Die artikel vertel oor wat kernsplyting is, hoe hierdie proses ontdek en beskryf is. Die gebruik daarvan as 'n bron van energie en kernwapens word onthul.
"Ondeelbare" atoom
Die een-en-twintigste eeu is vol uitdrukkings soos "energie van die atoom", "kerntegnologie", "radioaktiewe afval". Elke nou en dan in koerantopskrifte flitsboodskappe oor die moontlikheid van radioaktiewe besoedeling van die grond, oseane, ys van Antarktika. 'n Gewone mens het egter dikwels nie 'n baie goeie idee van wat hierdie wetenskapveld is en hoe dit in die alledaagse lewe help nie. Dit is die moeite werd om met geskiedenis te begin. Van die heel eerste vraag, wat deur 'n goedgevoede en geklede persoon gevra is, was hy geïnteresseerd in hoe die wêreld werk. Hoe die oog sien, hoekom die oor hoor, hoe water van klip verskil – dit is wat die wyse manne van ouds af bekommer het. Selfs in antieke Indië en Griekeland het sommige nuuskieriges voorgestel dat daar 'n minimale deeltjie is (dit is ook "ondeelbaar" genoem) wat die eienskappe van 'n materiaal het. Middeleeuse chemici het die raaiskoot van die wyses bevestig, en die moderne definisie van die atoom is soos volg: 'n atoom is die kleinste deeltjie van 'n stof wat die draer van sy eienskappe is.
Dele van 'n atoom
Die ontwikkeling van tegnologie (inveral fotografie) het daartoe gelei dat die atoom nie meer as die kleinste moontlike deeltjie materie beskou word nie. En hoewel 'n enkele atoom elektries neutraal is, het wetenskaplikes vinnig besef dat dit uit twee dele met verskillende ladings bestaan. Die aantal positief gelaaide dele kompenseer vir die aantal negatiewes, dus bly die atoom neutraal. Maar daar was geen ondubbelsinnige model van die atoom nie. Aangesien klassieke fisika gedurende daardie tydperk steeds oorheers het, is verskeie aannames gemaak.
Atom-modelle
Aanvanklik is die "rosyntjierol"-model voorgestel. Die positiewe lading het as 't ware die hele ruimte van die atoom gevul, en negatiewe ladings is daarin versprei, soos rosyne in 'n broodjie. Die bekende eksperiment van Rutherford het die volgende bepaal: 'n baie swaar element met 'n positiewe lading (die kern) is in die middel van die atoom geleë, en baie ligter elektrone is rondom geleë. Die massa van die kern is honderde kere swaarder as die som van al die elektrone (dit is 99,9 persent van die massa van die hele atoom). So is Bohr se planetêre model van die atoom gebore. Sommige van sy elemente het egter die destyds aanvaarde klassieke fisika weerspreek. Daarom is 'n nuwe, kwantummeganika ontwikkel. Met sy verskyning het die nie-klassieke tydperk van die wetenskap begin.
Atoom en radioaktiwiteit
Uit al die bogenoemde word dit duidelik dat die kern 'n swaar, positief gelaaide deel van die atoom is, wat die grootste deel daarvan uitmaak. Toe die kwantisering van energie en die posisies van elektrone in die wentelbaan van 'n atoom goed verstaan is, was dit tyd om te verstaandie aard van die atoomkern. Die vernuftige en onverwags ontdekte radioaktiwiteit het tot die redding gekom. Dit het gehelp om die essensie van die swaar sentrale deel van die atoom te openbaar, aangesien die bron van radioaktiwiteit kernsplyting is. Met die draai van die negentiende en twintigste eeue het ontdekkings een na die ander neergereën. Die teoretiese oplossing van een probleem het nuwe eksperimente genoodsaak. Die resultate van die eksperimente het aanleiding gegee tot teorieë en hipoteses wat bevestig of weerlê moes word. Dikwels het die grootste ontdekkings gekom bloot omdat dit is hoe die formule maklik geword het om te bereken (soos byvoorbeeld Max Planck se kwantum). Selfs aan die begin van die era van fotografie het wetenskaplikes geweet dat uraansoute 'n fotosensitiewe film verlig, maar hulle het nie vermoed dat kernsplyting die basis van hierdie verskynsel was nie. Daarom is radioaktiwiteit bestudeer om die aard van kernverval te verstaan. Natuurlik is die bestraling deur kwantumoorgange gegenereer, maar dit was nie heeltemal duidelik watter nie. Die Curies het suiwer radium en polonium ontgin en amper met die hand in uraanerts gewerk om hierdie vraag te beantwoord.
