นิวเคลียร์ฟิชชันเป็นไปได้ภายใต้เงื่อนไข นิวเคลียร์ฟิชชัน: กระบวนการแยกนิวเคลียสของอะตอม

เขาเริ่มการทดลองเกี่ยวกับการฉายรังสียูเรเนียมด้วยนิวตรอนช้าจากแหล่งกำเนิดเรเดียม-เบริลเลียม จุดประสงค์ของการทดลองเหล่านี้ ซึ่งทำหน้าที่เป็นแรงผลักดันสำหรับการทดลองที่คล้ายคลึงกันจำนวนมากที่ดำเนินการในห้องปฏิบัติการอื่น ๆ คือการค้นพบองค์ประกอบของทรานส์ยูเรเนียมที่ไม่ทราบในขณะนั้น ซึ่งควรจะได้มาจาก - -การสลายตัวของไอโซโทปของยูเรเนียมที่เกิดขึ้นระหว่าง การจับนิวตรอน มีการค้นพบผลิตภัณฑ์กัมมันตภาพรังสีชนิดใหม่ แต่จากการวิจัยเพิ่มเติมพบว่าคุณสมบัติทางเคมีของกัมมันตภาพรังสีของ "องค์ประกอบ transuranium ใหม่" นั้นแตกต่างจากที่คาดไว้ การศึกษาผลิตภัณฑ์ที่ผิดปกติเหล่านี้ดำเนินต่อไปจนถึงปี 1939 เมื่อนักเคมีรังสี Hahn และ Strassmann พิสูจน์ว่ากิจกรรมใหม่นี้ไม่ใช่ของหนัก แต่เป็นอะตอมที่มีน้ำหนักปานกลาง การตีความที่ถูกต้องของกระบวนการนิวเคลียร์ที่ผิดปกติได้รับในปีเดียวกันโดย Meitner และ Frisch ผู้แนะนำว่านิวเคลียสที่ถูกกระตุ้นของยูเรเนียมถูกแบ่งออกเป็นสองส่วนที่มีมวลประมาณเท่ากัน จากการวิเคราะห์พลังงานยึดเหนี่ยวของธาตุต่างๆ ในตารางธาตุ พวกเขาได้ข้อสรุปว่าในแต่ละเหตุการณ์การแยกตัว พลังงานจำนวนมากจะต้องถูกปลดปล่อยออกมา ซึ่งมากกว่าพลังงานที่ปล่อยออกมาในระหว่างการสลายตัวหลายสิบเท่า สิ่งนี้ได้รับการยืนยันโดยการทดลองของ Frisch ซึ่งลงทะเบียนพัลส์จากชิ้นส่วนฟิชชันในห้องไอออไนเซชันและ Joliot ผู้ซึ่งแสดงให้เห็นบนพื้นฐานของการวัดระยะทางของชิ้นส่วนว่าหลังมีพลังงานจลน์ขนาดใหญ่

รูปที่ 1 แสดงว่าแกนที่มี A = 40-120 มีความเสถียรสูงสุด กล่าวคือ ตรงกลางตารางธาตุ กระบวนการของการรวม (การสังเคราะห์) ของนิวเคลียสของแสงและฟิชชันของนิวเคลียสหนักนั้นเป็นที่ชื่นชอบอย่างมาก ในทั้งสองกรณี นิวเคลียสสุดท้ายจะอยู่ในขอบเขตของค่า A โดยที่พลังงานการจับจำเพาะมากกว่าพลังงานการจับจำเพาะของนิวเคลียสเริ่มต้น ดังนั้นกระบวนการเหล่านี้จึงต้องดำเนินการปล่อยพลังงาน ด้วยการใช้ข้อมูลเกี่ยวกับพลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะ เราสามารถประมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาในเหตุการณ์ฟิชชันหนึ่งเหตุการณ์ ให้นิวเคลียสที่มีเลขมวล A 1 = 240 แบ่งออกเป็นสองส่วนเท่าๆ กัน โดยที่ A 2 = 120 ในกรณีนี้ พลังงานจับจำเพาะของเศษส่วนจะเพิ่มขึ้น 0.8 MeV เมื่อเทียบกับพลังงานจับจำเพาะของนิวเคลียสตั้งต้น (จาก 1 7.6 MeV สำหรับนิวเคลียสที่มี A 1 = 240 ถึง 2 8.4 MeV สำหรับนิวเคลียสที่มี A 2 = 120) ในกรณีนี้ต้องปล่อยพลังงาน

อี = A 1 1 - 2A 2 2 \u003d A 1 ( 2 - 1) 240 (8.4-7.6) MeV 200 MeV.

. ทฤษฎีเบื้องต้นของฟิชชัน

ให้เราคำนวณปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียสหนัก แทนที่ด้วย (f.2) นิพจน์สำหรับพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส (f.1) สมมติว่า A 1 =240 และ Z 1 = 90 ละเลยเทอมสุดท้ายใน (f.1) เนื่องจากความเล็กและการแทนที่ ค่าของพารามิเตอร์ a 2 และ 3 เราได้รับ

จากนี้เราได้รับว่าการแยกตัวเป็นที่น่าพอใจอย่างมากเมื่อ Z 2 /A > 17 ค่าของ Z 2 /A เรียกว่าพารามิเตอร์การหาร พลังงาน E ที่ปล่อยออกมาในระหว่างการแตกตัวจะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของ Z 2 /A Z 2 /A = 17 สำหรับนิวเคลียสในบริเวณอิตเทรียมและเซอร์โคเนียม จะเห็นได้จากค่าประมาณที่ได้รับว่าฟิชชันนั้นเอื้ออำนวยต่อนิวเคลียสทั้งหมดที่มี A > 90 เหตุใดนิวเคลียสส่วนใหญ่จึงมีความเสถียรเมื่อเทียบกับการแยกตัวที่เกิดขึ้นเอง เพื่อตอบคำถามนี้ เรามาดูกันว่ารูปร่างของนิวเคลียสเปลี่ยนไปอย่างไรในระหว่างการแตกตัว

ในกระบวนการฟิชชัน นิวเคลียสจะผ่านไปเรื่อยๆ ขั้นตอนต่อไปนี้ (รูปที่ 2): ลูกบอล, ทรงรี, ดัมเบล, ชิ้นส่วนรูปลูกแพร์สองชิ้น, ชิ้นส่วนทรงกลมสองชิ้น พลังงานศักย์ของนิวเคลียสเปลี่ยนแปลงอย่างไรในระยะต่าง ๆ ของการแตกตัว? หลังจากการแตกตัวเกิดขึ้น และชิ้นส่วนต่างๆ ถูกแยกออกจากกันด้วยระยะห่างที่มากกว่ารัศมีของพวกมันมาก พลังงานศักย์ของชิ้นส่วนซึ่งกำหนดโดยปฏิกิริยาของคูลอมบ์ระหว่างพวกมัน จะถือว่ามีค่าเท่ากับศูนย์

ให้เราพิจารณาระยะเริ่มต้นของการแยกตัว เมื่อนิวเคลียสอยู่ในรูปของการปฏิวัติทรงรีที่ยืดยาวขึ้นเรื่อยๆ โดยมีค่า r เพิ่มขึ้น ในระยะนี้ของการแยกตัว r คือการวัดความเบี่ยงเบนของนิวเคลียสจากรูปทรงกลม (รูปที่ 3) เนื่องจากวิวัฒนาการของรูปร่างของนิวเคลียส การเปลี่ยนแปลงของพลังงานศักย์ของมันถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนแปลงของผลรวมของพื้นผิวและพลังงานของคูลอมบ์ E"n + E"k สันนิษฐานว่าปริมาตรของนิวเคลียสยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ในระหว่างการเปลี่ยนรูป ในกรณีนี้ พลังงานพื้นผิว E "p เพิ่มขึ้น เนื่องจากพื้นที่ผิวของนิวเคลียสเพิ่มขึ้น พลังงานคูลอมบ์ E" k ลดลง เนื่องจากระยะห่างเฉลี่ยระหว่างนิวเคลียสเพิ่มขึ้น ให้แกนทรงกลมซึ่งเป็นผลมาจากการเสียรูปเล็กน้อยซึ่งมีลักษณะเฉพาะโดยพารามิเตอร์ขนาดเล็ก อยู่ในรูปของทรงรีสมมาตรตามแนวแกน สามารถแสดงว่าพลังงานพื้นผิว E "p และพลังงาน Coulomb E" k ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงดังนี้

ในกรณีของการเปลี่ยนรูปวงรีขนาดเล็ก การเพิ่มขึ้นของพลังงานพื้นผิวจะเกิดขึ้นเร็วกว่าการลดลงของพลังงานคูลอมบ์
ในพื้นที่ของนิวเคลียสหนัก 2En > Ek ผลรวมของพื้นผิวและพลังงานคูลอมบ์จะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้น ตามมาจาก (f.4) และ (f.5) ที่รูปวงรีขนาดเล็ก การเพิ่มขึ้นของพลังงานพื้นผิวจะป้องกันการเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติมในรูปร่างของนิวเคลียส และทำให้เกิดการแตกตัว นิพจน์ (f.5) ใช้ได้กับค่าเล็กน้อย (สายพันธุ์เล็ก) หากการเสียรูปมากจนนิวเคลียสอยู่ในรูปดัมเบลล์ แรงตึงผิว เช่น แรงคูลอมบ์ มักจะแยกนิวเคลียสและทำให้ชิ้นส่วนมีรูปร่างเป็นทรงกลม ในระยะฟิชชันนี้ ความเครียดที่เพิ่มขึ้นจะมาพร้อมกับการลดลงของทั้งคูลอมบ์และพลังงานพื้นผิว เหล่านั้น. ด้วยการเพิ่มขึ้นทีละน้อยในการเปลี่ยนรูปของนิวเคลียส พลังงานศักย์ของมันจะผ่านสูงสุด ตอนนี้ r มีความหมายของระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางของชิ้นส่วนในอนาคต เมื่อชิ้นส่วนเคลื่อนออกจากกันพลังงานศักย์ของปฏิกิริยาจะลดลงเนื่องจากพลังงานของการผลักคูลอมบ์ E k ลดลง การพึ่งพาพลังงานศักย์บนระยะห่างระหว่างชิ้นส่วนดังแสดงในรูปที่ 4. ระดับพลังงานศักย์เป็นศูนย์สอดคล้องกับผลรวมของพื้นผิวและพลังงานคูลอมบ์ของชิ้นส่วนที่ไม่มีปฏิกิริยาสองชิ้น
การมีอยู่ของสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นช่วยป้องกันการแตกตัวของนิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นเองในทันที เพื่อให้นิวเคลียสแตกตัวทันที จะต้องได้รับพลังงาน Q ที่สูงกว่าความสูงของอุปสรรค H พลังงานศักย์สูงสุดของนิวเคลียสฟิชไซล์ประมาณเท่ากับ
e 2 Z 1 Z 2 /(R 1 +R 2) โดยที่ R 1 และ R 2 เป็นรัศมีของชิ้นส่วน ตัวอย่างเช่น เมื่อนิวเคลียสทองคำถูกแบ่งออกเป็นสองส่วนที่เหมือนกัน e 2 Z 1 Z 2 / (R 1 + R 2) \u003d 173 MeV และปริมาณพลังงาน E ที่ปล่อยออกมาระหว่างการแยกตัว () คือ 132 MeV ดังนั้น ในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียสทองคำ จึงจำเป็นต้องเอาชนะสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นด้วยความสูงประมาณ 40 MeV
ความสูงของสิ่งกีดขวาง H ยิ่งมาก อัตราส่วนของคูลอมบ์และพลังงานพื้นผิว E ถึง /E p ในนิวเคลียสเริ่มต้นจะมีขนาดเล็กลง ในทางกลับกันอัตราส่วนนี้จะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของพารามิเตอร์การหาร Z 2 /A () แกนที่หนักกว่าความสูงของสิ่งกีดขวางก็จะยิ่งต่ำลง H , เนื่องจากพารามิเตอร์การหารเพิ่มขึ้นตามจำนวนมวลที่เพิ่มขึ้น:

เหล่านั้น. ตามแบบจำลองการตก นิวเคลียสที่มี Z 2 /A > 49 ควรจะไม่มีอยู่ในธรรมชาติ เนื่องจากพวกมันจะแตกตัวตามธรรมชาติเกือบจะในทันที (ในเวลานิวเคลียร์ที่มีลักษณะเฉพาะของลำดับ 10 -22 วินาที) โครงสร้างเปลือกอธิบายความเป็นไปได้ของการมีอยู่ของนิวเคลียสของอะตอมที่มี Z 2 /A > 49 ("เกาะแห่งความมั่นคง") การพึ่งพาของรูปร่าง ความสูงของสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น H และพลังงานฟิชชัน E ต่อค่าของพารามิเตอร์การหาร Z 2 /A แสดงในรูปที่ 5.

