Objav atómového jadra Uvažujme podrobnejšie o jednom zo základných Rutherfordových objavov – objave atómového jadra a planetárneho modelu atómu. Videli sme, že asimilácia atómu do planetárneho systému bola vykonaná na samom začiatku 20. storočia. Ale tento model bol ťažký

Protón-neutrónový model jadra 28. mája 1932 sovietsky fyzik D. D. Ivanenko publikoval poznámku v časopise Nature, v ktorej navrhol, že neutrón je spolu s protónom štruktúrnym prvkom jadra. Poukázal na to, že takáto hypotéza rieši problém dusíkovej katastrofy. IN

Vnútri jadra Táto bezprecedentná cesta pre pasažierov jadra Julesa Verna nebude taká pokojná a bezpečná, ako sa opisuje v románe. Nemyslite si však, že im počas cesty zo Zeme na Mesiac hrozí nebezpečenstvo. Vôbec nie! Ak sa im podarilo zostať nažive,

Ku kapitole VIII 6. Tlak vo vnútri delovej gule Pre čitateľov, ktorí by si chceli overiť výpočty uvedené na strane 65, tu uvádzame tieto jednoduché výpočty Pre výpočty budeme musieť použiť iba dva vzorce pre zrýchlený pohyb, a to:

4.2. Fyzikálne charakteristiky, štruktúra jadra V poslednom desaťročí sa naše poznatky o kométach a procesoch, ktoré na nich prebiehajú, výrazne rozšírili. Prudký nárast záujmu o kométy umožnila príprava a usporiadanie medzinárodného priestoru

Rutherford a objav atómového jadra Čo sa stalo niekomu, kto bol v mladosti dobrým hráčom rugby a potom skôr ako ktokoľvek iný uhádol, že sa atóm môže rozpadnúť? Ernest Rutherford dokončil svoj americký „exil“ v ​​januári 1907, nejaký čas po jeho smrti.

Henri Becquerel

Kedysi vedci verili, že atómy sú najmenšie častice. Pred sto rokmi však zistili, že aj atómy sa dajú rozložiť na oveľa menšie častice. To umožnilo vytvorenie atómovej bomby. V roku 1896 francúzsky vedec Henri Becquerel(1852-1908) náhodne zistil, že niektoré atómy sú „rádioaktívne“, to znamená, že vyžarujú lúče.

Nasledujúci rok anglický vedec J. J. Thomson(1856-1940) si všimol, že svetelné elektrické lúče sú v skutočnosti elektricky nabité častice, ktorých veľkosť je mnohonásobne menšia ako veľkosť atómu. Je dokázané, že tieto častice – elektróny – sa nachádzajú v atómoch.

Ernest Rutherford

O niečo neskôr anglický vedec Ernest Rutherford(1871-1937) zistil, že rádioaktivita nie je nič iné ako štiepenie atómov na ďalšie atómy. Pri rozpade tieto atómy emitujú aj prúdy častíc, ktoré nazval častice alfa a beta. V roku 1911 poslal Rutherford alfa častice na zlatú fóliu.

Väčšina z nich cez to prešla. ale trochu ustúpil. Uvedomil si, že atómy nie sú pevné kusy hmoty, ako sa doteraz myslelo, ale väčšinou ide o prázdny priestor, a preto častice zvyčajne prechádzajú cez fóliu. Majú ale malé a husté centrálne kladne nabité časti – jadrá a práve na ne narazilo tých pár častíc, ktoré sa odrazili späť. V roku 1912 začal dánsky vedec spolupracovať s Rutherfordom Niels Bohr(1885-1962). navrhol Bohr. že každý druh atómu má iný počet elektrónov, ktoré krúžia v rôznych vzdialenostiach okolo jadra, ako planéty na slnečnej dráhe. Dnes vieme, že elektróny sú skôr ako rozmazané oblaky energie ako planéty, ale Bohrova myšlienka bola v podstate správna.

