Článok hovorí o tom, čo je jadrové štiepenie, ako bol tento proces objavený a opísaný. Jeho využitie ako zdroja energie a jadrových zbraní je odhalené.
"Nedeliteľný" atóm
Dvadsiate prvé storočie je plné výrazov ako „energia atómu“, „jadrová technológia“, „rádioaktívny odpad“. Tu a tam sa v novinových titulkoch objavia správy o možnosti rádioaktívnej kontaminácie pôdy, oceánov a ľadu Antarktídy. Bežný človek však často nemá veľmi dobrú predstavu o tom, čo je táto oblasť vedy a ako pomáha v každodennom živote. Možno stojí za to začať históriou. Už od prvej otázky, ktorú položil dobre najedený a oblečený človek, ho zaujímalo, ako funguje svet. Ako oko vidí, prečo ucho počuje, ako sa voda líši od kameňa - to znepokojovalo múdrych mužov od nepamäti. Dokonca aj v starovekej Indii a Grécku niektoré zvedavé mysle navrhli, že existuje minimálna častica (nazývaná tiež „nedeliteľná“), ktorá má vlastnosti materiálu. Stredovekí chemici potvrdili dohad mudrcov a moderná definícia atómu znie takto: atóm je najmenšia častica látky, ktorá je nositeľom jej vlastností.
Časti atómu
Vývoj technológie (vnajmä fotografia) viedla k tomu, že atóm už nie je považovaný za najmenšiu možnú časticu hmoty. A hoci je jeden atóm elektricky neutrálny, vedci rýchlo zistili, že pozostáva z dvoch častí s rôznym nábojom. Počet kladne nabitých častí kompenzuje počet záporných, takže atóm zostáva neutrálny. Jednoznačný model atómu však neexistoval. Keďže klasická fyzika v tom období stále dominovala, vznikli rôzne predpoklady.
modely Atom
Najprv bol navrhnutý model „hrozienkovej rolky“. Pozitívny náboj takpovediac vyplnil celý priestor atómu a negatívne náboje sa v ňom rozložili ako hrozienka v žemli. Slávny experiment Rutherforda určil nasledovné: veľmi ťažký prvok s kladným nábojom (jadro) sa nachádza v strede atómu a okolo sú oveľa ľahšie elektróny. Hmotnosť jadra je stokrát ťažšia ako súčet všetkých elektrónov (je to 99,9 percenta hmotnosti celého atómu). Tak sa zrodil Bohrov planetárny model atómu. Niektoré jeho prvky však odporovali vtedy akceptovanej klasickej fyzike. Preto bola vyvinutá nová, kvantová mechanika. Jeho zjavom sa začalo neklasické obdobie vedy.
Atóm a rádioaktivita
Z vyššie uvedeného vyplýva, že jadro je ťažká, kladne nabitá časť atómu, ktorá tvorí jeho objem. Keď bolo kvantovanie energie a polohy elektrónov na obežnej dráhe atómu dobre pochopené, nastal čas porozumieťpovaha atómového jadra. Na pomoc prišla dômyselná a nečakane objavená rádioaktivita. Pomohlo to odhaliť podstatu ťažkej centrálnej časti atómu, keďže zdrojom rádioaktivity je jadrové štiepenie. Na prelome 19. a 20. storočia pršali objavy jeden za druhým. Teoretické riešenie jedného problému si vyžiadalo nové experimenty. Výsledky experimentov dali vzniknúť teóriám a hypotézam, ktoré bolo potrebné potvrdiť alebo vyvrátiť. Najväčšie objavy sa často uskutočnili jednoducho preto, že sa vzorec dal ľahko vypočítať (ako napríklad kvantum Maxa Plancka). Už na začiatku éry fotografie vedci vedeli, že uránové soli osvetľujú fotocitlivý film, ale netušili, že základom tohto javu je jadrové štiepenie. Preto sa skúmala rádioaktivita, aby sa pochopila povaha jadrového rozpadu. Je zrejmé, že žiarenie bolo generované kvantovými prechodmi, ale nebolo úplne jasné, ktoré. Curieovci ťažili čisté rádium a polónium, takmer ručne pracovali v uránovej rude, aby odpovedali na túto otázku.
