Ydinfissio
Stabiilien alkuaineiden isotooppien löytäminen ja alkuvarauksen mittausten jalostaminen olivat sodanjälkeisen fysiikan (1917-1918) ensimmäisiä saavutuksia. Vuonna 1919 tehtiin uusi sensaatiomainen löytö - ytimen keinotekoinen fissio. Tämän löydön teki Rutherford Cambridgessa Cavendishin laboratoriossa, jota hän johti samana vuonna 1919.
Rutherford tutki alfahiukkasten törmäystä kevyiden atomien kanssa. Alfahiukkasten törmäykset tällaisten atomien ytimien kanssa pitäisi kiihdyttää niitä. Siten kun alfahiukkanen osuu vetyytimeen, se lisää nopeuttaan 1,6-kertaiseksi ja ydin vie 64% energiastaan alfahiukkaselta. Tällaiset kiihtyneet ytimet havaitaan helposti tuikeilla, joita esiintyy, kun ne osuvat sinkkisulfidiverkkoon. Marsden itse asiassa havaitsi ne vuonna 1914.
Rutherford jatkoi Marsdenin kokeita, mutta kuten hän itse totesi, nämä kokeet "suoritettiin hyvin epäsäännöllisin väliajoin, kuten päivittäiset toimet ja sotaan liittyvät työt sallivat..." "Kokeet jopa pysähtyivät kokonaan pitkäksi aikaa." Vasta sodan päätyttyä kokeita suoritettiin säännöllisesti, ja niiden tulokset julkaistiin vuonna 1919 neljässä artikkelissa yleisnimellä "α-hiukkasten törmäykset kevyiden atomien kanssa".
Rutherfordin tällaisten törmäysten tutkimiseen käyttämä laite oli 18 cm pitkä, 6 cm korkea ja 2 cm leveä messinkikammio, jossa alfahiukkasten lähde oli metallilevy, joka oli päällystetty aktiivisella aineella. Levy sijoitettiin kammion sisään ja se voitiin asentaa eri etäisyyksille sinkkisulfidiseulasta, jossa tuikea havaittiin mikroskoopilla.
Kammio voidaan täyttää erilaisilla kaasuilla (katso kuva 78).
Riisi. 78. Dempester-massaspektrografi
Kun kuivaa happea tai hiilidioksidia lisättiin, tuikkeiden määrä väheni, koska kaasukerros absorboi alfa-hiukkasia. "Kuitenkin odottamaton vaikutus", Rutherford kirjoitti neljännessä artikkelissa, "löytyi, kun kuivaa ilmaa johdettiin laitteeseen. Vähenemisen sijaan tuikemäärä kasvoi, ja noin 19 cm:n ilmakerrosta vastaavan absorption osalta niiden lukumäärä oli noin 2 kertaa suurempi kuin tyhjiössä havaittu. Tästä kokeesta kävi selväksi, että a-hiukkaset aiheuttavat ilman läpi kulkiessaan suuria polkupituuksia vastaavia tuikeita, joiden kirkkaus vaikutti silmälle suunnilleen yhtä suurelta kuin H-tuiketen kirkkaus. Koska tällaista vaikutusta ei havaittu hapessa ja hiilidioksidissa, voidaan mitä todennäköisimmin väittää, että tämä vaikutus johtuu typestä.
Kammio täytettiin puhtaalla, perusteellisesti kuivatulla typellä. "Puhdassa typessä pitkää kantamaa vastaava tuikemäärä oli suurempi kuin ilmassa." Siten "ilmassa havaitut pitkän kantaman tuikeet on syytä katsoa typen ansioksi".
Oli kuitenkin tarpeen osoittaa, että tuikea aiheuttavat pitkän kantaman alfahiukkaset "ovat seurausta alfahiukkasten törmäyksistä typpiatomien kanssa".
Kaavio ensimmäisestä Millikan-asennuksesta
Rutherford osoitti lukuisilla kokeilla, että näin todellakin on ja että tällaisten törmäysten seurauksena saadaan hiukkasia, joiden enimmäisetäisyys on 28 cm, mikä on sama kuin H-atomeilla. "Tähän mennessä saaduista tuloksista", kirjoitti Rutherford, "on vaikea välttää johtopäätöstä, että alfahiukkasten törmäyksessä typen kanssa syntyvät pitkän kantaman atomit eivät ole typpiatomeja, vaan suurella todennäköisyydellä vetyatomeja tai -atomeja massa 2 "Jos näin on, meidän on pääteltävä, että typpiatomi hajoaa valtavien voimien seurauksena, jotka kehittyvät törmäyksessä nopean alfahiukkasen kanssa, ja että vapautunut vetyatomi muodostaa atomia kiinteän osan."
