Fissão nuclear: o processo de divisão do núcleo atômico. Reacções Nucleares

O artigo fala sobre a fissão nuclear, como este processo foi descoberto e descrito. Revela seu uso como fonte de energia e armas nucleares.

Átomo "indivisível"

O século XXI está cheio de tais expressões,como "energia do átomo", "tecnologia nuclear", "lixo radioativo". De vez em quando, manchetes de jornais mostram mensagens sobre a possibilidade de contaminação radioativa do solo, oceanos, gelo da Antártida. No entanto, uma pessoa comum muitas vezes não imagina muito bem que tipo de campo da ciência e como isso ajuda na vida cotidiana. Vale a pena começar, talvez, com a história. Desde a primeira pergunta feita por uma pessoa bem alimentada e vestida, ele estava interessado em como o mundo funciona. Como o olho vê, por que ele ouve a orelha, então a água difere da pedra - isso é o que preocupou os sábios desde o começo. Na antiga Índia e na Grécia, algumas mentes inquisitivas assumiram que existe uma partícula mínima (também chamada de "indivisível"), possuindo as propriedades do material. Os químicos medievais confirmaram o palpite dos sábios, e a definição moderna do átomo é a seguinte: um átomo é a menor partícula de uma substância que é portadora de suas propriedades.

Partes do átomo

Contudo, o desenvolvimento da tecnologia (em particular,fotos) levou ao fato de que o átomo deixou de ser considerado a menor partícula possível de matéria. E, embora um único átomo seja eletricamente neutro, os cientistas logo perceberam que ele consiste em duas partes com cargas diferentes. O número de partes carregadas positivamente compensa o número de partículas negativas, então o átomo permanece neutro. Mas não havia um modelo de valor único do átomo. Como naquela época a física clássica ainda dominava, várias suposições eram expressas.

Modelos do Atom

Inicialmente, um modelo de "raisin-roll" foi proposto. A carga positiva parecia preencher todo o espaço do átomo, e nela, como as passas em um pão, distribuíam-se cargas negativas. A famosa experiência de Rutherford determinou o seguinte: no centro do átomo está um elemento muito pesado com uma carga positiva (o núcleo), e ao redor dele há elétrons muito mais leves. A massa do núcleo é centenas de vezes mais pesada que a soma de todos os elétrons (é 99,9% da massa do átomo inteiro). Assim, o modelo planetário do átomo de Bohr nasceu. No entanto, alguns de seus elementos contradiziam a física clássica aceita na época. Portanto, uma nova mecânica quântica foi desenvolvida. Com sua aparência, o período não-clássico da ciência começou.

Átomo e radioatividade

De tudo o que foi dito acima, fica claro queo núcleo é uma parte pesada e carregada positivamente do átomo, que é sua massa principal. Quando a quantização da energia e das posições dos elétrons na órbita do átomo foi bem estudada, chegou a hora de entender a natureza do núcleo atômico. Para a ajuda veio a engenhosa e inesperadamente aberta radioatividade. Ajudou a revelar a essência da parte central pesada do átomo, já que a fonte da radioatividade é a fissão dos núcleos. Na virada dos séculos XIX e XX, as descobertas caíram uma após a outra. A solução teórica de um problema causou a necessidade de novos experimentos. Os resultados dos experimentos geraram teorias e hipóteses que precisavam ser confirmadas ou refutadas. Muitas vezes, as maiores descobertas surgiram simplesmente porque era dessa maneira que a fórmula se tornava conveniente para cálculos (como, por exemplo, o quantum de Max Planck). Mesmo no começo da era, os cientistas sabiam que os sais de urânio acendiam um filme fotossensível, mas não suspeitavam que a fissão nuclear estivesse no centro desse fenômeno. Portanto, a radioatividade foi estudada para entender a natureza do decaimento do núcleo. Obviamente, a radiação foi gerada por transições quânticas, mas não ficou completamente claro o que exatamente. O casal Curie extraiu o rádio limpo e o polônio, processando quase manualmente o minério de urânio para obter uma resposta a essa pergunta.

A carga da radiação radioativa

Rutherford fez muito para estudar a estruturaátomo e contribuiu para o estudo de como a fissão do núcleo do átomo ocorre. O cientista colocou a radiação emitida pelo elemento radioativo em um campo magnético e recebeu um resultado surpreendente. Descobriu-se que a radiação consiste em três componentes: um era neutro e os outros dois - carregados positiva e negativamente. O estudo da fissão nuclear começou com a determinação de seus componentes. Ficou provado que o núcleo pode se dividir, desistir de parte de sua carga positiva.

