Kodola skaldīšana
Stabilo elementu izotopu atklāšana, elementārā lādiņa mērījumu precizēšana bija pirmie pēckara fizikas sasniegumi (1917-1918). 1919. gadā tika veikts jauns sensacionāls atklājums - mākslīgā kodola skaldīšana. Šo atklājumu izdarīja Rezerfords Kembridžā Kavendišas laboratorijā, kuru viņš vadīja tajā pašā 1919. gadā.
Rezerfords pētīja a-daļiņu sadursmi ar gaismas atomiem. A-daļiņu sadursmēm ar šādu atomu kodoliem tās jāpaātrina. Tātad, kad a-daļiņa ietriecas ūdeņraža kodolā, tā palielina ātrumu 1,6 reizes, un kodols no a-daļiņas paņem 64% savas enerģijas. Šādus paātrinātus kodolus viegli noteikt ar scintilācijām, kas rodas, kad tie skar cinka sulfīda ekrānu. Marsdens tos patiešām novēroja 1914. gadā.
Rezerfords turpināja Marsdena eksperimentus, taču, kā viņš pats atzīmēja, šie eksperimenti "tika veikti ļoti neregulāros intervālos, jo ikdienas nodarbošanās un darbs, kas saistīts ar karu, ļāva..." "Eksperimenti uz ilgu laiku tika pat pilnībā pārtraukti." Tikai pēc kara beigām eksperimenti tika veikti regulāri, un to rezultāti tika publicēti 1919. gadā četros rakstos ar vispārīgo nosaukumu "A-daļiņu sadursmes ar vieglajiem atomiem".
Instruments, ko Rezerfords izmantoja šādu sadursmju pētīšanai, bija 18 cm gara, 6 cm augsta un 2 cm plata misiņa kamera.A-daļiņu avots bija metāla disks, kas pārklāts ar aktīvo vielu. Disks tika ievietots kamerā, un to varēja iestatīt dažādos attālumos no cinka sulfīda ekrāna, uz kura, izmantojot mikroskopu, tika novērotas scintilācijas.
Kameru varēja piepildīt ar dažādām gāzēm (skat. 78. att.).
Rīsi. 78.Dempesteras masas spektrogrāfs
Kad tika ievadīts sauss skābeklis vai oglekļa dioksīds, scintilāciju skaits samazinājās, jo gāzes slānis absorbēja a-daļiņas. “Tomēr negaidīts efekts,” Razerfords rakstīja ceturtajā rakstā, “tika atklāts, kad aparātā tika ievadīts sauss gaiss. Tā vietā, lai samazinātos, scintilāciju skaits palielinājās, un absorbcijai, kas atbilst aptuveni 19 cm gaisa, to skaits bija aptuveni 2 reizes lielāks nekā vakuumā novērotais. No šī eksperimenta bija skaidrs, ka a-daļiņas, ejot cauri gaisam, rada scintilācijas, kas atbilst lieliem ceļa garumiem, kuru spilgtums acīm šķita aptuveni vienāds ar H-scintilāciju spilgtumu. Tā kā šī ietekme netika novērota skābeklī un oglekļa dioksīdā, ar lielu varbūtību varētu apgalvot, ka šī ietekme ir saistīta ar slāpekli.
Kamera tika piepildīta ar tīru, rūpīgi izžāvētu slāpekli. "Tīrā slāpeklī scintilāciju skaits, kas atbilst lielam diapazonam, bija lielāks nekā gaisā." Tādējādi "gaisā novērotās liela attāluma scintilācijas ir attiecināmas uz slāpekli".
Tomēr bija nepieciešams parādīt, ka liela attāluma a-daļiņas, kas izraisa scintilācijas, "ir a-daļiņu sadursmes ar slāpekļa atomiem rezultāts".
Millikan pirmās uzstādīšanas shēma
Ar daudzajiem eksperimentiem Rezerfords parādīja, ka tas tā patiešām ir un ka šādu sadursmju rezultātā daļiņas tiek iegūtas ar maksimālo diapazonu 28 cm, kas ir tāds pats kā H atomiem. “No līdz šim iegūtajiem rezultātiem,” rakstīja Raterfords, “ir grūti izvairīties no secinājuma, ka liela attāluma atomi, kas rodas a-daļiņu sadursmē ar slāpekli, nav slāpekļa atomi, bet, visticamāk, ūdeņraža atomi vai atomi ar masu 2 Ja tas tā ir, tad jāsecina, ka slāpekļa atoms sadalās milzīgo spēku dēļ, kas attīstās sadursmē ar ātro a-daļiņu, un ka atbrīvotais ūdeņraža atoms veido atoma sastāvdaļu.
