Članak govori o tome što je nuklearna fisija, kako je taj proces otkriven i opisan. Otkriva se njegova upotreba kao izvora energije i nuklearnog oružja.
"Nedjeljiv" atom
Dvadeset i prvo stoljeće prepuno je izraza kao što su "energija atoma", "nuklearna tehnologija", "radioaktivni otpad". S vremena na vrijeme u novinskim naslovima bljesne poruke o mogućnosti radioaktivne kontaminacije tla, oceana, leda Antarktika. Međutim, običan čovjek često nema baš dobru ideju o tome što je ovo područje znanosti i kako pomaže u svakodnevnom životu. Vrijedno je početi, možda, s poviješću. Već od prvog pitanja, koje mu je postavila dobro uhranjena i odjevena osoba, zanimalo ga je kako svijet funkcionira. Kako oko vidi, zašto uho čuje, kako se voda razlikuje od kamena - to je od pamtivijeka brinulo mudrace. Čak su i u staroj Indiji i Grčkoj neki radoznali umovi sugerirali da postoji minimalna čestica (također se zvala "nedjeljiva") koja ima svojstva materijala. Srednjovjekovni kemičari potvrdili su nagađanje mudraca, a moderna definicija atoma je sljedeća: atom je najmanja čestica tvari koja je nositelj njezinih svojstava.
Dijelovi atoma
Međutim, razvoj tehnologije (inposebice fotografija) dovela je do toga da se atom više ne smatra najmanjom mogućom česticom materije. I iako je jedan atom električno neutralan, znanstvenici su brzo shvatili da se sastoji od dva dijela s različitim nabojima. Broj pozitivno nabijenih dijelova kompenzira broj negativnih, pa atom ostaje neutralan. Ali nije postojao nedvosmislen model atoma. Budući da je klasična fizika još uvijek dominirala tijekom tog razdoblja, napravljene su različite pretpostavke.
Atom modeli
Na početku je predložen model “rolade s grožđicama”. Pozitivan naboj je, takoreći, ispunio cijeli prostor atoma, a negativni naboji su bili raspoređeni u njemu, poput grožđica u lepinji. Poznati Rutherfordov eksperiment utvrdio je sljedeće: vrlo težak element s pozitivnim nabojem (jezgra) nalazi se u središtu atoma, a okolo se nalaze mnogo lakši elektroni. Masa jezgre je stotine puta teža od zbroja svih elektrona (to je 99,9 posto mase cijelog atoma). Tako je rođen Bohrov planetarni model atoma. Međutim, neki od njegovih elemenata bili su u suprotnosti s tada prihvaćenom klasičnom fizikom. Stoga je razvijena nova, kvantna mehanika. Njegovom pojavom započelo je neklasično razdoblje znanosti.
Atom i radioaktivnost
Iz svega navedenog postaje jasno da je jezgra težak, pozitivno nabijen dio atoma, koji čini njegovu masu. Kada su kvantizacija energije i položaji elektrona u orbiti atoma bili dobro shvaćeni, došlo je vrijeme za razumijevanjepriroda atomske jezgre. U pomoć je priskočila genijalna i neočekivano otkrivena radioaktivnost. Pomoglo je otkriti bit teškog središnjeg dijela atoma, budući da je izvor radioaktivnosti nuklearna fisija. Na prijelazu iz devetnaestog u dvadeseto stoljeće, otkrića su pljuštala jedno za drugim. Teorijsko rješenje jednog problema zahtijevalo je nove eksperimente. Rezultati eksperimenata dali su povod za teorije i hipoteze koje je trebalo potvrditi ili opovrgnuti. Često su najveća otkrića nastala jednostavno zato što je tako formulu postalo lako izračunati (poput, na primjer, kvanta Maxa Plancka). Još na početku ere fotografije znanstvenici su znali da soli urana osvjetljavaju fotoosjetljivi film, ali nisu sumnjali da je nuklearna fisija temelj ovog fenomena. Stoga je radioaktivnost proučavana kako bi se razumjela priroda nuklearnog raspada. Očito, zračenje je generirano kvantnim prijelazima, ali nije bilo sasvim jasno koje. Curijevi su rudarili čisti radij i polonij, radeći gotovo ručno u rudi urana, kako bi odgovorili na ovo pitanje.