Rozdelenie atómu V roku 1919 sa Rutherfordovi prvýkrát podarilo rozdeliť atómy. Bombardoval plynný dusík alfa časticami a v dôsledku toho sa jadrá vodíka oddelili od jadier dusíka. Potom Rutherford dospel k záveru, že všetky atómové jadrá sú postavené z jadier vodíka, ktoré nazval protóny. V roku 1932 Angličan James Chadwick(1891-1974) našiel v jadre ďalšiu časticu – neutrón. Neutróny nemajú žiadny elektrický náboj, na rozdiel od chodov, ktoré majú kladný náboj, ktorý vyrovnáva záporný náboj elektrónov.

Taliansky vedec Enrico Fermi(1901-1954) sa rozhodol zistiť, čo by sa stalo, keby bol tok neutrónov nasmerovaný na najväčší známy atóm, atóm uránu. Veril, že neutróny sa spoja s uránom a vytvoria ešte väčší atóm.

V skutočnosti, ako ukázal rakúsky fyzik Lisa Meitnerová(1878-1968) sa atóm uránu rozdelil na dva a vytvorili menšie atómy, ako je bárium. To malo za následok aj uvoľnenie ďalších neutrónov. Ak potom tieto neutróny zase rozdelia ďalšie atómy uránu, potom by sa mohla začať „reťazová reakcia“ zrážok a štiepení. Vedci si uvedomili, že keď sa atómové jadrá v takejto reťazovej reakcii rozdelia, uvoľní sa obrovské množstvo energie.

Táto energia stačí na vytvorenie neuveriteľne silnej bomby. Využitím tejto myšlienky skupina vedcov vedená Američanom Robertom Oppenheimerom (1904-1967) vytvorila prvú atómovú bombu. V auguste 1945, počas druhej svetovej vojny (1939-1945), boli na japonské mestá Hirošima a Nagasaki zhodené americké uránové bomby. To viedlo k hrozným a zničujúcim následkom.

Vyberte vhodný izotop. Niektoré prvky alebo izotopy podliehajú rádioaktívnemu rozpadu a rôzne izotopy sa môžu správať odlišne. Najbežnejší izotop uránu má atómovú hmotnosť 238 a skladá sa z 92 protónov a 146 neutrónov, ale jeho jadrá zvyčajne pohlcujú neutróny bez toho, aby sa rozdelili na jadrá ľahších prvkov. Izotop uránu, ktorého jadro obsahuje o tri neutróny menej, 235 U, sa štiepi oveľa ľahšie ako 238 U a nazýva sa štiepny izotop.

• Štiepenie uránu uvoľňuje tri neutróny, ktoré sa zrážajú s inými atómami uránu, čo vedie k reťazovej reakcii.
• Niektoré izotopy sa štiepia tak ľahko a rýchlo, že je nemožné udržať konštantnú jadrovú reakciu. Tento jav sa nazýva spontánny alebo spontánny rozpad. Napríklad izotop plutónia 240 Pu podlieha takémuto rozpadu, na rozdiel od 239 Pu s nižšou rýchlosťou štiepenia.

Aby reakcia pokračovala aj po rozpade prvého atómu, musí sa zozbierať dostatok izotopu. K tomu je potrebné mať určité minimálne množstvo štiepneho izotopu, ktorý podporí reakciu. Táto veličina sa nazýva kritická hmotnosť. Na dosiahnutie kritického množstva a zvýšenie pravdepodobnosti rozpadu je potrebný dostatok východiskového materiálu.

Štiepenie jadier atómov rôznych prvkov sa v súčasnosti používa pomerne široko. Všetky jadrové elektrárne pracujú na štiepnej reakcii, na tejto reakcii je založený princíp činnosti všetkých jadrových zbraní. V prípade riadenej alebo reťazovej reakcie sa atóm, ktorý je rozdelený na časti, už nemôže spojiť späť a vrátiť sa do pôvodného stavu. Ale pomocou princípov a zákonov kvantovej mechaniky sa vedcom podarilo rozdeliť atóm na dve polovice a znova ich spojiť bez narušenia integrity samotného atómu.

