Makale nükleer fisyonun ne olduğunu, bu sürecin nasıl keşfedildiğini ve tanımlandığını anlatıyor. Enerji kaynağı ve nükleer silah olarak kullanımı ortaya çıkıyor.
"Bölünemez" atom
Yirmi birinci yüzyıl "atomun enerjisi", "nükleer teknoloji", "radyoaktif atık" gibi ifadelerle dolu. Arada bir gazete manşetlerinde Antarktika'nın toprağının, okyanuslarının ve buzunun radyoaktif kirlenme olasılığı hakkında flaş mesajlar veriliyor. Bununla birlikte, sıradan bir insan genellikle bu bilim alanının ne olduğu ve günlük yaşamda nasıl yardımcı olduğu konusunda çok iyi bir fikre sahip değildir. Belki de tarihle başlamaya değer. İyi beslenmiş ve giyimli bir kişinin sorduğu ilk sorudan itibaren dünyanın nasıl çalıştığıyla ilgilendi. Göz nasıl görür, kulak neden duyar, su taştan nasıl farklıdır - eski zamanlardan beri bilgeleri endişelendiren şey budur. Eski Hindistan ve Yunanistan'da bile, bazı meraklı beyinler, bir malzemenin özelliklerine sahip olan ("bölünemez" olarak da adlandırılan) minimal bir parçacık olduğunu öne sürdüler. Ortaçağ kimyagerleri, bilgelerin tahminini doğruladı ve atomun modern tanımı şu şekildedir: atom, özelliklerini taşıyan bir maddenin en küçük parçacığıdır.
Bir atomun parçaları
Ancak, teknolojinin gelişimi (özellikle fotoğrafçılık), atomun artık maddenin mümkün olan en küçük parçacığı olarak görülmemesine yol açmıştır. Ve tek bir atom elektriksel olarak nötr olmasına rağmen, bilim adamları onun farklı yüklere sahip iki parçadan oluştuğunu çabucak anladılar. Pozitif yüklü parçaların sayısı, negatiflerin sayısını telafi eder, böylece atom nötr kalır. Ancak atomun açık bir modeli yoktu. O dönemde klasik fizik hala hakim olduğundan, çeşitli varsayımlar yapıldı.
Atom modelleri
İlk başta “kuru üzümlü rulo” modeli önerildi. Pozitif yük, olduğu gibi, atomun tüm alanını doldurdu ve bir çörek içindeki kuru üzüm gibi, içinde negatif yükler dağıtıldı. Rutherford'un ünlü deneyi şunları belirledi: pozitif yüklü çok ağır bir element (çekirdek) atomun merkezinde yer alır ve çevresinde çok daha hafif elektronlar bulunur. Çekirdeğin kütlesi, tüm elektronların toplamından yüzlerce kat daha ağırdır (tüm atomun kütlesinin yüzde 99,9'udur). Böylece Bohr'un gezegensel atom modeli doğdu. Bununla birlikte, bazı unsurları o zamanlar kabul edilen klasik fizikle çelişiyordu. Bu nedenle, yeni bir kuantum mekaniği geliştirildi. Görünüşüyle birlikte klasik olmayan bilim dönemi başladı.
Atom ve radyoaktivite
Yukarıdakilerin hepsinden, çekirdeğin atomun kütlesini oluşturan ağır, pozitif yüklü bir parçası olduğu anlaşılır. Bir atomun yörüngesindeki enerjinin kuantizasyonu ve elektronların konumları iyi anlaşıldığında, bunu anlamanın zamanı gelmişti.atom çekirdeğinin doğası. Ustaca ve beklenmedik bir şekilde keşfedilen radyoaktivite kurtarmaya geldi. Radyoaktivite kaynağı nükleer fisyon olduğundan, atomun ağır merkezi kısmının özünü ortaya çıkarmaya yardımcı oldu. On dokuzuncu ve yirminci yüzyılların başında, keşifler birbiri ardına yağdı. Bir problemin teorik çözümü yeni deneyler gerektiriyordu. Deneylerin sonuçları, doğrulanması veya çürütülmesi gereken teori ve hipotezlere yol açtı. Çoğu zaman en büyük keşifler, formülün hesaplanmasının bu şekilde kolaylaşmasından dolayı ortaya çıkmıştır (örneğin, Max Planck'ın kuantumu gibi). Bilim adamları, fotoğrafçılık çağının başlangıcında bile, uranyum tuzlarının ışığa duyarlı bir filmi aydınlattığını biliyorlardı, ancak nükleer fisyonun bu olgunun temeli olduğundan şüphelenmediler. Bu nedenle, nükleer bozunmanın doğasını anlamak için radyoaktivite incelenmiştir. Açıkçası, radyasyon kuantum geçişleri tarafından üretildi, ancak hangileri olduğu tam olarak belli değildi. Curies, bu soruyu cevaplamak için uranyum cevherinde neredeyse elle çalışan saf radyum ve polonyum çıkardı.
