Nuclear fission
Ang pagtuklas ng mga isotopes ng mga matatag na elemento, ang pagpipino ng mga sukat ng elementarya na singil ay ang mga unang nakamit ng post-war physics (1917-1918). Noong 1919, isang bagong kahindik-hindik na pagtuklas ang ginawa - artipisyal na fission ng nucleus. Ang pagtuklas na ito ay ginawa ni Rutherford sa Cambridge sa Cavendish Laboratory, na pinamunuan niya sa parehong taon, 1919.
Pinag-aralan ni Rutherford ang banggaan ng a-particle na may light atoms. Ang mga banggaan ng isang a-particle sa nuclei ng naturang mga atom ay dapat na mapabilis ang mga ito. Kaya, kapag ang isang a-particle ay tumama sa isang hydrogen nucleus, pinatataas nito ang bilis nito ng 1.6 beses, at ang nucleus ay kumukuha ng 64% ng enerhiya nito mula sa a-particle. Ang ganitong pinabilis na nuclei ay madaling matukoy ng mga scintillation na nangyayari kapag tumama sila sa isang zinc sulfide screen. Talagang naobserbahan sila ni Marsden noong 1914.
Ipinagpatuloy ni Rutherford ang mga eksperimento ni Marsden, ngunit, gaya ng nabanggit niya mismo, ang mga eksperimento na ito ay "isinasagawa sa napaka-irregular na mga agwat, dahil pinapayagan ang mga pang-araw-araw na trabaho at trabaho na may kaugnayan sa digmaan ..." "Ang mga eksperimento ay kahit na ganap na tumigil sa mahabang panahon." Pagkatapos lamang ng pagtatapos ng digmaan ay regular na isinagawa ang mga eksperimento, at ang kanilang mga resulta ay nai-publish noong 1919 sa apat na artikulo sa ilalim ng pangkalahatang pamagat na "Mga banggaan ng a-particle na may magaan na atomo."
Ang instrumento na ginamit ni Rutherford sa pag-aaral ng mga naturang banggaan ay isang brass chamber na 18 cm ang haba, 6 cm ang taas, at 2 cm ang lapad. Ang pinagmulan ng a-particles ay isang metal disk na pinahiran ng aktibong substance. Ang disk ay inilagay sa loob ng silid at maaaring itakda sa iba't ibang distansya mula sa screen ng zinc sulfide, kung saan ang mga scintillation ay sinusunod gamit ang isang mikroskopyo.
Ang silid ay maaaring mapuno ng iba't ibang mga gas (tingnan ang Fig. 78).
kanin. 78. Dempester mass spectrograph
Kapag ang dry oxygen o carbon dioxide ay ipinakilala, ang bilang ng mga scintillation ay nabawasan dahil sa pagsipsip ng a-particles ng gas layer. “Gayunpaman, ang isang hindi inaasahang epekto,” isinulat ni Rutherford sa ikaapat na artikulo, “ay natuklasan nang ang tuyong hangin ay ipinasok sa aparato. Sa halip na bumaba, ang bilang ng mga scintillation ay tumaas, at para sa isang pagsipsip na tumutugma sa humigit-kumulang 19 cm ng hangin, ang kanilang bilang ay humigit-kumulang 2 beses na mas malaki kaysa sa naobserbahan sa vacuum. Mula sa karanasang ito ay malinaw na ang mga a-particle, kapag dumadaan sa hangin, ay nagdudulot ng mga scintillation na tumutugma sa mahabang mga landas, ang liwanag nito para sa mata ay lumilitaw na humigit-kumulang katumbas ng liwanag ng H-scintillations. Dahil ang epektong ito ay hindi naobserbahan sa oxygen at carbon dioxide, maaari itong pagtalunan na may mataas na posibilidad na ang epektong ito ay may utang sa pinagmulan nito sa nitrogen.
Ang silid ay napuno ng malinis, lubusang tuyo na nitrogen. "Sa purong nitrogen, ang bilang ng mga scintillation na tumutugma sa isang mahabang hanay ay mas malaki kaysa sa hangin." Kaya, "ang mahabang hanay ng mga scintillation na naobserbahan sa hangin ay dapat na maiugnay sa nitrogen."
Ito ay kinakailangan, gayunpaman, upang ipakita na ang long-range a-particle na nagdudulot ng scintillations "ay ang mga resulta ng banggaan ng a-particle na may nitrogen atoms."
Scheme ng unang pag-install ng Millikan
Sa pamamagitan ng maraming mga eksperimento, ipinakita ni Rutherford na ito nga ang nangyari at bilang resulta ng naturang banggaan ay nakuha ang mga particle na may pinakamataas na saklaw na 28 cm, katulad ng sa H atoms. "Mula sa mga resultang nakuha sa ngayon," isinulat ni Rutherford, "mahirap iwasan ang konklusyon na ang mga atomo na nagmumula sa pagbangga ng isang-particle na may nitrogen ay hindi mga atomo ng nitrogen, ngunit, sa lahat ng posibilidad, mga atomo ng hydrogen o atoms na may mass na 2 Kung ito ay gayon, pagkatapos ay dapat nating tapusin na ang nitrogen atom ay nagkakawatak-watak dahil sa napakalaking pwersa na nabubuo sa pagbangga sa mabilis na a-particle, at na ang liberated hydrogen atom ay bumubuo ng isang bahagi ng atom.
