Fissió nuclear: procés de divisió del nucli atòmic. Reaccions nuclears

L'article explica com és la fisión nuclear, com es va descobrir i descriure aquest procés. Es revela el seu ús com a font d'energia i armes nuclears.

Àtom "indivisible"

El segle XXI està ple d'expressions com "energia de l'àtom", "tecnologia nuclear", "residus radioactius". De tant en tant, els titulars de diaris mostren missatges sobre la possibilitat de contaminació radioactiva del sòl, els oceans, el gel de l'Antàrtida. Tanmateix, una persona normal sovint no imagina bé quin tipus d'àrea de la ciència i com ajuda en la vida quotidiana. Val la pena començar, potser, amb la història. A partir de la primera pregunta feta per un home ben alimentat, es va interessar per com funciona el món. Com veu l'ull, per què sent l'orella, que l'aigua difereix de la pedra - això és el que va preocupar els sages des del principi. De tornada a l'antiga Índia i Grècia, algunes ments curioses van suposar que hi ha una partícula mínima (també anomenada "indivisible") que posseeix les propietats del material. Els químics medievals han confirmat l'endevinalla dels savis, i la definició moderna de l'àtom és la següent: un àtom és la partícula més petita d'una substància que és portadora de les seves propietats.

Parts de l'àtom

No obstant això, el desenvolupament de la tecnologia (en particular, la fotografia) va portar al fet que l'àtom deixés de considerar-se la partícula més petita possible de la matèria. I tot i que un únic àtom és elèctricament neutre, els científics es van adonar ràpidament que es tracta de dues parts amb càrregues diferents. El nombre de parts amb càrrega positiva compensa el nombre de partícules negatives, de manera que l'àtom roman neutral. Però no hi havia un model de l'atom únic. Atès que en aquesta època la física clàssica encara dominava, es van fer diverses hipòtesis.

Models de l'Atom

Al principi, es va proposar un model de "pas de closca". La càrrega positiva semblava omplir tot l'espai de l'àtom, i en ella, com les panses en un pa, es van distribuir càrregues negatives. La famosa experiència de Rutherford va determinar el següent: al centre de l'àtom és un element molt pesat amb una càrrega positiva (nucli), i al seu voltant hi ha electrons molt més lleugers. La massa del nucli és centenars de vegades més pesada que la suma de tots els electrons (el 99,9% de la massa de l'àtom sencer). Així, va néixer el model planetari de l'àtom de Bohr. No obstant això, alguns dels seus elements contradiuen la física clàssica acceptada en aquell moment. Per tant, es va desenvolupar una nova mecànica quàntica. Amb el seu aspecte, el període no clàssic de la ciència va començar.

Àtom i radioactivitat

De tot el que s'ha dit anteriorment, es fa palès que el nucli és una part pesada i positivament carregada de l'àtom, que constitueix el seu gruix. Quan la quantificació de l'energia i les posicions dels electrons a l'òrbita de l'àtom estava ben estudiada, era hora d'entendre la naturalesa del nucli atòmic. A l'ajuda va sorgir la radioactivitat enginyosa i inesperadament oberta. Va ajudar a revelar l'essència de la part central forta de l'àtom ja que la font de la radioactivitat és la fisión de nuclis. A principis del segle XIX i XX, els descobriments van caure un darrere l'altre. La solució teòrica d'un problema va provocar la necessitat d'establir nous experiments. Els resultats dels experiments van generar teories i hipòtesis que calia confirmar o desmentir. Sovint, els descobriments més grans van aparèixer simplement perquè era d'aquesta manera que la fórmula era convenient per als càlculs (com, per exemple, el quantum Max Planck). Fins i tot al començament de l'època, els científics sabien que les sals d'urani il·luminaven una pel·lícula fotosensible, però no sospitaven que la fisión nuclear era el cor d'aquest fenomen. Per tant, es va estudiar la radioactivitat per entendre la naturalesa de la decadència del nucli. Òbviament, la radiació va ser generada per transicions quàntiques, però no estava del tot clar què exactament. La parella Curie va extreure el radi net i el poloni, processant gairebé manualment el mineral d'urani per obtenir una resposta a aquesta pregunta.

El càrrec de radiació radioactiva

Rutherford va fer molt per estudiar l'estructura de l'àtom i va contribuir a estudiar com es produeix la fisión del nucli atòmic. El científic va col·locar la radiació emesa per l'element radioactiu en un camp magnètic i va rebre un resultat sorprenent. Va resultar que la radiació consistia en tres components: un era neutre i dos més, carregats de forma positiva i negativa. L'estudi de la fisión nuclear va començar amb la determinació dels seus components. Es va demostrar que el nucli es pot dividir, regalar una part de la seva càrrega positiva.