Tādējādi tika atklāts slāpekļa kodolu šķelšanās fenomens ātro a-daļiņu trieciena laikā un pirmo reizi pausta doma, ka ūdeņraža kodoli ir neatņemama atomu kodolu sastāvdaļa. Pēc tam Rezerfords ierosināja terminu "protons" šim kodola komponentam. Razerfords savu rakstu beidza ar vārdiem: "Rezultāti kopumā norāda, ka, ja eksperimentiem varētu izmantot a-daļiņas vai līdzīgas ātri kustīgas daļiņas ar daudz lielāku enerģiju, tad varētu atklāt daudzu gaismas atomu kodolstruktūru iznīcināšanu."
1920. gada 3. jūnijā Raterfords nolasīja tā saukto Beikera lekciju ar nosaukumu "Atoma kodolstruktūra". Šajā lekcijā ziņojot par savu pētījumu rezultātiem par a-daļiņu sadursmi ar atomu kodoliem un par slāpekļa kodolu šķelšanos, Raterfords, apspriežot dalīšanās produktu raksturu, izteica pieņēmumu par kodolu pastāvēšanas iespējamību. masa 3 un 2 un kodoli ar ūdeņraža kodola masu, bet ar nulles lādiņu. Tajā pašā laikā viņš balstījās uz hipotēzi, ko pirmo reizi izteica Marija Sklodovska-Kirī, ka elektroni ir daļa no atoma kodola.
Razerfords raksta, ka “viņam šķiet ļoti ticami, ka viens elektrons var saistīt divus H-kodolus un varbūt pat vienu H-kodolu. Ja pirmais pieņēmums ir patiess, tad tas norāda uz atoma ar masu aptuveni 2 un ar vienu lādiņu pastāvēšanas iespējamību. Šāda viela jāuzskata par ūdeņraža izotopu. Otrais pieņēmums ietver ideju par atoma ar masu 1 un kodola lādiņu, kas vienāds ar nulli, pastāvēšanas iespējamību. Tādi veidojumi šķiet pilnīgi iespējami... Tādam atomam būtu absolūti fantastiskas īpašības. Tā ārējam laukam praktiski jābūt vienādam ar nulli, izņemot reģionus, kas atrodas ļoti tuvu kodolam; rezultātā tai vajadzētu būt iespējai brīvi iziet cauri matērijai. Šāda atoma esamību, iespējams, būtu grūti noteikt ar spektroskopu, un to nevarētu turēt slēgtā traukā. No otras puses, tam vajadzēja viegli iekļūt atoma struktūrā un vai nu apvienoties ar tā kodolu, vai arī to paātrināt tā intensīvais lauks, radot lādētu H atomu vai elektronu, vai abus.
Tādā veidā tika izvirzīta hipotēze par neitrona un ūdeņraža smagā izotopa esamību. Tas tika izteikts, pamatojoties uz M. Sklodovskas-Kirī izvirzīto hipotēzi, ka atomu kodoli sastāv no ūdeņraža kodoliem (protoniem) un elektroniem.
Šis jēdziens nekavējoties izskaidroja raksturīgos kodolskaitļus A un Z.
Tomēr tādas kodola īpašības kā masas skaitlis A un lādiņš Z izrādījās nepietiekamas. Vēl 1924. gadā, pirms spina atklāšanas, V. Pauli ierosināja, ka kodolam ir magnētiskais moments, kas ietekmē orbitālo elektronu kustību un tādējādi veido spektrālo līniju hipersmalku struktūru. Spektru smalkās struktūras skaidrojums ar spin-inducēto kodolu magnētisko momentu klātbūtni noveda pie kodolu sadalīšanas divos veidos. Pāra tipa kodoli ar veselu skaitļu griešanos pakļaujas Bose statistikai, nepāra tipa kodoli ar pusvesela skaitļa griešanos pakļaujas Fermi-Diraka statistikai. Tāpēc saskaņā ar protonu-elektronu teoriju kodoliem, kas sastāv no pāra skaita elektronu un protonu, ir jāpakļaujas Bose statistikai, no nepāra skaitļa - Fermi-Diraka statistikai.
