Nüvə parçalanması: atom nüvəsinin parçalanma prosesi. Nüvə reaksiyaları

Məqalədə nüvə parçalanmasının necə olduğu, bu prosesin necə aşkar ediləcəyi və təsvir olunduğu bildirilir. Enerji və nüvə silahları mənbəyi kimi istifadə edir.

"Bölünməz" atom

XXI əsr "atomun enerjisi", "nüvə texnologiyası", "radioaktiv tullantı" kimi ifadələrlə doludur. İndi və sonra qəzet başlıqları torpaq, okeanlar, Antarktika buzu radioaktiv çirklənmə ehtimalı haqqında mesajlar göstərir. Ancaq adi bir insan tez-tez elm sahəsi və gündəlik həyatda necə kömək edəcəyini çox yaxşı təsəvvür etmir. Tarixi ilə bəlkə də başlamağa dəyər. Yaxşı və qidalı adam tərəfindən soruşulan ilk sualdan, o, dünyanın necə işlədiyini maraqlandı. Gözün gördüyü kimi, suyun daşdan fərqləndiyini görə qulaqları nə üçün eşitdirir - başından bəri ağrıları narahat edir. Qədim Hindistan və Yunanıstanın bəzi qüdrətli zehinləri maddi xüsusiyyətlərə malik olan minimal hissəcik (bunun da "bölünməz" adlandırıldığı) olduğunu düşünürdü. Orta əsr kimyaçılar müdriklərin təxminini doğruldublar və atomun müasir tərifi belədir: bir atom onun xüsusiyyətlərinin daşıyıcısı olan bir maddənin ən kiçik hissəcikidir.

Atom hissələri

Bununla birlikdə, texnologiyanın inkişafı (xüsusilə fotoqrafiya) atomun ən kiçik maddə hissəsi sayılmadığına gətirib çıxardı. Tək atom neytral olsa da, elm adamları tezliklə fərqli ittihamlarla iki hissədən ibarət olduğunu anladılar. Müsbət yüklənmiş hissələrin sayı mənfi hissəciklərin sayını kompensasiya edir, atom neytral olaraq qalır. Amma atomun heç bir qiymətli modeli yox idi. O dövrdə klassik fizika hələ də hakim olduğundan müxtəlif fərziyyələr edilmişdir.

Atom modelləri

Əvvəlcə "üzüm-roll" modeli təklif edildi. Müsbət ittiham atomun bütün məkanını doldurdu və buna görə də, bir maye üzüm kimi, mənfi ittihamlar yayıldı. Rutherfordun məşhur təcrübəsi aşağıdakıları müəyyənləşdirdi: atomun mərkəzində pozitiv bir zərbə (nüvə) olan çox ağır bir element və onun ətrafında daha yüngül elektronlar var. Nüvənin kütləsi bütün elektronların cəmindən yüzlərlə dəfə ağırdır (bütün atom kütləinin 99.9 faizi). Beləliklə, Bohr atomunun planetar modeli doğuldu. Ancaq bəzi elementlər o zaman qəbul edilən klassik fizikaya ziddir. Buna görə yeni bir kvant mexanikası inkişaf etdirildi. Onun görünüşü ilə qeyri-klassik elm dövrü başlamışdır.

Atom və radioaktivlik

Yuxarıda deyilənlərin hamısından aydın olur ki, nüvənin atomun ağır, pozitiv yüklənmiş bir hissəsi olduğu və onun həcmini təşkil edir. Atomun orbitində elektronların enerjisi və elektronların mövqeləri yaxşı öyrənildikdə atom nüvəsinin təbiətini başa düşmək üçün vaxt gəldi. Yardım üçün qabarıq və gözlənilməz olaraq açıq radioaktivlik gəldi. Bu, atomun ağır mərkəzi hissəsinin mahiyyətini aşkar etməyə kömək etdi, çünki radioaktiv mənbəyi nüvələrin parçalanmasıdır. XIX və XX əsrin sonlarında kəşflər bir-birinin ardınca düşdü. Bir problemin nəzəri həlli yeni eksperimentlər qoymağa ehtiyac yaratdı. Eksperimental nəticələr təsdiqlənmək və ya inkar etmək üçün lazım olan nəzəriyyələr və fərziyyələr yaradıb. Tez-tez ən böyük kəşflər sadəcə ortaya çıxdı ki, bu formulun hesablamalar üçün əlverişli olduğu (məsələn, Maks Plank kvantiyası) olduğu üçün belə olmuşdur. Hətta dövrün başlanğıcında elm adamları uran duzlarının fotosensiyalı bir filmi yüngülləşdirdiyini bilirdilər, lakin nüvə parçalanmasının bu fenomenin qəlbində olduğunu şübhə etmədi. Buna görə, nüvənin çürüməsinin təbiətini anlamaq üçün radioaktivlik tədqiq edilmişdir. Aydındır ki, radiasiya kvant keçişləri ilə yaradılıb, lakin tam olaraq tam aydın deyildir. Kurye cütü təmiz radium və polonium qazdı, bu suala cavab almaq üçün demək olar ki əllə uran filizini işləyirdi.