Kaya, ang kababalaghan ng paghahati ng nitrogen nuclei sa panahon ng epekto ng mabilis na a-particle ay natuklasan, at sa unang pagkakataon ay ipinahayag ang ideya na ang hydrogen nuclei ay isang mahalagang bahagi ng nuclei ng mga atomo. Kasunod nito, iminungkahi ni Rutherford ang terminong "proton" para sa bahaging ito ng nucleus. Tinapos ni Rutherford ang kanyang artikulo sa mga salitang: "Ang mga resulta sa pangkalahatan ay nagpapahiwatig na kung ang isang-particle o katulad na mabilis na gumagalaw na mga particle na may mas mataas na enerhiya ay maaaring gamitin para sa mga eksperimento, kung gayon ang pagkasira ng mga istrukturang nuklear ng maraming mga light atom ay maaaring makita."
Noong Hunyo 3, 1920, nagbigay si Rutherford ng tinatawag na Bakerian Lecture na pinamagatang "The Nuclear Structure of the Atom." Ang pag-uulat sa lecture na ito sa mga resulta ng kanyang pananaliksik sa banggaan ng a-particle sa atomic nuclei at sa paghahati ng nitrogen nuclei, si Rutherford, na tinatalakay ang likas na katangian ng mga produkto ng fission, ay gumawa ng isang pagpapalagay tungkol sa posibilidad ng pagkakaroon ng nuclei na may isang mass ng 3 at 2 at nuclei na may mass ng isang hydrogen nucleus, ngunit may zero charge. Kasabay nito, nagpatuloy siya mula sa hypothesis, na unang ipinahayag ni Maria Sklodowska-Curie, na ang mga electron ay bahagi ng atomic nucleus.
Isinulat ni Rutherford na “parang napaka-kapani-paniwala sa kanya na ang isang elektron ay maaaring magbigkis ng dalawang H-nuclei at marahil kahit isang H-nucleus. Kung totoo ang unang palagay, ipinapahiwatig nito ang posibilidad ng pagkakaroon ng isang atom na may masa na humigit-kumulang 2 at may isang singil. Ang nasabing sangkap ay dapat isaalang-alang bilang isang isotope ng hydrogen. Kasama sa pangalawang palagay ang ideya ng posibilidad ng pagkakaroon ng isang atom na may mass na 1 at isang nuclear charge na katumbas ng zero. Ang ganitong mga pormasyon ay tila posible... Ang gayong atom ay magkakaroon ng ganap na kamangha-manghang mga katangian. Ang panlabas na larangan nito ay dapat halos katumbas ng zero, maliban sa mga rehiyong napakalapit sa nucleus; bilang resulta, dapat itong magkaroon ng kakayahang malayang dumaan sa bagay. Ang pagkakaroon ng naturang atom ay malamang na mahirap tuklasin gamit ang isang spectroscope at hindi maitatago sa isang saradong sisidlan. Sa kabilang banda, ito ay dapat na madaling pumasok sa istraktura ng atom at maaaring pinagsama sa nucleus nito, o pinabilis ng matinding larangan ng huli, na nagbubunga ng isang sinisingil na H-atom o isang elektron, o pareho.
Ito ay kung paano inilagay ang hypothesis tungkol sa pagkakaroon ng neutron at ang mabigat na isotope ng hydrogen. Ito ay ipinahayag sa batayan ng hypothesis na iminungkahi ni M. Sklodowska-Curie na ang nuclei ng mga atomo ay binubuo ng hydrogen nuclei (protons) at mga electron.
Ang paniwala na ito ay agad na ipinaliwanag ang katangian ng mga numerong nuklear na A at Z.
Gayunpaman, ang mga katangian ng nucleus bilang mass number A at charge Z ay naging hindi sapat. Noong 1924, bago ang pagtuklas ng spin, iminungkahi ni W. Pauli na ang nucleus ay may magnetic moment na nakakaapekto sa paggalaw ng mga orbital electron at sa gayon ay lumilikha ng hyperfine structure ng spectral lines. Ang paliwanag ng pinong istraktura ng spectra sa pamamagitan ng pagkakaroon ng spin-induced magnetic moments ng nuclei ay humantong sa paghahati ng nuclei sa dalawang uri. Ang even-type na nuclei na may integer spin ay sumusunod sa mga istatistika ng Bose, ang odd-type na nuclei na may half-integer spin ay sumusunod sa mga istatistika ng Fermi-Dirac. Samakatuwid, ayon sa teorya ng proton-electron, ang nuclei na binubuo ng pantay na bilang ng mga electron at proton ay dapat sumunod sa mga istatistika ng Bose, mula sa isang kakaibang numero - mga istatistika ng Fermi-Dirac.
