ביקוע גרעיני: תהליך של ביקוע גרעיני. תגובות גרעיניות

המאמר מדבר על איזה ביקוע גרעיני כתהליך התגלה ותאר. חושף את השימוש בו כמקור אנרגיה ונשק גרעיני.

"ניתן לחלוקה" אטום

במאה עשרים ואחת גדושה בביטויים כגון "אנרגיה אטומית", "טכנולוגיה גרעינית", "פסולת רדיואקטיבית". מדי פעם בכותרות הבזיקו דיווחים על האפשרות של זיהום רדיואקטיבי של הקרקע, האוקיינוסים, הקרח באנטרקטיקה. עם זאת, אנשים רגילים הם בדרך כלל לא רעיון טוב מאוד של מה בתחום המדע ואיך זה עוזר בחיי היומיום. אתה צריך להתחיל, אולי, עם הסיפורים. כבר מהשאלה הראשונה, אשר ביקש א-fed היטב ולבוש בהידור גבר, הוא רצה לדעת איך העולם עובד. איך שהעין רואה, שהאוזן שומעת מדוע יותר ממים שונים האבן - זה מה שחז"ל מטיפול ומתמיד. גם בהודו העתיקה ויוון, מוחות חקרניים כמה הציעו כי קיים חלקיק מזערי (זה גם נקרא "לחלוקה"), עם תכונות החומר. כימאי Medieval אשרו מניחים חכמים, ואת אטום ההגדרה המודרני כולל אטום - החלקיק הקטן ביותר של חומר שהוא נישא של נכסים.

חלקי האטום

עם זאת, ההתפתחות של הטכנולוגיה (למשל, תמונות) הוביל האטום חדל להיות חומר החלקיקים הקטן ביותר האפשרי. למרות נלקח בנפרד האטום הוא ניטרלי מבחינה חשמלית, המדענים הבינו מהר: זה מורכב משני חלקים עם אישומים שונים. מספר יחידות מטען חשמלי חיובי למספר שלילי מפצה ובכך נשאר אטום נייטרלי. אבל לא היה שום מודל חד משמעי של האטום. שכן בשלב זה עדיין נשלט על ידי הפיזיקה הקלאסית, כי היו הנחות שונות.

מודל של האטום

בתחילה, המודל של "לחם לבן עם צימוקים" הוצע. המטען החיובי כפי שהוא ממלא את החלל כולו של אטום וזה, כמו צימוקים בלחמנייה, מטענים שליליים מופצים. מפורסם הניסויים של רתרפורד זיהו את הדברים הבאים: הוא יסוד כבד מאוד עם מטען חיובי (הגרעין), ומוקף עם אלקטרונים הרבה יותר קלים במרכז האטום. מאה משקל הליבה של כבד פי סכום כל האלקטרונים (המהווה 99.9 אחוזים לפי משקל של אטומים הכולל). כך נולד המודל הפלנטרי של האטום בוהר. עם זאת, וכמה מרכיביו לסתור קיבל בזמנו של הפיסיקה הקלאסית. לכן, את מכניקת הקוואנטים החדשה פותחה. עם המראה שלה בתקופה החל המדע ולא-קלאסיות.

אטום הרדיואקטיביות

מכל האמור לעיל מתברר כי הקרנל - זהו חלק כבד, מטען חשמלי חיובי של האטום, המהווה את חלק הארי של אותו. כאשר קוונטיזציה של אנרגיה ואת מיקום אלקטרון המקיף אטום נחקר היטב, הגיע זמן להבין את טבעו של גרעין האטום. זה בא לעזרת תגלית מבריקה ובלתי צפויה של רדיואקטיביות. זה סייע לחשוף את המהות של האטום המרכזי כבד, כמקור רדיואקטיבי - ביקוע גרעיני. במפנה המאה התשע עשרה והמאה העשרים, פתיחת נפלו אחד אחרי השני. פתרון תיאורטי של בעיה אחת גרימת הצורך להגדיר חוויות חדשות. תוצאות הניסוי הולידה תיאוריות והשערות כי יש צורך לאשר או להפריך. לעתים קרובות, התגליות הגדולות הופיעו, פשוט כי בדרך זו הנוסחא נוחה מחשוב (כגון קוונטים מקס פלאנק). בתחילת עידן צילום, מדענים ידעו כי מלחי אורניום אור נרפאו סרט רגיש לאור, אבל הם לא יודעים שהבסיס של תופעה זו הוא ביקוע גרעיני. לכן, הרדיואקטיביות נחקרה על מנת להבין את טבעו של ריקבון הגרעין. ברור כי מעברי קוונטי הפליטה נוצרו, אך לא היה ברור מה זה. חת קירי חילוץ רדיום פולוניום טהורים, עיבוד עפרות אורניום כמעט באופן ידני כדי לקבל תשובה לשאלה זו.

