Raksts stāsta par to, kas ir kodola skaldīšana, kā šis process tika atklāts un aprakstīts. Tiek atklāta tā izmantošana kā enerģijas avots un kodolieroči.
"Nedalāms" atoms
Divdesmit pirmais gadsimts ir pārpilns ar tādiem izteicieniem kā "atoma enerģija", "kodoltehnoloģija", "radioaktīvie atkritumi". Ik pa laikam laikrakstu virsrakstos parādās zibatmiņas par Antarktīdas augsnes, okeānu, ledus radioaktīvā piesārņojuma iespējamību. Taču parastam cilvēkam bieži vien nav īsti laba priekšstata par to, kas ir šī zinātnes joma un kā tā palīdz ikdienā. Ir vērts sākt, iespējams, ar vēsturi. Jau no pirmā jautājuma, kuru uzdeva labi paēdis un ģērbies cilvēks, viņu interesēja, kā pasaule darbojas. Kā acs redz, kāpēc auss dzird, kā ūdens atšķiras no akmens - tas ir tas, kas gudros satrauca no neatminamiem laikiem. Pat senajā Indijā un Grieķijā daži zinātkāri prāti ierosināja, ka ir minimāla daļiņa (to sauca arī par "nedalāmu"), kurai ir materiāla īpašības. Viduslaiku ķīmiķi apstiprināja gudro minējumu, un mūsdienu atoma definīcija ir šāda: atoms ir mazākā vielas daļiņa, kas ir tās īpašību nesējs.
Atoma daļas
Tomēr tehnoloģiju attīstība (injo īpaši fotogrāfija) ir novedusi pie tā, ka atoms vairs netiek uzskatīts par mazāko iespējamo matērijas daļiņu. Un, lai gan viens atoms ir elektriski neitrāls, zinātnieki ātri saprata, ka tas sastāv no divām daļām ar dažādiem lādiņiem. Pozitīvi lādēto daļu skaits kompensē negatīvo daļu skaitu, tāpēc atoms paliek neitrāls. Bet nebija viennozīmīga atoma modeļa. Tā kā šajā periodā joprojām dominēja klasiskā fizika, tika izdarīti dažādi pieņēmumi.
Atom modeļi
Sākumā tika piedāvāts “rozīņu rullīša” modelis. Pozitīvais lādiņš it kā aizpildīja visu atoma telpu, un negatīvie lādiņi tajā sadalījās kā rozīnes bulciņā. Slavenais Rezerforda eksperiments noteica sekojošo: atoma centrā atrodas ļoti smags elements ar pozitīvu lādiņu (kodols), un apkārt atrodas daudz vieglāki elektroni. Kodola masa ir simtiem reižu smagāka par visu elektronu summu (tā ir 99,9 procenti no visa atoma masas). Tādējādi radās Bora planetārais atoma modelis. Tomēr daži tās elementi bija pretrunā ar tolaik pieņemto klasisko fiziku. Tāpēc tika izstrādāta jauna kvantu mehānika. Līdz ar tās parādīšanos sākās neklasiskais zinātnes periods.
Atoms un radioaktivitāte
No visa iepriekš minētā kļūst skaidrs, ka kodols ir smaga, pozitīvi lādēta atoma daļa, kas veido tā lielāko daļu. Kad enerģijas kvantēšana un elektronu pozīcijas atoma orbītā bija labi saprotamas, bija laiks saprastatoma kodola būtība. Atjautīgā un negaidīti atklātā radioaktivitāte nāca palīgā. Tas palīdzēja atklāt atoma smagās centrālās daļas būtību, jo radioaktivitātes avots ir kodola skaldīšanās. Deviņpadsmitā un divdesmitā gadsimta mijā atklājumi lija cits pēc cita. Vienas problēmas teorētiskajam risinājumam bija nepieciešami jauni eksperimenti. Eksperimentu rezultāti radīja teorijas un hipotēzes, kuras bija jāapstiprina vai jāatspēko. Bieži vien lielākie atklājumi ir radušies vienkārši tāpēc, ka formula kļuva viegli aprēķināma (piemēram, Maksa Planka kvants). Jau fotogrāfijas laikmeta sākumā zinātnieki zināja, ka urāna sāļi izgaismo gaismjutīgu plēvi, taču viņiem nebija aizdomas, ka kodola skaldīšana ir šīs parādības pamatā. Tāpēc radioaktivitāte tika pētīta, lai izprastu kodolieroču sabrukšanas būtību. Acīmredzot starojumu radīja kvantu pārejas, taču nebija līdz galam skaidrs, kuras. Lai atbildētu uz šo jautājumu, Kirijs ieguva tīru rādiju un poloniju, strādājot gandrīz ar rokām urāna rūdā.