Vedci z univerzity v Bonne využili princíp kvantovej neistoty, ktorý umožňuje existenciu objektov v niekoľkých stavoch naraz. V experimente vedci pomocou niektorých fyzikálnych trikov vytvorili jeden atóm na dvoch miestach naraz, pričom vzdialenosť medzi nimi bola o niečo viac ako stotina milimetra, čo je v atómovom meradle len obrovská vzdialenosť.

Takéto kvantové efekty sa môžu prejaviť len pri extrémne nízkych teplotách. Atóm cézia bol ochladený laserovým svetlom na teplotu jednej desatiny jednej milióntiny stupňa nad absolútnou nulou. Ochladený atóm bol potom držaný v optickej pasci lúča svetla z iného lasera.

Je známe, že jadro atómu sa môže otáčať jedným z dvoch smerov, v závislosti od smeru rotácie laserové svetlo tlačí jadro doprava alebo doľava. "Atóm však v určitom kvantovom stave môže mať "rozdelenú osobnosť", jedna jeho polovica sa otáča jedným smerom a druhá opačným smerom. Ale zároveň je atóm stále celý objekt," hovorí fyzik Andreas Steffen. Jadro atómu, ktorého časti rotujú v opačných smeroch, je teda možné laserovým lúčom rozdeliť na dve časti a tieto časti atómu oddeliť na značnú vzdialenosť, čo sa vedcom podarilo počas ich experimentu zrealizovať.

Vedci tvrdia, že pomocou podobnej metódy je možné vytvárať takzvané „kvantové mosty“, ktoré sú vodičmi kvantovej informácie. Atóm látky je rozdelený na polovice, ktoré sú rozdelené do strán, kým sa nedostanú do kontaktu so susednými atómami. Vytvorí sa akési podložie vozovky, rozpätie spájajúce dva piliere mosta, cez ktoré sa môžu prenášať informácie. Je to možné vďaka tomu, že takto rozdelený atóm je na kvantovej úrovni naďalej jedným celkom, pretože časti atómu sú na kvantovej úrovni zapletené.

Vedci z univerzity v Bonne sa chystajú použiť túto technológiu na modelovanie a vytváranie zložitých kvantových systémov. "Atóm je pre nás ako dobre naolejované zariadenie," hovorí Dr Andrea Alberti, vedúci tímu. "Pomocou mnohých z týchto ozubených kolies môžete vytvoriť kvantovú kalkulačku s charakteristikami, ktoré ďaleko presahujú charakteristiky najpokročilejších počítačov. Musíte byť schopní správne umiestniť a pripojiť tieto prevody."

Jadrové štiepenie je rozdelenie ťažkého atómu na dva fragmenty približne rovnakej hmotnosti, sprevádzané uvoľnením veľkého množstva energie.

Objavom jadrového štiepenia sa začala nová éra – „atómový vek“. Potenciál jeho možného využitia a pomer rizika k prospechu z jeho používania priniesli nielen mnohé sociologické, politické, ekonomické a vedecké úspechy, ale aj vážne problémy. Aj z čisto vedeckého hľadiska proces jadrového štiepenia vytvoril veľké množstvo hádaniek a komplikácií a jeho úplné teoretické vysvetlenie je otázkou budúcnosti.

Zdieľanie je ziskové

Väzbové energie (na nukleón) sa líšia pre rôzne jadrá. Ťažšie majú nižšie väzbové energie ako tie, ktoré sa nachádzajú v strede periodickej tabuľky.

