Članak govori o tome šta je nuklearna fisija, kako je ovaj proces otkriven i opisan. Otkriva se njegova upotreba kao izvora energije i nuklearnog oružja.
"Nedjeljivi" atom
Dvadeset prvi vijek je prepun izraza kao što su "energija atoma", "nuklearna tehnologija", "radioaktivni otpad". S vremena na vrijeme u novinskim naslovima bljesne poruke o mogućnosti radioaktivne kontaminacije tla, okeana, leda Antarktika. Međutim, običan čovjek često nema baš dobru predstavu o tome šta je ova oblast nauke i kako ona pomaže u svakodnevnom životu. Vrijedi početi, možda, s istorijom. Od prvog pitanja, koje mu je postavila dobro uhranjena i obučena osoba, zanimalo ga je kako svijet funkcionira. Kako oko vidi, zašto uho čuje, kako se voda razlikuje od kamena - to je od pamtivijeka brinulo mudrace. Čak su i u staroj Indiji i Grčkoj neki radoznali umovi sugerirali da postoji minimalna čestica (također se zvala "nedjeljiva") koja ima svojstva materijala. Srednjovjekovni hemičari potvrdili su nagađanje mudraca, a moderna definicija atoma je sljedeća: atom je najmanja čestica supstance koja je nosilac njenih svojstava.
Dijelovi atoma
Međutim, razvoj tehnologije (inposebno fotografija) dovela je do činjenice da se atom više ne smatra najmanjom mogućom česticom materije. I iako je jedan atom električno neutralan, naučnici su brzo shvatili da se sastoji od dva dijela s različitim nabojima. Broj pozitivno nabijenih dijelova kompenzira broj negativnih, tako da atom ostaje neutralan. Ali nije postojao nedvosmislen model atoma. Pošto je klasična fizika još uvijek dominirala u tom periodu, iznesene su različite pretpostavke.
Atom modeli
Na početku je predložen model “rolata s grožđicama”. Pozitivni naboj je, takoreći, ispunio cijeli prostor atoma, a negativni naboji su bili raspoređeni u njemu, poput grožđica u lepinji. Čuveni Rutherfordov eksperiment utvrdio je sljedeće: vrlo težak element s pozitivnim nabojem (jezgro) nalazi se u centru atoma, a okolo su mnogo lakši elektroni. Masa jezgra je stotine puta teža od zbira svih elektrona (to je 99,9 posto mase cijelog atoma). Tako je rođen Bohrov planetarni model atoma. Međutim, neki od njegovih elemenata bili su u suprotnosti sa tada prihvaćenom klasičnom fizikom. Stoga je razvijena nova, kvantna mehanika. Njegovom pojavom započeo je neklasični period nauke.
Atom i radioaktivnost
Iz svega navedenog postaje jasno da je jezgro težak, pozitivno nabijen dio atoma, koji čini njegovu masu. Kada su kvantizacija energije i položaji elektrona u orbiti atoma bili dobro shvaćeni, došlo je vrijeme za razumijevanjepriroda atomskog jezgra. U pomoć je pritekla genijalna i neočekivano otkrivena radioaktivnost. To je pomoglo da se otkrije suština teškog središnjeg dijela atoma, budući da je izvor radioaktivnosti nuklearna fisija. Na prelazu iz devetnaestog u dvadeseti vek, otkrića su pljuštala jedno za drugim. Teorijsko rješenje jednog problema zahtijevalo je nove eksperimente. Rezultati eksperimenata dali su povod za teorije i hipoteze koje je trebalo potvrditi ili opovrgnuti. Često su najveća otkrića dolazila jednostavno zato što je tako formulu postalo lako izračunati (kao, na primjer, kvant Maxa Plancka). Još na početku ere fotografije, naučnici su znali da soli uranijuma osvjetljavaju fotoosjetljivi film, ali nisu sumnjali da je nuklearna fisija osnova ovog fenomena. Stoga je radioaktivnost proučavana kako bi se razumjela priroda nuklearnog raspada. Očigledno, zračenje je generirano kvantnim prijelazima, ali nije bilo sasvim jasno koje. Curies su kopali čisti radijum i polonijum, radeći gotovo ručno u rudi uranijuma, da bi odgovorili na ovo pitanje.
