Membelah nukleus. Datuk moyang bom atom Bagaimana untuk membelah atom di rumah

Pemisahan nukleus atom pelbagai unsur kini digunakan secara meluas. Semua loji kuasa nuklear berfungsi pada tindak balas pembelahan; prinsip operasi semua senjata nuklear adalah berdasarkan tindak balas ini. Dalam kes tindak balas terkawal atau berantai, atom, setelah dibahagikan kepada beberapa bahagian, tidak lagi boleh menyambung kembali dan kembali ke keadaan asalnya. Tetapi, dengan menggunakan prinsip dan undang-undang mekanik kuantum, saintis berjaya membahagikan atom kepada dua bahagian dan menyambungkannya semula tanpa melanggar integriti atom itu sendiri.

Para saintis dari Universiti Bonn menggunakan prinsip ketidakpastian kuantum, yang membolehkan objek wujud di beberapa negeri sekaligus. Dalam eksperimen itu, dengan bantuan beberapa helah fizikal, saintis menjadikan satu atom wujud di dua tempat sekaligus, jarak antaranya adalah lebih sedikit daripada seperseratus milimeter, yang pada skala atom hanyalah jarak yang jauh.

Kesan kuantum sedemikian hanya boleh nyata pada suhu yang sangat rendah. Atom cesium telah disejukkan oleh cahaya laser kepada suhu satu persepuluh satu persejuta darjah di atas sifar mutlak. Atom yang disejukkan kemudiannya dipegang dalam perangkap optik pancaran cahaya dari laser lain.

Adalah diketahui bahawa nukleus atom boleh berputar dalam satu daripada dua arah, bergantung pada arah putaran, cahaya laser menolak nukleus ke kanan atau ke kiri. "Tetapi atom, dalam keadaan kuantum tertentu, boleh mempunyai" personaliti berpecah ", separuh daripadanya berputar ke satu arah, yang lain ke arah yang bertentangan. Tetapi, pada masa yang sama, atom masih merupakan objek keseluruhan, ” kata ahli fizik Andreas Steffen. Oleh itu, nukleus atom, bahagian yang berputar dalam arah yang bertentangan, boleh dipecahkan kepada dua bahagian oleh pancaran laser, dan bahagian atom ini boleh dipisahkan dengan jarak yang agak jauh, yang berjaya disedari oleh saintis semasa eksperimen mereka.

Para saintis mendakwa bahawa menggunakan kaedah yang sama, adalah mungkin untuk mencipta apa yang dipanggil "jambatan kuantum", yang merupakan konduktor maklumat kuantum. Atom bahan dibahagikan kepada separuh, yang dipisahkan ke sisi sehingga bersentuhan dengan atom bersebelahan. Sejenis landasan jalan terbentuk, satu rentang yang menghubungkan dua tiang jambatan, yang melaluinya maklumat boleh dihantar. Ini mungkin disebabkan oleh fakta bahawa atom dibahagikan dengan cara ini terus menjadi satu keseluruhan pada tahap kuantum disebabkan fakta bahawa bahagian-bahagian atom terikat pada tahap kuantum.

Para saintis di Universiti Bonn akan menggunakan teknologi ini untuk memodelkan dan mencipta sistem kuantum yang kompleks. "Atom itu seperti gear yang diminyaki dengan baik untuk kami," kata Dr Andrea Alberti, ketua pasukan. "Dengan menggunakan kebanyakan gear ini, anda boleh mencipta kalkulator kuantum dengan ciri yang jauh melebihi komputer tercanggih. Anda hanya perlu dapat meletakkan dan menyambungkan gear ini dengan betul."

Pembelahan nuklear ialah pemisahan atom berat kepada dua serpihan yang mempunyai jisim yang lebih kurang sama, disertai dengan pembebasan sejumlah besar tenaga.

Penemuan pembelahan nuklear memulakan era baru - "zaman atom". Potensi kemungkinan penggunaannya dan nisbah risiko untuk mendapat manfaat daripada penggunaannya bukan sahaja menjana banyak pencapaian sosiologi, politik, ekonomi dan saintifik, tetapi juga masalah yang serius. Walaupun dari sudut pandangan saintifik semata-mata, proses pembelahan nuklear telah mencipta sejumlah besar teka-teki dan komplikasi, dan penjelasan teoretikal penuhnya adalah soal masa depan.

Berkongsi menguntungkan

Tenaga pengikat (setiap nukleon) berbeza untuk nukleus yang berbeza. Yang lebih berat mempunyai tenaga pengikat yang lebih rendah daripada yang terletak di tengah-tengah jadual berkala.