Naboj radioaktivnog zračenja
Rutherford je učinio mnogo na proučavanju strukture atoma i pridonio proučavanju kako dolazi do fisije atomske jezgre. Znanstvenik je zračenje koje emitira radioaktivni element smjestio u magnetsko polje i dobio nevjerojatan rezultat. Pokazalo se da se zračenje sastoji od tri komponente: jedna je bila neutralna, a druge dvije pozitivno i negativno nabijene. Proučavanje nuklearne fisije započelo je definicijom njezinekomponente. Dokazano je da se jezgra može podijeliti, odreći dijela svog pozitivnog naboja.
Struktura jezgre
Kasnije se pokazalo da se atomska jezgra sastoji ne samo od pozitivno nabijenih čestica protona, već i od neutralnih čestica neutrona. Zajedno se nazivaju nukleoni (od engleskog "nucleus", jezgra). Međutim, znanstvenici su ponovno naišli na problem: masa jezgre (odnosno broj nukleona) nije uvijek odgovarala njezinu naboju. U vodiku jezgra ima naboj +1, a masa može biti tri, dva i jedan. Helij sljedeći u periodnom sustavu ima nuklearni naboj od +2, dok njegova jezgra sadrži od 4 do 6 nukleona. Složeniji elementi mogu imati mnogo više različitih masa za isti naboj. Takve varijacije atoma nazivaju se izotopi. Štoviše, neki izotopi su se pokazali prilično stabilnima, dok su se drugi brzo raspadali, budući da su bili karakterizirani nuklearnom fisijom. Koji princip je odgovarao broju nukleona stabilnosti jezgri? Zašto je dodavanje samo jednog neutrona teškoj i prilično stabilnoj jezgri dovelo do njezina cijepanja, do oslobađanja radioaktivnosti? Začudo, odgovor na ovo važno pitanje još nije pronađen. Empirijski se pokazalo da stabilne konfiguracije atomskih jezgri odgovaraju određenim količinama protona i neutrona. Ako u jezgri ima 2, 4, 8, 50 neutrona i/ili protona, tada će jezgra sigurno biti stabilna. Ti se brojevi čak nazivaju magijom (a tako su ih zvali odrasli znanstvenici, nuklearni fizičari). Dakle, fisija jezgri ovisi o njihovoj masi, odnosno o broju nukleona uključenih u njih.
Kap, školjka, kristal
Nije bilo moguće odrediti faktor koji je u ovom trenutku odgovoran za stabilnost jezgre. Postoje mnoge teorije o modelu strukture atoma. Tri najpoznatija i razvijena često su međusobno proturječna po raznim pitanjima. Prema prvom, jezgra je kap posebne nuklearne tekućine. Poput vode, karakterizira je fluidnost, površinska napetost, spajanje i propadanje. U modelu ljuske također postoje određene energetske razine u jezgri, koje su ispunjene nukleonima. Treći navodi da je jezgra medij koji je sposoban lomiti posebne valove (de Broglie), dok je indeks loma potencijalna energija. Međutim, nijedan model još nije mogao u potpunosti opisati zašto, pri određenoj kritičnoj masi ovog konkretnog kemijskog elementa, počinje nuklearna fisija.
