Artikulli tregon se çfarë është ndarja bërthamore, si u zbulua dhe u përshkrua ky proces. Zbulohet përdorimi i tij si burim energjie dhe armësh bërthamore.
Atom "i pandarë"
Shekulli i njëzet e një është i mbushur me shprehje të tilla si "energjia e atomit", "teknologji bërthamore", "mbetje radioaktive". Herë pas here në titujt e gazetave ndizen mesazhe për mundësinë e ndotjes radioaktive të tokës, oqeaneve, akullit të Antarktidës. Sidoqoftë, një person i zakonshëm shpesh nuk e ka një ide shumë të mirë se çfarë është kjo fushë e shkencës dhe si ndihmon në jetën e përditshme. Vlen të fillohet, ndoshta, me historinë. Që në pyetjen e parë, të cilën e bëri një person i ushqyer dhe i veshur mirë, ai u interesua se si funksionon bota. Si sheh syri, pse veshi dëgjon, si ndryshon uji nga guri - kjo është ajo që i shqetësonte njerëzit e mençur që nga kohra të lashta. Edhe në Indinë dhe Greqinë e lashtë, disa mendje kureshtare sugjeruan se ekziston një grimcë minimale (quhej edhe "e pandashme") që ka vetitë e një materiali. Kimistët mesjetarë konfirmuan supozimin e të urtëve dhe përkufizimi modern i atomit është si vijon: një atom është grimca më e vogël e një lënde që është bartëse e vetive të saj.
Pjesë të një atomi
Megjithatë, zhvillimi i teknologjisë (nënë veçanti, fotografia) ka çuar në faktin se atomi nuk konsiderohet më grimca më e vogël e mundshme e materies. Dhe megjithëse një atom i vetëm është elektrikisht neutral, shkencëtarët kuptuan shpejt se ai përbëhet nga dy pjesë me ngarkesa të ndryshme. Numri i pjesëve të ngarkuara pozitivisht kompenson numrin e atyre negative, kështu që atomi mbetet neutral. Por nuk kishte asnjë model të qartë të atomit. Meqenëse fizika klasike dominonte ende gjatë asaj periudhe, u bënë supozime të ndryshme.
Modelet e atomit
Në fillim u propozua modeli "roll rrushi". Ngarkesa pozitive, si të thuash, mbushi të gjithë hapësirën e atomit dhe ngarkesat negative u shpërndanë në të, si rrushi i thatë në një simite. Eksperimenti i famshëm i Rutherford përcaktoi si vijon: një element shumë i rëndë me një ngarkesë pozitive (bërthama) ndodhet në qendër të atomit, dhe elektrone shumë më të lehta janë të vendosura përreth. Masa e bërthamës është qindra herë më e rëndë se shuma e të gjitha elektroneve (është 99.9 përqind e masës së të gjithë atomit). Kështu, lindi modeli planetar i atomit i Bohr-it. Megjithatë, disa nga elementët e tij kundërshtonin fizikën klasike të pranuar në atë kohë. Prandaj, u zhvillua një mekanikë e re kuantike. Me shfaqjen e saj filloi periudha jo klasike e shkencës.
Atom dhe radioaktivitet
Nga të gjitha sa më sipër, bëhet e qartë se bërthama është një pjesë e rëndë, e ngarkuar pozitivisht e atomit, e cila përbën pjesën më të madhe të tij. Kur kuantizimi i energjisë dhe pozicionet e elektroneve në orbitën e një atomi u kuptuan mirë, ishte koha për të kuptuarnatyra e bërthamës atomike. Radioaktiviteti i zgjuar dhe i zbuluar papritur erdhi në shpëtim. Ndihmoi për të zbuluar thelbin e pjesës së rëndë qendrore të atomit, pasi burimi i radioaktivitetit është ndarja bërthamore. Në kapërcyell të shekullit të nëntëmbëdhjetë dhe të njëzetë, zbulimet ranë njëra pas tjetrës. Zgjidhja teorike e një problemi kërkonte eksperimente të reja. Rezultatet e eksperimenteve krijuan teori dhe hipoteza që duheshin konfirmuar ose hedhur poshtë. Shpesh zbulimet më të mëdha kanë ardhur thjesht sepse kështu formula u bë e lehtë për t'u llogaritur (si, për shembull, kuanti i Max Planck). Edhe në fillim të epokës së fotografisë, shkencëtarët e dinin se kripërat e uraniumit ndezin një film fotosensiv, por ata nuk dyshuan se ndarja bërthamore ishte baza e këtij fenomeni. Prandaj, radioaktiviteti u studiua për të kuptuar natyrën e prishjes bërthamore. Natyrisht, rrezatimi u krijua nga tranzicionet kuantike, por nuk ishte plotësisht e qartë se cilat. Curies minuan radium të pastër dhe polonium, duke punuar pothuajse me dorë në mineral uraniumi, për t'iu përgjigjur kësaj pyetjeje.
