L'article explica què és la fissió nuclear, com es va descobrir i descriure aquest procés. Es revela el seu ús com a font d'energia i d'armes nuclears.
Àtom "indivisible"
El segle XXI està ple d'expressions com ara "energia de l'àtom", "tecnologia nuclear", "residus radioactius". De tant en tant als titulars dels diaris missatges intermitents sobre la possibilitat de contaminació radioactiva del sòl, els oceans, el gel de l'Antàrtida. No obstant això, una persona normal sovint no té una idea molt bona de què és aquest camp de la ciència i com ajuda en la vida quotidiana. Val la pena començar, potser, per la història. Des de la primera pregunta, que li va fer una persona ben alimentada i vestida, li va interessar com funciona el món. Com veu l'ull, per què l'oïda sent, com l'aigua es diferencia de la pedra, això és el que preocupava els savis des de temps immemorials. Fins i tot a l'antiga Índia i Grècia, algunes ments curioses van suggerir que hi ha una partícula mínima (també s'anomenava "indivisible") que té les propietats d'un material. Els químics medievals van confirmar la conjectura dels savis, i la definició moderna de l'àtom és la següent: un àtom és la partícula més petita d'una substància que és la portadora de les seves propietats.
Parts d'un àtom
No obstant això, el desenvolupament de la tecnologia (enen particular, la fotografia) ha portat al fet que l'àtom ja no es considera la partícula de matèria més petita possible. I tot i que un únic àtom és elèctricament neutre, els científics ràpidament es van adonar que consta de dues parts amb càrregues diferents. El nombre de parts carregades positivament compensa el nombre de parts negatives, de manera que l'àtom roman neutral. Però no hi havia cap model inequívoc de l'àtom. Com que la física clàssica encara dominava durant aquest període, es van fer diverses suposicions.
Models Atom
Al principi, es va proposar el model de "roll de panses". La càrrega positiva, per dir-ho, omplia tot l'espai de l'àtom, i les càrregues negatives s'hi distribuïen, com les panses en un pa. El famós experiment de Rutherford va determinar el següent: un element molt pesat amb càrrega positiva (el nucli) es troba al centre de l'àtom i al seu voltant es troben electrons molt més lleugers. La massa del nucli és centenars de vegades més pesada que la suma de tots els electrons (és el 99,9 per cent de la massa de l'àtom sencer). Així, va néixer el model planetari de l'àtom de Bohr. Tanmateix, alguns dels seus elements contradeien la física clàssica aleshores acceptada. Per tant, es va desenvolupar una nova mecànica quàntica. Amb la seva aparició, va començar el període no clàssic de la ciència.
Àtom i radioactivitat
A partir de tot l'anterior, queda clar que el nucli és una part pesada i carregada positivament de l'àtom, que constitueix el seu gruix. Quan la quantificació de l'energia i les posicions dels electrons a l'òrbita d'un àtom es van entendre bé, va ser hora d'entendrela naturalesa del nucli atòmic. L'enginyosa i inesperadament descoberta radioactivitat va venir al rescat. Va ajudar a revelar l'essència de la part central pesada de l'àtom, ja que la font de radioactivitat és la fissió nuclear. Al tombant dels segles XIX i XX, els descobriments van ploure un rere l' altre. La solució teòrica d'un problema va requerir nous experiments. Els resultats dels experiments van donar lloc a teories i hipòtesis que calia confirmar o refutar. Sovint, els descobriments més grans s'han produït simplement perquè així és com la fórmula es va fer fàcil de calcular (com, per exemple, el quàntic de Max Planck). Fins i tot al començament de l'era de la fotografia, els científics sabien que les sals d'urani il·luminen una pel·lícula fotosensible, però no sospitaven que la fissió nuclear fos la base d'aquest fenomen. Per tant, es va estudiar la radioactivitat per entendre la naturalesa de la desintegració nuclear. Òbviament, la radiació es va generar per transicions quàntiques, però no estava del tot clar quines. Els Curies van extreure radi pur i poloni, treballant gairebé a mà en mineral d'urani, per respondre a aquesta pregunta.
La càrrega de la radiació radioactiva
Rutherford va fer molt per estudiar l'estructura de l'àtom i va contribuir a l'estudi de com es produeix la fissió del nucli de l'àtom. El científic va col·locar la radiació emesa per un element radioactiu en un camp magnètic i va obtenir un resultat sorprenent. Va resultar que la radiació consta de tres components: un era neutre i els altres dos tenien càrrega positiva i negativa. L'estudi de la fissió nuclear va començar amb la definició de la sevacomponents. Es va demostrar que el nucli es pot dividir, renunciar a part de la seva càrrega positiva.
