Het artikel vertelt over wat kernsplijting is, hoe dit proces werd ontdekt en beschreven. Het gebruik ervan als een bron van energie en kernwapens wordt onthuld.
"Ondeelbaar" atoom
De eenentwintigste eeuw staat bol van uitdrukkingen als "energie van het atoom", "nucleaire technologie", "radioactief afval". Zo nu en dan in krantenkoppen flitsen berichten over de mogelijkheid van radioactieve besmetting van de bodem, oceanen, ijs van Antarctica. Een gewoon persoon heeft echter vaak geen goed idee van wat dit wetenschapsgebied is en hoe het helpt in het dagelijks leven. Het is misschien de moeite waard om met de geschiedenis te beginnen. Vanaf de allereerste vraag, die werd gesteld door een goed gevoed en gekleed persoon, was hij geïnteresseerd in hoe de wereld werkt. Hoe het oog ziet, waarom het oor hoort, hoe water verschilt van steen - dit is wat de wijzen sinds onheuglijke tijden zorgen baarde. Zelfs in het oude India en Griekenland suggereerden sommige nieuwsgierige geesten dat er een minimaal deeltje is (het werd ook "ondeelbaar" genoemd) dat de eigenschappen van een materiaal heeft. Middeleeuwse scheikundigen bevestigden de gok van de wijzen, en de moderne definitie van het atoom is als volgt: een atoom is het kleinste deeltje van een stof dat de drager is van zijn eigenschappen.
Delen van een atoom
De ontwikkeling van technologie (inmet name fotografie) heeft ertoe geleid dat het atoom niet langer als het kleinst mogelijke materiedeeltje wordt beschouwd. En hoewel een enkel atoom elektrisch neutraal is, realiseerden wetenschappers zich al snel dat het uit twee delen met verschillende ladingen bestaat. Het aantal positief geladen delen compenseert het aantal negatieve, zodat het atoom neutraal blijft. Maar er was geen eenduidig model van het atoom. Omdat de klassieke natuurkunde in die periode nog domineerde, zijn er verschillende aannames gedaan.
Atom-modellen
In eerste instantie werd het "rozijnenbroodje" -model voorgesteld. De positieve lading vulde als het ware de hele ruimte van het atoom en er werden negatieve ladingen in verdeeld, als rozijnen in een broodje. Het beroemde experiment van Rutherford stelde het volgende vast: een zeer zwaar element met een positieve lading (de kern) bevindt zich in het centrum van het atoom, en er bevinden zich veel lichtere elektronen rondom. De massa van de kern is honderden keren zwaarder dan de som van alle elektronen (het is 99,9 procent van de massa van het hele atoom). Zo werd Bohr's planetaire model van het atoom geboren. Sommige elementen waren echter in tegenspraak met de toen aanvaarde klassieke fysica. Daarom werd een nieuwe, kwantummechanica ontwikkeld. Met zijn verschijning begon de niet-klassieke periode van de wetenschap.
Atoom en radioactiviteit
Uit al het bovenstaande wordt het duidelijk dat de kern een zwaar, positief geladen deel van het atoom is, dat de massa vormt. Toen de kwantisering van energie en de posities van elektronen in de baan van een atoom goed werden begrepen, werd het tijd om te begrijpende aard van de atoomkern. De ingenieuze en onverwacht ontdekte radioactiviteit kwam te hulp. Het hielp om de essentie van het zware centrale deel van het atoom te onthullen, aangezien de bron van radioactiviteit kernsplijting is. Aan het begin van de negentiende en twintigste eeuw regenden de ene na de andere ontdekkingen. De theoretische oplossing van één probleem vereiste nieuwe experimenten. De resultaten van de experimenten gaven aanleiding tot theorieën en hypothesen die bevestigd of weerlegd moesten worden. Vaak zijn de grootste ontdekkingen tot stand gekomen simpelweg omdat de formule zo gemakkelijk te berekenen is geworden (zoals bijvoorbeeld het kwantum van Max Planck). Zelfs aan het begin van het fotografietijdperk wisten wetenschappers dat uraniumzouten een lichtgevoelige film verlichten, maar ze vermoedden niet dat kernsplijting aan de basis van dit fenomeen lag. Daarom werd radioactiviteit bestudeerd om de aard van nucleair verval te begrijpen. Uiteraard werd de straling gegenereerd door kwantumovergangen, maar het was niet helemaal duidelijk welke. De Curies hebben puur radium en polonium gewonnen, bijna met de hand in uraniumerts, om deze vraag te beantwoorden.