Ngarkesa e rrezatimit radioaktiv
Rutherford bëri shumë për të studiuar strukturën e atomit dhe kontribuoi në studimin se si ndodh ndarja e bërthamës së atomit. Shkencëtari vendosi rrezatimin e emetuar nga një element radioaktiv në një fushë magnetike dhe mori një rezultat mahnitës. Doli se rrezatimi përbëhet nga tre përbërës: njëri ishte neutral, dhe dy të tjerët ishin të ngarkuar pozitivisht dhe negativisht. Studimi i ndarjes bërthamore filloi me përcaktimin e tijkomponentët. U vërtetua se bërthama mund të ndahet, të heqë dorë nga një pjesë e ngarkesës së saj pozitive.
Struktura e bërthamës
Më vonë doli se bërthama atomike përbëhet jo vetëm nga grimca të protoneve të ngarkuara pozitivisht, por edhe nga grimca neutrale të neutroneve. Së bashku ato quhen nukleone (nga anglishtja "nucleus", bërthama). Sidoqoftë, shkencëtarët përsëri hasën në një problem: masa e bërthamës (d.m.th., numri i nukleoneve) nuk korrespondonte gjithmonë me ngarkesën e tij. Në hidrogjen, bërthama ka një ngarkesë prej +1, dhe masa mund të jetë tre, dhe dy dhe një. Heliumi i radhës në tabelën periodike ka një ngarkesë bërthamore +2, ndërsa bërthama e tij përmban nga 4 deri në 6 nukleone. Elementet më komplekse mund të kenë shumë më tepër masa të ndryshme për të njëjtën ngarkesë. Variacione të tilla të atomeve quhen izotope. Për më tepër, disa izotopë rezultuan të ishin mjaft të qëndrueshëm, ndërsa të tjerët u prishën shpejt, pasi ato karakterizoheshin nga ndarje bërthamore. Cili parim korrespondonte me numrin e nukleoneve të qëndrueshmërisë së bërthamave? Pse shtimi i vetëm një neutroni në një bërthamë të rëndë dhe mjaft të qëndrueshme çoi në ndarjen e tij, në çlirimin e radioaktivitetit? Mjaft e çuditshme, përgjigja për këtë pyetje të rëndësishme nuk është gjetur ende. Në mënyrë empirike, doli se konfigurimet e qëndrueshme të bërthamave atomike korrespondojnë me sasi të caktuara të protoneve dhe neutroneve. Nëse ka 2, 4, 8, 50 neutrone dhe/ose protone në bërthamë, atëherë bërthama patjetër do të jetë e qëndrueshme. Këta numra madje quhen magji (dhe shkencëtarët e rritur, fizikanët bërthamorë, i quanin kështu). Kështu, ndarja e bërthamave varet nga masa e tyre, domethënë nga numri i nukleoneve të përfshira në to.
Rënie, guaskë, kristal
Nuk ishte e mundur të përcaktohej faktori që është përgjegjës për stabilitetin e bërthamës për momentin. Ekzistojnë shumë teori për modelin e strukturës së atomit. Tre më të famshmit dhe më të zhvilluarit shpesh kundërshtojnë njëra-tjetrën për çështje të ndryshme. Sipas të parës, bërthama është një pikë e një lëngu të veçantë bërthamor. Ashtu si uji, ai karakterizohet nga rrjedhshmëri, tension sipërfaqësor, bashkim dhe kalbje. Në modelin e guaskës, ka edhe nivele të caktuara të energjisë në bërthamë, të cilat janë të mbushura me nukleone. E treta thotë se bërthama është një medium që është i aftë të thyejë valë të veçanta (de Broglie), ndërsa indeksi i thyerjes është energjia potenciale. Megjithatë, asnjë model nuk ka qenë ende në gjendje të përshkruajë plotësisht pse, në një masë të caktuar kritike të këtij elementi të veçantë kimik, fillon ndarja bërthamore.