Naboj radioaktivnog zračenja
Rutherford je učinio mnogo na proučavanju strukture atoma i doprinio proučavanju načina na koji dolazi do fisije atomskog jezgra. Naučnik je zračenje koje emituje radioaktivni element smjestio u magnetsko polje i dobio zadivljujući rezultat. Pokazalo se da se zračenje sastoji od tri komponente: jedna je neutralna, a druge dvije pozitivno i negativno. Proučavanje nuklearne fisije započelo je njenom definicijomkomponente. Dokazano je da se jezgro može podijeliti, odustati od dijela svog pozitivnog naboja.
Struktura jezgra
Kasnije se ispostavilo da se atomsko jezgro sastoji ne samo od pozitivno nabijenih čestica protona, već i od neutralnih čestica neutrona. Zajedno se nazivaju nukleoni (od engleskog "nukleus", jezgro). Međutim, naučnici su ponovo naišli na problem: masa jezgra (tj. broj nukleona) nije uvijek odgovarala njegovom naboju. U vodoniku, jezgro ima naboj od +1, a masa može biti tri, dva i jedan. Helij sljedeći u periodnom sistemu ima nuklearni naboj od +2, dok njegovo jezgro sadrži od 4 do 6 nukleona. Složeniji elementi mogu imati mnogo više različitih masa za isto punjenje. Takve varijacije atoma nazivaju se izotopi. Štoviše, pokazalo se da su neki izotopi prilično stabilni, dok su se drugi brzo raspadali, budući da ih je karakterizirala nuklearna fisija. Koji princip je odgovarao broju nukleona stabilnosti jezgara? Zašto je dodavanje samo jednog neutrona teškom i prilično stabilnom jezgru dovelo do njegovog cijepanja, do oslobađanja radioaktivnosti? Začudo, odgovor na ovo važno pitanje još nije pronađen. Empirijski se pokazalo da stabilne konfiguracije atomskih jezgara odgovaraju određenim količinama protona i neutrona. Ako u jezgru ima 2, 4, 8, 50 neutrona i/ili protona, tada će jezgro definitivno biti stabilno. Ove brojke se čak nazivaju magijom (a tako su ih zvali odrasli naučnici, nuklearni fizičari). Dakle, fisija jezgara zavisi od njihove mase, odnosno od broja nukleona uključenih u njih.
Kap, školjka, kristal
U ovom trenutku nije bilo moguće utvrditi faktor koji je odgovoran za stabilnost jezgra. Postoje mnoge teorije o modelu strukture atoma. Tri najpoznatija i razvijena često su u suprotnosti jedna s drugom po raznim pitanjima. Prema prvom, jezgro je kap posebne nuklearne tekućine. Poput vode, karakteriše je fluidnost, površinski napon, koalescencija i propadanje. U modelu ljuske postoje i određeni energetski nivoi u jezgru, koji su ispunjeni nukleonima. Treći navodi da je jezgro medij koji je sposoban prelamati posebne valove (de Broglie), dok je indeks prelamanja potencijalna energija. Međutim, nijedan model još nije bio u stanju da u potpunosti opiše zašto, pri određenoj kritičnoj masi ovog konkretnog hemijskog elementa, počinje nuklearna fisija.
Kakvi su raskidi
Radioaktivnost, kao što je gore spomenuto, pronađena je u supstancama koje se mogu naći u prirodi: uranijum, polonijum, radijum. Na primjer, svježe iskopani čisti uranijum je radioaktivan. Proces razdvajanja će u ovom slučaju biti spontan. Bez ikakvih vanjskih utjecaja, određeni broj atoma uranijuma će emitovati alfa čestice, spontano se pretvarajući u torijum. Postoji indikator koji se zove poluživot. Pokazuje za koji vremenski period od početnog broja dijela će ostati otprilike polovina. Za svaki radioaktivni element, vrijeme poluraspada je različito - od djelića sekunde za Kaliforniju dostotine hiljada godina za uranijum i cezijum. Ali postoji i prisilna radioaktivnost. Ako su jezgra atoma bombardirana protonima ili alfa česticama (jezgrima helijuma) s visokom kinetičkom energijom, mogu se "razdvojiti". Mehanizam transformacije se, naravno, razlikuje od toga kako se majčina omiljena vaza razbije. Međutim, postoji određena analogija.
