Nuclear fission: ang proseso ng paghahati ng atomic nucleus. Reaksyon ng Nuclear

Ang artikulo ay nagsasabi kung paano ang nuclear fission ay, kung paano natuklasan at inilarawan ang prosesong ito. Inihayag nito ang paggamit nito bilang pinagkukunan ng enerhiya at mga sandatang nuklear.

"Di-mabibilang" na atom

Ang dalawampu't unang siglo ay puno ng mga ekspresyon tulad ng "enerhiya ng atom", "teknolohiyang nuklear", "radioactive waste". Ang bawat ngayon at pagkatapos ay mga headline ng pahayagan ay nagpapakita ng mga mensahe tungkol sa posibilidad ng radyasyon ng lupa, karagatan, yelo ng Antarctic. Gayunpaman, ang isang ordinaryong tao ay kadalasang hindi naisip ng mabuti kung anong uri ng lugar ng agham at kung paano ito nakakatulong sa pang-araw-araw na buhay. Mahalagang magsimula, marahil, sa kasaysayan. Mula sa unang tanong na tinanong ng isang mahusay na pagkain at bihis na tao, interesado siya sa kung paano gumagana ang mundo. Tulad ng nakikita ng mata, bakit nakakarinig siya ng tainga, kaysa sa tubig ay naiiba mula sa bato - iyon ang nag-aalala sa mga sage mula pa sa simula. Bumalik sa sinaunang India at Gresya, ang ilang mga matanong na isip ay ipinapalagay na mayroong isang maliit na maliit na butil (tinatawag ding "hindi mahahati") na nagtataglay ng mga katangian ng materyal. Ang mga medyebal na chemists ay nakumpirma na ang hula ng matalino, at ang modernong kahulugan ng atom ay ang mga sumusunod: ang isang atom ay ang pinakamaliit na butil ng isang sangkap na ang tagadala ng mga katangian nito.

Mga bahagi ng atom

Gayunpaman, ang pagpapaunlad ng teknolohiya (lalo na, photography) ay humantong sa ang katunayan na ang atom ay tumigil na isaalang-alang ang pinakamaliit na posibleng maliit na butil ng bagay. At kahit na ang isang solong atom ay neutral na de koryente, mabilis na natanto ng mga siyentipiko na binubuo ito ng dalawang bahagi na may iba't ibang mga singil. Ang bilang ng mga positibong sisingilin ng mga bahagi ay nagpapabayad para sa bilang ng mga negatibong particle, kaya ang atom ay nananatiling neutral. Ngunit wala nang single-valued na modelo ng atom. Yamang sa panahong iyon dominado pa rin ang klasikal na pisika, iba't ibang pagpapalagay ay ginawa.

Mga modelo ng Atom

Sa simula, ang isang "pasasalamat" na modelo ay iminungkahi. Ang positibong pagsingil ay tila punan ang buong espasyo ng atom, at sa loob nito, tulad ng mga pasas sa isang tinapay, ang mga negatibong singil ay ipinamamahagi. Ang sikat na karanasan ni Rutherford ay tinutukoy ang mga sumusunod: sa sentro ng atom ay isang mabigat na elemento na may positibong singil (nucleus), at sa paligid nito ay may mas magaan na mga elektron. Ang masa ng nucleus ay daan-daang beses na mas mabigat kaysa sa kabuuan ng lahat ng mga electron (ito ay 99.9 porsiyento ng masa ng buong atom). Kaya, ipinanganak ang planeta modelo ng Bohr atom. Gayunman, ang ilan sa mga elemento nito ay nagkakontra sa klasikal na pisika na tinanggap noong panahong iyon. Samakatuwid, ang isang bagong, quantum mekanika ay binuo. Sa paglitaw nito, nagsimula ang di-klasikal na panahon ng agham.

