Makala yanaeleza kuhusu mgawanyiko wa nyuklia ni nini, jinsi mchakato huu ulivyogunduliwa na kuelezewa. Matumizi yake kama chanzo cha nishati na silaha za nyuklia yamefichuliwa.
"Haigawanyiki" atomi
Karne ya ishirini na moja imejaa misemo kama vile "nishati ya atomu", "teknolojia ya nyuklia", "takataka ya mionzi". Kila mara katika vichwa vya habari vya magazeti huangaza ujumbe kuhusu uwezekano wa uchafuzi wa mionzi ya udongo, bahari, barafu ya Antaktika. Walakini, mtu wa kawaida mara nyingi hana wazo nzuri la uwanja huu wa sayansi ni nini na jinsi inavyosaidia katika maisha ya kila siku. Inafaa kuanza, labda, na historia. Kutoka kwa swali la kwanza kabisa, ambalo liliulizwa na mtu aliyelishwa vizuri na aliyevaa vizuri, alipendezwa na jinsi ulimwengu unavyofanya kazi. Jinsi jicho linavyoona, kwa nini sikio linasikia, jinsi maji hutofautiana na jiwe - hii ndiyo ilikuwa wasiwasi watu wenye hekima tangu zamani. Hata katika Uhindi wa kale na Ugiriki, baadhi ya akili za kudadisi zilipendekeza kuwa kuna chembe ndogo (pia iliitwa "isiyogawanyika") ambayo ina sifa za nyenzo. Wanakemia wa zama za kati walithibitisha kukisia kwa wahenga, na ufafanuzi wa kisasa wa atomu ni kama ifuatavyo: atomu ni chembe ndogo kabisa ya dutu ambayo ni mbeba sifa zake.
Sehemu za atomi
Hata hivyo, maendeleo ya teknolojia (katikahasa, upigaji picha) imesababisha ukweli kwamba atomi haizingatiwi tena kuwa chembe ndogo zaidi ya maada. Na ingawa atomi moja haina umeme, wanasayansi waligundua haraka kuwa ina sehemu mbili zenye chaji tofauti. Idadi ya sehemu zilizo na chaji chanya hulipa fidia kwa idadi ya zile hasi, kwa hivyo atomi inabaki upande wowote. Lakini hapakuwa na mfano usio na utata wa atomi. Kwa kuwa fizikia ya kitambo bado ilitawala katika kipindi hicho, mawazo mbalimbali yalifanywa.
Miundo ya Atomu
Mwanzoni, muundo wa "raisin roll" ulipendekezwa. Chaji chanya, kama ilivyokuwa, ilijaza nafasi nzima ya atomi, na chaji hasi zilisambazwa ndani yake, kama zabibu kwenye bun. Jaribio maarufu la Rutherford liliamua yafuatayo: kipengele kizito sana na chaji chanya (kiini) iko katikati ya atomi, na elektroni nyepesi zaidi ziko karibu. Uzito wa kiini ni mamia ya mara nzito kuliko jumla ya elektroni zote (ni asilimia 99.9 ya wingi wa atomi nzima). Kwa hivyo, mfano wa sayari wa Bohr wa atomi ulizaliwa. Walakini, baadhi ya vipengele vyake vilipingana na fizikia ya classical iliyokubaliwa wakati huo. Kwa hivyo, mechanics mpya ya quantum ilitengenezwa. Kwa kuonekana kwake, kipindi kisicho cha kitamaduni cha sayansi kilianza.