Noong 1930, lumabas na ang nitrogen nucleus ay sumusunod sa mga istatistika ng Bose, bagaman, ayon sa teorya ng proton-electron ng istraktura ng nucleus, binubuo ito ng 21 na mga particle (14 protons, 7 electron). Ang katotohanang ito ay kilala sa agham bilang nitrogen catastrophe.
Sa parehong taon, nang matuklasan ang nitrogen catastrophe, ang mga resulta ng mga eksperimento nina L. Meitner at Ortman ay nai-publish, na nagpapatunay sa mga resulta ng mga eksperimento nina Ellis at Wooster noong 1927. Ang mga eksperimentong ito ay nagpakita na ang kabuuang enerhiya (3-ray, sinusukat sa pamamagitan ng isang makapal na pader na microcalorimeter, ay mas mababa kaysa sa pagkakaiba sa pagitan ng mga energies ng inisyal at may hangganan na nuclei, ibig sabihin, ang bahagi ng enerhiya na ibinubuga ng nucleus sa panahon ng p-pagkabulok ay nawawala, na nagreresulta sa isang maliwanag na kontradiksyon sa batas ng konserbasyon ng enerhiya.
Ang solusyon sa problema ng nitrogen catastrophe at ang bugtong ng p-spectra ay ibinigay batay sa ideya ng pagkakaroon sa likas na katangian ng mga neutral na particle - mabigat, tinatawag na neutron, at liwanag - tinatawag na neutrino, iyon ay. , ang maliit na neutron, sa mungkahi ni Fermi.
Mula sa The Adventures of Mr. Tompkins ang may-akda Gamov GeorgyKABANATA 12 Sa Loob ng Nucleus Ang susunod na lecture na dinaluhan ni G. Tompkins ay sa loob ng nucleus bilang sentro sa paligid kung saan umiikot ang mga atomic electron."Mga ginoo," simula ng propesor. - Parami nang parami ang pag-aaral sa istruktura ng bagay, susubukan naming gawin
Mula sa aklat [lektura para sa mga mag-aaral] may-akda Ivanov Igor PierovichAng kamangha-manghang mundo sa loob ng atomic nucleus
Mula sa aklat na The Newest Book of Facts. Tomo 3 [Physics, chemistry and technology. Kasaysayan at arkeolohiya. Miscellaneous] may-akda Kondrashov Anatoly PavlovichAng kamangha-manghang mundo sa loob ng atomic nucleus
Mula sa aklat na Neutrino - ang makamulto na butil ng atom may-akda Asimov Isaac Mula sa aklat na History of Physics Course may-akda Stepanovich Kudryavtsev Pavel Mula sa aklat na Interplanetary Travel [Flights to world space and reaching celestial bodies] may-akda Perelman Yakov IsidorovichAng istraktura ng nucleus Bagaman ang tanong tungkol sa radiation ng isang?-particle ay tila nilinaw sa wakas, dahil ang batas ng konserbasyon ng electric charge ay natupad, ang mga physicist ay nagpatuloy sa kanilang pananaliksik. Ito ay nanatiling isang misteryo sa kanila kung paano naglalabas ang isang positibong sisingilin na nucleus
Mula sa aklat na History of the Atomic Bomb may-akda Mania HubertRepulsion sa loob ng nucleus Noong 1932 naging malinaw na ang nuclei ay binubuo lamang ng mga proton at neutron. Ang mga naunang teorya, na nagsasabing mayroong mga electron sa nucleus, ay inabandona. Bagama't nalutas nito ang maraming problema nang sabay-sabay, bumangon ang isang tanong na wala pa noon.Hanggang ngayon
Mula sa aklat na Asteroid-Comet Hazard: Yesterday, Today, Tomorrow may-akda Shustov Boris MikhailovichAtraksyon sa loob ng nucleus Kung, kapag isinasaalang-alang ang atomic nuclei, ang mga pakikipag-ugnayan ng gravitational ay napapabayaan at ang mga electromagnetic na pakikipag-ugnayan lamang ang isinasaalang-alang, mahirap ipaliwanag ang pagkakaroon ng nucleus. Ang mga particle kung saan ito ay binubuo ay hindi maaaring pagsamahin dahil sa napakalaking pwersa
Mula sa aklat ni Marie Curie. Radioactivity at mga elemento [pinakamahusay na itinatagong lihim ng Matter] may-akda Paez Adela MunozAng pagtuklas ng atomic nucleus Isaalang-alang natin nang mas detalyado ang isa sa mga pangunahing pagtuklas ni Rutherford - ang pagtuklas ng atomic nucleus at ang planetaryong modelo ng atom. Nakita natin na ang asimilasyon ng atom sa sistemang pang-planeta ay ginawa sa simula pa lamang ng ika-20 siglo. Ngunit ang modelong ito ay mahirap
Mula sa aklat ng may-akdaProton-neutron model of the nucleus Noong Mayo 28, 1932, ang Soviet physicist na si D. D. Ivanenko ay naglathala ng tala sa Kalikasan kung saan iminungkahi niya na ang neutron, kasama ang proton, ay isang istrukturang elemento ng nucleus. Itinuro niya na ang gayong hypothesis ay nalulutas ang problema ng nitrogen catastrophe. SA
