Ділення ядер
Склад атомів
Атом складається з ядра та електронної оболонки. В електронному пакеті є негативно заряджені частинки - електрони. Ці частинки важливі в хімічних зв’язках. Вони притягуються до ядра атомів електричними силами, які набагато виразніше проявляються в мікрочастинках, ніж у макросвіті.
У ядрі є два найпоширеніші типи частинок. Позитивно заряджені протони мають протилежний заряд, як електрони в електронній оболонці. У більшості випадків атом повинен виглядати нейтральним, а це означає, що він має однакову кількість протонів та електронів. Друга частинка, яка зазвичай знаходиться в ядрі, - нейтрон. Нейтрони не мають заряду, тому вони не піддаються дії електричних сил. Вони трапляються в ядрі майже кожного елемента (виняток становить лише водень). Через те, що вони не піддаються дії електричних сил, вони можуть наближатися до ядра атома, не відштовхуючись. Коли вони наблизяться до ядра, вони будуть залучені до нього ядерними силами. Новоутворене ядро матиме ще один нуклон (нуклон - загальна назва частинки в ядрі).
Кількість протонів в ядрі записується числом протонів ВІД, кількість нейтронів за нейтронним числом N. Номер нуклона позначено A (сума чисел протонів та нейтронів). На мітці буде вказано цей елемент X він має A нуклони a ВІД протони (кількість нейтронів можна визначити шляхом віднімання ВІД від A).
Хімічні властивості елемента визначаються кількістю протонів (відповідно, електрони розміщуються на різних енергетичних рівнях навколо ядра і, таким чином, по-різному реагуватимуть з іншими елементами). Елементи не завжди мають постійну кількість нейтронів в ядрі. Елемент з певною кількістю нейтронів називається ізотопом. Є елементи, що трапляються в різних ізотопах. Наприклад, є три ізотопи водню: 1 протон, 1 протон і 1 нейтрон. Цей ізотоп ще називають важким воднем або дейтерієм (важкий через більшу кількість нуклонів - ізотоп має більшу масу). Існує також ізотоп водню з 1 протоном і 2 нейтронами, який називається тритієм. Цей ізотоп нестійкий, а це означає, що його ядро розпадається (змінюється) за винятком високоенергетичних частинок (про це пізніше).
Якби ми хотіли розділити різні ізотопи речовини, такі як водень та дейтерій, нам не допомогли б хімічні реакції, в яких два ізотопи поводяться однаково. Це можна зробити за допомогою фізичних методів, таких як використання різних ваг. Оскільки водень у газоподібному стані зустрічається відносно рідко, ми поставили б воду у центрифугу, в якій і водень, і дейтерій зв’язані з киснем. Важка вода (вода, яка дейтерирує мене замість водню) з часом потрапляє на край із сильними відцентровими силами.
Ядерна енергетика та ядерні сили
Хоча на перший погляд це може здатися не логічним, маса ядра в цілому завжди менша за суму мас протонів і нейтронів у ньому. Куди тоді поділася ця справа? Справа в тому, що для запобігання розпаду ядра через сили відштовхування між протонами потрібні додаткові сили. Їх називають ядерними. Вони можуть працювати лише на дуже короткій відстані, наприклад. Однак проти цих сил діють не лише міжпротонні сили. Частинки в ядрі рухаються дуже швидко (близько 0,2 швидкості світла). Висока швидкість означає високу кінетичну енергію частинок. Ці сили повинні бути тим більшими.
Для того, щоб ядро поділилося на окремі нуклони, нам потрібна енергія, яку ми повинні були б подавати до ядра. Чим більша ця енергія, тим важче розділити ядро на ВІД протони і N нейтрони. Ейнштейн виявив, що маса системи змінюється залежно від її енергії. Залежність втрати ваги системи від її енергії є прямою. Формула цієї залежності де різниця в масі (втрата ваги) - це маса відокремлених нуклонів мінус маса ядра, c є константою швидкості світла у вакуумі .