การปล่อยพลังงานในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียร์เช่นเดียวกับในปฏิกิริยานิวเคลียร์อื่นๆ พลังงานที่ปล่อยออกมาในระหว่างการแตกตัวจะเทียบเท่ากับความแตกต่างในมวลของอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์และผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย เนื่องจากพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวคลีออนในยูเรเนียมและพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวคลีออนหนึ่งตัวเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย ในระหว่างการแตกตัวของยูเรเนียม พลังงานจะต้องถูกปลดปล่อยออกมา

ดังนั้นในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียสพลังงานมหาศาลจะถูกปลดปล่อยออกมาส่วนที่ท่วมท้นของมันจะถูกปล่อยออกมาในรูปของพลังงานจลน์ของชิ้นส่วนฟิชชัน

การจำหน่ายผลิตภัณฑ์ฟิชชันจำนวนมากนิวเคลียสของยูเรเนียมในกรณีส่วนใหญ่จะถูกแบ่งออกอย่างไม่สมมาตร ชิ้นส่วนนิวเคลียร์สองชิ้นมีความเร็วและมวลต่างกันตามลำดับ

เศษเล็กเศษน้อยแบ่งออกเป็นสองกลุ่มตามมวลของพวกมัน อันหนึ่งใกล้คริปทอนกับอีกอันใกล้ซีนอนมวลของเศษส่วนมีความสัมพันธ์กันโดยเฉลี่ยเช่น จากกฎการอนุรักษ์พลังงานและโมเมนตัม จะได้ว่าพลังงานจลน์ของชิ้นส่วนนั้นควรแปรผกผันกับมวลของพวกมัน :

กราฟผลผลิตผลิตภัณฑ์ฟิชชันมีความสมมาตรเมื่อเทียบกับเส้นตรงแนวตั้งที่ผ่านจุด ความกว้างที่มีนัยสำคัญของค่าสูงสุดบ่งชี้ถึงความหลากหลายของเส้นทางการแตกตัว

ข้าว. 82. การกระจายมวลของผลิตภัณฑ์ยูเรเนียมฟิชชัน

ลักษณะที่ระบุไว้ส่วนใหญ่หมายถึงการแตกตัวภายใต้การกระทำของนิวตรอนความร้อน ในกรณีของฟิชชันภายใต้การกระทำของนิวตรอนที่มีพลังงานตั้งแต่หลายตัวขึ้นไป นิวเคลียสจะแตกออกเป็นสองส่วนที่มีมวลสมมาตรมากกว่า

คุณสมบัติของผลิตภัณฑ์ฟิชชันในระหว่างการแตกตัวของอะตอมยูเรเนียม อิเล็กตรอนของเปลือกนอกจำนวนมากจะหลุดออกมา และชิ้นส่วนของฟิชชันนั้นจะมีไอออนบวกที่เป็นไอออนบวกประมาณ -พับ ซึ่งเมื่อผ่านสาร จะทำให้อะตอมแตกตัวเป็นไอออนอย่างแรง ดังนั้นเส้นทางของชิ้นส่วนในอากาศจึงมีขนาดเล็กและใกล้ถึง 2 ซม.

มันง่ายที่จะพิสูจน์ว่าชิ้นส่วนที่ก่อตัวขึ้นในระหว่างการแตกตัวต้องเป็นกัมมันตภาพรังสีและมีแนวโน้มที่จะปล่อยนิวตรอน สำหรับนิวเคลียสที่เสถียร อัตราส่วนของจำนวนนิวตรอนและโปรตอนจะแปรผันตาม A ดังนี้

(ดูการสแกน)

นิวเคลียสที่ผลิตโดยฟิชชันจะอยู่ตรงกลางโต๊ะ ดังนั้นจึงมีนิวตรอนมากกว่าที่ยอมรับได้สำหรับความเสถียร พวกมันสามารถหลุดพ้นจากนิวตรอนส่วนเกินได้ทั้งโดยการสลายตัวและโดยการปล่อยนิวตรอนโดยตรง

นิวตรอนล่าช้าโบรมีนกัมมันตภาพรังสีจะก่อตัวขึ้นในรูปแบบต่างๆ ที่เป็นไปได้ ในรูป 83 แสดงแผนภาพการสลายตัว ซึ่งในตอนท้ายเป็นไอโซโทปที่เสถียร

คุณลักษณะที่น่าสนใจของสายโซ่นี้คือสามารถปลดปล่อยคริปทอนจากนิวตรอนส่วนเกินได้ไม่ว่าจะเกิดจากการสลายตัว - หรือหากก่อตัวขึ้นในสถานะตื่นเต้นเนื่องจากการปลดปล่อยนิวตรอนโดยตรง นิวตรอนเหล่านี้จะปรากฏหลังจากฟิชชัน 56 วินาที (อายุการใช้งานสัมพันธ์กับการเปลี่ยนเป็นสถานะตื่นเต้น แม้ว่าตัวมันเองจะปล่อยนิวตรอนเกือบจะในทันที

ข้าว. 83. รูปแบบการสลายตัวของโบรมีนกัมมันตภาพรังสีที่เกิดขึ้นในสภาวะตื่นเต้นในระหว่างการแยกตัวของยูเรเนียม

เรียกว่านิวตรอนล่าช้า เมื่อเวลาผ่านไป ความเข้มของนิวตรอนที่ล่าช้าจะลดลงแบบทวีคูณ เช่นเดียวกับการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีปกติ

พลังงานของนิวตรอนเหล่านี้เท่ากับพลังงานกระตุ้นของนิวเคลียส แม้ว่านิวตรอนจะมีสัดส่วนเพียง 0.75% ของนิวตรอนที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาฟิชชัน แต่นิวตรอนที่ล่าช้าก็มีบทบาทสำคัญในการนำปฏิกิริยาลูกโซ่ไปใช้

แจ้งนิวตรอนนิวตรอนมากกว่า 99% ถูกปลดปล่อยออกมาในเวลาอันสั้น พวกมันถูกเรียกว่านิวตรอนพร้อมท์

เมื่อศึกษากระบวนการฟิชชัน คำถามพื้นฐานเกิดขึ้นว่ามีการผลิตนิวตรอนจำนวนเท่าใดในเหตุการณ์ฟิชชันหนึ่งเหตุการณ์ คำถามนี้มีความสำคัญเพราะถ้าโดยเฉลี่ยแล้วจะมีจำนวนมาก พวกเขาสามารถใช้เพื่อแบ่งนิวเคลียสที่ตามมา นั่นคือ มันเป็นไปได้ที่จะสร้างปฏิกิริยาลูกโซ่ กว่ามติของปัญหานี้ใน พ.ศ. 2482-2483 ทำงานในห้องปฏิบัติการนิวเคลียร์ที่สำคัญเกือบทั้งหมดในโลก

ข้าว. 84. สเปกตรัมพลังงานของนิวตรอนที่ได้จากการแตกตัวของยูเรเนียม-235

การกระจายพลังงานแบบฟิชชันการวัดพลังงานของชิ้นส่วนโดยตรงและพลังงานที่ถูกปล่อยออกไปโดยผลิตภัณฑ์ฟิชชันอื่นๆ ให้ค่าการกระจายพลังงานโดยประมาณดังต่อไปนี้

การศึกษาปฏิสัมพันธ์ของนิวตรอนกับสสารนำไปสู่การค้นพบปฏิกิริยานิวเคลียร์ชนิดใหม่ ในปี 1939 O. Hahn และ F. Strassmann ได้ตรวจสอบผลิตภัณฑ์เคมีที่เกิดจากการทิ้งระเบิดนิวเคลียสของยูเรเนียมด้วยนิวตรอน ในบรรดาผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาพบว่าแบเรียมซึ่งเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่มีมวลน้อยกว่ายูเรเนียมมาก ปัญหาได้รับการแก้ไขโดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน L. Meitneroma และ O. Frisch ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเมื่อนิวตรอนถูกดูดซับโดยยูเรเนียม นิวเคลียสจะถูกแบ่งออกเป็นสองส่วน:

ที่ไหน k > 1.

ในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียสยูเรเนียม นิวตรอนความร้อนที่มีพลังงาน ~ 0.1 eV จะปล่อยพลังงาน ~ 200 MeV จุดสำคัญคือกระบวนการนี้มาพร้อมกับการปรากฏตัวของนิวตรอนที่สามารถทำให้เกิดการแยกตัวของนิวเคลียสยูเรเนียมอื่น ๆ - ปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชัน . ดังนั้น หนึ่งนิวตรอนสามารถก่อให้เกิดสายโซ่ที่แตกแขนงของนิวเคลียร์ฟิชชัน และจำนวนของนิวเคลียสที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาฟิชชันจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ โอกาสในการใช้ปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันได้เปิดออก ในสองทิศทาง:

· ควบคุมปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน- การสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

· ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันที่ไม่สามารถควบคุมได้- การสร้างอาวุธนิวเคลียร์

ในปี 1942 เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกถูกสร้างขึ้นในสหรัฐอเมริกา ในสหภาพโซเวียต เครื่องปฏิกรณ์เครื่องแรกเปิดตัวในปี 1946 ปัจจุบัน พลังงานความร้อนและพลังงานไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หลายร้อยเครื่องที่ทำงานในประเทศต่างๆ ทั่วโลก

ดังจะเห็นได้จากรูปที่ 4.2 ด้วยมูลค่าที่เพิ่มขึ้น แต่พลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะเพิ่มขึ้นถึง แต่» 50. พฤติกรรมนี้สามารถอธิบายได้โดยการเพิ่มกำลัง พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวคลีออนแต่ละตัวจะเพิ่มขึ้น หากไม่ได้ถูกดึงดูดด้วยนิวคลีออนอื่นๆ อีกหลายๆ นิวคลีออน อย่างไรก็ตาม ในองค์ประกอบที่มีค่าเลขมวลมากกว่า แต่» 50 พลังงานยึดเหนี่ยวจะค่อยๆ ลดลงเมื่อเพิ่มขึ้น แต่.นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าแรงดึงดูดของนิวเคลียร์เป็นช่วงสั้นของลำดับขนาดของนิวคลีออนแต่ละตัว นอกรัศมีนี้ แรงผลักของไฟฟ้าสถิตมีอิทธิพลเหนือกว่า หากโปรตอนสองตัวถูกกำจัดออกไปมากกว่า 2.5 × 10 - 15 ม. แรงผลักคูลอมบ์จะมีผลเหนือกว่าระหว่างพวกมัน ไม่ใช่แรงดึงดูดของนิวเคลียร์

