L'articolo racconta cos'è la fissione nucleare, come è stato scoperto e descritto questo processo. Viene rivelato il suo utilizzo come fonte di energia e armi nucleari.
Atom "Indivisibile"
Il ventunesimo secolo è pieno di espressioni come "energia dell'atomo", "tecnologia nucleare", "rifiuti radioattivi". Ogni tanto nei titoli dei giornali lampeggiano messaggi sulla possibilità di contaminazione radioattiva del suolo, degli oceani, dei ghiacci dell'Antartide. Tuttavia, una persona comune spesso non ha una buona idea di cosa sia questo campo della scienza e di come aiuti nella vita di tutti i giorni. Vale la pena iniziare, forse, con la storia. Fin dalla prima domanda, che gli è stata posta da una persona ben nutrita e vestita, si è interessato a come funziona il mondo. Come l'occhio vede, perché l'orecchio sente, in che modo l'acqua è diversa dalla pietra: questo è ciò che preoccupava i saggi da tempo immemorabile. Anche nell'antica India e Grecia, alcune menti curiose hanno suggerito che esiste una particella minima (era anche chiamata "indivisibile") che ha le proprietà di un materiale. I chimici medievali confermarono l'ipotesi dei saggi, e la definizione moderna di atomo è la seguente: un atomo è la particella più piccola di una sostanza che ne è la portatrice delle proprietà.
Parti di un atomo
Tuttavia, lo sviluppo della tecnologia (inin particolare la fotografia) ha portato al fatto che l'atomo non è più considerato la particella di materia più piccola possibile. E sebbene un singolo atomo sia elettricamente neutro, gli scienziati si sono presto resi conto che è costituito da due parti con cariche diverse. Il numero di parti caricate positivamente compensa il numero di quelle negative, quindi l'atomo rimane neutro. Ma non esisteva un modello univoco dell'atomo. Poiché la fisica classica dominava ancora in quel periodo, furono fatte varie ipotesi.
Modelli Atom
In un primo momento è stato proposto il modello “rotolo di uvetta”. La carica positiva, per così dire, riempiva l'intero spazio dell'atomo e vi si distribuivano cariche negative, come l'uvetta in un panino. Il famoso esperimento di Rutherford ha determinato quanto segue: un elemento molto pesante con una carica positiva (il nucleo) si trova al centro dell'atomo, e intorno si trovano elettroni molto più leggeri. La massa del nucleo è centinaia di volte più pesante della somma di tutti gli elettroni (è il 99,9 per cento della massa dell'intero atomo). Così nacque il modello planetario dell'atomo di Bohr. Tuttavia, alcuni dei suoi elementi contraddicevano la fisica classica allora accettata. Pertanto, è stata sviluppata una nuova meccanica quantistica. Con la sua comparsa iniziò il periodo non classico della scienza.
Atom e radioattività
Da tutto quanto sopra, diventa chiaro che il nucleo è una parte pesante e carica positiva dell'atomo, che costituisce la sua massa. Quando la quantizzazione dell'energia e le posizioni degli elettroni nell'orbita di un atomo furono ben comprese, fu tempo di capirela natura del nucleo atomico. L'ingegnosa e inaspettatamente scoperta radioattività è venuta in soccorso. Ha contribuito a rivelare l'essenza della parte centrale pesante dell'atomo, poiché la fonte della radioattività è la fissione nucleare. A cavallo tra diciannovesimo e ventesimo secolo, le scoperte piovvero una dopo l' altra. La soluzione teorica di un problema richiedeva nuovi esperimenti. I risultati degli esperimenti hanno dato origine a teorie e ipotesi che dovevano essere confermate o confutate. Spesso le più grandi scoperte sono avvenute semplicemente perché è così che la formula è diventata facile da calcolare (come, ad esempio, il quanto di Max Planck). Già all'inizio dell'era della fotografia, gli scienziati sapevano che i sali di uranio illuminano una pellicola fotosensibile, ma non sospettavano che la fissione nucleare fosse alla base di questo fenomeno. Pertanto, la radioattività è stata studiata per comprendere la natura del decadimento nucleare. Ovviamente, la radiazione era generata da transizioni quantistiche, ma non era del tutto chiaro quali. I Curie estrassero radio e polonio puri, lavorando quasi a mano nel minerale di uranio, per rispondere a questa domanda.
