Artykuł opowiada o tym, czym jest rozszczepienie jądrowe, jak ten proces został odkryty i opisany. Ujawnia się jego wykorzystanie jako źródła energii i broni jądrowej.
"Niepodzielny" atom
Dwudziesty pierwszy wiek jest pełen wyrażeń takich jak „energia atomu”, „technologia jądrowa”, „odpady radioaktywne”. Co jakiś czas w nagłówkach gazet pojawiają się błyskawiczne komunikaty o możliwości skażenia radioaktywnego gleby, oceanów, lodu Antarktydy. Jednak zwykły człowiek często nie ma zbyt dobrego wyobrażenia, czym jest ta dziedzina nauki i jak pomaga w codziennym życiu. Być może warto zacząć od historii. Od pierwszego pytania, które zadała mu dobrze odżywiona i ubrana osoba, interesowało go, jak działa świat. Jak oko widzi, dlaczego ucho słyszy, czym woda różni się od kamienia - to od niepamiętnych czasów niepokoiło mędrców. Nawet w starożytnych Indiach i Grecji niektóre dociekliwe umysły sugerowały, że istnieje minimalna cząstka (nazywana również „niepodzielną”), która ma właściwości materiału. Średniowieczni chemicy potwierdzili domysły mędrców, a współczesna definicja atomu brzmi następująco: atom to najmniejsza cząsteczka substancji, która jest nośnikiem jej właściwości.
Części atomu
Jednak rozwój technologii (ww szczególności fotografia) doprowadziła do tego, że atom przestał być uważany za najmniejszą możliwą cząsteczkę materii. I chociaż pojedynczy atom jest elektrycznie obojętny, naukowcy szybko zdali sobie sprawę, że składa się on z dwóch części o różnych ładunkach. Liczba dodatnio naładowanych części kompensuje liczbę ujemnych, dzięki czemu atom pozostaje obojętny. Ale nie było jednoznacznego modelu atomu. Ponieważ fizyka klasyczna nadal dominowała w tym okresie, przyjęto różne założenia.
Modele Atom
Najpierw zaproponowano model „bułka z rodzynkami”. Dodatni ładunek niejako wypełniał całą przestrzeń atomu, a ładunki ujemne były w niej rozłożone, jak rodzynki w bułce. Słynny eksperyment Rutherforda ustalił, co następuje: bardzo ciężki pierwiastek z ładunkiem dodatnim (jądro) znajduje się w centrum atomu, a wokół niego znajdują się znacznie lżejsze elektrony. Masa jądra jest setki razy większa niż suma wszystkich elektronów (to 99,9% masy całego atomu). W ten sposób narodził się planetarny model atomu Bohra. Jednak niektóre jego elementy przeczyły przyjętej wówczas fizyce klasycznej. Dlatego opracowano nową mechanikę kwantową. Wraz z jego pojawieniem się rozpoczął nieklasyczny okres nauki.
Atom i radioaktywność
Z powyższego jasno wynika, że jądro jest ciężką, dodatnio naładowaną częścią atomu, która stanowi jego masę. Kiedy kwantyzacja energii i położenie elektronów na orbicie atomu zostały dobrze zrozumiane, nadszedł czas, aby zrozumiećcharakter jądra atomowego. Z pomocą przyszła pomysłowa i nieoczekiwanie odkryta radioaktywność. Pomogło to ujawnić istotę ciężkiej centralnej części atomu, ponieważ źródłem radioaktywności jest rozszczepienie jądrowe. Na przełomie XIX i XX wieku odkrycia spadały jedno po drugim. Teoretyczne rozwiązanie jednego problemu wymagało nowych eksperymentów. Wyniki eksperymentów dały początek teoriom i hipotezom, które wymagały potwierdzenia lub obalenia. Często największe odkrycia miały miejsce po prostu dlatego, że dzięki temu wzór stał się łatwy do obliczenia (jak na przykład kwant Maxa Plancka). Już na początku ery fotografii naukowcy wiedzieli, że sole uranu rozświetlają błonę światłoczułą, ale nie podejrzewali, że podstawą tego zjawiska jest rozszczepienie jądrowe. Dlatego zbadano radioaktywność, aby zrozumieć naturę rozpadu jądrowego. Oczywiście promieniowanie zostało wygenerowane przez przejścia kwantowe, ale nie było do końca jasne, które. Aby odpowiedzieć na to pytanie, państwo Curie wydobywali czysty rad i polon, pracując niemal ręcznie w rudzie uranu.
