Kärnklyvning: processen för kärnklyvning. kärnreaktioner

Artikeln talar om vad en kärnklyvning som processen har upptäckts och beskrivits. Avslöjar dess användning som energikälla och kärnvapen.

"Odelbar" atom

Tjugoförsta århundradet är fylld med sådana uttryck som "atomenergi", "nukleär teknik", "radioaktivt avfall". Då och då rubrikerna blixtrade rapporterna om möjligheten att radioaktivitet i marken, haven, Antarktis is. Men vanliga människor är ofta inte mycket god uppfattning om vad området vetenskap och hur det hjälper i vardagen. Du bör starta, kanske med berättelserna. Från allra första frågan som frågade en välnärda och välklädd man ville han veta hur världen fungerar. Hur ögat ser, hör örat varför än vatten skiljer sig från stenen - det är vad vise från urminnes tider vård. Även i det antika Indien och Grekland, har vissa vetgiriga föreslagit att det finns en minimal partikel (det kallas även "odelbara") med egenskaperna hos materialet. Medeltids kemister bekräftade gissa klokt, och den moderna definitionen atom innefattar en atom - den minsta partikel av en substans som är en bärare av egenskaper.

atomdelar

Emellertid utveckling av teknik (t.ex., fotografier) ledde till atomen upphört att vara den minsta möjliga partikelsubstans. Även om tas separat atomen är elektriskt neutral, forskare insåg snabbt: det består av två delar med olika laddningar. Antalet positivt laddade enheter antalet negativa kompenserar sålunda förblir neutral atom. Men det fanns ingen entydig modell av atomen. Eftersom vid den tiden fortfarande domineras av den klassiska fysiken, att det fanns olika antaganden.

modell av atomen

Inledningsvis var modellen för "vitt bröd med russin" föreslås. Den positiva laddning som fyller hela utrymmet i atomen och det, som russin i en bulle, är negativa laddningar ut. De berömda experimenten i Rutherford identifierat följande: är en mycket tung element med en positiv laddning (kärnan), och omges med mycket lättare elektroner i centrum av atomen. Kernel Vikt hundratals gånger tyngre än summan av alla elektroner (som är 99,9 viktprocent av de totala atomer). Således föddes planet modell av atomen Bohr. Men vissa av dess delar motsäger accepteras vid tidpunkten för klassisk fysik. Därför var den nya kvantmekaniken utvecklats. Med sitt utseende perioden började nonclassical vetenskap.

Atomen och radioaktivitet

Av allt det ovanstående står det klart att kärnan - det är en tung, positivt laddad del av atomen, som utgör huvuddelen av det. När kvantisering av energi och läget för en elektron som kretsar kring en atom har väl studerat, är det dags att förstå vilken typ av atomkärnan. Det kom till hjälp av en lysande och oväntade upptäckten av radioaktivitet. Det har bidragit till att avslöja essensen av tunga central atom, som den radioaktiva källan - kärnklyvning. Vid sekelskiftet nittonde och tjugonde århundraden öppningen föll efter varandra. Teoretisk lösning av ett problem som orsakar behovet av att sätta nya upplevelser. De experimentella resultaten gav upphov till teorier och hypoteser som behövs för att bekräfta eller vederlägga. Ofta, föreföll de största upptäckter, helt enkelt därför att på detta sätt formeln är bekvämt för beräkning (såsom kvant Max Planck). I början av en tid präglad av fotografering, visste forskare att salter uran ljus cured ljuskänslig film, men de visste inte att grunden för detta fenomen är kärnklyvning. Därför var radioaktiviteten studeras för att förstå vilken typ av kärn förfall. Det är uppenbart att kvantövergångar utsläppsgenererades, men det var inte klart vad det är. Chet Curie extraherade rent radium och polonium, bearbetning uranmalm nästan manuellt för att få ett svar på denna fråga.

laddnings strålning

Rutherford har gjort en hel del för att studera atomstruktur och också bidragit till att studera hur uppdelningen av kärnan i en atom. Forskare satte strålningen från ett radioaktivt grundämne i ett magnetfält och fick ett bra resultat. Det visade sig att strålningen består av tre komponenter: en var neutral och de andra två - positivt och negativt laddade. fission studien började med identifieringen av dess komponenter. Det har visat sig att kärnan kan delas, för att ge en del av sin positiva laddning.

