Descoberta do núcleo atômico Consideremos com um pouco mais de detalhes uma das descobertas fundamentais de Rutherford - a descoberta do núcleo atômico e do modelo planetário do átomo. Vimos que a comparação de um átomo com um sistema planetário foi feita no início do século XX. Mas esse modelo era difícil

Modelo próton-nêutron do núcleo Em 28 de maio de 1932, o físico soviético D. D. Ivanenko publicou uma nota na Nature na qual sugeria que o nêutron, junto com o próton, é um elemento estrutural do núcleo. Ele ressaltou que tal hipótese resolve o problema da catástrofe do nitrogênio. EM

Dentro do Núcleo Esta viagem inédita para os passageiros do Núcleo Jules Vernov não será tão pacífica e próspera como descrita no romance. Não pensem, porém, que o perigo os ameaça durante a viagem da Terra à Lua. De jeito nenhum! Se eles conseguissem permanecer vivos até o momento

Ao Capítulo VIII 6. Pressão dentro de uma bala de canhão Para os leitores que desejarem conferir os cálculos mencionados na página 65, apresentamos aqui estes cálculos simples. Para os cálculos teremos que usar apenas duas fórmulas para movimento acelerado, a saber: 1) Velocidade v no final

4.2. Características físicas, estrutura nuclear Na última década, o nosso conhecimento sobre os cometas e os processos que neles ocorrem expandiu-se significativamente. Um aumento acentuado no interesse pelos cometas foi facilitado pela preparação e condução do espaço internacional

RUTHERFORD E A DESCOBERTA DO NÚCLEO ATÔMICO O que aconteceu com alguém que foi um bom jogador de rugby na juventude e então, antes de qualquer outra pessoa, percebeu que o átomo poderia decair? Ernest Rutherford encerrou seu "exílio" americano em janeiro de 1907, algum tempo após sua morte

Henri Becquerel

Os cientistas já acreditaram que os átomos eram as menores partículas. Mas há cem anos descobriram que até os átomos podem ser divididos em partículas muito menores. Foi graças a isso que a criação da bomba atômica se tornou possível. Em 1896, um cientista francês Henri Becquerel(1852-1908) descobriu acidentalmente que alguns átomos são “radioativos”, ou seja, emitem raios.

No ano seguinte, o cientista inglês JJ Thomson(1856-1940) notaram que os raios elétricos luminosos são, na verdade, partículas eletricamente carregadas, cujo tamanho é muitas vezes menor que um átomo. Está provado que essas partículas - elétrons - são encontradas nos átomos.

Ernest Rutherford

Um pouco mais tarde, um cientista inglês Ernest Rutherford(1871-1937) descobriu que a radioatividade nada mais é do que a divisão de átomos para formar outros átomos. À medida que decaem, esses átomos também emitem fluxos de partículas que ele chamou de partículas alfa e beta. Em 1911, Rutherford direcionou fluxos de partículas alfa para uma folha de ouro.

A maioria deles passou direto por isso. mas alguns se recuperaram. Ele percebeu que os átomos não eram pedaços sólidos de matéria, como se pensava anteriormente, mas eram basicamente espaços vazios e, portanto, as partículas geralmente passavam através da folha. Mas eles têm partes centrais pequenas e densas com carga positiva - os núcleos, e foi contra eles que as poucas partículas que ricochetearam atingiram. Em 1912, um cientista dinamarquês começou a trabalhar com Rutherford Niels Bohr(1885-1962). Bohr sugeriu. que cada tipo de átomo tem um número diferente de elétrons, que circulam a diferentes distâncias ao redor do núcleo, como planetas em órbita solar. Hoje sabemos que os elétrons se parecem mais com nuvens difusas de energia do que com planetas, mas a ideia de Bohr estava essencialmente correta.

Divisão do átomo Em 1919, Rutherford conseguiu dividir átomos pela primeira vez. Ele disparou partículas alfa no gás nitrogênio, fazendo com que os núcleos de hidrogênio se separassem dos núcleos de nitrogênio. Então Rutherford chegou à conclusão de que todos os núcleos atômicos são construídos a partir de núcleos de hidrogênio, que ele chamou de prótons. Em 1932, um inglês James Chadwick(1891-1974) descobriu outra partícula no núcleo - o nêutron. Os nêutrons não têm carga elétrica, ao contrário dos nêutrons, que possuem uma carga positiva que equilibra a carga negativa dos elétrons.