To znamená, že pre ťažké jadrá s atómovým číslom väčším ako 100 je výhodné rozdeliť sa na dva menšie fragmenty, čím sa uvoľní energia, ktorá sa premení na kinetickú energiu fragmentov. Tento proces sa nazýva štiepenie

Podľa krivky stability, ktorá ukazuje závislosť počtu protónov od počtu neutrónov pre stabilné nuklidy, ťažšie jadrá preferujú viac neutrónov (v porovnaní s počtom protónov) ako ľahšie. To naznačuje, že spolu s procesom štiepenia budú emitované nejaké "náhradné" neutróny. Okrem toho preberú aj časť uvoľnenej energie. Štúdium jadrového štiepenia atómu uránu ukázalo, že sa uvoľňujú 3-4 neutróny: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Atómové číslo (a atómová hmotnosť) fragmentu sa nerovná polovici atómovej hmotnosti rodiča. Rozdiel medzi hmotnosťami atómov vytvorených v dôsledku štiepenia je zvyčajne asi 50. Pravda, dôvod ešte nie je celkom jasný.

Väzbové energie 238 U, 145 La a 90 Br sú 1803, 1198 a 763 MeV. To znamená, že v dôsledku tejto reakcie sa uvoľní štiepna energia jadra uránu, ktorá sa rovná 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Spontánne rozdelenie

Procesy spontánneho štiepenia sú v prírode známe, ale sú veľmi zriedkavé. Priemerná životnosť tohto procesu je približne 10 17 rokov a napríklad priemerná životnosť alfa rozpadu toho istého rádionuklidu je približne 10 11 rokov.

Dôvodom je to, že na to, aby sa jadro rozdelilo na dve časti, musí sa najprv zdeformovať (roztiahnuť) do elipsoidného tvaru a potom, pred konečným rozdelením na dva fragmenty, vytvoriť v strede „krk“.

Potenciálna bariéra

V deformovanom stave pôsobia na jadro dve sily. Jedným je zvýšená povrchová energia (povrchové napätie kvapky kvapaliny vysvetľuje jej sférický tvar) a druhým je Coulombovo odpudzovanie medzi štiepnymi úlomkami. Spolu vytvárajú potenciálnu bariéru.

Rovnako ako v prípade alfa rozpadu, aby došlo k samovoľnému štiepeniu jadra atómu uránu, musia fragmenty prekonať túto bariéru pomocou kvantového tunelovania. Bariéra je asi 6 MeV, ako v prípade rozpadu alfa, ale pravdepodobnosť tunelovania alfa častice je oveľa väčšia ako v prípade oveľa ťažšieho produktu štiepenia atómov.

nútené štiepenie

Oveľa pravdepodobnejšie je indukované štiepenie jadra uránu. V tomto prípade je materské jadro ožiarené neutrónmi. Ak ho rodič absorbuje, naviažu sa, čím sa uvoľní väzbová energia vo forme vibračnej energie, ktorá môže presiahnuť 6 MeV potrebných na prekonanie potenciálnej bariéry.

Ak je energia dodatočného neutrónu nedostatočná na prekonanie potenciálnej bariéry, dopadajúci neutrón musí mať minimálnu kinetickú energiu, aby mohol vyvolať štiepenie atómu. V prípade 238 U je väzbová energia ďalších neutrónov asi 1 MeV krátka. To znamená, že štiepenie jadra uránu je vyvolané iba neutrónom s kinetickou energiou väčšou ako 1 MeV. Na druhej strane izotop 235 U má jeden nepárový neutrón. Keď jadro pohltí ďalšie, vytvorí s ním pár a v dôsledku tohto párovania sa objaví dodatočná väzbová energia. To stačí na uvoľnenie množstva energie potrebnej na to, aby jadro prekonalo potenciálnu bariéru a štiepenie izotopov nastane pri zrážke s akýmkoľvek neutrónom.

beta rozpad

Aj keď štiepna reakcia emituje tri alebo štyri neutróny, fragmenty stále obsahujú viac neutrónov ako ich stabilné izobary. To znamená, že štiepne fragmenty sú vo všeobecnosti nestabilné voči beta rozpadu.

