الانشطار النووي: عملية تقسيم النواة الذرية. ردود الفعل النووية

توضح المقالة كيف الانشطار النووي، وكيف تم اكتشاف هذه العملية ووصفها. وهو يكشف عن استخدامه كمصدر للطاقة والأسلحة النووية.

ذرة "غير قابلة للتجزئة"

والقرن الحادي والعشرين مليء بتعابير مثل "طاقة الذرة" و "التكنولوجيا النووية" و "النفايات المشعة". وتظهر عناوين الصحف من الآن فصاعدا رسائل عن إمكانية التلوث الإشعاعي للتربة والمحيطات وجليد القطب الجنوبي. ومع ذلك، فإن الشخص العادي في كثير من الأحيان لا يتصور جيدا جدا أي نوع من مجال العلم وكيف يساعد في الحياة اليومية. ومن الجدير بالبدء، ربما، مع التاريخ. من السؤال الأول الذي طرحه رجل ملبس جيدا، كان مهتما بكيفية عمل العالم. كما ترى العين، لماذا يسمع الأذن، من الماء يختلف عن الحجر - وهذا ما قلقة حكماء من البداية. مرة أخرى في الهند القديمة واليونان، بعض العقول فضولي افترض أن هناك جسيمات الحد الأدنى (كان يسمى أيضا "غير قابل للتجزئة") التي تمتلك خصائص المواد. وقد أكد الكيميائيون في العصور الوسطى تخمين الحكمة، والتعريف الحديث للذرة هو كما يلي: الذرة هي أصغر جسيمات للمادة التي هي حامل خصائصها.

أجزاء من الذرة

ومع ذلك، أدى تطوير التكنولوجيا (على وجه الخصوص، والتصوير الفوتوغرافي) إلى حقيقة أن الذرة لم تعد تعتبر أصغر جسيم ممكن من المادة. وعلى الرغم من أن الذرة الواحدة محايدة كهربائيا، إلا أن العلماء أدركوا بسرعة أنها تتكون من جزأين بتهم مختلفة. عدد الأجزاء المشحونة إيجابيا يعوض عن عدد من الجسيمات السلبية، وبالتالي فإن الذرة لا تزال محايدة. ولكن لم يكن هناك نموذج وحيد القيمة للذرة. ومنذ ذلك الوقت، لا تزال الهيمنة على الفيزياء الكلاسيكية، وضعت افتراضات مختلفة.

نماذج من الذرة

في البداية، تم اقتراح نموذج "الزبيب لفة". ويبدو أن الشحنة الموجبة تملأ المساحة الكاملة للذرة، وفيها مثل الزبيب في رغيف، تم توزيع رسوم سلبية. التجربة الشهيرة لروثرفورد حددت ما يلي: في وسط الذرة هو عنصر ثقيل جدا مع شحنة موجبة (النواة)، وحولها هناك الكثير من الإلكترونات أخف وزنا. كتلة النواة هي مئات المرات أثقل من مجموع كل الإلكترونات (وهي 99.9 في المئة من كتلة الذرة بأكملها). وهكذا، ولدت نموذج كوكبي من ذرة بوهر. ومع ذلك، فإن بعض عناصره تتناقض مع الفيزياء الكلاسيكية المقبولة في ذلك الوقت. لذلك، تم تطوير ميكانيكا الكم الجديدة. مع ظهورها، بدأت فترة غير كلاسيكي من العلم.

