การแยกนิวเคลียส ปู่ทวดระเบิดปรมาณู วิธีแยกอะตอมที่บ้าน

ปัจจุบันมีการใช้การแยกนิวเคลียสของอะตอมของธาตุต่างๆ อย่างกว้างขวาง โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทั้งหมดทำงานบนปฏิกิริยาฟิชชันหลักการทำงานของอาวุธนิวเคลียร์ทั้งหมดขึ้นอยู่กับปฏิกิริยานี้ ในกรณีของปฏิกิริยาควบคุมหรือปฏิกิริยาลูกโซ่ อะตอมที่ถูกแบ่งออกเป็นส่วนๆ จะไม่สามารถเชื่อมต่อกลับคืนสู่สภาพเดิมได้อีกต่อไป แต่ด้วยการใช้หลักการและกฎของกลศาสตร์ควอนตัม นักวิทยาศาสตร์สามารถแบ่งอะตอมออกเป็นสองส่วนและเชื่อมต่อกันอีกครั้งโดยไม่ละเมิดความสมบูรณ์ของอะตอมเอง

นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยบอนน์ใช้หลักการของความไม่แน่นอนของควอนตัม ซึ่งช่วยให้วัตถุมีอยู่ในหลายรัฐพร้อมกัน ในการทดลอง โดยใช้กลอุบายทางกายภาพบางอย่าง นักวิทยาศาสตร์ทำให้อะตอมเดี่ยวมีอยู่ในสองแห่งพร้อมกัน ระยะห่างระหว่างซึ่งมีมากกว่าหนึ่งร้อยมิลลิเมตรเล็กน้อย ซึ่งในระดับอะตอมนั้นเป็นระยะทางมหาศาล

เอฟเฟกต์ควอนตัมดังกล่าวสามารถแสดงออกได้ที่อุณหภูมิต่ำมากเท่านั้น อะตอมของซีเซียมถูกทำให้เย็นลงด้วยแสงเลเซอร์จนถึงอุณหภูมิหนึ่งในสิบของหนึ่งในล้านขององศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์ อะตอมที่เย็นลงนั้นถูกกักไว้ในกับดักแสงของลำแสงจากเลเซอร์อีกตัวหนึ่ง

เป็นที่ทราบกันว่านิวเคลียสของอะตอมสามารถหมุนได้สองทิศทาง ขึ้นอยู่กับทิศทางของการหมุน แสงเลเซอร์จะผลักนิวเคลียสไปทางขวาหรือทางซ้าย “แต่อะตอมในสถานะควอนตัมบางอย่างสามารถมี “บุคลิกภาพแบบแยกส่วน” ได้ โดยครึ่งหนึ่งจะหมุนไปในทิศทางเดียว อีกด้านหนึ่ง ในขณะที่อะตอมยังคงเป็นวัตถุทั้งหมด นักฟิสิกส์ Andreas Steffen กล่าว ดังนั้นนิวเคลียสของอะตอมซึ่งบางส่วนหมุนไปในทิศทางตรงกันข้ามสามารถแบ่งออกเป็นสองส่วนด้วยลำแสงเลเซอร์และส่วนต่าง ๆ ของอะตอมเหล่านี้สามารถแยกออกจากกันได้ในระยะทางที่ไกลซึ่งนักวิทยาศาสตร์สามารถเข้าใจได้ในระหว่างการทดลอง

นักวิทยาศาสตร์อ้างว่าการใช้วิธีการที่คล้ายกัน เป็นไปได้ที่จะสร้างสิ่งที่เรียกว่า "สะพานควอนตัม" ซึ่งเป็นตัวนำข้อมูลควอนตัม อะตอมของสารถูกแบ่งออกเป็นส่วน ๆ ซึ่งถูกแยกออกจากด้านข้างจนกว่าจะสัมผัสกับอะตอมที่อยู่ติดกัน มีการสร้างพื้นถนนขึ้นซึ่งเป็นช่วงที่เชื่อมต่อเสาทั้งสองของสะพานซึ่งสามารถส่งข้อมูลได้ สิ่งนี้เป็นไปได้เนื่องจากอะตอมที่ถูกแบ่งในลักษณะนี้ยังคงเป็นหนึ่งเดียวในระดับควอนตัมเนื่องจากความจริงที่ว่าส่วนต่าง ๆ ของอะตอมนั้นพันกันที่ระดับควอนตัม

นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยบอนน์จะใช้เทคโนโลยีนี้เพื่อสร้างแบบจำลองและสร้างระบบควอนตัมที่ซับซ้อน ดร. Andrea Alberti หัวหน้าทีมกล่าวว่า "อะตอมเปรียบเสมือนเกียร์ที่หล่อลื่นอย่างดีสำหรับเรา คุณสามารถสร้างเครื่องคิดเลขควอนตัมที่มีลักษณะเฉพาะที่เหนือกว่าคอมพิวเตอร์ที่ล้ำสมัยที่สุดได้โดยใช้อุปกรณ์เหล่านี้ คุณเพียงแค่ต้องสามารถจัดตำแหน่งและเชื่อมต่ออุปกรณ์เหล่านี้ได้อย่างถูกต้อง”

นิวเคลียร์ฟิชชันคือการแตกตัวของอะตอมหนักออกเป็นสองส่วนที่มีมวลเท่ากันโดยประมาณ พร้อมกับการปลดปล่อยพลังงานจำนวนมาก

การค้นพบนิวเคลียร์ฟิชชันได้เริ่มต้นยุคใหม่ - "ยุคอะตอม" ศักยภาพของการใช้งานที่เป็นไปได้และอัตราส่วนของความเสี่ยงที่จะได้รับประโยชน์จากการใช้งาน ไม่เพียงสร้างความสำเร็จทางสังคมวิทยา การเมือง เศรษฐกิจ และวิทยาศาสตร์เท่านั้น แต่ยังสร้างปัญหาร้ายแรงอีกด้วย แม้แต่จากมุมมองทางวิทยาศาสตร์ล้วนๆ กระบวนการแยกตัวของนิวเคลียร์ได้สร้างปริศนาและความซับซ้อนจำนวนมาก และการอธิบายเชิงทฤษฎีอย่างเต็มรูปแบบเป็นเรื่องของอนาคต

การแบ่งปันคือกำไร

พลังงานยึดเหนี่ยว (ต่อนิวคลีออน) แตกต่างกันไปตามนิวเคลียสที่ต่างกัน ธาตุที่หนักกว่ามีพลังงานยึดเหนี่ยวต่ำกว่าที่อยู่ตรงกลางตารางธาตุ

ซึ่งหมายความว่าสำหรับนิวเคลียสหนักที่มีเลขอะตอมมากกว่า 100 จะแบ่งชิ้นส่วนที่เล็กกว่าสองชิ้นออกเป็นสองส่วน ซึ่งจะเป็นการปลดปล่อยพลังงานซึ่งจะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์ของชิ้นส่วน กระบวนการนี้เรียกว่าการแยกออก

ตามกราฟความคงตัว ซึ่งแสดงการพึ่งพาของจำนวนโปรตอนกับจำนวนนิวตรอนสำหรับนิวไคลด์ที่เสถียร นิวเคลียสที่หนักกว่าชอบนิวตรอนมากกว่า (เมื่อเทียบกับจำนวนโปรตอน) มากกว่านิวเคลียสที่เบากว่า นี่แสดงให้เห็นว่าพร้อมกับกระบวนการแยกออก นิวตรอน "สำรอง" บางส่วนจะถูกปล่อยออกมา นอกจากนี้พวกเขายังใช้พลังงานบางส่วนที่ปล่อยออกมา การศึกษาการแยกตัวของอะตอมยูเรเนียมพบว่ามีการปล่อยนิวตรอน 3-4 ตัว: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n

