Fisiune nucleara
Compoziția atomului
Atomul este format dintr-un nucleu și o coajă de electroni. În pachetul de electroni există particule încărcate negativ - electroni. Aceste particule sunt importante în legăturile chimice. Sunt atrași de nucleul atomilor de forțe electrice, care sunt mult mai pronunțate în microparticule decât în lumea macro.
Există două tipuri comune de particule în nucleu. Protonii încărcați pozitiv au sarcina opusă ca electronii din carcasa electronilor. În majoritatea cazurilor, atomul ar trebui să pară neutru, ceea ce înseamnă că are același număr de protoni și electroni. A doua particulă care se găsește în mod obișnuit în nucleu este neutronul. Neutronii nu au încărcare, deci nu sunt supuși forțelor electrice. Ele apar în nucleul a aproape fiecare element (singura excepție este hidrogenul). Datorită faptului că nu sunt supuși forțelor electrice, se pot apropia de nucleul atomului fără a fi respinși. Când se vor apropia suficient de mult de nucleu, vor fi atrași de el de către forțele nucleare. Nucleul nou format va avea un nucleon în plus (un nucleon este un nume general pentru o particulă din nucleu).
Numărul de protoni din nucleu este scris de numărul protonilor DIN, numărul de neutroni după numărul de neutroni N. Numărul nucleonului este marcat A (suma numărului de protoni și neutroni). Eticheta va indica acel element X el are A nucleonii a DIN protoni (numărul de neutroni poate fi determinat prin scăderea DIN din A).
Proprietățile chimice ale elementului sunt determinate de numărul de protoni (electronii sunt așadar plasați la diferite niveluri de energie în jurul nucleului și astfel vor reacționa diferit cu celelalte elemente). Elementele nu au întotdeauna un număr constant de neutroni în nucleu. Un element cu un anumit număr de neutroni se numește izotop. Există elemente care apar în izotopi diferiți. De exemplu, există trei izotopi ai hidrogenului: 1 proton, 1 proton și 1 neutron. Acest izotop se mai numește hidrogen sau deuteriu greu (greu datorită numărului mai mare de nucleoni - izotopul are o masă mai mare). Există, de asemenea, un izotop de hidrogen cu 1 proton și 2 neutroni numiți tritiu. Acest izotop este instabil, ceea ce înseamnă că nucleul său se descompune (se modifică) cu excluderea particulelor cu energie ridicată (mai multe despre asta mai târziu).
Dacă am dori să separăm diferiții izotopi ai unei substanțe, cum ar fi hidrogenul și deuteriul, nu am fi ajutați de reacțiile chimice în care cei doi izotopi se comportă în același mod. Acest lucru ar putea fi realizat cu ajutorul metodelor fizice, cum ar fi utilizarea diferitelor greutăți. Deoarece hidrogenul în stare gazoasă este relativ rar, am pune apă în centrifugă, în care atât hidrogenul, cât și deuteriul sunt legate de oxigen. Apa grea (apa care mă deuterizează în locul hidrogenului) ar ajunge pe margine în timp cu forțe centrifuge puternice.
Energia nucleară și forțele nucleare
Deși poate nu pare logic la prima vedere, masa nucleului în ansamblu este întotdeauna mai mică decât suma maselor de protoni și neutroni din el. Unde s-a dus chestiunea asta atunci? Faptul este că sunt necesare forțe suplimentare pentru a preveni dezintegrarea nucleului din cauza forțelor de respingere dintre protoni. Se numesc nucleare. Acestea pot funcționa doar la o distanță foarte mică, cum ar fi. Cu toate acestea, nu numai forțele inter-protonice acționează împotriva acestor forțe. Particulele din nucleu se mișcă foarte repede (aproximativ 0,2 viteze de lumină). Viteza mare înseamnă energie cinetică ridicată a particulelor. Aceste forțe trebuie să fie cu atât mai mari.
Pentru ca nucleul să fie împărțit în nucleoni individuali, avem nevoie de energia pe care ar trebui să o furnizăm nucleului. Cu cât această energie este mai mare, cu atât este mai greu să împărțiți nucleul în DIN protoni și N neutroni. Einstein a descoperit că masa unui sistem se schimbă în funcție de energia sa. Dependența pierderii în greutate a sistemului de energia sa este directă. Formula pentru această dependență este în cazul în care diferența de masă (pierderea în greutate) este masa nucleonilor separați minus masa nucleului, c este o constantă pentru viteza luminii în vid .