Atomu na mionzi
Kutoka kwa yote yaliyo hapo juu, inakuwa wazi kwamba kiini ni sehemu nzito, yenye chaji chanya ya atomi, ambayo hufanya wingi wake. Wakati quantization ya nishati na nafasi za elektroni katika obiti ya atomi zilieleweka vizuri, ilikuwa wakati wa kuelewa.asili ya kiini cha atomiki. Mionzi iliyogunduliwa kwa busara na bila kutarajia ilikuja kuwaokoa. Ilisaidia kufichua kiini cha sehemu nzito ya kati ya atomi, kwani chanzo cha mionzi ni mgawanyiko wa nyuklia. Mwanzoni mwa karne ya kumi na tisa na ishirini, uvumbuzi ulinyesha moja baada ya nyingine. Suluhu la kinadharia la tatizo moja lilihitaji majaribio mapya. Matokeo ya majaribio yalizua nadharia na dhana ambazo zilihitaji kuthibitishwa au kukanushwa. Mara nyingi uvumbuzi mkubwa zaidi umekuja kwa sababu tu ndivyo fomula ilivyokuwa rahisi kuhesabu (kama, kwa mfano, quantum ya Max Planck). Hata mwanzoni mwa enzi ya upigaji picha, wanasayansi walijua kuwa chumvi ya urani huwasha filamu ya picha, lakini hawakushuku kuwa mgawanyiko wa nyuklia ndio msingi wa jambo hili. Kwa hivyo, mionzi ilichunguzwa ili kuelewa asili ya uozo wa nyuklia. Kwa wazi, mionzi ilitolewa na mabadiliko ya quantum, lakini haikuwa wazi kabisa ni ipi. The Curies walichimba radiamu safi na polonium, wakifanya kazi karibu kwa mkono katika madini ya uranium, kujibu swali hili.
Chaji ya mionzi ya mionzi
Rutherford alifanya mengi kuchunguza muundo wa atomi na kuchangia katika utafiti wa jinsi mpasuko wa kiini cha atomi hutokea. Mwanasayansi aliweka mionzi iliyotolewa na kipengele cha mionzi kwenye uwanja wa magnetic na kupata matokeo ya kushangaza. Ilibadilika kuwa mionzi ina vipengele vitatu: moja haikuwa ya upande wowote, na nyingine mbili zilishtakiwa vyema na hasi. Utafiti wa mgawanyiko wa nyuklia ulianza na ufafanuzi wakevipengele. Ilithibitishwa kuwa kiini kinaweza kugawanyika, kutoa sehemu ya chaji yake chanya.
Muundo wa kiini
Baadaye ilibainika kuwa kiini cha atomiki sio tu cha chembe chaji chanya za protoni, lakini pia chembe zisizo na upande za neutroni. Kwa pamoja huitwa nucleons (kutoka kwa Kiingereza "nucleus", nucleus). Hata hivyo, wanasayansi tena waliingia kwenye tatizo: wingi wa kiini (yaani, idadi ya nucleons) haikufanana kila wakati na malipo yake. Katika hidrojeni, kiini kina malipo ya +1, na wingi unaweza kuwa tatu, na mbili, na moja. Heliamu inayofuata katika jedwali la mara kwa mara ina malipo ya nyuklia ya +2, wakati kiini chake kina kutoka nucleoni 4 hadi 6. Vipengele ngumu zaidi vinaweza kuwa na misa nyingi tofauti kwa malipo sawa. Tofauti kama hizo za atomi huitwa isotopu. Kwa kuongezea, isotopu zingine ziligeuka kuwa thabiti kabisa, wakati zingine zilioza haraka, kwani zilikuwa na sifa ya mgawanyiko wa nyuklia. Ni kanuni gani inayolingana na idadi ya nucleons ya utulivu wa nuclei? Kwa nini kuongezwa kwa neutroni moja tu kwenye kiini kizito na thabiti kulisababisha mgawanyiko wake, hadi kutolewa kwa mionzi? Kwa kushangaza, jibu la swali hili muhimu bado halijapatikana. Kwa nguvu, iliibuka kuwa usanidi thabiti wa viini vya atomiki unalingana na idadi fulani ya protoni na neutroni. Ikiwa kuna nyutroni 2, 4, 8, 50 na/au protoni kwenye kiini, basi kiini hakika kitakuwa thabiti. Nambari hizi huitwa hata uchawi (na wanasayansi wazima, wanafizikia wa nyuklia, waliwaita hivyo). Kwa hivyo, mgawanyiko wa viini hutegemea wingi wao, yaani, idadi ya nukleoni iliyojumuishwa ndani yao.
