Fission hạt nhân: quá trình phân hạch hạt nhân. phản ứng hạt nhân

Bài báo nói về những gì một phân hạch hạt nhân là quá trình này đã được phát hiện và mô tả. Tiết lộ việc sử dụng nó như một nguồn năng lượng và vũ khí hạt nhân.

"Không chia" nguyên tử

thế kỷ XXI là trang bị đầy đủ với các biểu thức như "năng lượng nguyên tử", "công nghệ hạt nhân", "chất thải phóng xạ". Tất cả bây giờ và sau đó là tiêu đề lóe lên báo cáo về khả năng nhiễm bẩn phóng xạ của đất, đại dương, băng Nam Cực. Tuy nhiên, những người bình thường thường không ý tưởng rất tốt về những gì lĩnh vực khoa học và làm thế nào nó giúp trong cuộc sống hàng ngày. Bạn nên bắt đầu, có lẽ, với những câu chuyện. Từ câu hỏi đầu tiên, mà hỏi một người đàn ông được cho ăn và ăn mặc bảnh bao, anh muốn biết làm thế nào trên thế giới hoạt động. Làm thế nào mắt thấy, tai nghe lý do tại sao hơn nước khác với đá - đó là những gì các nhà hiền triết từ chăm sóc xa xưa thời gian. Ngay cả ở Ấn Độ cổ đại và Hy Lạp, một số suy nghĩ hỏi đã gợi ý rằng có một hạt tối thiểu (nó cũng được gọi là "bất khả"), với các tính chất của vật liệu. các nhà hóa học thời trung cổ khẳng định đoán khôn ngoan, và nguyên tử định nghĩa hiện đại bao gồm một nguyên tử - hạt nhỏ nhất của một chất mà là một tàu sân bay của tài sản.

phần nguyên tử

Tuy nhiên, sự phát triển của công nghệ (ví dụ, hình ảnh) dẫn đến việc nguyên tử không còn là chất hạt nhỏ nhất có thể. Mặc dù lấy riêng nguyên tử không mang điện, các nhà khoa học nhanh chóng nhận ra: nó bao gồm hai phần với chi phí khác nhau. Số lượng đơn vị tích điện dương số lượng tiêu cực đền bù do đó vẫn còn nguyên tử trung hòa. Nhưng không có mô hình rõ ràng của nguyên tử. Kể từ lúc đó vẫn bị chi phối bởi vật lý cổ điển, rằng đã có những giả định khác nhau.

mô hình của nguyên tử

Ban đầu, mô hình "bánh mì trắng với nho khô" đã được đề xuất. Các điện tích dương vì nó lấp đầy toàn bộ không gian của nguyên tử và nó, như nho khô trong một bun, điện tích âm được phân phối. Sự nổi tiếng thí nghiệm của Rutherford xác định như sau: là một yếu tố rất nặng nề với một điện tích dương (hạt nhân), và được bao quanh với các electron hơn xưa rất nhiều ở trung tâm của nguyên tử. Kernel Trọng lượng hàng trăm lần nặng hơn tổng của tất cả các electron (đó là 99,9 phần trăm tính theo trọng lượng của tổng các nguyên tử). Do đó sinh ra mô hình hành tinh của nguyên tử Bohr. Tuy nhiên, một số yếu tố của nó mâu thuẫn với chấp nhận tại thời điểm vật lý cổ điển. Do đó, cơ học lượng tử mới được phát triển. Với sự xuất hiện của nó giai đoạn bắt đầu khoa học nonclassical.