Ini bermakna bahawa untuk nukleus berat dengan nombor atom lebih daripada 100, adalah berfaedah untuk membahagikan kepada dua serpihan yang lebih kecil, dengan itu membebaskan tenaga, yang ditukar kepada tenaga kinetik serpihan. Proses ini dipanggil membelah

Menurut lengkung kestabilan, yang menunjukkan pergantungan bilangan proton pada bilangan neutron untuk nuklida stabil, nukleus yang lebih berat memilih lebih banyak neutron (berbanding dengan bilangan proton) daripada yang lebih ringan. Ini menunjukkan bahawa bersama-sama dengan proses pemisahan, beberapa neutron "ganti" akan dipancarkan. Selain itu, mereka juga akan mengambil sebahagian daripada tenaga yang dikeluarkan. Kajian pembelahan nuklear atom uranium menunjukkan bahawa 3-4 neutron dibebaskan: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Nombor atom (dan jisim atom) serpihan tidak sama dengan separuh jisim atom induk. Perbezaan antara jisim atom yang terbentuk akibat pemisahan biasanya kira-kira 50. Walau bagaimanapun, sebab untuk ini masih belum jelas sepenuhnya.

Tenaga pengikat 238 U, 145 La, dan 90 Br ialah 1803, 1198, dan 763 MeV, masing-masing. Ini bermakna hasil daripada tindak balas ini, tenaga pembelahan nukleus uranium dibebaskan, bersamaan dengan 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Pembahagian spontan

Proses pembelahan spontan diketahui secara semula jadi, tetapi ia sangat jarang berlaku. Purata jangka hayat proses ini adalah kira-kira 10 17 tahun, dan, sebagai contoh, purata hayat pereputan alfa radionuklid yang sama ialah kira-kira 10 11 tahun.

Sebabnya ialah untuk berpecah kepada dua bahagian, nukleus mesti terlebih dahulu diubah bentuk (diregangkan) menjadi bentuk elips, dan kemudian, sebelum akhirnya berpecah kepada dua serpihan, membentuk "leher" di tengah.

Penghalang Potensi

Dalam keadaan cacat, dua daya bertindak pada teras. Satu ialah tenaga permukaan yang meningkat (ketegangan permukaan titisan cecair menerangkan bentuk sferanya), dan satu lagi ialah tolakan Coulomb antara serpihan pembelahan. Bersama-sama mereka menghasilkan halangan yang berpotensi.

Seperti dalam kes pereputan alfa, agar pembelahan spontan nukleus atom uranium berlaku, serpihan mesti mengatasi halangan ini menggunakan terowong kuantum. Halangannya adalah kira-kira 6 MeV, seperti dalam kes pereputan alfa, tetapi kebarangkalian terowong zarah alfa adalah lebih besar daripada produk pembelahan atom yang lebih berat.

perpecahan paksa

Kemungkinan besar ialah pembelahan teraruh nukleus uranium. Dalam kes ini, nukleus induk disinari dengan neutron. Jika ibu bapa menyerapnya, mereka mengikat, melepaskan tenaga pengikat dalam bentuk tenaga getaran yang boleh melebihi 6 MeV yang diperlukan untuk mengatasi halangan berpotensi.

Di mana tenaga neutron tambahan tidak mencukupi untuk mengatasi halangan potensi, neutron kejadian mesti mempunyai tenaga kinetik minimum untuk dapat mendorong pemisahan atom. Dalam kes 238 U, tenaga pengikat neutron tambahan adalah lebih kurang 1 MeV pendek. Ini bermakna pembelahan nukleus uranium hanya diaruhkan oleh neutron dengan tenaga kinetik lebih besar daripada 1 MeV. Sebaliknya, isotop 235 U mempunyai satu neutron tidak berpasangan. Apabila nukleus menyerap satu tambahan, ia membentuk pasangan dengannya, dan sebagai hasil daripada pasangan ini, tenaga pengikat tambahan muncul. Ini cukup untuk melepaskan jumlah tenaga yang diperlukan untuk nukleus untuk mengatasi halangan berpotensi dan pembelahan isotop berlaku apabila berlanggar dengan mana-mana neutron.

pereputan beta

Walaupun tindak balas pembelahan mengeluarkan tiga atau empat neutron, serpihan masih mengandungi lebih banyak neutron daripada isobar stabilnya. Ini bermakna serpihan belahan biasanya tidak stabil terhadap pereputan beta.