Kudondosha, ganda, fuwele
Haikuwezekana kubainisha sababu inayohusika na uthabiti wa msingi kwa sasa. Kuna nadharia nyingi za mfano wa muundo wa atomi. Watatu maarufu na walioendelea mara nyingi hupingana katika maswala anuwai. Kulingana na ya kwanza, kiini ni tone la kioevu maalum cha nyuklia. Kama maji, ina sifa ya unyevu, mvutano wa uso, kuunganisha na kuoza. Katika mfano wa shell, pia kuna viwango fulani vya nishati katika kiini, ambacho kinajaa nucleons. Ya tatu inasema kwamba msingi ni kati ambayo ina uwezo wa kukataa mawimbi maalum (de Broglie), wakati index ya refractive ni nishati inayoweza kutokea. Hata hivyo, hakuna kielelezo bado ambacho kimeweza kueleza kikamilifu kwa nini, katika misa fulani muhimu ya kipengele hiki cha kemikali, mgawanyiko wa nyuklia huanza.
Matengano yanakuwaje
Mionzi, kama ilivyotajwa hapo juu, ilipatikana katika vitu vinavyoweza kupatikana katika asili: urani, polonium, radiamu. Kwa mfano, urani iliyochimbwa hivi karibuni, safi ni mionzi. Mchakato wa kugawanyika katika kesi hii utakuwa wa hiari. Bila ushawishi wowote wa nje, idadi fulani ya atomi za uranium itatoa chembe za alpha, na kubadilika kuwa thoriamu. Kuna kiashiria kinachoitwa nusu ya maisha. Inaonyesha kwa muda gani kutoka kwa nambari ya awali ya sehemu karibu nusu itabaki. Kwa kila kipengele cha mionzi, nusu ya maisha ni tofauti - kutoka kwa sehemu za sekunde kwa California hadimamia ya maelfu ya miaka kwa uranium na cesium. Lakini pia kuna mionzi ya kulazimishwa. Ikiwa viini vya atomi vinapigwa na protoni au chembe za alpha (viini vya heliamu) na nishati ya juu ya kinetic, zinaweza "kugawanyika". Utaratibu wa mabadiliko, bila shaka, ni tofauti na jinsi vase ya favorite ya mama inavyovunjwa. Hata hivyo, kuna mlinganisho fulani.
Nishati ya Atomu
Kufikia sasa, hatujajibu swali la vitendo: nishati hutoka wapi wakati wa mpasuko wa nyuklia. Kuanza, ni lazima ifafanuliwe kwamba wakati wa kuundwa kwa kiini, nguvu maalum za nyuklia zinafanya kazi, ambazo huitwa mwingiliano mkali. Kwa kuwa kiini kimeundwa na protoni nyingi chanya, swali linabaki jinsi zinavyoshikamana, kwa sababu nguvu za kielektroniki lazima zisukume mbali na kila mmoja kwa nguvu kabisa. Jibu ni rahisi na si kwa wakati mmoja: kiini kinashikiliwa pamoja na kubadilishana kwa kasi sana kati ya nucleons ya chembe maalum - pi-mesons. Muunganisho huu unaishi kwa muda mfupi sana. Mara tu ubadilishaji wa pi-mesoni unapoacha, kiini huharibika. Pia inajulikana kwa hakika kwamba wingi wa kiini ni chini ya jumla ya viini vyake vyote vinavyohusika. Jambo hili linaitwa kasoro kubwa. Kwa kweli, misa inayokosekana ni nishati ambayo hutumiwa kudumisha uadilifu wa kiini. Mara tu sehemu fulani inapotenganishwa na kiini cha atomi, nishati hii hutolewa na kubadilishwa kuwa joto katika vinu vya nguvu za nyuklia. Hiyo ni, nishati ya fission ya nyuklia ni maonyesho ya wazi ya formula maarufu ya Einstein. Kumbuka kwamba fomula inasema: nishati na wingi vinaweza kugeuka kuwa kila kimoja (E=mc2).