Radioaktiv radiasiya məsuliyyəti

Rutherford atomun strukturunu öyrənmək üçün çox iş gördü və atom nüvəsinin parçalanmasının necə aparıldığını öyrənməyə kömək etdi. Alim radioaktiv maddənin yayılmış radiasiya elementini maqnit sahəsində yerləşdirdi və inanılmaz nəticə əldə etdi. Radiasiya üç komponentdən ibarət idi: biri nötral, ikisi isə müsbət və mənfi hesablanmışdır. Nüvə parçalanmasının öyrənilməsi onun komponentlərinin müəyyən edilməsi ilə başlamışdır. Nüvənin bölünməsi, bəzi pozitiv ittihamlarını verə biləcəyi sübut edilmişdir.

Nüvənin quruluşu

Daha sonra atom nüvəsinin yalnız protonların müsbət yüklü hissəciklərindən deyil, neytronların neytral hissəciklərindən ibarət olduğu müəyyən edilmişdir. Onların hamısı nükleonlar adlanır (ingilis "nüvə" dən, nüvədən). Ancaq elm adamları yenə bir problemlə qarşılaşdılar: nüvənin kütləsi (yəni, nükleonların sayı) həmişə onun yükünə uyğun gəlmirdi. Hidrogendə nüvənin +1 qüvvəsi var və kütlə üç, ikisi və bir ola bilər. Növbəti nüvənin heliumun periodik cədvəlində +2 nüvəsi yüklənir. Nüvə 4-dən 6 nüklona malikdir. Daha mürəkkəb elementlər eyni yüklə daha çox müxtəlif kütlələrə malik ola bilər. Atomların bu cür dəyişikliklərinə izotoplar deyilir. Bəzi izotoplar olduqca stabildir, digərləri isə tez bir zamanda parçalanırlar, çünki nüvə parçalanması onlar üçün xarakterikdir. Nüvə nüvə nüvə nüvələrinin sayı nədir? Ağır və tamamilə sabit bir nüvəyə yalnız bir neytronun niyə əlavə edilməsi onun bölünməsinə gətirib çıxardı, radioaktivliyin yayılmasına səbəb oldu? Qəribədir ki, bu mühüm sualın cavabı hələ də tapılmamışdır. Eksperimental olaraq müəyyən edilmişdir ki, atom nüvələrinin sabit konfiqurasiyaları müəyyən miqdarda proton və neytronlara cavab verir. Nüvə 2, 4, 8, 50 neytronları və / və ya protonları varsa, nüvə birmənalı olaraq sabit olacaqdır. Bu nömrələr hətta sehrli deyilir (və onlar adult elm adamları, nüvə fizikləri tərəfindən adlandırılmışdır). Beləliklə, nüvələrin parçalanması onların kütlələrinə, yəni onlara daxil olan nuklonlar sayından asılıdır.

Drop, qabıq, kristal

Kernenin sabitliyi üçün məsuliyyət daşıyır, ancaq mümkün olmadıqda. Atomun quruluş modelinin bir çox nəzəriyyələri var. Üç ən məşhur və inkişaf etmiş olanlar müxtəlif məsələlərdə tez-tez bir-birinə ziddirlər. Birinciyə görə, nüvə xüsusi nüvə mayesinin bir damlasıdır. Su kimi, akışkanlıq, səth gərginliyi, füzyon və çürüklük ilə xarakterizə olunur. Nüvə şəkilli modelində də nüklonlar ilə dolu olan müəyyən enerji səviyyəsi var. Nüvə xüsusi dalğaları (de Broglie) sarsıtmağa qadir olan bir mühit olduğuna dair üçüncü iddia isə, qırılma indeksinin potensial enerjidir. Ancaq heç bir model bu nüvə elementinin müəyyən bir tənqidi kütləsində nüvə parçalanmasının niyə başlayacağına dair tam təsvir edə bilmədi.

