Статията разказва какво е ядрено делене, как е открит и описан този процес. Използването му като източник на енергия и ядрени оръжия е разкрито.
"Неделим" атом
Двадесет и първи век е пълен с изрази като "енергия на атома", "ядрена технология", "радиоактивни отпадъци". От време на време във вестникарските заглавия светкавични съобщения за възможността за радиоактивно замърсяване на почвата, океаните, ледовете на Антарктида. Обаче обикновеният човек често няма много добра представа за това какво представлява тази област на науката и как помага в ежедневието. Може би си струва да започнем с историята. Още от първия въпрос, който беше зададен от добре хранен и облечен човек, той се интересуваше как работи светът. Как вижда окото, защо ухото чува, как водата се различава от камъка - това тревожеше мъдреците от незапомнени времена. Дори в древна Индия и Гърция някои любознателни умове предполагаха, че има минимална частица (наричана е още „неделима“), която има свойствата на материал. Средновековните химици потвърдиха предположението на мъдреците, а съвременната дефиниция на атома е следната: атомът е най-малката частица от вещество, което е носител на неговите свойства.
Части от атом
Въпреки това, развитието на технологиите (впо-специално фотографията) доведе до факта, че атомът вече не се счита за най-малката възможна частица материя. И въпреки че един атом е електрически неутрален, учените бързо разбраха, че се състои от две части с различни заряди. Броят на положително заредените части компенсира броя на отрицателните, така че атомът остава неутрален. Но нямаше еднозначен модел на атома. Тъй като класическата физика все още доминира през този период, бяха направени различни предположения.
Atom модели
В началото беше предложен моделът „ролка със стафиди“. Положителният заряд сякаш изпълваше цялото пространство на атома и в него се разпределяха отрицателни заряди, като стафиди в кифличка. Известният експеримент на Ръдърфорд установи следното: в центъра на атома се намира много тежък елемент с положителен заряд (ядрото), а наоколо са много по-леки електрони. Масата на ядрото е стотици пъти по-тежка от сумата на всички електрони (това е 99,9 процента от масата на целия атом). Така се ражда планетарният модел на атома на Бор. Някои от неговите елементи обаче противоречат на приетата тогава класическа физика. Следователно е разработена нова, квантова механика. С появата му започва некласическият период на науката.
Атом и радиоактивност
От всичко по-горе става ясно, че ядрото е тежка, положително заредена част от атома, която съставлява неговата маса. Когато квантуването на енергията и позициите на електроните в орбитата на атома бяха добре разбрани, беше време да се разбереприродата на атомното ядро. На помощ се притекла гениалната и неочаквано открита радиоактивност. Това помогна да се разкрие същността на тежката централна част на атома, тъй като източникът на радиоактивност е ядреното делене. В началото на деветнадесети и двадесети век откритията валят едно след друго. Теоретичното решение на един проблем наложи нови експерименти. Резултатите от експериментите породиха теории и хипотези, които трябваше да бъдат потвърдени или опровергани. Често най-големите открития се случват просто защото така формулата става лесна за изчисляване (като например квантът на Макс Планк). Още в началото на ерата на фотографията учените знаеха, че урановите соли осветяват фоточувствителен филм, но не подозираха, че ядреното делене е в основата на това явление. Следователно, радиоактивността е изследвана, за да се разбере естеството на ядрения разпад. Очевидно излъчването е генерирано от квантови преходи, но не беше съвсем ясно кои. Семейство Кюри добивали чист радий и полоний, работейки почти на ръка в уранова руда, за да отговорят на този въпрос.
Зарядът от радиоактивно излъчване
Ръдърфорд направи много за изследване на структурата на атома и допринесе за изучаването на това как се случва деленето на атомното ядро. Ученият постави излъчваното от радиоактивен елемент излъчване в магнитно поле и получи невероятен резултат. Оказа се, че радиацията се състои от три компонента: единият е неутрален, а другите два са положително и отрицателно заредени. Изучаването на ядреното делене започва с определянето на неговатакомпоненти. Доказано е, че ядрото може да се раздели, да отстъпи част от своя положителен заряд.
