Kjernefysisk fisjon. Oldefar til atombomben Hvordan dele et atom hjemme

Splitting av kjernene til atomer av forskjellige grunnstoffer brukes for tiden ganske mye. Alle kjernekraftverk opererer på fisjonsreaksjonen. Driftsprinsippet for alle kjernefysiske våpen er basert på denne reaksjonen. I tilfelle av en kontrollert eller kjedereaksjon, kan atomet, etter å ha delt seg i deler, ikke lenger slå seg sammen og gå tilbake til sin opprinnelige tilstand. Men ved å bruke kvantemekanikkens prinsipper og lover, klarte forskere å dele atomet i to halvdeler og koble dem sammen igjen uten å krenke integriteten til selve atomet.

Forskere fra universitetet i Bonn brukte prinsippet om kvanteusikkerhet, som gjør at objekter kan eksistere i flere stater samtidig. I eksperimentet, ved hjelp av noen fysiske triks, tvang forskere et enkelt atom til å eksistere to steder samtidig, avstanden mellom dem var litt mer enn en hundredel av en millimeter, som på atomskala er ganske enkelt en enorm avstand .

Slike kvanteeffekter kan bare vises ved ekstremt lave temperaturer. Et cesiumatom ble avkjølt med laserlys til en temperatur på en tiendedel av en milliondel av en grad over absolutt null. Det avkjølte atomet ble deretter optisk fanget av en lysstråle fra en annen laser.

Det er kjent at kjernen til et atom kan rotere i en av to retninger avhengig av rotasjonsretningen, laserlyset skyver kjernen til høyre eller venstre; "Men et atom, i en viss kvantetilstand, kan ha en "delt personlighet", den ene halvdelen roterer i én retning, den andre i motsatt retning, men samtidig er atomet fortsatt et helt objekt. ” sier fysiker Andreas Steffen. Dermed kan kjernen til et atom, hvor deler roterer i motsatte retninger, deles i to deler av en laserstråle, og disse delene av atomet kan separeres over en betydelig avstand, noe forskerne klarte å oppnå under deres eksperiment.

Forskere hevder at ved å bruke en lignende metode, er det mulig å lage såkalte "kvantebroer", som er ledere av kvanteinformasjon. Et atom av et stoff er delt i halvdeler, som flyttes fra hverandre til de kommer i kontakt med tilstøtende atomer. Noe sånt som en veibunn dannes, et spenn som forbinder to søyler på en bro, langs hvilken informasjon kan overføres. Dette er mulig på grunn av det faktum at et atom delt på denne måten fortsetter å forbli en enkelt helhet på kvantenivå på grunn av at delene av atomet er viklet inn på kvantenivå.

Forskere ved universitetet i Bonn har til hensikt å bruke slik teknologi for å simulere og lage komplekse kvantesystemer. "For oss er atomet som et velsmurt utstyr," sier Dr Andrea Alberti, teamlederen. "Ved å bruke mange av disse girene kan du lage en kvantedataenhet med egenskaper som langt overgår de mest avanserte datamaskinene. Du trenger bare å kunne plassere og koble disse girene riktig."

Kjernefysisk fisjon er spaltning av et tungt atom i to fragmenter med omtrent lik masse, ledsaget av frigjøring av en stor mengde energi.

Oppdagelsen av kjernefysisk fisjon startet en ny æra - "atomalderen." Potensialet til den mulige bruken og risiko-til-nytte-forholdet ved bruken har ikke bare generert mange sosiologiske, politiske, økonomiske og vitenskapelige fremskritt, men også alvorlige problemer. Selv fra et rent vitenskapelig synspunkt har prosessen med kjernefysisk fisjon skapt et stort antall gåter og komplikasjoner, og dens fullstendige teoretiske forklaring er et spørsmål om fremtiden.

Deling er lønnsomt

Bindingsenergier (per nukleon) er forskjellige for forskjellige kjerner. Tyngre har lavere bindingsenergi enn de som ligger midt i det periodiske systemet.

