Kernsplijting: het proces van het splitsen van de atoomkern. Kernreacties

Het artikel vertelt over de kernsplijting, hoe dit proces werd ontdekt en beschreven. Het onthult zijn gebruik als een bron van energie en kernwapens.

"Ondeelbaar" atoom

De eenentwintigste eeuw zit vol met dergelijke uitdrukkingen,als "energie van het atoom", "nucleaire technologie", "radioactief afval". Af en toe tonen krantenkoppen berichten over de mogelijkheid van radioactieve besmetting van de bodem, oceanen, ijs van de Zuidpool. Een gewoon persoon stelt zich echter vaak niet zo goed voor wat voor soort wetenschapsgebied het is en hoe het helpt in het dagelijks leven. Het is de moeite waard om met de geschiedenis te beginnen. Vanaf de allereerste vraag van een goed gevoede en geklede persoon was hij geïnteresseerd in hoe de wereld werkt. Zoals het oog ziet, waarom hij het oor hoort, dan verschilt het water van de steen - dat is wat de wijzen vanaf het begin ongerust maakten. Terug in het oude India en Griekenland, dachten sommige nieuwsgierige geesten dat er een minimaal deeltje was (het werd ook wel "ondeelbaar" genoemd), en bezat de eigenschappen van het materiaal. Middeleeuwse chemici hebben de gissing van de wijzen bevestigd en de moderne definitie van het atoom is als volgt: een atoom is het kleinste deeltje van een stof dat de drager is van zijn eigenschappen.

Delen van het atoom

De ontwikkeling van technologie (in het bijzonder,foto's) leidde tot het feit dat het atoom niet langer als het kleinst mogelijke deeltjesmateriaal werd beschouwd. En hoewel een enkel atoom elektrisch neutraal is, realiseerden de wetenschappers zich snel dat het uit twee delen met verschillende ladingen bestaat. Het aantal positief geladen delen compenseert het aantal negatieve deeltjes, dus het atoom blijft neutraal. Maar er was geen enkelwaardig model van het atoom. Omdat in die tijd de klassieke natuurkunde nog steeds domineerde, werden verschillende aannames uitgedrukt.

Modellen van het Atom

Aanvankelijk werd een "raisin-roll" -model voorgesteld. De positieve lading leek de hele ruimte van het atoom te vullen, en daarin, als rozijnen in een brood, werden negatieve ladingen verdeeld. De beroemde ervaring van Rutherford bepaalde het volgende: in het midden van het atoom bevindt zich een heel zwaar element met een positieve lading (de kern), en er omheen zijn veel lichtere elektronen. De massa van de kern is honderden malen zwaarder dan de som van alle elektronen (het is 99,9 procent van de massa van het gehele atoom). Zo werd het planetaire model van het Bohr-atoom geboren. Sommige elementen waren echter in tegenspraak met de klassieke natuurkunde die toen werd geaccepteerd. Daarom werd een nieuwe, kwantummechanica ontwikkeld. Met zijn uiterlijk begon de niet-klassieke periode van de wetenschap.

Atoom en radioactiviteit

Uit alles wat hierboven is gezegd, wordt duidelijk datkern - het is een zware, positief geladen deel van het atoom, die het grootste deel ervan vormt. Wanneer de energie kwantisering en de positie van een elektron baan een atoom zijn goed bestudeerd, is het tijd om de aard van de atoomkernen begrijpen. Zij kwam tot de hulp van een briljant en onverwachte ontdekking van de radioactiviteit. Het heeft geholpen om de essentie van zware centraal atoom te onthullen, omdat de radioactieve bron - kernsplijting. Aan het begin van de negentiende en twintigste eeuw, de opening viel de ene na de andere. Theoretische oplossing van een probleem waardoor de noodzaak om nieuwe ervaringen te stellen. De experimentele resultaten gaven aanleiding tot theorieën en hypothesen die nodig zijn om te bevestigen of te weerleggen. Vaak is de grootste ontdekkingen verschenen, omdat op deze manier de formule is geschikt voor het berekenen (zoals quantum Max Planck). Aan het begin van het tijdperk van de fotografie, wetenschappers wisten dat uraniumzouten licht geharde lichtgevoelige film, maar ze wisten niet dat de basis van dit fenomeen is kernsplijting. Daarom werd de radioactiviteit bestudeerd om het karakter van het nucleaire verval begrijpen. Het is duidelijk dat de emissie quantum overgangen werden gegenereerd, maar het was niet duidelijk wat het is. Chet Curie gewonnen zuiver radium en polonium, de verwerking van uraniumerts vrijwel handmatig om een ​​antwoord te krijgen op deze vraag.