Kakvi su prekidi
Radioaktivnost, kao što je gore spomenuto, pronađena je u tvarima koje se mogu naći u prirodi: uran, polonij, radij. Na primjer, svježe iskopani, čisti uran je radioaktivan. Proces cijepanja u ovom slučaju bit će spontan. Bez ikakvih vanjskih utjecaja, određeni broj atoma urana emitirat će alfa čestice koje se spontano pretvaraju u torij. Postoji indikator koji se zove poluživot. Pokazuje za koje vremensko razdoblje od početnog broja dijela ostaje otprilike polovica. Za svaki radioaktivni element, vrijeme poluraspada je različito – od djelića sekunde za Kaliforniju dostotine tisuća godina za uran i cezij. Ali postoji i prisilna radioaktivnost. Ako se jezgre atoma bombardiraju protonima ili alfa česticama (jezgre helija) s visokom kinetičkom energijom, mogu se "rascijepiti". Mehanizam transformacije, naravno, razlikuje se od načina na koji se razbije majčina omiljena vaza. Međutim, postoji određena analogija.
Energija atoma
Do sada nismo odgovorili na praktično pitanje: odakle dolazi energija tijekom nuklearne fisije. Za početak, mora se pojasniti da tijekom formiranja jezgre djeluju posebne nuklearne sile, koje se nazivaju jakom interakcijom. Budući da se jezgra sastoji od mnogo pozitivnih protona, ostaje pitanje kako se drže zajedno, jer ih elektrostatičke sile moraju prilično snažno odmaknuti jedne od drugih. Odgovor je jednostavan i ne u isto vrijeme: jezgra se drži na okupu vrlo brzom razmjenom između nukleona posebnih čestica - pi-mezona. Ova veza živi nevjerojatno kratko. Čim prestane izmjena pi-mezona, jezgra se raspada. Također je pouzdano poznato da je masa jezgre manja od zbroja svih nukleona koji su u njoj sastavljeni. Taj se fenomen naziva defekt mase. Zapravo, masa koja nedostaje je energija koja se troši na održavanje integriteta jezgre. Čim se neki dio odvoji od jezgre atoma, ta energija se oslobađa i pretvara u toplinu u nuklearnim elektranama. Odnosno, energija nuklearne fisije jasna je demonstracija poznate Einsteinove formule. Podsjetimo da formula kaže: energija i masa se mogu pretvoriti jedna u drugu (E=mc2).
Teorija i praksa
Sada ćemo vam reći kako se ovo čisto teorijsko otkriće koristi u životu za proizvodnju gigavata električne energije. Prvo, treba napomenuti da kontrolirane reakcije koriste prisilnu nuklearnu fisiju. Najčešće je to uran ili polonij koji je bombardiran brzim neutronima. Drugo, nemoguće je ne razumjeti da je nuklearna fisija popraćena stvaranjem novih neutrona. Kao rezultat toga, broj neutrona u reakcijskoj zoni može se vrlo brzo povećati. Svaki neutron sudara se s novim, još netaknutim jezgrama, rascjepljuje ih, što dovodi do povećanja oslobađanja topline. Ovo je lančana reakcija nuklearne fisije. Nekontrolirano povećanje broja neutrona u reaktoru može dovesti do eksplozije. Upravo se to dogodilo 1986. godine u nuklearnoj elektrani u Černobilu. Stoga u zoni reakcije uvijek postoji tvar koja apsorbira višak neutrona, sprječavajući katastrofu. To je grafit u obliku dugih šipki. Brzina nuklearne fisije može se usporiti uranjanjem štapova u reakcijsku zonu. Jednadžba nuklearne reakcije sastavljena je posebno za svaku aktivnu radioaktivnu tvar i čestice koje je bombardiraju (elektroni, protoni, alfa čestice). Međutim, konačni izlaz energije izračunava se prema zakonu održanja: E1+E2=E3+E4. To jest, ukupna energija izvorne jezgre i čestice (E1 + E2) mora biti jednaka energiji rezultirajuće jezgre i energiji oslobođenoj u slobodnom obliku (E3 + E4). Jednadžba nuklearne reakcije također pokazuje kakva se tvar dobiva kao rezultat raspadanja. Na primjer, za uran U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Izotopi elemenata ovdje nisu navedeni.međutim, ovo je važno. Primjerice, postoje čak tri mogućnosti za fisiju urana, pri čemu nastaju različiti izotopi olova i neona. U gotovo sto posto slučajeva reakcija nuklearne fisije proizvodi radioaktivne izotope. Odnosno, raspadom urana nastaje radioaktivni torij. Torij se može raspasti do protaktinija, taj do aktinija i tako dalje. I bizmut i titan mogu biti radioaktivni u ovoj seriji. Čak se i vodik, koji sadrži dva protona u jezgri (brzinom jednog protona), drugačije naziva - deuterij. Voda nastala takvim vodikom naziva se teška voda i ispunjava primarni krug u nuklearnim reaktorima.