Mula sa aklat ng may-akdaInside the core Ang hindi pa naganap na paglalakbay na ito para sa mga pasahero ng Jules Verne core ay hindi magiging mapayapa at ligtas gaya ng inilalarawan sa nobela. Gayunpaman, huwag isipin na ang panganib ay nagbabanta sa kanila sa paglalakbay mula sa Earth hanggang sa Buwan. Hindi talaga! Kung nagawa nilang manatiling buhay sa sandaling ito,
Mula sa aklat ng may-akdaSa Kabanata VIII 6. Ang presyur sa loob ng cannonball Para sa mga mambabasa na gustong i-verify ang mga kalkulasyon na binanggit sa pahina 65, ipinakita namin dito ang mga simpleng kalkulasyon na ito. Para sa mga kalkulasyon, kailangan lang naming gumamit ng dalawang formula para sa pinabilis na paggalaw, ito ay: pagtatapos
Mula sa aklat ng may-akda Mula sa aklat ng may-akda4.2. Mga pisikal na katangian, istraktura ng nucleus Sa huling dekada, ang ating kaalaman sa mga kometa at ang mga prosesong nagaganap sa mga ito ay lumawak nang malaki. Ang isang matalim na pagtaas ng interes sa mga kometa ay pinadali ng paghahanda at paghawak ng isang internasyonal na espasyo
Mula sa aklat ng may-akdaRutherford at ang Pagtuklas ng Atomic Nucleus Ano ang nangyari sa isang magaling na manlalaro ng rugby sa kanyang kabataan, at pagkatapos ay nahulaan bago ang sinuman na maaaring mabulok ang atom? Nakumpleto ni Ernest Rutherford ang kanyang American "exile" noong Enero 1907, ilang oras pagkatapos ng kanyang kamatayan.
Henri Becquerel
Sa isang pagkakataon, naniniwala ang mga siyentipiko na ang mga atomo ang pinakamaliit na particle. Ngunit isang daang taon na ang nakalilipas, natuklasan nila na kahit ang mga atomo ay maaaring hatiin sa mas maliliit na partikulo. Ito ang dahilan kung bakit naging posible ang paglikha ng atomic bomb. Noong 1896 isang Pranses na siyentipiko Henri Becquerel(1852-1908) aksidenteng natuklasan na ang ilang mga atomo ay "radioactive", ibig sabihin, naglalabas sila ng mga sinag.
Nang sumunod na taon, isang English scientist J. J. Thomson(1856-1940) napansin na ang mga kumikinang na electric ray ay sa katunayan ay mga particle na may kuryente, na ang laki nito ay maraming beses na mas maliit kaysa sa isang atom. Napatunayan na ang mga particle na ito - mga electron - ay matatagpuan sa mga atomo.
Ernest Rutherford
Maya-maya, isang English scientist Ernest Rutherford(1871-1937) natuklasan na ang radyaktibidad ay walang iba kundi ang paghahati ng mga atomo upang bumuo ng iba pang mga atomo. Kapag nabubulok, ang mga atomo na ito ay naglalabas din ng mga daloy ng mga particle, na tinawag niyang alpha at beta particle. Noong 1911, nagpadala si Rutherford ng mga alpha particle sa gold foil.
Karamihan sa kanila ay dumaan dito. pero medyo umatras. Napagtanto niya na ang mga atomo ay hindi mga solidong piraso ng bagay, tulad ng naunang naisip, ngunit halos walang laman na espasyo, at samakatuwid ang mga particle ay kadalasang dumadaan sa foil. Ngunit mayroon silang maliliit at siksik na gitnang positibong sisingilin na mga bahagi - nuclei, at nasa kanila na ang ilang mga particle na tumalbog pabalik ay tumama. Noong 1912, isang Danish na siyentipiko ang nagsimulang magtrabaho kasama si Rutherford Niels Bohr(1885-1962). mungkahi ni Bohr. na ang bawat uri ng atom ay may iba't ibang bilang ng mga electron, na umiikot sa iba't ibang distansya sa paligid ng nucleus, tulad ng mga planeta sa solar orbit. Ngayon alam natin na ang mga electron ay mas katulad ng malabo na ulap ng enerhiya kaysa sa mga planeta, ngunit ang ideya ni Bohr ay mahalagang tama.
Paghahati ng atom Noong 1919, unang nagawa ni Rutherford na hatiin ang mga atomo. Binomba niya ang nitrogen gas ng mga alpha particle, at bilang resulta, humiwalay ang hydrogen nuclei sa nitrogen nuclei. Pagkatapos Rutherford dumating sa konklusyon na ang lahat ng atomic nuclei ay binuo mula sa hydrogen nuclei, na tinawag niyang mga proton. Noong 1932 isang Ingles James Chadwick(1891-1974) natagpuan ang isa pang particle sa nucleus - ang neutron. Ang mga neutron ay walang singil sa kuryente, hindi katulad ng mga run, na may positibong singil na nagbabalanse sa negatibong singil ng mga electron.