Atomska energija
Do sada nismo odgovorili na praktično pitanje: odakle dolazi energija tokom nuklearne fisije. Za početak, mora se razjasniti da prilikom formiranja jezgra djeluju posebne nuklearne sile, koje se nazivaju jakom interakcijom. Budući da je jezgro sastavljeno od mnogo pozitivnih protona, ostaje pitanje kako se drže zajedno, jer ih elektrostatičke sile moraju prilično snažno odgurnuti jedno od drugog. Odgovor je i jednostavan i ne u isto vrijeme: jezgro se drži na okupu vrlo brzom razmjenom između nukleona posebnih čestica - pi-mezona. Ova veza živi neverovatno kratko. Čim razmjena pi-mezona prestane, jezgro se raspada. Također je pouzdano poznato da je masa jezgra manja od zbira svih nukleona koji su u njemu sastavni. Ovaj fenomen se naziva defekt mase. U stvari, masa koja nedostaje je energija koja se troši na održavanje integriteta jezgra. Čim se neki dio odvoji od jezgra atoma, ta energija se oslobađa i pretvara u toplinu u nuklearnim elektranama. Odnosno, energija nuklearne fisije jasna je demonstracija poznate Einsteinove formule. Podsjetimo da formula kaže: energija i masa se mogu pretvoriti jedna u drugu (E=mc2).
Teorija i praksa
Sada ćemo vam reći kako se ovo čisto teorijsko otkriće koristi u životu za proizvodnju gigavata električne energije. Prvo, treba napomenuti da kontrolirane reakcije koriste prisilnu nuklearnu fisiju. Najčešće je to uranijum ili polonijum, koji je bombardovan brzim neutronima. Drugo, nemoguće je ne razumjeti da je nuklearna fisija praćena stvaranjem novih neutrona. Kao rezultat toga, broj neutrona u zoni reakcije može se vrlo brzo povećati. Svaki neutron se sudara sa novim, još netaknutim jezgrima, razdvaja ih, što dovodi do povećanja oslobađanja toplote. Ovo je lančana reakcija nuklearne fisije. Nekontrolirano povećanje broja neutrona u reaktoru može dovesti do eksplozije. Upravo se to dogodilo 1986. godine u nuklearnoj elektrani Černobil. Stoga, u zoni reakcije uvijek postoji supstanca koja apsorbira višak neutrona, sprječavajući katastrofu. To je grafit u obliku dugih šipki. Brzina nuklearne fisije može se usporiti uranjanjem štapova u zonu reakcije. Jednačina nuklearne reakcije je sastavljena posebno za svaku aktivnu radioaktivnu tvar i čestice koje je bombardiraju (elektroni, protoni, alfa čestice). Međutim, konačni izlaz energije izračunava se prema zakonu očuvanja: E1+E2=E3+E4. To jest, ukupna energija originalnog jezgra i čestice (E1 + E2) mora biti jednaka energiji rezultirajućeg jezgra i energiji oslobođenoj u slobodnom obliku (E3 + E4). Jednačina nuklearne reakcije također pokazuje kakva se supstanca dobiva kao rezultat raspadanja. Na primjer, za uranijum U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Izotopi elemenata nisu navedeni ovdje.međutim, ovo je važno. Na primjer, postoje čak tri mogućnosti za fisiju uranijuma, pri čemu nastaju različiti izotopi olova i neona. U gotovo sto posto slučajeva, reakcija nuklearne fisije proizvodi radioaktivne izotope. To jest, raspad uranijuma proizvodi radioaktivni torij. Torijum se može raspasti do protaktinijuma, od toga do aktinijuma i tako dalje. I bizmut i titanijum mogu biti radioaktivni u ovoj seriji. Čak i vodonik, koji sadrži dva protona u jezgri (brzinom jednog protona), naziva se drugačije - deuterijum. Voda nastala takvim vodonikom naziva se teška voda i ispunjava primarni krug u nuklearnim reaktorima.
