Artikel tersebut menceritakan tentang pembelahan nuklear, bagaimana proses ini ditemui dan diterangkan. Penggunaannya sebagai sumber tenaga dan senjata nuklear didedahkan.
Atom "Tidak boleh dibahagikan"
Abad kedua puluh satu penuh dengan ungkapan seperti "tenaga atom", "teknologi nuklear", "sisa radioaktif". Sesekali dalam tajuk akhbar, mesej kilat tentang kemungkinan pencemaran radioaktif di tanah, lautan, ais Antartika. Walau bagaimanapun, orang biasa sering tidak mempunyai idea yang baik tentang bidang sains ini dan bagaimana ia membantu dalam kehidupan seharian. Ia bernilai bermula, mungkin, dengan sejarah. Dari soalan pertama, yang ditanya oleh orang yang cukup makan dan berpakaian, dia berminat dengan cara dunia berfungsi. Bagaimana mata melihat, mengapa telinga mendengar, bagaimana air berbeza dari batu - inilah yang membimbangkan orang bijak sejak dahulu lagi. Malah di India dan Greece purba, sesetengah minda ingin tahu mencadangkan bahawa terdapat zarah minimum (ia juga dipanggil "tidak boleh dibahagikan") yang mempunyai sifat-sifat bahan. Ahli kimia zaman pertengahan mengesahkan tekaan orang bijak, dan takrifan moden atom adalah seperti berikut: atom ialah zarah terkecil bahan yang merupakan pembawa sifat-sifatnya.
Bahagian atom
Namun, perkembangan teknologi (dalamkhususnya, fotografi) telah membawa kepada fakta bahawa atom tidak lagi dianggap sebagai zarah jirim yang paling kecil. Dan walaupun satu atom adalah neutral secara elektrik, saintis segera menyedari bahawa ia terdiri daripada dua bahagian dengan cas yang berbeza. Bilangan bahagian bercas positif mengimbangi bilangan bahagian negatif, jadi atom kekal neutral. Tetapi tidak ada model atom yang jelas. Memandangkan fizik klasik masih mendominasi dalam tempoh itu, pelbagai andaian telah dibuat.
Model atom
Pada mulanya, model "gulung kismis" telah dicadangkan. Caj positif, seolah-olah, memenuhi seluruh ruang atom, dan caj negatif diedarkan di dalamnya, seperti kismis dalam roti. Eksperimen terkenal Rutherford menentukan perkara berikut: unsur yang sangat berat dengan cas positif (nukleus) terletak di tengah atom, dan elektron yang lebih ringan terletak di sekelilingnya. Jisim nukleus adalah ratusan kali lebih berat daripada jumlah semua elektron (ia adalah 99.9 peratus daripada jisim keseluruhan atom). Oleh itu, model planet Bohr tentang atom dilahirkan. Walau bagaimanapun, beberapa unsurnya bercanggah dengan fizik klasik yang diterima ketika itu. Oleh itu, mekanik kuantum baharu telah dibangunkan. Dengan penampilannya, zaman sains bukan klasik bermula.
Atom dan radioaktiviti
Dari semua perkara di atas, menjadi jelas bahawa nukleus ialah bahagian atom yang berat dan bercas positif, yang membentuk sebahagian besarnya. Apabila kuantisasi tenaga dan kedudukan elektron dalam orbit atom difahami dengan baik, sudah tiba masanya untuk memahamisifat nukleus atom. Radioaktiviti yang bijak dan ditemui secara tidak dijangka datang untuk menyelamatkan. Ia membantu mendedahkan intipati bahagian tengah atom yang berat, kerana sumber radioaktiviti adalah pembelahan nuklear. Pada pergantian abad kesembilan belas dan kedua puluh, penemuan hujan turun satu demi satu. Penyelesaian teori bagi satu masalah memerlukan eksperimen baharu. Keputusan eksperimen menimbulkan teori dan hipotesis yang perlu disahkan atau disangkal. Selalunya penemuan terhebat telah berlaku hanya kerana itulah cara formula menjadi mudah untuk dikira (seperti, sebagai contoh, kuantum Max Planck). Walaupun pada awal era fotografi, saintis tahu bahawa garam uranium menyalakan filem fotosensitif, tetapi mereka tidak mengesyaki bahawa pembelahan nuklear adalah asas fenomena ini. Oleh itu, radioaktiviti dikaji untuk memahami sifat pereputan nuklear. Jelas sekali, sinaran itu dihasilkan oleh peralihan kuantum, tetapi tidak sepenuhnya jelas yang mana. The Curies melombong radium dan polonium tulen, bekerja hampir dengan tangan dalam bijih uranium, untuk menjawab soalan ini.