Siten havaittiin ilmiö typen ytimien halkeamisesta nopeiden alfahiukkasten törmäyksien aikana ja ilmaistiin ensin ajatus, että vetyytimet ovat olennainen osa atomiytimiä. Rutherford ehdotti myöhemmin termiä "protoni" tälle ytimen komponentille. Rutherford päätti artikkelinsa sanoilla: "Tulokset kokonaisuutena osoittavat, että jos alfahiukkasia tai vastaavia nopeasti liikkuvia, paljon korkeamman energian omaavia hiukkasia voitaisiin käyttää kokeisiin, monien valoatomien ydinrakenteiden tuhoutuminen voitaisiin havaita."
3. kesäkuuta 1920 Rutherford piti niin kutsutun Bakerilaisen luennon nimeltä "Atomin ydinrakenne". Raportoimalla tällä luennolla tutkimustuloksia alfa-hiukkasten törmäyksestä atomiytimien kanssa ja typen ytimien fissiosta, Rutherford, käsitellen fissiotuotteiden luonnetta, teki oletuksen sellaisten ytimien olemassaolosta, joiden massa on 3 ja 2 ja ytimet, joiden massa on vetyydin, mutta joilla on nollavaraus. Näin tehdessään hän lähti Marie Skłodowska-Curien ensin esittämään hypoteesiin, jonka mukaan atomiydin sisältää elektroneja.
Rutherford kirjoittaa, että "hänestä näyttää erittäin uskottavalta, että yksi elektroni voi sitoa kaksi H-ydintä ja ehkä jopa yhden H-ytimen. Jos ensimmäinen oletus on totta, se osoittaa atomin olemassaolon mahdollisuuden, jonka massa on noin 2 ja jolla on yksi varaus. Tällaista ainetta tulisi pitää vedyn isotooppina. Toinen oletus tarkoittaa sellaisen atomin olemassaolon mahdollisuutta, jonka massa on 1 ja jonka ydinvaraus on nolla. Sellaiset muodostelmat näyttävät aivan mahdollisilta... Tällaisella atomilla olisi aivan fantastisia ominaisuuksia. Sen ulkoisen kentän tulisi olla käytännössä nolla, lukuun ottamatta alueita, jotka ovat hyvin lähellä ydintä; Tämän seurauksena sillä pitäisi olla kyky kulkea vapaasti aineen läpi. Tällaisen atomin olemassaolo olisi todennäköisesti vaikea havaita spektroskoopilla, eikä sitä olisi mahdollista säilyttää suljetussa astiassa. Toisaalta sen pitäisi helposti tunkeutua atomin rakenteeseen ja joko yhdistyä sen ytimeen tai kiihtyä jälkimmäisen voimakkaan kentän vaikutuksesta, jolloin syntyy varautunut H-atomi tai elektroni tai molemmat."
Siten esitettiin hypoteesi neutronin ja raskaan vedyn isotoopin olemassaolosta. Se ilmaistiin M. Sklodowska-Curien ehdottaman hypoteesin perusteella, että atomien ytimet koostuvat vetyytimistä (protoneista) ja elektroneista.
Tämä käsite selitti välittömästi tunnusomaiset ydinluvut A ja Z.
Sellaiset ytimen ominaisuudet kuin massaluku A ja varaus Z osoittautuivat kuitenkin riittämättömiksi. Jo vuonna 1924, ennen spinin löytämistä, W. Pauli ehdotti, että ytimessä on magneettinen momentti, joka vaikuttaa kiertoradan elektronien liikkeisiin ja luo siten spektriviivojen hyperhienon rakenteen. Spektrien hienorakenteen selitys ytimien spinin indusoimien magneettisten momenttien avulla johti ytimien jakautumiseen kahteen tyyppiin. Parillisen tyypin ytimet, joilla on kokonaisluku spin, noudattavat Bosen tilastoja, parittoman tyypin ytimet, joilla on puolikokonaisluku, Fermi-Diracin tilastoja. Siksi protoni-elektroni-teorian mukaan ytimien, jotka koostuvat parillisesta määrästä elektroneja ja protoneja, tulisi noudattaa Bosen tilastoja ja parittomien - Fermi-Dirac -tilastoja.
Vuonna 1930 kävi ilmi, että typen ydin noudattaa Bosen tilastoja, vaikka ytimen rakenteen protoni-elektroniteorian mukaan se koostuu 21 hiukkasesta (14 protonia, 7 elektronia). Tätä tosiasiaa kutsutaan tieteessä typpikatastrofiksi.
