Розподіл ядер: процес розщеплення атомного ядра. Ядерні реакції
Стаття розповідає про те, що такий розподіл ядер, як цей процес був відкритий і описаний. Розкривається його застосування в якості джерела енергії і ядерної зброї.
Відео: Ядерна фізика. Ядерні реакції. Ланцюгова ядерна реакція поділу. АЕС
«Неподільний» атом
Двадцять перше століття рясніє такими виразами, як «енергія атома», «ядерні технології», «радіоактивні відходи». Раз у раз в газетних заголовках миготять повідомлення про можливість радіоактивного забруднення грунту, океанів, льодів Антарктики. Однак звичайна людина часто не дуже добре собі уявляє, що це за область науки і як вона допомагає в повсякденному житті. Почати варто, мабуть, з історії. З самого першого питання, яке задавав ситий і одягнений чоловік, його цікавило, як влаштований світ. Як бачить око, чому чує вухо, ніж вода відрізняється від каменя - ось що здавна хвилювало мудреців. Ще в стародавній Індії і Греції деякі допитливі припустили, що існує мінімальна частка (її ще називали «неподільної»), що володіє властивостями матеріалу. Середньовічні хіміки підтвердили здогад мудреців, і сучасне визначення атома наступне: атом - це найменша частинка речовини, яка є носієм його властивостей.
частини атома
Однак розвиток технології (зокрема, фотографії) призвело до того, що атом перестав вважатися найменшій можливій часткою речовини. І хоча окремо взятий атом електронейтрален, вчені досить швидко зрозуміли: він складається з двох частин з різними зарядами. Кількість позитивно заряджених частин компенсує кількість негативних, таким чином, атом залишається нейтральним. Але однозначної моделі атома не існувало. Так як в той період все ще панувала класична фізика, то висловлювалися різні припущення.
Відео: Як розщеплюється ядро.
моделі атома
Спочатку була запропонована модель «булка з родзинками». Позитивний заряд як би заповнював собою весь простір атома, і в ньому, як родзинки в булці, розподілялися негативні заряди. знаменитий досвід Резерфорда визначив наступне: в центрі атома розташований дуже важкий елемент з позитивним зарядом (ядро), а навколо розташовуються значно легші електрони. Маса ядра в сотні разів важче суми всіх електронів (воно становить 99,9 відсотків від маси всього атома). Таким чином, народилася планетарна модель атома Бора. Однак деякі з її елементів суперечили прийнятої на той момент класичної фізики. Тому була розроблена нова, квантова механіка. З її появою почався некласичний період науки.
Атом і радіоактивність
З усього сказаного вище стає зрозуміло, що ядро - це важка, позитивно заряджена частина атома, яка становить його основну масу. коли квантування енергії і положень електронів на орбіті атома були добре вивчені, прийшов час зрозуміти природу атомного ядра. На допомогу прийшла геніальна і несподівано відкрита радіоактивність. Вона допомогла розкрити сутність важкої центральній частині атома, так як джерело радіоактивності - ділення ядер. На рубежі дев`ятнадцятого і двадцятого століття, відкриття сипалися одне за іншим. Теоретичне вирішення однієї завдання викликало необхідність ставити нові досліди. Результати експериментів породжували теорії і гіпотези, які потрібно було підтвердити або спростувати. Найчастіше найбільші відкриття з`являлися просто тому, що саме таким чином формула ставала зручною для обчислень (як, наприклад, квант Макса Планка). Ще на початку ери фотографії вчені знали: уранові солі засвічують світлочутливу плівку, але вони не підозрювали, що в основі цього явища лежить розподіл ядер. Тому радіоактивність вивчали, щоб зрозуміти природу розпаду ядра. Очевидно, що випромінювання породжувалися квантовими переходами, але було не до кінця ясно, якими саме. Подружжя Кюрі добувала чисті радій і полоній, обробляючи практично вручну уранову руду, щоб отримати відповідь на це питання.
Заряд радіоактивного випромінювання
Резерфорд багато зробив для вивчення будови атома і вніс вклад і в дослідження того, як відбувається розподіл ядра атома. Вчений помістив випромінювання, яке вирізняється радіоактивним елементом, в магнітне поле і отримав приголомшливий результат. Виявилося, що радіація складається з трьох компонентів: одна була нейтральною, а дві інші - позитивно і негативно зарядженими. Вивчення розподілу ядра почалося з визначення його складових. Було доведено, що ядро може ділитися, віддавати частину свого позитивного заряду.