Radioaktīvā starojuma lādiņš
Ruterfords daudz darīja, lai izpētītu atoma struktūru un veicināja izpēti par to, kā notiek atoma kodola dalīšanās. Zinātnieks radioaktīvā elementa izstaroto starojumu ievietoja magnētiskajā laukā un ieguva pārsteidzošu rezultātu. Izrādījās, ka starojums sastāv no trim sastāvdaļām: viena bija neitrāla, bet pārējās divas bija pozitīvi un negatīvi lādētas. Kodola skaldīšanas izpēte sākās ar tās definīcijusastāvdaļas. Tika pierādīts, ka kodols var dalīties, atdot daļu no sava pozitīvā lādiņa.
Kodola struktūra
Vēlāk izrādījās, ka atoma kodols sastāv ne tikai no pozitīvi lādētām protonu daļiņām, bet arī no neitrālām neitronu daļiņām. Kopā tos sauc par nukleoniem (no angļu "nucleus", kodols). Tomēr zinātnieki atkal saskārās ar problēmu: kodola masa (tas ir, nukleonu skaits) ne vienmēr atbilda tā lādiņam. Ūdeņražā kodola lādiņš ir +1, un masa var būt trīs, divi un viens. Hēlijam, kas ir nākamais periodiskajā tabulā, kodollādiņš ir +2, savukārt tā kodolā ir no 4 līdz 6 nukleoniem. Sarežģītākiem elementiem vienam un tam pašam lādiņam var būt daudz vairāk dažādu masu. Šādas atomu variācijas sauc par izotopiem. Turklāt daži izotopi izrādījās diezgan stabili, bet citi ātri sadalījās, jo tiem bija raksturīga kodola skaldīšanās. Kāds princips atbilda kodolu stabilitātes nukleonu skaitam? Kāpēc tikai viena neitrona pievienošana smagam un diezgan stabilam kodolam izraisīja tā sadalīšanos, radioaktivitātes izdalīšanos? Savādi, bet atbilde uz šo svarīgo jautājumu vēl nav atrasta. Empīriski izrādījās, ka stabilas atomu kodolu konfigurācijas atbilst noteiktam protonu un neitronu daudzumam. Ja kodolā ir 2, 4, 8, 50 neitroni un/vai protoni, tad kodols noteikti būs stabils. Šos skaitļus pat sauc par maģiju (un tā tos sauca pieaugušie zinātnieki, kodolfiziķi). Tādējādi kodolu dalīšanās ir atkarīga no to masas, tas ir, no tajos iekļauto nukleonu skaita.
Piliens, apvalks, kristāls
Šobrīd nebija iespējams noteikt faktoru, kas ir atbildīgs par kodola stabilitāti. Ir daudz teoriju par atoma struktūras modeli. Trīs slavenākie un attīstītākie bieži vien ir pretrunā viens otram dažādos jautājumos. Saskaņā ar pirmo, kodols ir īpaša kodola šķidruma piliens. Tāpat kā ūdenim, to raksturo plūstamība, virsmas spraigums, saplūšana un sabrukšana. Korpusa modelī kodolā ir arī noteikti enerģijas līmeņi, kas ir piepildīti ar nukleoniem. Trešais norāda, ka kodols ir vide, kas spēj lauzt īpašus viļņus (de Broglie), savukārt refrakcijas indekss ir potenciālā enerģija. Tomēr neviens modelis vēl nav spējis pilnībā aprakstīt, kāpēc pie noteiktas šī konkrētā ķīmiskā elementa kritiskās masas sākas kodola skaldīšanās.
Kas ir šķiršanās?
Radioaktivitāte, kā minēts iepriekš, tika konstatēta dabā sastopamās vielās: urānā, polonijā, rādijā. Piemēram, svaigi iegūts, tīrs urāns ir radioaktīvs. Sadalīšanas process šajā gadījumā būs spontāns. Bez jebkādas ārējas ietekmes noteikts skaits urāna atomu izstaros alfa daļiņas, kas spontāni pārvēršas par toriju. Ir indikators, ko sauc par pussabrukšanas periodu. Tas parāda, uz kādu laiku no daļas sākotnējā numura paliks apmēram puse. Katram radioaktīvajam elementam pussabrukšanas periods ir atšķirīgs - no sekundes daļām Kalifornijā līdzsimtiem tūkstošu gadu urānam un cēzijam. Bet ir arī piespiedu radioaktivitāte. Ja atomu kodoli tiek bombardēti ar protoniem vai alfa daļiņām (hēlija kodoliem) ar augstu kinētisko enerģiju, tie var "sadalīties". Pārvērtības mehānisms, protams, atšķiras no tā, kā tiek salauzta mammas mīļākā vāze. Tomēr ir zināma līdzība.
