Дзяленне ядраў: працэс расшчаплення атамнага ядра. ядзерныя рэакцыі

Артыкул распавядае пра тое, што такое дзяленне ядраў, як гэты працэс быў адкрыты і апісаны. Раскрываецца яго прымяненне ў якасці крыніцы энергіі і ядзернай зброі.

«Непадзельнасць» атам

Дваццаць першае стагоддзе мае шмат такімі выразамі, як «энергія атама», «ядзерныя тэхналогіі», «радыеактыўныя адыходы». Раз-пораз у газетных загалоўках мільгаюць паведамленні пра магчымасць радыеактыўнага забруджвання глебы, акіянаў, льдоў Антарктыкі. Аднак звычайны чалавек часта не вельмі добра сабе ўяўляе, што гэта за галіну навукі і як яна дапамагае ў паўсядзённым жыцці. Пачаць варта, мабыць, з гісторыі. З самага першага пытання, які задаваў сыты і апрануты чалавек, яго цікавіла, як уладкованы свет. Як бачыць вока, чаму чуе вуха, чым вада адрозніваецца ад каменя - вось што здаўна хвалявала мудрацоў. Яшчэ ў старажытнай Індыі і Грэцыі некаторыя дапытлівыя розумы выказалі здагадку, што існуе мінімальная часціца (яе яшчэ называлі «непадзельнай»), якая валодае ўласцівасцямі матэрыялу. Сярэднявечныя хімікі пацвердзілі здагадку мудрацоў, і сучаснае вызначэнне атама наступнае: атам - гэта найменшая часціца рэчывы, якая з'яўляецца носьбітам яго уласцівасцяў.

часткі атама

Аднак развіццё тэхналогіі (у прыватнасці, фатаграфіі) прывяло да таго, што атам перастаў лічыцца найменшай магчымай часціцай рэчывы. І хоць асобна ўзяты атам электронейтрален, навукоўцы досыць хутка зразумелі: ён складаецца з двух частак з рознымі зарадамі. Колькасць станоўча зараджаных частак кампенсуе колькасць адмоўных, такім чынам, атам застаецца нейтральным. Але адназначнай мадэлі атама не існавала. Бо ў той перыяд ўсё яшчэ панавала класічная фізіка, то выказваліся розныя здагадкі.

мадэлі атама

Спачатку была прапанаваная мадэль «булка з разынкамі». Станоўчы зарад як бы запаўняў сабой усю прастору атама, і ў ім, як разынкі ў булцы, размяркоўваліся адмоўныя зарады. Знакаміты вопыт Рэзерфорда вызначыў наступнае: у цэнтры атама размешчаны вельмі цяжкі элемент з станоўчым зарадам (ядро), а вакол размяшчаюцца значна больш лёгкія электроны. Маса ядра ў сотні разоў цяжэй сумы ўсіх электронаў (яно складае 99,9 адсоткаў ад масы ўсяго атама). Такім чынам, нарадзілася планетарная мадэль атама Бора. Аднак некаторыя з яе элементаў супярэчылі прынятай на той момант класічнай фізіцы. Таму была распрацавана новая, квантавая механіка. З яе з'яўленнем пачаўся некласічнага перыяд навукі.

Атам і радыеактыўнасць

З усяго сказанага вышэй становіцца зразумела, што ядро - гэта цяжкая, станоўча зараджаная частка атама, якая складае яго асноўную масу. Калі квантавання энергіі і палажэнняў электронаў на арбіце атама былі добра вывучаны, прыйшоў час зразумець прыроду атамнага ядра. На дапамогу прыйшла геніяльная і нечакана адкрытая радыеактыўнасць. Яна дапамагла раскрыць сутнасць цяжкай цэнтральнай частцы атама, так як крыніца радыеактыўнасці - дзяленне ядраў. На мяжы дзевятнаццатага і дваццатага стагоддзя, адкрыцця сыпаліся адно за адным. Тэарэтычнае рашэнне адной задачы выклікала неабходнасць ставіць новыя доследы. Вынікі эксперыментаў спараджалі тэорыі і гіпотэзы, якія патрабавалася пацвердзіць або абвергнуць. Часцяком найвялікшыя адкрыцця з'яўляліся проста таму, што менавіта такім чынам формула станавілася зручнай для вылічэнняў (як, напрыклад, квант Макса Планка). Яшчэ ў пачатку эры фатаграфіі навукоўцы ведалі: уранавыя солі засвечваюць святлоадчувальную плёнку, але яны не падазравалі, што ў аснове гэтай з'явы ляжыць дзяленне ядраў. Таму радыеактыўнасць вывучалі, каб зразумець прыроду распаду ядра. Відавочна, што выпраменьванне спараджаць квантавымі пераходамі, але было не да канца ясна, якімі менавіта. Пара Кюры здабывала чыстыя радый і палоній, апрацоўваючы практычна ўручную уранавую руду, каб атрымаць адказ на гэтае пытанне.