ذرة والإشعاع

من كل ما قيل أعلاه، يصبح من الواضح أن النواة هي جزء ثقيل، مشحون إيجابيا من الذرة، والتي تشكل الجزء الأكبر منها. عندما تمت دراسة كمية الطاقة ومواقع الإلكترونات في مدار الذرة بشكل جيد، فقد حان الوقت لفهم طبيعة النواة الذرية. إلى المساعدات جاء النشاط الإشعاعي بارعة وغير متوقعة مفتوحة. وساعد على الكشف عن جوهر الجزء المركزي الثقيل للذرة، لأن مصدر النشاط الإشعاعي هو انشطار النوى. في مطلع القرنين التاسع عشر والعشرين، انخفضت الاكتشافات واحدا تلو الآخر. الحل النظري لمشكلة واحدة تسبب الحاجة إلى وضع تجارب جديدة. نتائج التجارب ولدت النظريات والفرضيات التي تحتاج إلى تأكيد أو دحض. في كثير من الأحيان أكبر الاكتشافات ظهرت ببساطة لأنه كان بهذه الطريقة أن الصيغة أصبحت مريحة للحسابات (كما، على سبيل المثال، ماكس بلانك الكم). وحتى في بداية العصر، علم العلماء أن أملاح اليورانيوم ترسم فيلما حساسا للضوء، لكنها لم تشك في أن الانشطار النووي كان في صميم هذه الظاهرة. لذلك، تم دراسة النشاط الإشعاعي من أجل فهم طبيعة انحلال النواة. ومن الواضح أن الإشعاع قد تم توليده من خلال التحولات الكمومية، ولكن لم يكن واضحا تماما ما بالضبط. زوجين كوري الملغومة راديوم نظيفة والبولونيوم، وتجهيز تقريبا تقريبا خام اليورانيوم للحصول على إجابة على هذا السؤال.

تهمة الإشعاع الإشعاعي

وقد فعلت رثرفورد الكثير لدراسة هيكل الذرة وساهمت في دراسة كيفية انشطار النواة الذرية يحدث. وضع العالم الإشعاع المنبعث من العنصر المشع في مجال مغناطيسي وحصل على نتيجة مذهلة. اتضح أن الإشعاع يتكون من ثلاثة مكونات: واحد كان محايدا، واثنين آخرين - مشحونة إيجابيا وسلبا. بدأت دراسة الانشطار النووي مع تحديد مكوناته. وقد ثبت أن نواة يمكن تقسيم، وإعطاء بعض من تهمة إيجابية لها.

هيكل النواة

في وقت لاحق تبين أن النواة الذرية لا تتكون فقط من جزيئات مشحونة إيجابيا من البروتونات، ولكن أيضا جزيئات محايدة من النيوترونات. كل ذلك معا تسمى نوكليونس (من "النواة" الإنجليزية، النواة). ومع ذلك، جاء العلماء مرة أخرى عبر مشكلة: كتلة النواة (وهذا هو، عدد من النوكليونات) لا تتوافق دائما إلى تهمة لها. في الهيدروجين، نواة لديها تهمة +1، ويمكن أن تكون كتلة ثلاثة، واثنين، واحد. ويلي التهمة التالية تهمة نواة +2 في الجدول الدوري للهيليوم، في حين أن جوهره يحتوي على 4 إلى 6 نوكليونات. يمكن لعناصر أكثر تعقيدا أن يكون لها عدد أكبر بكثير من الجماهير المختلفة مع نفس التهمة. وتسمى هذه الاختلافات من الذرات نظائر. وقد ثبت أن بعض النظائر مستقرة تماما، في حين أن البعض الآخر تفكك بسرعة، لأن الانشطار النووي كان سمة بالنسبة لهم. إلى أي مبدأ كان عدد نوكليونات الاستقرار النووي يتوافق؟ لماذا كان إضافة نيوترون واحد فقط إلى نواة ثقيلة ومستقرة تماما أدى إلى انقسامها، إلى الإفراج عن النشاط الإشعاعي؟ ومن الغريب أن الإجابة على هذا السؤال الهام لم يتم العثور عليها بعد. وقد ثبت تجريبيا أن تكوينات مستقرة من نوى الذرية تتوافق مع كميات معينة من البروتونات والنيوترونات. إذا كان في النواة 2، 4، 8، 50 النيوترونات و / أو البروتونات، ثم النواة سوف تكون مستقرة بشكل لا لبس فيه. وتسمى هذه الأرقام حتى السحرية (وكان اسمه من قبل العلماء الكبار، والفيزيائيين النوويين). وبالتالي، انشطار نوى يعتمد على كتلتها، وهذا هو، على عدد من النوكليونات الدخول فيها.

