A cikk arról szól, hogy mi az atommaghasadás, hogyan fedezték fel és írták le ezt a folyamatot. Felfedik energiaforrásként és nukleáris fegyverként való felhasználását.
"oszthatatlan" atom
A huszonegyedik század tele van olyan kifejezésekkel, mint „az atom energiája”, „nukleáris technológia”, „radioaktív hulladék”. Az újságok címsoraiban időnként felvillannak üzenetek az Antarktisz talajának, óceánjainak, jegének radioaktív szennyeződésének lehetőségéről. Egy hétköznapi embernek azonban gyakran nincs túl jó fogalma arról, hogy mi is ez a tudományterület, és hogyan segít a mindennapi életben. Érdemes talán a történelemmel kezdeni. Már az első kérdéstől fogva, amit egy jóllakott és öltözött ember tett fel, az érdekelte, hogyan működik a világ. Hogyan lát a szem, miért hall a fül, miben különbözik a víz a kőtől - ez az, ami ősidők óta aggasztotta a bölcseket. Még az ókori Indiában és Görögországban is egyes érdeklődő elmék azt sugallták, hogy létezik egy minimális részecske (ezt "oszthatatlannak" is nevezték), amely egy anyag tulajdonságaival rendelkezik. A középkori kémikusok megerősítették a bölcsek sejtését, és az atom modern meghatározása a következő: az atom az anyag legkisebb részecskéje, amely a tulajdonságainak hordozója.
Egy atom részei
A technológia fejlődése azonban (inkülönösen a fényképezés) oda vezetett, hogy az atomot már nem tekintik az anyag lehető legkisebb részecskéjének. És bár egyetlen atom elektromosan semleges, a tudósok hamar rájöttek, hogy két különböző töltésű részből áll. A pozitív töltésű részek száma kompenzálja a negatívak számát, így az atom semleges marad. De az atomnak nem volt egyértelmű modellje. Mivel ebben az időszakban még a klasszikus fizika dominált, különféle feltételezések születtek.
Atom modellek
Először a „mazsola tekercs” modellt javasolták. A pozitív töltés mintegy betöltötte az atom teljes terét, és a negatív töltések úgy oszlottak el benne, mint a mazsola a zsemlében. Rutherford híres kísérlete a következőket állapította meg: az atom közepén egy nagyon nehéz pozitív töltésű elem (a mag) található, körülötte pedig sokkal könnyebb elektronok. Az atommag tömege több százszor nehezebb, mint az összes elektron összege (az egész atom tömegének 99,9 százaléka). Így született meg az atom Bohr-féle bolygómodellje. Néhány eleme azonban ellentmondott az akkor elfogadott klasszikus fizikának. Ezért egy új, kvantummechanikát fejlesztettek ki. Megjelenésével megkezdődött a tudomány nem klasszikus korszaka.
Atom és radioaktivitás
A fentiekből világossá válik, hogy az atommag az atom nehéz, pozitív töltésű része, amely az atom nagy részét alkotja. Amikor az energia kvantálását és az elektronok helyzetét egy atom pályáján jól megértették, ideje volt megérteniaz atommag természete. A zseniális és váratlanul felfedezett radioaktivitás segített. Segített feltárni az atom nehéz központi részének lényegét, mivel a radioaktivitás forrása a maghasadás. A tizenkilencedik és huszadik század fordulóján egymás után záporoztak a felfedezések. Egy probléma elméleti megoldása új kísérleteket tett szükségessé. A kísérletek eredményeiből olyan elméletek és hipotézisek születtek, amelyeket meg kell erősíteni vagy cáfolni. A legnagyobb felfedezések gyakran egyszerűen azért születtek, mert így vált könnyen kiszámíthatóvá a képlet (mint például a Max Planck-kvantum). A tudósok már a fényképezés korszakának kezdetén is tudták, hogy az uránsók fényérzékeny filmet világítanak meg, de nem sejtették, hogy az atommaghasadás az alapja ennek a jelenségnek. Ezért a radioaktivitást tanulmányozták a nukleáris bomlás természetének megértése érdekében. Nyilvánvaló, hogy a sugárzást kvantumátmenetek generálták, de nem volt teljesen világos, hogy melyek azok. A Curie-k tiszta rádiumot és polóniumot bányásztak, szinte kézzel dolgozva uránércben, hogy megválaszolják ezt a kérdést.