De lading van radioactieve straling
Rutherford heeft veel gedaan om de structuur van het atoom te bestuderen en heeft bijgedragen aan de studie van hoe de splitsing van de atoomkern plaatsvindt. De wetenschapper plaatste de straling van een radioactief element in een magnetisch veld en kreeg een verbluffend resultaat. Het bleek dat straling uit drie componenten bestaat: de ene was neutraal en de andere twee waren positief en negatief geladen. De studie van kernsplijting begon met de definitie van zijncomponenten. Het is bewezen dat de kern kan delen, een deel van zijn positieve lading kan afstaan.
Structuur van de kern
Later bleek dat de atoomkern niet alleen uit positief geladen deeltjes van protonen bestaat, maar ook uit neutrale deeltjes van neutronen. Samen worden ze nucleonen genoemd (van het Engelse "nucleus", de kern). Wetenschappers kwamen echter opnieuw een probleem tegen: de massa van de kern (dat wil zeggen het aantal nucleonen) kwam niet altijd overeen met zijn lading. In waterstof heeft de kern een lading van +1, en de massa kan drie, twee en één zijn. Helium, het volgende in het periodiek systeem, heeft een kernlading van +2, terwijl de kern 4 tot 6 nucleonen bevat. Complexere elementen kunnen veel meer verschillende massa's hebben voor dezelfde lading. Dergelijke variaties van atomen worden isotopen genoemd. Bovendien bleken sommige isotopen vrij stabiel te zijn, terwijl andere snel vervielen, aangezien ze werden gekenmerkt door kernsplijting. Welk principe kwam overeen met het aantal nucleonen van de stabiliteit van kernen? Waarom leidde de toevoeging van slechts één neutron aan een zware en vrij stabiele kern tot de splitsing ervan, tot het vrijkomen van radioactiviteit? Vreemd genoeg is het antwoord op deze belangrijke vraag nog niet gevonden. Empirisch bleek dat stabiele configuraties van atoomkernen overeenkomen met bepaalde hoeveelheden protonen en neutronen. Als er 2, 4, 8, 50 neutronen en/of protonen in de kern zitten, dan is de kern zeker stabiel. Deze getallen worden zelfs magie genoemd (en volwassen wetenschappers, kernfysici, noemden ze zo). De splitsing van kernen hangt dus af van hun massa, dat wil zeggen van het aantal nucleonen dat erin zit.
Drop, schelp, kristal
Het was op dit moment niet mogelijk om de factor te bepalen die verantwoordelijk is voor de stabiliteit van de kern. Er zijn veel theorieën over het model van de structuur van het atoom. De drie meest bekende en ontwikkelde spreken elkaar vaak tegen op verschillende punten. Volgens de eerste is de kern een druppel van een speciale nucleaire vloeistof. Net als water wordt het gekenmerkt door vloeibaarheid, oppervlaktespanning, samensmelting en verval. In het schaalmodel zijn er ook bepaalde energieniveaus in de kern, die gevuld zijn met nucleonen. De derde stelt dat de kern een medium is dat speciale golven kan breken (de Broglie), terwijl de brekingsindex potentiële energie is. Er is echter nog geen enkel model in staat geweest om volledig te beschrijven waarom, bij een bepaalde kritische massa van dit specifieke chemische element, kernsplijting begint.
Hoe scheidingen zijn
Radioactiviteit, zoals hierboven vermeld, werd gevonden in stoffen die in de natuur voorkomen: uranium, polonium, radium. Zo is vers gewonnen, puur uranium radioactief. Het splitsingsproces zal in dit geval spontaan zijn. Zonder externe invloeden zal een bepaald aantal uraniumatomen alfadeeltjes uitzenden, die spontaan in thorium worden omgezet. Er is een indicator die de halfwaardetijd wordt genoemd. Het laat zien voor welke tijdsperiode van het beginnummer van het deel ongeveer de helft zal overblijven. Voor elk radioactief element is de halfwaardetijd anders - van fracties van een seconde voor Californië tothonderdduizenden jaren voor uranium en cesium. Maar er is ook geforceerde radioactiviteit. Als de kernen van atomen worden gebombardeerd met protonen of alfadeeltjes (heliumkernen) met hoge kinetische energie, kunnen ze "splitsen". Het mechanisme van transformatie is natuurlijk anders dan hoe moeders favoriete vaas wordt gebroken. Er is echter een zekere analogie.