Caj sinaran radioaktif
Rutherford melakukan banyak perkara untuk mengkaji struktur atom dan menyumbang kepada kajian tentang bagaimana pembelahan nukleus atom berlaku. Saintis itu meletakkan sinaran yang dipancarkan oleh unsur radioaktif dalam medan magnet dan mendapat hasil yang menakjubkan. Ternyata sinaran terdiri daripada tiga komponen: satu neutral, dan dua lagi bercas positif dan negatif. Kajian pembelahan nuklear bermula dengan definisinyakomponen. Telah terbukti bahawa nukleus boleh membahagi, melepaskan sebahagian daripada cas positifnya.
Struktur nukleus
Kemudian ternyata nukleus atom bukan sahaja terdiri daripada zarah bercas positif proton, tetapi juga zarah neutral neutron. Bersama-sama mereka dipanggil nukleon (dari bahasa Inggeris "nucleus", nukleus). Walau bagaimanapun, saintis sekali lagi menghadapi masalah: jisim nukleus (iaitu, bilangan nukleon) tidak selalu sepadan dengan cajnya. Dalam hidrogen, nukleus mempunyai caj +1, dan jisim boleh menjadi tiga, dan dua, dan satu. Helium seterusnya dalam jadual berkala mempunyai cas nuklear +2, manakala nukleusnya mengandungi dari 4 hingga 6 nukleon. Unsur yang lebih kompleks boleh mempunyai lebih banyak jisim berbeza untuk cas yang sama. Variasi atom sedemikian dipanggil isotop. Selain itu, beberapa isotop ternyata agak stabil, sementara yang lain cepat reput, kerana ia dicirikan oleh pembelahan nuklear. Apakah prinsip yang sepadan dengan bilangan nukleon bagi kestabilan nukleus? Mengapakah penambahan hanya satu neutron kepada nukleus yang berat dan agak stabil membawa kepada pembelahannya, kepada pembebasan radioaktiviti? Anehnya, jawapan kepada soalan penting ini masih belum ditemui. Secara empirik, ternyata konfigurasi stabil nukleus atom sepadan dengan jumlah proton dan neutron tertentu. Jika terdapat 2, 4, 8, 50 neutron dan/atau proton dalam nukleus, maka nukleus pasti akan stabil. Nombor ini juga dipanggil sihir (dan saintis dewasa, ahli fizik nuklear, memanggil mereka itu). Oleh itu, pembelahan nukleus bergantung kepada jisimnya, iaitu, pada bilangan nukleon yang termasuk di dalamnya.
Jatuhkan, cangkang, kristal
Tidak mungkin untuk menentukan faktor yang bertanggungjawab terhadap kestabilan teras pada masa ini. Terdapat banyak teori tentang model struktur atom. Tiga yang paling terkenal dan maju sering bercanggah antara satu sama lain dalam pelbagai isu. Menurut yang pertama, nukleus adalah titisan cecair nuklear khas. Seperti air, ia dicirikan oleh kecairan, ketegangan permukaan, penyatuan dan pereputan. Dalam model cangkang, terdapat juga tahap tenaga tertentu dalam nukleus, yang diisi dengan nukleon. Yang ketiga menyatakan bahawa teras adalah medium yang mampu membiaskan gelombang khas (de Broglie), manakala indeks biasan ialah tenaga keupayaan. Walau bagaimanapun, belum ada model yang dapat menerangkan sepenuhnya mengapa, pada jisim kritikal tertentu unsur kimia tertentu ini, pembelahan nuklear bermula.
Begitukah perpisahan
Radioaktiviti, seperti yang dinyatakan di atas, didapati dalam bahan yang boleh didapati di alam semula jadi: uranium, polonium, radium. Contohnya, uranium tulen yang baru dilombong adalah radioaktif. Proses pemisahan dalam kes ini akan menjadi spontan. Tanpa sebarang pengaruh luar, sebilangan atom uranium tertentu akan mengeluarkan zarah alfa, secara spontan bertukar menjadi torium. Terdapat penunjuk yang dipanggil separuh hayat. Ia menunjukkan untuk tempoh masa dari nombor awal bahagian kira-kira separuh akan kekal. Bagi setiap unsur radioaktif, separuh hayat adalah berbeza - daripada pecahan sesaat untuk Californiaratusan ribu tahun untuk uranium dan cesium. Tetapi terdapat juga radioaktiviti paksa. Jika nukleus atom dihujani dengan proton atau zarah alfa (nukleus helium) dengan tenaga kinetik yang tinggi, ia boleh "berpecah". Mekanisme transformasi sudah tentu berbeza dengan pasu kegemaran ibu dipecahkan. Walau bagaimanapun, terdapat analogi tertentu.