Atom at radyaktibidad

Mula sa lahat na nasabi sa itaas, nagiging malinaw na ang nucleus ay isang mabigat, positibo na sisingilin na bahagi ng atom, na bumubuo nito nang malaki. Kapag ang quantization ng enerhiya at posisyon ng mga electron sa orbit ng atom ay mahusay na pinag-aralan, oras na upang maunawaan ang likas na katangian ng atomic nucleus. Sa tulong ay dumating ang mapanlikha at hindi inaasahang bukas na radyaktibidad. Nakatulong ito upang ipakita ang kakanyahan ng mabigat na gitnang bahagi ng atom, yamang ang pinagmulan ng radyaktibidad ay ang fission ng nuclei. Sa turn ng ikalabinsiyam at ikadalawampu siglo, ang mga pagtuklas ay nahulog nang isa-isa. Ang panteorya na solusyon ng isang suliranin ay sanhi ng pangangailangan na magtakda ng mga bagong eksperimento. Ang mga resulta ng mga eksperimento ay nakabuo ng mga teorya at mga pagpapalagay na kailangan upang kumpirmahin o iwasto. Kadalasan ang mga pinakadakilang tuklas ay lumitaw dahil lamang sa ganitong paraan na ang formula ay naging maginhawa para sa mga kalkulasyon (bilang, halimbawa, ang Max Planck quantum). Kahit na sa simula ng panahon, nalalaman ng mga siyentipiko na ang mga uraniyum na asin ay may liwanag na isang potosensitibo na pelikula, ngunit hindi nila pinaghihinalaan na ang nuclear fission ay nasa gitna ng hindi pangkaraniwang bagay na ito. Samakatuwid, pinag-aralan ang radyaktibidad upang maunawaan ang kalikasan ng pagkabulok ng nucleus. Maliwanag, ang radiation ay nalikha sa pamamagitan ng mga transition sa kabuuan, ngunit hindi ito ganap na malinaw kung ano ang eksaktong. Ang mag-asawa ng Curie ay nagtitinda ng malinis na radyum at poloniyum, sa halos manu-manong pagproseso ng uraniyum ng mineral upang makakuha ng sagot sa tanong na ito.

Ang singil ng radioactive radiation

Ginawa ni Rutherford ang pag-aaral ng istraktura ng atomo at nag-ambag sa pag-aaral kung paano tumatakbo ang fission ng atomic nucleus. Inilagay ng siyentipiko ang radiation na ibinuga ng radioactive element sa isang magnetic field at nakatanggap ng kamangha-manghang resulta. Ito ay nabuo na ang radiation ay binubuo ng tatlong mga sangkap: ang isa ay neutral, at dalawa pa - positibo at negatibong sisingilin. Ang pag-aaral ng nuclear fission ay nagsimula sa pagpapasiya ng mga bahagi nito. Ito ay pinatunayan na ang nucleus ay maaaring hatiin, bigyan ang ilan sa kanyang positibong bayad.

Ang istruktura ng nucleus

Pagkaraan ay nalaman na ang atomic nucleus ay binubuo hindi lamang ng mga positibong sisingilin ng mga particle ng mga proton, kundi pati na rin ang neutral na mga particle ng mga neutron. Ang lahat ng mga ito ay tinatawag na nucleons (mula sa Ingles na "nucleus", ang nucleus). Gayunpaman, muli ng mga siyentipiko ang isang problema: ang masa ng nucleus (ibig sabihin, ang bilang ng mga nucleon) ay hindi laging 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 pagsingil ay sinusundan ng singil ng nucleus +2 sa periodic table ng helium, habang ang core nito ay naglalaman ng 4 hanggang 6 nucleons. Ang mas kumplikadong elemento ay maaaring magkaroon ng mas malaking bilang ng iba't ibang masa na may parehong bayad. Ang mga pagkakaiba-iba ng mga atomo ay tinatawag na isotopes. At ang ilang isotopes ay napatunayang matatag, samantalang ang iba ay mabilis na nabuwag, dahil ang katangian ng nuclear fission ay para sa kanila. Sa anu-anong prinsipyo ang katumbas ng bilang ng nukleon sa katatagan ng nukleyar? Bakit ang isang karagdagan ng isang neutron sa isang mabigat at ganap na matatag na nucleus ang humantong sa paghati nito, sa pagpapalabas ng radyaktibidad? Kakaibang sapat, ang sagot sa mahalagang tanong na ito ay hindi pa natagpuan. Na-eksperimento na itinatag ang matatag na mga pagsasaayos ng atomic nuclei na tumutugma sa ilang halaga ng mga proton at neutron. Kung sa nucleus 2, 4, 8, 50 neutrons at / o mga proton, ang nucleus ay magiging unambiguously matatag. Ang mga numerong ito ay tinatawag ding mahiwagang (at pinangalanan sila ng mga siyentipiko sa pang-adulto, mga nukleyar na physicist). Kaya, ang fission ng nuclei ay nakasalalay sa kanilang masa, ibig sabihin, sa bilang ng mga nucleon na pumapasok sa kanila.