Atomenerģija
Līdz šim mēs neesam atbildējuši uz praktisku jautājumu: no kurienes rodas enerģija kodola skaldīšanas laikā. Vispirms jāprecizē, ka kodola veidošanās laikā darbojas īpaši kodolspēki, kurus sauc par spēcīgo mijiedarbību. Tā kā kodols sastāv no daudziem pozitīviem protoniem, paliek jautājums, kā tie turas kopā, jo elektrostatiskajiem spēkiem tie diezgan spēcīgi jāatstumj viens no otra. Atbilde ir gan vienkārša, gan ne tajā pašā laikā: kodolu satur kopā ļoti ātra īpašu daļiņu - pi-mezonu - nukleonu apmaiņa. Šis savienojums dzīvo neticami īsi. Tiklīdz pi-mezonu apmaiņa apstājas, kodols sadalās. Ir arī droši zināms, ka kodola masa ir mazāka par visu to veidojošo nukleonu summu. Šo parādību sauc par masu defektu. Faktiski trūkstošā masa ir enerģija, kas tiek tērēta kodola integritātes uzturēšanai. Tiklīdz kāda daļa ir atdalīta no atoma kodola, šī enerģija tiek atbrīvota un pārvērsta siltumā atomelektrostacijās. Tas ir, kodola skaldīšanas enerģija ir skaidrs slavenās Einšteina formulas pierādījums. Atgādiniet, ka formula saka: enerģija un masa var pārvērsties viena otrā (E=mc2).
Teorija un prakse
Tagad mēs jums pastāstīsim, kā šis tīri teorētiskais atklājums tiek izmantots dzīvē, lai saražotu gigavatus elektroenerģijas. Pirmkārt, jāatzīmē, ka kontrolētās reakcijās tiek izmantota piespiedu kodola skaldīšana. Visbiežāk tas ir urāns vai polonijs, ko bombardē ātri neitroni. Otrkārt, nevar nesaprast, ka kodola skaldīšanu pavada jaunu neitronu radīšana. Rezultātā neitronu skaits reakcijas zonā var pieaugt ļoti ātri. Katrs neitrons saduras ar jauniem, vēl neskartiem kodoliem, sadala tos, kā rezultātā palielinās siltuma izdalīšanās. Tā ir kodola skaldīšanas ķēdes reakcija. Nekontrolēts neitronu skaita pieaugums reaktorā var izraisīt sprādzienu. Tieši tas notika 1986. gadā Černobiļas atomelektrostacijā. Tāpēc reakcijas zonā vienmēr atrodas viela, kas absorbē liekos neitronus, novēršot katastrofu. Tas ir grafīts garu stieņu formā. Kodola skaldīšanas ātrumu var palēnināt, iegremdējot stieņus reakcijas zonā. Kodolreakcijas vienādojums ir sastādīts īpaši katrai aktīvajai radioaktīvai vielai un to bombardējošām daļiņām (elektroniem, protoniem, alfa daļiņām). Tomēr gala enerģijas izlaide tiek aprēķināta saskaņā ar saglabāšanas likumu: E1+E2=E3+E4. Tas ir, sākotnējā kodola un daļiņas (E1 + E2) kopējai enerģijai jābūt vienādai ar iegūtā kodola enerģiju un brīvā formā atbrīvoto enerģiju (E3 + E4). Kodolreakcijas vienādojums arī parāda, kāda veida viela tiek iegūta sabrukšanas rezultātā. Piemēram, urānam U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Elementu izotopi šeit nav uzskaitīti.tomēr tas ir svarīgi. Piemēram, ir pat trīs urāna skaldīšanas iespējas, kurās veidojas dažādi svina un neona izotopi. Gandrīz simts procentos gadījumu kodola skaldīšanas reakcija rada radioaktīvos izotopus. Tas nozīmē, ka urāna sabrukšanas rezultātā rodas radioaktīvais torijs. Torijs var sadalīties līdz protaktīnijam, tas par aktīniju utt. Gan bismuts, gan titāns šajā sērijā var būt radioaktīvi. Pat ūdeņradis, kas satur divus protonus kodolā (ar viena protona ātrumu), tiek saukts citādi - deitērijs. Ūdeni, kas veidojas ar šādu ūdeņradi, sauc par smago ūdeni, un tas aizpilda primāro ķēdi kodolreaktoros.