Dette betyr at tunge kjerner med et atomnummer større enn 100 har godt av å splittes i to mindre fragmenter, og dermed frigjøre energi som omdannes til kinetisk energi til fragmentene. Denne prosessen kalles splitting

I følge stabilitetskurven, som viser antall protoner kontra antall nøytroner for stabile nuklider, foretrekker tyngre kjerner et høyere antall nøytroner (i forhold til antall protoner) enn lettere kjerner. Dette antyder at noen "reserve" nøytroner vil bli sendt ut sammen med fisjonsprosessen. I tillegg vil de også absorbere en del av den frigjorte energien. En studie av fisjon av kjernen til et uranatom viste at 3-4 nøytroner frigjøres: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Atomnummeret (og atommassen) til fragmentet er ikke lik halvparten av atommassen til forelderen. Forskjellen mellom massene av atomer som dannes som følge av spaltning er vanligvis rundt 50. Årsaken til dette er imidlertid ennå ikke helt klarlagt.

Bindingsenergiene til 238 U, 145 La og 90 Br er henholdsvis 1803, 1198 og 763 MeV. Dette betyr at som et resultat av denne reaksjonen frigjøres fisjonsenergien til urankjernen, lik 1198 + 763-1803 = 158 MeV.

Spontan fisjon

Spontane fisjonsprosesser er kjent i naturen, men de er svært sjeldne. Gjennomsnittlig levetid for denne prosessen er omtrent 10 17 år, og for eksempel er gjennomsnittlig levetid for alfa-nedbrytningen til samme radionuklid omtrent 10 11 år.

Grunnen til dette er at for å dele seg i to deler, må kjernen først gjennomgå deformasjon (strekk) til en ellipsoid form, og deretter, før den til slutt splittes i to fragmenter, danne en "hals" i midten.

Potensiell barriere

I en deformert tilstand virker to krefter på kjernen. Den ene er økt overflateenergi (overflatespenningen til en væskedråpe forklarer dens sfæriske form), og den andre er Coulomb-frastøting mellom fisjonsfragmenter. Sammen produserer de en potensiell barriere.

Som i tilfellet med alfa-forfall, for at spontan fisjon av kjernen til et uranatom skal skje, må fragmentene overvinne denne barrieren ved hjelp av kvantetunnelering. Barrierestørrelsen er omtrent 6 MeV, som i tilfellet med alfa-forfall, men sannsynligheten for en alfapartikkeltunnel er mye større enn for det mye tyngre atomfisjonsproduktet.

Tvunget splitting

Mye mer sannsynlig er den induserte fisjon av urankjernen. I dette tilfellet blir moderkjernen bestrålt med nøytroner. Hvis forelderen absorberer det, binder de seg, og frigjør bindingsenergi i form av vibrasjonsenergi som kan overstige de 6 MeV som kreves for å overvinne den potensielle barrieren.

Der energien til det ekstra nøytronet ikke er tilstrekkelig til å overvinne den potensielle barrieren, må det innfallende nøytronet ha en minimum kinetisk energi for å kunne indusere atomfisjon. Når det gjelder 238 U, mangler bindingsenergien til ytterligere nøytroner med omtrent 1 MeV. Dette betyr at fisjon av en urankjerne induseres kun av et nøytron med en kinetisk energi større enn 1 MeV. På den annen side har 235 U-isotopen ett uparet nøytron. Når en kjerne absorberer en ekstra, parer den seg med den, og denne sammenkoblingen resulterer i ytterligere bindingsenergi. Dette er nok til å frigjøre mengden energi som er nødvendig for at kjernen skal overvinne den potensielle barrieren, og isotopfisjonen skjer ved kollisjon med et hvilket som helst nøytron.

Beta-forfall

Selv om fisjonsreaksjonen produserer tre eller fire nøytroner, inneholder fragmentene fortsatt flere nøytroner enn deres stabile isobarer. Dette betyr at spaltningsfragmenter har en tendens til å være ustabile overfor beta-forfall.