Các nguyên tử và phóng xạ

Từ tất cả các bên trên nó trở nên rõ ràng rằng các hạt nhân - đó là một nặng, tích điện dương một phần của nguyên tử, trong đó chiếm phần lớn của nó. Khi lượng tử hóa năng lượng và vị trí của một electron quay quanh một nguyên tử đã được nghiên cứu tốt, đó là thời gian để hiểu được bản chất của hạt nhân nguyên tử. Nó đến sự trợ giúp của một khám phá tuyệt vời và bất ngờ của phóng xạ. Nó đã giúp để lộ bản chất của nguyên tử trung tâm nặng, như là nguồn phóng xạ - phân hạch hạt nhân. Tại thời điểm chuyển giao thế kỷ XIX và XX, việc mở cửa giảm một sau khi khác. giải pháp lý thuyết của một vấn đề gây ra sự cần thiết phải thiết lập những trải nghiệm mới. Các kết quả thực nghiệm đã dẫn đến lý thuyết và giả thuyết rằng là cần thiết để xác nhận hoặc bác bỏ. Thông thường, những khám phá vĩ đại nhất xuất hiện, đơn giản chỉ vì theo cách này công thức là thuận tiện cho máy tính (chẳng hạn như lượng tử Max Planck). Vào lúc bắt đầu của thời đại của nhiếp ảnh, các nhà khoa học biết rằng muối uranium ánh sáng chữa khỏi bộ phim nhạy sáng, nhưng họ không biết rằng cơ sở của hiện tượng này là phân hạch hạt nhân. Do đó, phóng xạ đã được nghiên cứu để hiểu bản chất của sự phân rã hạt nhân. Rõ ràng là các hiệu ứng chuyển tiếp lượng tử phát thải đã được tạo ra, nhưng nó đã không rõ ràng nó là gì. Chet Curie chiết xuất radium và polonium tinh khiết, chế biến quặng urani hầu như bằng tay để có được một câu trả lời cho câu hỏi này.

bức xạ phí

Rutherford đã làm rất nhiều cho việc nghiên cứu cấu trúc nguyên tử và cũng góp phần vào việc nghiên cứu về cách thức phân chia hạt nhân của một nguyên tử. Nhà khoa học đưa các bức xạ phát ra bởi một nguyên tố phóng xạ trong một từ trường và nhận được một kết quả tuyệt vời. Hóa ra là bức xạ bao gồm ba thành phần: một là trung lập và hai người còn lại - một cách tích cực và tiêu cực phí. nghiên cứu phân hạch bắt đầu với việc xác định các thành phần của nó. Nó đã được chứng minh rằng cốt lõi có thể được chia, để cung cấp cho một phần của điện tích dương của nó.

Cấu trúc của hạt nhân

sau đó nó xuất hiện rằng hạt nhân nguyên tử được cấu tạo không chỉ của điện tích dương hạt proton, nhưng các hạt neutron trung lập. Họ cùng nhau được gọi là nucleon (từ tiếng Anh «nhân», hạt nhân). Tuy nhiên, các nhà khoa học đã một lần nữa gặp phải một vấn đề: khối lượng của hạt nhân (tức là số nucleon) đã không luôn luôn tương ứng với trách nhiệm của mình. Y hydro hạt nhân có trách nhiệm +1, và khối lượng có thể ba, hai, và một. Trong sau nó trong kỳ bảng heli phí core 2, với hạt nhân của nó chứa 4-6 nucleon. Nhiều yếu tố phức tạp có thể có một số lượng lớn hơn rất nhiều khối lượng khác nhau với cùng tội. biến thể như vậy của các nguyên tử được gọi là đồng vị. Và một số là đồng vị khá ổn định, những người khác một cách nhanh chóng tan rã, bởi vì đối với họ nó được đặc trưng bởi sự phân hạch hạt nhân. Cơ sở những gì phù hợp với số nucleon ổn định của hạt nhân? Tại sao việc bổ sung chỉ có một neutron để hạt nhân nặng và khá ổn định dẫn đến chia tay để giải phóng phóng xạ? Lạ lùng thay, câu trả lời cho câu hỏi quan trọng này vẫn chưa được tìm thấy. Thực nghiệm, người ta phát hiện ra rằng một số lượng nhất định các proton và neutron tương ứng với cấu hình ổn định của hạt nhân. Nếu lõi 2, 4, 8, 50 neutron và / hoặc proton, hạt nhân sẽ duy nhất ổn định. Những con số này thậm chí còn được gọi là kỳ diệu (và đặt tên chúng như người lớn, các nhà khoa học, vật lý hạt nhân). Như vậy, phân hạch hạt nhân phụ thuộc vào khối lượng của chúng, có nghĩa là, số lượng các nucleon thành phần của chúng.