Náboj rádioaktívneho žiarenia
Rutherford urobil veľa pre štúdium štruktúry atómu a prispel k štúdiu toho, ako dochádza k štiepeniu jadra atómu. Vedec umiestnil žiarenie vyžarované rádioaktívnym prvkom do magnetického poľa a získal úžasný výsledok. Ukázalo sa, že žiarenie pozostáva z troch zložiek: jedna bola neutrálna a ďalšie dve boli kladne a záporne nabité. Štúdium jadrového štiepenia začalo jeho definícioukomponentov. Bolo dokázané, že jadro sa môže rozdeliť, odovzdať časť svojho kladného náboja.
Štruktúra jadra
Neskôr sa ukázalo, že atómové jadro pozostáva nielen z kladne nabitých častíc protónov, ale aj z neutrálnych častíc neutrónov. Spolu sa nazývajú nukleóny (z anglického "nucleus", jadro). Vedci však opäť narazili na problém: hmotnosť jadra (teda počet nukleónov) nie vždy zodpovedala jeho náboju. Vo vodíku má jadro náboj +1 a hmotnosť môže byť tri, dva a jedna. Hélium ďalšie v periodickej tabuľke má jadrový náboj +2, pričom jeho jadro obsahuje 4 až 6 nukleónov. Zložitejšie prvky môžu mať pri rovnakom náboji oveľa viac rôznych hmotností. Takéto variácie atómov sa nazývajú izotopy. Okrem toho sa niektoré izotopy ukázali ako celkom stabilné, zatiaľ čo iné sa rýchlo rozpadli, pretože sa vyznačovali jadrovým štiepením. Aký princíp zodpovedal počtu nukleónov stability jadier? Prečo pridanie len jedného neutrónu k ťažkému a celkom stabilnému jadru viedlo k jeho rozštiepeniu, k uvoľneniu rádioaktivity? Napodiv, odpoveď na túto dôležitú otázku ešte nebola nájdená. Empiricky sa ukázalo, že stabilné konfigurácie atómových jadier zodpovedajú určitému množstvu protónov a neutrónov. Ak je v jadre 2, 4, 8, 50 neutrónov a/alebo protónov, tak jadro bude určite stabilné. Tieto čísla sa dokonca nazývajú mágia (a dospelí vedci, jadroví fyzici ich tak nazývali). Štiepenie jadier teda závisí od ich hmotnosti, teda od počtu nukleónov v nich obsiahnutých.
Kvapka, škrupina, kryštál
V súčasnosti nebolo možné určiť faktor, ktorý je zodpovedný za stabilitu jadra. Existuje mnoho teórií modelu štruktúry atómu. Tri najznámejšie a najrozvinutejšie si často protirečia v rôznych otázkach. Podľa prvej je jadro kvapkou špeciálnej jadrovej kvapaliny. Podobne ako voda sa vyznačuje tekutosťou, povrchovým napätím, koalescenciou a rozpadom. V škrupinovom modeli existujú aj určité energetické hladiny v jadre, ktoré sú vyplnené nukleónmi. Tretia uvádza, že jadro je médium, ktoré je schopné lámať špeciálne vlny (de Broglie), pričom index lomu je potenciálna energia. Žiadny model však zatiaľ nedokázal úplne opísať, prečo pri určitom kritickom množstve tohto konkrétneho chemického prvku začína jadrové štiepenie.
Aké sú rozchody
Rádioaktivita, ako bolo uvedené vyššie, bola zistená v látkach, ktoré sa nachádzajú v prírode: urán, polónium, rádium. Napríklad čerstvo vyťažený čistý urán je rádioaktívny. Proces štiepenia v tomto prípade bude spontánny. Bez akýchkoľvek vonkajších vplyvov bude určitý počet atómov uránu emitovať častice alfa, ktoré sa spontánne premenia na tórium. Existuje indikátor nazývaný polčas rozpadu. Ukazuje, aké časové obdobie z počiatočného čísla časti zostane približne polovica. Pre každý rádioaktívny prvok je polčas rozpadu odlišný - od zlomkov sekundy pre Kaliforniu až postátisíce rokov pre urán a cézium. Existuje však aj nútená rádioaktivita. Ak sú jadrá atómov bombardované protónmi alebo časticami alfa (jadrá hélia) s vysokou kinetickou energiou, môžu sa „rozdeliť“. Mechanizmus premeny sa samozrejme líši od toho, ako sa rozbije obľúbená váza matky. Existuje však určitá analógia.
