Fisjon: prosessen av fisjon. kjernefysiske reaksjoner

Artikkelen forteller om hva en fisjon som prosessen har blitt oppdaget og beskrevet. Avslører sin bruk som en kilde til energi og kjernefysiske våpen.

"Udelelig" atom

Tjue første tallet er fylt med slike uttrykk som "atom-energi", "nuclear teknologi", "radioaktivt avfall". Hver nå og da overskriftene blinket rapporter om muligheten for radioaktiv forurensning av jord, hav, Antarktis. Men vanlige folk er ofte ikke veldig god idé av hva området av vitenskap og hvordan det hjelper i hverdagen. Du bør starte, kanskje, med historiene. Fra den aller første spørsmålet, som spurte en godt matet og velkledd mann, han ønsket å vite hvordan verden fungerer. Hvordan øyet ser, hører øret hvorfor enn vann skiller seg fra steinen - det er det vismenn fra uminnelige tider omsorg. Selv i det gamle India og Hellas, har noen spørrende sinn antydet at det er et minimum partikkel (det er også kalt "udelelig"), med egenskapene til materialet. Middelalder kjemikere bekreftet antar vise og de moderne definisjonen atom omfatte et atom - den minste partikkel av et stoff som er en bærer av egenskaper.

atom deler

Imidlertid har utviklingen av teknologi (f.eks fotografier) førte til atomet opphørte å være minst mulig partikkel substans. Selv om det tas separat atom er elektrisk nøytralt, har forskere raskt at: den består av to deler med forskjellige ladninger. Antallet av positivt ladede enheter antall negative kompenserer således forblir nøytralt atom. Men det var ingen entydig atommodell. Siden den gang fortsatt dominert av klassisk fysikk, at det var ulike forutsetninger.

atommodell

I første omgang ble modellen av "hvitt brød med rosiner" foreslått. Den positive ladning som den fyller hele rommet i atomet og det, som rosiner i en bolle, blir negative ladninger fordelt. De kjente eksperimenter av Rutherford identifisert følgende: er en meget tung element med en positiv ladning (kjernen), og er omgitt med mye lettere elektroner i midten av atom. Kernel vekt på flere hundre ganger tyngre enn summen av alle de elektroner (som er 99,9 vektprosent av de totale atomer). Dermed ble født planetatommodell Bohr. Men noen av elementene motsier akseptert på den tiden av klassisk fysikk. Derfor ble de nye kvantemekanikk utviklet. Med sitt utseende perioden begynte nonclassical vitenskap.

Atomet og radioaktivitet

Fra alle de ovenfor blir det klart at kjernen - det er en tung, positivt ladet del av atom, som utgjør størstedelen av den. Når kvantiseringen av energien og posisjonen av et elektron i bane rundt et atom har blitt godt undersøkt, er det på tide å forstå arten av atomkjernen. Det kom til unnsetning en strålende og uventet funn av radioaktivitet. Det har bidratt til å avsløre kjernen i tung sentrale atom, når det radioaktive kilde - kjernefisjon. Ved begynnelsen av det nittende og tjuende århundre, åpningen falt den ene etter den andre. Teoretisk løsning av ett problem som forårsaker behovet for å sette nye opplevelser. De eksperimentelle resultatene ga opphav til teorier og hypoteser som er nødvendig for å bekrefte eller avkrefte. Ofte er de største funn viste, rett og slett fordi på denne måten formelen er praktisk for databehandling (slik som quantum Max Planck). I begynnelsen av æra av fotografering, forskere visste at uran salter lett kurert lysfølsom film, men de visste ikke at grunnlaget for dette fenomenet er fisjon. Derfor radioaktiviteten ble undersøkt for å forstå innholdet av kjernefysisk forfall. Det er åpenbart at utslipps kvante overganger ble generert, men det var ikke klart hva det er. Chet Curie hentet ren radium og polonium, bearbeiding uranmalm nesten manuelt for å få et svar på dette spørsmålet.

charge stråling

Rutherford har gjort mye for studiet av atom-struktur og bidrar også til å studere hvordan oppdelingen av kjernen av et atom. Scientist sette strålingen fra et radioaktivt element i et magnetisk felt og har en stort resultat. Det viste seg at strålingen består av tre komponenter: en var nøytral og de to andre - positivt og negativt ladet. fisjon studien startet med identifisering av komponentene. Det har blitt bevist at kjernen kan deles opp, for å gi en del av sin positive ladning.