ผลที่ตามมาของพฤติกรรมนี้ของพลังงานจับจำเพาะขึ้นอยู่กับ แต่คือการมีอยู่ของสองกระบวนการ - ฟิวชั่นและฟิชชันของนิวเคลียส . พิจารณาปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนและโปรตอน เมื่ออะตอมไฮโดรเจนก่อตัวขึ้น พลังงาน 13.6 eV จะถูกปล่อยออกมา และมวลของอะตอมไฮโดรเจนจะกลายเป็น 13.6 eV น้อยกว่าผลรวมของมวลของอิเล็กตรอนอิสระและโปรตอน ในทำนองเดียวกัน มวลของนิวเคลียสแสงสองนิวเคลียสจะมีมวลเกินกว่ามวลหลังจากเชื่อมต่อที่ D เอ็ม. หากเชื่อมต่อจะผสานกับการปล่อยพลังงานD นางสาว 2. กระบวนการนี้เรียกว่า การสังเคราะห์นิวเคลียร์ . ความแตกต่างของมวลสามารถเกิน 0.5%

หากนิวเคลียสหนักแยกออกเป็นสองนิวเคลียสที่เบากว่า มวลของพวกมันจะน้อยกว่ามวลของนิวเคลียสต้นกำเนิด 0.1% นิวเคลียสหนักมีแนวโน้มที่จะ แผนกเป็นนิวเคลียสที่เบากว่าสองตัวพร้อมการปลดปล่อยพลังงาน. พลังงานของระเบิดปรมาณูและเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์คือพลังงาน , ปล่อยออกมาในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียร์ . พลังงานระเบิด H คือพลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างนิวเคลียร์ฟิวชัน การสลายตัวของอัลฟ่าสามารถมองได้ว่าเป็นฟิชชันที่ไม่สมมาตรสูงซึ่งนิวเคลียสของผู้ปกครอง เอ็มแยกออกเป็นอนุภาคแอลฟาขนาดเล็กและนิวเคลียสตกค้างขนาดใหญ่ การสลายตัวของอัลฟ่าเป็นไปได้ก็ต่อเมื่อปฏิกิริยา

น้ำหนัก เอ็มปรากฎว่ามากกว่าผลรวมของมวลและอนุภาคแอลฟา นิวเคลียสทั้งหมดที่มี Z> 82 (ตะกั่ว) Z> 92 (ยูเรเนียม) การสลายตัวของอัลฟาครึ่งชีวิตนั้นยาวนานกว่าอายุของโลกมาก และองค์ประกอบดังกล่าวไม่ได้เกิดขึ้นในธรรมชาติ อย่างไรก็ตามสามารถสร้างขึ้นเทียมได้ ตัวอย่างเช่น พลูโทเนียม ( Z= 94) สามารถหาได้จากยูเรเนียมในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ขั้นตอนนี้กลายเป็นเรื่องธรรมดาและมีราคาเพียง 15 ดอลลาร์ต่อ 1 กรัม จนถึงขณะนี้ สามารถรับองค์ประกอบได้มากถึง Z= 118 แต่ในราคาที่สูงกว่ามากและตามกฎแล้วในปริมาณเล็กน้อย หวังว่านักกัมมันตภาพรังสีจะได้เรียนรู้วิธีได้มาซึ่งธาตุใหม่ในปริมาณน้อยด้วย Z> 118.

ถ้านิวเคลียสของยูเรเนียมขนาดใหญ่สามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่มของนิวคลีออน จากนั้นนิวคลีออนกลุ่มเหล่านี้จะจัดเรียงใหม่เป็นนิวเคลียสด้วยพันธะที่แข็งแรงกว่า ในกระบวนการปรับโครงสร้างใหม่ พลังงานจะถูกปล่อยออกมา ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันที่เกิดขึ้นเองนั้นได้รับอนุญาตโดยกฎการอนุรักษ์พลังงาน อย่างไรก็ตาม อุปสรรคที่อาจเกิดขึ้นในปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียสที่เกิดขึ้นตามธรรมชาตินั้นสูงมากจนความน่าจะเป็นของการเกิดฟิชชันที่เกิดขึ้นเองนั้นน้อยกว่าความน่าจะเป็นของการสลายตัวของอัลฟามาก ค่าครึ่งชีวิตของนิวเคลียส 238 U เทียบกับฟิชชันที่เกิดขึ้นเองคือ 8×10 15 ปี ซึ่งมีอายุมากกว่าโลกกว่าล้านเท่า หากนิวตรอนชนกับนิวเคลียสหนัก ก็สามารถไปถึงระดับพลังงานที่สูงขึ้นได้ใกล้กับด้านบนของสิ่งกีดขวางศักย์ไฟฟ้าสถิต ส่งผลให้ความน่าจะเป็นของฟิชชันเพิ่มขึ้น นิวเคลียสในสถานะตื่นเต้นสามารถมีโมเมนตัมเชิงมุมที่มีนัยสำคัญและได้รูปวงรี บริเวณรอบนอกของนิวเคลียสเจาะทะลุสิ่งกีดขวางได้ง่ายกว่า เนื่องจากบางส่วนอยู่หลังแนวกั้น ในนิวเคลียสที่มีรูปร่างเป็นวงรี บทบาทของสิ่งกีดขวางจะอ่อนแอลงยิ่งกว่าเดิม เมื่อนิวเคลียสหรือนิวตรอนช้าถูกจับ รัฐจะก่อตัวขึ้นด้วยอายุขัยที่สั้นมากเมื่อเทียบกับฟิชชัน ความแตกต่างระหว่างมวลของนิวเคลียสของยูเรเนียมและผลิตภัณฑ์จากฟิชชันทั่วไปนั้น โดยเฉลี่ยแล้ว พลังงาน 200 MeV จะถูกปลดปล่อยออกมาในระหว่างการแตกตัวของยูเรเนียม มวลที่เหลือของนิวเคลียสยูเรเนียมคือ 2.2×10 5 MeV ประมาณ 0.1% ของมวลนี้จะถูกแปลงเป็นพลังงาน ซึ่งเท่ากับอัตราส่วน 200 MeV ต่อ 2.2 × 10 5 MeV

คะแนนพลังงาน,ปล่อยระหว่างดิวิชั่น,สามารถหาได้จาก สูตรไวซ์แซคเกอร์ :

เมื่อนิวเคลียสแบ่งออกเป็นสองส่วน พลังงานพื้นผิวและพลังงานคูลอมบ์จะเปลี่ยนไป โดยมีพลังงานพื้นผิวเพิ่มขึ้นและพลังงานคูลอมบ์ลดลง ฟิชชันเป็นไปได้เมื่อพลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างฟิชชันคือ อี > 0.

.

ที่นี่ อา 1 = อา/2, Z 1 = Z/2. จากนี้เราได้รับว่าฟิชชันเป็นที่ชื่นชอบอย่างมากเมื่อ Z 2 /อา> 17. ความคุ้มค่า Z 2 /อาเรียกว่า พารามิเตอร์การหาร . พลังงาน อี, ปล่อยระหว่างหาร, เพิ่มขึ้นตามเพิ่มขึ้น Z 2 /อา.

ในกระบวนการฟิชชัน นิวเคลียสจะเปลี่ยนรูปร่าง - มันผ่านขั้นตอนต่อไปนี้ตามลำดับ (รูปที่ 9.4): ลูกบอล, ทรงรี, ดัมเบล, ชิ้นส่วนรูปลูกแพร์สองชิ้น, ชิ้นส่วนทรงกลมสองชิ้น

หลังจากการแตกตัวเกิดขึ้น และชิ้นส่วนต่างๆ ถูกแยกออกจากกันในระยะห่างที่มากกว่ารัศมีของพวกมันมาก พลังงานศักย์ของชิ้นส่วนซึ่งกำหนดโดยปฏิกิริยาของคูลอมบ์ระหว่างพวกมัน จะถือว่ามีค่าเท่ากับศูนย์

เนื่องจากวิวัฒนาการของรูปร่างของนิวเคลียส การเปลี่ยนแปลงของพลังงานศักย์ของมันถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนแปลงของผลรวมของพื้นผิวและพลังงานคูลอมบ์ . สันนิษฐานว่าปริมาตรแกนยังคงไม่เปลี่ยนแปลงในระหว่างการเปลี่ยนรูป ในกรณีนี้พลังงานพื้นผิวจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากพื้นที่ผิวของนิวเคลียสเพิ่มขึ้น พลังงานคูลอมบ์ลดลงเมื่อระยะห่างเฉลี่ยระหว่างนิวคลีออนเพิ่มขึ้น ในกรณีของการเปลี่ยนรูปวงรีขนาดเล็ก การเพิ่มขึ้นของพลังงานพื้นผิวจะเกิดขึ้นเร็วกว่าการลดลงของพลังงานคูลอมบ์

ในบริเวณที่มีนิวเคลียสหนัก ผลรวมของพื้นผิวและพลังงานคูลอมบ์จะเพิ่มขึ้นตามความเครียด ที่การเปลี่ยนรูปวงรีขนาดเล็ก การเพิ่มขึ้นของพลังงานพื้นผิวจะป้องกันการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของนิวเคลียสเพิ่มเติม และด้วยเหตุนี้จึงเกิดการแยกตัว การมีอยู่ของสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นช่วยป้องกันการแตกตัวของนิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นเองในทันที เพื่อให้นิวเคลียสแตกตัวในทันที จะต้องได้รับพลังงานเกินความสูงของกำแพงฟิชชัน ชม.

ความสูงของอุปสรรค ชมยิ่งอัตราส่วนของคูลอมบ์และพลังงานพื้นผิวในนิวเคลียสเริ่มต้นมีขนาดเล็กลง ในทางกลับกัน อัตราส่วนนี้จะเพิ่มขึ้นตามพารามิเตอร์การหารที่เพิ่มขึ้น Z 2 /แต่.แกนที่หนักกว่าความสูงของสิ่งกีดขวางก็จะยิ่งต่ำลง ชมเนื่องจากพารามิเตอร์การหารเพิ่มขึ้นตามจำนวนมวลที่เพิ่มขึ้น:

โดยทั่วไปแล้วนิวเคลียสที่หนักกว่าจะต้องได้รับพลังงานน้อยกว่าเพื่อทำให้เกิดการแยกตัว จากสูตร Weizsäcker ที่ความสูงของอุปสรรคฟิชชันหายไปที่ เหล่านั้น. ตามแบบจำลองการตก ไม่ควรมีนิวเคลียสในธรรมชาติ เนื่องจากนิวเคลียสจะแตกตัวทันทีแทบจะในทันที การมีอยู่ของนิวเคลียสของอะตอมด้วย (" เกาะแห่งความมั่นคง ”) อธิบายโดยโครงสร้างเปลือกของนิวเคลียสของอะตอม ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันที่เกิดขึ้นเองกับ ซึ่งความสูงของสิ่งกีดขวาง ชมไม่เท่ากับศูนย์จากมุมมองของฟิสิกส์คลาสสิกมันเป็นไปไม่ได้ จากมุมมองของกลศาสตร์ควอนตัม การแยกตัวดังกล่าวเกิดขึ้นได้จากการเคลื่อนผ่านของชิ้นส่วนผ่านสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น และเรียกว่า ฟิชชันที่เกิดขึ้นเอง . ความน่าจะเป็นของการเกิดฟิชชันที่เกิดขึ้นเองจะเพิ่มขึ้นตามพารามิเตอร์ฟิชชันที่เพิ่มขึ้น กล่าวคือ ด้วยความสูงของอุปสรรคฟิชชันลดลง