A estrutura do núcleo

Mais tarde descobriu-se que o núcleo atômico não ésomente a partir de partículas de prótons carregadas positivamente, mas também partículas neutras de nêutrons. Todos juntos eles são chamados de núcleons (do inglês "núcleo", o núcleo). No entanto, os cientistas novamente se depararam com um problema: a massa do núcleo (isto é, o número de núcleons) nem sempre correspondia à sua carga. No hidrogênio, o núcleo tem uma carga de +1, e a massa pode ser três, e dois, e um. A carga seguinte é seguida por uma carga do núcleo +2 na tabela periódica de hélio, enquanto seu núcleo contém de 4 a 6 núcleons. Elementos mais complexos podem ter um número muito maior de massas diferentes com a mesma carga. Tais variações de átomos são chamadas de isótopos. E alguns isótopos mostraram-se bastante estáveis, enquanto outros rapidamente se desintegraram, como para eles a fissão de núcleos era característica. A que princípio o número de núcleons de estabilidade de núcleos correspondeu? Por que a adição de apenas um nêutron a um núcleo pesado e completamente estável levou à sua separação, à radioatividade? Estranhamente, a resposta a esta importante questão ainda não foi encontrada. Foi descoberto experimentalmente que configurações estáveis ​​de núcleos atômicos correspondem a certas quantidades de prótons e nêutrons. Se houver 2, 4, 8, 50 nêutrons e / ou prótons no núcleo, o núcleo ficará inequivocamente estável. Esses números são até chamados de mágicos (e foram nomeados por cientistas adultos, físicos nucleares). Assim, a fissão dos núcleos depende de sua massa, isto é, do número de núcleons que entram neles.

Soltar, concha, cristal

Identifique o fator responsável porestabilidade do núcleo, no momento em que não era possível. Existem muitas teorias do modelo da estrutura do átomo. Os três mais famosos e desenvolvidos muitas vezes se contradizem em diferentes questões. Segundo o primeiro, o núcleo é uma gota de um líquido nuclear especial. Como a água, é caracterizada pela fluidez, tensão superficial, fusão e decaimento. No modelo shell no núcleo, também, existem certos níveis de energia que são preenchidos com núcleons. O terceiro afirma que o núcleo é um ambiente que é capaz de refração de ondas especiais (ondas de Broglie), enquanto o índice de refração é a energia potencial. Entretanto, nenhum modelo foi capaz de descrever completamente por que, em uma certa massa crítica desse elemento químico em particular, a divisão do núcleo começa.

Qual é o colapso

A radioatividade, como já mencionado acima, foiEncontra-se em substâncias que podem ser encontradas na natureza: urânio, polônio, rádio. Por exemplo, o urânio puro recém-extraído é radioativo. O processo de divisão neste caso será espontâneo. Sem quaisquer influências externas, um certo número de átomos de urânio emitirá partículas alfa, transformando-se espontaneamente em tório. Existe um indicador chamado meia-vida. Mostra, para que intervalo de tempo de um número inicial de uma parte haverá aproximadamente a metade. Para cada elemento radioativo, sua meia-vida é de frações de segundo para a Califórnia até centenas de milhares de anos para urânio e césio. Mas também há radioatividade forçada. Se os núcleos atômicos são bombardeados com prótons ou partículas alfa (núcleos de hélio) com alta energia cinética, eles podem "se dividir". O mecanismo de transformação, é claro, difere de como o vaso da amada mãe é quebrado. No entanto, uma certa analogia é traçada.

A energia do átomo

Até agora não respondemos a questão da práticacaráter: de onde a fissão do núcleo leva energia. Para começar, deve-se esclarecer que, quando um núcleo é formado, forças nucleares especiais operam, que são chamadas de interações fortes. Como o núcleo consiste em um conjunto de prótons positivos, a questão permanece sobre como eles se encaixam, porque as forças eletrostáticas devem repelir-se fortemente uns dos outros. A resposta é simples e não: o núcleo é mantido à custa de uma troca muito rápida entre os núcleons por partículas especiais-pi-mésons. Essa conexão vive incrivelmente pequena. Assim que a troca de pions é interrompida, o núcleo decai. Sabe-se também que a massa do núcleo é menor que a soma de todos os seus núcleons constituintes. Esse fenômeno foi chamado de defeito de massa. De fato, a massa que falta é a energia gasta na manutenção da integridade do núcleo. Assim que uma parte do núcleo do átomo se separa, essa energia é liberada e convertida em calor em usinas nucleares. Ou seja, a energia da fissão nuclear é uma demonstração visual da famosa fórmula de Einstein. Lembre-se, a fórmula diz: energia e massa podem ser convertidas umas nas outras (E = mc²).