קרינת Charge

Rutherford עשה הרבה לחקר מבנה אטומי וגם תרם המחקר של איך החלוקה של גרעין אטום. המדען לשים את הקרינה הנפלטת על ידי יסוד רדיואקטיבי בשדה מגנטי וקיבל תוצאה נהדרת. התברר כי הקרינה מורכבת משלושה רכיבים: האחד היה ניטראלי ואילו השניים האחרים - לחיוב ולשלילה טעון. מחקר ביקוע התחיל עם זיהוי של מרכיביו. הוכח כי הליבה ניתן לחלק, לתת חלק המטען החיובי שלה.

המבנה של הגרעין

בדיעבד הסתבר כי גרעין האטום מורכב לא רק של מטען חשמלי חיובי חלקיקים של פרוטונים, אך חלקיקי ניטרונים הניטראליים. יחד הם נקראים הנוקליאון (מאנגלית «גרעין», הקרנל). עם זאת, מדענים שוב נתקלו בבעיה: המסה של הגרעין (כלומר מספר הנוקליאון) לא תמיד מתאים מהטעינה. Y גרעין המימן יש מטען של 1, ואת המוני עשוי להיות שלוש, שתיים, ואחת. בשינה בא אותו ליבת תשלום הליום טבלה המחזורית 2, עם הגרעין שלה מכיל 4 עד 6 הנוקליאון. עוד אלמנטים מורכבים יכולים להיות מספר גדול בהרבה של המונים שונים עם אותו המטען. וריאציות כזה של אטומים נקראים איזוטופים. וחלקם היו די איזוטופים יציבים, ואחרים התפרקו במהירות, כי בשבילם זה התאפיין ביקוע גרעיני. מה באופן עקבי עם מספר יציבות הנוקליאון של גרעינים? למה התוספת של רק ניטרונים אחד אל הגרעין הכבד ויציב למדי הובילה לפיצול שלו לשחרר רדיואקטיביות? למרבה הפלא, התשובה לשאלה חשובה זו טרם מצאה. אמפירי, נמצא כי מספר מסוים של פרוטונים וניטרונים מתאימים תצורות יציבות של גרעינים. אם הליבה 2, 4, 8, 50 נויטרונים ו / או פרוטונים, הקרנל יהיה יציב באופן ייחודי. מספרים אלה גם מכונים קסומים (ונקראים להם כמבוגרים, מדענים, פיסיקה גרעינית). לפיכך, ביקוע גרעיני תלוי במסה שלהם, כלומר, את מספר הנוקליאון המרכיב אותן.

זרוק, כיסוי, קריסטל

קביעת גורם אחראי, זה לא היה אפשרי כרגע על יציבות הגרעין. ישנן תיאוריות רבות של דגמי המבנה האטומי. שלושה מבין המפורסמים ביותר ופתחתי קרובות מסוכסכים אחד עם השני בנושאים שונים. הראשונה היא כי הליבה - טיפת נוזל גרעיני מיוחד. בנוגע למים, זה מאופיין נזיל, מתח פנים, פיוז'ן וריקבון. במודל הפגז בליבה מדי, יש רמות אנרגיה מסוימות, אשר מלאות הנוקליאון. קובע השלישי כי הליבה - מדיום כי הוא מסוגל לשבור גל מסוים (דה ברולי), שבה מקדם השבירה - היא האנרגיה הפוטנציאלית. עם זאת, אין מודל עד כה לא הצליח לתאר מדוע במלואה מסה קריטית מסוימת של יסוד כימי מסוים, קריעת הגרעין מתחילה.

מה קורה ריקבון

הרדיואקטיביות, כאמור לעיל, נמצאה חומרים שניתן למצוא בטבע: אורניום, פולוניום, רדיום. למשל, הפיק החדש, אורניום טהור הוא רדיואקטיבי. תהליך פיצול במקרה זה יהיה ספונטני. בלי שום השפעה חיצונית כמות מסוימת של אטומי אורניום פולטת חלקיקי אלפא שינה באופן ספונטני לתוך תוריום. זהו אינדיקטור, אשר נקרא זמן מחצית החיים. זה מראה, לתקופה של זמן מן מספרי חלק הראשוניים יהיה כמחצית. כל רכיב רדיואקטיבי זמן מחצית חיים של המשלה - מן שבריר שני לקליפורניה כדי מאה אלף שנים עבור אורניום צסיום. אבל יש פעילות כפייה. אם גרעין אטום הפצצת פרוטונים או חלקיקי אלפא (גרעין הליום) עם אנרגיה קינטית גבוהה, הם יכולים להיות "פיצול". מנגנון המרה, כמובן, שונה מהדרך שבה האהוב של האמא שובר אגרטל. ניתן לייחס זאת, אנלוגיה מסוימת.

