Straipsnyje pasakojama apie tai, kas yra branduolio dalijimasis, kaip šis procesas buvo atrastas ir aprašytas. Atskleidžiamas jo naudojimas kaip energijos š altinis ir branduoliniai ginklai.
„Nedalomas“atomas
Dvidešimt pirmame amžiuje gausu tokių posakių kaip „atomo energija“, „branduolinės technologijos“, „radioaktyviosios atliekos“. Retkarčiais laikraščių antraštėse pasirodo pranešimai apie Antarktidos dirvožemio, vandenynų, ledo radioaktyviosios taršos galimybę. Tačiau paprastas žmogus dažnai nelabai įsivaizduoja, kas yra ši mokslo sritis ir kaip ji padeda kasdieniame gyvenime. Galbūt verta pradėti nuo istorijos. Nuo pat pirmo klausimo, kurį uždavė gerai pavalgęs ir apsirengęs žmogus, jis domėjosi, kaip veikia pasaulis. Kaip akis mato, kodėl ausis girdi, kuo vanduo skiriasi nuo akmens – štai kas nuo neatmenamų laikų jaudino išminčius. Net senovės Indijoje ir Graikijoje kai kurie smalsūs protai teigė, kad yra minimali dalelė (ji taip pat buvo vadinama „nedaloma“), kuri turi medžiagos savybių. Viduramžių chemikai patvirtino išminčių spėjimą, o šiuolaikinis atomo apibrėžimas yra toks: atomas yra mažiausia medžiagos dalelė, kuri yra jos savybių nešėja.
Atomo dalys
Tačiau technologijų plėtra (inypač fotografija) lėmė tai, kad atomas nebėra laikomas mažiausia įmanoma materijos dalele. Ir nors vienas atomas yra elektriškai neutralus, mokslininkai greitai suprato, kad jis susideda iš dviejų dalių su skirtingais krūviais. Teigiamo krūvio dalių skaičius kompensuoja neigiamų skaičių, todėl atomas išlieka neutralus. Tačiau nebuvo vienareikšmio atomo modelio. Kadangi tuo laikotarpiu vis dar dominavo klasikinė fizika, buvo daromos įvairios prielaidos.
Atom modeliai
Iš pradžių buvo pasiūlytas „razinų ritinėlio“modelis. Teigiamas krūvis tarsi užpildė visą atomo erdvę, o neigiami krūviai joje pasiskirstė kaip razinos bandelėje. Garsusis Rutherfordo eksperimentas nustatė taip: atomo centre yra labai sunkus elementas su teigiamu krūviu (branduolys), o aplink yra daug lengvesni elektronai. Branduolio masė šimtus kartų sunkesnė už visų elektronų sumą (tai sudaro 99,9 proc. viso atomo masės). Taip gimė Bohro planetinis atomo modelis. Tačiau kai kurie jo elementai prieštaravo tuomet priimtai klasikinei fizikai. Todėl buvo sukurta nauja kvantinė mechanika. Su jo atsiradimu prasidėjo neklasikinis mokslo laikotarpis.
Atomas ir radioaktyvumas
Iš viso to, kas išdėstyta aukščiau, tampa aišku, kad branduolys yra sunki, teigiamai įkrauta atomo dalis, kuri sudaro jo didžiąją dalį. Kai buvo gerai suprantamas energijos kvantavimas ir elektronų padėtis atomo orbitoje, atėjo laikas suprastiatomo branduolio prigimtis. Į pagalbą atėjo išradingas ir netikėtai atrastas radioaktyvumas. Tai padėjo atskleisti sunkiosios centrinės atomo dalies esmę, nes radioaktyvumo š altinis yra branduolio dalijimasis. Devynioliktojo ir dvidešimtojo amžių sandūroje atradimai lijo vienas po kito. Vienos problemos teoriniam sprendimui prireikė naujų eksperimentų. Eksperimentų rezultatai sukėlė teorijas ir hipotezes, kurias reikėjo patvirtinti arba paneigti. Dažnai didžiausi atradimai atsiranda vien dėl to, kad taip formulę tapo lengva apskaičiuoti (kaip, pavyzdžiui, Maxo Plancko kvantas). Dar fotografijos eros pradžioje mokslininkai žinojo, kad urano druskos apšviečia šviesai jautrią plėvelę, tačiau neįtarė, kad branduolio dalijimasis yra šio reiškinio pagrindas. Todėl radioaktyvumas buvo tiriamas siekiant suprasti branduolio skilimo prigimtį. Akivaizdu, kad spinduliuotę generavo kvantiniai perėjimai, tačiau nebuvo iki galo aišku, kurie iš jų. Norėdami atsakyti į šį klausimą, Curie kasė gryną radį ir polonį, dirbdami beveik rankomis urano rūdoje.
