Artikkeli kertoo mitä ydinfissio on, miten tämä prosessi löydettiin ja kuvattiin. Sen käyttö energian ja ydinaseiden lähteenä paljastetaan.
"jakamaton" atomi
Kahdeskymmenes ensimmäinen vuosisata on täynnä ilmaisuja, kuten "atomin energia", "ydinteknologia", "radioaktiivinen jäte". Aina silloin tällöin sanomalehtien otsikoissa flash-viestejä Etelämantereen maaperän, v altamerten ja jään radioaktiivisen saastumisen mahdollisuudesta. Tavallisella ihmisellä ei kuitenkaan usein ole kovin hyvää käsitystä siitä, mitä tämä tieteenala on ja miten se auttaa arjessa. Kannattaa aloittaa ehkä historiasta. Heti ensimmäisestä kysymyksestä, jonka hyvin syönyt ja pukeutunut henkilö kysyi, hän oli kiinnostunut maailman toiminnasta. Kuinka silmä näkee, miksi korva kuulee, kuinka vesi eroaa kivestä - tämä on huolestuttanut viisaita ammoisista ajoista lähtien. Jopa muinaisessa Intiassa ja Kreikassa jotkut utelias mielet ehdottivat, että on olemassa minimaalinen hiukkanen (jota kutsuttiin myös "jakamattomaksi"), jolla on materiaalin ominaisuuksia. Keskiaikaiset kemistit vahvistivat viisaiden arvauksen, ja nykyaikainen atomin määritelmä on seuraava: atomi on aineen pienin hiukkanen, joka kantaa sen ominaisuuksia.
Atomin osia
Teknologian kehitys (inerityisesti valokuvaus) on johtanut siihen, että atomia ei enää pidetä pienimpänä mahdollisena aineen hiukkasena. Ja vaikka yksi atomi on sähköisesti neutraali, tutkijat huomasivat nopeasti, että se koostuu kahdesta osasta, joilla on erilaiset varaukset. Positiivisesti varautuneiden osien määrä kompensoi negatiivisten osien määrän, joten atomi pysyy neutraalina. Mutta yksiselitteistä atomin mallia ei ollut. Koska klassinen fysiikka hallitsi vielä tuona aikana, tehtiin erilaisia oletuksia.
Atom-mallit
Aluksi ehdotettiin "rusinarulla" -mallia. Positiivinen varaus ikään kuin täytti atomin koko tilan, ja negatiiviset varaukset jakautuivat siihen, kuin rusinat sämpylässä. Rutherfordin kuuluisa koe määritti seuraavan: atomin keskellä sijaitsee erittäin raskas alkuaine, jolla on positiivinen varaus (ydin), ja sen ympärillä on paljon kevyempiä elektroneja. Ytimen massa on satoja kertoja raskaampi kuin kaikkien elektronien summa (se on 99,9 prosenttia koko atomin massasta). Näin syntyi Bohrin planeettamalli atomista. Jotkut sen elementit olivat kuitenkin ristiriidassa tuolloin hyväksytyn klassisen fysiikan kanssa. Siksi kehitettiin uusi kvanttimekaniikka. Sen ilmestymisellä alkoi tieteen ei-klassinen aika.
Atomi ja radioaktiivisuus
Kaiken edellä olevan perusteella käy selväksi, että ydin on raskas, positiivisesti varautunut atomin osa, joka muodostaa sen suurimman osan. Kun energian kvantisointi ja elektronien paikat atomin kiertoradalla ymmärrettiin hyvin, oli aika ymmärtääatomin ytimen luonne. Nerokas ja odottamatta löydetty radioaktiivisuus tuli apuun. Se auttoi paljastamaan atomin raskaan keskusosan olemuksen, koska radioaktiivisuuden lähde on ydinfissio. 1800- ja 1900-luvun vaihteessa löytöjä satoi yksi toisensa jälkeen. Yhden ongelman teoreettinen ratkaisu vaati uusia kokeita. Kokeiden tulokset synnyttivät teorioita ja hypoteeseja, jotka piti vahvistaa tai kumota. Usein suurimmat löydöt ovat syntyneet yksinkertaisesti siksi, että näin kaavasta on tullut helppo laskea (kuten esimerkiksi Max Planckin kvantti). Jo valokuvauksen aikakauden alussa tiedemiehet tiesivät, että uraanisuolat valaisevat valoherkän kalvon, mutta he eivät epäillyt ydinfission olevan tämän ilmiön perusta. Siksi radioaktiivisuutta tutkittiin ydinten hajoamisen luonteen ymmärtämiseksi. Ilmeisesti säteily syntyi kvanttisiirtymillä, mutta ei ollut täysin selvää, mitkä niistä. Curiet louhivat puhdasta radiumia ja poloniumia lähes käsin uraanimalmissa vastatakseen tähän kysymykseen.