A radioaktív sugárzás töltése
Rutherford sokat tett az atom szerkezetének tanulmányozásáért, és hozzájárult annak tanulmányozásához, hogyan történik az atommag hasadása. A tudós egy radioaktív elem által kibocsátott sugárzást mágneses térbe helyezte, és elképesztő eredményt kapott. Kiderült, hogy a sugárzás három összetevőből áll: az egyik semleges, a másik kettő pedig pozitív és negatív töltésű. Az atommaghasadás vizsgálata annak meghatározásával kezdődöttalkatrészek. Bebizonyosodott, hogy az atommag képes osztódni, leadni pozitív töltésének egy részét.
A mag felépítése
Később kiderült, hogy az atommag nemcsak pozitív töltésű protonrészecskékből áll, hanem neutronok semleges részecskéiből is. Együtt nukleonoknak nevezik őket (az angol „nucleus”, a nucleus szóból). A tudósok azonban ismét egy problémába ütköztek: az atommag tömege (vagyis a nukleonok száma) nem mindig felelt meg a töltésének. A hidrogénben az atommag töltése +1, tömege lehet három, kettő és egy. A periódusos rendszerben következő hélium magtöltése +2, magjában 4-6 nukleon található. Az összetettebb elemeknek sokkal több tömege lehet ugyanazon töltéshez. Az atomok ilyen változatait izotópoknak nevezzük. Ezenkívül néhány izotóp meglehetősen stabilnak bizonyult, míg mások gyorsan lebomlanak, mivel maghasadás jellemezte őket. Milyen elv felelt meg az atommagok stabilitásának nukleonszámának? Miért vezetett egyetlen neutron hozzáadása egy nehéz és meglehetősen stabil atommaghoz annak felhasadásához, radioaktivitás felszabadulásához? Furcsa módon erre a fontos kérdésre még nem találták meg a választ. Empirikusan kiderült, hogy az atommagok stabil konfigurációi megfelelnek bizonyos mennyiségű protonnak és neutronnak. Ha az atommagban 2, 4, 8, 50 neutron és/vagy proton van, akkor az atommag biztosan stabil lesz. Ezeket a számokat még varázslatnak is nevezik (és felnőtt tudósok, atomfizikusok hívták így). Így az atommagok hasadása a tömegüktől, vagyis a bennük lévő nukleonok számától függ.
Csepp, kagyló, kristály
A mag stabilitásáért felelős tényezőt jelenleg nem lehetett meghatározni. Az atom szerkezetének modelljére számos elmélet létezik. A három leghíresebb és legfejlettebb gyakran ellentmond egymásnak különböző kérdésekben. Az első szerint a mag egy speciális nukleáris folyadék cseppje. A vízhez hasonlóan folyékonyság, felületi feszültség, összeolvadás és bomlás jellemzi. A héjmodellben az atommagban is vannak bizonyos energiaszintek, amelyek nukleonokkal vannak feltöltve. A harmadik azt állítja, hogy a mag egy közeg, amely képes megtörni speciális hullámokat (de Broglie), míg a törésmutató a potenciális energia. Azonban még egyetlen modell sem tudta teljes mértékben leírni, hogy ennek a kémiai elemnek egy bizonyos kritikus tömegénél miért kezdődik meg a maghasadás.
Milyen a szakítás?