Radyoaktif radyasyon yükü
Rutherford atomun yapısını incelemek için çok şey yaptı ve atom çekirdeğinin fisyonunun nasıl oluştuğunun araştırılmasına katkıda bulundu. Bilim adamı, radyoaktif bir elementin yaydığı radyasyonu manyetik bir alana yerleştirdi ve inanılmaz bir sonuç elde etti. Radyasyonun üç bileşenden oluştuğu ortaya çıktı: biri nötr, diğer ikisi pozitif ve negatif yüklü. Nükleer fisyon çalışması, nükleer fisyonun tanımıyla başladı.bileşenler. Çekirdeğin bölünebildiği, pozitif yükünün bir kısmından vazgeçebildiği kanıtlandı.
Çekirdeğin yapısı
Daha sonra atom çekirdeğinin yalnızca pozitif yüklü proton parçacıklarından değil, aynı zamanda nötronların nötr parçacıklarından da oluştuğu ortaya çıktı. Birlikte nükleonlar olarak adlandırılırlar (İngilizce "çekirdekten", çekirdekten). Bununla birlikte, bilim adamları yine bir sorunla karşılaştılar: çekirdeğin kütlesi (yani, nükleonların sayısı) her zaman yüküne karşılık gelmiyordu. Hidrojende çekirdeğin yükü +1'dir ve kütle üç, iki ve bir olabilir. Periyodik tablodaki helyum +2 nükleer yüke sahipken, çekirdeği 4 ila 6 nükleon içerir. Daha karmaşık elementler, aynı yük için çok daha farklı kütlelere sahip olabilir. Atomların bu tür varyasyonlarına izotop denir. Ayrıca, bazı izotopların oldukça kararlı olduğu ortaya çıktı, diğerleri ise nükleer fisyon ile karakterize oldukları için hızla bozuldu. Çekirdeklerin kararlılığının nükleon sayısına hangi ilke karşılık geldi? Neden ağır ve oldukça kararlı bir çekirdeğe sadece bir nötronun eklenmesi onun bölünmesine, radyoaktivitenin salınmasına yol açtı? İşin garibi, bu önemli sorunun cevabı henüz bulunamadı. Ampirik olarak, kararlı atom çekirdeği konfigürasyonlarının belirli miktarlarda proton ve nötrona karşılık geldiği ortaya çıktı. Çekirdekte 2, 4, 8, 50 nötron ve/veya proton varsa, çekirdek kesinlikle kararlı olacaktır. Bu sayılara sihir bile deniyor (ve yetişkin bilim adamları, nükleer fizikçiler onlara böyle diyorlardı). Dolayısıyla çekirdeklerin fisyonları kütlelerine, yani içlerinde bulunan nükleonların sayısına bağlıdır.
Damla, kabuk, kristal
Şu anda çekirdeğin stabilitesinden sorumlu olan faktörü belirlemek mümkün değildi. Atomun yapısının modeliyle ilgili birçok teori vardır. En ünlü ve gelişmiş üç kişi genellikle çeşitli konularda birbirleriyle çelişir. Birincisine göre, çekirdek özel bir nükleer sıvının bir damlasıdır. Su gibi, akışkanlık, yüzey gerilimi, birleşme ve çürüme ile karakterizedir. Kabuk modelinde, çekirdekte nükleonlarla dolu belirli enerji seviyeleri de vardır. Üçüncüsü, çekirdeğin özel dalgaları (de Broglie) kırabilen bir ortam olduğunu, kırılma indisinin ise potansiyel enerji olduğunu belirtir. Bununla birlikte, hiçbir model, bu belirli kimyasal elementin belirli bir kritik kütlesinde nükleer fisyonun neden başladığını tam olarak açıklayamadı.