Tenaga Atom
Setakat ini, kami belum menjawab soalan praktikal: dari mana datangnya tenaga semasa pembelahan nuklear. Sebagai permulaan, perlu dijelaskan bahawa semasa pembentukan nukleus, kuasa nuklear khas bertindak, yang dipanggil interaksi kuat. Memandangkan nukleus terdiri daripada banyak proton positif, persoalannya kekal bagaimana ia melekat bersama, kerana daya elektrostatik mesti menolaknya dari satu sama lain dengan agak kuat. Jawapannya adalah mudah dan tidak pada masa yang sama: nukleus disatukan oleh pertukaran yang sangat pantas antara nukleon zarah khas - pi-meson. Hubungan ini hidup sangat singkat. Sebaik sahaja pertukaran pi-meson berhenti, nukleus akan mereput. Ia juga diketahui dengan pasti bahawa jisim nukleus adalah kurang daripada jumlah semua nukleon konstituennya. Fenomena ini dipanggil kecacatan jisim. Malah, jisim yang hilang adalah tenaga yang dibelanjakan untuk mengekalkan integriti nukleus. Sebaik sahaja beberapa bahagian dipisahkan daripada nukleus atom, tenaga ini dibebaskan dan ditukar kepada haba dalam loji kuasa nuklear. Iaitu, tenaga pembelahan nuklear adalah demonstrasi jelas formula Einstein yang terkenal. Ingat bahawa formula mengatakan: tenaga dan jisim boleh bertukar menjadi satu sama lain (E=mc2).
Teori dan amalan
Sekarang kami akan memberitahu anda bagaimana penemuan teori semata-mata ini digunakan dalam kehidupan untuk menghasilkan gigawatt elektrik. Pertama, perlu diperhatikan bahawa tindak balas terkawal menggunakan pembelahan nuklear paksa. Selalunya ia adalah uranium atau polonium, yang dihujani oleh neutron pantas. Kedua, adalah mustahil untuk tidak memahami bahawa pembelahan nuklear disertai dengan penciptaan neutron baru. Akibatnya, bilangan neutron dalam zon tindak balas boleh meningkat dengan cepat. Setiap neutron berlanggar dengan nukleus baru yang masih utuh, membelahnya, yang membawa kepada peningkatan pelepasan haba. Ini adalah tindak balas rantai pembelahan nuklear. Peningkatan yang tidak terkawal dalam bilangan neutron dalam reaktor boleh menyebabkan letupan. Inilah yang berlaku pada tahun 1986 di loji kuasa nuklear Chernobyl. Oleh itu, dalam zon tindak balas sentiasa ada bahan yang menyerap lebihan neutron, menghalang malapetaka. Ia adalah grafit dalam bentuk batang panjang. Kadar pembelahan nuklear boleh diperlahankan dengan merendam rod dalam zon tindak balas. Persamaan tindak balas nuklear disusun khusus untuk setiap bahan radioaktif aktif dan zarah yang mengebomnya (elektron, proton, zarah alfa). Walau bagaimanapun, keluaran tenaga akhir dikira mengikut undang-undang pemuliharaan: E1+E2=E3+E4. Iaitu, jumlah tenaga nukleus dan zarah asal (E1 + E2) mestilah sama dengan tenaga nukleus yang terhasil dan tenaga yang dibebaskan dalam bentuk bebas (E3 + E4). Persamaan tindak balas nuklear juga menunjukkan jenis bahan yang diperoleh hasil daripada pereputan. Contohnya, untuk uranium U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Isotop unsur tidak disenaraikan di sini.namun, ini penting. Sebagai contoh, terdapat sebanyak tiga kemungkinan untuk pembelahan uranium, di mana isotop plumbum dan neon yang berbeza terbentuk. Dalam hampir seratus peratus kes, tindak balas pembelahan nuklear menghasilkan isotop radioaktif. Iaitu, pereputan uranium menghasilkan torium radioaktif. Torium boleh mereput kepada protaktinium, itu kepada aktinium, dan sebagainya. Kedua-dua bismut dan titanium boleh menjadi radioaktif dalam siri ini. Malah hidrogen, yang mengandungi dua proton dalam nukleus (pada kadar satu proton), dipanggil secara berbeza - deuterium. Air yang terbentuk dengan hidrogen sedemikian dipanggil air berat dan mengisi litar utama dalam reaktor nuklear.