Die lading van radioaktiewe straling
Rutherford het baie gedoen om die struktuur van die atoom te bestudeer en bygedra tot die studie van hoe die splyting van die atoomkern plaasvind. Die wetenskaplike het die bestraling wat deur 'n radioaktiewe element uitgestraal word in 'n magnetiese veld geplaas en het 'n wonderlike resultaat gekry. Dit het geblyk dat bestraling uit drie komponente bestaan: een was neutraal, en die ander twee was positief en negatief gelaai. Die studie van kernsplyting het begin met die definisie van sykomponente. Dit is bewys dat die kern kan verdeel, 'n deel van sy positiewe lading kan prysgee.
Struktuur van die kern
Later het dit geblyk dat die atoomkern nie net uit positief gelaaide deeltjies van protone bestaan nie, maar ook uit neutrale deeltjies van neutrone. Saam word hulle nukleone genoem (van die Engelse "nucleus", die nucleus). Wetenskaplikes het egter weer 'n probleem ondervind: die massa van die kern (dit is die aantal nukleone) het nie altyd met sy lading ooreenstem nie. In waterstof het die kern 'n lading van +1, en die massa kan drie, en twee, en een wees. Helium volgende in die periodieke tabel het 'n kernlading van +2, terwyl sy kern van 4 tot 6 nukleone bevat. Meer komplekse elemente kan baie meer verskillende massas vir dieselfde lading hê. Sulke variasies van atome word isotope genoem. Boonop het sommige isotope redelik stabiel geblyk te wees, terwyl ander vinnig verval het, aangesien hulle deur kernsplyting gekenmerk is. Watter beginsel het ooreengestem met die aantal nukleone van die stabiliteit van kerne? Waarom het die byvoeging van net een neutron tot 'n swaar en redelik stabiele kern tot die splitsing daarvan gelei, tot die vrystelling van radioaktiwiteit? Vreemd genoeg is die antwoord op hierdie belangrike vraag nog nie gevind nie. Empiries het dit geblyk dat stabiele konfigurasies van atoomkerne ooreenstem met sekere hoeveelhede protone en neutrone. As daar 2, 4, 8, 50 neutrone en/of protone in die kern is, dan sal die kern beslis stabiel wees. Hierdie getalle word selfs magie genoem (en volwasse wetenskaplikes, kernfisici, het dit so genoem). Dus hang die splitsing van kerne af van hul massa, dit wil sê van die aantal nukleone wat daarin ingesluit is.
Druppel, dop, kristal
Dit was nie moontlik om die faktor te bepaal wat verantwoordelik is vir die stabiliteit van die kern op die oomblik nie. Daar is baie teorieë oor die model van die struktuur van die atoom. Die drie bekendste en mees ontwikkelde weerspreek mekaar dikwels oor verskeie kwessies. Volgens die eerste is die kern 'n druppel van 'n spesiale kernvloeistof. Soos water word dit gekenmerk deur vloeibaarheid, oppervlakspanning, samesmelting en verval. In die dopmodel is daar ook sekere energievlakke in die kern, wat met nukleone gevul is. Die derde stel dat die kern 'n medium is wat in staat is om spesiale golwe te breek (de Broglie), terwyl die brekingsindeks potensiële energie is. Geen model kon egter nog volledig beskryf waarom, by 'n sekere kritieke massa van hierdie spesifieke chemiese element, kernsplyting begin nie.