Sebagai contoh, apabila pembelahan uranium 238U berlaku, isobar stabil dengan A = 145 ialah neodymium 145Nd, yang bermaksud bahawa serpihan lanthanum 145La mereput dalam tiga langkah, setiap kali memancarkan elektron dan antineutrino, sehingga nuklida stabil terbentuk. Isobar stabil dengan A = 90 ialah zirkonium 90 Zr; oleh itu, serpihan pemisahan bromin 90 Br terurai dalam lima peringkat rantai pereputan β.

Rantai pereputan β ini membebaskan tenaga tambahan, yang hampir semuanya dibawa oleh elektron dan antineutrino.

Tindak balas nuklear: pembelahan nukleus uranium

Pembebasan terus neutron daripada nuklida dengan terlalu banyak daripadanya untuk memastikan kestabilan nukleus tidak mungkin. Maksudnya di sini ialah tiada tolakan Coulomb, dan oleh itu tenaga permukaan cenderung untuk mengekalkan ikatan neutron dengan induk. Walau bagaimanapun, ini kadang-kadang berlaku. Contohnya, serpihan pembelahan 90 Br dalam peringkat pereputan beta pertama menghasilkan kripton-90, yang boleh berada dalam keadaan teruja dengan tenaga yang mencukupi untuk mengatasi tenaga permukaan. Dalam kes ini, pelepasan neutron boleh berlaku secara langsung dengan pembentukan krypton-89. masih tidak stabil kepada pereputan β sehingga ia berubah kepada yttrium-89 stabil, supaya kripton-89 mereput dalam tiga langkah.

Pembelahan nukleus uranium: tindak balas berantai

Neutron yang dipancarkan dalam tindak balas pembelahan boleh diserap oleh nukleus induk lain, yang kemudiannya sendiri mengalami pembelahan teraruh. Dalam kes uranium-238, tiga neutron yang dihasilkan keluar dengan tenaga kurang daripada 1 MeV (tenaga yang dibebaskan semasa pembelahan nukleus uranium - 158 MeV - terutamanya ditukar kepada tenaga kinetik serpihan pembelahan. ), jadi mereka tidak boleh menyebabkan pembelahan selanjutnya nuklida ini. Walau bagaimanapun, pada kepekatan ketara isotop 235 U yang ketara, neutron bebas ini boleh ditangkap oleh nukleus 235 U, yang sememangnya boleh menyebabkan pembelahan, kerana dalam kes ini tiada ambang tenaga di bawah yang pembelahan tidak diinduksi.

Ini adalah prinsip tindak balas berantai.

Jenis tindak balas nuklear

Biarkan k ialah bilangan neutron yang dihasilkan dalam sampel bahan boleh belah dalam peringkat n rantaian ini, dibahagikan dengan bilangan neutron yang dihasilkan dalam peringkat n - 1. Nombor ini akan bergantung kepada berapa banyak neutron yang dihasilkan dalam peringkat n - 1 diserap. oleh nukleus, yang mungkin dipaksa untuk membahagi.

Jika 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.

Jika k > 1, maka tindak balas berantai akan berkembang sehingga semua bahan fisil telah digunakan.Ini dicapai dengan memperkayakan bijih semula jadi untuk mendapatkan kepekatan uranium-235 yang cukup besar. Bagi sampel sfera, nilai k meningkat dengan peningkatan kebarangkalian penyerapan neutron, yang bergantung pada jejari sfera. Oleh itu, jisim U mesti melebihi jumlah tertentu agar pembelahan nukleus uranium (tindak balas berantai) berlaku.

Jika k = 1, maka tindak balas terkawal berlaku. Ini digunakan dalam proses yang dikawal dengan mengedarkan rod kadmium atau boron di antara uranium, yang menyerap kebanyakan neutron (elemen ini mempunyai keupayaan untuk menangkap neutron). Pembelahan nukleus uranium dikawal secara automatik dengan menggerakkan rod sedemikian rupa sehingga nilai k kekal sama dengan satu.

Pilih isotop yang sesuai. Sesetengah unsur atau isotop mengalami pereputan radioaktif, dan isotop yang berbeza mungkin berkelakuan berbeza. Isotop uranium yang paling biasa mempunyai berat atom 238 dan terdiri daripada 92 proton dan 146 neutron, tetapi nukleusnya biasanya menyerap neutron tanpa membelah menjadi nukleus unsur yang lebih ringan. Isotop uranium, yang nukleusnya mengandungi tiga neutron yang lebih sedikit, 235 U, pembelahan lebih mudah daripada 238 U, dan dipanggil isotop fisil.