La carica delle radiazioni radioattive
Rutherford ha fatto molto per studiare la struttura dell'atomo e ha contribuito allo studio di come avviene la fissione del nucleo dell'atomo. Lo scienziato ha posizionato la radiazione emessa da un elemento radioattivo in un campo magnetico e ha ottenuto un risultato sorprendente. Si è scoperto che la radiazione è composta da tre componenti: una era neutra e le altre due erano caricate positivamente e negativamente. Lo studio della fissione nucleare iniziò con la definizione della suacomponenti. È stato dimostrato che il nucleo può dividersi, cedere parte della sua carica positiva.
Struttura del nucleo
In seguito si è scoperto che il nucleo atomico è costituito non solo da particelle di protoni cariche positivamente, ma anche da particelle neutre di neutroni. Insieme sono chiamati nucleoni (dall'inglese "nucleus", il nucleo). Tuttavia, gli scienziati si sono imbattuti di nuovo in un problema: la massa del nucleo (cioè il numero di nucleoni) non corrispondeva sempre alla sua carica. Nell'idrogeno, il nucleo ha una carica di +1 e la massa può essere tre, due e uno. L'elio successivo nella tavola periodica ha una carica nucleare di +2, mentre il suo nucleo contiene da 4 a 6 nucleoni. Elementi più complessi possono avere molte più masse diverse per la stessa carica. Tali variazioni di atomi sono chiamate isotopi. Inoltre, alcuni isotopi si sono rivelati abbastanza stabili, mentre altri sono decaduti rapidamente, poiché erano caratterizzati da fissione nucleare. Quale principio corrispondeva al numero di nucleoni della stabilità dei nuclei? Perché l'aggiunta di un solo neutrone a un nucleo pesante e abbastanza stabile ha portato alla sua scissione, al rilascio di radioattività? Stranamente, la risposta a questa importante domanda non è stata ancora trovata. Empiricamente, si è scoperto che le configurazioni stabili dei nuclei atomici corrispondono a determinate quantità di protoni e neutroni. Se ci sono 2, 4, 8, 50 neutroni e/o protoni nel nucleo, allora il nucleo sarà sicuramente stabile. Questi numeri sono anche chiamati magia (e scienziati adulti, fisici nucleari, li chiamavano così). Pertanto, la fissione dei nuclei dipende dalla loro massa, cioè dal numero di nucleoni in essi contenuti.
Goccia, conchiglia, cristallo
Al momento non è stato possibile determinare il fattore responsabile della stabilità del core. Ci sono molte teorie sul modello della struttura dell'atomo. I tre più famosi e sviluppati spesso si contraddicono su varie questioni. Secondo il primo, il nucleo è una goccia di uno speciale liquido nucleare. Come l'acqua, è caratterizzata da fluidità, tensione superficiale, coalescenza e decadimento. Nel modello a conchiglia, ci sono anche determinati livelli di energia nel nucleo, che sono pieni di nucleoni. Il terzo afferma che il nucleo è un mezzo in grado di rifrangere onde speciali (de Broglie), mentre l'indice di rifrazione è l'energia potenziale. Tuttavia, nessun modello è stato ancora in grado di descrivere completamente il motivo per cui, a una certa massa critica di questo particolare elemento chimico, inizia la fissione nucleare.