Atom Energy
Doteraz sme neodpovedali na praktickú otázku: odkiaľ sa berie energia pri štiepení jadra. Na začiatok je potrebné objasniť, že pri tvorbe jadra pôsobia špeciálne jadrové sily, ktoré sa nazývajú silná interakcia. Keďže jadro pozostáva z mnohých kladných protónov, otázkou zostáva, ako sa zlepia, pretože elektrostatické sily ich musia od seba dosť silne odtláčať. Odpoveď je jednoduchá a nie súčasne: jadro drží pohromade veľmi rýchla výmena medzi nukleónmi špeciálnych častíc – pi-mezónov. Toto spojenie trvá neuveriteľne krátko. Akonáhle sa výmena pí-mezónov zastaví, jadro sa rozpadne. Je tiež s istotou známe, že hmotnosť jadra je menšia ako súčet všetkých nukleónov, ktoré ho tvoria. Tento jav sa nazýva hromadný defekt. Chýbajúca hmota je v skutočnosti energia, ktorá sa vynakladá na udržanie integrity jadra. Akonáhle sa nejaká časť oddelí od jadra atómu, táto energia sa uvoľní a premení v jadrových elektrárňach na teplo. To znamená, že energia jadrového štiepenia je jasnou ukážkou slávneho Einsteinovho vzorca. Pripomeňme, že vzorec hovorí: energia a hmotnosť sa môžu navzájom premeniť (E=mc2).
Teória a prax
Teraz vám povieme, ako sa tento čisto teoretický objav používa v živote na výrobu gigawattov elektriny. Po prvé, treba poznamenať, že riadené reakcie využívajú nútené jadrové štiepenie. Najčastejšie ide o urán alebo polónium, ktoré je bombardované rýchlymi neutrónmi. Po druhé, nie je možné nepochopiť, že jadrové štiepenie je sprevádzané tvorbou nových neutrónov. V dôsledku toho sa počet neutrónov v reakčnej zóne môže veľmi rýchlo zvýšiť. Každý neutrón sa zrazí s novými, ešte neporušenými jadrami, rozdelí ich, čo vedie k zvýšeniu uvoľňovania tepla. Toto je reťazová reakcia jadrového štiepenia. Nekontrolované zvýšenie počtu neutrónov v reaktore môže viesť k výbuchu. Presne to sa stalo v roku 1986 v jadrovej elektrárni v Černobyle. Preto je v reakčnej zóne vždy látka, ktorá absorbuje prebytočné neutróny, čím zabraňuje katastrofe. Je to grafit vo forme dlhých tyčiniek. Rýchlosť jadrového štiepenia možno spomaliť ponorením tyčí do reakčnej zóny. Rovnica jadrovej reakcie je zostavená špeciálne pre každú aktívnu rádioaktívnu látku a častice, ktoré ju bombardujú (elektróny, protóny, častice alfa). Konečný energetický výdaj sa však vypočíta podľa zákona zachovania: E1+E2=E3+E4. To znamená, že celková energia pôvodného jadra a častice (E1 + E2) sa musí rovnať energii výsledného jadra a energii uvoľnenej vo voľnej forme (E3 + E4). Rovnica jadrovej reakcie tiež ukazuje, aký druh látky sa získa v dôsledku rozpadu. Napríklad pre urán U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Izotopy prvkov tu nie sú uvedené.toto je však dôležité. Napríklad pri štiepení uránu existujú až tri možnosti, pri ktorých vznikajú rôzne izotopy olova a neónu. V takmer sto percentách prípadov jadrová štiepna reakcia produkuje rádioaktívne izotopy. To znamená, že rozpadom uránu vzniká rádioaktívne tórium. Tórium sa môže rozpadnúť na protaktínium, to na aktínium atď. Bizmut aj titán môžu byť v tejto sérii rádioaktívne. Aj vodík, ktorý obsahuje v jadre dva protóny (v rýchlosti jeden protón), sa nazýva inak – deutérium. Voda vytvorená s takýmto vodíkom sa nazýva ťažká voda a plní primárny okruh v jadrových reaktoroch.