นิวเคลียร์ฟิชชัน อาจเกิดจากอนุภาคใดๆ: โฟตอน นิวตรอน โปรตอน ดิวเทอรอน อนุภาค α ฯลฯ หากพลังงานที่ส่งไปยังนิวเคลียสเพียงพอที่จะเอาชนะสิ่งกีดขวางฟิชชัน

มวลของชิ้นส่วนที่เกิดขึ้นจากการแตกตัวของนิวตรอนความร้อนไม่เท่ากัน นิวเคลียสมีแนวโน้มที่จะแตกออกในลักษณะที่ส่วนหลักของนิวคลีออนของชิ้นส่วนประกอบเป็นแกนเวทย์มนตร์ที่มั่นคง ในรูป 9.5 แสดงการกระจายมวลระหว่างการหาร ผลรวมของเลขมวลที่เป็นไปได้มากที่สุดคือ 95 และ 139

อัตราส่วนของจำนวนนิวตรอนต่อจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสคือ 1.55 ในขณะที่องค์ประกอบที่เสถียรซึ่งมีมวลใกล้กับมวลของเศษฟิชชัน อัตราส่วนนี้คือ 1.25 - 1.45 ดังนั้น ชิ้นส่วนฟิชชันจึงมีนิวตรอนมากเกินไปและไม่เสถียรต่อการสลายตัวของ β - พวกมันมีกัมมันตภาพรังสี

อันเป็นผลมาจากฟิชชัน พลังงาน ~ 200 MeV ถูกปล่อยออกมา ประมาณ 80% ของมันถูกคิดโดยพลังงานชิ้นส่วน ในหนึ่งการกระทำของฟิชชัน มากกว่าสอง นิวตรอนฟิชชัน ด้วยพลังงานเฉลี่ยประมาณ 2 MeV

สารใด ๆ 1 กรัมประกอบด้วย . การแยกตัวของยูเรเนียม 1 กรัมมาพร้อมกับการปล่อย ~ 9×10 10 J ซึ่งมากกว่าพลังงานการเผาไหม้ถ่านหิน 1 กรัมเกือบ 3 ล้านเท่า (2.9×10 4 J) แน่นอนว่ายูเรเนียม 1 กรัมมีราคามากกว่าถ่านหิน 1 กรัมมาก แต่ต้นทุนพลังงาน 1 จูลที่ได้จากการเผาไหม้ถ่านหินนั้นสูงกว่าเชื้อเพลิงยูเรเนียมถึง 400 เท่า การผลิตพลังงาน 1 kWh มีค่าใช้จ่าย 1.7 เซนต์ที่โรงไฟฟ้าถ่านหินและ 1.05 เซนต์ที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์

ขอบคุณ ปฏิกิริยาลูกโซ่กระบวนการนิวเคลียร์ฟิชชันสามารถทำได้ พึ่งตนเองได้ . ในแต่ละฟิชชัน จะมีการปล่อยนิวตรอน 2 หรือ 3 นิวตรอน (รูปที่ 9.6) หากนิวตรอนตัวใดตัวหนึ่งสามารถทำให้เกิดการแตกตัวของนิวเคลียสยูเรเนียมอื่นได้ กระบวนการก็จะคงอยู่ได้ด้วยตัวเอง

ชุดของวัสดุฟิชไซล์ที่ตรงตามข้อกำหนดนี้เรียกว่า การชุมนุมที่สำคัญ . การชุมนุมครั้งแรกเรียกว่า เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ สร้างขึ้นในปี 1942 ภายใต้การดูแลของ Enrico Fermi ในวิทยาเขตของมหาวิทยาลัยชิคาโก เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกเปิดตัวในปี 1946 ภายใต้การนำของ I. Kurchatov ในมอสโก โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แห่งแรกที่มีกำลังการผลิต 5 เมกะวัตต์เปิดตัวในสหภาพโซเวียตในปี 2497 ในเมืองออบนินสค์ (รูปที่ 9.7)

มวลและคุณยังสามารถทำ วิกฤตยิ่งยวด . ในกรณีนี้ นิวตรอนที่เกิดระหว่างฟิชชันจะทำให้เกิดฟิชชันทุติยภูมิหลายครั้ง เนื่องจากนิวตรอนเดินทางด้วยความเร็วเกิน 10 8 ซม./วินาที การประกอบวิกฤตยิ่งยวดจึงสามารถตอบสนอง (หรือแยกออกจากกัน) ได้เต็มที่ในเวลาน้อยกว่าหนึ่งในพันของวินาที อุปกรณ์ดังกล่าวเรียกว่า ระเบิดปรมาณู . ประจุนิวเคลียร์ที่ทำจากพลูโทเนียมหรือยูเรเนียมจะถูกถ่ายโอนไปยังสภาวะวิกฤตยิ่งยวด โดยปกติโดยการระเบิด มวลกึ่งวิกฤตล้อมรอบด้วยวัตถุระเบิดเคมี ในระหว่างการระเบิด มวลพลูโทเนียมหรือยูเรเนียมจะถูกบีบอัดในทันที เนื่องจากความหนาแน่นของทรงกลมในกรณีนี้เพิ่มขึ้นอย่างมาก อัตราการดูดซึมนิวตรอนจึงสูงกว่าอัตราการสูญเสียนิวตรอนอันเนื่องมาจากการปล่อยออกสู่ภายนอก นี่คือสภาวะวิกฤตยิ่งยวด

ในรูป 9.8 แสดงไดอะแกรมของระเบิดปรมาณู "Kid" ที่ทิ้งบนฮิโรชิมา ทำหน้าที่เป็นระเบิดปรมาณูในลูกระเบิด แบ่งเป็น 2 ส่วน ซึ่งมวลน้อยกว่าวิกฤต มวลวิกฤตที่จำเป็นสำหรับการระเบิดเกิดขึ้นจากการเชื่อมต่อทั้งสองส่วนโดยใช้ "วิธีปืนใหญ่" โดยใช้วัตถุระเบิดทั่วไป

การระเบิดไตรไนโตรโทลูอีน (TNT) 1 ตันปล่อยพลังงาน 10 9 แคล หรือ 4×10 9 เจ การระเบิดของระเบิดปรมาณูที่ใช้พลูโทเนียม 1 กิโลกรัมจะปล่อยพลังงานประมาณ 8×10 13 จูล

หรือมากกว่าการระเบิดทีเอ็นที 1 ตันเกือบ 20,000 เท่า ระเบิดดังกล่าวเรียกว่าระเบิดขนาด 20 กิโลตัน ระเบิดเมกะตันในปัจจุบันมีพลังมากกว่าระเบิดทีเอ็นทีทั่วไปหลายล้านเท่า

การผลิตพลูโทเนียมขึ้นอยู่กับการฉายรังสีของ 238 U กับนิวตรอน ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของไอโซโทป 239 U ซึ่งเป็นผลมาจากการสลายตัวของเบตา กลายเป็น 239 Np และหลังจากการสลายตัวของเบตาอีกครั้งเป็น 239 Pu เมื่อดูดซับนิวตรอนพลังงานต่ำ ทั้งไอโซโทป 235 U และ 239 Pu จะเกิดการแตกตัว ผลิตภัณฑ์จากฟิชชันมีลักษณะเฉพาะด้วยการยึดเกาะที่แข็งแรงกว่า (~ 1 MeV ต่อนิวคลีออน) เนื่องจากมีการปล่อยพลังงานประมาณ 200 MeV อันเป็นผลมาจากการแยกตัว

พลูโทเนียมหรือยูเรเนียมที่ใช้แล้วแต่ละกรัมทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ฟิชชันกัมมันตภาพรังสีเกือบหนึ่งกรัมซึ่งมีกัมมันตภาพรังสีมหาศาล

หากต้องการดูการสาธิต ให้คลิกที่ไฮเปอร์ลิงก์ที่เหมาะสม:

กระบวนการนี้ถูกค้นพบและอธิบายอย่างไร มีการเปิดเผยการใช้เป็นแหล่งพลังงานและอาวุธนิวเคลียร์

อะตอม "แบ่งแยกไม่ได้"

ศตวรรษที่ยี่สิบเอ็ดเต็มไปด้วยสำนวนเช่น "พลังงานของอะตอม", "เทคโนโลยีนิวเคลียร์", "ขยะกัมมันตภาพรังสี" ในหัวข่าวของหนังสือพิมพ์เป็นระยะๆ มักมีข้อความแฟลชเกี่ยวกับความเป็นไปได้ของการปนเปื้อนกัมมันตภาพรังสีในดิน มหาสมุทร น้ำแข็งของทวีปแอนตาร์กติกา อย่างไรก็ตาม คนธรรมดามักไม่มีความคิดที่ดีว่าวิทยาศาสตร์สาขานี้คืออะไร และมีประโยชน์อย่างไรในชีวิตประจำวัน มันอาจจะคุ้มค่าที่จะเริ่มต้นด้วยประวัติศาสตร์ จากคำถามแรกที่ถามโดยคนที่แต่งตัวดีและแต่งตัวดี เขาสนใจว่าโลกนี้ทำงานอย่างไร ตามองเห็นอย่างไร หูได้ยินอย่างไร น้ำต่างจากหินอย่างไร - นี่คือสิ่งที่ทำให้นักปราชญ์กังวลจากกาลเวลา แม้แต่ในอินเดียและกรีกโบราณ ความอยากรู้อยากเห็นบางคนบอกว่ามีอนุภาคน้อยที่สุด (เรียกอีกอย่างว่า "แบ่งไม่ได้") ที่มีคุณสมบัติของวัสดุ นักเคมีในยุคกลางยืนยันการคาดเดาของปราชญ์ และคำจำกัดความสมัยใหม่ของอะตอมมีดังนี้: อะตอมเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดของสารที่เป็นผู้ถือคุณสมบัติของมัน

ชิ้นส่วนของอะตอม

อย่างไรก็ตาม การพัฒนาเทคโนโลยี (โดยเฉพาะการถ่ายภาพ) ได้นำไปสู่ความจริงที่ว่าอะตอมไม่ถือว่าเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดของสสารอีกต่อไป และถึงแม้ว่าอะตอมเดี่ยวจะเป็นกลางทางไฟฟ้า แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ตระหนักได้อย่างรวดเร็วว่าประกอบด้วยสองส่วนที่มีประจุต่างกัน จำนวนของชิ้นส่วนที่มีประจุบวกจะชดเชยจำนวนของชิ้นส่วนที่เป็นลบ ดังนั้นอะตอมจึงยังคงเป็นกลาง แต่ไม่มีแบบจำลองอะตอมที่ชัดเจน เนื่องจากฟิสิกส์คลาสสิกยังคงครอบงำอยู่ในเวลานั้น จึงมีการตั้งสมมติฐานต่างๆ