Når f.eks. fisjon av urankjernen 238 U skjer, er den stabile isobaren med A = 145 neodym 145 Nd, noe som betyr at lantan 145 La-fragmentet forfaller i tre trinn, hver gang det sender ut et elektron og en antinøytrino, inntil en stabil nuklid dannes. En stabil isobar med A = 90 er zirkonium 90 Zr, så spaltningsfragmentet av brom 90 Br forfaller i fem stadier av β-forfallskjeden.

Disse β-forfallskjedene frigjør ekstra energi, som nesten alt blir båret bort av elektroner og antinøytrinoer.

Kjernereaksjoner: fisjon av urankjerner

Direkte nøytronutslipp fra en nuklid med for mange nøytroner for å sikre kjernefysisk stabilitet er usannsynlig. Poenget her er at det ikke er noen Coulomb-avstøtning, så overflateenergien har en tendens til å holde nøytronet bundet til forelderen. Dette skjer imidlertid noen ganger. For eksempel produserer fisjonsfragmentet av 90 Br i det første stadiet av beta-forfall krypton-90, som kan være i en eksitert tilstand med nok energi til å overvinne overflateenergien. I dette tilfellet kan nøytronutslipp oppstå direkte med dannelsen av krypton-89. er fortsatt ustabil for β-forfall til det blir stabilt yttrium-89, så krypton-89 forfaller i tre trinn.

Fisjon av urankjerner: kjedereaksjon

Nøytroner som sendes ut i fisjonsreaksjonen kan absorberes av en annen foreldrekjerne, som deretter selv gjennomgår indusert fisjon. Når det gjelder uran-238, kommer de tre nøytronene som produseres ut med en energi på mindre enn 1 MeV (energien som frigjøres under fisjon av urankjernen - 158 MeV - blir hovedsakelig omdannet til kinetisk energi til fisjonsfragmentene ), så de kan ikke forårsake ytterligere fisjon av denne nukliden. Ved en betydelig konsentrasjon av den sjeldne isotopen 235 U kan imidlertid disse frie nøytronene fanges opp av 235 U-kjerner, noe som faktisk kan forårsake fisjon, siden det i dette tilfellet ikke er noen energiterskel under hvilken fisjon ikke induseres.

Dette er prinsippet for en kjedereaksjon.

Typer kjernefysiske reaksjoner

La k være antall nøytroner produsert i en prøve av spaltbart materiale på trinn n av denne kjeden, delt på antall nøytroner produsert på trinn n - 1. Dette tallet vil avhenge av hvor mange nøytroner produsert på trinn n - 1 som absorberes av kjernen som kan gjennomgå tvungen deling.

Hvis 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.

Hvis k > 1, vil kjedereaksjonen vokse til alt det spaltbare materialet er brukt opp. Dette oppnås ved å anrike naturlig malm for å oppnå en tilstrekkelig stor konsentrasjon av uran-235. For en sfærisk prøve øker verdien av k med økende sannsynlighet for nøytronabsorpsjon, som avhenger av kulens radius. Derfor må massen U overstige en viss mengde slik at fisjon av urankjerner (kjedereaksjon) kan skje.

Hvis k = 1, skjer en kontrollert reaksjon. Denne brukes i Prosessen styres av fordelingen av kadmium eller borstaver blant uranet, som absorberer det meste av nøytronene (disse grunnstoffene har evnen til å fange opp nøytroner). Fisjonen av urankjernen styres automatisk ved å flytte stengene slik at verdien av k forblir lik enhet.

Velg riktig isotop. Noen grunnstoffer eller isotoper gjennomgår radioaktivt forfall, og forskjellige isotoper kan oppføre seg annerledes. Den vanligste isotopen av uran har en atomvekt på 238 og består av 92 protoner og 146 nøytroner, men kjernene absorberer vanligvis nøytroner uten å splittes i kjerner av lettere grunnstoffer. En isotop av uran hvis kjerne inneholder tre færre nøytroner, 235 U, spalter mye lettere enn 238 U og kalles en spaltbar isotop.