Radioaktyviosios spinduliuotės krūvis
Rutherfordas daug nuveikė tyrinėdamas atomo struktūrą ir prisidėjo prie tyrimo, kaip vyksta atomo branduolio dalijimasis. Mokslininkas radioaktyvaus elemento skleidžiamą spinduliuotę patalpino į magnetinį lauką ir gavo nuostabų rezultatą. Paaiškėjo, kad spinduliuotė susideda iš trijų komponentų: vienas buvo neutralus, o kiti du – teigiamo ir neigiamo krūvio. Branduolio dalijimosi tyrimas prasidėjo nuo jo apibrėžimokomponentai. Buvo įrodyta, kad branduolys gali dalytis, atsisakyti dalies teigiamo krūvio.
Branduolių struktūra
Vėliau paaiškėjo, kad atomo branduolį sudaro ne tik teigiamai įkrautos protonų dalelės, bet ir neutralios neutronų dalelės. Kartu jie vadinami nukleonais (iš anglų kalbos „nucleus“, „nucleus“). Tačiau mokslininkai vėl susidūrė su problema: branduolio masė (tai yra nukleonų skaičius) ne visada atitiko jo krūvį. Vandenilyje branduolio krūvis yra +1, o masė gali būti ir trys, ir du, ir vienas. Kitas periodinėje lentelėje helio branduolinis krūvis yra +2, o jo branduolyje yra nuo 4 iki 6 nukleonų. Sudėtingesni elementai gali turėti daug daugiau skirtingų masių už tą patį krūvį. Tokios atomų variacijos vadinamos izotopais. Be to, kai kurie izotopai pasirodė gana stabilūs, o kiti greitai suskyla, nes jiems buvo būdingas branduolio dalijimasis. Koks principas atitiko branduolių stabilumo nukleonų skaičių? Kodėl tik vieną neutroną pridėjus prie sunkaus ir gana stabilaus branduolio jis suskilo, išsiskyrė radioaktyvumas? Kaip bebūtų keista, atsakymas į šį svarbų klausimą dar nerastas. Empiriškai paaiškėjo, kad stabilios atomų branduolių konfigūracijos atitinka tam tikrus protonų ir neutronų kiekius. Jei branduolyje yra 2, 4, 8, 50 neutronų ir/ar protonų, tai branduolys tikrai bus stabilus. Šie skaičiai netgi vadinami magija (taip juos vadino ir suaugę mokslininkai, branduolio fizikai). Taigi branduolių dalijimasis priklauso nuo jų masės, tai yra nuo juose esančių nukleonų skaičiaus.
Lašas, apvalkalas, krištolas
Šiuo metu nepavyko nustatyti veiksnio, kuris yra atsakingas už branduolio stabilumą. Yra daug atomo sandaros modelio teorijų. Trys garsiausi ir išvystyti dažnai prieštarauja vienas kitam įvairiais klausimais. Pagal pirmąjį branduolys yra specialaus branduolinio skysčio lašas. Kaip ir vanduo, jam būdingas sklandumas, paviršiaus įtempimas, susiliejimas ir skilimas. Apvalkalo modelyje taip pat yra tam tikri energijos lygiai branduolyje, kurie užpildyti nukleonais. Trečiasis teigia, kad šerdis yra terpė, galinti laužyti specialias bangas (de Broglie), o lūžio rodiklis yra potenciali energija. Tačiau joks modelis dar negali visiškai apibūdinti, kodėl, esant tam tikrai kritinei šio konkretaus cheminio elemento masei, prasideda branduolio dalijimasis.