قطرة، قذيفة، الكريستال

تحديد العامل المسؤول عن استقرار النواة، في الوقت الذي لم يكن ممكنا. هناك العديد من النظريات لنموذج هيكل الذرة. وغالبا ما تتناقض ثلاثة من أكثرها شهرة وتطورا مع بعضها البعض في مسائل مختلفة. وفقا لأول، نواة هو قطرة من السائل النووي خاص. مثل الماء، ويتميز سيولة، التوتر السطحي، والانصهار والانحلال. في نموذج قذيفة في جوهر، أيضا، هناك بعض مستويات الطاقة التي مليئة النوكليونات. التأكيد الثالث أن جوهر هو بيئة قادرة على انكسار موجات خاصة (دي بروجلي)، في حين أن معامل الانكسار هو الطاقة المحتملة. ومع ذلك، لم يكن هناك نموذج حتى الآن قادرا على وصف تماما لماذا، في كتلة حرجة معينة من هذا العنصر الكيميائي معين، يبدأ تقسيم النواة.

ما هو انهيار

وقد وجد النشاط الإشعاعي، كما ذكر أعلاه، في المواد التي يمكن العثور عليها في الطبيعة: اليورانيوم والبولونيوم والراديوم. فعلى سبيل المثال، يعتبر اليورانيوم النقي، الذي يتم استخراجه حديثا، مشعا. عملية التقسيم في هذه الحالة ستكون عفوية. وبدون أي تأثيرات خارجية، ينبعث عدد معين من ذرات اليورانيوم جزيئات ألفا تتحول تلقائيا إلى الثوريوم. هناك مؤشر يسمى نصف العمر. فإنه يدل على، ما الفاصل الزمني من العدد الأولي من جزء سيكون هناك ما يقرب من نصف. وبالنسبة لكل عنصر مشع، فإن نصف عمره ينتمي إلى كسور من الثانية إلى كاليفورنيا إلى مئات الآلاف من السنين بالنسبة لليورانيوم والسيزيوم. ولكن هناك أيضا النشاط الإشعاعي القسري. إذا تم قصف النوى الذرية مع البروتونات أو جسيمات ألفا (نوى الهيليوم) مع الطاقة الحركية العالية، فإنها يمكن أن "الانقسام". آلية التحول، بطبيعة الحال، تختلف عن كيفية كسر إناء الأم الحبيب. ومع ذلك، يتم تتبع بعض القياس.

طاقة الذرة

وحتى الآن لم نرد على السؤال العملي: أين تأخذ الطاقة انشطار النواة؟ في البداية، نحن بحاجة إلى توضيح أنه عندما تشكل النواة، تعمل القوات النووية الخاصة، والتي تسمى التفاعلات القوية. وبما أن النواة تتكون من مجموعة من البروتونات الإيجابية، يبقى السؤال عن كيفية التمسك معا، لأن القوى الكهروستاتيكية يجب أن تصدها بقوة من بعضها البعض. الجواب على حد سواء بسيطة وليس: يتم الاحتفاظ نواة على حساب تبادل سريع جدا بين النوكليونات من قبل الجسيمات الخاصة بي-ميسونس. هذا الاتصال يعيش قليلا بشكل لا يصدق. حالما يتم وقف تبادل بيونات، تتآكل نواة. ومن المعروف أيضا أن كتلة النواة أصغر من مجموع جميع نويليوناتها المكونة. كانت هذه الظاهرة تسمى عيب الجماهير. في الواقع، الكتلة المفقودة هي الطاقة التي تنفق على الحفاظ على سلامة جوهر. حالما يتم فصل جزء من نواة الذرة، يتم تحرير هذه الطاقة وتحويلها إلى حرارة في محطات الطاقة النووية. وهذا يعني أن طاقة الانشطار النووي هي عرض مرئي لمعادلة آينشتاين الشهيرة. أذكر، الصيغة تقول: الطاقة والكتلة يمكن تحويلها إلى بعضها البعض (E = ماك ² ).