Cientista italiano Enrico Fermi(1901-1954) decidiu descobrir o que aconteceria se um fluxo de nêutrons fosse direcionado ao maior átomo conhecido - o átomo de urânio. Ele acreditava que os nêutrons se combinariam com o urânio e formariam um átomo ainda maior.

Na verdade, como mostrou o físico austríaco Lise Meitner(1878-1968), o átomo de urânio se dividiu em duas partes, formando átomos menores como o bário. Ao mesmo tempo, nêutrons adicionais também foram liberados. Se estes neutrões, por sua vez, dividirem outros átomos de urânio, poderá começar uma “reação em cadeia” de colisões e fissões. Os cientistas perceberam que quando os núcleos atômicos se dividiam em tal reação em cadeia, uma enorme quantidade de energia era liberada.

Essa energia é suficiente para criar uma bomba incrivelmente poderosa. Aproveitando essa ideia, um grupo de cientistas liderado pelo americano Robert Oppenheimer (1904-1967) criou a primeira bomba atômica. Em agosto de 1945, durante a Segunda Guerra Mundial (1939-1945), bombas americanas de urânio foram lançadas sobre as cidades japonesas de Hiroshima e Nagasaki. Isso levou a consequências horríveis e destrutivas.

Selecione o isótopo apropriado. Alguns elementos ou isótopos sofrem decaimento radioativo e diferentes isótopos podem se comportar de maneira diferente. O isótopo mais comum do urânio tem peso atômico de 238 e consiste em 92 prótons e 146 nêutrons, mas seus núcleos normalmente absorvem nêutrons sem se dividirem em núcleos de elementos mais leves. Um isótopo de urânio cujo núcleo contém três nêutrons a menos, 235 U, fissiona muito mais facilmente do que 238 U e é chamado de isótopo físsil.

• Quando o urânio se divide (fissões), são liberados três nêutrons, que colidem com outros átomos de urânio, causando uma reação em cadeia.
• Alguns isótopos se dividem tão fácil e rapidamente que é impossível manter uma reação nuclear constante. Este fenômeno é chamado de decaimento espontâneo ou espontâneo. Por exemplo, o isótopo de plutônio 240 Pu está sujeito a tal decadência, em contraste com o 239 Pu, que tem uma taxa de fissão mais baixa.

Para que a reação continue após o decaimento do primeiro átomo, é necessário coletar isótopos suficientes. Para fazer isso, é necessário ter uma certa quantidade mínima de isótopo físsil que irá sustentar a reação. Essa quantidade é chamada de massa crítica. Para atingir a massa crítica e aumentar a probabilidade de decomposição, é necessária uma quantidade suficiente de material inicial.

A divisão dos núcleos de átomos de vários elementos é atualmente amplamente utilizada. Todas as usinas nucleares operam na reação de fissão; o princípio de funcionamento de todas as armas nucleares é baseado nesta reação. No caso de uma reação controlada ou em cadeia, o átomo, tendo se dividido em partes, não pode mais se unir e retornar ao seu estado original. Mas, usando os princípios e leis da mecânica quântica, os cientistas conseguiram dividir o átomo em duas metades e conectá-las novamente sem violar a integridade do próprio átomo.

Cientistas da Universidade de Bonn usaram o princípio da incerteza quântica, que permite que objetos existam em vários estados ao mesmo tempo. No experimento, com a ajuda de alguns truques físicos, os cientistas forçaram um único átomo a existir em dois lugares ao mesmo tempo, a distância entre eles era de pouco mais de um centésimo de milímetro, o que na escala atômica é simplesmente uma distância enorme .

Tais efeitos quânticos só podem aparecer em temperaturas extremamente baixas. Um átomo de césio foi resfriado por luz laser a uma temperatura de um décimo de um milionésimo de grau acima do zero absoluto. O átomo resfriado foi então capturado opticamente por um feixe de luz de outro laser.

Sabe-se que o núcleo de um átomo pode girar em uma de duas direções; dependendo da direção de rotação, a luz do laser empurra o núcleo para a direita ou para a esquerda. "Mas um átomo, em um certo estado quântico, pode ter uma "personalidade dividida", metade dele gira em uma direção, a outra na direção oposta. Mas, ao mesmo tempo, o átomo ainda é um objeto inteiro, ” diz o físico Andreas Steffen. Assim, o núcleo de um átomo, cujas partes giram em direções opostas, pode ser dividido em duas partes por um feixe de laser e essas partes do átomo podem ser separadas por uma distância considerável, que foi o que os cientistas conseguiram alcançar durante seu experimento. .