Come sono le rotture
La radioattività, come accennato in precedenza, è stata riscontrata in sostanze che si trovano in natura: uranio, polonio, radio. Ad esempio, l'uranio puro appena estratto è radioattivo. Il processo di scissione in questo caso sarà spontaneo. Senza influenze esterne, un certo numero di atomi di uranio emetterà particelle alfa, convertendosi spontaneamente in torio. C'è un indicatore chiamato emivita. Mostra per quale periodo di tempo dal numero iniziale della parte rimane circa la metà. Per ogni elemento radioattivo, l'emivita è diversa - da frazioni di secondo per la California acentinaia di migliaia di anni per l'uranio e il cesio. Ma c'è anche la radioattività forzata. Se i nuclei degli atomi vengono bombardati da protoni o particelle alfa (nuclei di elio) ad alta energia cinetica, possono "scindersi". Il meccanismo di trasformazione, ovviamente, è diverso da come si rompe il vaso preferito della madre. Tuttavia, c'è una certa analogia.
Energia atomica
Finora non abbiamo risposto a una domanda pratica: da dove viene l'energia durante la fissione nucleare. Per cominciare, va chiarito che durante la formazione di un nucleo agiscono forze nucleari speciali, che sono chiamate interazione forte. Poiché il nucleo è composto da molti protoni positivi, resta la domanda su come si uniscano, perché le forze elettrostatiche devono allontanarli l'uno dall' altro in modo abbastanza forte. La risposta è semplice e non allo stesso tempo: il nucleo è tenuto insieme da uno scambio molto veloce tra nucleoni di particelle speciali - pi-mesoni. Questa connessione è incredibilmente breve. Non appena lo scambio dei mesoni pi si interrompe, il nucleo decade. È anche noto per certo che la massa di un nucleo è inferiore alla somma di tutti i suoi nucleoni costituenti. Questo fenomeno è chiamato difetto di massa. In effetti, la massa mancante è l'energia che viene spesa per mantenere l'integrità del nucleo. Non appena una parte viene separata dal nucleo di un atomo, questa energia viene rilasciata e convertita in calore nelle centrali nucleari. Cioè, l'energia della fissione nucleare è una chiara dimostrazione della famosa formula di Einstein. Ricordiamo che la formula dice: energia e massa possono trasformarsi l'una nell' altra (E=mc2).
Teoria e pratica
Ora ti diremo come questa scoperta puramente teorica viene utilizzata nella vita per produrre gigawatt di elettricità. In primo luogo, va notato che le reazioni controllate utilizzano la fissione nucleare forzata. Molto spesso si tratta di uranio o polonio, che viene bombardato da neutroni veloci. In secondo luogo, è impossibile non capire che la fissione nucleare è accompagnata dalla creazione di nuovi neutroni. Di conseguenza, il numero di neutroni nella zona di reazione può aumentare molto rapidamente. Ogni neutrone si scontra con nuovi nuclei ancora intatti, li divide, il che porta ad un aumento del rilascio di calore. Questa è la reazione a catena della fissione nucleare. Un aumento incontrollato del numero di neutroni in un reattore può portare a un'esplosione. Questo è esattamente quello che è successo nel 1986 alla centrale nucleare di Chernobyl. Pertanto, nella zona di reazione c'è sempre una sostanza che assorbe i neutroni in eccesso, prevenendo una catastrofe. È grafite sotto forma di lunghe aste. La velocità di fissione nucleare può essere rallentata immergendo le barre nella zona di reazione. L'equazione della reazione nucleare è compilata specificamente per ciascuna sostanza radioattiva attiva e le particelle che la bombardano (elettroni, protoni, particelle alfa). Tuttavia, la produzione di energia finale è calcolata secondo la legge di conservazione: E1+E2=E3+E4. Cioè, l'energia totale del nucleo e della particella originali (E1 + E2) deve essere uguale all'energia del nucleo risultante e all'energia rilasciata in forma libera (E3 + E4). L'equazione della reazione nucleare mostra anche che tipo di sostanza si ottiene a seguito del decadimento. Ad esempio, per l'uranio U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Gli isotopi degli elementi non sono elencati qui.tuttavia, questo è importante. Ad esempio, ci sono fino a tre possibilità per la fissione dell'uranio, in cui si formano diversi isotopi di piombo e neon. In quasi il cento per cento dei casi, la reazione di fissione nucleare produce isotopi radioattivi. Cioè, il decadimento dell'uranio produce torio radioattivo. Il torio può decadere in protoattinio, quello in attinio e così via. Sia il bismuto che il titanio possono essere radioattivi in questa serie. Anche l'idrogeno, che contiene due protoni nel nucleo (alla velocità di un protone), è chiamato in modo diverso: deuterio. L'acqua formata con tale idrogeno è chiamata acqua pesante e riempie il circuito primario nei reattori nucleari.