1930. gadā izrādījās, ka slāpekļa kodols pakļaujas Bose statistikai, lai gan, saskaņā ar protonu-elektronu teoriju par kodola uzbūvi, tas sastāv no 21 daļiņas (14 protoniem, 7 elektroniem). Šis fakts zinātnē ir pazīstams kā slāpekļa katastrofa.
Tajā pašā gadā, kad tika atklāta slāpekļa katastrofa, tika publicēti L. Meitnera un Ortmena eksperimentu rezultāti, kas apstiprināja Elisa un Vūstera 1927. gada eksperimentu rezultātus. Šie eksperimenti parādīja, ka kopējā enerģija (3 stari, mērot ar biezu sienu mikrokalorimetru, ir mazāka par starpību starp sākotnējā un galīgā kodola enerģiju, t.i., daļa no kodola izstarotās enerģijas p-sabrukšanas laikā pazūd, kā rezultātā rodas klaja pretruna ar kodola saglabāšanas likumu. enerģiju.
Slāpekļa katastrofas problēmas un p-spektru mīklas risinājums tika dots, pamatojoties uz ideju par neitrālu daļiņu - smago, ko sauc par neitronu, un vieglo - eksistenci dabā, ko sauc par neitrīno, tas ir. , mazais neitrons, pēc Fermi ierosinājuma.
No Tompkinsa kunga piedzīvojumiem autors Gamovs Georgijs12. NODAĻA Kodola iekšienē Nākamā lekcija, kuru apmeklēja Tompkinsa kungs, bija par kodola iekšpusi kā centru, ap kuru griežas atomu elektroni."Dāmas un kungi," profesors iesāka. – Arvien vairāk iedziļinoties matērijas struktūrā, mēs centīsimies
No grāmatas [lekcija skolēniem] autors Ivanovs Igors PierovičsApbrīnojamā pasaule atoma kodolā
No grāmatas Jaunākā faktu grāmata. 3. sējums [Fizika, ķīmija un tehnoloģijas. Vēsture un arheoloģija. Dažādi] autors Kondrašovs Anatolijs PavlovičsApbrīnojamā pasaule atoma kodolā
No grāmatas Neitrīno – atoma spokainā daļiņa autors Asimovs Īzaks No grāmatas Fizikas vēstures kurss autors Stepanovičs Kudrjavcevs Pāvels No grāmatas Starpplanētu ceļojumi [Lidojumi uz pasaules telpu un debess ķermeņu sasniegšana] autors Perelmans Jakovs IsidorovičsKodola uzbūve Lai gan šķita, ka jautājums par a?-daļiņas starojumu beidzot tika noskaidrots, kopš tika izpildīts elektriskā lādiņa nezūdamības likums, fiziķi turpināja pētījumus. Viņiem palika noslēpums, kā pozitīvi uzlādēts kodols varētu izstarot
No grāmatas Atombumbas vēsture autore Mania HubertAtgrūšanās kodolā Līdz 1932. gadam kļuva skaidrs, ka kodoli sastāv tikai no protoniem un neitroniem. Agrākās teorijas, kas apgalvoja, ka kodolā ir elektroni, tika atmestas. Lai gan tas uzreiz atrisināja daudzas problēmas, radās jautājums, kura agrāk nebija.Līdz šim
No grāmatas Asteroid-Comet Hazard: Yesterday, Today, Tomorrow autors Šustovs Boriss MihailovičsPievilcība kodola iekšienē Ja, aplūkojot atomu kodolus, gravitācijas mijiedarbība tiek atstāta novārtā un ņemta vērā tikai elektromagnētiskā mijiedarbība, kodola esamību ir grūti izskaidrot. Daļiņas, no kurām tas sastāv, nevarēja apvienoties kolosālu spēku dēļ
No Marijas Kirī grāmatas. Radioaktivitāte un elementi [Mater's vislabāk glabātais noslēpums] autors Paezs Adela MunozsAtomu kodola atklāšana Sīkāk aplūkosim vienu no Rezerforda fundamentālajiem atklājumiem – atoma kodola atklāšanu un atoma planētu modeli. Mēs esam redzējuši, ka atoma asimilācija planētu sistēmai tika veikta 20. gadsimta pašā sākumā. Bet šis modelis bija grūts
No autora grāmatasKodola protonu-neitronu modelis 1932. gada 28. maijā padomju fiziķis D. D. Ivaņenko izdevumā Nature publicēja piezīmi, kurā viņš ierosināja, ka neitrons kopā ar protonu ir kodola struktūras elements. Viņš norādīja, ka šāda hipotēze atrisina slāpekļa katastrofas problēmu. IN