Зміна ваги Δm вона часто є незначно малою в макросвіті. Однак в атомних масштабах ця зміна є вимірною. Енергія не вимірюється (підраховується) в таких малих кількостях J(ouloch) ale v еВ (електрон-вольт). Перетворення між цими одиницями вимірювання становить .
Слід зазначити, що чим більше ваги ядра бракує, тим він більший (це випливає з формули), тим міцніші в ньому нуклони. Така енергія повинна подаватися для поділу ядра, але в той же час така енергія виділяється під час синтезу (приєднання) окремих нуклонів до даного ядра.
Наприклад, для ядра втрата ваги дорівнює (це константа маси), а отже, енергія зв’язку становить приблизно 93 МеВ (Мегаелектронвольт), що дуже близьке до експериментально виміряних значень (93.15 МеВ). Для ядра енергія зв'язку набагато вища (1800 МеВ), оскільки крім сили відштовхування між протонами, в ядрі є багато (238) швидко рухаються частинок, які сили намагаються утримувати там. При такій великій енергії зв’язку він важить на 1% менше.
Якщо ми хотіли розрахувати, яка енергія зв'язку в ядрі припадає на один нуклон, нам потрібно розділити ядра на масове число A (кількість нуклонів в ядрі). Енергія зв'язку на нуклон виражається формулою .
εj це не однаково для кожного ядра. Чим він більший, тим важче відщепити один або кілька нуклонів від ядра. Наприклад, значення εj для вуглецю є ε j = 7,68МеВ, для менше εj = 7,57 мев. Найвищий εj він має те, що робить його елементом з найбільш стабільним ядром, який ми знаємо. Щоб розщепити кожен нуклон, нам довелося б подавати до ядра 8,79МеВ. Ядро також дуже стабільне ( εj = 7,07МеВ ). Див. Малюнок 2.
Хоча ці значення здаються не надто великими, потрібно враховувати розмір атома. Коли серцевина важкого елемента розпадається на два легші ядра, різниця між загальним зв’язаним ядром ділення та отриманими ядрами вивільняється (близько 200МеВ). Чим більше ядер розпадеться таким чином, тим більше енергія, що генерується у різних формах, буде відбиватися в макросвіті.
Ділення ядер
Невдовзі після відкриття нейтрона виявилося, що він нейтральний. На речі, які не мають заряду, електричні сили не можуть впливати. Таким чином, нейтрон може наблизитися до ядра атома, щоб притягнути до нього ядерні сили. Таким чином, можна змінювати кількість ядер ядра і викликати ядерні реакції.
Одним із способів отримати нейтрон із речовини є скляна ампула з радіоактивним газом радоном та порошком берилію. Оскільки радон у флаконі нестійкий, його серцевина розпадається. Окрім іншого випромінювання, з ядра виходять α-частинки (ядра гелію). Ці частинки спричинять ядерну реакцію при зіткненні з ядрами берилію. Частинки α, які не реагують з ядрами берилію, зупиняються на склі. Однак скло не поглинає вивільнені нейтрони, які мають шанс потрапити в ядра інших елементів і викликати подальші ядерні реакції.
Якби ми занурили цю скляну ампулу у воду або важку воду, нейтрони, що вириваються, сповільнилися б, і ми мали б більше шансів потрапити в серцевину (вони, мабуть, відскочили б на високій швидкості), з якою вони могли б реагувати.
Нейтрони, що виділяються таким чином, можуть бути використані, наприклад, для бомбардування нестабільного ядра урану. Ядерна реакція, що відбувається, має кілька можливих продуктів, наприклад або
Утворені таким чином ядра є радіоактивними (нестійкими) і випромінюють частинки α (ядра гелію), β (електрони, можливо, позитрони) та γ (фотони високої енергії). Є більше реакцій, але більшість із них мають загальне виділення енергії близько 200МеВ (залежить від різниці в конкретних реакціях) та утворення додаткових нейтронів, здатних реагувати з іншими ядрами урану, з яких нейтрони знову вилітають. Це створює ланцюгову реакцію, де кількість реакцій, що відбуваються в секунду, постійно збільшується і виділяється все більше і більше енергії.