будова ядра
Пізніше з`ясувалося, що атомне ядро складається не тільки з позитивно заряджених частинок протонів, але і нейтральних частинок нейтронів. Всі разом вони називаються нуклонами (від англійського «nucleus», ядро). Однак, вчені знову натрапили на проблему: маса ядра (тобто кількість нуклонів) не завжди відповідала його заряду. У водню ядро має заряд +1, а маса може бути і три, і два, і один. У наступного за ним в періодичній таблиці гелію заряд ядра +2, при цьому його ядро містить від 4 до 6 нуклонів. Більш складні елементи можуть мати набагато більшу кількість різних мас при одному і тому ж заряді. Такі варіації атомів називаються ізотопами. Причому деякі ізотопи виявилися цілком стійкими, інші ж швидко розпадалися, так як для них було характерно поділ ядер. Якому принципу відповідало кількість нуклонів стійкості ядер? Чому додавання всього лише одного нейтрона до важкого і цілком стабільному ядру призводило до його розколу, до виділення радіоактивності? Як не дивно, відповідь на це важливе питання до цих пір не знайдений. Дослідним шляхом з`ясувалося, що певним кількостей протонів і нейтронів відповідають стійкі конфігурації атомних ядер. Якщо в ядрі 2, 4, 8, 50 нейтронів і / або протонів, то ядро однозначно буде стійким. Ці числа навіть називають магічними (і назвали їх так дорослі вчені, ядерні фізики). Таким чином, розподіл ядер залежить від їх маси, тобто від кількості вхідних в них нуклонів.
Крапля, оболонка, кристал
Визначити фактор, який відповідає за стійкість ядра, на даний момент не вдалося. Існує безліч теорій моделі будови атома. Три найзнаменитіші і розроблені часто суперечать один одному в різних питаннях. Згідно з першою, ядро - це крапля спеціальної ядерної рідини. Як і для води, для нього характерні плинність, поверхневий натяг, злиття і розпад. У оболочечной моделі в ядрі теж існують якісь рівні енергії, які заповнюються нуклонами. Третя стверджує, що ядро - середовище, яке здатна заломлювати особливі хвилі (дебройлевскіе), при цьому коефіцієнт заломлення - це потенціальна енергія. Однак жодна модель поки не змогла в повній мірі описати, чому при певній критичній масі саме цього хімічного елемента, починається розщеплення ядра.
Яким буває розпад
Радіоактивність, як уже було сказано вище, була виявлена в речовинах, які можна знайти в природі: урані, полоній, радій. Наприклад, тільки що добутий, чистий уран радіоактивний. Процес розщеплення в даному випадку буде спонтанним. Без будь-яких зовнішніх впливів певну кількість атомів урану випустить альфа-частинки, мимовільно перетворюючись в торій. Є показник, який називається періодом напіврозпаду. Він показує, за який проміжок часу від початкового числа частині залишиться приблизно половина. Для кожного радіоактивного елемента період напіврозпаду свій - від часток секунди для каліфорнія до сотень тисяч років для урану і цезію. Але існує і вимушена радіоактивність. Якщо ядра атомів бомбардувати протонами або альфа-частками (ядрами гелію) з високою кінетичної енергією, то вони можуть «розколотися». Механізм перетворення, звичайно, відрізняється від того, як розбивається улюблена мамина ваза. Однак якась аналогія простежується.
Відео: Як зробити? Атомна енергія
енергія атома
Поки що ми не відповіли на питання практичного характеру: звідки при розподілі ядра береться енергія. Для початку треба пояснити, що при утворенні ядра діють особливі ядерні сили, які називаються сильним взаємодією. Так як ядро складається з безлічі позитивних протонів, залишається питання, як вони тримаються разом, адже електростатичні сили повинні досить сильно відштовхувати їх один від одного. Відповідь одночасно і простий, і немає: ядро тримається за рахунок дуже швидкого обміну між нуклонами особливими частками - пі-мезонами. Цей зв`язок живе неймовірно мало. Як тільки припиняється обмін пі-мезонами, ядро розпадається. Також точно відомо, що маса ядра менше суми всіх складових його нуклонів. Цей феномен отримав назву дефекту мас. Фактично відсутня маса - це енергія, яка витрачається на підтримку цілісності ядра. Як тільки від ядра атома відділяється якась частина, ця енергія виділяється і на атомних електростанціях перетворюється в тепло. Тобто енергія ділення ядра - це наочна демонстрація знаменитої формули Ейнштейна. Нагадаємо, формула говорить: енергія і маса можуть перетворюватися один в одного (E = mc2).