No autora grāmatasKodola iekšienē Šis bezprecedenta brauciens Žila Verna kodola pasažieriem nebūs tik mierīgs un drošs, kā aprakstīts romānā. Tomēr nedomājiet, ka ceļojumā no Zemes uz Mēnesi viņiem draud briesmas. Nepavisam! Ja viņiem izdotos palikt dzīviem līdz brīdim,
No autora grāmatasUz VIII nodaļu 6. Spiediens lielgabala lodes iekšienē Lasītājiem, kuri vēlas pārbaudīt 65. lappusē minētos aprēķinus, mēs piedāvājam šos vienkāršos aprēķinus Aprēķiniem mums būs jāizmanto tikai divas paātrinātas kustības formulas, proti: beigas
No autora grāmatas No autora grāmatas4.2. Kodola fizikālās īpašības, uzbūve Pēdējā desmitgadē mūsu zināšanas par komētām un uz tām notiekošajiem procesiem ir būtiski paplašinājušās. Strauju intereses pieaugumu par komētām veicināja starptautiskas telpas sagatavošana un turēšana
No autora grāmatasRezerfords un atoma kodola atklāšana Kas notika ar kādu, kurš jaunībā bija labs regbija spēlētājs un pēc tam pirms citiem uzminēja, ka atoms var sabrukt? Ernests Raterfords savu amerikāņu "trimdu" pabeidza 1907. gada janvārī, kādu laiku pēc savas nāves.
Anrī Bekerels
Savulaik zinātnieki uzskatīja, ka atomi ir mazākās daļiņas. Taču pirms simts gadiem viņi atklāja, ka pat atomus var sadalīt daudz mazākās daļiņās. Tas ļāva izveidot atombumbu. 1896. gadā franču zinātnieks Anrī Bekerels(1852-1908) nejauši atklāja, ka daži atomi ir "radioaktīvi", tas ir, tie izstaro starus.
Nākamajā gadā angļu zinātnieks J. J. Tomsons(1856-1940) pamanīja, ka gaismas elektriskie stari patiesībā ir elektriski lādētas daļiņas, kuru izmērs ir daudzkārt mazāks par atomu. Ir pierādīts, ka šīs daļiņas – elektroni – atrodas atomos.
Ernests Rezerfords
Nedaudz vēlāk angļu zinātnieks Ernests Rezerfords(1871-1937) atklāja, ka radioaktivitāte ir nekas vairāk kā atomu sadalīšana, veidojot citus atomus. Sadaloties, šie atomi izdala arī daļiņu plūsmas, kuras viņš sauca par alfa un beta daļiņām. 1911. gadā Raterfords nosūtīja alfa daļiņas uz zelta folijas.
Lielākā daļa no viņiem to izgāja cauri. bet mazliet atkāpās. Viņš saprata, ka atomi nav cieti matērijas gabali, kā tika uzskatīts iepriekš, bet lielākoties ir tukša telpa, un tāpēc daļiņas parasti iziet cauri folijai. Bet tiem ir mazas un blīvas centrālās pozitīvi lādētas daļas - kodoli, un tieši uz tiem skāra tās dažas daļiņas, kas atlēca atpakaļ. 1912. gadā dāņu zinātnieks sāka strādāt ar Rezerfordu Nīls Bors(1885-1962). — Bors ierosināja. ka katram atoma veidam ir atšķirīgs elektronu skaits, kas riņķo dažādos attālumos ap kodolu, piemēram, planētas Saules orbītā. Šodien mēs zinām, ka elektroni ir vairāk kā izplūduši enerģijas mākoņi, nevis planētas, taču Bora ideja būtībā bija pareiza.
Atoma sadalīšana 1919. gadā Raterfordam pirmo reizi izdevās sadalīt atomus. Viņš bombardēja slāpekļa gāzi ar alfa daļiņām, un rezultātā ūdeņraža kodoli atdalījās no slāpekļa kodoliem. Tad Rezerfords nonāca pie secinājuma, ka visi atomu kodoli ir veidoti no ūdeņraža kodoliem, kurus viņš sauca par protoniem. 1932. gadā anglis Džeimss Čedviks(1891-1974) atrada citu daļiņu kodolā - neitronu. Neitroniem nav elektriskā lādiņa, atšķirībā no skrējieniem, kuriem ir pozitīvs lādiņš, kas līdzsvaro elektronu negatīvo lādiņu.