A fent említett radioaktivitást a természetben előforduló anyagokban találták meg: uránban, polóniumban, rádiumban. Például a frissen bányászott, tiszta urán radioaktív. A felosztási folyamat ebben az esetben spontán lesz. Mindenféle külső hatás nélkül bizonyos számú uránatom alfa-részecskéket bocsát ki, amelyek spontán módon tóriummá alakulnak. Van egy mutató, az úgynevezett felezési idő. Megmutatja, hogy az alkatrész kezdeti számából mennyi ideig marad körülbelül a fele. Minden egyes radioaktív elem felezési ideje más - a másodperc töredékétől Kaliforniábantöbb százezer év az urán és a cézium esetében. De van erőltetett radioaktivitás is. Ha az atommagokat nagy kinetikus energiájú protonokkal vagy alfa-részecskékkel (héliummagokkal) bombázzák, azok „hasadhatnak”. Az átalakulás mechanizmusa természetesen különbözik attól, ahogyan anya kedvenc vázáját eltörik. Van azonban egy bizonyos analógia.
Atomenergia
Eddig gyakorlati kérdésre nem adtunk választ: honnan származik az energia az atommaghasadás során. Először is tisztázni kell, hogy az atommag kialakulása során speciális nukleáris erők lépnek fel, amelyeket erős kölcsönhatásnak nevezünk. Mivel az atommag sok pozitív protonból áll, továbbra is kérdés, hogyan tapadnak össze, mert az elektrosztatikus erőknek elég erősen el kell távolítaniuk őket egymástól. A válasz egyszerű és nem egyszerre: az atommagot a speciális részecskék - pi-mezonok - nukleonjai közötti nagyon gyors csere tartja össze. Ez a kapcsolat hihetetlenül rövid ideig él. Amint a pi-mezonok cseréje leáll, a mag elbomlik. Az is bizonyosan ismert, hogy az atommag tömege kisebb, mint az azt alkotó nukleonok összege. Ezt a jelenséget tömeghibának nevezzük. Valójában a hiányzó tömeg az az energia, amelyet az atommag integritásának fenntartására fordítanak. Amint egy rész elválik az atommagtól, ez az energia felszabadul, és az atomerőművekben hővé alakul. Vagyis a maghasadás energiája a híres Einstein-képlet világos demonstrációja. Emlékezzünk vissza, hogy a képlet azt mondja: az energia és a tömeg egymásba fordulhat (E=mc2).
Elmélet és gyakorlat
Most elmondjuk, hogyan használják ezt a tisztán elméleti felfedezést az életben gigawatt elektromos áram előállítására. Először is meg kell jegyezni, hogy a szabályozott reakciók kényszerített maghasadást alkalmaznak. Leggyakrabban urán vagy polónium, amelyet gyors neutronok bombáznak. Másodszor, nem lehet nem megérteni, hogy a maghasadás új neutronok keletkezésével jár. Ennek eredményeként a reakciózónában a neutronok száma nagyon gyorsan megnőhet. Minden neutron új, még ép atommagokkal ütközik, felhasítja azokat, ami a hőleadás növekedéséhez vezet. Ez a maghasadási láncreakció. A neutronok számának ellenőrizetlen növekedése egy reaktorban robbanáshoz vezethet. Pontosan ez történt 1986-ban a csernobili atomerőműben. Ezért a reakciózónában mindig van olyan anyag, amely elnyeli a felesleges neutronokat, megelőzve a katasztrófát. Ez egy grafit, hosszú rudak formájában. A maghasadás sebessége lassítható, ha a rudakat a reakciózónába merítjük. A magreakció egyenletet minden egyes aktív radioaktív anyagra és az azt bombázó részecskékre (elektronok, protonok, alfa részecskék) külön állítják össze. A végső energiakibocsátást azonban a megmaradási törvény szerint számítják ki: E1+E2=E3+E4. Vagyis az eredeti mag és részecske összenergiájának (E1 + E2) meg kell egyeznie a keletkező mag energiájával és a szabad formában felszabaduló energiával (E3 + E4). A magreakció egyenlet azt is megmutatja, hogy a bomlás eredményeként milyen anyag keletkezik. Például az urán esetében U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Az elemek izotópjai itt nincsenek felsorolva.ez azonban fontos. Például az urán hasadásának három lehetősége van, amelyek során az ólom és a neon különböző izotópjai képződnek. A maghasadási reakció során az esetek csaknem száz százalékában radioaktív izotópok keletkeznek. Vagyis az urán bomlása radioaktív tóriumot termel. A tórium lebomolhat protaktiniummá, ez aktiniummá stb. Ebben a sorozatban a bizmut és a titán is radioaktív lehet. Még a hidrogént is, amely két protont tartalmaz az atommagban (egy proton sebességével), másképpen nevezik - deutérium. Az ilyen hidrogénnel képződött vizet nehézvíznek nevezik, és kitölti az atomreaktorok primer körét.