).
Nadharia na mazoezi
Sasa tutakuambia jinsi ugunduzi huu wa kinadharia tu unavyotumika katika maisha kuzalisha gigawati za umeme. Kwanza, ni lazima ieleweke kwamba athari zilizodhibitiwa hutumia mgawanyiko wa nyuklia wa kulazimishwa. Mara nyingi ni uranium au polonium, ambayo hupigwa na neutroni za haraka. Pili, haiwezekani kuelewa kuwa fission ya nyuklia inaambatana na uundaji wa neutroni mpya. Kama matokeo, idadi ya neutroni kwenye eneo la athari inaweza kuongezeka haraka sana. Kila nyutroni inagongana na viini vipya, ambavyo bado havijakamilika, huwagawanya, ambayo husababisha kuongezeka kwa kutolewa kwa joto. Huu ni mmenyuko wa mgawanyiko wa nyuklia. Ongezeko lisilodhibitiwa la idadi ya neutroni kwenye reactor inaweza kusababisha mlipuko. Hivi ndivyo ilivyotokea mnamo 1986 kwenye kinu cha nyuklia cha Chernobyl. Kwa hiyo, katika eneo la mmenyuko daima kuna dutu ambayo inachukua neutroni nyingi, kuzuia janga. Ni grafiti kwa namna ya fimbo ndefu. Kiwango cha mgawanyiko wa nyuklia kinaweza kupunguzwa kwa kuzamisha vijiti kwenye eneo la athari. Mlinganyo wa mmenyuko wa nyuklia umetungwa mahsusi kwa kila dutu amilifu ya mionzi na chembe zinazoipiga (elektroni, protoni, chembe za alfa). Hata hivyo, pato la mwisho la nishati linahesabiwa kulingana na sheria ya uhifadhi: E1+E2=E3+E4. Hiyo ni, nishati ya jumla ya kiini cha awali na chembe (E1 + E2) lazima iwe sawa na nishati ya kiini kilichosababisha na nishati iliyotolewa kwa fomu ya bure (E3 + E4). Mlinganyo wa mmenyuko wa nyuklia pia unaonyesha ni aina gani ya dutu inayopatikana kama matokeo ya kuoza. Kwa mfano, kwa uranium U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Isotopu za vipengele hazijaorodheshwa hapa.hata hivyo, hii ni muhimu. Kwa mfano, kuna uwezekano mwingi kama tatu wa kupasuka kwa uranium, ambapo isotopu tofauti za risasi na neon huundwa. Katika karibu asilimia mia moja ya kesi, mmenyuko wa fission ya nyuklia hutoa isotopu za mionzi. Hiyo ni, kuoza kwa uranium hutoa thorium ya mionzi. Thoriamu inaweza kuoza kwa protactinium, kwamba kwa actinium, na kadhalika. Bismuth na titani zinaweza kuwa na mionzi katika mfululizo huu. Hata hidrojeni, ambayo ina protoni mbili katika kiini (kwa kiwango cha protoni moja), inaitwa tofauti - deuterium. Maji yanayotengenezwa kwa hidrojeni kama hiyo huitwa maji mazito na hujaza saketi ya msingi katika vinu vya nyuklia.