Itāļu zinātnieks Enriko Fermi(1901-1954) nolēma noskaidrot, kas notiktu, ja neitronu plūsma tiktu vērsta uz lielāko zināmo atomu, urāna atomu. Viņš uzskatīja, ka neitroni savienosies ar urānu, veidojot vēl lielāku atomu.
Faktiski, kā parādīja austriešu fiziķis Liza Meitnere(1878-1968), urāna atoms sadalījās divās daļās, veidojot mazākus atomus, piemēram, bāriju. Tas izraisīja arī papildu neitronu izdalīšanos. Ja tad šie neitroni savukārt sašķels citus urāna atomus, tad varētu sākties sadursmju un šķelšanās "ķēdes reakcija". Zinātnieki saprata, ka šādā ķēdes reakcijā sadaloties atomu kodoliem, tiek atbrīvots milzīgs enerģijas daudzums.
Ar šo enerģiju pietiek, lai izveidotu neticami spēcīgu bumbu. Izmantojot šo ideju, zinātnieku grupa amerikāņa Roberta Openheimera (1904-1967) vadībā radīja pirmo atombumbu. 1945. gada augustā Otrā pasaules kara laikā (1939-1945) uz Japānas pilsētām Hirosimu un Nagasaki tika nomestas amerikāņu urāna bumbas. Tas noveda pie šausminošām un postošām sekām.
Izvēlieties atbilstošo izotopu. Daži elementi vai izotopi tiek pakļauti radioaktīvai sabrukšanai, un dažādi izotopi var izturēties atšķirīgi. Visizplatītākā urāna izotopa atomu svars ir 238, un tas sastāv no 92 protoniem un 146 neitroniem, bet tā kodoli parasti absorbē neitronus, nesadaloties vieglāku elementu kodolos. Urāna izotops, kura kodolā ir trīs mazāk neitronu, 235 U, skaldās daudz vieglāk nekā 238 U, un to sauc par skaldāmo izotopu.
- Urāna skaldīšanas rezultātā izdalās trīs neitroni, kas saduras ar citiem urāna atomiem, kā rezultātā notiek ķēdes reakcija.
- Daži izotopi sadalās tik viegli un ātri, ka nav iespējams uzturēt pastāvīgu kodolreakciju. Šo parādību sauc par spontānu vai spontānu sabrukšanu. Piemēram, plutonija izotops 240 Pu ir pakļauts šādai sabrukšanai, atšķirībā no 239 Pu ar zemāku skaldīšanas ātrumu.
Lai reakcija turpinātos pēc pirmā atoma sabrukšanas, ir jāsavāc pietiekami daudz izotopu. Lai to izdarītu, ir nepieciešams noteikts minimālais skaldāmā izotopa daudzums, kas atbalstīs reakciju. Šo daudzumu sauc par kritisko masu. Nepieciešams pietiekami daudz izejmateriālu, lai sasniegtu kritisko masu un palielinātu sabrukšanas iespējamību.
Nošaut vienu izotopa atoma kodolu uz citu tā paša izotopa kodolu. Tā kā brīvās subatomiskās daļiņas ir diezgan reti sastopamas, bieži tās ir jāatdala no atomiem, kas satur šīs daļiņas. Viens veids, kā to izdarīt, ir izšaut vienu izotopu atomu uz citu tāda paša veida izotopu.
- Šī metode tika izmantota, lai izveidotu 235 U atombumbu, kas tika nomesta uz Hirosimu. Lielgabalam līdzīgs ierocis ar urāna kodolu izšāva 235 U atomus uz mērķi, kurā bija tie paši 235 U atomi. Atomi lidoja pietiekami ātri, lai no tiem atbrīvotie neitroni iekļūtu citu 235 U atomu kodolos un tos sadalītu. Sadalīšanās, savukārt, atbrīvoja neitronus, kas sadalīja nākamos 235 U atomus.
Uguns pie skaldāmā izotopa kodoliem ar subatomiskām daļiņām. Viena subatomiskā daļiņa var ietriekties 235 U atomā un sadalīt to divos atsevišķos citu elementu atomos, radot trīs neitronus. Subatomiskās daļiņas var iegūt no kontrolēta avota (piemēram, neitronu lielgabala) vai radīt kodolsadursmes. Parasti tiek izmantoti trīs veidu subatomiskās daļiņas.
- Protoni. Šīm subatomiskajām daļiņām ir masa un pozitīvs elektriskais lādiņš. Protonu skaits atomā nosaka, kura elementa atoms tas ir.