Використання ланцюгової реакції
Ланцюгова реакція характеризується збільшенням лавинного збільшення кількості нейтронів, що виділяються в секунду. В результаті збільшиться також кількість реакцій, що відбуваються в секунду, і енергія, що виділяється в секунду.
Наприклад, якби ми хотіли використовувати атомну енергію на електростанції, нам довелося б переконатися, що ні кількість реакцій в секунду не збільшується, ані зменшується. У міру збільшення швидкості реакції та ядер, що розщеплюються, було достатньо, енергія, що виділяється, почне перетворюватися на підвищення температури реактора. Він швидко зростав, а разом із ним і тиск у реакторі. З часом реактор вибухне. На щастя, ми можемо контролювати швидкість ядерної реакції, наприклад, гальмівними стержнями кадмію. Вони поглинули б більшість нейтронів, і реакція повернулася б до норм, які можна було б контролювати. Тепло реактора розсіюється водою, яка охолоджує реактор. Він обертається, як пара, виробляючи електричні турбіни.
Для ядерних бомб кількість реакцій в секунду повинна продовжувати зростати, поки тиск і температура не розірвуть бомбу і вона не вибухне. Щоб збільшити кількість реакцій, нам потрібно збільшити ймовірність попадання нейтрона в ядро. Ми можемо збільшити це, коли стискаємо ядерне паливо. Це можна зробити, наприклад, вибухом тротилу навколо урану. Під шаром урану знаходиться випромінювач нейтронів (також може використовуватися згадана ампула з радоном та берилієм). Хоча випромінювач нейтронів стимулював би ядерні реакції урану, якщо уран не стискається, ймовірність ланцюгової реакції низька. Ми можемо стиснути уран вибухом тротилу (або іншої хімічної вибухової речовини). У стисненому урані ймовірність ланцюгової реакції вже була б дуже великою, і бомба вибухнула б за частку секунди. До моменту вибуху бомби буде витрачено лише невеликий відсоток урану. Після вибуху реакція більше не протікає через майже нульову ймовірність ураження ядра нейтроном.
Як у реакторах, так і після вибуху ядерної бомби після реакції залишаються нестабільні ядра, які розкладаються і виділяють випромінювання α, β та γ випромінювання.
Радіоактивність
Природне випромінювання включає α, β і γ частинки. Α-частинки - ядра без електронів. Тож вони мають позитивний заряд вартості 2e (e є елементарним зарядом вартості 1602 * 10 -19 Куломбов).
Ми виділяємо 2 типи β-випромінювання. Залежно від того, чи це електрони, чи позитрони (позитрон - це частинка, яка має дуже схожі властивості з електроном, але має протилежний, позитивний заряд). Позитронне випромінювання є відносно рідкісним і відбувається лише тоді, коли протон переходить у нейтрон (що набагато рідше, ніж перетворення нейтрона в протон).
Γ-випромінювання не має заряду. Він представлений високоенергетичними фотонами (оскільки вони є лише фотонами) набагато більше 10кеВ.
Простіше кажучи, хоча α і β уповільнюються в речовинах, γ поглинається. Шар паперу достатній, щоб зупинити α-частинки, достатньо для β 1мм листовий метал (наприклад, алюміній). Гірше з гаммою. Проїхавши відстань d після проходження залишається лише половина небезпечних фотонів 2d залишиться лише половина половини, тобто чверть. Потім восьмий і так далі, завжди розділений на два.
Ми також могли захистити себе від α та β випромінювання електричним полем. Електричні сили відхиляли б усі заряджені частинки. Але це не спрацювало б на гаммі, яка не має заряду.