Ядрено делене
Състав на атома
Атомът се състои от ядро и електронна обвивка. В електронната опаковка има отрицателно заредени частици - електрони. Тези частици са важни в химическите връзки. Те се привличат към ядрото на атомите от електрически сили, които са много по-изразени в микрочастиците, отколкото в макросвета.
В ядрото има два често срещани типа частици. Положително заредените протони имат обратен заряд като електроните в електронната обвивка. В повечето случаи атомът трябва да изглежда неутрален, което означава, че има еднакъв брой протони и електрони. Втората частица, която обикновено се намира в ядрото, е неутронът. Неутроните нямат заряд, поради което не са подложени на електрически сили. Те се срещат в ядрото на почти всеки елемент (единственото изключение е водородът). Поради факта, че те не са подложени на електрически сили, те могат да се доближат до ядрото на атома, без да бъдат отблъснати. Когато се приближат достатъчно до ядрото, те ще бъдат привлечени от него от ядрените сили. Новообразуваното ядро ще има още един нуклон (нуклонът е общо наименование на частица в ядрото).
Броят на протоните в ядрото се записва от протонното число ОТ, брой неутрони по неутронно число н. Нуклеонният номер е маркиран A (сума от протонни и неутронни числа). Етикетът ще посочи този елемент х той има A нуклони а ОТ протони (броят на неутроните може да се определи чрез изваждане ОТ от A).
Химичните свойства на елемента се определят от броя на протоните (съответно електроните са разположени на различни енергийни нива около ядрото и по този начин ще реагират по различен начин с останалите елементи). Елементите не винаги имат постоянен брой неутрони в ядрото. Елемент с определен брой неутрони се нарича изотоп. Има елементи, които се срещат в различни изотопи. Например има три изотопа на водорода: 1 протон, 1 протон и 1 неутрон. Този изотоп се нарича още тежък водород или деутерий (тежък поради по-големия брой нуклони - изотопът има по-голяма маса). Съществува и водороден изотоп с 1 протон и 2 неутрона, наречен тритий. Този изотоп е нестабилен, което означава, че неговото ядро се разпада (променя) с изключването на високоенергийни частици (повече за това по-късно).
Ако искахме да отделим различните изотопи на дадено вещество, като водород и деутерий, не бихме били подпомогнати от химични реакции, при които двата изотопа се държат по един и същ начин. Това може да се направи с помощта на физически методи, като например използване на различни тежести. Тъй като водородът в газообразно състояние е сравнително рядък, бихме поставили вода в центрофугата, в която както водородът, така и деутерият са свързани с кислород. Тежката вода (вода, която ме унищожава вместо водород) с времето би се оказала на ръба със силни центробежни сили.
Ядрена енергия и ядрени сили
Въпреки че на пръв поглед може да не изглежда логично, масата на ядрото като цяло винаги е по-малка от сумата от масите на протоните и неутроните в него. Къде отиде този въпрос тогава? Факт е, че са необходими допълнителни сили, за да се предотврати разпадането на ядрото поради отблъскващи сили между протоните. Те се наричат ядрени. Те могат да работят само на много кратко разстояние, например. Обаче не само междупротонните сили действат срещу тези сили. Частиците в ядрото се движат много бързо (около 0,2 скорости на светлината). Високата скорост означава висока кинетична енергия на частиците. Тези сили трябва да бъдат още по-големи.
За да може ядрото да бъде разделено на отделни нуклони, ние се нуждаем от енергията, която би трябвало да доставим на ядрото. Колкото по-голяма е тази енергия, толкова по-трудно е да се раздели ядрото ОТ протони и н неутрони. Айнщайн установява, че масата на системата се променя в зависимост от нейната енергия. Зависимостта на загубата на тегло на системата от нейната енергия е пряка. Формулата за тази зависимост е, когато разликата в масата (загуба на тегло) е масата на отделените нуклони минус масата на ядрото, ° С е константа за скоростта на светлината във вакуум .
Промяна на теглото Δm често е пренебрежимо малък в макросвета. При атомните везни обаче тази промяна е измерима. Енергията не се измерва (брои) в толкова малки количества J(ouloch) ale v eV (електрон волта). Преобразуването между тези единици е .
Трябва да се отбележи, че колкото повече теглото на ядрото липсва, толкова по-голямо е то (следва от формулата), толкова по-силни са нуклоните в него. Такава енергия трябва да се доставя, за да се раздели ядрото, но в същото време такава енергия би се освободила по време на синтеза (присъединяването) на отделни нуклони в дадено ядро.
Например за ядрото загубата на тегло е равна (това е константа на масата) и по този начин енергията на свързване е приблизително 93 MeV (Megaelectronvolts), което е много близо до експериментално измерените стойности (93.15 MeV). За ядрото енергията на свързване е много по-висока (1800 MeV), тъй като освен отблъскващата сила между протоните има много (238) бързо движещи се частици в ядрото, които силите се опитват да задържат там. При такава голяма енергия на свързване тежи до 1% по-малко.
Ако искахме да изчислим каква енергия на свързване в ядрото пада върху един нуклон, трябва да разделим ядрата на масовото число A (брой нуклони в ядрото). Енергията на свързване на нуклон се изразява с формула .
εj не е еднакво за всяко ядро. Колкото по-голям е той, толкова по-трудно е да се отцепи един или повече нуклони от ядрото. Например стойността εj за въглерод е ε j = 7,68MeV, за е по-малък εj = 7.57Mev. Най-високата εj има това, което го прави елемент с най-стабилното ядро, което познаваме. За да разцепим всеки нуклон, ще трябва да доставим до ядрото 8,79MeV. Ядрото също е много стабилно ( εj = 7.07MeV ). Вижте фигура 2.