Drop, shell, kristal

Tukuyin ang kadahilanan na responsable para sa katatagan ng kernel, sa sandaling ito ay hindi posible. Maraming mga teorya ng modelo ng istraktura ng atom. Ang tatlong pinaka sikat at may-akda ay madalas na magkasalungat sa bawat isa sa iba't ibang mga bagay. Ayon sa una, ang nucleus ay isang drop ng isang espesyal na nuclear likido. Tulad ng tubig, ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng pagkalikido, pag-igting, pagsasanib at pagkabulok. Sa modelo ng shell sa core, masyadong, may mga tiyak na antas ng enerhiya na puno ng mga nucleon. Ang ikatlong pahayag na ang core ay isang kapaligiran na may kakayahang refracting special waves (de Broglie), habang ang repraktibo index ay ang potensyal na enerhiya. Gayunpaman, wala pang modelo ang nakapagbigay ng lubos na paglalarawan kung bakit, sa isang tiyak na kritikal na masa ng partikular na elementong kemikal na ito, nagsisimula ang paghahati ng nucleus.

Ano ang breakdown

Ang radyaktibidad, tulad ng nabanggit sa itaas, ay natagpuan sa mga sangkap na maaaring matagpuan sa likas na katangian: uranium, polonium, radium. Halimbawa, ang bagong minahan, ang purong yureyniyum ay radioactive. Ang proseso ng paghahati sa kasong ito ay kusang-loob. Nang walang anumang mga panlabas na impluwensya, ang isang tiyak na bilang ng mga atoms ng uraniyo ay naglalabas ng mga particle ng alpha, spontaneously transforming sa thorium. May isang indicator na tinatawag na half-life. Ipinapakita nito, para sa kung anong agwat ng oras mula sa isang paunang bilang ng isang bahagi ay magkakaroon ng humigit-kumulang kalahati. Para sa bawat radioactive elemento, ang kalahating buhay nito ay mula sa mga fraction ng isang segundo para sa California hanggang daan-daang libong taon para sa uranium at cesium. Ngunit mayroon ding sapilitang radioactivity. Kung ang atomic nuclei ay bombarded sa mga proton o alpha particle (helium nuclei) na may mataas na kinetiko na enerhiya, maaari nilang "hatiin". Siyempre, ang mekanismo ng pagbabagong-anyo ay iba sa kung paano nasira ang plorera ng minamahal na ina. Gayunpaman, ang ilang mga pagkakatulad ay sinusubaybayan.

Ang enerhiya ng atom

Sa ngayon hindi namin nasagot ang praktikal na tanong: kung saan ang enerhiya ay tumatagal ng fission ng nucleus? Upang magsimula, kailangan nating linawin na kapag ang isang nucleus form, ang mga espesyal na pwersa ng nukleyar ay nagpapatakbo, na tinatawag na malakas na pakikipag-ugnayan. Dahil ang core ay binubuo ng isang hanay ng mga positibong proton, ang tanong ay nananatiling kung paano magkatabi ang mga ito, dahil ang mga puwersa ng electrostatic ay dapat na mahigpit na maitaboy ang mga ito mula sa bawat isa. Ang sagot ay parehong simple at hindi: ang nucleus ay pinanatili sa kapinsalaan ng napakabilis na palitan sa pagitan ng mga nucleon sa pamamagitan ng mga espesyal na particle-pi-meson. Ang buhay na ito ay buhay na hindi gaanong nakakaalam. Sa sandaling tumigil ang palitan ng pions, ang nucleus decays. Alam din na ang core mass ay mas maliit kaysa sa kabuuan ng lahat ng mga constituent nucleons nito. Ang kababalaghang ito ay tinatawag na depekto ng masa. Sa katunayan, ang nawawalang masa ay ang enerhiya na ginugol sa pagpapanatili ng integridad ng core. Sa sandaling ang isang bahagi ng atom nucleus ay pinaghiwalay, ang enerhiya na ito ay inilabas at convert sa init sa mga nuclear power plant. Iyon ay, ang enerhiya ng nuclear fission ay isang visual na pagtatanghal ng sikat na formula ni Einstein. Tandaan, ang formula ay nagsasaad: ang enerhiya at masa ay maaaring ma-convert sa bawat isa (E = mc ² ).