Chembe isiyo na amani
Maneno kama vile "shindano la silaha", "vita baridi", "tishio la nyuklia" yanaweza kuonekana kuwa ya kihistoria na hayana umuhimu kwa mtu wa kisasa. Lakini hapo zamani, kila taarifa ya habari karibu duniani kote iliambatana na ripoti kuhusu aina ngapi za silaha za nyuklia zilivumbuliwa na jinsi ya kukabiliana nazo. Watu walijenga bunkers chini ya ardhi na kujaa katika kesi ya majira ya baridi ya nyuklia. Familia nzima ilifanya kazi kujenga makao. Hata matumizi ya amani ya athari za mgawanyiko wa nyuklia inaweza kusababisha maafa. Inaweza kuonekana kuwa Chernobyl ilifundisha ubinadamu kuwa mwangalifu katika eneo hili, lakini vitu vya sayari viligeuka kuwa na nguvu zaidi: tetemeko la ardhi huko Japan liliharibu ngome za kuaminika za mmea wa nyuklia wa Fukushima. Nishati ya mmenyuko wa nyuklia ni rahisi zaidi kutumia kwa uharibifu. Wataalamu wa teknolojia wanahitaji tu kupunguza nguvu ya mlipuko, ili wasiharibu sayari nzima kwa bahati mbaya. Mabomu "ya kibinadamu" zaidi, ikiwa unaweza kuyaita hivyo, usichafue mazingira na mionzi. Kwa ujumla, mara nyingi hutumiammenyuko wa mnyororo usio na udhibiti. Kile wanachojitahidi kuepusha kwenye vinu vya nguvu za nyuklia kwa njia zote hupatikana kwa mabomu kwa njia ya zamani sana. Kwa kipengele chochote cha asili cha mionzi, kuna molekuli fulani muhimu ya dutu safi ambayo mmenyuko wa mnyororo huzaliwa yenyewe. Kwa uranium, kwa mfano, ni kilo hamsini tu. Kwa kuwa urani ni nzito sana, ni mpira mdogo wa chuma wenye kipenyo cha sentimita 12-15. Mabomu ya kwanza ya atomiki yaliyodondoshwa kwenye Hiroshima na Nagasaki yalifanywa sawasawa na kanuni hii: sehemu mbili zisizo sawa za urani safi ziliunganishwa tu na kutoa mlipuko wa kutisha. Silaha za kisasa labda ni za kisasa zaidi. Hata hivyo, mtu asipaswi kusahau kuhusu wingi muhimu: lazima kuwe na vikwazo kati ya kiasi kidogo cha nyenzo safi ya mionzi wakati wa kuhifadhi, kuzuia sehemu kutoka kuunganisha.
Vyanzo vya mionzi
Vipengee vyote vilivyo na chaji ya nyuklia zaidi ya 82 vina mionzi. Karibu vipengele vyote vya kemikali nyepesi vina isotopu za mionzi. Uzito wa kiini, ndivyo maisha yake yanavyopungua. Vipengele vingine (kama vile California) vinaweza kupatikana tu kwa njia ya bandia - kwa kugongana atomi nzito na chembe nyepesi, mara nyingi katika vichapuzi. Kwa kuwa hazina msimamo sana, hazipo kwenye ukoko wa dunia: wakati wa malezi ya sayari, ziligawanyika haraka sana kuwa vitu vingine. Dutu zilizo na viini nyepesi, kama vile urani, zinaweza kuchimbwa. Utaratibu huu ni mrefu, uranium inafaa kwa uchimbaji, hata katika ore tajiri sana, ina chini ya asilimia moja. njia ya tatu,labda inaonyesha kwamba enzi mpya ya kijiolojia tayari imeanza. Huu ni uchimbaji wa vipengele vya mionzi kutoka kwa taka ya mionzi. Baada ya mafuta kutumika kwenye mmea wa nguvu, kwenye manowari au carrier wa ndege, mchanganyiko wa uranium ya awali na dutu ya mwisho, matokeo ya fission, hupatikana. Kwa sasa, hii inachukuliwa kuwa taka ngumu ya mionzi na kuna swali la papo hapo la jinsi ya kuzitupa ili zisichafue mazingira. Hata hivyo, kuna uwezekano kwamba katika siku za usoni, dutu zenye mionzi zilizokolezwa tayari (kwa mfano, polonium) zitachimbwa kutoka kwa taka hizi.