Radioaktiivisen säteilyn varaus
Rutherford teki paljon tutkiakseen atomin rakennetta ja auttoi tutkimaan, kuinka atomin ydin fissio tapahtuu. Tiedemies asetti radioaktiivisen elementin lähettämän säteilyn magneettikenttään ja sai hämmästyttävän tuloksen. Kävi ilmi, että säteily koostuu kolmesta komponentista: yksi oli neutraali ja kaksi muuta olivat positiivisesti ja negatiivisesti varautuneita. Ydinfission tutkimus alkoi sen määrittelystäkomponentit. Todettiin, että ydin voi jakautua, luovuttaa osan positiivisesta varauksestaan.
Ytimen rakenne
Myöhemmin kävi ilmi, että atomiydin ei koostu vain positiivisesti varautuneista protonihiukkasista, vaan myös neutraaleista neutronien hiukkasista. Yhdessä niitä kutsutaan nukleoneiksi (englannin sanasta "nucleus", ydin). Tiedemiehet törmäsivät kuitenkin jälleen ongelmaan: ytimen massa (eli nukleonien lukumäärä) ei aina vastannut sen varausta. Vedyssä ytimen varaus on +1 ja massa voi olla kolme, kaksi ja yksi. Jaksotaulukossa seuraavana olevan heliumin ydinvaraus on +2, kun taas sen ytimessä on 4-6 nukleonia. Monimutkaisemmilla elementeillä voi olla useita eri massoja samalla varauksella. Tällaisia atomien muunnelmia kutsutaan isotoopeiksi. Lisäksi jotkut isotoopit osoittautuivat melko vakaiksi, kun taas toiset hajosivat nopeasti, koska niille oli ominaista ydinfissio. Mikä periaate vastasi ytimien stabiiliuden nukleonien lukumäärää? Miksi vain yhden neutronin lisääminen raskaaseen ja melko vakaaseen ytimeen johti sen halkeamiseen, radioaktiivisuuden vapautumiseen? Kummallista kyllä, vastausta tähän tärkeään kysymykseen ei ole vielä löydetty. Empiirisesti kävi ilmi, että atomiytimien vakaat konfiguraatiot vastaavat tiettyjä määriä protoneja ja neutroneja. Jos ytimessä on 2, 4, 8, 50 neutronia ja/tai protonia, niin ydin on varmasti vakaa. Näitä lukuja kutsutaan jopa taikoksi (ja aikuiset tiedemiehet, ydinfyysikot, kutsuivat niitä sellaisiksi). Siten ytimien fissio riippuu niiden massasta, eli niihin sisältyvien nukleonien lukumäärästä.
Pisara, kuori, kristalli
Ytimen vakaudesta vastaavaa tekijää ei tällä hetkellä voitu määrittää. Atomin rakenteen mallista on olemassa monia teorioita. Kolme tunnetuinta ja kehittyneintä ovat usein ristiriidassa keskenään eri kysymyksissä. Ensimmäisen mukaan ydin on pisara erityistä ydinnestettä. Kuten vedelle, sille on ominaista juoksevuus, pintajännitys, sulautuminen ja hajoaminen. Kuorimallissa ytimessä on myös tiettyjä energiatasoja, jotka ovat täynnä nukleoneja. Kolmannessa todetaan, että ydin on väliaine, joka pystyy taittamaan erityisiä a altoja (de Broglie), kun taas taitekerroin on potentiaalienergia. Mikään malli ei kuitenkaan ole vielä kyennyt täysin kuvaamaan, miksi tämän tietyn kemiallisen alkuaineen tietyllä kriittisellä massalla alkaa ydinfissio.
Mitä ovat erot
Yllä mainittua radioaktiivisuutta havaittiin luonnossa esiintyvissä aineissa: uraani, polonium, radium. Esimerkiksi juuri louhittu, puhdas uraani on radioaktiivista. Jakoprosessi on tässä tapauksessa spontaania. Ilman ulkoisia vaikutteita tietty määrä uraaniatomeja emittoi alfahiukkasia, jotka muuttuvat spontaanisti toriumiksi. On olemassa indikaattori, jota kutsutaan puoliintumisajaksi. Se näyttää, kuinka pitkäksi ajaksi osan alkuperäisestä numerosta noin puolet jää jäljelle. Jokaisen radioaktiivisen elementin puoliintumisaika on erilainen - Kalifornian sekunnin murto-osistasatoja tuhansia vuosia uraanille ja cesiumille. Mutta on myös pakotettua radioaktiivisuutta. Jos atomien ytimiä pommitetaan protoneilla tai alfahiukkasilla (heliumytimillä), joilla on korkea kineettinen energia, ne voivat "halkaista". Muutosmekanismi on tietysti erilainen kuin se, kuinka äidin suosikkimaljakko rikotaan. On kuitenkin olemassa tietty analogia.