Въпреки че тези стойности не изглеждат много големи, трябва да се вземе предвид размерът на атома. Когато сърцевината на тежкия елемент се разпадне на две по-леки ядра, разликата между общото свързано ядро на делене и получените ядра се освобождава (около 200MeV). Колкото повече ядра ще се разпадат по този начин, толкова повече енергията, генерирана под различни форми, ще бъде отразена в макросвета.
Ядрено делене
Не след дълго след откриването на неутрона се установи, че той е неутрален. Нещата, които нямат заряд, не могат да бъдат повлияни от електрическите сили. По този начин неутронът може да се приближи достатъчно близо до ядрото на атом, за да бъде привлечен от него от ядрените сили. По този начин е възможно да се промени броят на ядрата на ядрото и да се предизвикат ядрени реакции.
Един от начините за получаване на неутрон от веществото е стъклена ампула с радиоактивен газ радон и берилий на прах. Тъй като радонът във флакона е нестабилен, сърцевината му се разпада. В допълнение към друго излъчване, от ядрото излизат α частици (ядра на хелий). Тези частици ще предизвикат ядрена реакция при сблъсъци с ядра на берилий. Α-частиците, които не реагират с берилиевите ядра, спират върху стъклото. Стъклото обаче не абсорбира освободените неутрони, които имат шанс да се сринат в ядрата на други елементи и да предизвикат по-нататъшни ядрени реакции.
Ако потопим тази стъклена ампула във вода или тежка вода, изтичащите неутрони ще се забавят и ще имаме по-голям шанс да ударим ядрото (те вероятно ще отскочат при високи скорости), с което биха могли да реагират.
Неутроните, освободени по този начин, могат да се използват, например, за бомбардиране на нестабилно ураново ядро. Ядрената реакция, която протича, има няколко възможни продукта, например или
Ядрата, образувани по този начин, са радиоактивни (нестабилни) и излъчват частици α (ядра на хелий), β (електрони, вероятно позитрони) и γ (фотони с висока енергия). Има повече реакции с, но повечето имат общо освобождаване на енергия около 200MeV (зависи от разликите в специфичните реакции) и образуването на допълнителни неутрони, способни да реагират с други уранни ядра, от които неутроните излитат отново. Това създава верижна реакция, при която броят на реакциите, които протичат в секунда, непрекъснато се увеличава и се отделя все повече и повече енергия.
Използване на верижна реакция
Верижната реакция се характеризира с увеличаване на лавинообразния брой на неутроните, отделяни в секунда. В резултат броят на реакциите, които протичат в секунда, и енергията, която се отделя в секунда, също ще се увеличат.
Ако искахме например да използваме ядрена енергия в електроцентрала, ще трябва да сме сигурни, че нито броят на реакциите в секунда се увеличава, нито намалява. Тъй като скоростта на реакцията се увеличава и делящите се ядра са достатъчни, освободената енергия ще започне да се превръща във повишаване на температурата на реактора. Той ще расте бързо, а заедно с това и налягането в реактора. С течение на времето реакторът би експлодирал. За щастие можем да контролираме скоростта на ядрената реакция, например с кадмиеви спирачни пръти. Те биха поели по-голямата част от неутроните и реакцията щеше да се върне към управляеми норми. Топлината на реактора се разсейва от водата, която охлажда реактора. Върти се като пара и турбини, които произвеждат електричество.
При ядрените бомби броят на реакциите в секунда трябва да продължи да нараства, докато налягането и температурата не разрушат бомбата и тя не избухне. За да увеличим броя на реакциите, трябва да увеличим шанса неутрон да удари ядрото. Можем да увеличим това, когато изстискаме ядреното гориво. Това може да се направи, например, чрез експлозия на тротил около уран. Под слоя уран има неутрон емитер (може да се използва и гореспоменатата ампула с радон и берилий). Въпреки че неутронният излъчвател би стимулирал ядрените реакции на урана, освен ако уранът не е компресиран, вероятността от верижна реакция е ниска. Можем да компресираме уран с експлозия на тротил (или друг химически експлозив). При компресиран уран вероятността от верижна реакция вече би била много висока и бомбата ще експлодира за части от секундата. До момента, в който бомбата избухне, ще бъде изразходван само малък процент от урана. След експлозията реакцията вече не протича поради почти нулевата вероятност ядрото да бъде ударено от неутрон.
Както в реакторите, така и след експлозията на ядрената бомба след реакцията остават нестабилни ядра, които се разлагат и отделят емисии на α, β и γ радиация.
Радиоактивност
Естествената радиация включва α, β и γ частици. Α-частиците са ядра без електрони. Така те имат положителен заряд на стойност 2е (д е елементарен заряд на стойност 1,602 * 10 -19. Куломбов).
Различаваме 2 вида β лъчение. В зависимост от това дали са електрони или позитрони (позитронът е частица с много подобни свойства на електрон, но има обратния положителен заряд). Позитронното излъчване е относително рядко и се появява само когато протонът се превръща в неутрон (което е много по-рядко от превръщането на неутрон в протон).
У-лъчението няма заряд. Представен е от високоенергийни фотони (тъй като те са само фотони) много повече от 10keV.
Най-просто казано, докато α и β се забавят във веществата, γ се абсорбира. Един слой хартия е достатъчен, за да спре α частиците, достатъчно е само β 1мм ламарина (например алуминий). По-лошо е с гама. След изминаване на разстоянието д само половината от опасните фотони остават след преминаване 2д ще остане само половината от половината, т.е. една четвърт. След това осма и така нататък, винаги разделена на две.
Също така бихме могли да се предпазим от α и β радиация чрез електрическо поле. Електрическите сили биха отклонили всички заредени частици. Но това няма да работи при гама, която няма заряд.