Hoe uitmekaar is
Radioaktiwiteit, soos hierbo genoem, is gevind in stowwe wat in die natuur gevind kan word: uraan, polonium, radium. Byvoorbeeld, vars ontginde, suiwer uraan is radioaktief. Die splitsingsproses in hierdie geval sal spontaan wees. Sonder enige eksterne invloede sal 'n sekere aantal uraanatome alfa-deeltjies vrystel wat spontaan in torium omskakel. Daar is 'n aanwyser wat die halfleeftyd genoem word. Dit wys vir watter tydperk vanaf die aanvanklike nommer van die deel ongeveer die helfte sal oorbly. Vir elke radioaktiewe element is die halfleeftyd anders - van breukdele van 'n sekonde vir Kalifornië tothonderdduisende jare vir uraan en sesium. Maar daar is ook gedwonge radioaktiwiteit. As die kerne van atome gebombardeer word met protone of alfa-deeltjies (heliumkerne) met hoë kinetiese energie, kan hulle "skeur". Die meganisme van transformasie verskil natuurlik van hoe ma se gunsteling vaas gebreek word. Daar is egter 'n sekere analogie.
Atom Energy
Tot dusver het ons nog nie 'n praktiese vraag beantwoord nie: waar kom die energie vandaan tydens kernsplyting. Om mee te begin, moet dit duidelik gemaak word dat tydens die vorming van 'n kern spesiale kernkragte optree, wat die sterk interaksie genoem word. Aangesien die kern uit baie positiewe protone bestaan, bly die vraag hoe hulle aan mekaar vashou, want die elektrostatiese kragte moet hulle redelik sterk van mekaar wegstoot. Die antwoord is beide eenvoudig en nie terselfdertyd nie: die kern word bymekaar gehou deur 'n baie vinnige uitruiling tussen nukleone van spesiale deeltjies - pi-mesone. Hierdie verbinding leef ongelooflik kort. Sodra die uitruil van pi-mesone stop, verval die kern. Dit is ook vir seker bekend dat die massa van 'n kern minder is as die som van al sy samestellende nukleone. Hierdie verskynsel word die massadefek genoem. Trouens, die ontbrekende massa is die energie wat spandeer word om die integriteit van die kern te handhaaf. Sodra een of ander deel van die kern van 'n atoom geskei word, word hierdie energie in kernkragsentrales vrygestel en in hitte omgeskakel. Dit wil sê, die energie van kernsplyting is 'n duidelike demonstrasie van die beroemde Einstein-formule. Onthou dat die formule sê: energie en massa kan in mekaar verander (E=mc2).
Teorie en praktyk
Nou sal ons jou vertel hoe hierdie suiwer teoretiese ontdekking in die lewe gebruik word om gigawatt elektrisiteit te produseer. Eerstens moet daarop gelet word dat beheerde reaksies gedwonge kernsplyting gebruik. Meestal is dit uraan of polonium, wat deur vinnige neutrone gebombardeer word. Tweedens is dit onmoontlik om nie te verstaan dat kernsplyting met die skepping van nuwe neutrone gepaard gaan nie. Gevolglik kan die aantal neutrone in die reaksiesone baie vinnig toeneem. Elke neutron bots met nuwe, steeds ongeskonde kerne, verdeel hulle, wat lei tot 'n toename in hittevrystelling. Dit is die kernsplytingskettingreaksie. 'n Onbeheerde toename in die aantal neutrone in 'n reaktor kan tot 'n ontploffing lei. Dit is presies wat in 1986 by die Tsjernobil-kernkragsentrale gebeur het. Daarom is daar altyd 'n stof in die reaksiesone wat oortollige neutrone absorbeer, wat 'n katastrofe voorkom. Dit is grafiet in die vorm van lang stawe. Die tempo van kernsplyting kan vertraag word deur die stawe in die reaksiesone te dompel. Die kernreaksievergelyking word spesifiek saamgestel vir elke aktiewe radioaktiewe stof en die deeltjies wat dit bombardeer (elektrone, protone, alfa-deeltjies). Die finale energie-uitset word egter volgens die bewaringswet bereken: E1+E2=E3+E4. Dit wil sê, die totale energie van die oorspronklike kern en deeltjie (E1 + E2) moet gelyk wees aan die energie van die resulterende kern en die energie wat in vrye vorm vrygestel word (E3 + E4). Die kernreaksievergelyking wys ook watter soort stof verkry word as gevolg van verval. Byvoorbeeld, vir uraan U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Die isotope van die elemente word nie hier gelys nie.dit is egter belangrik. Daar is byvoorbeeld soveel as drie moontlikhede vir die splyting van uraan, waarin verskillende isotope van lood en neon gevorm word. In byna honderd persent van gevalle produseer die kernsplytingsreaksie radioaktiewe isotope. Dit wil sê, die verval van uraan produseer radioaktiewe torium. Torium kan verval tot protaktinium, dit tot aktinium, ensovoorts. Beide bismut en titaan kan radioaktief wees in hierdie reeks. Selfs waterstof, wat twee protone in die kern bevat (teen die tempo van een proton), word anders genoem - deuterium. Water wat met sulke waterstof gevorm word, word swaarwater genoem en vul die primêre stroombaan in kernreaktors.