Thả, bìa, pha lê

Xác định yếu tố đó là trách nhiệm, đó là không thể thực hiện tại thời điểm cho sự ổn định của hạt nhân. Có rất nhiều lý thuyết về mô hình cấu trúc nguyên tử. Ba trong số nổi tiếng nhất và phát triển thường mâu thuẫn với nhau trong các vấn đề khác nhau. Đầu tiên là cốt lõi - một giọt chất lỏng hạt nhân đặc biệt. Đối với nước, nó được đặc trưng bởi lỏng, sức căng bề mặt, phản ứng tổng hợp và phân rã. Trong mô hình vỏ trong kernel quá, có mức năng lượng nhất định, mà được làm đầy với nucleon. Các trạng thái thứ ba mà cốt lõi - một phương tiện có khả năng khúc xạ bước sóng cụ thể (de Broglie), trong đó chỉ số khúc xạ - là năng lượng tiềm năng. Tuy nhiên, không có mô hình cho đến nay đã thất bại trong việc mô tả đầy đủ lý do tại sao ở một khối lượng quan trọng nhất định của nguyên tố hóa học đặc biệt này, các tách của hạt nhân bắt đầu.

Chuyện gì xảy ra sâu

Các phóng xạ, như đã đề cập ở trên, đã được tìm thấy trong các chất có thể được tìm thấy trong tự nhiên: uranium, poloni, radium. Ví dụ, vừa sản xuất, uranium tinh khiết có tính phóng xạ. quá trình tách trong trường hợp này sẽ tự phát. Nếu không có bất kỳ ảnh hưởng bên ngoài số tiền nhất định của các nguyên tử uranium phát ra hạt alpha tự nhiên biến thành thori. Đây là một chỉ số, được gọi là chu kỳ bán rã. Nó cho thấy, đối với một khoảng thời gian từ những con số phần ban đầu sẽ được khoảng một nửa. Mỗi nguyên tố phóng xạ chu kỳ bán rã của riêng của mình - từ một phần nhỏ của một giây để California đến hàng trăm hàng ngàn năm cho uranium và cesium. Nhưng có một hoạt động bắt buộc. Nếu hạt nhân nguyên tử bắn phá proton hoặc các hạt alpha (heli hạt nhân) với động năng cao, họ có thể được "chia". cơ chế chuyển đổi, tất nhiên, khác với cách yêu thích của người mẹ phá vỡ một chiếc bình. Tuy nhiên, một loại suy nhất định có thể được truy tìm.

năng lượng nguyên tử

Cho đến nay, chúng tôi đã không trả lời cho câu hỏi thực tế: nơi nào năng lượng trong phân hạch hạt nhân. Đối với một sự khởi đầu nó là cần thiết để làm rõ rằng trong sự hình thành của các hạt nhân là lực lượng hạt nhân đặc biệt, được gọi là sự tương tác mạnh mẽ. Kể từ khi cốt lõi bao gồm một tập hợp các proton tích cực, câu hỏi vẫn còn, làm thế nào họ dính vào nhau, bởi vì các lực lượng tĩnh điện có đủ mạnh để đẩy lùi chúng từ nhau. Câu trả lời là cả hai đơn giản, và có: cốt lõi được lưu giữ tại các chi phí của trao đổi rất nhanh chóng giữa nucleon hạt đặc biệt - pion. Liên kết này sống là vô cùng nhỏ. Khi chấm dứt việc trao đổi pi-meson, lõi hư hoại. chỉ cũng được biết rằng khối lượng của hạt nhân là ít hơn tổng của tất cả các nucleon cấu thành của nó. Hiện tượng này được gọi là khiếm khuyết đại chúng. Trong thực tế, khối lượng thiếu - là năng lượng được chi cho việc duy trì tính toàn vẹn của hạt nhân. Khi tách ra khỏi hạt nhân nguyên tử một số phần của năng lượng này được sản xuất tại nhà máy điện hạt nhân và chuyển thành nhiệt. Đó là, năng lượng của phân hạch hạt nhân - là một minh chứng rõ ràng về công thức nổi tiếng của Einstein. Nhớ lại, công thức đọc như: năng lượng và khối lượng có thể được chuyển đổi thành nhau (E = mc ^2).