Структура на ядрото
По-късно се оказа, че атомното ядро се състои не само от положително заредени частици от протони, но и от неутрални частици от неутрони. Заедно те се наричат нуклони (от английското "nucleus", ядрото). Учените обаче отново се сблъскаха с проблем: масата на ядрото (тоест броят на нуклоните) не винаги отговаряше на неговия заряд. Във водорода ядрото има заряд +1, а масата може да бъде три, две и едно. Следващият в периодичната таблица хелий има ядрен заряд +2, докато ядрото му съдържа от 4 до 6 нуклона. По-сложните елементи могат да имат много повече различни маси за същия заряд. Такива вариации на атомите се наричат изотопи. Освен това някои изотопи се оказаха доста стабилни, докато други бързо се разпаднаха, тъй като се характеризираха с ядрено делене. Какъв принцип съответства на броя на нуклоните на стабилността на ядрата? Защо добавянето само на един неутрон към тежко и доста стабилно ядро е довело до неговото разцепване, до освобождаване на радиоактивност? Колкото и да е странно, отговорът на този важен въпрос все още не е намерен. Емпирично се оказа, че стабилните конфигурации на атомните ядра съответстват на определени количества протони и неутрони. Ако в ядрото има 2, 4, 8, 50 неутрона и/или протона, тогава ядрото определено ще бъде стабилно. Тези числа дори се наричат магия (и възрастни учени, ядрени физици, ги наричат така). По този начин деленето на ядрата зависи от тяхната маса, тоест от броя на нуклоните, включени в тях.
Капка, черупка, кристал
Не беше възможно да се определи факторът, който е отговорен за стабилността на ядрото в момента. Има много теории за модела на структурата на атома. Трите най-известни и развити често си противоречат по различни въпроси. Според първата ядрото е капка от специална ядрена течност. Подобно на водата, тя се характеризира с течливост, повърхностно напрежение, коалесценция и разпад. В модела на черупката има и определени енергийни нива в ядрото, които са пълни с нуклони. Третият гласи, че ядрото е среда, която е способна да пречупва специални вълни (де Бройл), докато показателят на пречупване е потенциална енергия. Въпреки това, никой модел все още не е успял да опише напълно защо при определена критична маса на този конкретен химичен елемент започва ядрено делене.
Какво представляват раздялата
Радиоактивността, както бе споменато по-горе, е открита в вещества, които могат да бъдат намерени в природата: уран, полоний, радий. Например, прясно добит чист уран е радиоактивен. Процесът на разделяне в този случай ще бъде спонтанен. Без никакви външни влияния, определен брой атоми на уран ще отделят алфа-частици, които спонтанно се превръщат в торий. Има индикатор, наречен полуживот. Показва за какъв период от време от първоначалния номер на частта ще остане около половината. За всеки радиоактивен елемент периодът на полуразпад е различен – от части от секундата за Калифорния достотици хиляди години за уран и цезий. Но има и принудителна радиоактивност. Ако ядрата на атомите бъдат бомбардирани с протони или алфа частици (хелиеви ядра) с висока кинетична енергия, те могат да се „разцепят“. Механизмът на трансформация, разбира се, е различен от това как се счупи любимата ваза на майката. Има обаче известна аналогия.
Атомна енергия
Досега не сме отговорили на практически въпрос: откъде идва енергията по време на ядрено делене. Като начало трябва да се изясни, че по време на образуването на ядрото действат специални ядрени сили, които се наричат силно взаимодействие. Тъй като ядрото е изградено от много положителни протони, остава въпросът как те се слепват, тъй като електростатичните сили трябва да ги отдалечават доста силно един от друг. Отговорът е едновременно прост и не едновременно: ядрото се държи заедно чрез много бърз обмен между нуклони на специални частици - pi-мезони. Тази връзка живее невероятно кратко. Веднага щом обменът на пи-мезони спре, ядрото се разпада. Също така със сигурност е известно, че масата на едно ядро е по-малка от сбора на всички съставляващи го нуклони. Това явление се нарича дефект на масата. Всъщност липсващата маса е енергията, която се изразходва за поддържане на целостта на ядрото. Веднага щом някаква част се отдели от ядрото на атома, тази енергия се освобождава и се превръща в топлина в атомните електроцентрали. Тоест енергията на ядреното делене е ясна демонстрация на известната формула на Айнщайн. Припомнете си, че формулата казва: енергията и масата могат да се превърнат една в друга (E=mc2).