Atomenergia
Toistaiseksi emme ole vastanneet käytännön kysymykseen: mistä energia tulee ydinfission aikana. Aluksi on selvennettävä, että ytimen muodostumisen aikana vaikuttavat erityiset ydinvoimat, joita kutsutaan vahvaksi vuorovaikutukseksi. Koska ydin koostuu monista positiivisista protoneista, kysymys jää siitä, kuinka ne tarttuvat toisiinsa, koska sähköstaattisten voimien täytyy työntää ne poispäin toisistaan melko voimakkaasti. Vastaus on sekä yksinkertainen että ei samaan aikaan: ydin pysyy koossa erittäin nopealla erikoishiukkasten - pi-mesonien - nukleonien vaihdolla. Tämä yhteys elää uskomattoman lyhyen ajan. Heti kun pi-mesonien vaihto pysähtyy, ydin hajoaa. Tiedetään myös varmasti, että ytimen massa on pienempi kuin kaikkien sen muodostavien nukleonien summa. Tätä ilmiötä kutsutaan massavikaksi. Itse asiassa puuttuva massa on energiaa, joka käytetään ytimen eheyden ylläpitämiseen. Heti kun jokin osa erotetaan atomin ytimestä, tämä energia vapautuu ja muuttuu lämmöksi ydinvoimalaitoksissa. Toisin sanoen ydinfission energia on selkeä osoitus kuuluisasta Einsteinin kaavasta. Muista, että kaava sanoo: energia ja massa voivat muuttua toisiinsa (E=mc2).
Teoria ja käytäntö
Nyt kerromme, kuinka tätä puhtaasti teoreettista löytöä käytetään elämässä tuottamaan gigawattia sähköä. Ensinnäkin on huomattava, että kontrolloiduissa reaktioissa käytetään pakotettua ydinfissiota. Useimmiten se on uraania tai poloniumia, jota nopeat neutronit pommittavat. Toiseksi on mahdotonta olla ymmärtämättä, että ydinfissio liittyy uusien neutronien syntymiseen. Tämän seurauksena neutronien määrä reaktioalueella voi kasvaa hyvin nopeasti. Jokainen neutroni törmää uusiin, vielä ehjiin ytimiin, halkaisee ne, mikä johtaa lämmön vapautumisen lisääntymiseen. Tämä on ydinfissioketjureaktio. Reaktorin neutronien määrän hallitsematon lisääntyminen voi johtaa räjähdykseen. Juuri näin tapahtui vuonna 1986 Tšernobylin ydinvoimalassa. Siksi reaktioalueella on aina aine, joka absorboi ylimääräisiä neutroneja, mikä estää katastrofin. Se on grafiittia pitkien sauvojen muodossa. Ydinfissionopeutta voidaan hidastaa upottamalla sauvat reaktioalueelle. Ydinreaktioyhtälö laaditaan erikseen kullekin aktiiviselle radioaktiiviselle aineelle ja sitä pommittaville hiukkasille (elektronit, protonit, alfahiukkaset). Lopullinen energiantuotanto lasketaan kuitenkin säilymislain mukaan: E1+E2=E3+E4. Toisin sanoen alkuperäisen ytimen ja hiukkasen kokonaisenergian (E1 + E2) on oltava yhtä suuri kuin tuloksena olevan ytimen energia ja vapaassa muodossa vapautuva energia (E3 + E4). Ydinreaktioyhtälö osoittaa myös, millaista ainetta muodostuu hajoamisen seurauksena. Esimerkiksi uraanille U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Alkuaineiden isotooppeja ei ole lueteltu tässä.tämä on kuitenkin tärkeää. Esimerkiksi uraanin fissiolle on olemassa peräti kolme mahdollisuutta, jossa muodostuu erilaisia lyijyn ja neonin isotooppeja. Lähes sadassa prosentissa tapauksista ydinfissioreaktio tuottaa radioaktiivisia isotooppeja. Eli uraanin hajoaminen tuottaa radioaktiivista toriumia. Torium voi hajota protaktiiniumiksi, se aktiniumiksi ja niin edelleen. Sekä vismutti että titaani voivat olla radioaktiivisia tässä sarjassa. Jopa vetyä, joka sisältää kaksi protonia ytimessä (yhden protonin nopeudella), kutsutaan eri tavalla - deuteriumiksi. Tällaisen vedyn kanssa muodostunutta vettä kutsutaan raskaaksi vedeksi ja se täyttää ydinreaktorien primääripiirin.
