Nuklear fission: processen med nuklear fission. kernereaktioner

Artiklen taler om, hvad en nuklear fission som processen er blevet opdaget og beskrevet. Angiver dets anvendelse som en kilde til energi og nukleare våben.

"Indivisible" atom

Enogtyvende århundrede er fyldt med udtryk som "atomenergi", "atomteknologi", "radioaktivt affald". Nu og da overskrifterne blinkede rapporter om muligheden for radioaktiv forurening af jorden, havene, Antarktis is. Men almindelige mennesker er ofte ikke særlig god idé om, hvad for videnskab, og hvordan det hjælper i hverdagen. Du bør starte, måske, med historierne. Fra den allerførste spørgsmål, som spurgte en velnærede og velklædte mand, han ønskede at vide, hvordan verden fungerer. Hvordan øjet ser, øret hører hvorfor end vand adskiller sig fra stenen - det er, hvad vismændene fra tidernes morgen pleje. Selv i det gamle Indien og Grækenland, har nogle spørgende sind antydet, at der er et minimum partikel (det kaldes også "udelelig"), med de egenskaber af materialet. Middelalder kemikere bekræftet gætte vise, og moderne definition atom indbefatter et atom - den mindste partikel af et stof, som er bærer af egenskaber.

atom dele

Men udviklingen af teknologi (f.eks, billeder) førte, til atomet ophørt med at være den mindst mulige partikel stof. Selvom tages separat atom er elektrisk neutral, videnskabsfolk indså hurtigt: den består af to dele med forskellige omkostninger. Antallet af positivt ladede enheder antallet af negativ kompenserer således forbliver neutral atom. Men der var ingen entydig model af atomet. Siden dengang stadig domineret af den klassiske fysik, at der var forskellige antagelser.

model af atomet

I første omgang blev den model af "hvidt brød med rosiner" foreslået. Den positive ladning som den fyldes hele rummet af atomet og det, som rosiner i en bolle, er negative ladninger fordelt. De berømte eksperimenter Rutherford identificeret følgende: er et meget tungt grundstof med en positiv ladning (kernen), og omgivet med meget lettere elektroner i midten af atomet. Kernel Weight hundredvis af gange tungere end summen af alle de elektroner (som er 99,9 vægtprocent af den samlede atomer). Således blev født den planetariske model af atomet Bohr. Men nogle af dens elementer modsiger accepteret på tidspunktet for den klassiske fysik. Derfor blev de nye kvantemekanik udviklet. Med sit udseende begyndte perioden ikke-klassiske videnskab.

Atomet og radioaktivitet

Af det foregående, bliver det klart, at kernen - det er en tung, positivt ladet del af atomet, som udgør hovedparten af det. Når kvantisering af energi og positionen af en elektron i kredsløb et atom er blevet godt undersøgt, er det tid at forstå karakteren af atomkernen. Det kom til ved hjælp af en strålende og uventede opdagelse af radioaktivitet. Det har været med til at afsløre essensen af tunge centrale atom, som den radioaktive kilde - nuklear fission. Ved begyndelsen af det nittende og tyvende århundrede, åbningen faldt den ene efter den anden. Teoretisk løsning af et problem forårsager behovet for at sætte nye erfaringer. De eksperimentelle resultater gav anledning til teorier og hypoteser, der er brug for at bekræfte eller afkræfte. Ofte de største opdagelser viste, simpelthen fordi på denne måde formlen er bekvemt for computing (såsom kvante Max Planck). I begyndelsen af den æra af fotografering, forskere vidste, at uran salte lys-cured lysfølsom film, men de vidste ikke, at grundlaget for dette fænomen er nuklear fission. Derfor blev radioaktiviteten undersøges for at forstå karakteren af nukleare forfald. Det er indlysende, at de emissioner quantum overgange blev genereret, men det var ikke klart, hvad det er. Chet Curie udvindes rent radium og polonium, forarbejdning uranmalm næsten manuelt for at få et svar på dette spørgsmål.

Oplad stråling

Rutherford har gjort meget for studiet af atomare struktur og også bidraget til studiet af, hvordan delingen af kernen af et atom. Forsker sætter stråling fra et radioaktivt element i et magnetfelt og fik et flot resultat. Det viste sig, at strålingen består af tre komponenter: den ene var neutral og de to andre - positivt og negativt ladet. fission undersøgelsen begyndte med identifikationen af dets komponenter. Det er blevet bevist, at kernen kan opdeles, for at give en del af sin positive ladning.