Зарад радыеактыўнага выпраменьвання

Радэрфорд шмат зрабіў для вывучэння будовы атама і ўнёс уклад і ў даследаванне таго, як адбываецца дзяленне ядра атама. Вучоны змясціў выпраменьванне, якія вылучаюцца радыёактыўным элементам, у магнітнае поле і атрымаў выдатныя вынікі. Аказалася, што радыяцыя складаецца з трох кампанентаў: адна была нейтральнай, а дзве іншыя - станоўча і адмоўна зараджанымі. Вывучэнне дзялення ядра пачалося з вызначэння яго складнікаў. Было даказана, што ядро можа дзяліцца, аддаваць частку свайго станоўчага зарада.

будынак ядра

Пазней высветлілася, што атамная ядро складаецца не толькі з станоўча зараджаных часціц пратонаў, але і нейтральных часціц нейтронаў. Усе разам яны называюцца нуклонов (ад ангельскага «nucleus», ядро). Аднак, навукоўцы зноў натыкнуліся на праблему: маса ядра (гэта значыць колькасць нуклонов) не заўсёды адпавядала яго зараду. У вадароду ядро мае зарад +1, а маса можа быць і тры, і два, і адзін. Ля наступнае за ім у перыядычным табліцы гелія зарад ядра +2, пры гэтым яго ядро змяшчае ад 4 да 6 нуклонов. Больш складаныя элементы могуць мець значна большую колькасць розных мас пры адным і тым жа зарадзе. Такія варыяцыі атамаў называюцца ізатопамі. Прычым некаторыя ізатопы апынуліся цалкам устойлівымі, іншыя жа хутка распадаліся, бо для іх было характэрна дзяленне ядраў. Якім прынцыпе адпавядала колькасць нуклонов ўстойлівасці ядраў? Чаму даданне ўсяго толькі аднаго нейтрона да цяжкага і цалкам стабільнаму ядру прыводзіла да яго расколу, да выдзялення радыеактыўнасці? Як ні дзіўна, адказ на гэтае важнае пытанне да гэтага часу не знойдзены. Дасведчаным шляхам высветлілася, што пэўная колькасць пратонаў і нейтронаў адпавядаюць ўстойлівыя канфігурацыі атамных ядраў. Калі ў ядры 2, 4, 8, 50 нейтронаў і / або пратонаў, то ядро адназначна будзе устойлівым. Гэтыя лікі нават называюць магічнымі (і назвалі іх так дарослыя навукоўцы, ядзерныя фізікі). Такім чынам, дзяленне ядраў залежыць ад іх масы, гэта значыць ад колькасці ўваходзячых у іх нуклонов.

Кропля, абалонка, крышталь

Вызначыць фактар, які адказвае за ўстойлівасць ядра, на дадзены момант не ўдалося. Існуе мноства тэорый мадэлі будынка атама. Тры самыя знакамітыя і распрацаваныя часта супярэчаць адзін аднаму ў розных пытаннях. Паводле першай, ядро - гэта кропля спецыяльнай ядзернай вадкасці. Як і для вады, для яго характэрныя цякучасць, павярхоўнае нацяжэнне, зліццё і распад. У оболочечной мадэлі ў ядры таксама існуюць нейкія ўзроўні энергіі, якія запаўняюцца нуклонов. Трэцяя сцвярджае, што ядро - серада, якая здольная пераламляць асаблівыя хвалі (дебройлевские), пры гэтым каэфіцыент праламлення - гэта патэнцыйная энергія. Аднак ні адна мадэль пакуль не змагла ў поўнай меры апісаць, чаму пры пэўнай крытычнай масе менавіта гэтага хімічнага элемента, пачынаецца расшчапленне ядра.