Estructura del nucli
Més tard va resultar que el nucli atòmic està format no només per partícules de protons carregades positivament, sinó també per partícules neutres de neutrons. Junts s'anomenen nucleons (de l'anglès "nucleus", el nucli). Tanmateix, els científics van tornar a trobar un problema: la massa del nucli (és a dir, el nombre de nucleons) no sempre es corresponia amb la seva càrrega. En l'hidrogen, el nucli té una càrrega de +1, i la massa pot ser tres, dos i una. L'heli següent a la taula periòdica té una càrrega nuclear de +2, mentre que el seu nucli conté de 4 a 6 nucleons. Els elements més complexos poden tenir moltes més masses diferents per a la mateixa càrrega. Aquestes variacions d'àtoms s'anomenen isòtops. A més, alguns isòtops van resultar ser bastant estables, mentre que altres es van desintegrar ràpidament, ja que es caracteritzaven per la fissió nuclear. Quin principi corresponia al nombre de nucleons de l'estabilitat dels nuclis? Per què l'addició d'un sol neutró a un nucli pesat i bastant estable va provocar la seva divisió, l'alliberament de radioactivitat? Curiosament, encara no s'ha trobat la resposta a aquesta important pregunta. Empíricament, va resultar que les configuracions estables dels nuclis atòmics corresponen a determinades quantitats de protons i neutrons. Si hi ha 2, 4, 8, 50 neutrons i/o protons al nucli, el nucli definitivament serà estable. Aquests nombres fins i tot s'anomenen màgia (i els científics adults, físics nuclears, els van anomenar així). Així, la fissió dels nuclis depèn de la seva massa, és a dir, del nombre de nucleons inclosos en ells.
Gota, closca, cristall
De moment no ha estat possible determinar el factor responsable de l'estabilitat del nucli. Hi ha moltes teories sobre el model de l'estructura de l'àtom. Els tres més famosos i desenvolupats sovint es contradiuen en diversos temes. Segons el primer, el nucli és una gota d'un líquid nuclear especial. Com l'aigua, es caracteritza per fluïdesa, tensió superficial, coalescència i decadència. En el model de closca, també hi ha certs nivells d'energia al nucli, que estan plens de nucleons. La tercera afirma que el nucli és un medi capaç de refractar ones especials (de Broglie), mentre que l'índex de refracció és energia potencial. No obstant això, cap model encara no ha pogut descriure completament per què, a una certa massa crítica d'aquest element químic en particular, comença la fissió nuclear.
Com són les ruptures
La radioactivitat, com s'ha esmentat anteriorment, es va trobar en substàncies que es poden trobar a la natura: urani, poloni, radi. Per exemple, l'urani pur acabat d'extraure és radioactiu. El procés de desdoblament en aquest cas serà espontani. Sense cap influència externa, un cert nombre d'àtoms d'urani emetrà partícules alfa, convertint-se espontàniament en tori. Hi ha un indicador anomenat vida mitjana. Mostra durant quin període de temps des del nombre inicial de la part quedarà aproximadament la meitat. Per a cada element radioactiu, la vida mitjana és diferent: des de fraccions de segon fins a Califòrniacentenars de milers d'anys per a l'urani i el cesi. Però també hi ha radioactivitat forçada. Si els nuclis dels àtoms són bombardejats amb protons o partícules alfa (nuclis d'heli) amb gran energia cinètica, es poden "dividir". El mecanisme de transformació, per descomptat, és diferent de com es trenca el gerro favorit de la mare. Tanmateix, hi ha una certa analogia.
Atom Energy
Fins ara, no hem respost a una pregunta pràctica: d'on prové l'energia durant la fissió nuclear. Per començar, cal aclarir que durant la formació d'un nucli actuen forces nuclears especials, que s'anomenen interacció forta. Atès que el nucli està format per molts protons positius, la qüestió segueix sent com s'enganxen, perquè les forces electrostàtiques els han d'allunyar els uns dels altres amb força força. La resposta és senzilla i no alhora: el nucli es manté unit mitjançant un intercanvi molt ràpid entre nucleons de partícules especials: pi-mesons. Aquesta connexió és increïblement curta. Tan bon punt s'atura l'intercanvi de mesons pi, el nucli es desintegra. També se sap amb certesa que la massa d'un nucli és menor que la suma de tots els seus nucleons constitutius. Aquest fenomen s'anomena defecte de massa. De fet, la massa que f alta és l'energia que es gasta per mantenir la integritat del nucli. Tan aviat com una part es separa del nucli d'un àtom, aquesta energia s'allibera i es converteix en calor a les centrals nuclears. És a dir, l'energia de la fissió nuclear és una clara demostració de la famosa fórmula d'Einstein. Recordeu que la fórmula diu: l'energia i la massa es poden convertir mútuament (E=mc2).