Atoomenergie
Tot nu toe hebben we geen praktische vraag beantwoord: waar komt de energie vandaan tijdens kernsplijting. Om te beginnen moet worden verduidelijkt dat tijdens de vorming van een kern speciale kernkrachten optreden, die de sterke interactie worden genoemd. Omdat de kern uit veel positieve protonen bestaat, blijft het de vraag hoe ze aan elkaar plakken, want de elektrostatische krachten moeten ze vrij sterk van elkaar wegduwen. Het antwoord is zowel eenvoudig als niet tegelijkertijd: de kern wordt bij elkaar gehouden door een zeer snelle uitwisseling tussen nucleonen van speciale deeltjes - pi-mesonen. Deze verbinding leeft ongelooflijk kort. Zodra de uitwisseling van pi-mesonen stopt, verv alt de kern. Het is ook met zekerheid bekend dat de massa van een kern kleiner is dan de som van alle samenstellende nucleonen. Dit fenomeen wordt het massadefect genoemd. In feite is de ontbrekende massa de energie die wordt besteed aan het behoud van de integriteit van de kern. Zodra een deel van de kern van een atoom wordt gescheiden, komt deze energie vrij en wordt in kerncentrales omgezet in warmte. Dat wil zeggen, de energie van kernsplijting is een duidelijke demonstratie van de beroemde Einstein-formule. Bedenk dat de formule zegt: energie en massa kunnen in elkaar veranderen (E=mc2).
Theorie en praktijk
Nu zullen we je vertellen hoe deze puur theoretische ontdekking in het leven wordt gebruikt om gigawatt aan elektriciteit te produceren. Ten eerste moet worden opgemerkt dat gecontroleerde reacties geforceerde kernsplijting gebruiken. Meestal is het uranium of polonium, dat wordt gebombardeerd door snelle neutronen. Ten tweede is het onmogelijk om niet te begrijpen dat kernsplijting gepaard gaat met de creatie van nieuwe neutronen. Hierdoor kan het aantal neutronen in de reactiezone zeer snel toenemen. Elk neutron botst met nieuwe, nog intacte kernen, splitst ze, wat leidt tot een toename van de warmteafgifte. Dit is de kettingreactie van kernsplijting. Een ongecontroleerde toename van het aantal neutronen in een reactor kan leiden tot een explosie. Dit is precies wat er in 1986 gebeurde in de kerncentrale van Tsjernobyl. Daarom is er in de reactiezone altijd een stof die overtollige neutronen absorbeert, waardoor een catastrofe wordt voorkomen. Het is grafiet in de vorm van lange staven. De snelheid van kernsplijting kan worden vertraagd door de staven onder te dompelen in de reactiezone. De kernreactievergelijking is specifiek samengesteld voor elke actieve radioactieve stof en de deeltjes die deze bombarderen (elektronen, protonen, alfadeeltjes). De uiteindelijke energie-output wordt echter berekend volgens de behoudswet: E1+E2=E3+E4. Dat wil zeggen, de totale energie van de oorspronkelijke kern en het deeltje (E1 + E2) moet gelijk zijn aan de energie van de resulterende kern en de energie die vrijkomt in vrije vorm (E3 + E4). De kernreactievergelijking laat ook zien wat voor soort stof wordt verkregen als gevolg van verval. Bijvoorbeeld voor uranium U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. De isotopen van de elementen worden hier niet vermeld.dit is echter belangrijk. Zo zijn er maar liefst drie mogelijkheden voor de splijting van uranium, waarbij verschillende isotopen van lood en neon worden gevormd. In bijna honderd procent van de gevallen produceert de kernsplijtingsreactie radioactieve isotopen. Dat wil zeggen, het verval van uranium produceert radioactief thorium. Thorium kan vervallen tot protactinium, dat tot actinium, enzovoort. Zowel bismut als titanium kunnen in deze serie radioactief zijn. Zelfs waterstof, dat twee protonen in de kern bevat (met een snelheid van één proton), wordt anders genoemd - deuterium. Water dat met dergelijke waterstof wordt gevormd, wordt zwaar water genoemd en vult het primaire circuit in kernreactoren.