Strukturen af kernen

Det har senere at atomkernen ikke kun består af positivt ladede partikler af protoner, men de neutrale neutron-partikler. Sammen er de kaldte nukleoner (fra engelsk «kerne», kernen). Imidlertid har forskerne igen stødt på et problem: massen af kernen (dvs. antallet af nukleoner) ikke altid svarer til dets ladning. Y hydrogen kerne har en ladning på +1, og massen kan være tre, to, og en. I følgende det i det periodiske system helium charge kerne 2, med dens kerne indeholder 4 til 6 nukleoner. Mere komplekse elementer kan have et meget større antal forskellige masser med samme ladning. Sådanne variationer af atomer kaldes isotoper. Og nogle var ganske stabile isotoper, andre hurtigt i opløsning, fordi for dem er det var præget af nuklear fission. Hvad grundlag i overensstemmelse med antallet af nukleoner stabilitet kerner? Hvorfor tilsætning af kun én neutron til den tunge og ganske stabil kerne førte til hans split frigivelse af radioaktivitet? Mærkeligt nok, er endnu ikke blevet fundet svaret på dette vigtige spørgsmål. Empirisk blev det fundet, at et vist antal protoner og neutroner svarer til stabile konfigurationer af kerner. Hvis kerne 2, 4, 8, 50 neutroner og / eller protoner, kernen vil entydigt stabil. Disse tal er endda omtalt som magisk (og navngivet dem som voksne, videnskabsfolk, kernefysik). Således nuklear fission afhænger af deres masse, der er, at antallet af deres konstituerende nukleoner.

Drop dækning, krystal

Bestem den faktor, der er ansvarlig, var det ikke muligt på nuværende tidspunkt for stabiliteten i kernen. Der er mange teorier om atomare struktur modeller. Tre af de mest berømte og udviklede ofte i modstrid med hinanden i forskellige sager. Den første er, at kernen - en dråbe af særlig nukleare væske. Som for vand, er det kendetegnet ved fluiditet, overfladespænding, fusion og forfald. I ørepropmodel i kernen også er der visse energiniveauer, som er fyldt med nukleoner. De tredjelande, som kernen - et medium, der er i stand til at bryder specifik bølgelængde (de Broglie), hvor brydningsindekset - er den potentielle energi. Imidlertid har ingen model hidtil undladt at beskrive fuldt ud, hvorfor ved en vis kritisk masse af denne særlige grundstof, opdelingen af kernen begynder.

Hvad sker der i tænderne

Radioaktiviteten, som nævnt ovenfor, blev fundet i stoffer, der kan findes i naturen: uran, polonium, radium. For eksempel den nyligt producerede, ren uran er radioaktivt. opdeling proces i dette tilfælde vil være spontan. Uden ekstern indflydelse vis mængde uran atomer udsender alfapartikler spontant transformeret ind thorium. Det er en indikator, som kaldes halveringstiden. Det viser, for et tidsrum fra de indledende del numre vil være omkring halvdelen. Hvert radioaktivt grundstof halveringstid på sin egen - fra en brøkdel af et sekund til Californien for at hundredtusinder af år for uran og cæsium. Men der er en tvungen aktivitet. Hvis atomkernerne bombardere protoner eller alfapartikler (helium kerner) med høj kinetisk energi, kan de være "split". konvertering mekanisme, selvfølgelig, forskellig fra, hvordan moderens favorit bryder en vase. Dog kan en vis analogi spores.

atomenergi

Indtil videre har vi ikke reageret på det praktiske spørgsmål: Hvor kommer energien i nuklear fission. Til en start er det nødvendigt at præcisere, at under dannelsen af kernen er særlige kernekraft, kaldet den stærke vekselvirkning. Da kernen består af et sæt af positive protoner, er spørgsmålet stadig, hvordan de hænger sammen, fordi de elektrostatiske kræfter har stærk nok til at frastøde dem fra hinanden. Svaret er både enkel, og der: kernen er holdt på bekostning af meget hurtig udveksling mellem nukleonerne særlige partikler - pioner. Dette link bor er utrolig lille. Når termineret udveksling af pi-mesoner, kernen disintegrerer. lige så godt det er kendt, at massen af kernen er mindre end summen af alle dets konstituerende nukleoner. Dette fænomen kaldes massen defekt. Faktisk er den manglende masse - er den energi, der er brugt på at opretholde integriteten af kernen. Når adskilt fra atomkernen en del af denne energi produceres i atomkraftværker og omdannes til varme. Det vil sige, at energien af nuklear fission - er en klar demonstration af Einsteins berømte formel. Recall, formlen lyder: energi og masse kan omdannes til hinanden (E = mc ^2).