Strukturen av kjernen

Det ble også senere at atomkjernen er sammensatt ikke bare av positivt ladede partikler av protoner, men de nøytrale nøytron partikler. Sammen blir de kalt nukleoner (fra engelsk «kjernen», kjernen). Imidlertid har forskere igjen oppstått et problem: massen av kjernen (dvs. antall nukleoner) ikke alltid svarer til sin kostnad. Y hydrogenkjerne har en ladning på +1, og massen kan være tre, to og ett. Ved å følge den i det periodiske system helium ladning kjerne 2, med sin kjerne inneholder 4 til 6 nukleoner. Mer komplekse elementer kan ha et mye større antall forskjellige masser med samme kostnad. Slike variasjoner av atomer som kalles isotoper. Og noen var ganske stabile isotoper, andre raskt oppløst, fordi for dem var det preget av fisjon. Hvilket grunnlag i samsvar med antall nukleoner stabilitet kjerner? Hvorfor tillegg av bare ett nøytron til tung og ganske stabil kjerne førte til hans split for å slippe av radioaktivitet? Merkelig nok, svaret på dette viktige spørsmålet er ennå ikke funnet. Erfaringsmessig ble det funnet ut at et visst antall protoner og nøytroner svarer til stabile konfigurasjoner av kjerner. Dersom kjernen 2, 4, 8, 50 nøytroner og / eller protoner, kjernen vil entydig stabil. Disse tallene er enda referert til som magisk (og kalte dem som voksne, forskere, kjernefysikk). Således avhenger kjernefisjon av deres masse, det vil si antallet av de utgjørende nukleoner.

Drop, cover, krystall

Bestem faktor som er ansvarlig, var det ikke mulig for øyeblikket for stabiliteten i kjernen. Det finnes mange teorier om atomære strukturmodeller. Tre av de mest kjente og utviklet ofte på kant med hverandre i ulike saker. Den første er at kjerne - en dråpe av spesiell kjerne væske. Når det gjelder vann, er det preget av fluiditet, overflatespenning, sammensmelting og forråtnelse. I skallet modellen i kjernen også, er det visse energinivåer, som er fylt med nukleoner. Den tredje fastslår at kjernen - et medium som er i stand til å bryte bestemt bølgelengde (de Broglie), karakterisert ved at brytningsindeksen - er den potensielle energi. Imidlertid har ingen modell så langt ikke fullt ut beskrive hvorfor på en viss critical mass av denne grunnstoff, splitting av kjernen begynner.

Hva skjer forfall

Radioaktiviteten, som nevnt ovenfor, ble funnet i stoffer som finnes i naturen: uran, polonium, radium. For eksempel er det nylig produsert, rent uran radioaktive. kløyving i dette tilfellet vil være spontan. Uten ytre påvirkning viss mengde av uranatomene avgir alfa-partikler spontant transformert inn thorium. Det er en indikator som kalles halveringstid. Det viser, for en periode av tid fra den første del tallene vil være omtrent halvparten. Hver radioaktivt grunnstoff halveringstid på egen hånd - fra en brøkdel av et sekund til California for å hundretusener av år for uran og cesium. Men det er en tvungen aktivitet. Hvis atomkjernene bombardere protoner eller alfa-partikler (heliumkjerner) med høy kinetisk energi, kan de bli "delt". konvertering mekanisme, selvfølgelig, forskjellig fra hvordan mors favoritt bryter en vase. Imidlertid kan en viss analogi spores.

atomenergi

Så langt har vi ikke svart på praktiske spørsmål: hvor kommer energien i fisjon. For en start er det nødvendig å klargjøre at under dannelsen av kjernen er spesielle kjernekraften, kalt sterk interaksjon. Siden kjernen består av et sett av positive protoner, forblir spørsmålet, hvor de kleber seg sammen, fordi de elektrostatiske krefter som må sterk nok til å avvise dem fra hverandre. Svaret er både enkelt, og det: kjernen holdes på bekostning av svært rask utveksling mellom nukleoner spesielle partikler - pioner. Denne koblingen lever er utrolig liten. Når avsluttet utveksling av pi-mesoner, desintegrerer kjernen. like godt det er kjent at massen av kjernen er mindre enn summen av alle sine bestanddeler nukleoner. Dette fenomenet kalles massen defekten. Faktisk mangler masse - er den energien som er brukt på å opprettholde integriteten av kjernen. Når atskilt fra atomkjernen noen del av denne energien blir produsert i kjernekraftverk og omformet til varme. Det vil si at energien av fisjon - er en klar demonstrasjon av Einsteins berømte formel. Tilbakekalling, leser den formel som: energi og massen kan bli omdannet til hverandre (E = mc ^2).