• Pembelahan uranium membebaskan tiga neutron yang berlanggar dengan atom uranium lain, mengakibatkan tindak balas berantai.
• Sesetengah isotop pembelahan dengan begitu mudah dan cepat sehingga mustahil untuk mengekalkan tindak balas nuklear yang berterusan. Fenomena ini dipanggil pereputan spontan, atau spontan. Sebagai contoh, isotop plutonium 240 Pu tertakluk kepada pereputan sedemikian, berbeza dengan 239 Pu dengan kadar pembelahan yang lebih rendah.

Agar tindak balas berterusan selepas pereputan atom pertama, isotop yang mencukupi mesti dikumpulkan. Untuk melakukan ini, adalah perlu untuk mempunyai jumlah minimum isotop fisil yang akan menyokong tindak balas. Kuantiti ini dipanggil jisim kritikal. Bahan permulaan yang mencukupi diperlukan untuk mencapai jisim kritikal dan meningkatkan kebarangkalian pereputan.

Pada tahun 1939Albert Einsteinberpaling kepada Presiden Roosevelt dengan cadangan untuk melakukan segala usaha untuk menguasai tenaga pereputan atom sebelum Nazi. Pada masa itu, setelah berhijrah dari Itali fasisEnrico Fermitelah menyelesaikan masalah ini di Universiti Columbia.

(Di ruang pemecut Makmal Fizik Zarah Eropah (CERN), pusat terbesar seumpamanya di Eropah. Secara paradoks, struktur gergasi diperlukan untuk mengkaji zarah terkecil.)

pengenalan

Pada tahun 1854 seorang Jerman Heinrich Geisler. (1814-79) mencipta tiub kaca vakum dengan elektrod, dipanggil tiub Heusler, dan pam merkuri, yang memungkinkan untuk mendapatkan vakum yang tinggi. Dengan menyambungkan gegelung aruhan voltan tinggi ke elektrod tiub, dia menerima cahaya hijau pada kaca bertentangan dengan elektrod negatif. Pada tahun 1876 seorang ahli fizik Jerman Evgeny Goldstein(1850-1931) mencadangkan bahawa cahaya ini disebabkan oleh sinar yang dipancarkan oleh katod, dan dipanggil katod sinar ini.

(Ahli fizik New Zealand Ernest Rutherford (1871-1937) di Makmal Cavendish di Universiti Cambridge, yang diambil alih pada tahun 1919.)

Elektron

saintis Inggeris William Crooks(1832-1919) menambah baik tiub Geisler dan menunjukkan kemungkinan memesongkan sinar katod oleh medan magnet. Pada tahun 1897, seorang lagi penyelidik Inggeris, Joseph Thomson, mencadangkan bahawa sinar adalah zarah bercas negatif, dan menentukan jisimnya, yang ternyata kira-kira 2000 kali kurang daripada jisim atom hidrogen. Dia memanggil zarah-zarah ini elektron, mengambil nama yang dicadangkan tahun sebelumnya oleh ahli fizik Ireland. George Stoney(1826-1911), yang secara teorinya mengira magnitud caj mereka. Oleh itu pembahagian atom menjadi jelas. Thomson mencadangkan model di mana elektron tertanam dalam atom seperti kismis dalam kek. Dan tidak lama kemudian zarah lain yang membentuk atom telah ditemui. Sejak 1895, beliau mula bekerja di Makmal Cavendish Ernest Rutherford(1871-1937), yang, bersama-sama dengan Thomson, mula mengkaji keradioaktifan uranium dan menemui dua jenis zarah yang dipancarkan oleh atom unsur ini. Dia memanggil zarah dengan cas dan jisim zarah beta elektron, dan lain-lain, bercas positif, dengan jisim yang sama dengan jisim 4 atom hidrogen, zarah alfa. Di samping itu, atom uranium adalah sumber sinaran elektromagnet frekuensi tinggi - sinar gamma.

(Otto Hahn dan Lise Meitner. Pada tahun 1945, Gandimasukkan ke dalam penjara oleh sekutu di England dan hanya di sana dia belajar tentang penganugerahan Hadiah Nobel dalam Kimia untuk tahun 1944 "untuk penemuan pembelahan nukleus berat".)