Si janë ndarjet
Radioaktiviteti, siç u përmend më lart, u gjet në substanca që mund të gjenden në natyrë: uranium, polonium, radium. Për shembull, uraniumi i pastër i sapominuar është radioaktiv. Procesi i ndarjes në këtë rast do të jetë spontan. Pa ndonjë ndikim të jashtëm, një numër i caktuar i atomeve të uraniumit do të lëshojnë grimca alfa, duke u shndërruar spontanisht në torium. Ekziston një tregues i quajtur gjysma e jetës. Tregon për çfarë periudhe kohore nga numri fillestar i pjesës do të mbetet rreth gjysma. Për çdo element radioaktiv, gjysma e jetës është e ndryshme - nga fraksionet e sekondës për Kaliforninë nëqindra mijëra vjet për uraniumin dhe ceziumin. Por ka edhe radioaktivitet të detyruar. Nëse bërthamat e atomeve bombardohen me protone ose grimca alfa (bërthamat e heliumit) me energji të lartë kinetike, ato mund të "ndahen". Mekanizmi i transformimit, natyrisht, është i ndryshëm nga mënyra se si thyhet vazoja e preferuar e nënës. Megjithatë, ka një analogji të caktuar.
Energjia atomike
Deri më tani, ne nuk i jemi përgjigjur një pyetjeje praktike: nga vjen energjia gjatë ndarjes bërthamore. Si fillim duhet sqaruar se gjatë formimit të bërthamës veprojnë forca speciale bërthamore, të cilat quhen ndërveprim i fortë. Meqenëse bërthama përbëhet nga shumë protone pozitive, pyetja mbetet se si ata ngjiten së bashku, sepse forcat elektrostatike duhet t'i largojnë ato nga njëra-tjetra mjaft fort. Përgjigja është e thjeshtë dhe jo në të njëjtën kohë: bërthama mbahet së bashku nga një shkëmbim shumë i shpejtë midis nukleoneve të grimcave të veçanta - pi-mezoneve. Kjo lidhje është tepër e shkurtër. Sapo ndërpritet shkëmbimi i pi-mezonëve, bërthama prishet. Dihet gjithashtu me siguri se masa e një bërthame është më e vogël se shuma e të gjithë nukleoneve përbërëse të saj. Ky fenomen quhet defekt në masë. Në fakt, masa që mungon është energjia që shpenzohet për ruajtjen e integritetit të bërthamës. Sapo një pjesë ndahet nga bërthama e një atomi, kjo energji lirohet dhe shndërrohet në nxehtësi në termocentralet bërthamore. Kjo do të thotë, energjia e ndarjes bërthamore është një demonstrim i qartë i formulës së famshme të Ajnshtajnit. Kujtojmë se formula thotë: energjia dhe masa mund të kthehen në njëra-tjetrën (E=mc2).
Teori dhe praktikë
Tani do t'ju tregojmë se si ky zbulim thjesht teorik përdoret në jetë për të prodhuar gigavat energji elektrike. Së pari, duhet të theksohet se reaksionet e kontrolluara përdorin ndarje të detyruar bërthamore. Më shpesh është uranium ose polonium, i cili bombardohet nga neutronet e shpejtë. Së dyti, është e pamundur të mos kuptohet se ndarja bërthamore shoqërohet me krijimin e neutroneve të reja. Si rezultat, numri i neutroneve në zonën e reagimit mund të rritet shumë shpejt. Çdo neutron përplaset me bërthama të reja, ende të paprekura, i ndan ato, gjë që çon në një rritje të lëshimit të nxehtësisë. Ky është reaksioni zinxhir i ndarjes bërthamore. Një rritje e pakontrolluar e numrit të neutroneve në një reaktor mund të çojë në një shpërthim. Kjo është pikërisht ajo që ndodhi në vitin 1986 në termocentralin bërthamor të Çernobilit. Prandaj, në zonën e reagimit ekziston gjithmonë një substancë që thith neutronet e tepërta, duke parandaluar një katastrofë. Është grafit në formën e shufrave të gjata. Shpejtësia e ndarjes bërthamore mund të ngadalësohet duke i zhytur shufrat në zonën e reagimit. Ekuacioni i reaksionit bërthamor është përpiluar posaçërisht për çdo substancë aktive radioaktive dhe grimcat që e bombardojnë atë (elektrone, protone, grimca alfa). Megjithatë, prodhimi përfundimtar i energjisë llogaritet sipas ligjit të ruajtjes: E1+E2=E3+E4. Kjo do të thotë, energjia totale e bërthamës dhe grimcës origjinale (E1 + E2) duhet të jetë e barabartë me energjinë e bërthamës që rezulton dhe energjinë e lëshuar në formë të lirë (E3 + E4). Ekuacioni i reaksionit bërthamor tregon gjithashtu se çfarë lloj lënde fitohet si rezultat i kalbjes. Për shembull, për uraniumin U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Izotopet e elementeve nuk janë renditur këtu.megjithatë, kjo është e rëndësishme. Për shembull, ekzistojnë deri në tre mundësi për ndarjen e uraniumit, në të cilin formohen izotopë të ndryshëm të plumbit dhe neonit. Në pothuajse njëqind për qind të rasteve, reaksioni i ndarjes bërthamore prodhon izotope radioaktive. Kjo do të thotë, prishja e uraniumit prodhon torium radioaktiv. Thorium mund të kalbet në protaktinium, ai në aktinium, e kështu me radhë. Si bismuti ashtu edhe titani mund të jenë radioaktivë në këtë seri. Edhe hidrogjeni, i cili përmban dy protone në bërthamë (në shkallën e një protoni), quhet ndryshe - deuterium. Uji i formuar me hidrogjen të tillë quhet ujë i rëndë dhe mbush qarkun parësor në reaktorët bërthamorë.