Italyanong siyentipiko Enrico Fermi(1901-1954) ay nagtakda upang malaman kung ano ang mangyayari kung ang isang neutron flux ay itinuro sa pinakamalaking kilalang atom, ang atom ng uranium. Naniniwala siya na ang mga neutron ay magsasama sa uranium upang bumuo ng mas malaking atom.
Sa katunayan, tulad ng ipinakita ng Austrian physicist Lisa Meitner(1878-1968), ang uranium atom ay nahati sa dalawa, na bumubuo ng mas maliliit na atomo gaya ng barium. Nagresulta din ito sa pagpapalabas ng karagdagang mga neutron. Kung pagkatapos ang mga neutron na ito, sa turn, ay maghahati ng iba pang mga atomo ng uranium, kung gayon ang isang "chain reaction" ng mga banggaan at paghahati ay maaaring magsimula. Napagtanto ng mga siyentipiko na kapag nahati ang atomic nuclei sa naturang chain reaction, isang malaking halaga ng enerhiya ang pinakawalan.
Ang enerhiya na ito ay sapat na upang lumikha ng isang hindi kapani-paniwalang malakas na bomba. Sinasamantala ang ideyang ito, isang grupo ng mga siyentipiko na pinamumunuan ng Amerikanong si Robert Oppenheimer (1904-1967) ang lumikha ng unang atomic bomb. Noong Agosto 1945, noong Ikalawang Digmaang Pandaigdig (1939-1945), ang mga bombang uranium ng Amerika ay ibinagsak sa mga lungsod ng Hiroshima at Nagasaki ng Hapon. Ito ay humantong sa kakila-kilabot at mapangwasak na mga kahihinatnan.
Piliin ang naaangkop na isotope. Ang ilang mga elemento o isotopes ay sumasailalim sa radioactive decay, at ang iba't ibang isotopes ay maaaring kumilos nang iba. Ang pinakakaraniwang isotope ng uranium ay may atomic weight na 238 at binubuo ng 92 protons at 146 neutrons, ngunit ang nuclei nito ay karaniwang sumisipsip ng mga neutron nang hindi nahahati sa nuclei ng mas magaan na elemento. Ang isotope ng uranium, na ang nucleus ay naglalaman ng tatlong mas kaunting neutron, 235 U, mas madaling mag-fission kaysa 238 U, at tinatawag na fissile isotope.
- Ang fission ng uranium ay naglalabas ng tatlong neutron na bumabangga sa iba pang uranium atoms, na nagreresulta sa isang chain reaction.
- Ang ilang mga isotopes fission kaya madali at mabilis na ito ay imposible upang mapanatili ang isang pare-pareho ang nuclear reaksyon. Ang phenomenon na ito ay tinatawag na spontaneous, o spontaneous, decay. Halimbawa, ang plutonium isotope 240 Pu ay napapailalim sa naturang pagkabulok, sa kaibahan sa 239 Pu na may mas mababang fission rate.
Upang ang reaksyon ay magpatuloy pagkatapos ng pagkabulok ng unang atom, sapat na isotope ang dapat kolektahin. Upang gawin ito, kinakailangan na magkaroon ng isang tiyak na minimum na halaga ng fissile isotope na susuporta sa reaksyon. Ang dami na ito ay tinatawag na kritikal na masa. Kinakailangan ang sapat na panimulang materyal upang maabot ang kritikal na masa at mapataas ang posibilidad ng pagkabulok.
Mag-shoot ng isang atomic nucleus ng isotope sa isa pang nucleus ng parehong isotope. Dahil ang mga libreng subatomic na particle ay medyo bihira, madalas na kinakailangan upang paghiwalayin ang mga ito mula sa mga atom na naglalaman ng mga particle na ito. Ang isang paraan upang gawin ito ay ang pag-shoot ng isang atom ng isotope sa isa pang kaparehong uri.
- Ang pamamaraang ito ay ginamit upang lumikha ng 235 U atomic bomb na ibinagsak sa Hiroshima. Isang armas na parang kanyon na may uranium core ang nagpaputok ng 235 U atoms sa target ng parehong 235 U atoms. Ang mga atomo ay lumipad nang mabilis kaya ang mga neutron na inilabas mula sa kanila ay tumagos sa nuclei ng iba pang 235 U atoms at nahati ang mga ito. Ang fission, sa turn, ay naglabas ng mga neutron, na naghati sa susunod na 235 U atoms.
Sunog sa nuclei ng fissile isotope na may mga subatomic na particle. Ang isang solong subatomic na particle ay maaaring tumama sa isang 235 U atom at hatiin ito sa dalawang magkahiwalay na atom ng iba pang mga elemento, na gumagawa ng tatlong neutron. Ang mga subatomic na particle ay maaaring makuha mula sa isang kinokontrol na pinagmulan (tulad ng isang neutron gun) o nilikha mula sa nuclear collisions. Tatlong uri ng subatomic particle ang karaniwang ginagamit.
- Mga proton. Ang mga subatomic na particle na ito ay may masa at positibong singil sa kuryente. Ang bilang ng mga proton sa isang atom ay tumutukoy kung aling elemento ito ay isang atom.