Nemirni atom
Izrazi kao što su "utrka u naoružanju", "hladni rat", "nuklearna prijetnja" mogu se modernoj osobi činiti povijesnim i irelevantnim. No, nekoć je svako priopćenje vijesti gotovo diljem svijeta bilo popraćeno izvješćima o tome koliko je vrsta nuklearnog oružja izumljeno i kako se s njima nositi. Ljudi su gradili podzemne bunkere i spremali zalihe za slučaj nuklearne zime. Na izgradnji skloništa radile su cijele obitelji. Čak i miroljubiva uporaba reakcija nuklearne fisije može dovesti do katastrofe. Čini se da je Černobil naučio čovječanstvo da bude oprezan na ovom području, ali elementi planeta su se pokazali jačima: potres u Japanu oštetio je vrlo pouzdane utvrde nuklearne elektrane Fukushima. Energiju nuklearne reakcije mnogo je lakše iskoristiti za uništenje. Tehnolozi samo trebaju ograničiti snagu eksplozije, kako slučajno ne bi uništili cijeli planet. „Najhumanije“bombe, ako ih tako možete nazvati, ne zagađuju okolinu zračenjem. Općenito, najčešće koristenekontrolirana lančana reakcija. Ono što u nuklearnim elektranama nastoje izbjeći svim sredstvima postiže se u bombama na vrlo primitivan način. Za bilo koji prirodno radioaktivni element postoji određena kritična masa čiste tvari u kojoj se lančana reakcija rađa sama od sebe. Za uran je, na primjer, samo pedeset kilograma. Budući da je uran vrlo težak, to je samo mala metalna kuglica promjera 12-15 centimetara. Prve atomske bombe bačene na Hirošimu i Nagasaki napravljene su upravo prema ovom principu: dva nejednaka dijela čistog urana jednostavno su se spojila i izazvala zastrašujuću eksploziju. Moderno oružje vjerojatno je sofisticiranije. Međutim, ne treba zaboraviti na kritičnu masu: moraju postojati barijere između malih količina čistog radioaktivnog materijala tijekom skladištenja, sprječavajući dijelove da se spoje.
Izvori zračenja
Svi elementi s nuklearnim nabojem većim od 82 su radioaktivni. Gotovo svi lakši kemijski elementi imaju radioaktivne izotope. Što je jezgra teža, to je njezin životni vijek kraći. Neki elementi (poput Kalifornije) mogu se dobiti samo umjetno – sudarom teških atoma s lakšim česticama, najčešće u akceleratorima. Budući da su vrlo nestabilni, ne postoje u zemljinoj kori: tijekom formiranja planeta vrlo su se brzo raspali na druge elemente. Tvari s lakšim jezgrama, kao što je uran, mogu se kopati. Ovaj proces je dug, uran pogodan za vađenje, čak iu vrlo bogatim rudama, sadrži manje od jedan posto. treći način,možda ukazuje da je nova geološka epoha već započela. To je ekstrakcija radioaktivnih elemenata iz radioaktivnog otpada. Nakon što se gorivo potroši u elektrani, na podmornici ili nosaču zrakoplova, dobiva se mješavina izvornog urana i konačne tvari, rezultat fisije. Trenutno se to smatra čvrstim radioaktivnim otpadom i postavlja se akutno pitanje kako ga zbrinuti da ne zagađuje okoliš. Međutim, vrlo je vjerojatno da će se u bliskoj budućnosti iz tog otpada iskopavati gotove koncentrirane radioaktivne tvari (na primjer polonij).