Schimbarea greutății Δm este adesea neglijabil de mic în lumea macro. Cu toate acestea, cu scale atomice, această modificare este măsurabilă. La astfel de cantități mici, energia nu este măsurată (numărată) în J(ouloch) ale v eV (electroni volți). Conversia dintre aceste unități este .
Trebuie remarcat faptul că cu cât lipsește greutatea nucleului, cu atât este mai mare (rezultă din formulă), cu atât nucleonii din acesta sunt mai puternici. O astfel de energie trebuie furnizată pentru a împărți nucleul, dar în același timp o astfel de energie ar fi eliberată în timpul sintezei (unirii) nucleonilor individuali într-un nucleu dat.
De exemplu, pentru un nucleu, pierderea în greutate este egală (este o constantă de masă) și astfel energia de legare este de aproximativ 93 MeV (Megaelectronvolți), care este foarte aproape de valorile măsurate experimental (93.15 MeV). Pentru nucleu, energia de legare este mult mai mare (1800 MeV), deoarece pe lângă forța respingătoare dintre protoni, există multe (238) particule în mișcare rapidă în nucleu, care forțele încearcă să le mențină acolo. Cu o energie de legare atât de mare, cântărește cu până la 1% mai puțin.
Dacă am vrea să calculăm ce energie de legare dintr-un nucleu cade pe un nucleon, trebuie să împărțim nucleele la numărul de masă A (numărul de nucleoni din nucleu). Energia de legare pe nucleon este exprimată printr-o formulă .
εj nu este același lucru pentru fiecare nucleu. Cu cât este mai mare, cu atât este mai greu să scindezi unul sau mai mulți nucleoni din nucleu. De exemplu, valoarea εj căci carbonul este ε j = 7,68MeV, căci este mai mic εj = 7,57Mev. Cel mai inalt εj are ceea ce îl face elementul cu cel mai stabil nucleu pe care îl cunoaștem. Pentru a cliva fiecare nucleon, ar trebui să alimentăm până la nucleu 8,79 MeV. Nucleul este, de asemenea, foarte stabil ( εj = 7,07MeV ). Vezi Figura 2.
Deși aceste valori nu par foarte mari, trebuie luată în considerare dimensiunea atomului. Când miezul elementului greu se descompune în două nuclee mai ușoare, se eliberează diferența dintre nucleul de fisiune total legat și nucleele rezultate (aproximativ 200MeV). Cu cât mai mulți nuclei ar decădea în acest fel, cu atât energia generată în diferite forme ar fi reflectată în lumea macro.
Fisiune nucleara
Nu după mult timp după descoperirea neutronului, s-a constatat că este neutru. Lucrurile care nu au încărcare nu pot fi afectate de forțele electrice. Astfel, un neutron se poate apropia suficient de mult de nucleul unui atom pentru a fi atras de el de către forțele nucleare. Astfel, este posibil să se schimbe numărul de nuclee ale nucleului și să se inducă reacții nucleare.
O modalitate de a obține un neutron din substanță este o fiolă de sticlă cu radon gazos radioactiv și pulbere de beriliu. Deoarece radonul din flacon este instabil, nucleul său se dezintegrează. În plus față de alte radiații, particulele α (nuclei de heliu) scapă din nucleu. Aceste particule vor declanșa o reacție nucleară la coliziuni cu nucleii de beriliu. Particulele α care nu reacționează cu nucleii de beriliu se opresc pe sticlă. Cu toate acestea, sticla nu absoarbe neutronii eliberați, care au șansa să lovească nucleele altor elemente și să provoace reacții nucleare suplimentare.
Dacă am scufunda această fiolă de sticlă în apă sau apă grea, neutronii care scăpau ar încetini și am avea șanse mai mari de a lovi miezul (probabil că ar sări la viteze mari), cu care ar putea reacționa.