Samana vuonna, kun typpikatastrofi löydettiin, julkaistiin L. Meitnerin ja Ortmannin kokeiden tulokset, jotka vahvistivat Ellisin ja Worcesterin vuonna 1927 tekemät kokeet. Nämä kokeet osoittivat, että (3 säteen, paksuseinäisellä mikrokalorimetrillä mitattuna on pienempi kuin alkuperäisen ja lopullisen ytimen energioiden ero, eli osa ytimen p-hajoamisen aikana emittoimasta energiasta katoaa, mikä johtaa räikeään ristiriitaan energian säilymislain kanssa .
Ratkaisu typpikatastrofin ongelmaan ja p-spektrien arvoitukseen annettiin ajatuksen pohjalta neutraalien hiukkasten - raskaiden, neutroniksi kutsuttujen ja kevyiden - nimeltä neutriino, olemassaolosta luonnossa. , pieni neutroni, Fermin ehdotuksesta.
Mr. Tompkinsin seikkailuista kirjailija Gamov GeorgiyLuku 12 Ytimen sisällä Seuraava luento, johon herra Tompkins osallistui, oli omistettu ytimen sisäiselle rakenteelle keskuksena, jonka ympärillä atomielektroni pyörivät." Hyvät naiset ja herrat", professori aloitti. - Yhä enemmän aineen rakenteeseen syventyessä yritämme
Kirjasta [luento koululaisille] kirjoittaja Ivanov Igor PierovichHämmästyttävä maailma atomiytimen sisällä
Kirjasta Uusin tosiasioiden kirja. Osa 3 [Fysiikka, kemia ja tekniikka. Historiaa ja arkeologiaa. Sekalaista] kirjoittaja Kondrashov Anatoli PavlovichHämmästyttävä maailma atomiytimen sisällä
Kirjasta Neutrino - atomin aavemainen hiukkanen Kirjailija Isaac Asimov Kirjasta Fysiikan historian kurssi kirjoittaja Stepanovitš Kudrjavtsev Pavel Kirjasta Interplanetary Travel [Lennot ulkoavaruuteen ja taivaankappaleiden saavuttaminen] kirjoittaja Perelman Yakov IsidorovichYtimen rakenne Vaikka kysymys hiukkasen säteilystä näytti lopullisesti selkiytyneen, sähkövarauksen säilymisen laki täyttyi, fyysikot jatkoivat tutkimustaan. Heille jäi mysteeriksi, kuinka positiivisesti varautunut ydin saattoi säteillä
Kirjasta History of the Atomic Bomb Kirjailija: Mania HubertRepulsio ytimessä Vuoteen 1932 mennessä kävi selväksi, että ytimet koostuivat yksinomaan protoneista ja neutroneista. Aiemmat teoriat, jotka asettivat elektroneja ytimeen, hylättiin. Vaikka tämä ratkaisi monta ongelmaa kerralla, heräsi kysymys, jota ei ollut ennen ollut olemassa tähän asti
Kirjasta Asteroid-Comet Hazard: Yesterday, Today, Tomorrow kirjoittaja Shustov Boris MihailovitšVetovoima ytimen sisällä Jos atomiytimiä tarkasteltaessa jätämme huomiotta gravitaatiovuorovaikutukset ja otamme huomioon vain sähkömagneettiset, on ytimen olemassaoloa vaikea selittää. Sen muodostavat hiukkaset eivät voineet yhtyä kolossaalisten voimien vuoksi
Kirjasta Marie Curie. Radioaktiivisuus ja elementit [Matterin parhaiten varjeltu salaisuus] kirjoittaja Paes Adela MuñozAtomiytimen löytäminen Tarkastellaanpa hieman yksityiskohtaisemmin yhtä Rutherfordin peruslöydöistä - atomiytimen ja atomin planeettamallin löytämistä. Olemme nähneet, että atomia vertailtiin planeettajärjestelmään 1900-luvun alussa. Mutta tämä malli oli vaikea
Kirjailijan kirjastaYtimen protoni-neutronimalli Neuvostoliiton fyysikko D. D. Ivanenko julkaisi 28. toukokuuta 1932 Naturessa muistiinpanon, jossa hän ehdotti, että neutroni yhdessä protonin kanssa on ytimen rakenneelementti. Hän huomautti, että tällainen hypoteesi ratkaisee typpikatastrofin ongelman. SISÄÄN