Lý thuyết và thực hành

Bây giờ cho chúng tôi biết làm thế nào nó được sử dụng khám phá hoàn toàn lý thuyết trong cuộc sống của tôi cho GW điện. Trước hết, cần lưu ý rằng trong các phản ứng phân hạch có kiểm soát gây ra được sử dụng. Thông thường nó là urani hoặc polonium, mà là tấn công dồn dập bởi neutron nhanh. Thứ hai, cần phải hiểu rằng phân hạch hạt nhân được đi kèm với việc tạo ra các neutron mới. Kết quả là, số lượng neutron trong vùng phản ứng là có thể phát triển rất nhanh chóng. Mỗi neutron va chạm với mới, toàn bộ hơn hạt nhân, chia tách họ, dẫn đến sự gia tăng trong thế hệ nhiệt. Đây là một phản ứng dây chuyền của phân hạch hạt nhân. lượng không kiểm soát được tăng neutron trong lò phản ứng có thể dẫn đến một vụ nổ. Đó là những gì đã xảy ra vào năm 1986 tại nhà máy điện hạt nhân Chernobyl. Do đó, trong vùng phản ứng luôn là một chất mà hấp thụ neutron dư thừa để ngăn chặn một thảm họa. graphite này theo hình thức thanh dài. Tỷ lệ phân hạch có thể được làm chậm lại bằng cách ngâm các thanh trong vùng phản ứng. Phương trình phản ứng hạt nhân được thực hiện cụ thể cho từng hoạt chất và phóng xạ bắn phá hạt của nó (electron, proton, hạt alpha). Tuy nhiên, sản lượng năng lượng cuối cùng tính theo định luật bảo toàn: E1 + E2 + E3 = E4. Đó là, tổng năng lượng của hạt cốt lõi ban đầu và (E1 + E2) phải bằng với năng lượng của lõi dẫn và năng lượng tự do phát hành theo hình thức (E3 + E4). Phương trình cũng cho thấy một phản ứng hạt nhân, một chất thu được bằng cách phân hủy. Ví dụ, uranium U = Th + Ông, U = Pb + Né, U = Hg + Mg. Nó không phải được đưa ra đồng vị của nguyên tố hóa học, nhưng điều này là rất quan trọng. Ví dụ, có ba khả năng phân hạch uranium, sản xuất đồng vị chì khác nhau, và neon. Gần một trăm phần trăm của phản ứng phân hạch sản xuất đồng vị phóng xạ. Đó là, sự phân rã của uranium được thorium phóng xạ. Thori, protactini có thể tan rã, đó - để actini, và vân vân. Phóng xạ trong loạt bài này có thể được, và bismuth, và titan. Thậm chí hydro chứa hạt nhân hai proton (với tốc độ của một proton), nếu không gọi là - đơteri. Nước được hình thành với hydro gọi là nặng và lấp đầy các mạch đầu tiên trong một lò phản ứng hạt nhân.