Onvredig atoom
Uitdrukkingen als "wapenwedloop", "koude oorlog", "nucleaire dreiging" kunnen historisch en irrelevant lijken voor een modern persoon. Maar ooit ging bijna overal ter wereld elk nieuwsbericht vergezeld van berichten over hoeveel soorten kernwapens werden uitgevonden en hoe ermee om te gaan. Mensen bouwden ondergrondse bunkers en sloegen voorraden aan voor het geval van een nucleaire winter. Hele families werkten aan de bouw van het onderkomen. Zelfs het vreedzame gebruik van kernsplijtingsreacties kan tot rampen leiden. Het lijkt erop dat Tsjernobyl de mensheid heeft geleerd voorzichtig te zijn in dit gebied, maar de elementen van de planeet bleken sterker: de aardbeving in Japan beschadigde de zeer betrouwbare vestingwerken van de kerncentrale van Fukushima. De energie van een kernreactie is veel gemakkelijker te gebruiken voor vernietiging. Technologen hoeven alleen de kracht van de explosie te beperken, om niet per ongeluk de hele planeet te vernietigen. De meest "humane" bommen, als je ze zo mag noemen, vervuilen de omgeving niet met straling. Over het algemeen gebruiken ze het vaakstongecontroleerde kettingreactie. Wat ze bij kerncentrales met alle middelen proberen te vermijden, wordt op een zeer primitieve manier bereikt in bommen. Voor elk natuurlijk radioactief element is er een bepaalde kritische massa zuivere stof waarin vanzelf een kettingreactie ontstaat. Voor uranium is dat bijvoorbeeld maar vijftig kilogram. Omdat uranium erg zwaar is, is het slechts een kleine metalen bal met een diameter van 12-15 centimeter. De eerste atoombommen die op Hiroshima en Nagasaki werden gegooid, werden precies volgens dit principe gemaakt: twee ongelijke delen puur uranium werden eenvoudig gecombineerd en veroorzaakten een angstaanjagende explosie. Moderne wapens zijn waarschijnlijk geavanceerder. Men mag echter de kritische massa niet vergeten: er moeten barrières zijn tussen kleine hoeveelheden zuiver radioactief materiaal tijdens opslag, zodat de onderdelen niet met elkaar kunnen verbinden.
Stralingsbronnen
Alle elementen met een nucleaire lading van meer dan 82 zijn radioactief. Bijna alle lichtere chemische elementen hebben radioactieve isotopen. Hoe zwaarder de kern, hoe korter de levensduur. Sommige elementen (zoals Californië) kunnen alleen kunstmatig worden verkregen - door zware atomen te laten botsen met lichtere deeltjes, meestal in versnellers. Omdat ze erg onstabiel zijn, bestaan ze niet in de aardkorst: tijdens de vorming van de planeet vielen ze heel snel uiteen in andere elementen. Stoffen met lichtere kernen, zoals uranium, kunnen worden gewonnen. Dit proces is lang, uranium dat geschikt is voor winning, zelfs in zeer rijke ertsen, bevat minder dan één procent. derde weg,geeft misschien aan dat er al een nieuw geologisch tijdperk is begonnen. Dit is de winning van radioactieve elementen uit radioactief afval. Nadat brandstof is verbruikt in een energiecentrale, op een onderzeeër of vliegdekschip, wordt een mengsel verkregen van het oorspronkelijke uranium en de uiteindelijke substantie, het resultaat van splijting. Op dit moment wordt dit beschouwd als vast radioactief afval en is er een acute vraag hoe ze moeten worden verwijderd zodat ze het milieu niet vervuilen. Het is echter waarschijnlijk dat in de nabije toekomst kant-en-klare geconcentreerde radioactieve stoffen (bijvoorbeeld polonium) uit dit afval zullen worden gewonnen.