Béketelen atom
Az olyan kifejezések, mint a „fegyverkezési verseny”, „hidegháború”, „nukleáris fenyegetés” történelminek és irrelevánsnak tűnhetnek a modern ember számára. Ám valamikor szinte az egész világon minden sajtóközleményhez olyan tudósítások jártak, hogy hányféle nukleáris fegyvert találtak fel, és hogyan bánjunk velük. Az emberek földalatti bunkereket építettek, és feltöltöttek egy nukleáris tél esetére. Egész családok dolgoztak a menedék felépítésén. Még az atommaghasadási reakciók békés célú alkalmazása is katasztrófához vezethet. Úgy tűnik, Csernobil megtanította az emberiséget az óvatosságra ezen a területen, de a bolygó elemei erősebbnek bizonyultak: a japán földrengés megrongálta a fukusimai atomerőmű nagyon megbízható erődítményeit. A nukleáris reakció energiáját sokkal könnyebb megsemmisítésre felhasználni. A technológusoknak csak korlátozniuk kell a robbanás erejét, nehogy véletlenül elpusztítsák az egész bolygót. A „leghumánusabb” bombák, ha lehet annak nevezni, nem szennyezik sugárzással a környezetet. Általában leggyakrabban használjákellenőrizetlen láncreakció. Amit mindenképpen igyekeznek elkerülni az atomerőművekben, azt bombákban érik el nagyon primitív módon. Minden természetesen radioaktív elemhez létezik egy bizonyos kritikus tömeg tiszta anyag, amelyben magától jön létre a láncreakció. Az urán esetében például csak ötven kilogramm. Mivel az urán nagyon nehéz, csak egy kis, 12-15 centiméter átmérőjű fémgolyó. A Hirosimára és Nagaszakira ledobott első atombombák pontosan ezen elv szerint készültek: a tiszta urán két egyenlőtlen része egyszerűen egyesült, és félelmetes robbanást generált. A modern fegyverek valószínűleg kifinomultabbak. Nem szabad azonban megfeledkezni a kritikus tömegről: a kis mennyiségű tiszta radioaktív anyag között a tárolás során akadályokat kell kialakítani, amelyek megakadályozzák az alkatrészek összekapcsolódását.
Sugárforrások
Minden 82-nél nagyobb nukleáris töltésű elem radioaktív. Szinte minden könnyebb kémiai elemnek van radioaktív izotópja. Minél nehezebb a mag, annál rövidebb az élettartama. Egyes elemek (például Kalifornia) csak mesterségesen nyerhetők - nehéz atomok könnyebb részecskékkel való ütköztetésével, leggyakrabban gyorsítókban. Mivel nagyon instabilak, nem léteznek a földkéregben: a bolygó kialakulása során nagyon gyorsan szétestek más elemekre. Könnyebb atommaggal rendelkező anyagok, például urán bányászhatók. Ez a folyamat hosszú, a kitermelésre alkalmas urán még a nagyon gazdag ércekben is kevesebb mint egy százalékot tartalmaz. harmadik út,talán azt jelzi, hogy egy új geológiai korszak már elkezdődött. Ez a radioaktív elemek kinyerése a radioaktív hulladékból. Miután az üzemanyagot erőműben, tengeralattjárón vagy repülőgép-hordozón elhasználják, az eredeti urán és a hasadás eredményeként kapott végső anyag keveréke keletkezik. Jelenleg ez szilárd radioaktív hulladéknak minősül, és akut kérdés, hogyan lehet ezeket ártalmatlanítani úgy, hogy ne szennyezzék a környezetet. Valószínű azonban, hogy a közeljövőben ezekből a hulladékokból kész koncentrált radioaktív anyagokat (például polóniumot) bányásznak majd.