Ayrılıklar nasıldır
Radyoaktivite, yukarıda bahsedildiği gibi, doğada bulunabilen maddelerde bulundu: uranyum, polonyum, radyum. Örneğin, yeni çıkarılmış, saf uranyum radyoaktiftir. Bu durumda bölme işlemi kendiliğinden olacaktır. Herhangi bir dış etki olmaksızın, belirli sayıda uranyum atomu, kendiliğinden toryuma dönüşen alfa parçacıkları yayar. Yarı ömür denilen bir gösterge var. Parçanın ilk sayısından itibaren yaklaşık yarısının ne kadar süre kalacağını gösterir. Her radyoaktif element için yarı ömür farklıdır - California için saniyenin kesirlerindenuranyum ve sezyum için yüz binlerce yıl. Ama aynı zamanda zorunlu radyoaktivite de var. Atomların çekirdekleri, yüksek kinetik enerjiye sahip protonlar veya alfa parçacıkları (helyum çekirdekleri) ile bombardımana tutulursa, "bölünebilir". Dönüşüm mekanizması elbette annenin en sevdiği vazonun kırılmasından farklıdır. Ancak belli bir benzetme var.
Atom Enerjisi
Şimdiye kadar pratik bir soruyu yanıtlamadık: nükleer fisyon sırasında enerji nereden geliyor. Başlamak için, bir çekirdeğin oluşumu sırasında, güçlü etkileşim olarak adlandırılan özel nükleer kuvvetlerin hareket ettiği açıklığa kavuşturulmalıdır. Çekirdek birçok pozitif protondan oluştuğu için, bunların nasıl birbirine yapıştığı sorusu kalır, çünkü elektrostatik kuvvetlerin onları birbirlerinden oldukça güçlü bir şekilde uzaklaştırması gerekir. Cevap hem basit hem de aynı anda değil: çekirdek, özel parçacıkların nükleonları - pi-mezonlar arasındaki çok hızlı değiş tokuşla bir arada tutulur. Bu bağlantı inanılmaz derecede kısa sürer. Pi-mezon alışverişi durur durmaz çekirdek bozunur. Bir çekirdeğin kütlesinin, onu oluşturan tüm nükleonların toplamından daha az olduğu da kesin olarak bilinmektedir. Bu fenomene kütle kusuru denir. Aslında, eksik kütle, çekirdeğin bütünlüğünü korumak için harcanan enerjidir. Bir atomun çekirdeğinden bir kısmı ayrılır ayrılmaz, bu enerji nükleer santrallerde açığa çıkar ve ısıya dönüştürülür. Yani nükleer fisyon enerjisi, ünlü Einstein formülünün açık bir göstergesidir. Formülün şunu söylediğini hatırlayın: enerji ve kütle birbirine dönüşebilir (E=mc2).
Teori ve pratik
Şimdi size bu tamamen teorik keşfin yaşamda gigawattlarca elektrik üretmek için nasıl kullanıldığını anlatacağız. İlk olarak, kontrollü reaksiyonların zorunlu nükleer fisyon kullandığına dikkat edilmelidir. Çoğu zaman hızlı nötronlar tarafından bombalanan uranyum veya polonyumdur. İkincisi, nükleer fisyona yeni nötronların yaratılmasının eşlik ettiğini anlamamak imkansızdır. Sonuç olarak, reaksiyon bölgesindeki nötron sayısı çok hızlı bir şekilde artabilir. Her nötron, yeni, hala bozulmamış çekirdeklerle çarpışır, onları böler, bu da ısı salınımında bir artışa yol açar. Bu nükleer fisyon zincir reaksiyonudur. Bir reaktördeki nötron sayısında kontrolsüz bir artış patlamaya neden olabilir. 1986'da Çernobil nükleer santralinde olan da tam olarak buydu. Bu nedenle, reaksiyon bölgesinde her zaman fazla nötronları emen ve bir felaketi önleyen bir madde vardır. Uzun çubuklar şeklinde grafittir. Çubuklar reaksiyon bölgesine daldırılarak nükleer fisyon hızı yavaşlatılabilir. Nükleer reaksiyon denklemi, her aktif radyoaktif madde ve onu bombardıman eden parçacıklar (elektronlar, protonlar, alfa parçacıkları) için özel olarak derlenir. Ancak, nihai enerji çıkışı korunum yasasına göre hesaplanır: E1+E2=E3+E4. Yani, orijinal çekirdeğin ve parçacığın (E1 + E2) toplam enerjisi, ortaya çıkan çekirdeğin enerjisine ve serbest biçimde salınan enerjiye (E3 + E4) eşit olmalıdır. Nükleer reaksiyon denklemi, bozunma sonucunda ne tür bir maddenin elde edildiğini de gösterir. Örneğin, uranyum için U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Elementlerin izotopları burada listelenmemiştir.ancak, bu önemlidir. Örneğin, kurşun ve neonun farklı izotoplarının oluştuğu uranyum fisyonunun üç olasılığı vardır. Vakaların neredeyse yüzde yüzü, nükleer fisyon reaksiyonu radyoaktif izotoplar üretir. Yani, uranyumun bozunması radyoaktif toryum üretir. Toryum, protaktinyuma, o da aktinyuma vb. bozunabilir. Bu seride hem bizmut hem de titanyum radyoaktif olabilir. Çekirdekte iki proton içeren (bir proton oranında) hidrojen bile farklı olarak adlandırılır - döteryum. Bu tür hidrojenle oluşan suya ağır su denir ve nükleer reaktörlerde birincil devreyi doldurur.