Teori og praksis

Nå fortelle oss hvordan det brukes rent teoretisk funn i mitt liv for gigawatt elektrisitet. For det første bør det bemerkes at i kontrollerte reaksjoner indusert fisjons benyttes. Oftest er det uran eller polonium, som er bombardert av hurtige nøytroner. Dernest bør det bli forstått at fisjon er ledsaget av etableringen av nye nøytroner. Som et resultat er antallet nøytroner i reaksjonssonen i stand til å vokse meget raskt. Hver nøytron kolliderer med nye, mer hele kjerner, splitter dem, noe som fører til en økning i varmeutvikling. Dette er en kjedereaksjon av kjernefisjon. Ukontrollerte mengder av nøytron økning i reaktoren kan føre til en eksplosjon. Det er hva som skjedde i 1986 ved Tsjernobyl kjernekraftverk. Derfor, i reaksjonssonen er alltid en substans som absorberer overskudds nøytroner for å forhindre en katastrofe. Denne grafitt i form av lange stenger. fisjonsraten kan bli redusert ved å senke stavene i reaksjonssonen. Ligning kjernereaksjonen er laget spesielt for hvert virkestoff og radioaktiv bombardere dens partikler (elektroner, protoner, a-partikler). Imidlertid er den endelige energiproduksjon beregnet i henhold til loven om bevaring: E1 + E2 + E4 E3 =. Det vil si at den totale energien i den opprinnelige kjernepartikkel, og (E1 + E2) skal være lik energien av den resulterende kjerne og den frie energien som frigjøres i form av (+ E3 E4). Ligningen viser også en kjernereaksjon, en substans som ble oppnådd ved spaltning. For eksempel uran U = Th + Han, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Det er ikke gitt isotoper av de kjemiske grunnstoffer, men dette er viktig. For eksempel er det tre muligheter uran fisjon, som produserer forskjellige avlednings isotoper og neon. Nesten hundre prosent av det fisjonsreaksjon frembringer radioaktive isotoper. Det vil si at nedbrytning av uran oppnådd radioaktiv thorium. Thorium er protactinium i stand til å gå i oppløsning, som - til actinium, og så videre. Radioaktiv i denne serien kan være, og vismut, og titan. Selv hydrogenholdig kjerne to protoner (ved en hastighet på ett proton), ellers kalt - deuterium. Vannet som ble dannet med hydrogen kalt tunge og fyller den første krets i en kjernereaktor.

ikke-fredelig atom

Uttrykk som "våpenkappløp", "Cold War", "kjernefysisk trussel" for det moderne mennesket kan virke historisk og irrelevant. Men en gang i pressemeldingen ble ledsaget av reportasjer nesten over hele verden om hvor mye oppfunnet atomvåpen og hvordan å bekjempe den. Folk var å bygge underjordiske bunkere og laget aksjer i tilfelle av en kjernefysisk vinter. Hele familier jobbet på etablering av tilfluktsrom. Selv fredelig bruk av kjernefysiske fisjonsreaksjoner kan føre til katastrofe. Det ville synes at Tsjernobyl har lært menneskeheten nøyaktigheten i dette området, men elementer av planeten var sterkere: jordskjelvet i Japan såre meget robust styrking av NPP "Fukushima". Energi kjernefysisk reaksjon brukt for ødeleggelsen av en mye enklere. Teknologi krever bare en begrenset kraft av eksplosjonen, slik at de ikke uforvarende ødelegge hele planeten. De mest "humane" bomber, hvis du kan kalle det, ikke forurenser nærheten av stråling. Generelt er oftest de bruker en ukontrollert kjedereaksjon. Hva i kjernekraftverk strever med alle midler for å unngå bombene å oppnå en meget primitiv måte. For en hvilken som helst naturlig radioaktivt element, er det noen critical mass av ren substans i hvilken en kjedereaksjon oppstår selv. Uran, for eksempel, er bare femti kilo. Siden uran er en veldig vanskelig, det er bare en liten metall ball 12-15 centimeter i diameter. De første atombombene falt over Hiroshima og Nagasaki, ble gjort nettopp på dette prinsippet: to ulike deler av ren uran bare kombinert og ga opphav til en skremmende eksplosjon. Moderne våpen er nok mer kompleks. Imidlertid, om den critical mass er ikke nødvendig å glemme at det mellom de små volumer av ren radioaktivt stoff i løpet av lagring bør være barrierer som hindrer delene sammen.

strålekilder

Alle elementer av atomkjernen med en ladning i løpet av 82 er radioaktive. Nesten alle av de lettere kjemiske elementene har radioaktive isotoper. Jo tyngre kjernen, jo mindre dens levetid. Enkelte elementer (for eksempel California) kan bare oppnås syntetisk - presser tunge atomer med lettere partikler, ofte med akseleratorer. Siden de er svært ustabile, de er ikke til stede i jordskorpen: dannelsen av planeten, de raskt henfalt til andre elementer. Stoffer med flere atomkjerner som uran, er det mulig å hente ut. Denne prosess er lang, egnet for uran gruvedrift, selv i meget rik malm inneholder mindre enn én prosent. Den tredje måten, kanskje, indikerer at en ny geologisk epoke har begynt. Denne ekstraksjon av radioaktive elementer fra radioaktivt avfall. Etter å ha arbeidet brensel i et kraftverk, på en ubåt eller et hangarskip, en blanding av utgangsmateriale og slutt uran, resultatet av divisjonen. For øyeblikket er det ansett som en fast radioaktivt avfall og kostnader vanskelige problem, som de er anbragt på en slik måte at de ikke forurenser miljøet. Det er imidlertid en mulighet for at de ferdige konsentrerte radioaktive stoffer i nær fremtid (for eksempel, polonium), vil bli produsert fra dette avfall.