เลขอะตอม (และมวลอะตอม) ของชิ้นส่วนนั้นไม่เท่ากับครึ่งหนึ่งของมวลอะตอมของพาเรนต์ ความแตกต่างระหว่างมวลของอะตอมที่เกิดจากการแยกตัวมักจะอยู่ที่ประมาณ 50 จริงอยู่ เหตุผลนี้ยังไม่ชัดเจนนัก

พลังงานยึดเหนี่ยวของ 238 U, 145 La และ 90 Br คือ 1803, 1198 และ 763 MeV ตามลำดับ ซึ่งหมายความว่าเป็นผลมาจากปฏิกิริยานี้ พลังงานฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียมจะถูกปลดปล่อยออกมา เท่ากับ 1198 + 763-1803 = 158 MeV

การแบ่งตามธรรมชาติ

กระบวนการของการแยกตัวที่เกิดขึ้นเองนั้นเป็นที่รู้จักในธรรมชาติ แต่มีน้อยมาก อายุขัยเฉลี่ยของกระบวนการนี้คือประมาณ 10 17 ปี และตัวอย่างเช่น อายุการใช้งานเฉลี่ยของการสลายตัวของอัลฟาของนิวไคลด์กัมมันตภาพรังสีเดียวกันคือประมาณ 10 11 ปี

เหตุผลก็คือเพื่อที่จะแยกออกเป็นสองส่วน นิวเคลียสจะต้องเสียรูป (ยืดออก) เป็นรูปทรงวงรีก่อน จากนั้นจึงค่อยแยกออกเป็นสองส่วน จะสร้าง "คอ" ตรงกลาง

อุปสรรคที่อาจเกิดขึ้น

ในสภาพที่ผิดรูป แรงสองแรงกระทำต่อแกนกลาง หนึ่งคือพลังงานพื้นผิวที่เพิ่มขึ้น (แรงตึงผิวของหยดของเหลวอธิบายรูปร่างทรงกลมของมัน) และอีกอย่างคือการผลักคูลอมบ์ระหว่างชิ้นส่วนฟิชชัน พวกเขาช่วยกันสร้างอุปสรรคที่อาจเกิดขึ้น

เช่นเดียวกับในกรณีของการสลายแอลฟา เพื่อให้เกิดการแตกตัวที่เกิดขึ้นเองของนิวเคลียสอะตอมของยูเรเนียม ชิ้นส่วนต้องเอาชนะสิ่งกีดขวางนี้โดยใช้อุโมงค์ควอนตัม บาเรียนั้นอยู่ที่ประมาณ 6 MeV เช่นเดียวกับในกรณีของการสลายตัวของอัลฟา แต่ความน่าจะเป็นของการขุดอุโมงค์อนุภาคแอลฟานั้นมากกว่าผลิตภัณฑ์ฟิชชันของอะตอมที่หนักกว่ามาก

บังคับให้แยกออก

มีแนวโน้มมากขึ้นที่จะเกิดการแตกตัวของนิวเคลียสยูเรเนียม ในกรณีนี้ นิวเคลียสของผู้ปกครองจะถูกฉายรังสีด้วยนิวตรอน หากผู้ปกครองดูดซับพวกมันจะผูกมัดโดยปล่อยพลังงานยึดเหนี่ยวในรูปของพลังงานสั่นสะเทือนที่สามารถเกิน 6 MeV ที่จำเป็นในการเอาชนะสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น