Kirjailijan kirjastaInside the Core Tämä ennennäkemätön matka Jules Vernov -ytimen matkustajille ei tule olemaan niin rauhallinen ja vauras kuin romaanissa on kuvattu. Älä kuitenkaan usko, että vaara uhkaa heitä matkalla Maasta Kuuhun. Ei lainkaan! Jos he onnistuvat pysymään hengissä siihen mennessä
Kirjailijan kirjastaLukuun VIII 6. Paine tykinkuulassa Lukijoille, jotka haluavat tarkistaa sivulla 65 mainitut laskelmat, esittelemme tässä nämä yksinkertaiset laskelmat. lopussa
Kirjailijan kirjasta Kirjailijan kirjasta4.2. Fysikaaliset ominaisuudet, ydinrakenne Viimeisen vuosikymmenen aikana tietomme komeetoista ja niissä tapahtuvista prosesseista on laajentunut merkittävästi. Kiinnostuksen voimakasta kasvua komeettoja kohtaan edesauttoi kansainvälisen avaruuden valmistelu ja pitäminen
Kirjailijan kirjastaRUTHERFORD JA ATOMINYDIN Mitä tapahtui jollekulle, joka oli nuoruudessaan hyvä rugby-pelaaja ja sitten ennen kuin kukaan muu tajusi, että atomi voi hajota? Ernest Rutherford lopetti amerikkalaisen "pakolaisensa" tammikuussa 1907, jonkin aikaa kuolemansa jälkeen
Henri Becquerel
Tiedemiehet uskoivat kerran, että atomit olivat pienimpiä hiukkasia. Mutta sata vuotta sitten he havaitsivat, että jopa atomit voidaan jakaa paljon pienempiin hiukkasiin. Tämän ansiosta atomipommin luominen tuli mahdolliseksi. Vuonna 1896 ranskalainen tiedemies Henri Becquerel(1852-1908) huomasi vahingossa, että jotkut atomit ovat "radioaktiivisia", eli ne lähettävät säteitä.
Seuraavana vuonna englantilainen tiedemies J. J. Thomson(1856-1940) huomasi, että valaisevat sähkösäteet ovat itse asiassa sähköisesti varautuneita hiukkasia, joiden koko on monta kertaa pienempi kuin atomi. On todistettu, että nämä hiukkaset - elektronit - löytyvät atomeista.
Ernest Rutherford
Hieman myöhemmin englantilainen tiedemies Ernest Rutherford(1871-1937) havaitsivat, että radioaktiivisuus ei ole muuta kuin atomien halkeamista muiden atomien muodostamiseksi. Kun ne hajoavat, nämä atomit emittoivat myös hiukkasvirtoja, joita hän kutsui alfa- ja beetahiukkasiksi. Vuonna 1911 Rutherford ohjasi alfahiukkasten virtoja kultafolioon.
Suurin osa heistä meni sen läpi suoraan. mutta muutama palasi takaisin. Hän ymmärsi, että atomit eivät olleet kiinteitä ainekappaleita, kuten aiemmin luuli, vaan periaatteessa tyhjää tilaa, ja siksi hiukkaset kulkivat yleensä kalvon läpi. Mutta niissä on pieniä ja tiheitä positiivisesti varautuneita keskiosia - ytimiä, ja niitä vastaan ne muutamat takaisin pomppineet hiukkaset osuivat. Vuonna 1912 tanskalainen tiedemies aloitti työskentelyn Rutherfordin kanssa Niels Bohr(1885-1962). Bohr ehdotti. että jokaisella atomilla on eri määrä elektroneja, jotka kiertävät eri etäisyyksillä ytimen ympärillä, kuten planeetat auringon kiertoradalla. Nykyään tiedämme, että elektronit ovat enemmän kuin sumeita energiapilviä kuin planeettoja, mutta Bohrin idea oli pohjimmiltaan oikea.
Atomin halkaisu Vuonna 1919 Rutherford onnistui pilkkomaan atomeja ensimmäistä kertaa. Hän sytytti alfahiukkasia typpikaasuun, jolloin vetyytimet erottuivat typpiytimistä. Sitten Rutherford tuli siihen tulokseen, että kaikki atomiytimet on rakennettu vetyytimistä, joita hän kutsui protoneiksi. Vuonna 1932 englantilainen James Chadwick(1891-1974) löysi toisen hiukkasen ytimestä - neutronin. Neutroneilla ei ole sähkövarausta, toisin kuin neutroneilla, joilla on positiivinen varaus, joka tasapainottaa elektronien negatiivisen varauksen.