Epärauhallinen atomi
Sellaiset ilmaisut kuin "kilpavarustelu", "kylmä sota", "ydinuhka" voivat tuntua historiallisilta ja merkityksettömiltä nykyajan ihmiselle. Mutta kerran lähes kaikkialla maailmassa jokaiseen lehdistötiedotteeseen liittyi raportteja siitä, kuinka monen tyyppisiä ydinaseita keksittiin ja kuinka niitä käsitellään. Ihmiset rakensivat maanalaisia bunkkereita ja varastoivat niitä ydintalven var alta. Koko perhe työskenteli turvakodin rakentamiseksi. Jopa ydinfissioreaktioiden rauhanomainen käyttö voi johtaa katastrofiin. Vaikuttaa siltä, että Tšernobyl opetti ihmiskuntaa olemaan varovainen tällä alueella, mutta planeetan elementit osoittautuivat vahvemmiksi: Japanin maanjäristys vaurioitti Fukushiman ydinvoimalan erittäin luotettavia linnoituksia. Ydinreaktion energiaa on paljon helpompi käyttää tuhoamiseen. Teknologien tarvitsee vain rajoittaa räjähdyksen voimaa, jotta koko planeetta ei vahingossa tuhoutuisi. Kaikkein "inhimillisimmät" pommit, jos niitä niin voi sanoa, eivät saastuta ympäristöä säteilyllä. Yleensä he käyttävät useimmitenhallitsematon ketjureaktio. Se mitä he pyrkivät kaikin keinoin välttämään ydinvoimalaitoksilla, saavutetaan pommeissa hyvin primitiivisellä tavalla. Jokaiselle luonnollisesti radioaktiiviselle alkuaineelle on olemassa tietty kriittinen massa puhdasta ainetta, jossa ketjureaktio syntyy itsestään. Esimerkiksi uraanin os alta se on vain viisikymmentä kiloa. Koska uraani on erittäin raskasta, se on vain pieni metallipallo, jonka halkaisija on 12-15 senttimetriä. Ensimmäiset Hiroshimaan ja Nagasakiin pudotetut atomipommit tehtiin täsmälleen tämän periaatteen mukaisesti: kaksi epätasa-arvoista puhdasta uraania yksinkertaisesti yhdistettiin ja synnytti kauhistuttavan räjähdyksen. Nykyaikaiset aseet ovat luultavasti kehittyneempiä. Kriittistä massaa ei kuitenkaan pidä unohtaa: puhtaan radioaktiivisen materiaalin pienten määrien välillä on oltava varastoinnin aikana esteitä, jotka estävät osien kytkeytymisen toisiinsa.
Säteilylähteet
Kaikki alkuaineet, joiden ydinvaraus on suurempi kuin 82, ovat radioaktiivisia. Lähes kaikissa kevyemmissä kemiallisissa alkuaineissa on radioaktiivisia isotooppeja. Mitä raskaampi ydin, sitä lyhyempi sen elinikä. Joitakin alkuaineita (kuten Kalifornia) voidaan saada vain keinotekoisesti - törmäämällä raskaita atomeja kevyempiin hiukkasiin, useimmiten kiihdyttimissä. Koska ne ovat erittäin epävakaita, niitä ei ole maankuoressa: planeetan muodostumisen aikana ne hajosivat hyvin nopeasti muihin alkuaineisiin. Aineita, joissa on kevyempi ydin, kuten uraania, voidaan louhia. Tämä prosessi on pitkä, louhintaan sopiva uraani sisältää alle yhden prosentin jopa erittäin rikkaissa malmeissa. kolmas tapa,ehkä viittaa siihen, että uusi geologinen aikakausi on jo alkanut. Tämä on radioaktiivisten elementtien erottamista radioaktiivisesta jätteestä. Kun polttoaine on käytetty voimalaitoksella, sukellusveneellä tai lentotukialuksella, saadaan seos alkuperäisestä uraanista ja lopullisesta aineesta, joka on fission tulos. Tällä hetkellä tätä pidetään kiinteänä radioaktiivisena jätteenä ja on akuutti kysymys, kuinka ne hävitetään niin, että ne eivät saastuta ympäristöä. On kuitenkin todennäköistä, että lähitulevaisuudessa näistä jätteistä louhitaan valmiita tiivistettyjä radioaktiivisia aineita (esim. polonium).