ในกรณีที่พลังงานของนิวตรอนเพิ่มเติมไม่เพียงพอที่จะเอาชนะสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น นิวตรอนที่ตกกระทบจะต้องมีพลังงานจลน์ขั้นต่ำเพื่อให้สามารถเหนี่ยวนำให้เกิดการแยกตัวของอะตอมได้ ในกรณีของ 238 U พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวตรอนเพิ่มเติมจะสั้นประมาณ 1 MeV ซึ่งหมายความว่าฟิชชันของนิวเคลียสของยูเรเนียมถูกเหนี่ยวนำโดยนิวตรอนที่มีพลังงานจลน์มากกว่า 1 MeV เท่านั้น ในทางกลับกัน ไอโซโทป 235 U มีหนึ่งนิวตรอนที่ไม่คู่ควร เมื่อนิวเคลียสดูดซับอีกอันหนึ่ง จะสร้างคู่กับนิวเคลียส และผลของการจับคู่นี้ พลังงานการผูกมัดเพิ่มเติมจะปรากฏขึ้น นี่ก็เพียงพอแล้วที่จะปลดปล่อยปริมาณพลังงานที่จำเป็นสำหรับนิวเคลียสเพื่อเอาชนะสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น และการแยกตัวของไอโซโทปจะเกิดขึ้นเมื่อมีการชนกับนิวตรอนใดๆ

การสลายตัวของเบต้า

แม้ว่าปฏิกิริยาฟิชชันจะปล่อยนิวตรอนสามหรือสี่นิวตรอน ชิ้นส่วนยังคงมีนิวตรอนมากกว่าไอโซบาร์ที่เสถียร ซึ่งหมายความว่าโดยทั่วไปแล้วชิ้นส่วนที่แตกแยกจะไม่เสถียรต่อการสลายตัวของเบตา

ตัวอย่างเช่น เมื่อเกิดการแยกตัวของยูเรเนียม 238U ไอโซบาร์ที่เสถียรที่มี A = 145 คือนีโอไดเมียม 145Nd ซึ่งหมายความว่าชิ้นส่วนแลนทานัม 145La จะสลายตัวเป็นสามขั้นตอน แต่ละครั้งจะปล่อยอิเล็กตรอนและแอนตินิวทริโน จนกระทั่งเกิดนิวไคลด์ที่เสถียร ไอโซบาร์ที่เสถียรที่มี A = 90 คือเซอร์โคเนียม 90 Zr ดังนั้นการแยกส่วนโบรมีน 90 Br จะสลายตัวในห้าขั้นตอนของสาย β-สลาย

โซ่ β-สลายตัวเหล่านี้ปล่อยพลังงานเพิ่มเติม ซึ่งเกือบทั้งหมดถูกอิเลคตรอนและแอนตินิวตริโนพัดพาไป

ปฏิกิริยานิวเคลียร์: ฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียม

การปล่อยนิวตรอนโดยตรงจากนิวไคลด์ที่มีนิวไคลด์มากเกินไปจะทำให้แน่ใจได้ว่าไม่น่าจะมีเสถียรภาพของนิวเคลียส ประเด็นคือไม่มีการผลักคูลอมบ์ ดังนั้นพลังงานพื้นผิวจึงมีแนวโน้มที่จะรักษานิวตรอนให้ผูกพันกับพ่อแม่ อย่างไรก็ตาม บางครั้งสิ่งนี้ก็เกิดขึ้น ตัวอย่างเช่น ชิ้นส่วนฟิชชัน 90 Br ในระยะการสลายตัวของเบต้าแรกจะผลิตคริปทอน-90 ซึ่งสามารถอยู่ในสถานะตื่นเต้นด้วยพลังงานเพียงพอที่จะเอาชนะพลังงานพื้นผิว ในกรณีนี้ การปล่อยนิวตรอนสามารถเกิดขึ้นได้โดยตรงกับการก่อตัวของคริปทอน-89 ยังคงไม่เสถียรในแง่ของการสลายตัว β จนกระทั่งแปลงเป็นอิตเทรียม-89 ที่เสถียร ดังนั้นคริปทอน-89 จะสลายตัวในสามขั้นตอน