• Når uran spalter (fisjoner), frigjøres tre nøytroner, som kolliderer med andre uranatomer, og forårsaker en kjedereaksjon.
• Noen isotoper spalter seg så lett og raskt at det er umulig å opprettholde en konstant kjernereaksjon. Dette fenomenet kalles spontant, eller spontant, forfall. For eksempel er plutoniumisotopen 240 Pu utsatt for slikt forfall, i motsetning til 239 Pu, som har en lavere fisjonshastighet.

For at reaksjonen skal fortsette etter at det første atomet henfaller, må nok isotoper samles. For å gjøre dette er det nødvendig å ha en viss minimumsmengde av spaltbar isotop som vil støtte reaksjonen. Denne mengden kalles kritisk masse. For å nå kritisk masse og øke sannsynligheten for forfall, kreves det en tilstrekkelig mengde utgangsmateriale.

I 1939Albert Einsteinhenvendte seg til president Roosevelt med et forslag om å gjøre alt for å mestre energien til atomisk forfall før nazistene. På den tiden hadde han emigrert fra det fascistiske ItaliaEnrico Fermijobbet allerede med dette problemet ved Columbia University.

(I akseleratorkammeret til European Particle Physics Laboratory (CERN), det største senteret i sitt slag i Europa. Paradoksalt nok er det nødvendig med gigantiske strukturer for å studere de minste partiklene.)

Introduksjon

I 1854 en tysker Heinrich Geisler. (1814-79) oppfant et vakuumglassrør med elektroder, kalt et Heusler-rør, og en kvikksølvpumpe, som gjorde det mulig å oppnå høyvakuum. Ved å koble en høyspent induksjonsspole til elektrodene på røret fikk han en grønn glød på glasset overfor den negative elektroden. I 1876, en tysk fysiker Evgeny Goldstein(1850-1931) antydet at denne gløden var forårsaket av stråler som sendes ut av katoden, og kalte disse strålene katodestråler.

(New Zealand fysiker Ernest Rutherford (1871-1937) ved Cavendish Laboratory ved University of Cambridge, som han ledet i 1919.)

Elektroner

engelsk vitenskapsmann William Crooks(1832-1919) forbedret Heusler-røret og viste muligheten for å avlede katodestråler av et magnetfelt. I 1897 foreslo en annen engelsk forsker, Joseph Thomson, at strålene var negativt ladede partikler og bestemte massen deres, som viste seg å være omtrent 2000 ganger mindre enn massen til et hydrogenatom. Han kalte disse partiklene elektroner, og tok et navn foreslått flere år tidligere av en irsk fysiker George Stoney(1826-1911), som teoretisk beregnet størrelsen på ladningen deres. Slik ble atomets delbarhet åpenbar. Thomson foreslo en modell der elektroner ble spredt gjennom hele atomet, som rosiner i en cupcake. Og snart ble andre partikler inkludert i atomet oppdaget. I 1895 begynte han å jobbe ved Cavendish Laboratory Ernest Rutherford(1871-1937), som sammen med Thomson begynte å forske på radioaktiviteten til uran og oppdaget to typer partikler som ble sendt ut av atomene til dette grunnstoffet. Han kalte partikler med ladningen og massen til et elektron beta-partikler, og andre, positivt ladet, med en masse lik massen til 4 hydrogenatomer, alfapartikler. I tillegg var uranatomer en kilde til høyfrekvent elektromagnetisk stråling - gammastråler.

(Otto Hahn og Lise Meitner. I 1945 var Ganinternert av de allierte i England, og først der fikk han vite at han hadde blitt tildelt Nobelprisen i kjemi for 1944 "for oppdagelsen av fisjon av tunge kjerner.")