Якім бывае распад

Радыеактыўнасць, як ужо было сказана вышэй, была знойдзена ў рэчывах, якія можна знайсці ў прыродзе: уране, Палоніі, радии. Напрыклад, толькі што здабыты, чысты уран радыёактыўны. Працэс расшчаплення на дадзеным выпадку будзе спантанным. Без якіх-небудзь знешніх уздзеянняў пэўную колькасць атамаў ўрану выпусьціла альфа-часціцы, самаадвольна пераўтворачыся ў торый. Ёсць паказчык, які называецца перыядам паўраспаду. Ён паказвае, за які прамежак часу ад пачатковага колькасці часткі застанецца прыкладна палова. Для кожнага радыеактыўнага элемента перыяд паўраспаду свой - ад доляй секунды для каліфорнія да сотняў тысяч гадоў для ўрану і цэзія. Але існуе і вымушаная радыеактыўнасць. Калі ядра атамаў бамбаваць пратонамі або альфа-часціцамі (ядрамі гелія) з высокай кінэтычнай энергіяй, то яны могуць «раскалоцца». Механізм ператварэння, вядома, адрозніваецца ад таго, як разбіваецца любімая маміна ваза. Аднак нейкая аналогія прасочваецца.

энергія атама

Пакуль што мы не адказалі на пытанне практычнага характару: адкуль пры дзяленні ядра бярэцца энергія. Для пачатку трэба патлумачыць, што пры адукацыі ядра дзейнічаюць асаблівыя ядзерныя сілы, якія называюцца моцным узаемадзеяннем. Так як ядро складаецца з мноства станоўчых пратонаў, застаецца пытанне, як яны трымаюцца разам, бо электрастатычныя сілы павінны дастаткова моцна адштурхоўваць іх адзін ад аднаго. Адказ адначасова і просты, і няма: ядро трымаецца за кошт вельмі хуткага абмену паміж нуклонов адмысловымі часціцамі - пі-мезоны. Гэтая сувязь жыве неверагодна мала. Як толькі спыняецца абмен пі-мезоны, ядро распадаецца. Таксама дакладна вядома, што маса ядра менш сумы ўсіх складнікаў яго нуклонов. Гэты феномен атрымаў назву дэфекту мас. Фактычна адсутны маса - гэта энергія, якая выдаткоўваецца на падтрыманне цэласнасці ядра. Як толькі ад ядра атама аддзяляецца нейкая частка, гэтая энергія выдзяляецца і на атамных электрастанцыях пераўтворыцца ў цяпло. Гэта значыць энергія дзялення ядра - гэта наглядная дэманстрацыя знакамітай формулы Эйнштэйна. Нагадаем, формула абвяшчае: энергія і маса могуць ператварацца сябар у сябра (E = mc ^2).

Тэорыя і практыка

Цяпер распавядзем, як гэта асабліва тэарэтычнае адкрыццё выкарыстоўваецца ў жыцці для атрымання гігаваты электраэнергіі. Па-першае, неабходна адзначыць, што ў кіраваных рэакцыях выкарыстоўваецца вымушанае дзяленне ядраў. Часцей за ўсё гэта уран ці палоній, якія бамбардзір хуткімі нейтронах. Па-другое, нельга не разумець, што дзяленне ядраў суправаджаецца стварэннем новых нейтронаў. У выніку колькасць нейтронаў у зоне рэакцыі здольна нарастаць вельмі хутка. Кожны нейтрон сутыкаецца з новымі, яшчэ цэлымі ядрамі, расшчапляе іх, што прыводзіць да росту вылучэння цяпла. Гэта і ёсць ланцуговая рэакцыя дзялення ядраў. Некантралюемы рост колькасці нейтронаў у рэактары здольны прывесці да выбуху. Менавіта гэта і адбылося ў 1986 годзе на Чарнобыльскай АЭС. Таму ў зоне рэакцыі заўсёды прысутнічае рэчыва, якое паглынае лішнія нейтроны, прадухіляючы катастрофу. Гэта графіт ў форме доўгіх стрыжняў. Хуткасць дзялення ядра можна запаволіць, апускаючы стрыжняў ў зону рэакцыі. Раўнанне ядзернай рэакцыі складаецца канкрэтна для кожнага дзеючага радыеактыўнага рэчыва і бамбуюць яго часціц (электроны, пратоны, альфа-часціцы). Аднак канчатковы выхад энергіі падлічваецца згодна з законам захавання: Е1 + Е2 = Е3 + Е4. То бок, поўная энергія зыходнага ядра і часціцы (Е1 + Е2) павінна быць роўным энергіі атрыманага ядра і вылучылася ў вольным выглядзе энергіі (Е3 + Е4). Раўнанне ядзернай рэакцыі таксама паказвае, якое рэчыва атрымліваецца ў выніку распаду. Напрыклад, для ўрану U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Тут не прыведзены ізатопы хімічных элементаў, аднак гэта важна. Напрыклад, існуе цэлых тры магчымасці дзялення ўрану, пры якiх утвараюцца розныя ізатопы свінцу і неону. Амаль у ста працэнтах выпадкаў рэакцыя дзялення ядра дае радыеактыўныя ізатопы. Гэта значыць пры распадзе ўрану атрымліваецца радыеактыўны торый. Торый здольны распасціся да протактиния, той - да актыній, і гэтак далей. Радыеактыўнымі ў гэтым шэрагу могуць быць і вісмута, і тытан. Нават вадарод, які змяшчае ў ядры два пратона (пры норме адзін пратон), называецца інакш - дэйтэрый. Вада, адукаваная з такім вадародам, называецца цяжкай і запаўняе першы контур у ядзерных рэактарах.