การแตกตัวของนิวเคลียสยูเรเนียม: ปฏิกิริยาลูกโซ่

นิวตรอนที่ปล่อยออกมาในปฏิกิริยาฟิชชันสามารถดูดซับโดยนิวเคลียสต้นกำเนิดอีกตัวหนึ่ง ซึ่งจากนั้นตัวมันเองผ่านการเหนี่ยวนำให้เกิดฟิชชัน ในกรณีของยูเรเนียม-238 นิวตรอนสามตัวที่ผลิตออกมาจะมีพลังงานน้อยกว่า 1 MeV (พลังงานที่ปล่อยออกมาในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียสของยูเรเนียม - 158 MeV - ส่วนใหญ่จะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์ของเศษส่วนฟิชชัน ) จึงไม่สามารถทำให้นิวไคลด์แตกตัวได้อีก อย่างไรก็ตาม ที่ความเข้มข้นอย่างมีนัยสำคัญของไอโซโทปหายาก 235 U นิวตรอนอิสระเหล่านี้สามารถจับได้โดยนิวเคลียส 235 U ซึ่งสามารถทำให้เกิดฟิชชันได้อย่างแท้จริง เนื่องจากในกรณีนี้ ไม่มีขีดจำกัดของพลังงานซึ่งไม่เกิดฟิชชัน

นี่คือหลักการของปฏิกิริยาลูกโซ่

ประเภทของปฏิกิริยานิวเคลียร์

ให้ k เป็นจำนวนนิวตรอนที่ผลิตในตัวอย่างวัสดุฟิชไซล์ในระยะ n ของสายโซ่นี้ หารด้วยจำนวนนิวตรอนที่ผลิตในระยะ n - 1 จำนวนนี้จะขึ้นอยู่กับจำนวนนิวตรอนที่ผลิตในระยะ n - 1 ที่ถูกดูดซับ โดยนิวเคลียสซึ่งอาจบังคับให้แบ่ง

ถ้า 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.

ถ้า k > 1 ปฏิกิริยาลูกโซ่จะเพิ่มขึ้นจนกว่าจะใช้วัสดุฟิชไซล์ทั้งหมด ซึ่งทำได้ โดยการเพิ่มแร่ธรรมชาติเพื่อให้ได้ยูเรเนียม-235 ที่มีความเข้มข้นมากพอ สำหรับตัวอย่างทรงกลม ค่าของ k จะเพิ่มขึ้นตามความน่าจะเป็นในการดูดกลืนนิวตรอนที่เพิ่มขึ้น ซึ่งขึ้นอยู่กับรัศมีของทรงกลม ดังนั้นมวล U ต้องเกินจำนวนหนึ่งจึงจะเกิดปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียม (ปฏิกิริยาลูกโซ่)

ถ้า k = 1 จะเกิดปฏิกิริยาควบคุม ใช้ในกระบวนการควบคุมโดยการกระจายแคดเมียมหรือแท่งโบรอนระหว่างยูเรเนียม ซึ่งดูดซับนิวตรอนส่วนใหญ่ (องค์ประกอบเหล่านี้มีความสามารถในการจับนิวตรอน) ฟิชชันของนิวเคลียสของยูเรเนียมจะถูกควบคุมโดยอัตโนมัติโดยการเคลื่อนที่ของแท่งในลักษณะที่ค่า k ยังคงเท่ากับหนึ่ง

เลือกไอโซโทปที่เหมาะสมธาตุหรือไอโซโทปบางชนิดผ่านการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี และไอโซโทปที่แตกต่างกันอาจมีพฤติกรรมแตกต่างกัน ไอโซโทปของยูเรเนียมที่พบบ่อยที่สุดมีน้ำหนักอะตอมเท่ากับ 238 และประกอบด้วยโปรตอน 92 ตัวและนิวตรอน 146 ตัว แต่นิวเคลียสของมันมักจะดูดซับนิวตรอนโดยไม่แยกออกเป็นนิวเคลียสของธาตุที่เบากว่า ไอโซโทปของยูเรเนียมซึ่งมีนิวเคลียสน้อยกว่าสามนิวตรอนคือ 235 U การแยกตัวได้ง่ายกว่า 238 U มาก และเรียกว่าไอโซโทปแบบฟิชไซล์