Arızası nədir

Yuxarıda qeyd edildiyi kimi, radioaktivlik təbiətdə olan maddələrdə tapılmışdır: uran, polonium, radium. Məsələn, təzə qazılmış, saf uran radioaktivdir. Bu vəziyyətdə yarılma prosesi spontan olacaq. Xarici təsirlər olmadan müəyyən bir sayda uran atomu spontan olaraq toriuma çevrilən alfa parçacıqlarını yayacaqdır. Yarım ömrü adlandırılan bir göstərici var. Bir hissənin ilkin sayından təxminən yarısı nə vaxt aralı qaldığını göstərir. Hər bir radioaktiv element üçün, yarım ömrü uran və sezyum üçün yüz milyonlarca ilədək california üçün ikinci bir hissədən ibarətdir. Amma məcburi radioaktivlik var. Əgər atomik nüvələr yüksək kinetik enerjiyə malik proton və ya alfa parçacıqları (helium nüvələri) ilə bombalansa, "bölmək" mümkündür. Dönüşüm mexanizmi əlbəttə ki, sevilən ana vazanın necə pozulduğunu fərqləndirir. Ancaq bəzi analoji izlənilir.

Atomun enerjisi

İndiyə qədər praktiki suala cavab vermirdik: Enerji nüvənin parçalanmasını harada keçirir? Əvvəla, bir nüvə meydana gəldiyi zaman, xüsusi nüvə qüvvələri fəaliyyət göstərdikdə, güclü qarşılıqlı əlaqələr deyildikdə aydınlıq gətirməliyik. Əsas bir sıra müsbət protonlardan ibarət olduğundan, elektrostatik qüvvələr onları bir-birindən güclü şəkildə itələyməli olduqları üçün sual bir yerdə qalmaq üçün qalır. Cavab həm sadədir, həm də deyildir: nüvə xüsusi hissəciklər-pi-meksonları ilə nükleonların arasında çox sürətli bir dəyişiklik hesabına saxlanılır. Bu əlaqə inanılmaz dərəcədə az yaşayır. Pionların mübadiləsi dayandırıla bilməyincə, nüvə parçalanır. Nüvə kütləsi bütün quruluş nükleonunun cəmindən daha az olduğunu da bilir. Bu hadisəyə kütlələrin qüsuru deyildi. Əslində, əskik kütlə özün bütövlüyünün qorunmasına sərf olunan enerjidir. Nüvə nüvəsinin bir hissəsi ayrıldıqdan sonra bu enerji buraxılır və nüvə elektrik stansiyalarında istilikə çevrilir. Yəni, nüvə parçalanma enerjisi Eynşteynin məşhur formulunun vizual nümayişidir. Xatırladaq ki, formula deyir: enerji və kütlə bir-birinə çevrilə bilər (E = mc ² ).

Tədqiqat və Təcrübə

İndi bu tamamilə teorik kəşf həyatın elektrik enerjisi istehsalında necə istifadə edildiyini danışaq. Birincisi, nəzarətli reaksiyalarda, nüvə enerjisindən istifadənin fəsadlarının istifadə olunduğunu qeyd etmək lazımdır. Tez-tez uran və ya polonyum, sürətli neytronlarla bombalanır. İkincisi, nüvələrin parçalanmasının yeni neytronların yaranması ilə müşayiət edildiyini başa düşmək olmaz. Nəticədə reaksiya zonasında neytronların sayı çox sürətlə inkişaf edə bilər. Hər bir neytron yeni, hələ də bütün nüvələrlə toqquşub, onları parçalayır, istilik azadlığının artmasına gətirib çıxarır. Bu nüvə parçalanma zəncirvari reaksiya. Reaktorda neytron sayının nəzarətsiz böyüməsi bir partlamağa səbəb ola bilər. Bu, 1986-cı ildə Çernobıl nüvə stansiyasında baş verib. Buna görə, reaksiya zonasında hər zaman bir fəlakətin qarşısını alan, artıq neytronları absorbe edən bir maddə var. Uzun çubuqlar şəklində qrafitdir. Nüvələrin fibroz dərəcəsi reaksiya zonasında çubuqları batırmaqla yavaşlatıla bilər. Nüvə reaksiya tənliyi hər bir aktiv radioaktiv maddə və onun hissəcikləri (elektronların, protonların, alfa hissəciklərinin) bombardmanı üçün xüsusi hazırlanır. Lakin, son enerji çıxışı qorunma qanununa görə hesablanır: E1 + E2 = E3 + E4. Yəni, ilk nüvənin və hissəciklərin ümumi enerjisi (E1 + E2) meydana gələn nüvənin enerjisinə və azad formada (E3 + E4) azad olan enerjiyə bərabər olmalıdır. Nüvə reaksiya tənliyi tənəzzül nəticəsində hansı maddənin istehsal olunduğunu da göstərir. Məsələn uran U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Kimyəvi elementlərin izotopları göstərilmir, lakin bu vacibdir. Misal üçün, qurğuşun və neonun müxtəlif izotopları formalaşan uranın parçalanması üçün üç mümkündür. Faktların təxminən yüz faizində, nüvə fission reaksiyası radioaktiv izotopları verir. Yəni, uranın çürüməsi radioaktiv toryum istehsal edir. Thorium protactinium üçün həll edə bilər, ki, - aktinia və s. Bu seriyədə radioaktiv hem bizmut həm də titan ola bilər. Nüvə içərisində iki proton (bir proton dərəcəsi) içərisində hətta hidrogen fərqli olaraq deyilir - deuterium. Belə hidrogenlə yaranan su ağırdır və nüvə reaktorlarında ilk dövrə doldurur.