แบบจำลองอะตอม

ตอนแรกเสนอแบบจำลอง "ขนมปังลูกเกด" ประจุบวกจะเต็มไปทั่วทั้งพื้นที่ของอะตอม และประจุลบก็กระจายไปในนั้น เหมือนกับลูกเกดในขนมปัง สิ่งที่มีชื่อเสียงกำหนดสิ่งต่อไปนี้: ในใจกลางของอะตอมมีองค์ประกอบหนักมากที่มีประจุบวก (นิวเคลียส) และมีอิเล็กตรอนที่เบากว่ามาก มวลของนิวเคลียสหนักกว่าผลรวมของอิเล็กตรอนทั้งหมดหลายร้อยเท่า (คิดเป็น 99.9 เปอร์เซ็นต์ของมวลของอะตอมทั้งหมด) ดังนั้นแบบจำลองอะตอมของดาวเคราะห์ของบอร์จึงถือกำเนิดขึ้น อย่างไรก็ตาม องค์ประกอบบางอย่างขัดแย้งกับฟิสิกส์คลาสสิกที่ยอมรับในตอนนั้น ดังนั้นจึงมีการพัฒนากลศาสตร์ควอนตัมขึ้นใหม่ ด้วยรูปลักษณ์ของมัน ช่วงเวลาวิทยาศาสตร์ที่ไม่ใช่แบบคลาสสิกจึงเริ่มต้นขึ้น

อะตอมและกัมมันตภาพรังสี

จากทั้งหมดที่กล่าวมา จะเห็นได้ชัดว่านิวเคลียสเป็นส่วนที่หนักและมีประจุบวกของอะตอม ซึ่งประกอบกันเป็นกลุ่ม เมื่อมีการศึกษาตำแหน่งของอิเล็กตรอนในวงโคจรของอะตอมดีแล้ว ก็ถึงเวลาทำความเข้าใจธรรมชาติของนิวเคลียสของอะตอม กัมมันตภาพรังสีที่แยบยลและค้นพบโดยไม่คาดคิดได้รับการช่วยเหลือ ช่วยในการเปิดเผยแก่นแท้ของส่วนกลางหนักของอะตอม เนื่องจากแหล่งที่มาของกัมมันตภาพรังสีคือการแตกตัวของนิวเคลียร์ ในช่วงเปลี่ยนศตวรรษที่สิบเก้าและยี่สิบ การค้นพบต่างๆ ตกลงมาทีละนิด การแก้ปัญหาทางทฤษฎีของปัญหาหนึ่งจำเป็นต้องมีการทดลองใหม่ ผลการทดลองทำให้เกิดทฤษฎีและสมมติฐานที่ต้องได้รับการยืนยันหรือหักล้าง บ่อยครั้งที่การค้นพบที่ยิ่งใหญ่ที่สุดเกิดขึ้นเพียงเพราะนั่นคือวิธีที่สูตรคำนวณได้ง่าย (เช่น ควอนตัมของ Max Planck) แม้ในช่วงเริ่มต้นของยุคการถ่ายภาพ นักวิทยาศาสตร์ทราบดีว่าเกลือยูเรเนียมทำให้ฟิล์มไวต่อแสงสว่างขึ้น แต่พวกเขาไม่ได้สงสัยว่าการแตกตัวของนิวเคลียร์เป็นพื้นฐานของปรากฏการณ์นี้ จึงมีการศึกษากัมมันตภาพรังสีเพื่อให้เข้าใจธรรมชาติของการสลายตัวของนิวเคลียส เห็นได้ชัดว่าการแผ่รังสีเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของควอนตัม แต่ก็ยังไม่ชัดเจนนัก Curies ขุดแร่เรเดียมและพอโลเนียมบริสุทธิ์ซึ่งทำงานเกือบด้วยมือในแร่ยูเรเนียมเพื่อตอบคำถามนี้

ค่ารังสี

รัทเทอร์ฟอร์ดได้ศึกษาโครงสร้างของอะตอมและมีส่วนสนับสนุนในการศึกษาว่าการแตกตัวของนิวเคลียสของอะตอมเกิดขึ้นได้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์วางรังสีที่ปล่อยออกมาจากธาตุกัมมันตภาพรังสีในสนามแม่เหล็กและได้ผลลัพธ์ที่น่าอัศจรรย์ ปรากฎว่ารังสีประกอบด้วยสามองค์ประกอบ: หนึ่งเป็นกลางและอีกสองมีประจุบวกและลบ การศึกษาการแยกตัวของนิวเคลียร์เริ่มต้นด้วยการกำหนดส่วนประกอบ ได้รับการพิสูจน์แล้วว่านิวเคลียสสามารถแบ่งตัวออกจากประจุบวกได้

โครงสร้างของนิวเคลียส

ต่อมาปรากฎว่านิวเคลียสของอะตอมไม่เพียงประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนที่มีประจุบวกเท่านั้น แต่ยังรวมถึงอนุภาคนิวตรอนที่เป็นกลางด้วย พวกมันรวมกันเรียกว่านิวเคลียส (จาก "นิวเคลียส" ในภาษาอังกฤษคือนิวเคลียส) อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์พบปัญหาอีกครั้ง: มวลของนิวเคลียส (นั่นคือจำนวนของนิวคลีออน) ไม่สอดคล้องกับประจุของมันเสมอไป ในไฮโดรเจน นิวเคลียสมีประจุ +1 และมวลสามารถเป็นสาม สอง และหนึ่ง ฮีเลียมถัดไปในตารางธาตุมีประจุนิวเคลียร์ที่ +2 ในขณะที่นิวเคลียสของมันมีนิวคลีออนตั้งแต่ 4 ถึง 6 นิวเคลียส องค์ประกอบที่ซับซ้อนมากขึ้นสามารถมีมวลที่แตกต่างกันมากขึ้นสำหรับประจุเดียวกัน การแปรผันของอะตอมดังกล่าวเรียกว่าไอโซโทป ยิ่งกว่านั้นไอโซโทปบางตัวกลับกลายเป็นว่าค่อนข้างเสถียรในขณะที่ไอโซโทปบางชนิดสลายตัวอย่างรวดเร็วเนื่องจากมีลักษณะเฉพาะจากการแตกตัวของนิวเคลียร์ หลักการใดที่สอดคล้องกับจำนวนนิวคลีออนของความเสถียรของนิวเคลียส เหตุใดการเพิ่มนิวตรอนเพียง 1 นิวเคลียสในนิวเคลียสที่หนักและค่อนข้างคงที่จึงนำไปสู่การแตกตัวของกัมมันตภาพรังสี น่าแปลกที่ยังไม่พบคำตอบสำหรับคำถามสำคัญนี้ จากการทดลองพบว่าการกำหนดค่าที่เสถียรของนิวเคลียสอะตอมสอดคล้องกับโปรตอนและนิวตรอนจำนวนหนึ่ง หากมีนิวตรอนและ/หรือโปรตอนจำนวน 2, 4, 8, 50 ตัวในนิวเคลียส นิวเคลียสจะเสถียรแน่นอน ตัวเลขเหล่านี้เรียกว่าเวทย์มนตร์ (และนักวิทยาศาสตร์ผู้ใหญ่ นักฟิสิกส์นิวเคลียร์เรียกพวกมันว่า) ดังนั้นการแตกตัวของนิวเคลียสจึงขึ้นอยู่กับมวลของพวกมันนั่นคือจำนวนของนิวคลีออนที่รวมอยู่ในนั้น

ดรอป เชลล์ คริสตัล

ยังไม่สามารถระบุปัจจัยที่รับผิดชอบต่อความเสถียรของแกนกลางได้ โมเดลมีหลายทฤษฎี สามทฤษฎีที่มีชื่อเสียงและพัฒนาแล้วมักขัดแย้งกันในประเด็นต่างๆ ตามข้อแรก นิวเคลียสคือหยดของของเหลวนิวเคลียร์ชนิดพิเศษ เช่นเดียวกับน้ำ มันมีลักษณะความลื่นไหล แรงตึงผิว การรวมตัวและการเสื่อมสลาย ในแบบจำลองเปลือกนอก ยังมีระดับพลังงานบางอย่างในนิวเคลียสซึ่งเต็มไปด้วยนิวคลีออน ข้อที่สามยืนยันว่านิวเคลียสเป็นสื่อที่มีความสามารถในการหักเหของคลื่นพิเศษ (de Broglie) ในขณะที่ดัชนีการหักเหของแสงเป็น อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีแบบจำลองเดียวที่สามารถอธิบายได้ว่าทำไม ณ มวลวิกฤตที่แน่นอนของสิ่งนี้โดยเฉพาะ องค์ประกอบทางเคมี การแยกตัวของนิวเคลียสเริ่มต้นขึ้น

ความเสื่อมคืออะไร

กัมมันตภาพรังสีดังที่ได้กล่าวมาแล้วในสารที่สามารถพบได้ในธรรมชาติ ได้แก่ ยูเรเนียม พอโลเนียม เรเดียม ตัวอย่างเช่น ยูเรเนียมบริสุทธิ์ที่ขุดขึ้นมาใหม่มีกัมมันตภาพรังสี กระบวนการแยกในกรณีนี้จะเกิดขึ้นเอง หากไม่มีอิทธิพลจากภายนอก อะตอมของยูเรเนียมจำนวนหนึ่งจะปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมา และเปลี่ยนเป็นทอเรียมโดยธรรมชาติ มีตัวบ่งชี้ที่เรียกว่าครึ่งชีวิต มันแสดงให้เห็นว่าช่วงเวลาใดจากจำนวนเริ่มต้นของส่วนประมาณครึ่งหนึ่งจะยังคงอยู่ ธาตุกัมมันตรังสีแต่ละชนิดมีครึ่งชีวิตของมันเอง ตั้งแต่เศษเสี้ยววินาทีในแคลิฟอร์เนียไปจนถึงหลายร้อยหลายพันปีสำหรับยูเรเนียมและซีเซียม แต่ยังมีการบังคับกัมมันตภาพรังสี หากนิวเคลียสของอะตอมถูกทิ้งระเบิดด้วยโปรตอนหรืออนุภาคแอลฟา (นิวเคลียสฮีเลียม) ด้วยพลังงานจลน์สูง พวกมันสามารถ "แยก" ได้ แน่นอนว่ากลไกของการเปลี่ยนแปลงนั้นแตกต่างไปจากแจกันใบโปรดของแม่ที่แตกหัก อย่างไรก็ตาม มีการเปรียบเทียบบางอย่าง

พลังงานปรมาณู

จนถึงตอนนี้ เรายังไม่ได้ตอบคำถามในทางปฏิบัติ: พลังงานมาจากไหนในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียร์ ในการเริ่มต้นจะต้องชี้แจงว่าในระหว่างการก่อตัวของนิวเคลียสนั้นกองกำลังนิวเคลียร์พิเศษกระทำการซึ่งเรียกว่าปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง เนื่องจากนิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนเชิงบวกจำนวนมาก คำถามยังคงอยู่ว่าพวกมันเกาะติดกันอย่างไร เพราะแรงไฟฟ้าสถิตจะต้องผลักพวกมันออกจากกันค่อนข้างแรง คำตอบนั้นเรียบง่ายและไม่ใช่ในเวลาเดียวกัน: นิวเคลียสถูกยึดเข้าด้วยกันโดยการแลกเปลี่ยนอย่างรวดเร็วระหว่างนิวคลีออนของอนุภาคพิเศษ - pi-mesons การเชื่อมต่อนี้สั้นอย่างไม่น่าเชื่อ ทันทีที่การแลกเปลี่ยน pi-mesons หยุดลง นิวเคลียสก็จะสลายตัว เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่ามวลของนิวเคลียสมีค่าน้อยกว่าผลรวมของนิวคลีออนที่เป็นส่วนประกอบทั้งหมด ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าความบกพร่องของมวล อันที่จริง มวลที่หายไปคือพลังงานที่ใช้เพื่อรักษาความสมบูรณ์ของนิวเคลียส ทันทีที่บางส่วนแยกออกจากนิวเคลียสของอะตอม พลังงานนี้จะถูกปล่อยออกมาและเปลี่ยนเป็นความร้อนในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ นั่นคือพลังงานของนิวเคลียร์ฟิชชันเป็นการสาธิตที่ชัดเจนของสูตรที่มีชื่อเสียงของไอน์สไตน์ จำได้ว่าสูตรบอกว่า: พลังงานและมวลสามารถเปลี่ยนเป็นกันและกันได้ (E=mc 2)