Teori og praksis

Nu fortælle os, hvordan det bruges rent teoretisk opdagelse i mit liv for gigawatt elektricitet. For det første skal det bemærkes, at i kontrollerede reaktioner anvendes induceret fission. Oftest er uran eller polonium, som er bombarderet af hurtige neutroner. For det andet skal det forstås, at nuklear fission er ledsaget af oprettelsen af nye neutroner. Som følge heraf antallet af neutroner i reaktionszonen er i stand til at vokse meget hurtigt. Hver neutron kolliderer med nye, mere hele kerner, splitter dem, der fører til en stigning i varmeproduktionen. Dette er en kædereaktion af nuklear fission. Ukontrolleret mængder neutron stigning i reaktoren kan føre til en eksplosion. Det er, hvad der skete i 1986 på Tjernobyl-atomkraftværket. Derfor, i reaktionszonen er altid et stof, som absorberer overskydende neutroner for at forhindre en katastrofe. Denne grafit i form af lange stænger. fission sats kan bremses ved at nedsænke stængerne i reaktionszonen. Ligning kernereaktion er lavet specielt til hvert aktivt stof og radioaktivt bombardere dets partikler (elektroner, protoner, alfapartikler). Men den endelige energiproduktion beregnet i henhold til loven om bevarelse: E1 + E2 + E3 = E4. Dvs. den totale energi af den oprindelige kernepartikel og (E1 + E2) skal være lig med energien af den resulterende kerne og den frie energi frigives i form af (E3 + E4). Ligningen viser også en kernereaktion, et stof opnået ved sønderdeling. For eksempel uran U = Th + Han, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Det er ikke givet isotoper af de kemiske elementer, men det er vigtigt. For eksempel er der tre muligheder uran fission, som producerer forskellige bly isotoper, og neon. Næsten et hundrede procent af fission reaktion frembringer radioaktive isotoper. Det vil sige, henfald af uran opnåede radioaktive thorium. Thorium, protactinium er i stand til at gå i opløsning, der - for at actinium, og så videre. Radioaktivt i denne serie kan være, og bismuth, og titanium. Selv hydrogenholdig kerne to protoner (med en hastighed på en proton), ellers kaldes - deuterium. Vand dannet med hydrogen kaldes tung og fylder det første kredsløb i en atomreaktor.

ikke-fredelige atom

Udtryk som "våbenkapløb", "kolde krig", "atomtrussel" til det moderne menneske kan synes historisk og irrelevant. Men en gang hver pressemeddelelse blev ledsaget af nyhedsindslag næsten over hele verden om, hvor meget opfundet atomvåben og hvordan man kan bekæmpe den. Folk var ved at bygge underjordiske bunkere og gjort lagre i tilfælde af en nuklear vinter. Hele familier arbejdede på skabelsen af krisecentre. Selv fredelig udnyttelse af reaktioner nukleare fission kan føre til en katastrofe. Det ser ud til, at Tjernobyl har lært menneskeheden rigtigheden i dette område, men de dele af planeten var stærkere: jordskælvet i Japan ondt meget robust styrkelse af NPP "Fukushima". Energi kernereaktion anvendt til destruktionen af en hel del lettere. Teknologi kræver kun en begrænset kraft af eksplosionen, så for ikke at uforvarende ødelægge hele planeten. De mest "humane" bomber, hvis man kan kalde det, ikke forurener nærhed af stråling. Generelt oftest de bruger en ukontrolleret kædereaktion. Hvad i atomkraft planter stræber med alle midler at undgå de bomber for at opnå en meget primitiv måde. For enhver naturlige radioaktive element, der er en vis kritisk masse af rent stof, hvori en kædereaktion opstår selv. Uran, for eksempel, er kun halvtreds kg. Da uran er et meget hårdt, det er bare en lille metalkugle 12-15 cm i diameter. De første atombomber kastet over Hiroshima og Nagasaki, blev gjort netop på dette princip: to ulige dele af ren uran simpelthen kombineret og gav anledning til en skræmmende eksplosion. Moderne våben er nok mere kompleks. Men omkring den kritiske masse er ikke nødvendigt at glemme, at mellem de små liter ren radioaktivt stof under opbevaring bør være barrierer, som hindrer brikkerne sammen.

strålingskilder

Alle elementer i atomkernen med en omkostning over 82 er radioaktive. Næsten alle de lettere grundstoffer har radioaktive isotoper. Den tungere kernen, jo mindre dens levetid. kan kun opnås nogle elementer (såsom California) syntetisk - skubbe tunge atomer med lettere partikler, ofte med acceleratorer. Da de er meget ustabile, at de ikke er til stede i jordskorpen: dannelsen af planeten, de hurtigt henfaldet til andre elementer. Stoffer med flere lette kerner, såsom uran, er det muligt at udvinde. Denne proces er lang, velegnet til brydning af uran, selv i meget rige malm indeholder mindre end én procent. Den tredje måde, måske, tyder på, at en ny geologisk epoke er begyndt. Denne udvinding af radioaktive grundstoffer fra radioaktivt affald. Efter at have arbejdet brændsel i et kraftværk, på en ubåd eller et hangarskib, en blanding af udgangsmateriale og endelig uran, resultatet af divisionen. I øjeblikket er det for et fast radioaktivt affald og koster ømtåleligt spørgsmål, da de bortskaffes på en sådan måde, at de ikke forurener miljøet. Der er imidlertid en mulighed, at de færdige koncentreret radioaktive stoffer i den nærmeste fremtid (f.eks polonium), vil blive fremstillet fra dette affald.