Atom non pacifico
Espressioni come "corsa agli armamenti", "guerra fredda", "minaccia nucleare" possono sembrare storiche e irrilevanti per una persona moderna. Ma una volta, ogni comunicato stampa in quasi tutto il mondo era accompagnato da rapporti su quanti tipi di armi nucleari furono inventate e su come affrontarle. Le persone costruivano bunker sotterranei e facevano scorta in caso di inverno nucleare. Intere famiglie hanno lavorato per costruire il rifugio. Anche l'uso pacifico delle reazioni di fissione nucleare può portare al disastro. Sembrerebbe che Chernobyl abbia insegnato all'umanità a stare attenta in quest'area, ma gli elementi del pianeta si sono rivelati più forti: il terremoto in Giappone ha danneggiato le affidabilissime fortificazioni della centrale nucleare di Fukushima. L'energia di una reazione nucleare è molto più facile da usare per la distruzione. I tecnologi devono solo limitare la forza dell'esplosione, in modo da non distruggere accidentalmente l'intero pianeta. Le bombe più "umane", se così si può chiamare, non inquinano l'ambiente con le radiazioni. In generale, usano più spessoreazione a catena incontrollata. Ciò che si sforzano di evitare con ogni mezzo nelle centrali nucleari si ottiene con le bombe in un modo molto primitivo. Per ogni elemento naturalmente radioattivo esiste una certa massa critica di sostanza pura in cui nasce da sola una reazione a catena. Per l'uranio, ad esempio, sono solo cinquanta chilogrammi. Poiché l'uranio è molto pesante, è solo una piccola sfera di metallo di 12-15 centimetri di diametro. Le prime bombe atomiche sganciate su Hiroshima e Nagasaki sono state realizzate esattamente secondo questo principio: due parti disuguali di uranio puro si sono semplicemente combinate e hanno generato un'esplosione terrificante. Le armi moderne sono probabilmente più sofisticate. Tuttavia, non bisogna dimenticare la massa critica: durante lo stoccaggio devono esserci barriere tra piccoli volumi di materiale radioattivo puro, impedendo alle parti di connettersi.
Sorgenti di radiazioni
Tutti gli elementi con una carica nucleare maggiore di 82 sono radioattivi. Quasi tutti gli elementi chimici più leggeri hanno isotopi radioattivi. Più pesante è il nucleo, più breve è la sua durata. Alcuni elementi (come la California) possono essere ottenuti solo artificialmente, facendo scontrare atomi pesanti con particelle più leggere, il più delle volte negli acceleratori. Poiché sono molto instabili, non esistono nella crosta terrestre: durante la formazione del pianeta, si sono disintegrati molto rapidamente in altri elementi. È possibile estrarre sostanze con nuclei più leggeri, come l'uranio. Questo processo è lungo, l'uranio adatto all'estrazione, anche in minerali molto ricchi, contiene meno dell'uno per cento. terza via,forse indica che una nuova epoca geologica è già iniziata. Questa è l'estrazione di elementi radioattivi dai rifiuti radioattivi. Dopo che il carburante è stato esaurito in una centrale elettrica, su un sottomarino o su una portaerei, si ottiene una miscela dell'uranio originale e della sostanza finale, il risultato della fissione. Al momento, questi sono considerati rifiuti radioattivi solidi e c'è una domanda acuta su come sm altirli in modo che non inquinino l'ambiente. Tuttavia, è probabile che nel prossimo futuro sostanze radioattive concentrate già pronte (ad esempio polonio) verranno estratte da questi rifiuti.