- Neitroni. Šo subatomisko daļiņu masa ir vienāda ar protona masu, bet tās ir neitrālas (nav elektriskā lādiņa).
- Alfa daļiņas. Šīs daļiņas ir hēlija atomu kodoli, kas nesatur elektronus. Tie sastāv no diviem protoniem un diviem neitroniem.
Pašlaik diezgan plaši tiek izmantota dažādu elementu atomu kodolu sadalīšana. Visas kodolspēkstacijas strādā uz skaldīšanas reakciju, uz šīs reakcijas balstās visu kodolieroču darbības princips. Kontrolētas vai ķēdes reakcijas gadījumā atoms, kas sadalīts daļās, vairs nevar savienoties un atgriezties sākotnējā stāvoklī. Bet, izmantojot kvantu mehānikas principus un likumus, zinātniekiem izdevās sadalīt atomu divās daļās un atkal savienot tās, nepārkāpjot paša atoma integritāti.
Zinātnieki no Bonnas universitātes izmantoja kvantu nenoteiktības principu, kas ļauj objektiem eksistēt vairākos stāvokļos vienlaikus. Eksperimentā ar dažu fizisku triku palīdzību zinātnieki lika vienam atomam eksistēt divās vietās vienlaikus, attālums starp kuriem bija nedaudz vairāk par vienu simtdaļu milimetra, kas atomu mērogā ir tikai milzīgs attālums.
Šādi kvantu efekti var izpausties tikai ārkārtīgi zemā temperatūrā. Cēzija atoms tika atdzesēts ar lāzera gaismu līdz temperatūrai, kas bija viena desmitā daļa no vienas miljonās daļas virs absolūtās nulles. Pēc tam atdzesētais atoms tika turēts cita lāzera gaismas stara optiskajā slazdā.
Ir zināms, ka atoma kodols var griezties vienā no diviem virzieniem, atkarībā no rotācijas virziena lāzera gaisma spiež kodolu pa labi vai pa kreisi. "Bet atomam noteiktā kvantu stāvoklī var būt" sašķelta personība ", viena tā puse griežas vienā virzienā, otra pretējā virzienā. Bet tajā pašā laikā atoms joprojām ir vesels objekts, ” saka fiziķis Andreass Štefens. Tādējādi atoma kodolu, kura daļas griežas pretējos virzienos, ar lāzera staru var sadalīt divās daļās, un šīs atoma daļas var atdalīt ar ievērojamu attālumu, ko zinātniekiem izdevās realizēt sava eksperimenta laikā.
Zinātnieki apgalvo, ka, izmantojot līdzīgu metodi, ir iespējams izveidot tā sauktos "kvantu tiltus", kas ir kvantu informācijas vadītāji. Vielas atoms tiek sadalīts uz pusēm, kuras tiek sadalītas uz sāniem, līdz tās nonāk saskarē ar blakus esošajiem atomiem. Veidojas sava veida ceļa gultne, laidums, kas savieno divus tilta stabus, pa kuru var pārraidīt informāciju. Tas ir iespējams tāpēc, ka šādi sadalīts atoms kvantu līmenī turpina būt vienots veselums, jo atoma daļas ir sapinušās kvantu līmenī.
Bonnas universitātes zinātnieki izmantos šo tehnoloģiju, lai modelētu un izveidotu sarežģītas kvantu sistēmas. "Atoms mums ir kā labi ieeļļots pārnesums," saka Dr Andrea Alberti, komandas vadītāja. "Izmantojot daudzus no šiem pārnesumiem, varat izveidot kvantu kalkulatoru ar parametriem, kas ievērojami pārsniedz vismodernāko datoru parametrus. Jums tikai jāspēj pareizi novietot un savienot šos pārnesumus."
Kodola skaldīšana ir smaga atoma sadalīšana divos aptuveni vienādas masas fragmentos, ko pavada liela enerģijas daudzuma izdalīšanās.
Kodola skaldīšanas atklāšana aizsāka jaunu ēru - "atomu laikmetu". Tās iespējamās izmantošanas potenciāls un riska attiecība pret ieguvumiem no tā izmantošanas ir radījusi ne tikai daudzus socioloģiskus, politiskus, ekonomiskus un zinātniskus sasniegumus, bet arī nopietnas problēmas. Pat no tīri zinātniskā viedokļa kodola skaldīšanas process ir radījis lielu skaitu mīklu un sarežģījumu, un tā pilnīga teorētiskā izskaidrošana ir nākotnes jautājums.