Teoria e prática

Agora vamos falar sobre como isso é puramente teóricoA descoberta é usada na vida para gerar gigawatts de eletricidade. Primeiro, deve-se notar que, nas reações controladas, a fissão nuclear forçada é usada. Na maioria das vezes, é urânio ou polônio, que é bombardeado por nêutrons rápidos. Em segundo lugar, não se pode deixar de entender que a fissão dos núcleos é acompanhada pela criação de novos nêutrons. Como resultado, o número de nêutrons na zona de reação pode crescer muito rapidamente. Cada nêutron colide com núcleos novos, ainda inteiros, divide-os, o que leva a um aumento na liberação de calor. Esta é a reação em cadeia da fissão nuclear. O aumento descontrolado do número de nêutrons no reator pode levar a uma explosão. Foi o que aconteceu em 1986 na usina nuclear de Chernobyl. Portanto, na zona de reação, há sempre uma substância que absorve o excesso de nêutrons, evitando uma catástrofe. É grafite na forma de hastes longas. A taxa de fissão dos núcleos pode ser retardada pela imersão das hastes na zona de reação. A equação da reação nuclear é compilada especificamente para cada substância radioativa ativa e suas partículas que a bombardeiam (elétrons, prótons, partículas alfa). No entanto, a produção final de energia é calculada de acordo com a lei de conservação: E1 + E2 = E3 + E4. Ou seja, a energia total do núcleo inicial e da partícula (E1 + E2) deve ser igual à energia do núcleo resultante e a energia liberada (E3 + E4). A equação da reação nuclear também mostra qual substância é produzida como resultado do decaimento. Por exemplo, para urânio U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Não são mostrados isótopos de elementos químicos, mas isso é importante. Por exemplo, existem até três possibilidades de fissão de urânio, nas quais diferentes isótopos de chumbo e néon são formados. Em quase cem por cento dos casos, a reação de fissão nuclear produz isótopos radioativos. Ou seja, o decaimento do urânio produz tório radioativo. O tório é capaz de dissolver-se antes do protactínio, isto - a actinia, e assim por diante. Radioativo nesta série pode ser bismuto e titânio. Até mesmo o hidrogênio, que contém dois prótons no núcleo (na proporção de um próton), é chamado de maneira diferente - deutério. A água formada com esse hidrogênio é chamada de pesada e preenche o primeiro circuito em reatores nucleares.

Átomo não pacífico

Expressões como a "corrida armamentista""Guerra Fria", "ameaça nuclear" ao homem moderno pode parecer histórica e irrelevante. Mas, ao mesmo tempo, todas as edições de notícias em quase todo o mundo foram acompanhadas por relatórios sobre quantos tipos de armas nucleares foram inventadas e como lidar com isso. As pessoas construíram bunkers subterrâneos e fizeram reservas no caso de um inverno nuclear. Famílias inteiras trabalharam para estabelecer asilo. Até mesmo o uso pacífico de reações de fissão nuclear pode levar à catástrofe. Parece que Chernobyl ensinou a humanidade a precisão nesta área, mas os elementos do planeta se mostraram mais fortes: o terremoto no Japão danificou o fortalecimento muito confiável da usina nuclear de Fukushima. A energia da reação nuclear é muito mais fácil de usar para a destruição. Os tecnólogos só precisam limitar o poder da explosão, de modo a não destruir o planeta inteiro inadvertidamente. As bombas mais "humanitárias", se podem ser chamadas assim, não poluem a vizinhança com radiação. Em geral, eles geralmente usam uma reação em cadeia descontrolada. O que eles estão tentando evitar em usinas nucleares é bombardeado de uma maneira muito primitiva. Para qualquer elemento naturalmente radioativo, existe alguma massa crítica de matéria pura na qual a reação em cadeia é gerada por si mesma. Para o urânio, por exemplo, são apenas cinquenta quilos. Como o urânio é muito pesado, é apenas uma pequena bola de metal de 12 a 15 centímetros de diâmetro. As primeiras bombas atômicas lançadas sobre Hiroshima e Nagasaki foram feitas precisamente com base nesse princípio: duas partes desiguais de urânio puro foram simplesmente conectadas e deram origem a uma explosão aterradora. Armas modernas são provavelmente mais complexas. No entanto, não deve ser esquecido sobre a massa crítica: entre pequenos volumes de material radioativo puro durante o armazenamento, deve haver barreiras que não permitem a conexão de peças.

Fontes de radiação

Todos os elementos com uma carga de núcleo atômico maior que 82são radioativos. Quase todos os elementos químicos mais leves possuem isótopos radioativos. Quanto mais pesado o núcleo, menos tempo de vida. Alguns elementos (como a Califórnia) só podem ser obtidos artificialmente - batendo átomos pesados ​​com partículas mais leves, na maioria das vezes em aceleradores. Como são muito instáveis, não existem na crosta terrestre: quando formaram o planeta, rapidamente se desintegraram em outros elementos. Substâncias com núcleos mais leves, como o urânio, podem ser extraídas. Este longo processo, adequado para a mineração de urânio, mesmo em minérios muito ricos, contém menos de 1%. A terceira via, talvez, indica que a nova época geológica já começou. Esta é a extração de elementos radioativos do lixo radioativo. Depois de trabalhar fora o combustível em uma central elétrica, em um submarino ou porta-aviões, é obtida uma mistura do urânio inicial e a substância final, o resultado da fissão. No momento, isso é considerado resíduo radioativo sólido e é urgente descartá-los para que não poluam o meio ambiente. No entanto, é provável que, no futuro próximo, substâncias radioativas concentradas já preparadas (por exemplo, o polônio) sejam extraídas desses resíduos.