De lading van radioactieve straling

Rutherford deed veel om de structuur te bestuderenatoom en hebben bijgedragen aan de studie van hoe de splijting van de kern van het atoom plaatsvindt. De wetenschapper plaatste de straling van het radioactieve element in een magnetisch veld en ontving een verbluffend resultaat. Het bleek dat de straling uit drie componenten bestond: de ene was neutraal en de andere twee - positief en negatief geladen. De studie van kernsplijting begon met de bepaling van de componenten ervan. Het is bewezen dat de kern kan delen, een deel van zijn positieve lading opgeven.

De structuur van de kern

Later bleek dat de atoomkern dat niet isalleen van positief geladen protondeeltjes, maar ook van neutrale neutronendeeltjes. Alles bij elkaar worden ze nucleonen genoemd (van de Engelse "kern", de kern). Wetenschappers stuitten echter opnieuw op een probleem: de massa van de kern (dat wil zeggen, het aantal nucleonen) kwam niet altijd overeen met de lading ervan. In waterstof heeft de kern een lading van +1, en de massa kan drie en twee en één zijn. De volgende lading wordt gevolgd door een lading van de kern +2 in het periodiek systeem van helium, terwijl de kern ervan 4 tot 6 nucleonen bevat. Meer complexe elementen kunnen een veel groter aantal verschillende massa's hebben met dezelfde lading. Dergelijke variaties van atomen worden isotopen genoemd. En sommige isotopen bleken vrij stabiel te zijn, terwijl andere snel uit elkaar vielen, terwijl voor hen de kernsplijting kenmerkend was. Naar welk principe kwam het aantal nucleons van stabiliteit van kernen overeen? Waarom leidde de toevoeging van slechts één neutron aan een zware en volledig stabiele kern tot zijn splitsing, tot radioactiviteit? Vreemd genoeg is het antwoord op deze belangrijke vraag nog niet gevonden. Experimenteel is gebleken dat stabiele configuraties van atoomkernen overeenkomen met bepaalde hoeveelheden protonen en neutronen. Als er 2, 4, 8, 50 neutronen en / of protonen in de kern zitten, dan zal de kern ondubbelzinnig stabiel zijn. Deze getallen worden zelfs magisch genoemd (en ze werden zo genoemd door volwassen wetenschappers, kernfysici). Aldus hangt de splijting van kernen af ​​van hun massa, dat wil zeggen van het aantal nucleonen dat daarin binnenkomt.

Drop, schaal, kristal

Identificeer de factor die verantwoordelijk is voorstabiliteit van de kern, op het moment dat het niet mogelijk was. Er zijn veel theorieën over het model van de structuur van het atoom. De drie meest beroemde en ontwikkelde degenen spreken elkaar vaak tegen in verschillende kwesties. Volgens de eerste is de kern een druppel van een speciale nucleaire vloeistof. Net als water wordt het gekenmerkt door vloeibaarheid, oppervlaktespanning, fusie en verval. In het schaalmodel in de kern zijn er ook bepaalde energieniveaus die zijn gevuld met nucleonen. De derde stelt dat de kern een omgeving is die in staat is om speciale golven te breken (de Broglie-golven), terwijl de brekingsindex de potentiële energie is. Geen enkel model heeft echter tot nu toe volledig kunnen beschrijven waarom, bij een bepaalde kritische massa van dit specifieke chemische element, de splitsing van de kern begint.