Dalīšanās ir izdevīga
Saistīšanas enerģijas (uz vienu nukleonu) dažādiem kodoliem atšķiras. Smagākiem ir zemāka saistošā enerģija nekā tiem, kas atrodas periodiskās tabulas vidū.
Tas nozīmē, ka smagajiem kodoliem, kuru atomskaitlis ir lielāks par 100, ir izdevīgi sadalīties divos mazākos fragmentos, tādējādi atbrīvojot enerģiju, kas tiek pārvērsta fragmentu kinētiskajā enerģijā. Šo procesu sauc par sadalīšanu
Saskaņā ar stabilitātes līkni, kas parāda protonu skaita atkarību no neitronu skaita stabiliem nuklīdiem, smagāki kodoli dod priekšroku vairāk neitronu (salīdzinot ar protonu skaitu) nekā vieglāki. Tas liecina, ka kopā ar sadalīšanas procesu tiks emitēti daži "rezerves" neitroni. Turklāt viņi arī uzņems daļu atbrīvotās enerģijas. Urāna atoma kodola skaldīšanas pētījums parādīja, ka tiek atbrīvoti 3-4 neitroni: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.
Fragmenta atomskaitlis (un atommasa) nav vienāds ar pusi no pamatmasas. Atšķirība starp atomu masām, kas veidojas sadalīšanās rezultātā, parasti ir aptuveni 50. Tiesa, iemesls tam vēl nav līdz galam skaidrs.
238 U, 145 La un 90 Br saistīšanas enerģijas ir attiecīgi 1803, 1198 un 763 MeV. Tas nozīmē, ka šīs reakcijas rezultātā tiek atbrīvota urāna kodola skaldīšanas enerģija, kas vienāda ar 1198 + 763-1803 = 158 MeV.
Spontāna sadalīšanās
Dabā ir zināmi spontānas šķelšanās procesi, taču tie ir ļoti reti. Šī procesa vidējais kalpošanas laiks ir aptuveni 10 17 gadi, un, piemēram, viena un tā paša radionuklīda alfa sabrukšanas vidējais mūžs ir aptuveni 10 11 gadi.
Iemesls tam ir tāds, ka, lai sadalītos divās daļās, kodols vispirms ir jādeformē (izstiepj) elipsoidālā formā un pēc tam, pirms beidzot sadalās divos fragmentos, vidū jāveido “kakls”.
Potenciālais šķērslis
Deformētā stāvoklī uz serdi iedarbojas divi spēki. Viens no tiem ir palielināta virsmas enerģija (šķidruma piliena virsmas spraigums izskaidro tā sfērisko formu), bet otrs ir Kulona atgrūšanās starp skaldīšanas fragmentiem. Kopā tie rada potenciālu barjeru.
Tāpat kā alfa sabrukšanas gadījumā, lai notiktu spontāna urāna atoma kodola skaldīšana, fragmentiem ir jāpārvar šī barjera, izmantojot kvantu tunelēšanu. Barjera ir aptuveni 6 MeV, tāpat kā alfa sabrukšanas gadījumā, bet varbūtība, ka alfa daļiņas tunelē, ir daudz lielāka nekā daudz smagākam atoma dalīšanās produktam.
piespiedu sadalīšana
Daudz lielāka iespējamība ir inducētā urāna kodola skaldīšanās. Šajā gadījumā mātes kodols tiek apstarots ar neitroniem. Ja vecāks to absorbē, tie saistās, atbrīvojot saistošo enerģiju vibrācijas enerģijas veidā, kas var pārsniegt 6 MeV, kas nepieciešami potenciālās barjeras pārvarēšanai.
Ja papildu neitrona enerģija nav pietiekama, lai pārvarētu potenciālo barjeru, krītošajam neitronam jābūt ar minimālu kinētisko enerģiju, lai tas varētu izraisīt atoma šķelšanos. 238 U gadījumā papildu neitronu saistīšanas enerģija ir aptuveni 1 MeV. Tas nozīmē, ka urāna kodola skaldīšanu izraisa tikai neitrons, kura kinētiskā enerģija ir lielāka par 1 MeV. No otras puses, 235 U izotopam ir viens nepāra neitrons. Kad kodols uzņem papildu, tas veido pāri ar to, un šīs pārošanas rezultātā parādās papildu saistīšanas enerģija. Tas ir pietiekami, lai atbrīvotu kodolam nepieciešamo enerģijas daudzumu, lai pārvarētu potenciālo barjeru, un izotopu skaldīšanās notiek sadursmē ar jebkuru neitronu.
beta sabrukšana
Lai gan skaldīšanas reakcija izstaro trīs vai četrus neitronus, fragmenti joprojām satur vairāk neitronu nekā to stabilie izobāri. Tas nozīmē, ka šķelšanās fragmenti parasti ir nestabili pret beta sabrukšanu.
