kecil 12-15 sentimeter diameter. Bom atom pertama digugurkan di Hiroshima dan Nagasaki, telah dibuat dengan tepat pada prinsip ini: dua bahagian yang tidak sama rata uranium tulen hanya digabungkan dan menimbulkan letupan menakutkan. senjata moden mungkin lebih kompleks. Walau bagaimanapun, kira-kira saiz kritikal tidak perlu lupa bahawa antara jumlah kecil bahan radioaktif tulen semasa penyimpanan hendaklah halangan yang menghalang keping bersama-sama.

sumber radiasi

Semua unsur-unsur nukleus atom dengan caj ke atas 82 adalah radioaktif. Hampir semua unsur-unsur kimia ringan mempunyai isotop radioaktif. Yang lebih berat nukleus, yang kurang hayatnya. Beberapa elemen (seperti California) hanya boleh diperolehi secara sintetik - menolak atom berat dengan zarah yang lebih ringan, sering dengan pemecut. Oleh kerana mereka adalah sangat tidak stabil, mereka tidak terdapat di dalam kerak bumi: pembentukan planet ini, mereka dengan cepat reput ke dalam unsur-unsur lain. Bahan dengan lebih nukleus cahaya, seperti uranium, ia adalah mungkin untuk mengeluarkan. Proses ini adalah panjang, sesuai untuk perlombongan uranium, walaupun dalam bijih sangat kaya mengandungi kurang daripada satu peratus. Cara ketiga, mungkin, menunjukkan bahawa zaman geologi baru telah bermula. Ini pengekstrakan unsur-unsur radioaktif daripada sisa radioaktif. Selepas bahan api yang bekerja di sebuah loji janakuasa, pada kapal selam atau kapal pengangkut pesawat, campuran bahan permulaan dan uranium akhir, hasil daripada pembahagian. Pada masa ini, ia dianggap sisa radioaktif yang kukuh dan kos isu berduri, kerana mereka dilupuskan dalam apa-apa cara yang mereka tidak mencemarkan alam sekitar. Walau bagaimanapun, terdapat kemungkinan bahawa sedia tertumpu bahan radioaktif dalam masa terdekat (contohnya, polonium), akan dihasilkan daripada sisa ini.