ทฤษฎีและการปฏิบัติ

ตอนนี้เราจะบอกคุณว่าการค้นพบตามทฤษฎีนี้ใช้ในชีวิตเพื่อผลิตไฟฟ้าเป็นกิกะวัตต์ได้อย่างไร ประการแรก ควรสังเกตว่าปฏิกิริยาควบคุมนั้นใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน ส่วนใหญ่มักเป็นยูเรเนียมหรือพอโลเนียมซึ่งถูกโจมตีด้วยนิวตรอนเร็ว ประการที่สอง เป็นไปไม่ได้ที่จะไม่เข้าใจว่าการแยกตัวของนิวเคลียร์มาพร้อมกับการสร้างนิวตรอนใหม่ ส่งผลให้จำนวนนิวตรอนในเขตปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว นิวตรอนแต่ละนิวตรอนชนกับนิวเคลียสใหม่ที่ยังไม่บุบสลาย แตกตัวออก ซึ่งนำไปสู่การปล่อยความร้อนเพิ่มขึ้น นี่คือปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ฟิชชัน การเพิ่มจำนวนนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์อย่างควบคุมไม่ได้อาจทำให้เกิดการระเบิดได้ นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นในปี 1986 ที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์เชอร์โนบิล ดังนั้นในเขตปฏิกิริยาจึงมีสารที่ดูดซับนิวตรอนส่วนเกินอยู่เสมอเพื่อป้องกันภัยพิบัติ เป็นกราไฟท์เป็นแท่งยาว อัตราการแตกตัวของนิวเคลียสสามารถชะลอลงได้โดยการจุ่มแท่งเข้าไปในเขตปฏิกิริยา สมการนี้ถูกวาดขึ้นโดยเฉพาะสำหรับสารกัมมันตภาพรังสีแต่ละชนิดและอนุภาคที่ทิ้งระเบิด (อิเล็กตรอน โปรตอน อนุภาคแอลฟา) อย่างไรก็ตาม พลังงานที่ส่งออกสุดท้ายคำนวณตามกฎการอนุรักษ์: E1+E2=E3+E4 นั่นคือพลังงานทั้งหมดของนิวเคลียสและอนุภาคดั้งเดิม (E1 + E2) จะต้องเท่ากับพลังงานของนิวเคลียสที่เป็นผลลัพธ์และพลังงานที่ปล่อยออกมาในรูปแบบอิสระ (E3 + E4) สมการปฏิกิริยานิวเคลียร์ยังแสดงให้เห็นว่าได้สารชนิดใดจากการสลายตัว ตัวอย่างเช่น สำหรับยูเรเนียม U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg ไม่ได้ให้ไอโซโทปขององค์ประกอบทางเคมีที่นี่ แต่นี่เป็นสิ่งสำคัญ ตัวอย่างเช่น มีความเป็นไปได้สูงสุดสามประการสำหรับการแยกตัวของยูเรเนียม ซึ่งไอโซโทปของตะกั่วและนีออนจะก่อตัวต่างกัน ในกรณีเกือบร้อยเปอร์เซ็นต์ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันจะผลิตไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี นั่นคือการสลายตัวของยูเรเนียมทำให้เกิดทอเรียมกัมมันตภาพรังสี ทอเรียมสามารถสลายตัวเป็นโพรแทกทิเนียม ไปจนถึงแอกทิเนียม เป็นต้น ทั้งบิสมัทและไททาเนียมสามารถมีกัมมันตภาพรังสีได้ในซีรีส์นี้ แม้แต่ไฮโดรเจนซึ่งมีโปรตอนสองตัวในนิวเคลียส (ในอัตราหนึ่งโปรตอน) ก็เรียกว่าแตกต่างกัน - ดิวเทอเรียม น้ำที่เกิดจากไฮโดรเจนดังกล่าวเรียกว่าน้ำหนักและเติมวงจรปฐมภูมิในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

อะตอมที่ไม่สงบ

สำนวนเช่น "การแข่งขันอาวุธ", "สงครามเย็น", "ภัยคุกคามนิวเคลียร์" อาจดูเหมือนเป็นประวัติศาสตร์และไม่เกี่ยวข้องกับคนสมัยใหม่ แต่กาลครั้งหนึ่ง ทุกข่าวที่เผยแพร่ไปทั่วโลกมักมาพร้อมกับรายงานเกี่ยวกับจำนวนอาวุธนิวเคลียร์ที่ถูกประดิษฐ์ขึ้นและวิธีจัดการกับอาวุธเหล่านี้ ผู้คนสร้างบังเกอร์ใต้ดินและสะสมไว้ในกรณีที่เกิดฤดูหนาวนิวเคลียร์ ทั้งครอบครัวทำงานเพื่อสร้างที่พักพิง แม้แต่การใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันอย่างสันติก็สามารถนำไปสู่หายนะได้ ดูเหมือนว่าเชอร์โนบิลจะสอนมนุษยชาติให้ระมัดระวังในพื้นที่นี้ แต่องค์ประกอบของโลกกลับกลายเป็นว่าแข็งแกร่งขึ้น: แผ่นดินไหวในญี่ปุ่นทำลายป้อมปราการที่เชื่อถือได้มากของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟุกุชิมะ พลังงานของปฏิกิริยานิวเคลียร์นั้นง่ายต่อการทำลายล้างมาก นักเทคโนโลยีจำเป็นต้องจำกัดพลังของการระเบิดเท่านั้น เพื่อไม่ให้ทำลายโลกทั้งใบโดยไม่ได้ตั้งใจ ระเบิดที่ "มีมนุษยธรรม" ที่สุด ถ้าคุณสามารถเรียกมันได้ อย่าปล่อยมลพิษให้สิ่งแวดล้อมด้วยรังสี โดยทั่วไปมักใช้ปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ไม่สามารถควบคุมได้ สิ่งที่พวกเขาพยายามหลีกเลี่ยงที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์โดยวิธีทั้งหมดนั้นประสบความสำเร็จในการทิ้งระเบิดด้วยวิธีดั้งเดิม สำหรับธาตุกัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติใดๆ มีมวลวิกฤตของสารบริสุทธิ์อยู่จำนวนหนึ่งซึ่งปฏิกิริยาลูกโซ่เกิดขึ้นเอง สำหรับยูเรเนียมนั้นมีน้ำหนักเพียงห้าสิบกิโลกรัมเท่านั้น เนื่องจากยูเรเนียมมีน้ำหนักมาก จึงเป็นเพียงลูกโลหะขนาดเล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 12-15 เซนติเมตร ระเบิดปรมาณูลูกแรกที่ทิ้งบนฮิโรชิมาและนางาซากิถูกสร้างขึ้นตามหลักการนี้ทุกประการ: ยูเรเนียมบริสุทธิ์สองส่วนที่ไม่เท่ากันเพียงแค่รวมกันและสร้างการระเบิดที่น่าสะพรึงกลัว อาวุธสมัยใหม่น่าจะซับซ้อนกว่า อย่างไรก็ตาม ไม่ควรลืมมวลวิกฤต: ต้องมีอุปสรรคระหว่างวัสดุกัมมันตภาพรังสีบริสุทธิ์ปริมาณเล็กน้อยระหว่างการเก็บรักษา เพื่อป้องกันไม่ให้ชิ้นส่วนเชื่อมต่อ

แหล่งที่มาของรังสี

ธาตุทั้งหมดที่มีประจุนิวเคลียร์มากกว่า 82 เป็นกัมมันตภาพรังสี องค์ประกอบทางเคมีที่เบากว่าเกือบทั้งหมดมีไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี นิวเคลียสที่หนักกว่า นิวเคลียสจะสั้นลง ธาตุบางอย่าง (เช่น แคลิฟอร์เนีย) ได้มาจากการปลอมแปลงเท่านั้น - โดยการชนอะตอมหนักกับอนุภาคที่เบากว่า ส่วนใหญ่มักใช้เครื่องเร่งความเร็ว เนื่องจากพวกมันไม่เสถียรมาก พวกมันจึงไม่มีอยู่ในเปลือกโลก: ในระหว่างการก่อตัวของดาวเคราะห์ พวกมันจะสลายตัวเป็นองค์ประกอบอื่นๆ อย่างรวดเร็ว สามารถขุดสารที่มีนิวเคลียสเบา เช่น ยูเรเนียม ได้ กระบวนการนี้ใช้เวลานาน ยูเรเนียมเหมาะสำหรับการสกัดแม้ในแร่ที่อุดมสมบูรณ์มาก มีน้อยกว่าร้อยละหนึ่ง วิธีที่สามอาจบ่งชี้ว่ายุคทางธรณีวิทยาใหม่ได้เริ่มขึ้นแล้ว นี่คือการสกัดธาตุกัมมันตรังสีจากกากกัมมันตภาพรังสี หลังจากใช้เชื้อเพลิงในโรงไฟฟ้าแล้ว บนเรือดำน้ำหรือเรือบรรทุกเครื่องบิน จะได้ส่วนผสมของยูเรเนียมดั้งเดิมและสารสุดท้ายซึ่งเป็นผลมาจากการแยกตัว ในขณะนี้ถือเป็นขยะกัมมันตภาพรังสีที่เป็นของแข็งและมีคำถามอย่างเฉียบพลันว่าต้องกำจัดอย่างไรเพื่อไม่ให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตาม มีแนวโน้มว่าในอนาคตอันใกล้นี้ สารกัมมันตภาพรังสีเข้มข้นสำเร็จรูป (เช่น พอโลเนียม) จะถูกสกัดออกจากของเสียเหล่านี้

ในปีพ.ศ. 2477 อี. แฟร์มีตัดสินใจรับธาตุทรานส์ยูเรเนียมโดยการฉายรังสี 238 U ด้วยนิวตรอน แนวคิดของ E. Fermi คือเป็นผลมาจากการสลายตัวของไอโซโทป 239 U ซึ่งเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่มีหมายเลข Z = 93 อย่างไรก็ตามไม่สามารถระบุการก่อตัวของ 93 องค์ประกอบ. จากการวิเคราะห์กัมมันตภาพรังสีของธาตุกัมมันตรังสีที่ทำโดย O. Hahn และ F. Strassmann พบว่าหนึ่งในผลิตภัณฑ์ของการฉายรังสียูเรเนียมกับนิวตรอนคือแบเรียม (Z = 56) ซึ่งเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่มีน้ำหนักอะตอมปานกลาง ในขณะที่ตามสมมติฐานของทฤษฎี Fermi องค์ประกอบ transuranium ควรจะได้รับการผลิต
L. Meitner และ O. Frisch เสนอว่าเป็นผลมาจากการจับนิวตรอนโดยนิวเคลียสของยูเรเนียม นิวเคลียสของสารประกอบจะแตกออกเป็นสองส่วน