Protoner

I 1886 oppdaget Goldstein en annen stråling som forplantet seg i retning motsatt av katodestrålene, som han kalte katodestråler. Senere ble det bevist at de består av atomære ioner. Rutherford foreslo å kalle det positive hydrogenionet protone (fra greskproton- den første), fordi han anså hydrogenkjernen for å være en integrert del av atomkjernene til alle andre grunnstoffer. Altså på begynnelsen av 1900-tallet. Eksistensen av tre subatomære partikler ble etablert: elektronet, protonet og alfapartikkelen. I1907 Mr. Rutherford ble professor ved University of Manchester. Her, for å prøve å finne ut strukturen til atomet, utførte han sine berømte eksperimenter på alfapartikkelspredning. Ved å studere passasjen av disse partiklene gjennom en tynn metallfolie, kom han til den konklusjon at i sentrum av atomet er det en liten tett kjerne som er i stand til å reflektere alfapartikler. Rutherfords assistent på den tiden var en ung dansk fysiker.Niels Bohr(1885-1962), som i1913 i samsvar med den nylig opprettede kvanteteorien, foreslo en modell av strukturen til atomet kjent somRutherford-Bohr modell. I den kretset elektroner rundt kjernen som planeter rundt solen.

( Enrico Fermi (1901-54) mottok Nobelprisen i 1938 for sitt arbeid med nøytronbestråling av materie. I 1942 utførte han først en selvopprettholdende kjedereaksjon av forfallet av atomkjerner.)

Atom-modeller

I denne første modellen besto kjernen av positivt ladede protoner og en rekke elektroner som delvis nøytraliserte ladningen deres; i tillegg beveget ytterligere elektroner seg rundt kjernen, hvis totale ladning var lik den positive ladningen til kjernen.Alfa-partikler, som kjernene til heliumatomer, burde ha bestått av4 protoner og2 elektroner.Det har vært over10 år før denne modellen ble revidert. I1930 Herr tyske Walter Bothe(1891-1957) kunngjorde oppdagelsen av en ny type radioaktiv stråling som produseres når beryllium blir bestrålt med alfapartikler. engelskmannJames Chadwick(1891-1974) gjentok disse eksperimentene og kom til den konklusjonen at denne strålingen består av partikler som har samme masse som protoner, men uten elektrisk ladning. De ble kalt nøytroner. Så tyskerenWerner Heisenberg(1901-76) foreslått en modell av et atom hvis kjerne bare besto av protoner og nøytroner.En gruppe forskere med en av de første subatomære partikkelakseleratorene -syklotron(1932). Denne enheten er designet for å akselerere partikler og deretter bombardere spesielle mål med dem.

(En gruppe forskere med en av de første subatomære partikkelakseleratorene - syklotronen (1932). Denne enheten er designet for å akselerere partikler og deretter bombardere spesielle mål med dem.)

Spaltning av atomet

Fysikere over hele verden så umiddelbart i nøytroner et ideelt verktøy for å påvirke atomer - disse tunge, ladningsløse partiklene penetrerte lett atomkjerner. I1934-36 Italia Enrico Fermi(1901-54) fikk deres hjelp37 radioaktive isotoper av ulike grunnstoffer. Ved å absorbere et nøytron ble atomkjernen ustabil og sendte ut energi i form av gammastråler. Fermi bestrålt uran med nøytroner, håperpregjøre det til et nytt element - "uran".(1879-1 Sog en østerrikerLise Meitner(1878 - 1968). I1938 Fru Meitner, på flukt fra nazistene, dro til Stockholm og fortsatte arbeidet medFriedrich Strassmann(1902-80). Snart oppdaget Hahn og Meitner, som fortsatte eksperimentet og sammenlignet resultatene ved korrespondanse, dannelsen av radioaktivt barium i nøytronbestrålt uran. Meitner foreslo at jeg er et uranatom (atomnummer92) rasedeler seg i to kjerner: barium (atomnummer til grunnstoff med tall43 senere navngitttechnetium). Dermed ble muligheten for å splitte atomkjernen oppdaget. Det ble også funnet at når kjernen til et uranatom blir ødelagt,2-3 nøytroner, som hver på sin side er i stand til å starte nedbrytningen av uranatomer, forårsake en kjedereaksjon med frigjøring av en enorm mengde energi ...