Nemirni atom
Izrazi kao što su "trka u naoružanju", "hladni rat", "nuklearna prijetnja" mogu izgledati historijski i irelevantni modernoj osobi. Ali nekada davno, svako izdanje vijesti gotovo u cijelom svijetu bilo je popraćeno izvještajima o tome koliko je vrsta nuklearnog oružja izmišljeno i kako se s njima nositi. Ljudi su gradili podzemne bunkere i pravili zalihe za slučaj nuklearne zime. Na izgradnji skloništa radile su cijele porodice. Čak i miroljubiva upotreba reakcija nuklearne fisije može dovesti do katastrofe. Čini se da je Černobil naučio čovječanstvo da bude oprezan na ovom području, ali elementi planete su se pokazali jačima: potres u Japanu oštetio je vrlo pouzdane utvrde nuklearne elektrane Fukushima. Energiju nuklearne reakcije mnogo je lakše iskoristiti za uništenje. Tehnolozi samo trebaju ograničiti snagu eksplozije, kako slučajno ne bi uništili cijelu planetu. „Najhumanije“bombe, ako ih tako možete nazvati, ne zagađuju okolinu radijacijom. Općenito, najčešće koristenekontrolisana lančana reakcija. Ono što u nuklearnim elektranama nastoje izbjeći, postiže se bombama na vrlo primitivan način. Za svaki prirodno radioaktivni element postoji određena kritična masa čiste supstance u kojoj se lančana reakcija rađa sama od sebe. Za uranijum, na primjer, iznosi samo pedeset kilograma. Pošto je uranijum veoma težak, to je samo mala metalna lopta prečnika 12-15 centimetara. Prve atomske bombe bačene na Hirošimu i Nagasaki napravljene su upravo po ovom principu: dva nejednaka dijela čistog uranijuma jednostavno su se spojila i izazvala zastrašujuću eksploziju. Moderno oružje je vjerovatno sofisticiranije. Međutim, ne treba zaboraviti na kritičnu masu: moraju postojati barijere između malih količina čistog radioaktivnog materijala tokom skladištenja, sprečavajući dijelove da se spoje.
Izvori zračenja
Svi elementi sa nuklearnim nabojem većim od 82 su radioaktivni. Gotovo svi lakši hemijski elementi imaju radioaktivne izotope. Što je jezgro teže, to mu je životni vijek kraći. Neki elementi (kao što je Kalifornija) mogu se dobiti samo vještački - sudarom teških atoma sa lakšim česticama, najčešće u akceleratorima. Pošto su vrlo nestabilne, ne postoje u zemljinoj kori: tokom formiranja planete vrlo brzo su se raspale na druge elemente. Supstance sa lakšim jezgrima, kao što je uranijum, mogu se kopati. Ovaj proces je dug, uran pogodan za ekstrakciju, čak iu veoma bogatim rudama, sadrži manje od jedan posto. treći način,možda ukazuje da je nova geološka epoha već počela. Ovo je ekstrakcija radioaktivnih elemenata iz radioaktivnog otpada. Nakon što se gorivo potroši u elektrani, na podmornici ili nosaču aviona, dobije se mješavina originalnog uranijuma i konačne tvari, rezultat fisije. Ovo se trenutno smatra čvrstim radioaktivnim otpadom i postavlja se akutno pitanje kako ga zbrinuti da ne zagađuje okoliš. Međutim, vjerovatno je da će se u bliskoj budućnosti iz ovog otpada iskopavati gotove koncentrisane radioaktivne supstance (na primjer, polonijum).