Italialainen tiedemies Enrico Fermi(1901-1954) päättivät selvittää, mitä tapahtuisi, jos neutronivirta suunnattaisiin suurimpaan tunnettuun atomiin - uraaniatomiin. Hän uskoi, että neutronit yhdistyvät uraanin kanssa ja muodostaisivat vielä suuremman atomin.
Itse asiassa, kuten itävaltalainen fyysikko osoitti Lise Meitner(1878-1968), uraaniatomi jakautui kahteen osaan muodostaen pienempiä atomeja, kuten bariumia. Samalla vapautui myös lisää neutroneja. Jos nämä neutronit sitten puolestaan jakavat muita uraaniatomeja, voisi alkaa törmäysten ja halkeamien "ketjureaktio". Tutkijat ymmärsivät, että kun atomiytimet halkesivat tällaisessa ketjureaktiossa, vapautui valtava määrä energiaa.
Tämä energia riittää luomaan uskomattoman voimakkaan pommin. Tätä ideaa hyödyntäen amerikkalaisen Robert Oppenheimerin (1904-1967) johtama tiedemiesryhmä loi ensimmäisen atomipommin. Elokuussa 1945, toisen maailmansodan (1939-1945) aikana, amerikkalaisia uraanipommeja pudotettiin Japanin Hiroshiman ja Nagasakin kaupunkeihin. Tämä johti hirvittäviin ja tuhoisiin seurauksiin.
Valitse sopiva isotooppi. Jotkut alkuaineet tai isotoopit hajoavat radioaktiivisesti, ja eri isotoopit voivat käyttäytyä eri tavalla. Yleisin uraanin isotooppi on atomipainoltaan 238 ja se koostuu 92 protonista ja 146 neutronista, mutta sen ytimet tyypillisesti absorboivat neutroneja halkeamatta kevyempien alkuaineiden ytimiin. Uraanin isotooppi, jonka ytimessä on kolme vähemmän neutronia, 235 U, halkeaa paljon helpommin kuin 238 U, ja sitä kutsutaan fissioituvaksi isotoopiksi.
- Kun uraani halkeaa (fissio), vapautuu kolme neutronia, jotka törmäävät muihin uraaniatomeihin aiheuttaen ketjureaktion.
- Jotkut isotoopit hajoavat niin helposti ja nopeasti, että jatkuvaa ydinreaktiota on mahdotonta ylläpitää. Tätä ilmiötä kutsutaan spontaaniksi tai spontaaniksi rappeutumiseksi. Esimerkiksi plutonium-isotooppi 240 Pu on alttiina tällaiselle hajoamiselle, toisin kuin 239 Pu, jolla on alhaisempi fissionopeus.
Jotta reaktio jatkuisi ensimmäisen atomin hajoamisen jälkeen, isotooppeja on kerättävä riittävästi. Tätä varten tarvitaan tietty vähimmäismäärä halkeavaa isotooppia, joka tukee reaktiota. Tätä määrää kutsutaan kriittiseksi massaksi. Kriittisen massan saavuttamiseksi ja hajoamisen todennäköisyyden lisäämiseksi tarvitaan riittävä määrä lähtöainetta.
Ammu isotoopin yksi atomiydin saman isotoopin toiseen ytimeen. Koska subatomiset hiukkaset ovat harvinaisia vapaassa muodossa, on usein tarpeen erottaa ne atomeista, jotka sisältävät näitä hiukkasia. Yksi tapa tehdä tämä on ampua isotoopin yksi atomi saman atomin toiseen atomiin.
- Tätä menetelmää käytettiin Hiroshimaan pudotetun 235 U:n atomipommin luomiseen. Tykin kaltainen ase, jossa oli uraaniydin, ampui 235 U-atomia kohti samanlaisia 235 U-atomia. Atomit lensivät riittävän nopeasti, jotta niistä vapautuneet neutronit tunkeutuivat muiden 235 U-atomien ytimiin ja halkaisivat ne. Halkeaminen puolestaan vapautti neutroneja, jotka halkaisivat lisää 235 U-atomia.
Pommitetaan halkeavan isotoopin ytimiä subatomisilla hiukkasilla. Yksi subatominen hiukkanen voi iskeä 235 U:n atomiin ja jakaa sen kahdeksi erilliseksi muiden alkuaineiden atomiksi vapauttaen kolme neutronia. Subatomisia hiukkasia voidaan tuottaa kontrolloidusta lähteestä (kuten neutronitykistä) tai ytimiä törmäämällä. Yleisesti käytetään kolmen tyyppisiä subatomisia hiukkasia.