Teorya at Practice

Ngayon, pag-usapan natin kung paano ito ginagamit sa buhay ng teoretikal na pagtukoy sa buhay upang makabuo ng gigawatts ng kuryente. Una, kailangang tandaan na sa kontroladong mga reaksyon, ginamit ang sapilitang nuclear fission. Kadalasan, ito ay uraniyo o poloniyum, na kung saan ay bombarded ng mabilis neutrons. Pangalawa, ang isa ay hindi maaaring hindi maintindihan na ang fission ng nuclei ay sinamahan ng paglikha ng mga bagong neutrons. Bilang resulta, ang bilang ng mga neutron sa reaksyong zone ay maaaring lumago nang napakabilis. Ang bawat neutron ay nagtagumpay sa mga bagong, pa rin ang buong nuclei, na bumabagsak sa kanila, na humahantong sa isang pagtaas sa pagpapalabas ng init. Ito ang kadena reaksyon ng nuclear fission. Ang walang kontrol na paglago sa bilang ng mga neutrons sa reaktor ay maaaring humantong sa isang pagsabog. Ito ang nangyari noong 1986 sa Chernobyl nuclear power plant. Samakatuwid, sa zone ng reaksyon, laging may isang sangkap na sumisipsip ng sobrang neutron, na pumipigil sa isang malaking sakuna. Ito ay grapayt sa anyo ng mahahabang pamalo. Ang fission rate ng nuclei ay maaaring pinabagal sa pamamagitan ng paglulubog sa mga baras sa zone ng reaksyon. Ang eksaktong equation ng reaksyon ay partikular na ginawa para sa bawat aktibong radioactive substance at ang mga particle nito ay bombarding ito (mga electron, proton, alpha particle). Gayunpaman, ang huling output ng enerhiya ay kinakalkula alinsunod sa batas ng konserbasyon: E1 + E2 = E3 + E4. Iyon ay, ang kabuuang enerhiya ng unang nucleus at ang butil (E1 + E2) ay dapat na katumbas ng enerhiya ng nagresultang nucleus at ang enerhiya na liberated sa libreng form (E3 + E4). Ang equation ng reaksyong nuclear ay nagpapakita rin kung anong substansiya ang ginawa bilang resulta ng pagkabulok. Halimbawa, para sa uranium U = Th + Siya, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Hindi ipinakita ang isotopes ng mga kemikal na elemento, ngunit mahalaga ito. Halimbawa, maraming bilang ng tatlong posibilidad para sa paglabas ng uranium, kung saan nabuo ang iba't ibang isotopes ng lead at neon. Sa halos isang daang porsyento ng mga kaso, ang reaksiyon ng nuclear fission ay nagbubunga ng mga radioactive isotopes. Iyon ay, ang pagbulok ng uraniyo ay gumagawa ng radioactive thorium. Ang Thorium ay maaaring matunaw sa protactinium, na - sa actinia, at iba pa. Ang radioactive sa seryeng ito ay maaaring maging parehong bismuth at titan. Kahit ang hydrogen, na naglalaman ng dalawang protons sa nucleus (sa rate ng isang proton), ay tinatawag na naiiba - deuterium. Ang tubig na nabuo na may ganitong hydrogen ay tinatawag na mabigat at pumupuno sa unang circuit sa mga nuclear reactor.