- Mga neutron. Ang masa ng mga subatomic na particle na ito ay katumbas ng masa ng isang proton, ngunit sila ay neutral (walang electric charge).
- Mga particle ng alpha. Ang mga particle na ito ay ang electron-free nuclei ng helium atoms. Binubuo sila ng dalawang proton at dalawang neutron.
Ang paghahati ng nuclei ng mga atomo ng iba't ibang elemento ay kasalukuyang ginagamit nang malawakan. Ang lahat ng mga nuclear power plant ay gumagana sa fission reaction; ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng lahat ng nuclear weapons ay batay sa reaksyong ito. Sa kaso ng isang kinokontrol o chain reaction, ang atom, na nahahati sa mga bahagi, ay hindi na makakakonekta pabalik at bumalik sa orihinal nitong estado. Ngunit, gamit ang mga prinsipyo at batas ng quantum mechanics, nagawang hatiin ng mga siyentipiko ang atom sa dalawang halves at muling ikonekta ang mga ito nang hindi nilalabag ang integridad ng atom mismo.
Ginamit ng mga siyentipiko mula sa Unibersidad ng Bonn ang prinsipyo ng quantum uncertainty, na nagpapahintulot sa mga bagay na umiral sa ilang mga estado nang sabay-sabay. Sa eksperimento, sa tulong ng ilang mga pisikal na trick, ginawa ng mga siyentipiko ang isang atom na umiiral sa dalawang lugar nang sabay-sabay, ang distansya sa pagitan ng kung saan ay higit sa isang daan ng isang milimetro, na sa isang atomic scale ay isang malaking distansya lamang.
Ang ganitong mga quantum effect ay maaari lamang magpakita ng kanilang mga sarili sa napakababang temperatura. Ang cesium atom ay pinalamig ng laser light sa temperaturang isang ikasampu ng isang milyon ng isang degree na higit sa absolute zero. Ang cooled atom ay pagkatapos ay gaganapin sa isang optical bitag ng isang sinag ng liwanag mula sa isa pang laser.
Ito ay kilala na ang nucleus ng isang atom ay maaaring paikutin sa isa sa dalawang direksyon, depende sa direksyon ng pag-ikot, itinutulak ng laser light ang nucleus sa kanan o sa kaliwa. "Ngunit ang isang atom, sa isang tiyak na estado ng quantum, ay maaaring magkaroon ng" split personality ", ang kalahati nito ay umiikot sa isang direksyon, ang isa pa sa kabaligtaran ng direksyon. Ngunit, sa parehong oras, ang atom ay isang buong bagay pa rin, ” sabi ng physicist na si Andreas Steffen. Kaya, ang nucleus ng isang atom, ang mga bahagi nito ay umiikot sa magkasalungat na direksyon, ay maaaring hatiin sa dalawang bahagi ng isang laser beam, at ang mga bahaging ito ng atom ay maaaring paghiwalayin ng isang malaking distansya, na pinamamahalaang ng mga siyentipiko sa panahon ng kanilang eksperimento.
Sinasabi ng mga siyentipiko na gamit ang isang katulad na pamamaraan, posible na lumikha ng tinatawag na "mga tulay ng quantum", na mga konduktor ng impormasyon sa kabuuan. Ang isang atom ng isang sangkap ay nahahati sa mga halves, na kung saan ay nahahati sa mga gilid hanggang sa sila ay dumating sa contact na may katabing atoms. Ang isang uri ng roadbed ay nabuo, isang span na nag-uugnay sa dalawang haligi ng tulay, kung saan maaaring maipadala ang impormasyon. Ito ay posible dahil sa katotohanan na ang atom na nahahati sa ganitong paraan ay patuloy na isang solong kabuuan sa antas ng quantum dahil sa katotohanan na ang mga bahagi ng atom ay gusot sa antas ng kabuuan.
Gagamitin ng mga siyentipiko sa Unibersidad ng Bonn ang teknolohiyang ito upang magmodelo at lumikha ng mga kumplikadong sistema ng quantum. "Ang atom ay tulad ng isang mahusay na langis na gear para sa amin," sabi ni Dr Andrea Alberti, pinuno ng koponan. "Gamit ang marami sa mga gears na ito, maaari kang lumikha ng isang quantum calculator na may mga katangian na higit pa sa mga pinaka-advanced na mga computer. Kailangan mo lang na maiposisyon nang tama at maikonekta ang mga gear na ito."
Ang nuclear fission ay ang paghahati ng isang mabigat na atom sa dalawang fragment ng humigit-kumulang pantay na masa, na sinamahan ng paglabas ng isang malaking halaga ng enerhiya.
Ang pagtuklas ng nuclear fission ay nagsimula ng isang bagong panahon - ang "atomic age". Ang potensyal ng posibleng paggamit nito at ang ratio ng panganib upang makinabang mula sa paggamit nito ay hindi lamang nakabuo ng maraming sosyolohikal, pampulitika, pang-ekonomiya at pang-agham na mga tagumpay, kundi pati na rin ang mga seryosong problema. Kahit na mula sa isang purong pang-agham na pananaw, ang proseso ng nuclear fission ay lumikha ng isang malaking bilang ng mga palaisipan at komplikasyon, at ang buong teoretikal na paliwanag nito ay isang bagay sa hinaharap.