Ładunek promieniowania radioaktywnego
Rutherford zrobił wiele, aby zbadać strukturę atomu i przyczynił się do zbadania, w jaki sposób zachodzi rozszczepienie jądra atomowego. Naukowiec umieścił promieniowanie emitowane przez pierwiastek promieniotwórczy w polu magnetycznym i uzyskał niesamowity wynik. Okazało się, że promieniowanie składa się z trzech składników: jeden był obojętny, a dwa pozostałe były naładowane dodatnio i ujemnie. Badanie rozszczepienia jądrowego rozpoczęło się od zdefiniowania jegoskładniki. Udowodniono, że jądro może się dzielić, oddając część swojego ładunku dodatniego.
Struktura jądra
Później okazało się, że jądro atomowe składa się nie tylko z dodatnio naładowanych cząstek protonów, ale także z neutralnych cząstek neutronów. Razem nazywane są nukleonami (od angielskiego „jądro”, jądro). Jednak naukowcy ponownie napotkali problem: masa jądra (czyli liczba nukleonów) nie zawsze odpowiadała jego ładunkowi. W wodorze jądro ma ładunek +1, a masa może wynosić trzy, dwa i jeden. Następny w układzie okresowym hel ma ładunek jądrowy +2, a jego jądro zawiera od 4 do 6 nukleonów. Bardziej złożone elementy mogą mieć o wiele więcej różnych mas dla tego samego ładunku. Takie odmiany atomów nazywane są izotopami. Co więcej, niektóre izotopy okazały się dość stabilne, podczas gdy inne szybko rozpadły się, ponieważ charakteryzowały się rozszczepieniem jądrowym. Jaka zasada odpowiadała liczbie nukleonów stabilności jąder? Dlaczego dodanie tylko jednego neutronu do ciężkiego i dość stabilnego jądra doprowadziło do jego rozszczepienia, uwolnienia radioaktywności? Co dziwne, nie znaleziono jeszcze odpowiedzi na to ważne pytanie. Empirycznie okazało się, że stabilne konfiguracje jąder atomowych odpowiadają pewnym ilościom protonów i neutronów. Jeśli w jądrze znajduje się 2, 4, 8, 50 neutronów i/lub protonów, to jądro na pewno będzie stabilne. Te liczby są nawet nazywane magią (i tak nazywali je dorośli naukowcy, fizycy jądrowi). Zatem rozszczepienie jąder zależy od ich masy, czyli od liczby zawartych w nich nukleonów.
Kropla, muszla, kryształ
W tej chwili nie było możliwe określenie czynnika, który odpowiada za stabilność rdzenia. Istnieje wiele teorii dotyczących modelu budowy atomu. Trzy najbardziej znane i rozwinięte często są ze sobą sprzeczne w różnych kwestiach. Według pierwszego jądro jest kroplą specjalnej cieczy jądrowej. Podobnie jak woda charakteryzuje się płynnością, napięciem powierzchniowym, koalescencją i rozpadem. W modelu powłokowym w jądrze występują również pewne poziomy energetyczne, które są wypełnione nukleonami. Trzeci mówi, że rdzeń jest ośrodkiem zdolnym do załamywania fal specjalnych (de Broglie), podczas gdy współczynnik załamania to energia potencjalna. Jednak żaden model nie był jeszcze w stanie w pełni opisać, dlaczego przy określonej masie krytycznej tego konkretnego pierwiastka chemicznego rozpoczyna się rozszczepienie jądra.
Jakie są rozstania
Radioaktywność, jak wspomniano powyżej, została wykryta w substancjach występujących w przyrodzie: uran, polon, rad. Na przykład świeżo wydobyty czysty uran jest radioaktywny. Proces podziału w tym przypadku będzie spontaniczny. Bez jakichkolwiek wpływów zewnętrznych pewna liczba atomów uranu będzie emitować cząstki alfa, spontanicznie przekształcając się w tor. Istnieje wskaźnik zwany okresem półtrwania. Pokazuje, przez jaki czas od początkowego numeru części pozostanie około połowy. Dla każdego pierwiastka promieniotwórczego okres półtrwania jest inny - od ułamków sekundy dla Kalifornii dosetki tysięcy lat dla uranu i cezu. Ale jest też wymuszona radioaktywność. Jeśli jądra atomów są bombardowane protonami lub cząstkami alfa (jądra helu) o wysokiej energii kinetycznej, mogą się „rozszczepić”. Mechanizm transformacji oczywiście różni się od tego, jak rozbija się ulubiony wazon mamy. Istnieje jednak pewna analogia.