Di-mapayapang atom

Ang mga expression na "arm race", "cold war", "nuclear threat" sa modernong tao ay maaaring mukhang makasaysayang at walang katuturan. Ngunit sa isang pagkakataon, ang bawat isyu ng balita halos lahat ng dako ng mundo ay sinamahan ng mga ulat tungkol sa kung gaano karaming mga uri ng mga armas nuklear ang naimbento at kung paano haharapin ito. Ang mga tao ay nagtayo ng mga bunker sa ilalim ng lupa at gumawa ng mga suplay sa panahon ng isang taglamig na nuklear. Buong pamilya ang nagtatrabaho upang magtatag ng asylum. Kahit na ang mapayapang paggamit ng reaksyon ng nuclear fission ay maaaring humantong sa sakuna. Tila na itinuro ni Chernobyl ang sangkatauhan sa katumpakan sa lugar na ito, ngunit ang mga elemento ng planeta ay naging mas malakas: ang lindol sa Japan ay nasira sa pamamagitan ng napaka-maaasahang pagpapalakas ng Fukushima nuclear power plant. Ang enerhiya ng reaksyong nukleyar ay mas madaling gamitin para sa pagkawasak. Kailangan lamang ng mga teknologo na limitahan ang lakas ng pagsabog, upang hindi na sirain ang buong planeta nang hindi sinasadya. Ang pinaka-"makatao" na mga bomba, kung maaari silang tawagin ito, ay hindi magdumi sa lugar na may radiation. Sa pangkalahatan, sila ay madalas na gumagamit ng isang walang kontrol na reaksyon ng kadena. Ang sinisikap nilang maiwasan sa mga istasyon ng nuclear power ay bombarded sa isang napaka primitive na paraan. Para sa anumang natural na radioactive elemento, mayroong ilang mga kritikal na masa ng purong bagay kung saan ang kadena reaksyon ay binuo sa pamamagitan ng mismo. Para sa uranium, halimbawa, ito ay limampung kilo lamang. Dahil ang uranium ay lubhang mabigat, ito ay isang maliit na metal ball na 12-15 sentimetro ang lapad. Ang mga unang atomic bomb na bumaba sa Hiroshima at Nagasaki ay ginawa nang tumpak sa prinsipyong ito: dalawang hindi pantay na mga bahagi ng purong yureyniyum ang konektado lamang at nagbigay ng isang nakasisindak na pagsabog. Ang mga modernong sandata ay marahil mas kumplikado. Gayunpaman, hindi ito dapat malimutan tungkol sa kritikal na masa: sa pagitan ng maliliit na volume ng dalisay na materyal na radioactive sa panahon ng imbakan ay dapat na mga hadlang na hindi pinapayagan upang kumonekta sa mga bahagi.

Pinagmumulan ng radiation

Ang lahat ng mga elemento na may singil sa atomic nucleus na higit sa 82 ay radioactive. Halos lahat ng mas magaan na elemento ng kemikal ay may radioactive isotopes. Ang mas mabigat ang core, mas kaunti ang buhay nito. Ang ilang mga elemento (tulad ng California) ay maaari lamang makuha ng artipisyal - sa pamamagitan ng paghagupit ng mga mabibigat atoms na may mas magaan na mga particle, kadalasan sa mga accelerators. Dahil ang mga ito ay napaka hindi matatag, hindi sila umiiral sa crust ng lupa: kapag binuo nila ang planeta, mabilis silang nabuwag sa ibang mga elemento. Ang mga sangkap na may mas magaan na nuclei, tulad ng yureyniyum, ay maaaring makuha. Ang mahabang proseso na ito, na angkop para sa pagmimina ng yureyniyum kahit na sa mga mayaman, ay naglalaman ng mas mababa sa isang porsyento. Ang ikatlong paraan, marahil, ay nagpapahiwatig na ang bagong geological panahon ay nagsimula na. Ito ang pagkuha ng mga radioactive elemento mula sa radioactive waste. Pagkatapos magtrabaho off ang gasolina sa isang istasyon ng kapangyarihan, sa isang submarino o sasakyang panghimpapawid carrier, ang isang timpla ng paunang uraniyo at ang pangwakas na substansiya, ang resulta ng fission, ay nakuha. Sa sandaling ito ay itinuturing na solid na radioactive na basura at ito ay isang kagyat na tanong kung paano itatapon ang mga ito upang hindi nila marumihan ang kapaligiran. Gayunpaman, malamang na sa malapit na hinaharap na naka-concentrate ang mga radioactive substance (halimbawa, polonium) ay nakukuha mula sa mga basura na ito.