Teoria i pràctica
Ara us explicarem com s'utilitza aquest descobriment purament teòric a la vida per produir gigawatts d'electricitat. En primer lloc, cal assenyalar que les reaccions controlades fan servir la fissió nuclear forçada. Molt sovint es tracta d'urani o poloni, que és bombardejat per neutrons ràpids. En segon lloc, és impossible no entendre que la fissió nuclear va acompanyada de la creació de nous neutrons. Com a resultat, el nombre de neutrons a la zona de reacció pot augmentar molt ràpidament. Cada neutró xoca amb nuclis nous, encara intactes, els divideix, la qual cosa comporta un augment de l'alliberament de calor. Aquesta és la reacció en cadena de fissió nuclear. Un augment incontrolat del nombre de neutrons en un reactor pot provocar una explosió. Això és exactament el que va passar l'any 1986 a la central nuclear de Txernòbil. Per tant, a la zona de reacció sempre hi ha una substància que absorbeix l'excés de neutrons, evitant una catàstrofe. És grafit en forma de varetes llargues. La velocitat de fissió nuclear es pot alentir submergint les barres a la zona de reacció. L'equació de la reacció nuclear es compila específicament per a cada substància radioactiva activa i les partícules que la bombardegen (electrons, protons, partícules alfa). Tanmateix, la producció d'energia final es calcula segons la llei de conservació: E1+E2=E3+E4. És a dir, l'energia total del nucli i partícula originals (E1 + E2) ha de ser igual a l'energia del nucli resultant i l'energia alliberada en forma lliure (E3 + E4). L'equació de la reacció nuclear també mostra quin tipus de substància s'obté com a resultat de la desintegració. Per exemple, per a l'urani U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Els isòtops dels elements no s'enumeren aquí.tanmateix, això és important. Per exemple, hi ha fins a tres possibilitats per a la fissió de l'urani, en què es formen diferents isòtops de plom i neó. En gairebé el cent per cent dels casos, la reacció de fissió nuclear produeix isòtops radioactius. És a dir, la desintegració de l'urani produeix tori radioactiu. El tori pot decaure en protactini, això en actini, etc. Tant el bismut com el titani poden ser radioactius en aquesta sèrie. Fins i tot l'hidrogen, que conté dos protons al nucli (a raó d'un protó), s'anomena de manera diferent: deuteri. L'aigua formada amb aquest hidrogen s'anomena aigua pesada i omple el circuit primari dels reactors nuclears.
Àtom poc pacífic
Expressions com "carrera armamentística", "guerra freda", "amenaça nuclear" poden semblar històriques i irrellevants per a una persona moderna. Però hi havia una vegada, tots els comunicats de premsa de gairebé tot el món anaven acompanyats d'informes sobre quants tipus d'armes nuclears es van inventar i com tractar-los. La gent construïa búnquers subterranis i s'aprovisiona en cas d'hivern nuclear. Famílies senceres van treballar per construir el refugi. Fins i tot l'ús pacífic de les reaccions de fissió nuclear pot provocar un desastre. Sembla que Txernòbil va ensenyar a la humanitat a tenir cura en aquesta zona, però els elements del planeta van resultar ser més forts: el terratrèmol del Japó va danyar les fortificacions molt fiables de la central nuclear de Fukushima. L'energia d'una reacció nuclear és molt més fàcil d'utilitzar per a la destrucció. Els tecnòlegs només necessiten limitar la força de l'explosió, per no destruir accidentalment tot el planeta. Les bombes més "humanes", si les pots dir així, no contaminen l'entorn amb radiació. En general, utilitzen més sovintreacció en cadena incontrolada. El que s'esforcen per evitar a les centrals nuclears per tots els mitjans s'aconsegueix amb les bombes d'una manera molt primitiva. Per a qualsevol element radioactiu naturalment, hi ha una certa massa crítica de substància pura en la qual neix per si mateixa una reacció en cadena. Per a l'urani, per exemple, només són cinquanta quilos. Com que l'urani és molt pesat, només és una petita bola metàl·lica de 12-15 centímetres de diàmetre. Les primeres bombes atòmiques llançades sobre Hiroshima i Nagasaki es van fabricar exactament segons aquest principi: dues parts desiguals d'urani pur simplement es van combinar i van generar una explosió aterridora. Les armes modernes són probablement més sofisticades. Tanmateix, no s'ha d'oblidar de la massa crítica: hi ha d'haver barreres entre petits volums de material radioactiu pur durant l'emmagatzematge, evitant que les peces es connectin.
Fonts de radiació
Tots els elements amb una càrrega nuclear superior a 82 són radioactius. Gairebé tots els elements químics més lleugers tenen isòtops radioactius. Com més pesat és el nucli, més curta és la seva vida útil. Alguns elements (com ara Califòrnia) només es poden obtenir artificialment, xocant àtoms pesats amb partícules més lleugeres, sovint en acceleradors. Com que són molt inestables, no existeixen a l'escorça terrestre: durant la formació del planeta, es van desintegrar molt ràpidament en altres elements. Es poden extreure substàncies amb nuclis més lleugers, com l'urani. Aquest procés és llarg, l'urani apte per a l'extracció, fins i tot en minerals molt rics, conté menys d'un per cent. tercera via,potser indica que ja ha començat una nova època geològica. Es tracta de l'extracció d'elements radioactius dels residus radioactius. Després de gastar combustible en una central elèctrica, en un submarí o portaavions, s'obté una barreja de l'urani original i la substància final, resultat de la fissió. En aquests moments es consideren residus radioactius sòlids i es planteja una aguda qüestió de com eliminar-los perquè no contaminin el medi ambient. Tanmateix, és probable que en un futur proper s'extraguin substàncies radioactives concentrades ja fetes (per exemple, el poloni) d'aquests residus.