- Protonit. Näillä subatomisilla hiukkasilla on massa ja positiivinen sähkövaraus. Atomissa olevien protonien määrä määrittää, minkä alkuaineen atomi se on.
- Neutronit. Näillä subatomisilla hiukkasilla on sama massa kuin protonilla, mutta ne ovat neutraaleja (ei sähkövarausta).
- Alfa-hiukkasia. Nämä hiukkaset ovat heliumatomien elektronittomia ytimiä. Ne koostuvat kahdesta protonista ja kahdesta neutronista.
Eri alkuaineiden atomiytimien pilkkomista käytetään tällä hetkellä melko laajalti. Kaikki ydinvoimalat toimivat fissioreaktiolla, kaikkien ydinaseiden toimintaperiaate perustuu tähän reaktioon. Hallitun tai ketjureaktion tapauksessa atomi, joka on jakautunut osiin, ei voi enää liittyä takaisin ja palata alkuperäiseen tilaansa. Mutta käyttämällä kvanttimekaniikan periaatteita ja lakeja, tutkijat onnistuivat jakamaan atomin kahteen puolikkaaseen ja yhdistämään ne uudelleen rikkomatta itse atomin eheyttä.
Bonnin yliopiston tutkijat käyttivät kvanttiepävarmuuden periaatetta, jonka avulla esineet voivat olla olemassa useissa oloissa samanaikaisesti. Kokeessa joidenkin fyysisten temppujen avulla tutkijat pakottivat yhden atomin olemaan olemassa kahdessa paikassa yhtä aikaa, niiden välinen etäisyys oli hieman yli sadasosa millimetriä, mikä atomimittakaavassa on yksinkertaisesti valtava etäisyys .
Tällaiset kvanttiefektit voivat ilmaantua vain erittäin alhaisissa lämpötiloissa. Cesiumatomi jäähdytettiin laservalolla lämpötilaan, joka oli asteen miljoonasosan kymmenesosa absoluuttisen nollan yläpuolella. Jäähtynyt atomi vangittiin sitten optisesti toisen laserin valonsäteellä.
Tiedetään, että atomin ydin voi pyöriä kahteen suuntaan; pyörimissuunnasta riippuen laservalo työntää ydintä oikealle tai vasemmalle. "Mutta atomilla voi tietyssä kvanttitilassa olla "halkaistu persoonallisuus", sen toinen puolikas pyörii yhteen suuntaan, toinen vastakkaiseen suuntaan. Mutta samalla atomi on silti kokonainen esine. " sanoo fyysikko Andreas Steffen. Siten atomin ydin, jonka osat pyörivät vastakkaisiin suuntiin, voidaan jakaa lasersäteellä kahteen osaan ja nämä atomin osat voidaan erottaa huomattavan matkan päähän, minkä tutkijat onnistuivat saavuttamaan kokeensa aikana. .
Tutkijat väittävät, että samankaltaisella menetelmällä on mahdollista luoda niin sanottuja "kvanttisiltoja", jotka ovat kvanttiinformaation johtimia. Aineen atomi jaetaan puoliksi, joita siirretään erilleen, kunnes ne joutuvat kosketuksiin viereisten atomien kanssa. Muodostuu tienpinta, sillan kahta pilaria yhdistävä jänne, jota pitkin tietoa voidaan välittää. Tämä on mahdollista johtuen siitä, että tällä tavalla jaettu atomi pysyy edelleen yhtenä kokonaisuutena kvanttitasolla johtuen siitä, että atomin osat ovat kietoutuneet kvanttitasolla.
Bonnin yliopiston tutkijat aikovat käyttää tällaista tekniikkaa simuloidakseen ja luodakseen monimutkaisia kvanttijärjestelmiä. "Meille atomi on kuin hyvin öljytty vaihteisto", sanoo ryhmän johtaja tohtori Andrea Alberti. "Käyttämällä monia näistä vaihteista voit luoda kvanttilaskentalaitteen, jonka ominaisuudet ylittävät huomattavasti edistyneimpien tietokoneiden ominaisuudet. Sinun on vain osattava sijoittaa ja kytkeä nämä vaihteet oikein."
Ydinfissio tarkoittaa raskaan atomin hajoamista kahdeksi suunnilleen samanmassaiseksi fragmentiksi, johon liittyy suuren energiamäärän vapautuminen.