Wat is de verdeling

Radioactiviteit, zoals hierboven al vermeld, wasHet wordt gevonden in stoffen die in de natuur voorkomen: uranium, polonium, radium. Zo is bijvoorbeeld vers gedolven, zuiver uranium radioactief. Het splitsingsproces zal in dit geval spontaan zijn. Zonder externe invloeden zal een bepaald aantal uraniumatomen alfadeeltjes uitzenden, die zich spontaan in thorium veranderen. Er is een indicator die de halfwaardetijd wordt genoemd. Het laat zien, voor welk tijdsinterval vanaf een eerste nummer van een onderdeel er ongeveer de helft zal zijn. Voor elk radioactief element is de halfwaardetijd van fracties van een seconde voor Californië tot honderdduizenden jaren voor uranium en cesium. Maar er is ook gedwongen radioactiviteit. Als de atoomkernen worden gebombardeerd met protonen of alfadeeltjes (heliumkernen) met hoge kinetische energie, kunnen ze "splitsen". Het mechanisme van transformatie verschilt natuurlijk van de manier waarop de vaas van de geliefde moeder wordt verbroken. Er is echter een bepaalde analogie terug te vinden.

De energie van het atoom

Tot dusverre hebben we de praktische vraag niet beantwoordkarakter: vanwaar de splijting van de kern energie kost. Om te beginnen moet worden verduidelijkt dat wanneer een kern wordt gevormd, speciale kernwapens werken, die sterke interacties worden genoemd. Omdat de kern bestaat uit een reeks positieve protonen, blijft de vraag hoe ze aan elkaar blijven kleven, omdat elektrostatische krachten ze sterk van elkaar moeten afstoten. Het antwoord is zowel eenvoudig als niet: de kern blijft ten koste van een zeer snelle uitwisseling tussen de nucleonen door speciale deeltjes-pi-mesonen. Deze connectie leeft ongelooflijk weinig. Zodra de uitwisseling van pionen wordt gestopt, vervalt de kern. Het is ook bekend dat de kernmassa minder is dan de som van alle samenstellende nucleonen. Dit fenomeen werd het massadefect genoemd. In feite is de ontbrekende massa de energie die wordt besteed aan het handhaven van de integriteit van de kern. Zodra een deel van de atoomkern scheidt, wordt deze energie vrijgegeven en omgezet in warmte in kerncentrales. Dat wil zeggen, de energie van kernsplijting is een visuele demonstratie van de beroemde formule van Einstein. Recall, de formule zegt: energie en massa kunnen in elkaar worden omgezet (E = mc²).

Theorie en oefenen

Laten we nu bespreken hoe dit puur theoretisch isDe ontdekking wordt in het leven gebruikt om gigawatt aan elektriciteit te genereren. Ten eerste moet worden opgemerkt dat bij gecontroleerde reacties geforceerde kernsplijting wordt gebruikt. Meestal is het uranium of polonium, dat wordt gebombardeerd door snelle neutronen. Ten tweede kan men niet nalaten te begrijpen dat de splijting van kernen gepaard gaat met het creëren van nieuwe neutronen. Dientengevolge kan het aantal neutronen in de reactiezone zeer snel toenemen. Elk neutron botst met nieuwe, nog steeds hele kernen, splitst ze, wat leidt tot een toename van de afgifte van warmte. Dit is de kettingreactie van kernsplijting. De ongecontroleerde toename van het aantal neutronen in de reactor kan tot een explosie leiden. Dit is wat er in 1986 gebeurde in de kerncentrale van Tsjernobyl. Daarom is er in de reactiezone altijd een stof die overtollige neutronen absorbeert en een catastrofe voorkomt. Het is grafiet in de vorm van lange staven. De splijtingsnelheid van de kernen kan worden vertraagd door de staven in de reactiezone onder te dompelen. De vergelijking van de kernreactie is specifiek samengesteld voor elke actieve radioactieve stof en de deeltjes die het bombarderen (elektronen, protonen, alfadeeltjes). De uiteindelijke energieoutput wordt echter berekend volgens de behoudswet: E1 + E2 = E3 + E4. Dat wil zeggen, de totale energie van de initiële kern en het deeltje (El + E2) moet gelijk zijn aan de energie van de resulterende kern en de afgegeven energie (E3 + E4). De kernreactievergelijking laat ook zien welke stof wordt geproduceerd als gevolg van het verval. Bijvoorbeeld voor uranium U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Er worden geen isotopen van chemische elementen getoond, maar dit is belangrijk. Er zijn bijvoorbeeld maar liefst drie mogelijkheden voor splijting van uranium, waarin verschillende isotopen van lood en neon worden gevormd. In bijna honderd procent van de gevallen levert de kernsplijtingreactie radioactieve isotopen op. Dat wil zeggen, het verval van uranium produceert radioactief thorium. Thorium is in staat op te lossen voor protactinium, dat - voor actinia, enzovoort. Radioactief in deze reeks kan zowel bismut als titanium zijn. Zelfs waterstof, dat twee protonen in de kern bevat (in de snelheid van één proton), wordt anders genoemd - deuterium. Het met dergelijke waterstof gevormde water wordt zwaar genoemd en vult het eerste circuit in kernreactoren.