• การแยกตัวของยูเรเนียมจะปล่อยนิวตรอนสามตัวที่ชนกับอะตอมของยูเรเนียมอื่น ส่งผลให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่
• ไอโซโทปแตกตัวได้ง่ายและรวดเร็วจนเป็นไปไม่ได้ที่จะรักษาปฏิกิริยานิวเคลียร์ให้คงที่ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการสลายตัวที่เกิดขึ้นเองหรือเกิดขึ้นเอง ตัวอย่างเช่น ไอโซโทปพลูโทเนียม 240 Pu มีการสลายตัว ตรงกันข้ามกับ 239 Pu ที่มีอัตราการแตกตัวที่ต่ำกว่า

เพื่อให้ปฏิกิริยาดำเนินต่อไปหลังจากการสลายตัวของอะตอมแรก ต้องรวบรวมไอโซโทปให้เพียงพอในการทำเช่นนี้ จำเป็นต้องมีไอโซโทปฟิชไซล์ในปริมาณขั้นต่ำที่จะสนับสนุนปฏิกิริยา ปริมาณนี้เรียกว่ามวลวิกฤต จำเป็นต้องมีวัสดุตั้งต้นที่เพียงพอเพื่อให้ได้มวลวิกฤตและเพิ่มความน่าจะเป็นของการสลายตัว

ในปี พ.ศ. 2482Albert Einsteinหันไปหาประธานาธิบดีรูสเวลต์ด้วยข้อเสนอที่จะพยายามทุกวิถีทางเพื่อควบคุมพลังงานของการสลายตัวของปรมาณูต่อหน้าพวกนาซี เมื่อถึงเวลานั้นได้อพยพมาจากฟาสซิสต์อิตาลีเอนริโก แฟร์มีได้แก้ไขปัญหานี้ที่มหาวิทยาลัยโคลัมเบียแล้ว

(ในห้องเร่งอนุภาคของ European Laboratory of Particle Physics (เซิร์น) ซึ่งเป็นศูนย์กลางที่ใหญ่ที่สุดในยุโรป จำเป็นต้องมีโครงสร้างขนาดมหึมาเพื่อศึกษาอนุภาคที่เล็กที่สุด)

บทนำ

ในปี ค.ศ. 1854 ชาวเยอรมัน ไฮน์ริช ไกส์เลอร์. (1814-79) ได้ประดิษฐ์หลอดแก้วสูญญากาศที่มีอิเล็กโทรดเรียกว่าหลอด Heusler และปั๊มปรอทซึ่งทำให้ได้สุญญากาศสูง โดยการเชื่อมต่อขดลวดเหนี่ยวนำไฟฟ้าแรงสูงกับขั้วไฟฟ้าของท่อ เขาได้รับแสงสีเขียวบนกระจกที่อยู่ตรงข้ามกับขั้วลบ ในปี พ.ศ. 2419 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Evgeny Goldstein(ค.ศ. 1850-1931) ชี้ว่าแสงนี้เกิดจากรังสีที่ปล่อยออกมาจากแคโทด และเรียกรังสีเหล่านี้ว่าแคโทด

(นักฟิสิกส์ชาวนิวซีแลนด์ Ernest Rutherford (1871-1937) ที่ Cavendish Laboratory ที่ University of Cambridge ซึ่งเขารับช่วงต่อในปี 1919)