אנרגיה אטומית

עד כה יש לנו לא ענו על השאלה המעשית: מאיפה האנרגיה ביקוע גרעיני. בתור התחלה יש צורך להבהיר כי במהלך היווצרות הגרעין היא כוח גרעיני מיוחד, שנקרא האינטראקציה החזקה. מאז הליבה מורכבת מסדרה של פרוטונים חיוביים, נשאלת השאלה, איך הם נדבקים זה לזה, כי הכוחות אלקטרוסטטיים יש חזקה מספיק כדי להדוף אותם זה מזה. התשובה היא שניהם פשוט, ויש: הליבה נשמרת על החשבון חילופי מאוד מהיר בין הנוקליאון חלקיקים מיוחדים - פיונים. הקישור הזה חי הוא קטן מאוד. לאחר ההפסקה החילופית-ומזונים pi, הליבה מתפוררת. באותה מידה הוא ידוע כי המסה של הגרעין הוא פחות מסכום כל הנוקליאון המרכיבים אותה. תופעה זו נקראת הפגם ההמוני. למעשה, את המסה החסרה - היא האנרגיה כי הוא בילה על שמירה על שלמות הקרנל. לאחר מופרד גרעין אטום חלק של אנרגיה זו מופק בתחנות כוח גרעיניות ו מומר לחום. כלומר, האנרגיה של ביקוע גרעיני - הוא הפגנה ברורה של הנוסחה המפורסמת של איינשטיין. נזכיר, הנוסחה קורא כמו: אנרגיה ומסה ניתן להמיר אחד את השני (E = mc ^2).

תיאוריה ופרקטיקה

עכשיו תגידו לנו איך זה נעשה שימוש בגילוי תיאורטי גרידא בחיי עבור ג'יגה וואט של חשמל. ראשית, יש לציין כי תגובות נשלטו ביקוע מושרה משמש. לרוב הוא אורניום או פולוניום, אשר הופצץ על ידי ניטרונים מהר. שנית, זה צריך להיות מובן כי ביקוע גרעיני מלווה ביצירת ניטרונים חדשים. כתוצאה מכך, מספר הנויטרונים באזור התגובה הוא מסוגל לגדול מהר מאוד. ניטרונים כל מתנגשים עם חדשים, גרעינים שלמים יותר, מפצל אותם, מה שמוביל לעלייה הדורה חום. זוהי תגובת שרשרת של ביקוע גרעיני. כמויות בלתי מבוקרות של עליית ניטרון הכור יכולות להוביל לפיצוץ. זה מה שקרה ב 1986 על תחנת הכוח הגרעינית בצ'רנוביל. לכן, באזור התגובה הוא תמיד חומר אשר סופג ניטרונים עודפים כדי למנוע אסון. גרפיט זה בצורה של מוטות ארוכות. שיעור ביקוע ניתן האט ידי טבילה מוטות באזור התגובה. משוואת תגובה גרעינית מורכבת במיוחד עבור כל חומר פעיל רדיואקטיבי הפצצת החלקיקים שלה (אלקטרונים, פרוטונים, חלקיקי אלפא). עם זאת, את תפוקת האנרגיה הסופית מחושבת על פי חוק השימור: E1 + E2 + E3 = E4. כלומר, האנרגיה הכוללת של חלקיק הליבה הראשוני (E1 + E2) חייבת להיות שווה לאנרגיה של הליבה וכתוצאה ואת האנרגיה בחינם שוחררה בצורה (E3 + E4). המשוואה מראה גם תגובה גרעינית, חומר שהושג על ידי פירוק. לדוגמה, אורניום U = Th + הוא, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. הוא לא נתן איזוטופים של היסודות הכימיים, אבל זה חשוב. לדוגמה, קיימות שלוש אפשרויות ביקוע אורניום, אשר מייצרים איזוטופים עופרת שונים, ועל ניאון. כמעט מאה אחוז של תגובת הביקוע מייצר איזוטופים רדיואקטיביים. כלומר, הריקבון של אורניום שהושג תוריום רדיואקטיבי. תוריום, פרוטקטיניום הוא מסוגל להתפרק, כי - כדי אקטיניום, וכן הלאה. רדיואקטיביים בסדרה זו יכולה להיות, ביסמוט, וטיטניום. גם מימן המכיל גרעין שני פרוטונים (בשיעור של פרוטון אחד), נקרא אחרת - דאוטריום. מים שנוצרו עם מימן שנקראים כבד ממלאים את המעגל הראשון כור גרעיני.