Ydinfission löytäminen aloitti uuden aikakauden - "atomiaikakauden". Sen mahdollisen käytön mahdollisuudet ja sen käytön riski-hyötysuhde ovat paitsi synnyttäneet monia sosiologisia, poliittisia, taloudellisia ja tieteellisiä edistysaskeleita, myös vakavia ongelmia. Jopa puhtaasti tieteellisestä näkökulmasta katsottuna ydinfissioprosessi on luonut suuren määrän arvoituksia ja komplikaatioita, ja sen täydellinen teoreettinen selitys on tulevaisuuden kysymys.
Jakaminen on kannattavaa
Sitoutumisenergiat (nukleonia kohti) vaihtelevat eri ytimillä. Raskaammilla on pienempi sitoutumisenergia kuin jaksollisen järjestelmän keskellä.
Tämä tarkoittaa, että raskaat ytimet, joiden atomiluku on suurempi kuin 100, hyötyvät jakautumisesta kahdeksi pienemmäksi fragmentiksi, jolloin vapautuu energiaa, joka muunnetaan fragmenttien kineettiseksi energiaksi. Tätä prosessia kutsutaan jakamiseksi
Stabiilisuuskäyrän mukaan, joka näyttää protonien lukumäärän suhteessa neutronien lukumäärään stabiileille nuklideille, raskaammat ytimet pitävät enemmän neutroneja (suhteessa protonien lukumäärään) kuin kevyemmät ytimet. Tämä viittaa siihen, että joitain "varaneutroneja" vapautuu fissioprosessin mukana. Lisäksi ne imevät myös osan vapautuneesta energiasta. Uraaniatomin ytimen fissiotutkimus osoitti, että vapautuu 3-4 neutronia: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.
Fragmentin atomiluku (ja atomimassa) ei ole yhtä suuri kuin puolet alkuperäisen atomimassasta. Halkeamisen seurauksena muodostuneiden atomien massojen ero on yleensä noin 50. Syy tähän ei kuitenkaan ole vielä täysin selvillä.
238 U:n, 145 La:n ja 90 Br:n sitoutumisenergiat ovat vastaavasti 1803, 1198 ja 763 MeV. Tämä tarkoittaa, että tämän reaktion seurauksena vapautuu uraaniytimen fissioenergiaa, joka on 1198 + 763-1803 = 158 MeV.
Spontaani fissio
Spontaanit fissioprosessit tunnetaan luonnossa, mutta ne ovat hyvin harvinaisia. Tämän prosessin keskimääräinen elinikä on noin 10 17 vuotta ja esimerkiksi saman radionuklidin alfahajoamisen keskimääräinen elinikä on noin 10 11 vuotta.
Syynä tähän on se, että ytimen on hajoaakseen kahteen osaan ensin muodonmuutos (venyttävä) ellipsoidiseksi ja muodostaa keskelle ”kaulan” ennen kuin se lopulta jakautuu kahteen osaan.
Mahdollinen este
Epämuodostuneessa tilassa ytimeen vaikuttaa kaksi voimaa. Toinen on lisääntynyt pintaenergia (nestepisaran pintajännitys selittää sen pallomaisen muodon) ja toinen on Coulombin hylkiminen fissiofragmenttien välillä. Yhdessä ne muodostavat mahdollisen esteen.
Kuten alfahajoamisen tapauksessa, jotta uraaniatomin ytimen spontaani fissio tapahtuisi, fragmenttien on voitettava tämä este käyttämällä kvanttitunnelointia. Esteen arvo on noin 6 MeV, kuten alfahajoamisen tapauksessa, mutta alfahiukkasten tunneloitumisen todennäköisyys on paljon suurempi kuin paljon raskaamman atomifissiotuotteen.
Pakotettu halkaisu
Paljon todennäköisempi on uraanin ytimen indusoitu fissio. Tässä tapauksessa emoydintä säteilytetään neutroneilla. Jos vanhempi imee sen, ne sitoutuvat vapauttaen sitomisenergiaa värähtelyenergian muodossa, joka voi ylittää potentiaaliesteen ylittämiseen vaaditun 6 MeV:n.
Jos lisäneutronin energia ei riitä potentiaaliesteen ylittämiseen, tulevalla neutronilla on oltava pienin liike-energia, jotta se voi aiheuttaa atomifission. 238 U:n tapauksessa ylimääräisten neutronien sitoutumisenergia puuttuu noin 1 MeV. Tämä tarkoittaa, että uraaniytimen fission indusoi vain neutroni, jonka kineettinen energia on suurempi kuin 1 MeV. Toisaalta isotoopilla 235 U on yksi pariton neutroni. Kun ydin absorboi ylimääräisen ytimen, se pariutuu sen kanssa, ja tämä pariutuminen johtaa lisäsidosenergiaan. Tämä riittää vapauttamaan ytimen tarvitseman energiamäärän potentiaaliesteen ylittämiseen ja isotooppifissio tapahtuu törmäyksessä minkä tahansa neutronin kanssa.