Proton

Pada tahun 1886, Goldstein menemui sinaran lain yang merambat ke arah yang bertentangan dengan sinar katod, dan dia memanggilnya sinar katod. Kemudian terbukti bahawa ia terdiri daripada ion atom. Rutherford mencadangkan untuk menamakan ion hidrogen positif pronada (dari bahasa Yunaniproton- yang pertama), kerana dia menganggap nukleus hidrogen sebagai sebahagian daripada nukleus atom semua unsur lain. Oleh itu, pada awal abad XX. Kewujudan tiga zarah subatom telah ditubuhkan: elektron, proton, dan zarah alfa. AT1907 Encik Rutherford menjadi profesor di Universiti Manchester. Di sini, cuba memikirkan struktur atom, dia menjalankan eksperimen terkenalnya mengenai penyerakan zarah alfa. Menyiasat laluan zarah-zarah ini melalui kerajang logam nipis, dia membuat kesimpulan bahawa di tengah-tengah atom terdapat nukleus padat kecil yang mampu memantulkan zarah alfa. Pembantu Rutherford pada masa itu ialah seorang ahli fizik Denmark mudaNiels Bohr(1885-1962), yang dalam1913 SM, selaras dengan teori kuantum yang baru dicipta, mencadangkan model struktur atom, yang dikenali sebagaiModel Rutherford-Bohr. Di dalamnya, elektron berputar mengelilingi nukleus seperti planet mengelilingi matahari.

( Enrico Fermi (1901-54) menerima Hadiah Nobel pada tahun 1938 untuk kerjanya mengenai penyinaran bahan dengan neutron. Pada tahun 1942, buat pertama kalinya, dia menjalankan tindak balas rantaian yang berterusan terhadap pereputan nukleus atom.)

Model Atom

Dalam model pertama ini, nukleus terdiri daripada proton bercas positif dan beberapa elektron yang meneutralkan sebahagian casnya; di samping itu, elektron tambahan bergerak mengelilingi nukleus, jumlah casnya adalah sama dengan cas positif nukleus.zarah alfa, seperti nukleus atom helium, sepatutnya terdiri daripada4 proton dan2 elektron.Ia telah berakhir10 tahun sebelum model ini disemak. AT1930 Jerman Walter Bothe(1891-1957) mengumumkan penemuan sinaran radioaktif jenis baharu yang timbul daripada penyinaran berilium dengan zarah alfa. orang InggerisJames Chadwick(1891-1974) mengulangi eksperimen ini dan membuat kesimpulan bahawa sinaran ini terdiri daripada zarah yang sama jisim dengan proton, tetapi tanpa cas elektrik. Mereka dipanggil neutron. Kemudian orang JermanWerner Heisenberg(1901-76) mencadangkan model atom, nukleusnya hanya terdiri daripada proton dan neutron.Pasukan penyelidik dengan salah satu pemecut zarah subatomik pertama -siklotron(1932). Peranti ini direka untuk mempercepatkan zarah dan kemudian membedilnya dengan sasaran khas.

(Sekumpulan penyelidik dengan salah satu pemecut zarah subatomik pertama, siklotron (1932). Peranti ini direka untuk mempercepatkan zarah dan kemudian membedilnya dengan sasaran khas.)

Atom membelah

Ahli fizik di seluruh dunia segera melihat dalam neutron alat yang sesuai untuk mempengaruhi atom - zarah berat dan tidak bercas ini dengan mudah menembusi ke dalam nukleus atom. AT1934-36 Itali Enrico Fermi(1901-54) menerima bantuan mereka37 isotop radioaktif pelbagai unsur. Menyerap neutron, nukleus atom menjadi tidak stabil dan memancarkan tenaga dalam bentuk sinar gamma. Fermi menyinari uranium dengan neutron, dengan harapanpramengubahnya menjadi unsur baru - "uranium" Dalam arah yang sama kerja di Berlin, Otto Hahn Jerman(1879-1 Sdan AustriaLise Meitner(1878 - 1968). AT1938 Meitner, melarikan diri dari Nazi, pergi ke Stockholm, dan terus bekerja dengannyaFriedrich Strassmann(1902-80). Tidak lama kemudian Hahn dan Meitner, meneruskan eksperimen dan membandingkan keputusan melalui surat-menyurat, menemui pembentukan barium radioaktif dalam uranium yang disinari dengan neutron. Meitner mencadangkan bahawa saya adalah atom uranium (nombor atom92) bangsaberpecah kepada dua nukleus: barium (nombor atom unsur dengan nombor43 kemudian dinamakantechnetium). Oleh itu, kemungkinan membelah nukleus atom telah ditemui. Ia juga didapati bahawa semasa pemusnahan nukleus atom uranium,2-3 neutron, yang masing-masing, pada gilirannya, mampu memulakan pereputan atom uranium, menyebabkan tindak balas berantai dengan pembebasan sejumlah besar tenaga ...