Ang pagbabahagi ay kumikita
Ang mga nagbubuklod na enerhiya (bawat nucleon) ay naiiba para sa iba't ibang nuclei. Ang mga mas mabibigat ay may mas mababang binding energies kaysa sa mga nasa gitna ng periodic table.
Nangangahulugan ito na para sa mabibigat na nuclei na may atomic number na higit sa 100, ito ay kapaki-pakinabang na hatiin sa dalawang mas maliit na mga fragment, sa gayon ay naglalabas ng enerhiya, na na-convert sa kinetic energy ng mga fragment. Ang prosesong ito ay tinatawag na paghahati
Ayon sa curve ng katatagan, na nagpapakita ng pag-asa ng bilang ng mga proton sa bilang ng mga neutron para sa mga matatag na nuclides, mas gusto ng mas mabibigat na nuclei ang mas maraming neutron (kumpara sa bilang ng mga proton) kaysa sa mas magaan. Iminumungkahi nito na kasama ang proseso ng paghahati, ang ilang "mga ekstrang" neutron ay ilalabas. Bilang karagdagan, kukuha din sila ng ilan sa inilabas na enerhiya. Ang pag-aaral ng nuclear fission ng uranium atom ay nagpakita na 3-4 na neutron ang pinakawalan: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.
Ang atomic number (at atomic mass) ng fragment ay hindi katumbas ng kalahati ng atomic mass ng magulang. Ang pagkakaiba sa pagitan ng mga masa ng mga atomo na nabuo bilang resulta ng paghahati ay karaniwang mga 50. Totoo, ang dahilan para dito ay hindi pa ganap na malinaw.
Ang mga nagbubuklod na enerhiya ng 238 U, 145 La, at 90 Br ay 1803, 1198, at 763 MeV, ayon sa pagkakabanggit. Nangangahulugan ito na bilang resulta ng reaksyong ito, ang enerhiya ng fission ng uranium nucleus ay inilabas, katumbas ng 1198 + 763-1803 = 158 MeV.
Kusang paghahati
Ang mga proseso ng kusang paghahati ay kilala sa kalikasan, ngunit ang mga ito ay napakabihirang. Ang average na buhay ng prosesong ito ay humigit-kumulang 10 17 taon, at, halimbawa, ang average na buhay ng alpha decay ng parehong radionuclide ay humigit-kumulang 10 11 taon.
Ang dahilan para dito ay upang mahati sa dalawang bahagi, ang nucleus ay dapat munang ma-deform (naunat) sa isang ellipsoidal na hugis, at pagkatapos, bago tuluyang mahati sa dalawang fragment, bumuo ng isang "leeg" sa gitna.
Potensyal na Harang
Sa deformed state, dalawang pwersa ang kumikilos sa core. Ang isa ay ang tumaas na enerhiya sa ibabaw (ang pag-igting sa ibabaw ng isang likidong patak ay nagpapaliwanag ng spherical na hugis nito), at ang isa ay ang Coulomb repulsion sa pagitan ng mga fission fragment. Magkasama silang gumagawa ng isang potensyal na hadlang.
Tulad ng kaso ng alpha decay, para mangyari ang kusang fission ng uranium atom nucleus, dapat malampasan ng mga fragment ang hadlang na ito gamit ang quantum tunneling. Ang hadlang ay humigit-kumulang 6 MeV, tulad ng sa kaso ng alpha decay, ngunit ang posibilidad ng pag-tunnel ng isang alpha particle ay mas malaki kaysa sa mas mabigat na atom fission na produkto.
sapilitang paghahati
Mas malamang ay ang sapilitan na fission ng uranium nucleus. Sa kasong ito, ang parent nucleus ay na-irradiated sa mga neutron. Kung ang magulang ay sumisipsip nito, sila ay nagbibigkis, na naglalabas ng nagbubuklod na enerhiya sa anyo ng vibrational energy na maaaring lumampas sa 6 MeV na kinakailangan upang madaig ang potensyal na hadlang.
Kung ang enerhiya ng karagdagang neutron ay hindi sapat upang mapagtagumpayan ang potensyal na hadlang, ang insidente na neutron ay dapat magkaroon ng pinakamababang kinetic energy upang magawa ang paghahati ng isang atom. Sa kaso ng 238 U, ang nagbubuklod na enerhiya ng karagdagang mga neutron ay halos 1 MeV na maikli. Nangangahulugan ito na ang fission ng uranium nucleus ay naiimpluwensyahan lamang ng isang neutron na may kinetic energy na higit sa 1 MeV. Sa kabilang banda, ang 235 U isotope ay may isang hindi pares na neutron. Kapag ang nucleus ay sumisipsip ng karagdagang isa, ito ay bumubuo ng isang pares kasama nito, at bilang resulta ng pagpapares na ito, ang karagdagang nagbubuklod na enerhiya ay lilitaw. Ito ay sapat na upang palabasin ang dami ng enerhiya na kinakailangan para sa nucleus upang madaig ang potensyal na hadlang at ang isotope fission ay nangyayari sa pagbangga sa anumang neutron.
pagkabulok ng beta
Kahit na ang reaksyon ng fission ay naglalabas ng tatlo o apat na neutron, ang mga fragment ay naglalaman pa rin ng mas maraming neutron kaysa sa kanilang mga matatag na isobar. Nangangahulugan ito na ang mga cleavage fragment ay karaniwang hindi matatag laban sa beta decay.