Теория и практика
Сега ще ви разкажем как това чисто теоретично откритие се използва в живота за производство на гигават електричество. Първо, трябва да се отбележи, че контролираните реакции използват принудително ядрено делене. Най-често това е уран или полоний, който е бомбардиран от бързи неутрони. Второ, невъзможно е да не се разбере, че ядреното делене е придружено от създаването на нови неутрони. В резултат на това броят на неутроните в реакционната зона може да се увеличи много бързо. Всеки неутрон се сблъсква с нови, все още непокътнати ядра, разцепва ги, което води до увеличаване на отделянето на топлина. Това е верижната реакция на ядрено делене. Неконтролирано увеличаване на броя на неутроните в реактора може да доведе до експлозия. Точно това се случи през 1986 г. в атомната електроцентрала в Чернобил. Следователно в реакционната зона винаги има вещество, което абсорбира излишните неутрони, предотвратявайки катастрофа. Представлява графит под формата на дълги пръчки. Скоростта на ядрено делене може да се забави чрез потапяне на пръчките в реакционната зона. Уравнението на ядрената реакция е съставено специално за всяко активно радиоактивно вещество и бомбардиращите го частици (електрони, протони, алфа частици). Въпреки това, крайната енергийна мощност се изчислява съгласно закона за запазване: E1+E2=E3+E4. Тоест, общата енергия на първоначалното ядро и частица (E1 + E2) трябва да бъде равна на енергията на полученото ядро и енергията, освободена в свободна форма (E3 + E4). Уравнението на ядрената реакция също показва какъв вид вещество се получава в резултат на разпад. Например, за уран U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Изотопите на елементите не са изброени тук.обаче това е важно. Например, има цели три възможности за делене на уран, при което се образуват различни изотопи на олово и неон. В почти сто процента от случаите реакцията на ядрено делене произвежда радиоактивни изотопи. Тоест при разпадането на урана се получава радиоактивен торий. Торият може да се разпадне до протактиний, този до актиний и т.н. И бисмутът, и титанът могат да бъдат радиоактивни в тази серия. Дори водородът, който съдържа два протона в ядрото (при скорост на един протон), се нарича по различен начин - деутерий. Водата, образувана с такъв водород, се нарича тежка вода и запълва първичния кръг в ядрените реактори.
Немирен атом
Такива изрази като "надпревара във въоръжаването", "студена война", "ядрена заплаха" може да изглеждат исторически и ирелевантни за съвременния човек. Но едно време всяка новинарска публикация почти по целия свят беше придружена от репортажи за това колко вида ядрени оръжия са изобретени и как да се справят с тях. Хората построиха подземни бункери и се запасиха в случай на ядрена зима. За изграждането на приюта работиха цели семейства. Дори мирното използване на реакции на ядрено делене може да доведе до катастрофа. Изглежда, че Чернобил е научил човечеството да бъде внимателно в тази област, но елементите на планетата се оказаха по-силни: земетресението в Япония повреди много надеждните укрепления на атомната електроцентрала Фукушима. Енергията на ядрена реакция е много по-лесна за използване за унищожаване. Технолозите трябва само да ограничат силата на експлозията, за да не унищожат случайно цялата планета. Най-"хуманните" бомби, ако може да ги наречете така, не замърсяват околността с радиация. Като цяло те най-често използватнеконтролирана верижна реакция. Това, което се стремят да избегнат в атомните електроцентрали, се постига с бомби по много примитивен начин. За всеки естествен радиоактивен елемент има определена критична маса от чисто вещество, в която се ражда верижна реакция. За урана, например, той е само петдесет килограма. Тъй като уранът е много тежък, той е само малка метална топка с диаметър 12-15 сантиметра. Първите атомни бомби, хвърлени върху Хирошима и Нагасаки, са направени точно по този принцип: две неравни части чист уран просто се комбинират и генерират ужасяваща експлозия. Съвременните оръжия вероятно са по-сложни. Въпреки това, не трябва да се забравя за критичната маса: трябва да има бариери между малки обеми чист радиоактивен материал по време на съхранение, предотвратявайки свързването на частите.
Източници на радиация
Всички елементи с ядрен заряд по-голям от 82 са радиоактивни. Почти всички по-леки химични елементи имат радиоактивни изотопи. Колкото по-тежко е ядрото, толкова по-кратък е неговият живот. Някои елементи (като Калифорния) могат да бъдат получени само изкуствено – чрез сблъсък на тежки атоми с по-леки частици, най-често в ускорители. Тъй като те са много нестабилни, те не съществуват в земната кора: по време на формирането на планетата те много бързо се разпадат на други елементи. Вещества с по-леки ядра, като уран, могат да бъдат добивани. Този процес е дълъг, уранът, подходящ за добив, дори в много богати руди, съдържа по-малко от един процент. трети начин,може би показва, че вече е започнала нова геоложка епоха. Това е извличането на радиоактивни елементи от радиоактивни отпадъци. След като горивото се изразходва в електроцентрала, на подводница или самолетоносач, се получава смес от оригиналния уран и крайното вещество, резултат от делене. В момента това се счита за твърди радиоактивни отпадъци и остро стои въпросът как да се изхвърлят, така че да не замърсяват околната среда. Въпреки това е вероятно в близко бъдеще готови концентрирани радиоактивни вещества (например полоний) да бъдат добивани от тези отпадъци.