Neutronii eliberați în acest mod pot fi folosiți, de exemplu, pentru a bombarda un nucleu instabil de uraniu. Reacția nucleară care are loc are mai multe produse posibile, de exemplu sau
Nucleii formați în acest fel sunt radioactivi (instabili) și emit particule α (nuclei de heliu), β (electroni, eventual pozitroni) și γ (fotoni cu energie ridicată). Există mai multe reacții, dar majoritatea au o eliberare comună de energie de aproximativ 200MeV (depinde de diferențele în reacțiile specifice) și de formarea de neutroni suplimentari capabili să reacționeze cu alți nuclei de uraniu, din care neutroni zboară din nou. Aceasta creează o reacție în lanț, în care numărul de reacții care au loc pe secundă este în continuă creștere și se eliberează din ce în ce mai multă energie.
Utilizarea reacției în lanț
Reacția în lanț se caracterizează printr-o creștere a numărului de neutroni eliberați pe secundă. Ca urmare, numărul reacțiilor care au loc pe secundă și energia care este eliberată pe secundă vor crește, de asemenea.
Dacă am dori să folosim energia nucleară, de exemplu, într-o centrală electrică, ar trebui să ne asigurăm că numărul de reacții pe secundă nu crește sau scade. Pe măsură ce viteza de reacție a crescut și nucleele fisibile au fost suficiente, energia eliberată ar începe să se traducă într-o creștere a temperaturii reactorului. Ar crește rapid și, odată cu acesta, presiunea din reactor. În timp, reactorul ar exploda. Din fericire, putem controla viteza reacției nucleare, de exemplu, cu tije de frână cadmiu. Vor absorbi majoritatea neutronilor și reacția ar reveni la norme gestionabile. Căldura reactorului este disipată de apa care răcește reactorul. Cel care aburează transformă turbinele care produc electricitate.
Pentru bombele nucleare, numărul de reacții pe secundă trebuie să crească în continuare până când presiunea și temperatura sparg bomba și aceasta explodează. Pentru a crește numărul de reacții, trebuie să creștem șansa ca un neutron să lovească nucleul. Putem crește acest lucru atunci când strângem combustibilul nuclear. Acest lucru se poate face, de exemplu, prin explozia TNT în jurul unui uraniu. Sub stratul de uraniu se află un emițător de neutroni (poate fi utilizată și fiola menționată mai sus cu radon și beriliu). Deși un emițător de neutroni ar stimula reacțiile nucleare ale uraniului, cu excepția cazului în care uraniul este comprimat, probabilitatea unei reacții în lanț este redusă. Putem comprima uraniul cu o explozie de TNT (sau un alt exploziv chimic). Într-un uraniu comprimat, probabilitatea unei reacții în lanț ar fi deja foarte mare, iar bomba ar exploda într-o fracțiune de secundă. Până când explodează bomba, va fi consumat doar un mic procent din uraniu. După explozie, reacția nu mai are loc din cauza probabilității aproape zero de a fi lovit nucleul de un neutron.
Atât în reactoare, cât și după explozia bombei nucleare, după reacție rămân nuclei instabili, care se descompun și eliberează emisii de radiații α, β și γ.
Radioactivitate
Radiațiile naturale includ particule α, β și γ. Particulele α sunt nuclee fără electroni. Deci au o sarcină pozitivă de valoare 2e (e este o sarcină elementară de valoare 1.602 * 10 -19 Coulombov).
Distingem 2 tipuri de radiații β. În funcție de faptul dacă sunt electroni sau pozitroni (pozitronul este o particulă cu proprietăți foarte asemănătoare cu un electron, dar are sarcina opusă, pozitivă). Radiația pozitronului este relativ rară și apare numai atunci când protonul se transformă într-un neutron (ceea ce este mult mai puțin comun decât conversia unui neutron în proton).
Radiația γ nu are încărcare. Este prezentat de fotoni cu energie mare (pentru faptul că sunt doar fotoni) mult mai mult decât 10keV.
Pur și simplu, în timp ce α și β sunt decelerați în substanțe, γ este absorbită. Un strat de hârtie este suficient pentru a opri particulele α, suficient pentru β 1mm tablă (de exemplu aluminiu). Este mai rău cu gama. După parcurgerea distanței d doar jumătate din fotonii periculoși rămân, după trecere 2d doar jumătate din jumătate, adică un sfert, va rămâne. Apoi un opt și așa mai departe, împărțit întotdeauna la două.
Ne-am putea proteja de radiațiile α și β prin câmp electric. Forțele electrice ar devia toate particulele încărcate. Dar acest lucru nu ar funcționa pe o gamă care nu are încărcare.