Halimbawa, kapag ang uranium 238 U ay na-fission, ang stable isobar na may A = 145 ay neodymium 145 Nd, na nangangahulugan na ang lanthanum 145 La fragment ay nabubulok sa tatlong hakbang, sa bawat oras na naglalabas ng isang electron at isang antineutrino, hanggang sa isang matatag na nuclide ay nabuo. . Ang matatag na isobar na may A = 90 ay zirconium 90 Zr; samakatuwid, ang bromine 90 Br splitting fragment ay nabubulok sa limang yugto ng β-decay chain.
Ang mga β-decay chain na ito ay naglalabas ng karagdagang enerhiya, na halos lahat ay dinadala ng mga electron at antineutrino.
Mga reaksyong nuklear: fission ng uranium nuclei
Direktang paglabas ng isang neutron mula sa isang nuclide na may napakaraming mga ito upang matiyak na ang katatagan ng nucleus ay hindi malamang. Ang punto dito ay walang Coulomb repulsion, at sa gayon ang enerhiya sa ibabaw ay may posibilidad na panatilihin ang neutron sa bono sa magulang. Gayunpaman, kung minsan ito ay nangyayari. Halimbawa, ang isang 90 Br fission fragment sa unang yugto ng beta decay ay gumagawa ng krypton-90, na maaaring nasa isang excited na estado na may sapat na enerhiya upang madaig ang enerhiya sa ibabaw. Sa kasong ito, ang paglabas ng mga neutron ay maaaring mangyari nang direkta sa pagbuo ng krypton-89. hindi pa rin matatag sa pagkabulok ng β hanggang sa ito ay magbago sa stable na yttrium-89, kaya ang krypton-89 ay nabubulok sa tatlong hakbang.
Fission ng uranium nuclei: isang chain reaction
Ang mga neutron na ibinubuga sa reaksyon ng fission ay maaaring masipsip ng isa pang parent nucleus, na pagkatapos ay sumasailalim sa sapilitan na fission. Sa kaso ng uranium-238, ang tatlong neutron na ginawa ay lumalabas na may mga enerhiya na mas mababa sa 1 MeV (ang enerhiya na inilabas sa panahon ng fission ng uranium nucleus - 158 MeV - ay pangunahing na-convert sa kinetic energy ng mga fragment ng fission), kaya hindi sila maaaring maging sanhi ng karagdagang fission ng nuclide na ito. Gayunpaman, sa isang makabuluhang konsentrasyon ng bihirang 235 U isotope, ang mga libreng neutron na ito ay maaaring makuha ng 235 U nuclei, na maaaring maging sanhi ng fission, dahil sa kasong ito ay walang energy threshold sa ibaba kung saan ang fission ay hindi naiimpluwensyahan.
Ito ang prinsipyo ng isang chain reaction.
Mga uri ng reaksyong nuklear
Hayaang k ang bilang ng mga neutron na ginawa sa isang sample ng fissile na materyal sa yugto n ng chain na ito, na hinati sa bilang ng mga neutron na ginawa sa stage n - 1. Ang bilang na ito ay depende sa kung gaano karaming mga neutron na ginawa sa stage n - 1 ang nasisipsip sa pamamagitan ng nucleus, na maaaring piliting hatiin.
Kung ang 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.
Kung k > 1, lalago ang chain reaction hanggang sa magamit ang lahat ng fissile material.Nakamit ito sa pamamagitan ng pagpapayaman ng natural na ore upang makakuha ng sapat na malaking konsentrasyon ng uranium-235. Para sa isang spherical sample, ang halaga ng k ay tumataas na may pagtaas sa posibilidad ng pagsipsip ng neutron, na nakasalalay sa radius ng globo. Samakatuwid, ang mass U ay dapat lumampas sa isang tiyak na halaga upang mangyari ang fission ng uranium nuclei (chain reaction).
Kung k = 1, pagkatapos ay isang kinokontrol na reaksyon ang magaganap. Ito ay ginagamit sa isang prosesong kinokontrol sa pamamagitan ng pamamahagi ng mga cadmium o boron rod sa uranium, na sumisipsip ng karamihan sa mga neutron (ang mga elementong ito ay may kakayahang kumuha ng mga neutron). Ang fission ng uranium nucleus ay awtomatikong kinokontrol sa pamamagitan ng paggalaw ng mga rod sa paraang ang halaga ng k ay nananatiling katumbas ng isa.