L'estructura del nucli

Posteriorment es va descobrir que el nucli atòmic no només consisteix en partícules de protons positivament carregades, sinó també en partícules neutres neutres. Tots junts es diuen nucleons (del nucli anglès, el nucli). No obstant això, els científics van trobar una vegada més un problema: la massa del nucli (és a dir, el nombre de nucleons) no sempre corresponia al seu càrrec. A l'hidrogen, el nucli té una càrrega de +1, i la massa pot ser de tres, i dos, i un. La propera càrrega és seguida d'una càrrega del nucli +2 a la taula periòdica d'heli, mentre que el seu nucli conté de 4 a 6 nuclèons. Els elements més complexos poden tenir un nombre molt més gran de masses diferents amb el mateix càrrec. Aquestes variacions dels àtoms es diuen isòtops. I alguns isòtops van demostrar ser bastant estables, mentre que d'altres es van desintegrar ràpidament, ja que la fissió nuclear era característica per a ells. A quin principi va correspondre el nombre de nucleons d'estabilitat nuclear? Per què es va afegir l'addició d'un neutró a un nucli pesat i completament estable que va provocar la seva separació, l'alliberament de la radioactivitat? De manera estranya, encara no s'ha trobat la resposta a aquesta pregunta important. S'ha establert experimentalment que les configuracions estables de nuclis atòmics corresponen a determinades quantitats de protons i neutrons. Si en el nucli 2, 4, 8, 50 neutrons i / o protons, llavors el nucli serà inequívocament estable. Aquests nombres són fins i tot anomenats màgics (i van ser nomenats així per científics adults, físics nuclears). Per tant, la fisión de nuclis depèn de la seva massa, és a dir, del nombre de nucleons que entren en ells.

Gota, closca, cristall

Determineu el factor responsable de l'estabilitat del nucli, en aquest moment no era possible. Hi ha moltes teories sobre el model de l'estructura de l'àtom. Els tres més famosos i desenvolupats sovint es contradiuen en diferents matèries. Segons el primer, el nucli és una gota d'un líquid nuclear especial. Igual que l'aigua, es caracteritza per la fluïdesa, la tensió superficial, la fusió i la decadència. En el model shell també hi ha certs nivells d'energia que estan plens de nucleons. La tercera afirmació que el nucli és un entorn capaç de refractar ones especials (de Broglie), mentre que l'índex de refracció és l' energia potencial. Tanmateix, cap model fins ara ha estat capaç de descriure completament perquè, a una determinada massa crítica d'aquest element químic en particular, comença la divisió del nucli.

Quina és la ruptura?

La radioactivitat, com es va esmentar anteriorment, es va trobar en substàncies que es poden trobar a la natura: urani, poloni, ràdio. Per exemple, recentment extret, l'urani pur és radioactiu. El procés de divisió en aquest cas serà espontani. Sense influències externes, una certa quantitat d'àtoms d'urani emetrà partícules alfa, transformant-se espontàniament en tori. Hi ha un indicador anomenat la vida mitja. Mostra, per quin interval de temps d'un nombre inicial d'una part hi haurà aproximadament la meitat. Per a cada element radioactiu, la seva semivida és de fraccions d'un segon per california a centenars de milers d'anys per a l'urani i el cesi. Però també hi ha una radioactivitat forçada. Si els nuclis atòmics estan bombardejats amb protons o partícules alfa (nuclis d'heli) amb alta energia cinètica, es pot "dividir". El mecanisme de transformació, per descomptat, és diferent de com es trenca el gerro de la mare estimada. No obstant això, es detecta certa analogia.

L'energia de l'àtom

Fins al moment no hem respost a la pregunta pràctica: on es pren l'energia la fisión del nucli? Per començar, hem d'aclarir que quan es forma un nucli, les forces nuclears especials operen, que es diuen interaccions fortes. Atès que el nucli consisteix en un conjunt de protons positius, es manté la pregunta de com es mantenen units, perquè les forces electrostàtiques haurien de repel·lir-les fortament. La resposta és simple i no: el nucli es manté a costa d'un intercanvi molt ràpid entre els nucleons per partícules especials-pi-mesons. Aquesta connexió es veu molt poc. Tan aviat com l'intercanvi de pions es deté, el nucli decau. També se sap que la massa bàsica és més petita que la suma de tots els seus nucleons constituents. Aquest fenomen va ser anomenat defecte de les masses. De fet, la massa perduda és l'energia que es gasta en mantenir la integritat del nucli. Quan es separa una part del nucli d'àtom, aquesta energia s'allibera i es converteix en calor a les centrals nuclears. És a dir, l'energia de la fisión nuclear és una demostració visual de la famosa fórmula d'Einstein. Recordem, la fórmula diu: energia i massa es poden convertir entre si (E = mc ² ).