Dinc olmayan atom

Müasir insana "silah irqi", "soyuq müharibə", "nüvə təhdidi" kimi ifadələr tarixi və əsassız görünə bilər. Ancaq bir vaxtda demək olar ki, dünyanın hər yerində olan xəbərlərin hər birində nüvə silahlarının neçə növü icad olunduğunu və bununla necə məşğul olmağı barədə məlumatlar müşayiət olundu. İnsanlar yeraltı sığınacaq qurur və nüvə qışı olması halında tədarük edirdilər. Bütün ailə sığınacaq tapmağa çalışdı. Nüvə parçalanma reaksiyalarından hətta dinc istifadə hətta fəlakətə səbəb ola bilər. Çernobıl bəşəriyyətə bu sahədəki düzgünlüyünü öyrədirdi, ancaq planetin elementləri daha güclü oldu: Yaponiyada baş verən zəlzələ Fukusima atom elektrik stansiyasının çox etibarlı gücləndirilməsi nəticəsində zədələndi. Nüvə reaksiyasının enerjisi məhv etmək üçün daha asandır. Texnoloqların yalnız planetin qüsursuz şəkildə məhv edilməməsi üçün partlamanın gücünü məhdudlaşdırması lazımdır. Ən çox "humanist" bomba, əgər belə deyilirsə, qonşuları radiasiya ilə çirkləndirməsinlər. Ümumiyyətlə, onlar tez-tez nəzarətsiz zəncirvari reaksiya istifadə edirlər. Nüvə stansiyalarından qaçmağa çalışdıqları şeylər çox ibtidai bir şəkildə bombalanır. Hər hansı bir təbii radioaktiv element üçün, zəncirvari reaksiya özü tərəfindən yaradılan bəzi təməl maddədir. Məsələn uran üçün yalnız elli kiloqramdır. Uranın çox ağır olduğundan, diametri 12-15 santimetr olan kiçik bir metal top. Hiroşima və Naqasakiyə atılan ilk atom bombaları bu prinsipə dəqiq şəkildə uyğundur: təmiz uranın iki qeyri-bərabər hissəsi sadəcə birləşdi və dəhşətli bir partlamağa səbəb oldu. Müasir silahlar daha mürəkkəbdir. Ancaq kritik kütlələr haqqında unutmamaq lazım deyil: saxlama zamanı kiçik bir həcmdə saf radioaktiv maddə arasındakı yerlərə qoşulmamağa mane olan maneələr olmalıdır.

Radiasiya mənbələri

Bir atom nüvəsi olan bütün elementlərdən 82-dən çox radioaktivdir. Demək olar ki, bütün yüngül kimyəvi elementlər radioaktiv izotoplara malikdir. Nə ağır, daha az ömrü. Bəzi elementlər (məsələn, california) yalnız süni şəkildə əldə edilə bilər - daha tez yüngül parçacıqları olan ağır atomlara vurularaq, sürətləndiricilərdə. Onlar olduqca qeyri-sabit olduğundan, yerin qabığında mövcud deyildir: planet meydana gəldikdə, tez bir zamanda digər elementlərə parçalandı. Zəngin nüvəli olan uran kimi maddələr çıxarıla bilər. Çox zəngin mədənlərdə belə uran mədəninə uyğun olan bu uzun proses bir faizdən azdır. Üçüncüsü, bəlkə də, yeni geoloji dövrün artıq başladığını göstərir. Radioaktiv elementlərin radioaktiv tullantılardan çıxarılmasıdır. Bir elektrik stansiyasındakı yanacaqdoldurma işini bitdikdən sonra, bir sualtı və ya təyyarə daşıyıcıda, ilkin uran və son maddənin qarışığı, parçalanma nəticəsində əldə edilir. Hazırda bu, qatı radioaktiv tullantılar hesab edilir və ətraf mühitin çirkləndirməməsi üçün onları necə atmaq barədə təcili bir sualdır. Bununla yanaşı, yaxın gələcəkdə hazırlanan konsentrasiyalı radioaktiv maddələr (məsələn polonium) bu tullantılardan çıxarılacaqdır.