אטום שאינו שליו

ביטויים כגון "מרוץ חימוש", "המלחמה הקרה", "איום גרעיני" אל האדם המודרני אולי נראה היסטורי רלוונטי. אבל פעם לעיתונות לוותה דיווחי חדשות כמעט בכל רחבי העולם על כמה המציא נשק גרעיני וכיצד להילחם בו. אנשים בונים בונקרים תת-קרקעיים ו מניות שנעשו במקרה של חורף גרעיני. משפחות שלמות עבדו על יצירת מקלטים. אפילו שימוש שלו של תגובות ביקוע גרעיניות עלול להוביל לאסון. נראה כי צ'רנוביל למד אנושות הדיוק בתחום זה, אבל האלמנטים של כדור ארץ היו חזקים: רעידת האדמה ביפן לפגוע התחזקות מאוד חזקה של NPP "פוקושימה". תגובת אנרגיה גרעינית המשמשת להשמדה הרבה יותר קלה. טכנולוגיה דורש רק בכוח מצומצם של הפיצוץ, כדי לא להרוס את כדור הארץ כולו בשוגג. הפצצות "ההומניות" ביותר, אם אפשר לקרוא לזה, לא לזהם את הסביבה של קרינה. באופן כללי, לרוב הם משתמשים תגובת שרשרת מבוקרת. מה בהנדסה גרעינית צמחים שואפים בכל האמצעים כדי למנוע את הפצצות כדי להשיג בצורה מאוד פרימיטיבית. עבור כל יסוד רדיואקטיבי טבעי, יש כמה מסה קריטית של חומר טהור שבו תגובת שרשרת מתעוררת עוצמה. אורניום, למשל, הוא רק חמישים קילו. מאז אורניום היא קשה מאוד, זה רק כדור מתכת קטן 12-15 ס"מ קוטר. פצצות האטום הראשונות על הירושימה ונגסאקי, נעשו דווקא על העיקרון הזה: שני חלקים לא שווים של אורניום טהור פשוט משולבות הולידו פיצוץ מחריד. נשק מודרני הוא כנראה יותר מורכב. עם זאת, על המסה הקריטית אין צורך לשכוח כי בין הכמויות הקטנות של חומר רדיואקטיבי טהור במהלך האחסון צריכות להיות חסמים המונעים את החתיכות ביחד.

מקורות קרינה

כל האלמנטים של גרעין האטום עם מטען מעל 82 הם רדיואקטיביים. כמעט כל היסודות הכימיים המציתים יש איזוטופים רדיואקטיביים. כבד את הגרעין, פחות בחיים שלה. אלמנטים מסוימים (כגון קליפורניה) ניתן להשיג סינטטי בלבד - דוחפים אטומים כבדים עם חלקיקים קלים, לעתים קרובות עם מאיצים. מאז הם מאוד לא יציבים, הם אינם נוכחים בקרום כדור הארץ: היווצרות כדור הארץ, הם רקובים במהירות לתוך אלמנטים אחרים. חומרים עם גרעינים אור יותר, כגון אורניום, אפשר לחלץ. תהליך זה הוא ארוך, מתאים כריית אורניום, אפילו עפרות עשירות מאוד מכילות פחות מאחוז אחד. הדרך השלישית, אולי, מציינת כי עידן גיאולוגי חדש החל. מיצוי זה של יסודות רדיואקטיביים מפסולים רדיואקטיבית. אחרי שעבד דלק בתחנת כוח, על צוללת או נושאת מטוסים, תערובת של חומר מוצא ואורניום סופי, התוצאה של חלוקה. כרגע, זה נחשב פסולת רדיואקטיבית מוצקה עולה סוגיה סבוכה, כפי שהם נגרעים באופן כזה שהם לא לזהם את הסביבה. עם זאת, קיימת אפשרות כי חומרים רדיואקטיביים המוכנים מרוכז בתקופה הקרובה (למשל, פולוניום), יופקו מפסולת זו.