Nemierīgs atoms
Tādi izteicieni kā "bruņošanās sacensība", "aukstais karš", "kodoldraudi" mūsdienu cilvēkam var šķist vēsturiski un nebūtiski. Taču kādreiz gandrīz visā pasaulē katru ziņu izlaidumu pavadīja ziņas par to, cik daudz veidu kodolieroču ir izgudroti un kā ar tiem rīkoties. Cilvēki būvēja pazemes bunkurus un krāja krājumus kodolziemas gadījumā. Veselas ģimenes strādāja, lai izveidotu patversmi. Pat kodola skaldīšanas reakciju miermīlīga izmantošana var izraisīt katastrofu. Šķiet, ka Černobiļa mācīja cilvēcei būt uzmanīgiem šajā jomā, taču planētas elementi izrādījās spēcīgāki: zemestrīce Japānā sabojāja ļoti uzticamos Fukušimas atomelektrostacijas nocietinājumus. Kodolreakcijas enerģiju ir daudz vieglāk izmantot iznīcināšanai. Tehnologiem tikai jāierobežo sprādziena spēks, lai nejauši nesagrautu visu planētu. "Humānākās" bumbas, ja tās tā var nosaukt, nepiesārņo apkārtni ar radiāciju. Kopumā viņi visbiežāk izmantonekontrolēta ķēdes reakcija. Tas, no kā viņi atomelektrostacijās cenšas izvairīties, tiek panākts bumbās ļoti primitīvā veidā. Jebkuram dabiski radioaktīvam elementam ir noteikta tīras vielas kritiskā masa, kurā ķēdes reakcija rodas pati par sevi. Piemēram, urānam tas ir tikai piecdesmit kilogrami. Tā kā urāns ir ļoti smags, tas ir tikai neliela metāla lodīte ar 12-15 centimetru diametru. Pirmās uz Hirosimu un Nagasaki nomestās atombumbas tika izgatavotas tieši pēc šī principa: divas nevienlīdzīgas tīra urāna daļas vienkārši apvienojās un radīja šausminošu sprādzienu. Mūsdienu ieroči, iespējams, ir sarežģītāki. Tomēr nevajadzētu aizmirst par kritisko masu: uzglabāšanas laikā starp nelieliem tīra radioaktīvā materiāla tilpumiem jābūt barjerām, kas neļauj daļām savienoties.
Radiācijas avoti
Visi elementi, kuru kodollādiņš ir lielāks par 82, ir radioaktīvi. Gandrīz visiem vieglākajiem ķīmiskajiem elementiem ir radioaktīvie izotopi. Jo smagāks ir kodols, jo īsāks tā kalpošanas laiks. Dažus elementus (piemēram, Kaliforniju) var iegūt tikai mākslīgi – saduroties smagos atomos ar vieglākām daļiņām, visbiežāk akseleratoros. Tā kā tie ir ļoti nestabili, tie neeksistē zemes garozā: planētas veidošanās laikā tie ļoti ātri sadalījās citos elementos. Vielas ar vieglākiem kodoliem, piemēram, urānu, var iegūt. Šis process ir garš, ieguvei piemērots urāns pat ļoti bagātās rūdās satur mazāk par vienu procentu. trešais ceļš,varbūt norāda, ka jau ir sācies jauns ģeoloģiskais laikmets. Tā ir radioaktīvo elementu ieguve no radioaktīvajiem atkritumiem. Pēc tam, kad degviela tiek iztērēta spēkstacijā, zemūdenē vai gaisa kuģa nesējā, tiek iegūts sākotnējā urāna un galīgās vielas maisījums, kas ir skaldīšanas rezultāts. Šobrīd tie tiek uzskatīti par cietajiem radioaktīvajiem atkritumiem un aktuāls ir jautājums, kā tos likvidēt, lai tie nepiesārņotu vidi. Tomēr, visticamāk, tuvākajā nākotnē no šiem atkritumiem tiks iegūtas gatavas koncentrētas radioaktīvās vielas (piemēram, polonijs).