Teoria i pràctica

Ara parlem de com s'utilitza aquest descobriment purament teòric a la vida per generar gigawatts d'electricitat. En primer lloc, cal assenyalar que, en reaccions controlades, s'utilitza la fissió nuclear forçada. Molt sovint es tracta d'urani o poloni, que és bombardejat per neutrons ràpids. En segon lloc, no es pot deixar d'entendre que la fisión de nuclis s'acompanya de la creació de nous neutrons. Com a resultat, la quantitat de neutrons a la zona de reacció és capaç de créixer molt ràpidament. Cada neutró col.lisiona amb nous nuclis sencers, els separa, el que condueix a un augment de l'alliberament de la calor. Aquesta és la reacció en cadena de la fisión nuclear. El creixement incontrolat del nombre de neutrons en el reactor pot produir una explosió. Això va succeir el 1986 a la central nuclear de Txernòbil. Per tant, a la zona de reacció, sempre hi ha una substància que absorbeix l'excés de neutrons, evitant una catàstrofe. És grafit en forma de varetes llargues. La velocitat de fissió dels nuclis es pot alentir mitjançant la immersió de les varetes a la zona de reacció. L'equació de reacció nuclear està feta específicament per a cada substància radioactiva activa i les seves partícules bombardejant-la (electrons, protons, partícules alfa). No obstant això, la producció d'energia final es calcula d'acord amb la llei de conservació: E1 + E2 = E3 + E4. És a dir, l'energia total del nucli inicial i la partícula (E1 + E2) hauria de ser igual a l'energia del nucli resultant i l'energia alliberada en forma lliure (E3 + E4). L'equació de la reacció nuclear també mostra quina substància es produeix com a conseqüència de la decadència. Per exemple, per a l'urani U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. No es mostren isòtops d'elements químics, però això és important. Per exemple, hi ha fins a tres possibilitats de fissió d'urani, en què es formen diferents isòtops de plom i neó. En gairebé un cent per cent dels casos, la reacció de la fisión nuclear produeix isòtops radioactius. És a dir, la decadència de l'urani produeix un tori radioactiu. El tori pot dissoldre-se al protactinium, això-a l'actinia, i així successivament. Els radioactius en aquesta sèrie poden ser tant bismut com titani. Fins i tot l'hidrogen, que conté dos protons al nucli (a la velocitat d'un protó), es diu de manera diferent: el deuteri. L'aigua formada amb aquest tipus d'hidrogen es diu pesat i omple el primer circuit en reactors nuclears.

Àtom no pacífic

Aquestes expressions com la "carrera d'armament", "guerra freda", "amenaça nuclear" per a l'home modern poden semblar històrics i irrellevants. Però, alhora, cada número de notícies pràcticament a tot el món estava acompanyat d'informes sobre quants tipus d'armes nuclears es van inventar i com fer-ho. Les persones construïen bunkers subterranis i subministraments en cas d'hivern nuclear. Les famílies senceres treballaven per establir asil. Fins i tot l'ús pacífic de les reaccions de fisión nuclear pot provocar una catàstrofe. Sembla que Chernobil ensenyava a la humanitat la precisió en aquesta àrea, però els elements del planeta van resultar ser més forts: el terratrèmol a Japó va resultar danyat per l'enfortiment molt fiable de la central nuclear de Fukushima. L'energia de la reacció nuclear és molt més fàcil d'utilitzar per a la destrucció. Els tecnòlegs només necessiten limitar el poder de l'explosió, per no destruir tot el planeta sense adonar-se'n. Les bombes més "humanes", si es pot anomenar, no contaminen el barri amb radiació. En general, sovint utilitzen una reacció en cadena no controlada. El que intenten evitar a les centrals nuclears és bombardejat de forma molt primitiva. Per a qualsevol element naturalment radioactiu, hi ha una massa crítica de matèria pura en la qual la reacció en cadena es genera per si mateixa. Per a l'urani, per exemple, només tenen cinquanta quilograms. Atès que l'urani és molt pesat, només és una petita bola metàl·lica de 12 a 15 centímetres de diàmetre. Les primeres bombes atòmiques caigudes sobre Hiroshima i Nagasaki es van fer precisament en aquest principi: dues parts desiguals d'urani pur estaven connectats senzillament i donaven lloc a una explosió aterradora. Les armes modernes són probablement més complexes. No obstant això, no s'ha d'oblidar de la massa crítica: entre petits volums de material radioactiu pur durant l'emmagatzematge, hi ha d'haver barreres que no permetin connectar-se a parts.

Fonts de radiació

Tots els elements amb una càrrega de nucli atòmic superior a 82 són radioactius. Gairebé tots els elements químics més lleugers tenen isòtops radioactius. Com més pesat sigui el nucli, menor serà el temps de vida. Alguns elements (com ara Califòrnia) només es poden obtenir de manera artificial: colpejant àtoms pesats amb partícules més lleugeres, sovint amb acceleradors. Com que són molt inestables, no existeixen a l'escorça terrestre: quan van formar el planeta, es van desintegrar ràpidament en altres elements. Es poden extreure substàncies amb nuclis més lleugers, com l'urani. Aquest llarg procés, adequat per extreure urani fins i tot en minerals molt rics, conté menys d'un per cent. La tercera manera, potser, indica que ja ha començat la nova època geològica. Es tracta de l'extracció d'elements radioactius a partir de residus radioactius. Després de treballar el combustible en una central elèctrica, en un submarí o portaavions, s'obté una barreja de l'urani inicial i la substància final, el resultat de la fissió. Actualment es considera sòlids residus radioactius i és una qüestió urgent de disposar-los perquè no contaminin el medi ambient. No obstant això, és probable que en un futur proper es puguin extreure substàncies radioactives concentrades (per exemple, poloni) a partir d'aquests residus.