Kokie yra išsiskyrimai
Radioaktyvumas, kaip minėta aukščiau, buvo rastas gamtoje esančiose medžiagose: urane, polonyje, ralyje. Pavyzdžiui, šviežiai iškastas grynas uranas yra radioaktyvus. Šiuo atveju padalijimo procesas bus spontaniškas. Be jokios išorinės įtakos tam tikras urano atomų skaičius išskirs alfa daleles, kurios savaime virsta toriu. Yra rodiklis, vadinamas pusinės eliminacijos laiku. Tai parodo, kiek laiko nuo pradinio dalies numerio liks maždaug pusė. Kiekvieno radioaktyvaus elemento pusinės eliminacijos laikas yra skirtingas – nuo Kalifornijos sekundės dalių ikišimtai tūkstančių metų uranui ir ceziui. Tačiau yra ir priverstinis radioaktyvumas. Jei atomų branduoliai yra bombarduojami protonais arba alfa dalelėmis (helio branduoliais), turinčiais didelę kinetinę energiją, jie gali „skilti“. Transformacijos mechanizmas, žinoma, skiriasi nuo to, kaip sulaužoma mamos mėgstama vaza. Tačiau yra tam tikra analogija.
Atominė energija
Kol kas neatsakėme į praktinį klausimą: iš kur branduolio dalijimosi metu gaunama energija. Pirmiausia reikia paaiškinti, kad formuojantis branduoliui veikia specialios branduolinės jėgos, kurios vadinamos stipriąja sąveika. Kadangi branduolį sudaro daug teigiamų protonų, lieka klausimas, kaip jie sulimpa, nes elektrostatinės jėgos turi juos gana stipriai atstumti vienas nuo kito. Atsakymas yra ir paprastas, ir ne tuo pačiu metu: branduolį kartu laiko labai greitas ypatingų dalelių – pi-mezonų – nukleonų mainai. Šis ryšys gyvuoja neįtikėtinai trumpai. Kai tik sustoja pi-mezonų mainai, branduolys suyra. Taip pat tikrai žinoma, kad branduolio masė yra mažesnė už visų jį sudarančių nukleonų sumą. Šis reiškinys vadinamas masiniu defektu. Tiesą sakant, trūkstama masė yra energija, kuri išleidžiama branduolio vientisumui palaikyti. Kai tik kokia nors dalis atsiskiria nuo atomo branduolio, ši energija išsiskiria ir paverčiama šiluma atominėse elektrinėse. Tai yra, branduolio dalijimosi energija yra aiškus garsiosios Einšteino formulės įrodymas. Prisiminkite, kad formulė sako: energija ir masė gali virsti viena į kitą (E=mc2).
Teorija ir praktika
Dabar papasakosime, kaip šis grynai teorinis atradimas naudojamas gyvenime gaminant gigavatus elektros energijos. Pirma, reikia pažymėti, kad kontroliuojamose reakcijose naudojamas priverstinis branduolio dalijimasis. Dažniausiai tai yra uranas arba polonis, kurį bombarduoja greitieji neutronai. Antra, neįmanoma nesuprasti, kad branduolio dalijimąsi lydi naujų neutronų susidarymas. Dėl to neutronų skaičius reakcijos zonoje gali labai greitai padidėti. Kiekvienas neutronas susiduria su naujais, dar nepažeistais branduoliais, juos suskaido, todėl padidėja šilumos išsiskyrimas. Tai yra branduolio dalijimosi grandininė reakcija. Nekontroliuojamas neutronų skaičiaus padidėjimas reaktoriuje gali sukelti sprogimą. Būtent taip atsitiko 1986 metais Černobylio atominėje elektrinėje. Todėl reakcijos zonoje visada yra medžiaga, kuri sugeria neutronų perteklių, užkertant kelią katastrofai. Tai ilgų strypų pavidalo grafitas. Branduolio dalijimosi greitį galima sulėtinti panardinant strypus į reakcijos zoną. Branduolinės reakcijos lygtis sudaroma konkrečiai kiekvienai aktyviajai radioaktyviajai medžiagai ir ją bombarduojančioms dalelėms (elektronams, protonams, alfa dalelėms). Tačiau galutinė energijos išeiga apskaičiuojama pagal tvermės dėsnį: E1+E2=E3+E4. Tai yra, bendra pradinio branduolio ir dalelės energija (E1 + E2) turi būti lygi gauto branduolio energijai ir energijai, išleistai laisva forma (E3 + E4). Branduolinės reakcijos lygtis taip pat parodo, kokia medžiaga gaunama skilimo metu. Pavyzdžiui, uranui U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Elementų izotopai čia nėra išvardyti.tačiau tai svarbu. Pavyzdžiui, yra net trys urano skilimo galimybės, kuriose susidaro skirtingi švino ir neono izotopai. Beveik šimtu procentų atvejų branduolio dalijimosi reakcijos metu susidaro radioaktyvūs izotopai. Tai reiškia, kad urano skilimo metu susidaro radioaktyvusis toris. Toris gali suirti į protaktiniją, iš jo į aktinį ir pan. Tiek bismutas, tiek titanas gali būti radioaktyvūs šioje serijoje. Netgi vandenilis, kurio branduolyje yra du protonai (vieno protono greičiu), vadinamas kitaip – deuteriu. Vanduo, susidarantis naudojant tokį vandenilį, vadinamas sunkiuoju vandeniu ir užpildo pirminę branduolinių reaktorių grandinę.