Atom yang tidak aman
Ungkapan seperti "perlumbaan senjata", "perang dingin", "ancaman nuklear" mungkin kelihatan bersejarah dan tidak relevan kepada orang moden. Tetapi suatu ketika dahulu, setiap siaran berita hampir di seluruh dunia disertakan dengan laporan tentang berapa banyak jenis senjata nuklear yang dicipta dan cara menanganinya. Orang ramai membina kubu bawah tanah dan menyimpan stok sekiranya musim sejuk nuklear. Seluruh keluarga bekerja untuk membina tempat perlindungan. Malah penggunaan aman tindak balas pembelahan nuklear boleh membawa kepada bencana. Nampaknya Chernobyl mengajar manusia untuk berhati-hati di kawasan ini, tetapi unsur-unsur planet ini ternyata lebih kuat: gempa bumi di Jepun merosakkan kubu yang sangat dipercayai loji tenaga nuklear Fukushima. Tenaga tindak balas nuklear adalah lebih mudah digunakan untuk pemusnahan. Ahli teknologi hanya perlu mengehadkan kuasa letupan, supaya tidak memusnahkan seluruh planet secara tidak sengaja. Bom yang paling "berperikemanusiaan", jika anda boleh memanggilnya begitu, jangan mencemarkan persekitaran dengan radiasi. Secara umum, mereka paling kerap menggunakantindak balas berantai yang tidak terkawal. Apa yang mereka cuba elakkan di loji tenaga nuklear dengan segala cara dicapai dalam bom dengan cara yang sangat primitif. Bagi mana-mana unsur radioaktif semula jadi, terdapat jisim kritikal bahan tulen tertentu di mana tindak balas berantai dilahirkan dengan sendirinya. Untuk uranium, sebagai contoh, ia hanya lima puluh kilogram. Memandangkan uranium sangat berat, ia hanyalah sebiji bola logam kecil dengan diameter 12-15 sentimeter. Bom atom pertama yang dijatuhkan di Hiroshima dan Nagasaki dibuat mengikut prinsip ini: dua bahagian uranium tulen yang tidak sama rata digabungkan dan menghasilkan letupan yang menakutkan. Senjata moden mungkin lebih canggih. Walau bagaimanapun, seseorang tidak harus melupakan jisim kritikal: mesti ada halangan antara isipadu kecil bahan radioaktif tulen semasa penyimpanan, menghalang bahagian daripada bersambung.
Sumber sinaran
Semua unsur dengan cas nuklear lebih daripada 82 adalah radioaktif. Hampir semua unsur kimia yang lebih ringan mempunyai isotop radioaktif. Semakin berat nukleus, semakin pendek hayatnya. Sesetengah unsur (seperti California) hanya boleh diperoleh secara buatan - dengan melanggar atom berat dengan zarah yang lebih ringan, selalunya dalam pemecut. Oleh kerana mereka sangat tidak stabil, mereka tidak wujud di kerak bumi: semasa pembentukan planet, mereka sangat cepat hancur menjadi unsur lain. Bahan dengan nukleus yang lebih ringan, seperti uranium, boleh dilombong. Proses ini panjang, uranium sesuai untuk pengekstrakan, walaupun dalam bijih yang sangat kaya, mengandungi kurang daripada satu peratus. cara ketiga,mungkin menunjukkan bahawa zaman geologi baru telah pun bermula. Ini adalah pengekstrakan unsur radioaktif daripada sisa radioaktif. Selepas bahan api dibelanjakan di loji kuasa, di kapal selam atau kapal pengangkut pesawat, campuran uranium asal dan bahan akhir, hasil pembelahan, diperolehi. Pada masa ini, ini dianggap sisa radioaktif pepejal dan terdapat persoalan akut bagaimana untuk membuangnya supaya ia tidak mencemarkan alam sekitar. Walau bagaimanapun, berkemungkinan dalam masa terdekat, bahan radioaktif pekat siap sedia (contohnya, polonium) akan dilombong daripada bahan buangan ini.