nguyên tử phi hòa bình

Biểu như "chạy đua vũ trang", "Chiến tranh Lạnh", "mối đe dọa hạt nhân" cho con người hiện đại có vẻ lịch sử và không thích hợp. Nhưng một lần thông cáo báo chí được kèm theo báo cáo tin tức gần như khắp nơi trên thế giới về bao nhiêu phát minh ra vũ khí hạt nhân và làm thế nào để chống lại nó. Người đã xây dựng hầm ngầm và chứng khoán được thực hiện trong trường hợp của một mùa đông hạt nhân. Tổng số các gia đình làm việc trên việc tạo ra các nơi tạm trú. Thậm chí sử dụng hòa bình của phản ứng phân hạch hạt nhân có thể dẫn đến thảm họa. Dường như Chernobyl đã dạy nhân loại về tính chính xác trong lĩnh vực này, nhưng các yếu tố của hành tinh này đã mạnh hơn: trận động đất ở Nhật Bản bị tổn thương tăng cường rất mạnh mẽ của NPP "Fukushima". phản ứng hạt nhân năng lượng sử dụng cho việc phá hủy dễ dàng hơn nhiều. Công nghệ chỉ đòi hỏi một lực lượng hạn chế về sự bùng nổ, để không vô tình phá hủy toàn bộ hành tinh. Nhất bom "nhân đạo", nếu bạn có thể gọi nó, không làm ô nhiễm vùng lân cận của bức xạ. Nói chung, hầu hết thường họ sử dụng một phản ứng dây chuyền không kiểm soát được. Có gì trong nhà máy điện hạt nhân phấn đấu bằng mọi cách để tránh những quả bom để đạt được một cách rất thô sơ. Đối với bất kỳ nguyên tố phóng xạ tự nhiên, có một số lượng lớn các chất tinh khiết trong đó một phản ứng dây chuyền phát sinh riêng của mình. Uranium, ví dụ, chỉ là năm mươi kg. Kể từ uranium là một rất khó, nó chỉ là một quả bóng kim loại nhỏ 12-15 cm đường kính. Các quả bom nguyên tử đầu tiên thả xuống Hiroshima và Nagasaki, đã được thực hiện một cách chính xác về nguyên tắc này: hai phần bất bình đẳng uranium tinh khiết đơn giản kết hợp và đã dẫn đến một vụ nổ khủng khiếp. vũ khí hiện đại có lẽ phức tạp hơn. Tuy nhiên, về khối lượng quan trọng là không cần thiết để quên rằng giữa khối lượng nhỏ chất phóng xạ nguyên chất khi bảo quản nên các rào cản ngăn chặn các mảnh lại với nhau.

nguồn bức xạ

Tất cả các yếu tố của hạt nhân nguyên tử với một lần sạc hơn 82 có tính phóng xạ. Hầu như tất cả các nguyên tố hóa học nhẹ hơn có đồng vị phóng xạ. Các hạt nhân nặng hơn, càng ít tuổi thọ của pin. Một số yếu tố (như California) chỉ có thể thu được tổng hợp - đẩy các nguyên tử nặng với các hạt nhẹ hơn, thường xuyên với máy gia tốc. Vì chúng là rất không ổn định, họ không có mặt trong lớp vỏ của trái đất: sự hình thành của hành tinh, họ nhanh chóng phân rã thành các nguyên tố khác. Chất với hạt nhân nhẹ hơn, chẳng hạn như uranium, có thể trích xuất. Quá trình này kéo dài, thích hợp cho khai thác mỏ uranium, ngay cả trong quặng rất giàu chứa ít hơn một phần trăm. Cách thứ ba, có lẽ, chỉ ra rằng một kỷ nguyên địa chất mới đã bắt đầu. Khoản trích này của nguyên tố phóng xạ từ chất thải phóng xạ. Sau khi nhiên liệu làm việc trong một nhà máy điện, trên một tàu ngầm hoặc một hàng không mẫu hạm, một hỗn hợp của nguyên liệu ban đầu và uranium cuối cùng, kết quả của phép chia. Tại thời điểm này, nó được coi là một chất thải phóng xạ rắn và chi phí vấn đề gai góc, vì chúng đã được xử lý theo cách như vậy mà họ không gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, có một khả năng rằng các chất phóng xạ đã sẵn sàng tập trung trong tương lai gần (ví dụ, poloni), sẽ được sản xuất từ chất thải này.