Energia atomowa
Do tej pory nie odpowiedzieliśmy na praktyczne pytanie: skąd pochodzi energia podczas rozszczepienia jądrowego. Na początek należy wyjaśnić, że podczas formowania się jądra działają specjalne siły jądrowe, które nazywane są oddziaływaniem silnym. Ponieważ jądro składa się z wielu dodatnich protonów, pozostaje pytanie, jak się sklejają, ponieważ siły elektrostatyczne muszą je od siebie dość mocno odpychać. Odpowiedź jest prosta i nie jednocześnie: jądro jest utrzymywane razem przez bardzo szybką wymianę między nukleonami specjalnych cząstek - mezonów pi. To połączenie żyje niesamowicie krótko. Gdy tylko ustanie wymiana mezonów pi, jądro rozpada się. Wiadomo też na pewno, że masa jądra jest mniejsza niż suma wszystkich tworzących go nukleonów. Zjawisko to nazywa się defektem masy. W rzeczywistości brakująca masa to energia zużywana na utrzymanie integralności jądra. Gdy tylko jakaś część zostanie oddzielona od jądra atomu, energia ta jest uwalniana i przekształcana w ciepło w elektrowniach jądrowych. Oznacza to, że energia rozszczepienia jądrowego jest wyraźną demonstracją słynnej formuły Einsteina. Przypomnijmy, że wzór mówi: energia i masa mogą zamienić się w siebie (E=mc2).
Teoria i praktyka
Teraz opowiemy Ci, jak to czysto teoretyczne odkrycie jest wykorzystywane w życiu do produkcji gigawatów energii elektrycznej. Po pierwsze, należy zauważyć, że reakcje kontrolowane wykorzystują wymuszone rozszczepienie jądra. Najczęściej jest to uran lub polon, który jest bombardowany przez prędkie neutrony. Po drugie, nie sposób nie zrozumieć, że rozszczepieniu jądrowemu towarzyszy powstawanie nowych neutronów. W rezultacie liczba neutronów w strefie reakcyjnej może bardzo szybko wzrosnąć. Każdy neutron zderza się z nowymi, wciąż nienaruszonymi jądrami, rozszczepia je, co prowadzi do zwiększenia wydzielania ciepła. To jest reakcja łańcuchowa rozszczepienia jądra. Niekontrolowany wzrost liczby neutronów w reaktorze może doprowadzić do wybuchu. Tak właśnie stało się w 1986 roku w elektrowni jądrowej w Czarnobylu. Dlatego w strefie reakcji zawsze znajduje się substancja, która pochłania nadmiar neutronów, zapobiegając katastrofie. Jest to grafit w postaci długich prętów. Szybkość rozszczepienia jądra można spowolnić poprzez zanurzenie prętów w strefie reakcyjnej. Równanie reakcji jądrowej jest opracowywane specjalnie dla każdej aktywnej substancji promieniotwórczej i bombardujących ją cząstek (elektronów, protonów, cząstek alfa). Natomiast końcowa energia wyjściowa jest obliczana zgodnie z zasadą zachowania: E1+E2=E3+E4. Oznacza to, że całkowita energia pierwotnego jądra i cząstki (E1 + E2) musi być równa energii powstałego jądra i energii uwolnionej w postaci swobodnej (E3 + E4). Równanie reakcji jądrowej pokazuje również, jaki rodzaj substancji powstaje w wyniku rozpadu. Na przykład dla uranu U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Izotopy pierwiastków nie są tutaj wymienione.jest to jednak ważne. Na przykład istnieją aż trzy możliwości rozszczepienia uranu, w którym powstają różne izotopy ołowiu i neonu. W prawie stu procentach w wyniku reakcji rozszczepienia jądrowego powstają izotopy radioaktywne. Oznacza to, że rozpad uranu wytwarza radioaktywny tor. Tor może rozpadać się na protaktyn, to na aktyn i tak dalej. W tej serii radioaktywne mogą być zarówno bizmut, jak i tytan. Nawet wodór, który zawiera dwa protony w jądrze (w tempie jednego protonu), nazywany jest inaczej - deuterem. Woda utworzona z takiego wodoru nazywana jest wodą ciężką i wypełnia obwód pierwotny w reaktorach jądrowych.