النظرية والتطبيق

الآن دعونا نتحدث عن كيفية استخدام هذا الاكتشاف النظري البحت في الحياة لتوليد جيغاوات من الكهرباء. أولا، تجدر الإشارة إلى أنه في التفاعلات الخاضعة للرقابة، يتم استخدام الانشطار النووي القسري. في معظم الأحيان، هو اليورانيوم أو البولونيوم، الذي يقصفه النيوترونات السريعة. ثانيا، لا يمكن للمرء أن يفهم أن الانشطار من النوى يصاحبه إنشاء النيوترونات الجديدة. ونتيجة لذلك، فإن عدد النيوترونات في منطقة التفاعل يمكن أن ينمو بسرعة كبيرة. كل النيوترون يصطدم مع نواة جديدة، لا تزال كلها، ينقسم لهم، الأمر الذي يؤدي إلى زيادة في الإفراج عن الحرارة. هذا هو سلسلة من ردود الفعل من الانشطار النووي. ويمكن أن يؤدي النمو غير المنضبط في عدد النيوترونات في المفاعل إلى انفجار. وهذا ما حدث في عام 1986 في محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية. ولذلك، في منطقة التفاعل، هناك دائما مادة تمتص النيوترونات الزائدة، ومنع الكارثة. فمن الجرافيت في شكل قضبان طويلة. يمكن تباطؤ معدل الانشطار من نوى عن طريق غمر قضبان في منطقة التفاعل. يتم معادلة التفاعل النووي خصيصا لكل مادة مشعة نشطة وجزيئاتها قصفها (الإلكترونات والبروتونات وجسيمات ألفا). ومع ذلك، يتم حساب الناتج النهائي للطاقة وفقا لقانون الحفظ: E1 + E2 = E3 + E4. أي أن الطاقة الكلية للنواة الأولية والجسيم (E1 + E2) يجب أن تكون مساوية لطاقة النواة الناتجة والطاقة المحررة في الشكل الحر (E3 + E4). وتظهر معادلة التفاعل النووي أيضا ما هي المادة التي تنتج نتيجة لهذا الاضمحلال. على سبيل المثال، بالنسبة لليورانيوم U = ث + هي، U = ي + ن، U = هغ + مغ. لا يظهر نظائر العناصر الكيميائية، ولكن هذا أمر مهم. فعلى سبيل المثال، هناك ما يصل إلى ثلاثة احتمالات للانشطار من اليورانيوم، حيث تتشكل نظائر مختلفة من الرصاص والنيون. في ما يقرب من مئة في المئة من الحالات، فإن تفاعل الانشطار النووي ينتج النظائر المشعة. أي أن تسوس اليورانيوم ينتج ثوريوم مشع. الثوريوم هو قادر على حل بروتاكتينيوم، أن - أكتينيا، وهلم جرا. المشعة في هذه السلسلة يمكن أن يكون كل من البزموت والتيتانيوم. حتى الهيدروجين، الذي يحتوي على اثنين من البروتونات في النواة (بمعدل بروتون واحد)، ويسمى بشكل مختلف - الديوتريوم. ويسمى الماء الذي يتكون من مثل هذا الهيدروجين ثقيلا ويملأ الدائرة الأولى في المفاعلات النووية.