нямірны атам

Такія выразы, як «гонка ўзбраенняў», «халодная вайна», «ядзерная пагроза» сучаснаму чалавеку могуць здацца гістарычнымі і неактуальнымі. Але калі-то кожны выпуск навінаў амаль па ўсім свеце суправаджаўся рэпартажамі пра тое, колькі вынайдзена відаў ядзернай зброі і як трэба з гэтым змагацца. Людзі будавалі падземныя бункеры і рабілі запасы на выпадак ядзернай зімы. Цэлыя сем'і працавалі на стварэнне прытулку. Нават мірнае выкарыстанне рэакцый дзялення ядра можа прывесці да катастрофы. Здавалася б, Чарнобыль навучыў чалавецтва акуратнасці ў гэтай сферы, але стыхія планеты аказалася мацнейшай: землятрус у Японіі пашкодзіла вельмі надзейныя ўмацавання АЭС «Фукусіма». Энергію ядзернай рэакцыі выкарыстоўваць для разбурэння значна лягчэй. Тэхнолагам неабходна толькі абмежаваць сілу выбуху, каб не разбурыць незнарок ўсю планету. Найбольш «гуманныя» бомбы, калі іх можна так назваць, ня забруджваюць наваколлі радыяцыяй. У цэлым часцей за ўсё яны выкарыстоўваюць некантраляваную ланцуговую рэакцыю. Тое, чаго на атамных электрастанцыях імкнуцца ўсімі сіламі пазбегнуць, у бомбах дамагаюцца вельмі прымітыўным спосабам. Для любога натуральна радыеактыўнага элемента існуе некаторая крытычная маса чыстага рэчывы, у якім ланцуговая рэакцыя зараджаецца сама сабой. Для ўрану, напрыклад, гэта ўсяго пяцьдзесят кілаграмаў. Так як уран вельмі цяжкі, гэта толькі невялікі металічны шарык 12-15 сантыметраў у дыяметры. Першыя атамныя бомбы, скінутыя на Хірасіму і Нагасакі, былі зроблены менавіта па такім прынцыпе: дзве няроўныя часткі чыстага ўрану проста злучаліся і спараджалі жахлівы выбух. Сучасную зброю, верагодна, больш складанае. Аднак пра крытычную масу не варта забываць: паміж невялікімі аб'ёмамі чыстага радыеактыўнага рэчыва пры захоўванні павінны быць перашкоды, якія не дазваляюць злучыцца частках.

крыніцы радыяцыі

Усе элементы з зарадам атамнага ядра больш 82 радыёактыўныя. Амаль усе больш лёгкія хімічныя элементы валодаюць радыеактыўнымі ізатопамі. Чым цяжэй ядро, тым менш яго час жыцця. Некаторыя элементы (тыпу каліфорнія) можна здабыць толькі штучным шляхам - сутыкаючы цяжкія атамы з больш лёгкімі часціцамі, часцей за ўсё на паскаральніках. Бо яны вельмі нестабільныя, у зямной кары іх няма: пры фарміраванні планеты яны вельмі хутка распаліся на іншыя элементы. Рэчывы з больш лёгкімі ядрамі, напрыклад уран, цалкам можна здабываць. Працэс гэты доўгі, прыдатнага да здабычы ўрану нават у вельмі багатых рудах змяшчаецца менш за адзін працэнт. Трэці шлях, мабыць, паказвае на тое, што новая геалагічная эпоха ўжо пачалася. Гэта здабыча радыеактыўных элементаў з радыёактыўных адходаў. Пасля адпрацоўкі паліва на электрастанцыі, на падлодцы або авіяносцы, атрымліваецца сумесь зыходнага ўрану і канчатковага рэчывы, выніку дзялення. На дадзены момант гэта лічыцца цвёрдымі радыеактыўнымі адходамі і стаіць вострае пытанне, як іх хаваць так, каб яны не забрудзілі навакольнае асяроддзе. Аднак ёсць верагоднасць, што ў недалёкай будучыні ўжо гатовыя канцэнтраваныя радыеактыўныя рэчывы (да прыкладу, палоній), будуць здабываць з гэтых адходаў.