Strukturen av kärnan

Det visade sig senare att atomkärnan består inte bara av positivt laddade partiklar av protoner, men neutrala neutroner partiklarna. Tillsammans kallas nukleoner (från engelska «kärna», kärnan). Emellertid har forskare återigen stött på ett problem: massan av kärnan (dvs antalet nukleoner) inte alltid överensstämmer med sin laddning. Y är väte kärna har en laddning av en, och massan kan vara tre, två och en. I följande den i det periodiska systemet helium laddnings kärna 2, med dess kärna innehåller 4 till 6 nukleonerna. Mer komplexa element kan ha ett mycket större antal olika massor med samma laddning. Sådana variationer av atomer kallas isotoper. Och några var ganska stabila isotoper, andra snabbt upplöstes, eftersom det för dem är det präglades av kärnklyvning. Vilka grunder överensstämmer med antalet nukleoner stabilitet kärnor? Varför tillägg av endast en neutron till den tunga och ganska stabil kärna ledde till hans split att släppa av radioaktivitet? Märkligt nog, svaret på denna viktiga fråga har ännu inte hittats. Empiriskt, fann man att ett visst antal protoner och neutroner motsvarar stabila konfigurationer av kärnor. Om kärnan 2, 4, 8, 50 neutroner och / eller protoner, kommer kärnan unikt stabil. Dessa siffror är även kallas magisk (och namngav dem som vuxna, forskare, kärnfysik). Således kärnklyvning beror på deras massa, det vill säga antalet sina ingående nukleoner.

Drop, täcka, kristall

Bestäm faktorn som är ansvarig, var det inte möjligt för närvarande för stabiliteten i kärnan. Det finns många teorier om atomära strukturen modeller. Tre av de mest kända och utvecklas ofta i strid med varandra i olika frågor. Den första är att kärnan - en droppe speciell kärn vätska. Som för vatten, är det kännetecknas av fluiditet, ytspänning, fusion och förfall. I skalet modell i kärnan också, det finns vissa energinivåer, som är fyllda med nukleonerna. De tredje stater att kärnan - ett medium som är i stånd att bryta specifik våglängd (de Broglie), varvid brytningsindexet - är den potentiella energin. Dock har ingen modell hittills misslyckats med att fullt ut beskriva varför vid en viss critical mass av denna speciella grundämne börjar uppdelning av kärnan.

Vad händer förfall

Radioaktiviteten, som nämnts ovan, återfanns i ämnen som kan hittas i naturen: uran, polonium, radium. Till exempel är den nyligen producerade ren uran radioaktivt. delning process i detta fall kommer att vara spontan. Utan någon yttre påverkan viss mängd uranatomer emitterar alfapartiklar spontant omvandlas till torium. Det är en indikator, som kallas halveringstid. Den visar, under en tidsperiod från den inledande delen numren kommer att vara ungefär hälften. Varje radioaktivt grundämne halveringstid på sitt eget - från en bråkdel av en sekund till Kalifornien för att hundratusentals år för uran och cesium. Men det är en påtvingad aktivitet. Om de atomkärnor bombardera protoner eller alfapartiklar (heliumkärnor) med hög kinetisk energi, kan de vara "split". omvandlingsmekanism, naturligtvis, som skiljer sig från hur moderns favorit bryter en vas. Däremot kan en viss analogi spåras.

atomenergi

Hittills har vi inte har svarat på den praktiska frågan: var kommer energin i kärnklyvning. Till att börja med är det nödvändigt att klargöra att under bildandet av kärnan är speciella kärnkraften, som kallas den starka växelverkan. Eftersom kärnan består av en uppsättning av positiva protoner, kvarstår frågan, hur de hålla ihop, eftersom de elektrostatiska krafterna har tillräckligt starka för att stöta bort dem från varandra. Svaret är både enkelt och där: kärnan hålls på bekostnad av mycket snabbt utbyte mellan nukleonerna speciella partiklar - pions. Denna länk lever är oerhört liten. Gång avslutas utbyte av pi-mesoner, desintegrerar kärnan. lika bra är det känt att massan av kärnan är mindre än summan av alla dess ingående nukleoner. Detta fenomen kallas massdefekt. I själva verket, den saknade massan - är den energi som går åt till att upprätthålla integriteten i kärnan. En gång separerats från atomkärnan någon del av denna energi produceras i kärnkraftverk och omvandlas till värme. Det vill säga energin i kärnklyvning - är en tydlig demonstration av Einsteins berömda formel. Återkallande, läser formeln som: energi och massa kan omvandlas till varandra (E = mc ^2).