ذرة غير سلمية

ويمكن أن تبدو تعابير مثل "سباق التسلح"، "الحرب الباردة"، "التهديد النووي" للرجل المعاصر تبدو تاريخية وغير ذات صلة. ولكن في وقت واحد، كانت كل مسألة من الأخبار تقريبا في جميع أنحاء العالم مصحوبة بتقارير عن عدد أنواع الأسلحة النووية التي تم اختراعها وكيفية التعامل معها. قام الناس ببناء مخابئ تحت الأرض وصنعوا الإمدادات في حالة حدوث شتاء نووي. وعملت أسر بأكملها على إقامة اللجوء. وحتى الاستخدام السلمي لتفاعلات الانشطار النووي يمكن أن يؤدي إلى كارثة. ويبدو أن تشيرنوبيل علم الإنسانية الدقة في هذا المجال، ولكن عناصر الكوكب تبين أنها أقوى: فقد أصيب الزلزال في اليابان بأضرار بسبب التعزيز الموثوق به جدا لمحطة فوكوشيما للطاقة النووية. طاقة التفاعل النووي أسهل بكثير للاستخدام للتدمير. يحتاج علماء التكنولوجيا فقط الحد من قوة الانفجار، حتى لا تدمر الكوكب بأكمله عن غير قصد. إن معظم القنابل "الإنسانية"، إذا كان يمكن استدعاؤها، لا تلوث الحي بالإشعاع. بشكل عام، فإنها غالبا ما تستخدم تفاعل سلسلة غير المنضبط. إن ما يحاولون تجنبه في محطات الطاقة النووية يتعرض للقصف بطريقة بدائية جدا. بالنسبة لأي عنصر مشع طبيعيا، هناك بعض الكتلة الحرجة من المادة النقية التي يتم فيها توليد تفاعل السلسلة من تلقاء نفسها. بالنسبة لليورانيوم، على سبيل المثال، انها فقط 50 كيلوغراما. وبما أن اليورانيوم ثقيل جدا، فإنه ليس سوى كرة معدنية صغيرة 12-15 سم في القطر. وكانت أول قنابل ذرية أسقطت على هيروشيما وناغازاكي على وجه التحديد في هذا المبدأ: فقد تم ربط جزأين غير متساويين من اليورانيوم النقي، مما أدى إلى انفجار مرعب. وربما تكون الأسلحة الحديثة أكثر تعقيدا. ومع ذلك، لا ينبغي أن ننسى حول الكتلة الحرجة: بين كميات صغيرة من المواد المشعة نقية أثناء التخزين يجب أن يكون هناك حواجز التي لا تسمح للاتصال بالأجزاء.

مصادر الإشعاع

جميع العناصر مع نواة الذرية تهمة أكبر من 82 مشعة. تقريبا جميع العناصر الكيميائية أخف وزنا المشعة النظائر. أثقل جوهر، وأقل وقت حياتها. بعض العناصر (مثل كاليفورنيا) يمكن الحصول عليها بشكل اصطناعي فقط - عن طريق ضرب الذرات الثقيلة مع جزيئات أخف وزنا، في معظم الأحيان على مسرعات. وبما أنها غير مستقرة جدا، فإنها لا توجد في قشرة الأرض: عندما شكلت الكوكب، فإنها تفككت بسرعة إلى عناصر أخرى. ويمكن استخراج مواد ذات نوى أخف، مثل اليورانيوم. هذه العملية الطويلة، ومناسبة لتعدين اليورانيوم حتى في خامات غنية جدا، ويحتوي على أقل من واحد في المئة. والطريقة الثالثة ربما تشير إلى أن العصر الجيولوجي الجديد قد بدأ بالفعل. هذا هو استخراج العناصر المشعة من النفايات المشعة. بعد العمل على الوقود في محطة توليد الكهرباء، على الغواصة أو حاملة الطائرات، يتم الحصول على مزيج من اليورانيوم الأولي والمواد النهائية، نتيجة الانشطار. في الوقت الراهن تعتبر النفايات المشعة الصلبة، وهي مسألة ملحة كيفية التخلص منها بحيث لا تلوث البيئة. ومع ذلك، فمن المرجح أنه في المستقبل القريب سيتم استخراج المواد المشعة المركزة المعدة مسبقا (على سبيل المثال، البولونيوم) من هذه النفايات.