Piemēram, sadaloties urānam 238 U, stabilais izobārs ar A = 145 ir neodīma 145 Nd, kas nozīmē, ka lantāna 145 La fragments sadalās trīs posmos, katru reizi izstarojot elektronu un antineitrīnu, līdz veidojas stabils nuklīds. . Stabilais izobārs ar A = 90 ir cirkonijs 90 Zr, tāpēc broma 90 Br šķelšanās fragments sadalās piecos β-sabrukšanas ķēdes posmos.
Šīs β-sabrukšanas ķēdes atbrīvo papildu enerģiju, ko gandrīz visu aiznes elektroni un antineitrīni.
Kodolreakcijas: urāna kodolu skaldīšanās
Tieša neitronu emisija no nuklīda, kurā to ir pārāk daudz, lai nodrošinātu kodola stabilitāti, ir maz ticama. Lieta ir tāda, ka nav Kulona atgrūšanas, un tāpēc virsmas enerģija mēdz uzturēt neitronu saiknē ar vecāku. Tomēr tas dažreiz notiek. Piemēram, 90 Br skaldīšanas fragments pirmajā beta sabrukšanas stadijā rada kriptonu-90, kas var būt ierosinātā stāvoklī ar pietiekami daudz enerģijas, lai pārvarētu virsmas enerģiju. Šajā gadījumā neitronu emisija var notikt tieši, veidojoties kriptonam-89. joprojām ir nestabils attiecībā uz β sabrukšanu, līdz tas tiek pārveidots par stabilu itriju-89, tādējādi kriptons-89 sadalās trīs posmos.
Urāna kodolu skaldīšana: ķēdes reakcija
Dalīšanās reakcijā emitētos neitronus var absorbēt cits mātes kodols, kas pēc tam pats tiek pakļauts inducētai skaldīšanai. Urāna-238 gadījumā trīs radītie neitroni izdalās ar enerģiju, kas ir mazāka par 1 MeV (urāna kodola skaldīšanas laikā atbrīvotā enerģija - 158 MeV - galvenokārt tiek pārvērsta skaldīšanas fragmentu kinētiskajā enerģijā). tāpēc tie nevar izraisīt šī nuklīda turpmāku skaldīšanu. Neskatoties uz to, ievērojamā retā 235 U izotopa koncentrācijā šos brīvos neitronus var uztvert 235 U kodoli, kas patiešām var izraisīt skaldīšanu, jo šajā gadījumā nav enerģijas sliekšņa, zem kura netiek ierosināta skaldīšanās.
Tas ir ķēdes reakcijas princips.
Kodolreakciju veidi
Apzīmēsim k neitronu skaitu, kas radušies skaldmateriāla paraugā šīs ķēdes n stadijā, dalīts ar neitronu skaitu, kas radušies posmā n - 1. Šis skaitlis būs atkarīgs no tā, cik neitronu, kas radušies posmā n - 1, ir absorbēti. ar kodolu, kas var būt spiests dalīties.
Ja 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.
Ja k > 1, tad ķēdes reakcija pastiprināsies, līdz tiks izmantots viss skaldāmais materiāls, kas tiek panākts, bagātinot dabisko rūdu, lai iegūtu pietiekami lielu urāna-235 koncentrāciju. Sfēriskam paraugam k vērtība palielinās, palielinoties neitronu absorbcijas varbūtībai, kas ir atkarīga no sfēras rādiusa. Tāpēc masai U ir jāpārsniedz noteikts daudzums, lai notiktu urāna kodolu skaldīšanās (ķēdes reakcija).
Ja k = 1, tad notiek kontrolēta reakcija. To izmanto procesā, ko kontrolē, sadalot kadmija vai bora stieņus starp urānu, kas absorbē lielāko daļu neitronu (šiem elementiem ir spēja uztvert neitronus). Urāna kodola skaldīšana tiek automātiski kontrolēta, pārvietojot stieņus tā, lai k vērtība paliktu vienāda ar vienu.