Teori och praktik

Nu berätta hur den används rent teoretisk upptäckt i mitt liv för gigawatt el. För det första bör det noteras att inducerad fission i kontrollerade reaktioner används. Oftast är det uran eller polonium, som bombarderas av snabba neutroner. För det andra bör det förstås att kärnklyvning åtföljs av skapandet av nya neutroner. Som ett resultat, är antalet neutroner i reaktionszonen kan växa mycket snabbt. Varje neutron kolliderar med nya, mer hela kärnor, delar dem, vilket leder till en ökning av värmeproduktion. Detta är en kedjereaktion av kärnklyvning. Okontrollerade mängder av neutron ökning i reaktorn kan leda till en explosion. Det är vad som hände 1986 vid kärnkraftverket i Tjernobyl. Därför, i reaktionszonen är alltid ett ämne som absorberar överskotts neutroner för att förhindra en katastrof. Denna grafit i form av långa stavar. klyvningshastigheten kan bromsas genom nedsänkning av stavarna i reaktionszonen. Ekvation kärnreaktion är gjord specifikt för varje aktiv substans och radioaktivt bombardera dess partiklar (elektroner, protoner, alfapartiklar). Emellertid den slutliga energiutgång beräknas enligt lagen om bevarande: E1 + E2 + E3 = E4. Det vill säga, den totala energin hos den initiala kämpartikel och (E1 + E2) måste vara lika med energin hos den resulterande kärnan och den fria energi som frigörs i form av (E3 + E4). Ekvationen visar också en kärnreaktion, en substans erhållen genom sönderdelning. Till exempel uran U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Det är inte givet isotoper av grundämnen, men detta är viktigt. Till exempel, finns det tre möjligheter uran fissionsprodukter, vilka producerar olika bly isotoper, och neon. Nästan hundra procent av klyvningsreaktionen producerar radioaktiva isotoper. Det vill säga, sönderfallet av uran som erhållits radioaktivt torium. Torium är protaktinium kunna upplösas, att - till aktinium, och så vidare. Radioaktivt i denna serie kan vara, och vismut och titan. Även väteinnehållande kärnan två protoner (vid en hastighet av en proton), annars kallas - deuterium. Vatten som bildas med väte kallas tung och fyller den första kretsen i en kärnreaktor.

icke-fredliga atomen

Uttryck som "kapprustning", "kalla kriget", "kärnvapenhotet" till den moderna människan kan tyckas historiska och irrelevant. Men en gång pressmeddelande åtföljdes av nyhetsrapporter nästan över hela världen om hur mycket uppfann kärnvapen och hur man ska bekämpa det. Människor byggde underjordiska bunkrar och gjort lager i händelse av en kärnkrafts vintern. Hela familjer arbetat med att skapa skyddsrum. Även fredlig användning av kärnklyvningsreaktioner kan leda till katastrof. Det verkar som Tjernobyl har lärt mänskligheten riktigheten i detta område, men de delar av planet var starkare: jordbävningen i Japan ont mycket robust förstärkning av NPP "Fukushima". Energikärnreaktion som används för destruktion av mycket enklare. Technology kräver endast en begränsad kraft explosion, för att inte av misstag förstöra hela planeten. De mest "humana" bomber, om man kan kalla det, inte förorenar närheten av strålning. I allmänhet, oftast de använder en okontrollerad kedjereaktion. Vad i kärnkraftverk strävar med alla medel undvika bomber för att uppnå en mycket primitivt sätt. För varje fysisk radioaktivt grundämne, det finns en viss critical mass av ren substans, i vilken en kedjereaktion uppstår självt. Uran, till exempel, är bara femtio kilo. Eftersom uran är ett mycket hårt, det är bara en liten metallkula 12-15 centimeter i diameter. De första atombomber fälldes över Hiroshima och Nagasaki, gjordes just på denna princip: två olika delar av ren uran helt enkelt kombineras och gav upphov till en skrämmande explosion. Moderna vapen är förmodligen mer komplexa. Men om den critical mass är inte nödvändigt att glömma att mellan de små volymer av rent radioaktivt ämne under lagring bör vara hinder som hindrar ihop bitarna.

strålningskällor

Alla element i atomkärnan med laddning över 82 är radioaktiva. Nästan alla av de lättare grundämnen har radioaktiva isotoper. Ju tyngre kärnan, desto mindre dess livstid. Vissa element (såsom California) kan endast erhållas syntetiskt - trycka tunga atomer med lättare partiklar, ofta med acceleratorer. Eftersom de är mycket instabila, de är inte närvarande i jordskorpan: bildandet av planeten, de snabbt sönderfallit till andra element. Ämnen med flera lätta atomkärnor, såsom uran, är det möjligt att utvinna. Denna process är lång, lämplig för uranbrytning, även i mycket rika malmer innehåller mindre än en procent. Det tredje sättet, kanske tyder på att en ny geologisk epok har börjat. Denna extraktion av radioaktiva element från radioaktivt avfall. Efter att ha arbetat bränsle i ett kraftverk, på en ubåt eller ett hangarfartyg, en blandning av utgångsmaterial och slut uran, resultatet av divisionen. Just nu är det betraktas som en fast radioaktivt avfall och kostar besvärlig fråga, eftersom de är placerade på ett sådant sätt att de inte förorenar miljön. Det finns dock en möjlighet att färdig koncentrerade radioaktiva ämnen inom en snar framtid (t.ex. polonium), kommer att produceras av detta avfall.