Os cientistas afirmam que usando um método semelhante é possível criar as chamadas “pontes quânticas”, que são condutores de informação quântica. Um átomo de uma substância é dividido em metades, que se separam até entrarem em contato com átomos adjacentes. Forma-se algo como uma superfície de estrada, um vão conectando dois pilares de uma ponte, ao longo do qual as informações podem ser transmitidas. Isso é possível devido ao fato de que um átomo dividido desta forma continua a permanecer um único todo no nível quântico devido ao fato de que as partes do átomo estão emaranhadas no nível quântico.

Cientistas da Universidade de Bonn pretendem usar essa tecnologia para simular e criar sistemas quânticos complexos. “Para nós, o átomo é como uma engrenagem bem lubrificada”, diz a Dra. Andrea Alberti, líder da equipe. "Usando muitas dessas engrenagens, você pode criar um dispositivo de computação quântica com características que excedem em muito as dos computadores mais avançados. Você só precisa ser capaz de posicionar e conectar corretamente essas engrenagens."

A fissão nuclear é a divisão de um átomo pesado em dois fragmentos de massa aproximadamente igual, acompanhada pela liberação de uma grande quantidade de energia.

A descoberta da fissão nuclear deu início a uma nova era – a “era atômica”. O potencial da sua possível utilização e a relação risco-benefício da sua utilização não só geraram muitos avanços sociológicos, políticos, económicos e científicos, mas também sérios problemas. Mesmo de um ponto de vista puramente científico, o processo de fissão nuclear criou um grande número de enigmas e complicações, e a sua explicação teórica completa é uma questão do futuro.

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As energias de ligação (por núcleon) diferem para diferentes núcleos. Os mais pesados ​​têm menor energia de ligação do que aqueles localizados no meio da tabela periódica.

Isso significa que núcleos pesados ​​com número atômico superior a 100 se beneficiam da divisão em dois fragmentos menores, liberando assim energia que é convertida em energia cinética dos fragmentos. Este processo é chamado de divisão

De acordo com a curva de estabilidade, que mostra o número de prótons versus o número de nêutrons para nuclídeos estáveis, os núcleos mais pesados ​​preferem um número maior de nêutrons (em relação ao número de prótons) do que os núcleos mais leves. Isto sugere que alguns nêutrons “sobressalentes” serão emitidos junto com o processo de fissão. Além disso, também absorverão parte da energia liberada. Um estudo da fissão do núcleo de um átomo de urânio mostrou que 3-4 nêutrons são liberados: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

O número atômico (e massa atômica) do fragmento não é igual à metade da massa atômica do pai. A diferença entre as massas dos átomos formados como resultado da divisão é geralmente de cerca de 50. No entanto, a razão para isso ainda não está totalmente clara.

As energias de ligação de 238 U, 145 La e 90 Br são 1803, 1198 e 763 MeV, respectivamente. Isso significa que como resultado dessa reação, é liberada a energia de fissão do núcleo de urânio, igual a 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Fissão espontânea

Processos de fissão espontânea são conhecidos na natureza, mas são muito raros. A vida média deste processo é de cerca de 10 17 anos e, por exemplo, a vida média do decaimento alfa do mesmo radionuclídeo é de cerca de 10 11 anos.

A razão para isso é que, para se dividir em duas partes, o núcleo deve primeiro sofrer deformação (estiramento) em uma forma elipsoidal e, então, antes de finalmente se dividir em dois fragmentos, formar um “pescoço” no meio.

Barreira potencial

Num estado deformado, duas forças atuam no núcleo. Um deles é o aumento da energia superficial (a tensão superficial de uma gota líquida explica sua forma esférica) e o outro é a repulsão de Coulomb entre fragmentos de fissão. Juntos, eles produzem uma barreira potencial.

Assim como no caso do decaimento alfa, para que ocorra a fissão espontânea do núcleo de um átomo de urânio, os fragmentos devem superar essa barreira por meio de tunelamento quântico. O valor da barreira é de cerca de 6 MeV, como no caso do decaimento alfa, mas a probabilidade de um tunelamento de partículas alfa é muito maior do que a do produto de fissão atômica, muito mais pesado.

Divisão forçada

Muito mais provável é a fissão induzida do núcleo de urânio. Neste caso, o núcleo mãe é irradiado com nêutrons. Se o pai o absorver, eles se unem, liberando energia de ligação na forma de energia vibracional que pode exceder os 6 MeV necessários para superar a barreira de potencial.