Niespokojny atom
Takie wyrażenia jak „wyścig zbrojeń”, „zimna wojna”, „zagrożenie nuklearne” mogą wydawać się historyczne i nieistotne dla współczesnego człowieka. Ale kiedyś każdej wiadomości prasowej prawie na całym świecie towarzyszyły doniesienia o tym, ile rodzajów broni jądrowej wynaleziono i jak sobie z nimi radzić. Ludzie budowali podziemne bunkry i uzupełniali zapasy na wypadek nuklearnej zimy. Przy budowie schroniska pracowały całe rodziny. Nawet pokojowe wykorzystanie reakcji na rozszczepienie jądrowe może prowadzić do katastrofy. Wydawałoby się, że Czarnobyl nauczył ludzkość ostrożności w tej dziedzinie, ale żywioły planety okazały się silniejsze: trzęsienie ziemi w Japonii uszkodziło bardzo niezawodne fortyfikacje elektrowni jądrowej Fukushima. Energia reakcji jądrowej jest znacznie łatwiejsza do wykorzystania do zniszczenia. Technolodzy muszą jedynie ograniczyć siłę wybuchu, aby przypadkowo nie zniszczyć całej planety. Najbardziej „humanitarne” bomby, jeśli można je tak nazwać, nie zanieczyszczają otoczenia promieniowaniem. Generalnie najczęściej używająniekontrolowana reakcja łańcuchowa. To, czego starają się uniknąć w elektrowniach jądrowych wszelkimi sposobami, osiąga się w bombach w bardzo prymitywny sposób. Dla każdego naturalnie radioaktywnego pierwiastka istnieje pewna masa krytyczna czystej substancji, w której sama rodzi się reakcja łańcuchowa. Na przykład dla uranu to tylko pięćdziesiąt kilogramów. Ponieważ uran jest bardzo ciężki, jest to tylko mała metalowa kulka o średnicy 12-15 centymetrów. Pierwsze bomby atomowe zrzucone na Hiroszimę i Nagasaki zostały wykonane dokładnie według tej zasady: dwie nierówne części czystego uranu po prostu się połączyły i wywołały przerażającą eksplozję. Nowoczesna broń jest prawdopodobnie bardziej wyrafinowana. Nie należy jednak zapominać o masie krytycznej: muszą istnieć bariery między małymi objętościami czystego materiału radioaktywnego podczas przechowywania, zapobiegające łączeniu się części.
Źródła promieniowania
Wszystkie pierwiastki o ładunku jądrowym większym niż 82 są radioaktywne. Prawie wszystkie lżejsze pierwiastki chemiczne mają izotopy promieniotwórcze. Im cięższe jądro, tym krótsze jest jego życie. Niektóre pierwiastki (np. Kalifornia) można uzyskać tylko sztucznie – zderzając ciężkie atomy z lżejszymi cząsteczkami, najczęściej w akceleratorach. Ponieważ są bardzo niestabilne, nie istnieją w skorupie ziemskiej: podczas formowania się planety bardzo szybko rozpadły się na inne pierwiastki. Można wydobywać substancje z lżejszymi jądrami, takie jak uran. Proces ten jest długi, uran nadający się do wydobycia, nawet w bardzo bogatych rudach, zawiera mniej niż jeden procent. trzeci sposób,być może wskazuje, że rozpoczęła się już nowa epoka geologiczna. Jest to ekstrakcja pierwiastków promieniotwórczych z odpadów promieniotwórczych. Po zużyciu paliwa w elektrowni, na okręcie podwodnym lub lotniskowcu otrzymuje się mieszaninę pierwotnego uranu i substancji końcowej, będącej wynikiem rozszczepienia. W tej chwili jest to uważane za stałe odpady promieniotwórcze i istnieje poważne pytanie, jak się ich pozbyć, aby nie zanieczyszczały środowiska. Jest jednak prawdopodobne, że w niedalekiej przyszłości z tych odpadów będą wydobywane gotowe stężone substancje promieniotwórcze (np. polon).