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

กระบวนการแตกตัวของยูเรเนียมจะมาพร้อมกับการปรากฏตัวของนิวตรอนทุติยภูมิ (x > 1) ที่สามารถทำให้เกิดฟิชชันของนิวเคลียสของยูเรเนียมอื่น ๆ ซึ่งเปิดโอกาสในการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันที่จะเกิดขึ้น - หนึ่งนิวตรอนสามารถก่อให้เกิดสายโซ่ที่แตกแขนง ของการแตกตัวของนิวเคลียสยูเรเนียม ในกรณีนี้ จำนวนนิวเคลียสที่แยกจากกันควรเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ N. Bohr และ J. Wheeler คำนวณพลังงานวิกฤตที่จำเป็นสำหรับนิวเคลียส 236 U ซึ่งเกิดขึ้นจากการจับนิวตรอนโดยไอโซโทป 235 U เพื่อแยกออก ค่านี้คือ 6.2 MeV ซึ่งน้อยกว่าพลังงานกระตุ้นของไอโซโทป 236 U ที่เกิดขึ้นระหว่างการจับนิวตรอนความร้อน 235 U ดังนั้น เมื่อจับนิวตรอนความร้อน ปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันจะอยู่ที่ 235 U สำหรับส่วนใหญ่ ไอโซโทปทั่วไป 238 U พลังงานวิกฤตคือ 5.9 MeV ในขณะที่เมื่อจับนิวตรอนความร้อน พลังงานกระตุ้นของนิวเคลียส 239 U ที่เป็นผลลัพธ์จะมีค่าเพียง 5.2 MeV ดังนั้นปฏิกิริยาลูกโซ่ของการแตกตัวของไอโซโทปธรรมชาติที่พบมากที่สุด 238 U ภายใต้การกระทำของนิวตรอนความร้อนจึงเป็นไปไม่ได้ ในปฏิกิริยาฟิชชันหนึ่งครั้ง พลังงาน ≈ 200 MeV จะถูกปลดปล่อย (สำหรับการเปรียบเทียบ ในปฏิกิริยาการเผาไหม้ทางเคมี พลังงาน ≈ 10 eV จะถูกปล่อยออกมาในปฏิกิริยาครั้งเดียว) ความเป็นไปได้ในการสร้างเงื่อนไขสำหรับปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันเปิดโอกาสในการใช้พลังงานของปฏิกิริยาลูกโซ่เพื่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูและอาวุธปรมาณู เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกสร้างโดย E. Fermi ในสหรัฐอเมริกาในปี 1942 ในสหภาพโซเวียต เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกเปิดตัวภายใต้การนำของ I. Kurchatov ในปี 1946 ในปี 1954 โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แห่งแรกของโลกเริ่มดำเนินการใน Obninsk ปัจจุบัน พลังงานไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ประมาณ 440 เครื่องใน 30 ประเทศทั่วโลก
ในปี 1940 G. Flerov และ K. Petrzhak ค้นพบการแตกตัวที่เกิดขึ้นเองของยูเรเนียม ตัวเลขต่อไปนี้เป็นเครื่องยืนยันถึงความซับซ้อนของการทดลอง ค่าครึ่งชีวิตบางส่วนเทียบกับฟิชชันที่เกิดขึ้นเองของไอโซโทป 238 U คือ 10 16 –10 17 ปี ในขณะที่ระยะเวลาการสลายตัวของไอโซโทป 238 U คือ 4.5∙10 9 ปี ช่องทางการสลายตัวหลักสำหรับไอโซโทป 238 U คือ α-สลายตัว เพื่อที่จะสังเกตการแตกตัวที่เกิดขึ้นเองของไอโซโทป 238 U จำเป็นต้องลงทะเบียนเหตุการณ์การแตกตัวหนึ่งเหตุการณ์กับพื้นหลังของ 10 7 -10 8 เหตุการณ์ α-การสลายตัว
ความน่าจะเป็นของการเกิดฟิชชันที่เกิดขึ้นเองนั้นพิจารณาจากการซึมผ่านของตัวกั้นฟิชชันเป็นหลัก ความน่าจะเป็นของการแยกตัวที่เกิดขึ้นเองเพิ่มขึ้นเมื่อประจุของนิวเคลียสเพิ่มขึ้นตั้งแต่ สิ่งนี้จะเพิ่มพารามิเตอร์การหาร Z 2 /A ในไอโซโทป Z< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100 การแยกตัวแบบสมมาตรมีอิทธิพลเหนือการก่อตัวของชิ้นส่วนที่มีมวลเท่ากัน เมื่อประจุของนิวเคลียสเพิ่มขึ้น สัดส่วนของการแยกตัวที่เกิดขึ้นเองจะเพิ่มขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับการสลายตัวของ α

นิวเคลียร์. เรื่องราว

พ.ศ. 2477- อี. แฟร์มี ผู้ฉายรังสียูเรเนียมด้วยนิวตรอนความร้อน พบนิวเคลียสกัมมันตภาพรังสีในผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา ซึ่งไม่สามารถสร้างธรรมชาติได้
L. Szilard เสนอแนวคิดเรื่องปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์

พ.ศ. 2482− O. Hahn และ F. Strassmann ค้นพบแบเรียมในผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา
L. Meitner และ O. Frisch ประกาศเป็นครั้งแรกว่าภายใต้การกระทำของนิวตรอน ยูเรเนียมถูกแยกออกเป็นสองส่วนที่มีมวลเท่ากัน
N. Bohr และ J. Wheeler ให้การตีความเชิงปริมาณของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันโดยแนะนำพารามิเตอร์ฟิชชัน
ยา Frenkel พัฒนาทฤษฎีการตกของนิวเคลียร์ฟิชชันโดยนิวตรอนช้า
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Ya. Zeldovich, Yu. Khariton ยืนยันความเป็นไปได้ของปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันนิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นในยูเรเนียม

พ.ศ. 2483− G. Flerov และ K. Petrzhak ค้นพบปรากฏการณ์การแตกตัวที่เกิดขึ้นเองของนิวเคลียสยูเรเนียม U

พ.ศ. 2485− E. Fermi ดำเนินการควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันในเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูเครื่องแรก

พ.ศ. 2488− การทดสอบอาวุธนิวเคลียร์ครั้งแรก (เนวาดา สหรัฐอเมริกา) ระเบิดปรมาณูถูกทิ้งในเมืองฮิโรชิมา (6 สิงหาคม) และนางาซากิ (9 สิงหาคม) ในญี่ปุ่น

พ.ศ. 2489- ภายใต้การนำของ I.V. Kurchatov เครื่องปฏิกรณ์เครื่องแรกในยุโรปเปิดตัว

พ.ศ. 2497− โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แห่งแรกของโลกเปิดตัว (Obninsk, USSR)

นิวเคลียร์.ตั้งแต่ปี 1934 E. Fermi เริ่มใช้นิวตรอนเพื่อทิ้งระเบิดอะตอม ตั้งแต่นั้นมา จำนวนนิวเคลียสที่เสถียรหรือนิวเคลียสกัมมันตภาพรังสีที่ได้จากการแปลงสภาพประดิษฐ์ได้เพิ่มขึ้นเป็นหลายร้อย และเกือบทุกที่ในตารางธาตุเต็มไปด้วยไอโซโทป
อะตอมที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยานิวเคลียร์ทั้งหมดเหล่านี้ครอบครองที่เดียวกันในตารางธาตุกับอะตอมที่ถูกทิ้งระเบิดหรือสถานที่ใกล้เคียง ดังนั้นการพิสูจน์โดย Hahn และ Strassmann ในปี 1938 ว่าเมื่อนิวตรอนโจมตีองค์ประกอบสุดท้ายของระบบธาตุ−ยูเรเนียม−สลายเป็นองค์ประกอบที่อยู่ตรงกลางของระบบธาตุ มีการสลายตัวหลายประเภทที่นี่ อะตอมที่เกิดขึ้นส่วนใหญ่ไม่เสถียรและสลายตัวต่อไปในทันที บางตัวมีครึ่งชีวิตที่วัดเป็นวินาที ดังนั้น Hahn จึงต้องใช้วิธี Curie เชิงวิเคราะห์เพื่อยืดเวลากระบวนการที่รวดเร็วเช่นนี้ สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าองค์ประกอบที่อยู่ด้านหน้าของยูเรเนียม โพรแทกทิเนียม และทอเรียม ยังแสดงการสลายตัวที่คล้ายกันภายใต้การกระทำของนิวตรอน แม้ว่าจะต้องใช้พลังงานนิวตรอนที่สูงกว่าเพื่อให้การสลายตัวเริ่มต้นมากกว่าในกรณีของยูเรเนียม นอกจากนี้ ในปี 1940 G. N. Flerov และ K. A. Petrzhak ได้ค้นพบการแตกตัวที่เกิดขึ้นเองของนิวเคลียสของยูเรเนียมด้วยครึ่งชีวิตที่ยาวที่สุดที่ทราบมาก่อน: ประมาณ 2· 10 15 ปี; ข้อเท็จจริงนี้ชัดเจนขึ้นเนื่องจากนิวตรอนที่ปล่อยออกมาในกระบวนการ ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะเข้าใจว่าทำไมระบบธาตุ "ตามธรรมชาติ" จึงลงเอยด้วยองค์ประกอบที่มีชื่อทั้งสาม ธาตุทรานส์ยูเรเนียมเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้ว แต่พวกมันไม่เสถียรจนสลายตัวอย่างรวดเร็ว
การแยกตัวของยูเรเนียมด้วยนิวตรอนทำให้สามารถใช้พลังงานปรมาณูได้ ซึ่งหลายคนคิดว่าเป็น "ความฝันของ Jules Verne"

M. Laue ประวัติศาสตร์ฟิสิกส์

พ.ศ. 2482 O. Hahn และ F. Strassmann ฉายรังสีเกลือยูเรเนียมด้วยนิวตรอนความร้อน พบแบเรียม (Z = 56) ท่ามกลางผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา

Otto Gunn (1879 – 1968)

นิวเคลียร์ฟิชชันคือการแตกตัวของนิวเคลียสออกเป็นสองนิวเคลียส (แทบจะไม่มีสาม) นิวเคลียสที่มีมวลใกล้เคียงกัน ซึ่งเรียกว่าฟิชชันแฟรกเมนต์ ในระหว่างการแตกตัว อนุภาคอื่นๆ ก็เกิดขึ้นเช่นกัน - นิวตรอน อิเล็กตรอน อนุภาค α ผลจากฟิชชัน พลังงานประมาณ 200 MeV จะถูกปล่อยออกมา ฟิชชันอาจเกิดขึ้นเองหรือบังคับภายใต้การกระทำของอนุภาคอื่นๆ ซึ่งส่วนใหญ่มักเป็นนิวตรอน
ลักษณะเฉพาะของฟิชชันคือชิ้นส่วนฟิชชันตามกฎแล้วมีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในมวลนั่นคือ ฟิชชันแบบอสมมาตรมีอิทธิพลเหนือกว่า ดังนั้น ในกรณีของการแยกตัวที่เป็นไปได้มากที่สุดของไอโซโทปยูเรเนียม 236 U อัตราส่วนมวลของชิ้นส่วนคือ 1.46 ชิ้นส่วนหนักมีจำนวนมวล 139 (ซีนอน) และชิ้นส่วนที่มีน้ำหนักเบามีเลขมวล 95 (สตรอนเทียม) เมื่อพิจารณาการปล่อยนิวตรอนพร้อมต์สองนิวตรอน ปฏิกิริยาฟิชชันที่พิจารณาจะมีรูปแบบ

รางวัลโนเบลสาขาเคมี
1944 - โอกาน
สำหรับการค้นพบปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียมโดยนิวตรอน

เศษฟิชชัน

การพึ่งพามวลเฉลี่ยของกลุ่มชิ้นส่วนเบาและหนักต่อมวลของนิวเคลียสฟิชไซล์

การค้นพบนิวเคลียร์ฟิชชัน พ.ศ. 2482

ฉันมาสวีเดนที่ซึ่ง Lise Meitner ทนทุกข์จากความเหงา และในฐานะหลานชายผู้อุทิศตน ฉันตัดสินใจไปเยี่ยมเธอในวันคริสต์มาส เธออาศัยอยู่ในโรงแรมขนาดเล็ก Kungälv ใกล้เมืองโกเธนเบิร์ก ฉันจับเธอตอนอาหารเช้า เธอพิจารณาจดหมายที่เธอเพิ่งได้รับจากฮัน ฉันสงสัยมากเกี่ยวกับเนื้อหาของจดหมายซึ่งรายงานการก่อตัวของแบเรียมโดยการฉายรังสียูเรเนียมด้วยนิวตรอน อย่างไรก็ตาม เธอถูกดึงดูดโดยโอกาสนี้ เราเดินบนหิมะ เธอเดิน ฉันเล่นสกี (เธอบอกว่าเธอทำแบบนี้ได้โดยไม่ตกหลังฉัน แล้วเธอก็พิสูจน์) ในตอนท้ายของการเดินเราสามารถกำหนดข้อสรุปบางอย่างได้แล้ว นิวเคลียสไม่แตกออก และชิ้นส่วนไม่ได้หลุดออกจากมัน แต่เป็นกระบวนการที่ค่อนข้างคล้ายกับแบบจำลองการตกของนิวเคลียสของบอร์ นิวเคลียสสามารถยืดออกและแบ่งตัวได้เหมือนหยดน้ำ จากนั้นฉันก็ตรวจสอบว่าประจุไฟฟ้าของนิวคลีออนช่วยลดแรงตึงผิวได้อย่างไร ซึ่งในขณะที่ฉันสร้างได้นั้น ลดลงเป็นศูนย์ที่ Z = 100 และอาจต่ำมากสำหรับยูเรเนียม Lise Meitner มีส่วนร่วมในการกำหนดพลังงานที่ปล่อยออกมาในแต่ละการสลายตัวเนื่องจากข้อบกพร่องของมวล เธอมีความคิดที่ชัดเจนเกี่ยวกับเส้นโค้งข้อบกพร่องของมวล ปรากฎว่าเนื่องจากการผลักไฟฟ้าสถิต องค์ประกอบฟิชชันจะได้รับพลังงานประมาณ 200 MeV และสิ่งนี้สอดคล้องกับพลังงานที่เกี่ยวข้องกับความบกพร่องของมวล ดังนั้น กระบวนการนี้สามารถดำเนินไปอย่างคลาสสิกโดยไม่ต้องเกี่ยวข้องกับแนวคิดของการผ่านอุปสรรคที่อาจเกิดขึ้น ซึ่งแน่นอนว่าจะไม่มีประโยชน์ที่นี่
เราใช้เวลาสองหรือสามวันด้วยกันในช่วงคริสต์มาส จากนั้นฉันก็กลับมาที่โคเปนเฮเกนและแทบไม่มีเวลาบอก Bohr เกี่ยวกับแนวคิดของเราในขณะที่เขาขึ้นเรือกลไฟไปยังสหรัฐอเมริกาแล้ว ฉันจำได้ตอนที่เขาตบหน้าผากทันทีที่ฉันเริ่มพูดและอุทาน: “โอ้ เรามันโง่จริงๆ! เราควรสังเกตให้เร็วกว่านี้” แต่เขาไม่ได้สังเกตและไม่มีใครสังเกตเห็น
Lise Meitner และฉันเขียนบทความ ในขณะเดียวกัน เราก็ติดต่อกันโดยโทรศัพท์ทางไกล โคเปนเฮเกน - สตอกโฮล์ม

O. Frisch บันทึกความทรงจำ. ยูเอฟเอ็น 2511 ต. 96 ฉบับที่ 4 หน้า 697.

นิวเคลียร์ฟิชชันที่เกิดขึ้นเอง

ในการทดลองที่อธิบายไว้ด้านล่าง เราใช้วิธีการที่ Frisch เสนอขึ้นเป็นครั้งแรกในการบันทึกกระบวนการแยกตัวของนิวเคลียร์ ห้องไอออไนเซชันที่มีเพลตเคลือบด้วยชั้นของยูเรเนียมออกไซด์เชื่อมต่อกับแอมพลิฟายเออร์เชิงเส้นที่ปรับแต่งในลักษณะที่อนุภาค α ที่ปล่อยออกมาจากยูเรเนียมไม่ได้รับการลงทะเบียนโดยระบบ แรงกระตุ้นจากชิ้นส่วนซึ่งมากกว่าแรงกระตุ้นจากอนุภาค α มาก จะปลดล็อกไทราตรอนเอาต์พุตและถือเป็นรีเลย์เชิงกล
ห้องไอออไนซ์ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษในรูปแบบของตัวเก็บประจุแบบแบนหลายชั้นที่มีพื้นที่รวม 15 แผ่น 1,000 ซม. 2 .
ในการทดลองครั้งแรกด้วยแอมพลิฟายเออร์ที่ปรับแต่งเพื่อนับชิ้นส่วน มันเป็นไปได้ที่จะสังเกตพัลส์ที่เกิดขึ้นเอง (ในกรณีที่ไม่มีแหล่งกำเนิดนิวตรอน) บนรีเลย์และออสซิลโลสโคป จำนวนแรงกระตุ้นเหล่านี้มีน้อย (6 ใน 1 ชั่วโมง) และค่อนข้างเข้าใจได้ดังนั้นปรากฏการณ์นี้จึงไม่สามารถสังเกตได้ด้วยกล้องประเภทปกติ ...
เรามักจะคิดว่า ผลกระทบที่เราสังเกตเห็นจะต้องมาจากเศษที่เกิดจากการแยกตัวของยูเรเนียมที่เกิดขึ้นเอง ...

ฟิชชันที่เกิดขึ้นเองควรเกิดจากไอโซโทป U ที่ไม่ถูกกระตุ้นด้วยครึ่งชีวิตที่ได้จากการประเมินผลลัพธ์ของเรา:

ยู 238 – 10 16 ~ 10 17 ปีที่,
ยู 235 – 10 14 ~ 10 15 ปีที่,
ยู 234 – 10 12 ~ 10 13 ปีที่.

การสลายตัวของไอโซโทป 238 ยู

นิวเคลียร์ฟิชชันที่เกิดขึ้นเอง

ครึ่งชีวิตของไอโซโทปที่แตกตัวได้เอง Z = 92 - 100

ระบบทดลองระบบแรกที่มีโครงตาข่ายยูเรเนียม-กราไฟต์สร้างขึ้นในปี 1941 ภายใต้การนำของอี. แฟร์มี มันคือกราไฟต์ลูกบาศก์ที่มีซี่โครงยาว 2.5 ม. มียูเรเนียมออกไซด์ประมาณ 7 ตัน ล้อมรอบด้วยภาชนะเหล็ก ซึ่งวางอยู่ในลูกบาศก์โดยเว้นระยะห่างเท่ากัน แหล่งกำเนิดนิวตรอน RaBe ถูกวางไว้ที่ด้านล่างของโครงตาข่ายยูเรเนียม-กราไฟต์ ปัจจัยการคูณในระบบดังกล่าวคือ ≈0.7 ยูเรเนียมออกไซด์มีสิ่งเจือปนตั้งแต่ 2 ถึง 5% ความพยายามเพิ่มเติมมุ่งไปสู่การได้มาซึ่งวัสดุที่บริสุทธิ์ยิ่งขึ้น และในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2485 ได้ยูเรเนียมออกไซด์ซึ่งมีสิ่งเจือปนน้อยกว่า 1% เพื่อให้แน่ใจว่าปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชัน จำเป็นต้องใช้กราไฟต์และยูเรเนียมจำนวนมาก - ตามลำดับหลายตัน สิ่งเจือปนต้องน้อยกว่าสองสามส่วนในล้านส่วน เครื่องปฏิกรณ์ซึ่งประกอบขึ้นเมื่อปลายปี พ.ศ. 2485 โดย Fermi ที่มหาวิทยาลัยชิคาโกมีรูปร่างของทรงกลมที่ไม่สมบูรณ์ถูกตัดขาดจากด้านบน ประกอบด้วยยูเรเนียม 40 ตันและกราไฟท์ 385 ตัน ในตอนเย็นของวันที่ 2 ธันวาคม พ.ศ. 2485 หลังจากที่ถอดแท่งดูดซับนิวตรอนออก ก็พบว่ามีปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์เกิดขึ้นภายในเครื่องปฏิกรณ์ ค่าสัมประสิทธิ์ที่วัดได้คือ 1.0006 เริ่มแรก เครื่องปฏิกรณ์ทำงานที่ระดับพลังงาน 0.5 W เมื่อวันที่ 12 ธันวาคม พลังของมันเพิ่มขึ้นเป็น 200 วัตต์ ต่อจากนั้น เครื่องปฏิกรณ์ถูกย้ายไปยังที่ที่ปลอดภัยกว่า และกำลังของมันเพิ่มขึ้นเป็นหลายกิโลวัตต์ ในกรณีนี้ เครื่องปฏิกรณ์ใช้ยูเรเนียม-235 0.002 กรัมต่อวัน

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกในสหภาพโซเวียต

อาคารสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์วิจัย F-1 เครื่องแรกในสหภาพโซเวียตพร้อมแล้วในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2489
หลังจากทำการทดลองที่จำเป็นทั้งหมดแล้ว ระบบควบคุมและป้องกันเครื่องปฏิกรณ์ได้รับการพัฒนา มิติของเครื่องปฏิกรณ์ถูกสร้างขึ้น การทดลองที่จำเป็นทั้งหมดได้ดำเนินการด้วยแบบจำลองเครื่องปฏิกรณ์ ความหนาแน่นของนิวตรอนถูกกำหนดในหลายรุ่น ได้รับบล็อกกราไฟท์ (ที่เรียกว่าความบริสุทธิ์ของนิวเคลียร์) และ (หลังจากการตรวจสอบนิวตรอน-ฟิสิกส์) บล็อกยูเรเนียมในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2489 เริ่มการก่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์ F-1
รัศมีรวมของเครื่องปฏิกรณ์คือ 3.8 ม. ต้องใช้กราไฟท์ 400 ตันและยูเรเนียม 45 ตัน เครื่องปฏิกรณ์ถูกประกอบเป็นชั้น ๆ และเมื่อเวลา 15.00 น. ของวันที่ 25 ธันวาคม พ.ศ. 2489 ได้มีการประกอบชั้นสุดท้าย 62 ชั้น หลังจากการสกัดแท่งฉุกเฉินที่เรียกว่าแท่งควบคุม แท่งควบคุมถูกยกขึ้น ความหนาแน่นของนิวตรอนเริ่มนับ และเมื่อเวลา 18:00 น. ของวันที่ 25 ธันวาคม พ.ศ. 2489 เครื่องปฏิกรณ์เครื่องแรกในสหภาพโซเวียตก็กลับมามีชีวิตอีกครั้ง มันเป็นชัยชนะที่น่าตื่นเต้นสำหรับนักวิทยาศาสตร์ - ผู้สร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และสำหรับชาวโซเวียตทั้งหมด หนึ่งปีครึ่งต่อมา เมื่อวันที่ 10 มิถุนายน พ.ศ. 2491 เครื่องปฏิกรณ์อุตสาหกรรมที่มีน้ำในช่องทางเข้าสู่สภาวะวิกฤติและในไม่ช้าก็เริ่มการผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ชนิดใหม่ - พลูโทเนียมทางอุตสาหกรรม