Quando a energia do nêutron adicional não for suficiente para superar a barreira de potencial, o nêutron incidente deve ter uma energia cinética mínima para poder induzir a fissão atômica. No caso de 238 U, a energia de ligação de nêutrons adicionais está faltando em cerca de 1 MeV. Isso significa que a fissão de um núcleo de urânio é induzida apenas por um nêutron com energia cinética superior a 1 MeV. Por outro lado, o isótopo 235 U possui um nêutron desemparelhado. Quando um núcleo absorve outro, ele se emparelha com ele, e esse emparelhamento resulta em energia de ligação adicional. Isso é suficiente para liberar a quantidade de energia necessária para que o núcleo supere a barreira de potencial e a fissão do isótopo ocorra na colisão com qualquer nêutron.

Decaimento beta

Embora a reação de fissão produza três ou quatro nêutrons, os fragmentos ainda contêm mais nêutrons do que suas isóbaras estáveis. Isto significa que os fragmentos de clivagem tendem a ser instáveis ​​ao decaimento beta.

Por exemplo, quando ocorre a fissão do núcleo de urânio 238 U, a isóbara estável com A = 145 é o neodímio 145 Nd, o que significa que o fragmento de lantânio 145 La decai em três estágios, cada vez emitindo um elétron e um antineutrino, até que um nuclídeo estável é formado. Uma isóbara estável com A = 90 é o zircônio 90 Zr, então o fragmento de clivagem do bromo 90 Br decai em cinco estágios da cadeia de decaimento β.

Essas cadeias de decaimento β liberam energia adicional, quase toda ela transportada por elétrons e antineutrinos.

Reações nucleares: fissão de núcleos de urânio

A emissão direta de nêutrons de um nuclídeo com muitos nêutrons para garantir a estabilidade nuclear é improvável. A questão aqui é que não há repulsão de Coulomb e, portanto, a energia superficial tende a manter o nêutron ligado ao pai. No entanto, isso acontece às vezes. Por exemplo, o fragmento de fissão de 90 Br no primeiro estágio do decaimento beta produz o criptônio-90, que pode estar em um estado excitado com energia suficiente para superar a energia superficial. Nesse caso, a emissão de nêutrons pode ocorrer diretamente com a formação do criptônio-89. ainda é instável ao decaimento β até que se torne estável o ítrio-89, então o criptônio-89 decai em três etapas.

Fissão de núcleos de urânio: reação em cadeia

Os nêutrons emitidos na reação de fissão podem ser absorvidos por outro núcleo parental, que então sofre fissão induzida. No caso do urânio-238, os três nêutrons produzidos saem com energia inferior a 1 MeV (a energia liberada durante a fissão de um núcleo de urânio - 158 MeV - é convertida principalmente na energia cinética dos fragmentos de fissão ), então eles não podem causar mais fissão deste nuclídeo. No entanto, a uma concentração significativa do isótopo raro 235 U, estes neutrões livres podem ser capturados por núcleos de 235 U, o que pode realmente causar fissão, uma vez que neste caso não existe um limiar de energia abaixo do qual a fissão não seja induzida.

Este é o princípio de uma reação em cadeia.

Tipos de reações nucleares

Seja k o número de nêutrons produzidos em uma amostra de material físsil no estágio n desta cadeia, dividido pelo número de nêutrons produzidos no estágio n - 1. Este número dependerá de quantos nêutrons produzidos no estágio n - 1 são absorvidos pelo núcleo que pode sofrer divisão forçada.

Se 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.

Se k > 1, então a reação em cadeia aumentará até que todo o material físsil tenha sido consumido, o que é conseguido através do enriquecimento do minério natural para obter uma concentração suficientemente grande de urânio-235. Para uma amostra esférica, o valor de k aumenta com o aumento da probabilidade de absorção de nêutrons, que depende do raio da esfera. Portanto, a massa U deve exceder um certo valor para que a fissão dos núcleos de urânio (reação em cadeia) possa ocorrer.

Se k = 1, então ocorre uma reação controlada. Isso é usado em O processo é controlado pela distribuição de bastões de cádmio ou boro entre o urânio, que absorvem a maior parte dos nêutrons (esses elementos têm a capacidade de capturar nêutrons). A fissão do núcleo de urânio é controlada automaticamente movendo as hastes de modo que o valor de k permaneça igual à unidade.