Теорія та практика
Тепер розповімо, як це суто теоретичне відкриття використовується в житті для отримання гігават електроенергії. По-перше, необхідно відзначити, що в керованих реакціях використовується вимушене ділення ядер. Найчастіше це уран або полоній, які бомбардируется швидкими нейтронами. По-друге, не можна не розуміти, що поділ ядер супроводжується створенням нових нейтронів. В результаті кількість нейтронів в зоні реакції здатне наростати дуже швидко. Кожен нейтрон стикається з новими, ще цілими ядрами, розщеплює їх, що призводить до зростання виділення тепла. Це і є ланцюгова реакція поділу ядер. Неконтрольоване зростання кількості нейтронів в реакторі здатний привести до вибуху. Саме це і сталося в 1986 році на Чорнобильській АЕС. Тому в зоні реакції завжди присутній речовина, що поглинає зайві нейтрони, запобігаючи катастрофу. Це графіт в формі довгих стрижнів. Швидкість поділу ядер можна уповільнити, занурюючи стрижні в зону реакції. рівняння ядерної реакції складається конкретно для кожного діючого радіоактивної речовини і бомбардують його частинок (електрони, протони, альфа-частинки). Однак кінцевий вихід енергії підраховується відповідно до закону збереження: Е1 + Е2 = Е3 + Е4. Тобто повна енергія вихідного ядра і частинки (Е1 + Е2) має бути рівним енергії отриманого ядра і виділилася в вільному вигляді енергії (Е3 + Е4). Рівняння ядерної реакції також показує, яка речовина виходить у результаті розпаду. Наприклад, для урану U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Тут не наведено ізотопи хімічних елементів, проте це важливо. Наприклад, існує цілих три можливості поділу урану, при яких утворюються різні ізотопи свинцю і неону. Майже в ста відсотках випадків реакція поділу ядра дає радіоактивні ізотопи. Тобто при розпаді урану виходить радіоактивний торій. Торій здатний розпастися до протактиния, той - до актиния, і так далі. Радіоактивними в цьому ряду можуть бути і вісмут, і титан. Навіть водень, що містить в ядрі два протона (при нормі один протон), називається інакше - дейтерій. Вода, утворена з таким воднем, називається важкою і заповнює перший контур в ядерних реакторах.
немирний атом
Такі вирази, як «гонка озброєнь», «холодна війна», «ядерна загроза» сучасній людині можуть здатися історичними і неактуальними. Але колись кожен випуск новин майже по всьому світу супроводжувався репортажами про те, скільки винайдено видів ядерної зброї і як треба з цим боротися. Люди будували підземні бункери і робили запаси на випадок ядерної зими. Цілі сім`ї працювали на створення притулку. Навіть мирне використання реакцій поділу ядер може привести до катастрофи. Здавалося б, Чорнобиль навчив людство акуратності в цій сфері, але стихія планети виявилася сильнішою: землетрус в Японії пошкодив вельми надійні зміцнення АЕС «Фукусіма». Енергію ядерної реакції використовувати для руйнування набагато легше. Технологам необхідно лише обмежити силу вибуху, щоб не зруйнувати ненароком всю планету. Найбільш «гуманні» бомби, якщо їх можна так назвати, не забруднюють околиці радіацією. В цілому найчастіше вони використовують неконтрольовану ланцюгову реакцію. Те, чого на атомних електростанціях прагнуть всіма силами уникнути, в бомбах домагаються досить примітивним способом. Для будь-якого природно радіоактивного елемента існує деяка критична маса чистого речовини, в якому ланцюгова реакція зароджується сама собою. Для урану, наприклад, це всього п`ятдесят кілограмів. Так як уран дуже важкий, це лише невеликий металевий кулька 12-15 сантиметрів в діаметрі. Перші атомні бомби, скинуті на Хіросіму і Нагасакі, були зроблені саме за таким принципом: дві нерівні частини чистого урану просто з`єднувалися і породжували страхітливий вибух. Сучасне зброю, ймовірно, більш складне. Однак про критичну масу не варто забувати: між невеликими обсягами чистого радіоактивної речовини при зберіганні повинні бути перепони, що не дозволяють з`єднатися частинам.
Відео: 9.09-1 Реакція поділу ядер. Термоядерна реакція.
джерела радіації
Всі елементи з зарядом атомного ядра більше 82 радіоактивні. Майже всі більш легкі хімічні елементи мають радіоактивними ізотопами. Чим важче ядро, тим менше його час життя. Деякі елементи (типу каліфорнія) можна добути тільки штучним шляхом - зіштовхуючи важкі атоми з більш легкими частинками, найчастіше на прискорювачах. Так як вони дуже нестабільні, в земній корі їх немає: при формуванні планети вони дуже швидко розпалися на інші елементи. Речовини з більш легкими ядрами, наприклад уран, цілком можна добувати. Процес цей довгий, придатного до видобутку урану навіть в дуже багатих рудах міститься менше одного відсотка. Третій шлях, мабуть, вказує на те, що нова геологічна епоха вже почалася. Це видобуток радіоактивних елементів з радіоактивних відходів. Після відпрацювання палива на електростанції, на підводному човні або авіаносці, виходить суміш вихідного урану і кінцевого речовини, результату ділення. На даний момент це вважається твердими радіоактивними відходами і стоїть гостре питання, як їх захоронювати так, щоб вони не забруднили довкілля. Однак є ймовірність, що в недалекому майбутньому вже готові концентровані радіоактивні речовини (наприклад, полоній), будуть добувати з цих відходів.