Atom jopaqësor
Shprehje të tilla si "gara e armëve", "lufta e ftohtë", "kërcënimi bërthamor" mund të duken historike dhe të parëndësishme për një person modern. Por një herë e një kohë, çdo publikim i lajmeve pothuajse në të gjithë botën shoqërohej me raporte se sa lloje të armëve bërthamore u shpikën dhe si të merren me to. Njerëzit ndërtuan bunkerë nëntokësorë dhe grumbulloheshin në rast të një dimri bërthamor. Familje të tëra punuan për ndërtimin e strehës. Edhe përdorimi paqësor i reaksioneve të ndarjes bërthamore mund të çojë në katastrofë. Duket se Çernobili i mësoi njerëzimit të ishte i kujdesshëm në këtë fushë, por elementët e planetit doli të ishin më të fortë: tërmeti në Japoni dëmtoi fortifikimet shumë të besueshme të termocentralit bërthamor Fukushima. Energjia e një reaksioni bërthamor është shumë më e lehtë për t'u përdorur për shkatërrim. Teknologët duhet vetëm të kufizojnë forcën e shpërthimit, në mënyrë që të mos shkatërrojnë aksidentalisht të gjithë planetin. Bombat më "humane", nëse mund t'i quani kështu, nuk e ndotin mjedisin me rrezatim. Në përgjithësi, ata përdorin më shpeshreaksion zinxhir i pakontrolluar. Ajo që ata përpiqen të shmangin me të gjitha mjetet në termocentralet bërthamore, arrihet me bomba në një mënyrë shumë primitive. Për çdo element radioaktiv natyral, ekziston një masë e caktuar kritike e substancës së pastër në të cilën një reaksion zinxhir lind vetvetiu. Për uraniumin, për shembull, është vetëm pesëdhjetë kilogramë. Meqenëse uraniumi është shumë i rëndë, ai është vetëm një top i vogël metalik me diametër 12-15 centimetra. Bombat e para atomike të hedhura në Hiroshima dhe Nagasaki u bënë pikërisht sipas këtij parimi: dy pjesë të pabarabarta të uraniumit të pastër thjesht u kombinuan dhe krijuan një shpërthim të tmerrshëm. Armët moderne janë ndoshta më të sofistikuara. Megjithatë, nuk duhet harruar masën kritike: duhet të ketë barriera midis vëllimeve të vogla të materialit të pastër radioaktiv gjatë ruajtjes, duke penguar lidhjen e pjesëve.
Burimet e rrezatimit
Të gjithë elementët me ngarkesë bërthamore më të madhe se 82 janë radioaktive. Pothuajse të gjithë elementët kimikë më të lehtë kanë izotope radioaktive. Sa më e rëndë të jetë bërthama, aq më e shkurtër është jeta e saj. Disa elementë (si Kalifornia) mund të merren vetëm artificialisht - duke përplasur atomet e rënda me grimcat më të lehta, më shpesh në përshpejtues. Meqenëse janë shumë të paqëndrueshme, ato nuk ekzistojnë në koren e tokës: gjatë formimit të planetit, ato u shpërbënë shumë shpejt në elementë të tjerë. Substancat me bërthama më të lehta, si uraniumi, mund të minohen. Ky proces është i gjatë, uraniumi i përshtatshëm për nxjerrje, edhe në xehe shumë të pasura, përmban më pak se një për qind. rruga e tretë,ndoshta tregon se një epokë e re gjeologjike tashmë ka filluar. Ky është nxjerrja e elementeve radioaktive nga mbetjet radioaktive. Pasi harxhohet karburanti në një termocentral, në një nëndetëse ose aeroplanmbajtëse, fitohet një përzierje e uraniumit origjinal dhe substancës përfundimtare, rezultat i ndarjes. Për momentin, këto konsiderohen mbetje të ngurta radioaktive dhe lind një pyetje akute se si t'i asgjësoni ato në mënyrë që të mos ndotin mjedisin. Megjithatë, ka të ngjarë që në të ardhmen e afërt, substanca radioaktive të gatshme të përqendruara (për shembull, polonium) do të nxirren nga këto mbetje.