Napríklad, keď sa štiepi urán 238 U, stabilná izobara s A = 145 je neodým 145 Nd, čo znamená, že fragment lantánu 145 La sa rozpadá v troch krokoch, vždy pri emisii elektrónu a antineutrína, až kým nevznikne stabilný nuklid. Stabilná izobara s A = 90 je zirkónium 90 Zr, preto sa štiepiaci fragment brómu 90 Br rozkladá v piatich štádiách β-rozpadového reťazca.

Tieto β-rozpadové reťazce uvoľňujú dodatočnú energiu, ktorá je takmer celá odnesená elektrónmi a antineutrínami.

Jadrové reakcie: štiepenie jadier uránu

Priama emisia neutrónu z nuklidu s príliš veľkým počtom na zabezpečenie stability jadra je nepravdepodobná. Ide o to, že nedochádza k Coulombovmu odpudzovaniu, takže povrchová energia má tendenciu udržiavať neutrón vo väzbe s rodičom. To sa však občas stáva. Napríklad štiepny fragment 90 Br v prvom štádiu beta rozpadu produkuje kryptón-90, ktorý môže byť v excitovanom stave s dostatočnou energiou na prekonanie povrchovej energie. V tomto prípade môže k emisii neutrónov dôjsť priamo pri tvorbe kryptónu-89. stále nestabilný vzhľadom na β rozpad, kým sa nepremení na stabilné ytrium-89, takže kryptón-89 sa rozpadá v troch krokoch.

Štiepenie jadier uránu: reťazová reakcia

Neutróny emitované pri štiepnej reakcii môžu byť absorbované iným materským jadrom, ktoré potom samo podlieha indukovanému štiepeniu. V prípade uránu-238 tri vyrobené neutróny vychádzajú s energiou menšou ako 1 MeV (energia uvoľnená pri štiepení jadra uránu - 158 MeV - sa premieňa hlavne na kinetickú energiu štiepnych fragmentov), ​​takže nemôžu spôsobiť ďalšie štiepenie tohto nuklidu. Napriek tomu pri významnej koncentrácii vzácneho izotopu 235 U môžu byť tieto voľné neutróny zachytené jadrami 235 U, čo skutočne môže spôsobiť štiepenie, keďže v tomto prípade neexistuje energetická hranica, pod ktorou by sa štiepenie neindukovalo.

Toto je princíp reťazovej reakcie.

Typy jadrových reakcií

Nech k je počet neutrónov produkovaných vo vzorke štiepneho materiálu v štádiu n tohto reťazca vydelený počtom neutrónov produkovaných v štádiu n - 1. Toto číslo bude závisieť od toho, koľko neutrónov produkovaných v štádiu n - 1 je absorbovaných jadrom, ktoré môže podstúpiť indukované štiepenie.

Ak 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.

Ak je k > 1, reťazová reakcia bude rásť, kým sa nespotrebuje všetok štiepny materiál.To sa dosiahne obohatením prírodnej rudy na získanie dostatočne vysokej koncentrácie uránu-235. Pre guľovú vzorku sa hodnota k zvyšuje so zvyšovaním pravdepodobnosti absorpcie neutrónov, ktorá závisí od polomeru gule. Preto musí hmotnosť U prekročiť určitú hodnotu, aby došlo k štiepeniu jadier uránu (reťazová reakcia).

Ak k = 1, potom prebieha riadená reakcia. Používa sa v procese riadenom distribúciou kadmiových alebo bórových tyčiniek medzi urán, ktoré absorbujú väčšinu neutrónov (tieto prvky majú schopnosť zachytávať neutróny). Štiepenie jadra uránu je automaticky riadené pohybom tyčí tak, aby hodnota k zostala rovná jednej.