Beta hajoaminen
Vaikka fissioreaktio tuottaa kolme tai neljä neutronia, fragmentit sisältävät silti enemmän neutroneja kuin niiden stabiilit isobaarit. Tämä tarkoittaa, että pilkkoutumisfragmentit ovat yleensä epävakaita beetahajoamiselle.
Esimerkiksi kun uraaniytimen 238 U fissio tapahtuu, stabiili isobaari, jonka A = 145 on neodyymi 145 Nd, mikä tarkoittaa, että lantaani 145 La -fragmentti hajoaa kolmessa vaiheessa, joka kerta emittoi elektronin ja antineutriinon, kunnes muodostuu stabiili nuklidi. Stabiili isobaari, jonka A = 90, on zirkonium 90 Zr, joten bromin 90 Br:n pilkkoutumisfragmentti hajoaa β-hajoamisketjun viidessä vaiheessa.
Nämä β-hajoamisketjut vapauttavat lisäenergiaa, jonka elektronit ja antineutriinot kuljettavat pois.
Ydinreaktiot: uraaniytimien fissio
Suora neutronipäästö nuklidista, jossa on liian paljon neutroneja ydinvakauden varmistamiseksi, on epätodennäköistä. Pointti tässä on, että Coulombin hylkimistä ei ole, joten pintaenergia pyrkii pitämään neutronin sidottuna emoryhmään. Tätä kuitenkin tapahtuu joskus. Esimerkiksi 90 Br:n fissiofragmentti beetahajoamisen ensimmäisessä vaiheessa tuottaa krypton-90:tä, joka voi olla virittyneessä tilassa riittävästi energiaa voittamaan pintaenergian. Tässä tapauksessa neutronipäästö voi tapahtua suoraan krypton-89:n muodostumisen yhteydessä. on edelleen epästabiili β-hajoamisen suhteen, kunnes siitä tulee vakaa yttrium-89, joten krypton-89 hajoaa kolmessa vaiheessa.
Uraaniytimien fissio: ketjureaktio
Fissioreaktiossa emittoidut neutronit voivat absorboitua toiseen emoytimeen, joka sitten itse käy läpi indusoidun fission. Uraani-238:n tapauksessa kolme syntyvää neutronia tulee ulos energialla, joka on alle 1 MeV (uraaniytimen fission aikana vapautuva energia - 158 MeV - muunnetaan pääasiassa fissiokappaleiden liike-energiaksi ), joten ne eivät voi aiheuttaa tämän nuklidin lisäfissiota. Harvinaisen isotoopin 235 U merkittävässä pitoisuudessa nämä vapaat neutronit voivat kuitenkin vangita 235 U:n ytimillä, mikä voi itse asiassa aiheuttaa fissiota, koska tässä tapauksessa ei ole energiakynnystä, jonka alapuolella fissio ei aiheuta.
Tämä on ketjureaktion periaate.
Ydinreaktioiden tyypit
Olkoon k niiden neutronien lukumäärä, jotka syntyvät fissioituvan materiaalin näytteessä tämän ketjun vaiheessa n, jaettuna vaiheessa n - 1 tuotettujen neutronien lukumäärällä. Tämä määrä riippuu siitä, kuinka monta vaiheessa n - 1 tuotettua neutronia absorboituu ydin, joka saattaa läpikäydä pakkojakautumisen.
Jos k< 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.
Jos k > 1, niin ketjureaktio kasvaa, kunnes kaikki halkeamiskelpoinen materiaali on käytetty, mikä saavutetaan rikastamalla luonnonmalmia siten, että saadaan riittävän suuri uraani-235-pitoisuus. Pallomaisessa näytteessä k:n arvo kasvaa neutronien absorption todennäköisyyden kasvaessa, mikä riippuu pallon säteestä. Siksi U-massan on ylitettävä tietty määrä, jotta uraaniytimien fissio (ketjureaktio) voi tapahtua.
Jos k = 1, tapahtuu kontrolloitu reaktio. Tätä käytetään Prosessia ohjataan kadmium- tai boorisauvojen jakautumisella uraanin kesken, jotka absorboivat suurimman osan neutroneista (näillä alkuaineilla on kyky siepata neutroneja). Uraaniytimen fissiota ohjataan automaattisesti liikuttamalla sauvoja siten, että k:n arvo pysyy yhtä suurena kuin yksikkö.