Niet-vreedzaam atoom

Uitingen zoals de "wapenwedloop""Koude oorlog", "nucleaire dreiging" voor de moderne mens kan historisch en irrelevant lijken. Maar op een bepaald moment ging elke nieuwsuitwisseling bijna overal ter wereld vergezeld van rapporten over hoeveel soorten kernwapens werden uitgevonden en hoe ermee om te gaan. Mensen bouwden ondergrondse bunkers en maakten reserves in het geval van een nucleaire winter. Hele gezinnen werkten om asiel op te zetten. Zelfs het vreedzame gebruik van kernsplijtingreacties kan tot een catastrofe leiden. Het lijkt erop dat Tsjernobyl de mensheid de nauwkeurigheid op dit gebied heeft geleerd, maar de elementen van de planeet bleken sterker te zijn: de aardbeving in Japan beschadigde de zeer betrouwbare versterking van de kerncentrale van Fukushima. De energie van de kernreactie is veel gemakkelijker te gebruiken voor vernietiging. Technologen hoeven alleen de kracht van de explosie te beperken, om niet per ongeluk de hele planeet te vernietigen. De meest "humane" bommen, als ze zo kunnen worden genoemd, vervuilen de buurt niet met straling. Over het algemeen gebruiken ze meestal een ongecontroleerde kettingreactie. Wat zij bij kerncentrales proberen te vermijden, wordt op een zeer primitieve manier gebombardeerd. Voor elk natuurlijk radioactief element is er een kritische massa van zuivere materie waarin de kettingreactie zelf wordt gegenereerd. Voor uranium is het bijvoorbeeld maar vijftig kilogram. Omdat uranium erg zwaar is, is het slechts een kleine metalen bal met een diameter van 12-15 centimeter. De eerste atoombommen die op Hiroshima en Nagasaki vielen, werden precies op dit principe gemaakt: twee ongelijke delen van zuiver uranium waren eenvoudig verbonden en veroorzaakten een angstaanjagende explosie. Moderne wapens zijn waarschijnlijk complexer. De kritieke massa mag echter niet vergeten worden: tussen kleine hoeveelheden zuiver radioactief materiaal tijdens opslag, moeten er barrières zijn die het niet toelaten om met onderdelen te verbinden.

Bronnen van straling

Alle elementen met een atoomkernlading groter dan 82zijn radioactief. Bijna alle lichtere chemische elementen hebben radioactieve isotopen. Hoe zwaarder de kern, hoe minder zijn levensduur. Sommige elementen (zoals Californië) kunnen alleen kunstmatig worden verkregen - door zware atomen te kloppen met lichtere deeltjes, meestal op versnellers. Omdat ze erg onstabiel zijn, bestaan ​​ze niet in de aardkorst: toen ze de planeet vormden, vielen ze snel uiteen in andere elementen. Stoffen met lichtere kernen, zoals uranium, kunnen worden geëxtraheerd. Dit lange proces, geschikt voor het winnen van uranium, zelfs in zeer rijke ertsen, bevat minder dan één procent. De derde manier, misschien, geeft aan dat het nieuwe geologische tijdperk al is begonnen. Dit is de extractie van radioactieve elementen uit radioactief afval. Nadat de brandstof in een krachtcentrale, op een onderzeeër of vliegdekschip is afgewerkt, wordt een mengsel van het oorspronkelijke uranium en de uiteindelijke stof, het resultaat van de splijting, verkregen. Op dit moment wordt dit beschouwd als vast radioactief afval en het is een dringende kwestie hoe ze te verwijderen, zodat ze het milieu niet vervuilen. Het is echter waarschijnlijk dat in de nabije toekomst reeds geconcentreerde radioactieve stoffen (bijvoorbeeld polonium) uit deze afvalstoffen zullen worden gewonnen.