Onvreedsame atoom
Uitdrukkings soos "wapenwedloop", "koue oorlog", "kernbedreiging" lyk dalk histories en irrelevant vir 'n moderne mens. Maar eens op 'n tyd was elke nuusvrystelling byna regoor die wêreld vergesel van berigte oor hoeveel soorte kernwapens uitgevind is en hoe om dit te hanteer. Mense het ondergrondse bunkers gebou en voorraad ingeval van 'n kernwinter. Hele gesinne het gewerk om die skuiling te bou. Selfs die vreedsame gebruik van kernsplytingsreaksies kan tot rampspoed lei. Dit wil voorkom asof Tsjernobil die mensdom geleer het om versigtig te wees in hierdie gebied, maar die elemente van die planeet blyk sterker te wees: die aardbewing in Japan het die baie betroubare versterkings van die Fukushima-kernkragsentrale beskadig. Die energie van 'n kernreaksie is baie makliker om vir vernietiging te gebruik. Tegnoloë hoef net die krag van die ontploffing te beperk, om nie die hele planeet per ongeluk te vernietig nie. Die mees “menslike” bomme, as jy dit so kan noem, besoedel nie die omgewing met bestraling nie. Oor die algemeen gebruik hulle die meesteonbeheerde kettingreaksie. Wat hulle met alle middele by kernkragsentrales probeer vermy, word op 'n baie primitiewe manier in bomme bereik. Vir enige natuurlike radioaktiewe element is daar 'n sekere kritieke massa van suiwer stof waarin 'n kettingreaksie vanself gebore word. Vir uraan is dit byvoorbeeld net vyftig kilogram. Aangesien uraan baie swaar is, is dit slegs 'n klein metaalbal van 12-15 sentimeter in deursnee. Die eerste atoombomme wat op Hiroshima en Nagasaki gegooi is, is presies volgens hierdie beginsel gemaak: twee ongelyke dele suiwer uraan het eenvoudig gekombineer en 'n skrikwekkende ontploffing veroorsaak. Moderne wapens is waarskynlik meer gesofistikeerd. 'n Mens moet egter nie van die kritieke massa vergeet nie: daar moet versperrings tussen klein volumes suiwer radioaktiewe materiaal tydens berging wees, wat verhoed dat die dele verbind.
Bestralingsbronne
Alle elemente met 'n kernlading groter as 82 is radioaktief. Byna alle ligter chemiese elemente het radioaktiewe isotope. Hoe swaarder die kern, hoe korter sy leeftyd. Sommige elemente (soos Kalifornië) kan slegs kunsmatig verkry word – deur swaar atome met ligter deeltjies te bots, meestal in versnellers. Aangesien hulle baie onstabiel is, bestaan hulle nie in die aardkors nie: tydens die vorming van die planeet het hulle baie vinnig in ander elemente gedisintegreer. Stowwe met ligter kerne, soos uraan, kan ontgin word. Hierdie proses is lank, uraan geskik vir ontginning, selfs in baie ryk erts, bevat minder as een persent. derde manier,dui dalk daarop dat 'n nuwe geologiese epog reeds begin het. Dit is die onttrekking van radioaktiewe elemente uit radioaktiewe afval. Nadat brandstof by 'n kragsentrale, op 'n duikboot of vliegdekskip bestee is, word 'n mengsel van die oorspronklike uraan en die finale stof, die resultaat van splitsing, verkry. Op die oomblik word dit as vaste radioaktiewe afval beskou en daar is 'n akute vraag oor hoe om dit weg te doen sodat dit nie die omgewing besoedel nie. Dit is egter waarskynlik dat in die nabye toekoms klaargemaakte gekonsentreerde radioaktiewe stowwe (byvoorbeeld polonium) uit hierdie afval gemyn sal word.