Nepokojný atóm
Výrazy ako „preteky v zbrojení“, „studená vojna“, „nukleárna hrozba“sa môžu modernému človeku zdať historické a irelevantné. Kedysi však každú tlačovú správu takmer po celom svete sprevádzali správy o tom, koľko druhov jadrových zbraní bolo vynájdených a ako s nimi zaobchádzať. Ľudia si stavali podzemné bunkre a robili zásoby pre prípad jadrovej zimy. Na stavbe útulku pracovali celé rodiny. Dokonca aj mierové využitie reakcií jadrového štiepenia môže viesť ku katastrofe. Zdalo by sa, že Černobyľ naučil ľudstvo byť v tejto oblasti opatrní, ale prvky planéty sa ukázali byť silnejšie: zemetrasenie v Japonsku poškodilo veľmi spoľahlivé opevnenie jadrovej elektrárne Fukušima. Energiu jadrovej reakcie je oveľa jednoduchšie využiť na zničenie. Technológom stačí obmedziť silu výbuchu, aby náhodou nezničili celú planétu. Tie „najhumánnejšie“bomby, ak sa to tak dá nazvať, neznečisťujú okolie radiáciou. Vo všeobecnosti najčastejšie používajúnekontrolovaná reťazová reakcia. To, čomu sa v jadrových elektrárňach snažia všetkými prostriedkami vyhnúť, sa v bombách dosahuje veľmi primitívnym spôsobom. Pre každý prirodzene rádioaktívny prvok existuje určité kritické množstvo čistej látky, v ktorej sa sama zrodí reťazová reakcia. Napríklad pri uráne je to len päťdesiat kilogramov. Keďže urán je veľmi ťažký, je to len malá kovová gulička s priemerom 12-15 centimetrov. Prvé atómové bomby zhodené na Hirošimu a Nagasaki boli vyrobené presne podľa tohto princípu: dve nerovnaké časti čistého uránu sa jednoducho spojili a vytvorili desivý výbuch. Moderné zbrane sú pravdepodobne sofistikovanejšie. Netreba však zabúdať na kritické množstvo: medzi malými objemami čistého rádioaktívneho materiálu počas skladovania musia byť bariéry, ktoré bránia spájaniu častí.
Zdroje žiarenia
Všetky prvky s jadrovým nábojom vyšším ako 82 sú rádioaktívne. Takmer všetky ľahšie chemické prvky majú rádioaktívne izotopy. Čím je jadro ťažšie, tým je jeho životnosť kratšia. Niektoré prvky (napríklad Kalifornia) sa dajú získať len umelo – zrážkou ťažkých atómov s ľahšími časticami, najčastejšie v urýchľovačoch. Keďže sú veľmi nestabilné, v zemskej kôre neexistujú: počas formovania planéty sa veľmi rýchlo rozpadli na iné prvky. Ťažiť sa dajú látky s ľahšími jadrami, napríklad urán. Tento proces je dlhý, urán vhodný na ťažbu aj vo veľmi bohatých rudách obsahuje menej ako jedno percento. tretia cesta,možno naznačuje, že sa už začala nová geologická epocha. Ide o získavanie rádioaktívnych prvkov z rádioaktívneho odpadu. Po spotrebovaní paliva v elektrárni, na ponorke alebo lietadlovej lodi sa získa zmes pôvodného uránu a konečnej látky, výsledku štiepenia. Momentálne sa to považuje za pevný rádioaktívny odpad a je akútna otázka, ako s ním naložiť, aby neznečisťovali životné prostredie. Je však pravdepodobné, že v blízkej budúcnosti sa z týchto odpadov budú ťažiť hotové koncentrované rádioaktívne látky (napríklad polónium).