Netaikus atomas
Tokie posakiai kaip „ginklavimosi lenktynės“, „š altasis karas“, „branduolinė grėsmė“šiuolaikiniam žmogui gali atrodyti istoriniai ir nereikšmingi. Tačiau kažkada beveik visame pasaulyje kiekvieną spaudos pranešimą lydėjo pranešimai apie tai, kiek rūšių branduolinių ginklų buvo išrasta ir kaip su jais elgtis. Žmonės statė požeminius bunkerius ir kaupė atsargas atominės žiemos atveju. Prieglaudą statė ištisos šeimos. Netgi taikus branduolių dalijimosi reakcijų panaudojimas gali sukelti nelaimę. Atrodytų, Černobylis išmokė žmoniją būti atsargiems šioje srityje, tačiau planetos stichijos pasirodė stipresnės: žemės drebėjimas Japonijoje apgadino labai patikimus Fukušimos atominės elektrinės įtvirtinimus. Branduolinės reakcijos energiją daug lengviau panaudoti sunaikinimui. Technologams tereikia apriboti sprogimo jėgą, kad netyčia nebūtų sunaikinta visa planeta. Pačios „humaniškiausios“bombos, jei galima jas taip pavadinti, neteršia aplinkos radiacija. Apskritai jie dažniausiai naudojasinekontroliuojama grandininė reakcija. Tai, ko jie visais būdais stengiasi išvengti atominėse elektrinėse, bombose pasiekiama labai primityviai. Bet kuriam natūraliai radioaktyviam elementui yra tam tikra kritinė grynos medžiagos masė, kurioje grandininė reakcija gimsta savaime. Pavyzdžiui, uranui tai yra tik penkiasdešimt kilogramų. Kadangi uranas yra labai sunkus, tai tik mažas 12-15 centimetrų skersmens metalinis rutulys. Pirmosios atominės bombos, numestos ant Hirosimos ir Nagasakio, buvo pagamintos tiksliai pagal šį principą: dvi nelygios gryno urano dalys tiesiog susijungė ir sukėlė baisų sprogimą. Šiuolaikiniai ginklai tikriausiai yra sudėtingesni. Tačiau nereikėtų pamiršti apie kritinę masę: tarp nedidelių grynos radioaktyviosios medžiagos tūrių saugojimo metu turi būti barjerai, neleidžiantys dalims susijungti.
Radiacijos š altiniai
Visi elementai, kurių branduolinis krūvis didesnis nei 82, yra radioaktyvūs. Beveik visi lengvesni cheminiai elementai turi radioaktyviųjų izotopų. Kuo branduolys sunkesnis, tuo trumpesnis jo gyvavimo laikas. Kai kuriuos elementus (pavyzdžiui, Kaliforniją) galima gauti tik dirbtinai – sunkius atomus susidūrus su lengvesnėmis dalelėmis, dažniausiai greitintuvuose. Kadangi jie yra labai nestabilūs, žemės plutoje jų nėra: formuojantis planetai jie labai greitai suyra į kitus elementus. Medžiagos su lengvesniais branduoliais, pavyzdžiui, uranas, gali būti kasamos. Šis procesas yra ilgas, išgauti tinkamas uranas, net ir labai turtingose rūdose, turi mažiau nei vieną procentą. trečias būdas,galbūt rodo, kad jau prasidėjo nauja geologinė epocha. Tai radioaktyviųjų elementų gavyba iš radioaktyviųjų atliekų. Išleidus kurą elektrinėje, povandeniniame laive ar lėktuvnešyje, gaunamas pradinio urano ir galutinės medžiagos mišinys – dalijimosi rezultatas. Šiuo metu tai yra laikomos kietosiomis radioaktyviosiomis atliekomis ir kyla aštrus klausimas, kaip jas sutvarkyti, kad jos neterštų aplinkos. Tačiau tikėtina, kad artimiausiu metu iš šių atliekų bus išgaunamos paruoštos koncentruotos radioaktyviosios medžiagos (pavyzdžiui, polonis).