Huzursuz atom
"Silah yarışı", "soğuk savaş", "nükleer tehdit" gibi ifadeler modern bir insan için tarihi ve alakasız görünebilir. Ancak bir zamanlar, neredeyse tüm dünyadaki her haber bültenine, kaç tür nükleer silahın icat edildiği ve bunlarla nasıl başa çıkılacağına dair raporlar eşlik etti. İnsanlar yer altı sığınakları inşa etti ve nükleer bir kış olması durumunda stok yaptı. Bütün aileler barınağı inşa etmek için çalıştı. Nükleer fisyon reaksiyonlarının barışçıl kullanımı bile felakete yol açabilir. Görünüşe göre Çernobil insanlığa bu alanda dikkatli olmayı öğretti, ancak gezegenin unsurları daha güçlü çıktı: Japonya'daki deprem Fukushima nükleer santralinin çok güvenilir tahkimatlarına zarar verdi. Bir nükleer reaksiyonun enerjisinin imha için kullanılması çok daha kolaydır. Teknologların, tüm gezegeni kazara yok etmemek için yalnızca patlamanın gücünü sınırlamaları gerekir. En "insancıl" bombalar, eğer onlara bu diyebilirseniz, çevreyi radyasyonla kirletmezler. Genel olarak, en sık kullandıklarıkontrolsüz zincirleme reaksiyon. Nükleer santrallerde kesinlikle kaçınmaya çalıştıkları şey, bombalarda çok ilkel bir şekilde elde edilir. Herhangi bir doğal radyoaktif element için, kendi içinde bir zincirleme reaksiyonun doğduğu belirli bir kritik saf madde kütlesi vardır. Örneğin uranyum için sadece elli kilogramdır. Uranyum çok ağır olduğu için çapı 12-15 santimetre olan küçük bir metal bilyedir. Hiroşima ve Nagazaki'ye atılan ilk atom bombaları tam olarak şu prensibe göre yapıldı: iki eşit olmayan saf uranyum parçası basitçe birleşti ve korkunç bir patlama yarattı. Modern silahlar muhtemelen daha karmaşıktır. Ancak, kritik kütleyi unutmamak gerekir: Depolama sırasında küçük hacimlerdeki saf radyoaktif malzeme arasında, parçaların birbirine bağlanmasını engelleyen bariyerler olmalıdır.
Radyasyon kaynakları
Nükleer yükü 82'den fazla olan tüm elementler radyoaktiftir. Hemen hemen tüm hafif kimyasal elementlerin radyoaktif izotopları vardır. Çekirdek ne kadar ağırsa, ömrü o kadar kısadır. Bazı elementler (Kaliforniya gibi) yalnızca yapay olarak elde edilebilir - çoğunlukla hızlandırıcılarda ağır atomları daha hafif parçacıklarla çarpıştırarak. Çok kararsız oldukları için yer kabuğunda bulunmazlar: gezegenin oluşumu sırasında çok hızlı bir şekilde diğer elementlere ayrışırlar. Uranyum gibi daha hafif çekirdekli maddeler çıkarılabilir. Bu işlem uzundur, ekstraksiyona uygun uranyum, çok zengin cevherlerde bile yüzde birden az içerir. üçüncü yol,belki de yeni bir jeolojik çağın başladığını gösterir. Bu, radyoaktif elementlerin radyoaktif atıklardan çıkarılmasıdır. Bir elektrik santralinde, bir deniz altıda veya uçak gemisinde yakıt harcandıktan sonra, orijinal uranyum ile fisyon sonucu nihai maddenin bir karışımı elde edilir. Şu anda, bu katı radyoaktif atık olarak kabul ediliyor ve çevreyi kirletmemeleri için bunların nasıl bertaraf edileceğine dair ciddi bir soru var. Ancak yakın gelecekte bu atıklardan hazır konsantre radyoaktif maddelerin (örneğin polonyum) çıkarılması muhtemeldir.