อิเล็กตรอน

นักวิทยาศาสตร์ภาษาอังกฤษ วิลเลียม ครูกส์(1832-1919) ปรับปรุงท่อ Geisler และแสดงความเป็นไปได้ในการเบี่ยงเบนรังสีแคโทดด้วยสนามแม่เหล็ก ในปีพ.ศ. 2440 โจเซฟ ทอมสัน นักวิจัยชาวอังกฤษอีกคนหนึ่งแนะนำว่ารังสีเป็นอนุภาคที่มีประจุลบ และกำหนดมวลของพวกมัน ซึ่งกลายเป็นว่าน้อยกว่ามวลของอะตอมไฮโดรเจนประมาณ 2,000 เท่า เขาเรียกอนุภาคเหล่านี้ว่าอิเล็กตรอน โดยใช้ชื่อที่แนะนำเมื่อหลายปีก่อนโดยนักฟิสิกส์ชาวไอริช George Stoney(1826-1911) ซึ่งคำนวณตามทฤษฎีขนาดของประจุ ดังนั้นการแตกตัวของอะตอมจึงปรากฏชัด ทอมสันเสนอแบบจำลองที่อิเล็กตรอนถูกฝังอยู่ในอะตอมเหมือนลูกเกดในเค้ก และในไม่ช้าอนุภาคอื่น ๆ ที่ประกอบเป็นอะตอมก็ถูกค้นพบ ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2438 เขาเริ่มทำงานที่ห้องปฏิบัติการคาเวนดิช เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด(1871-1937) ซึ่งร่วมกับทอมสันได้เริ่มศึกษากัมมันตภาพรังสีของยูเรเนียมและค้นพบอนุภาคสองประเภทที่ปล่อยออกมาจากอะตอมของธาตุนี้ เขาเรียกอนุภาคที่มีประจุและมวลของอนุภาคอิเล็กตรอนบีตา และอื่นๆ ที่มีประจุบวก โดยมีมวลเท่ากับมวลของอะตอมไฮโดรเจน 4 อะตอม อนุภาคแอลฟา นอกจากนี้ อะตอมของยูเรเนียมยังเป็นแหล่งของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูง - รังสีแกมมา

(Otto Hahn และ Lise Meitner ในปี พ.ศ. 2488 กานเคยเป็นถูกกักขังโดยพันธมิตรในอังกฤษและมีเพียงเขาเท่านั้นที่ได้เรียนรู้เกี่ยวกับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี ค.ศ. 1944 "สำหรับการค้นพบการแตกตัวของนิวเคลียสหนัก")

โปรตอน

ในปี พ.ศ. 2429 โกลด์สตีนค้นพบรังสีอีกชนิดหนึ่งที่แพร่กระจายไปในทิศทางตรงกันข้ามกับรังสีแคโทด และเขาเรียกพวกมันว่ารังสีแคโทด ภายหลังได้รับการพิสูจน์แล้วว่าประกอบด้วยไอออนของอะตอม รัทเทอร์ฟอร์ดเสนอให้ตั้งชื่อไฮโดรเจนไอออนบวกโปรน้ำเสียง (จากภาษากรีกโปรตอน- ครั้งแรก) เนื่องจากเขาถือว่านิวเคลียสของไฮโดรเจนเป็นส่วนสำคัญของนิวเคลียสของอะตอมของธาตุอื่นๆ ทั้งหมด ดังนั้นในตอนต้นของศตวรรษที่ XX การมีอยู่ของอนุภาคย่อยสามอะตอม: อิเล็กตรอน โปรตอน และอนุภาคแอลฟา ที่1907 คุณรัทเทอร์ฟอร์ดเป็นศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ ที่นี่ พยายามหาโครงสร้างของอะตอม เขาทำการทดลองที่มีชื่อเสียงของเขาเกี่ยวกับการกระเจิงของอนุภาคแอลฟา จากการตรวจสอบเส้นทางของอนุภาคเหล่านี้ผ่านฟอยล์โลหะบาง ๆ เขาได้ข้อสรุปว่าในใจกลางของอะตอมมีนิวเคลียสหนาแน่นขนาดเล็กที่สามารถสะท้อนอนุภาคแอลฟาได้ ผู้ช่วยของรัทเทอร์ฟอร์ดในขณะนั้นคือนักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์กวัยหนุ่มNiels Bohr(1885-1962), ซึ่งใน1913 BC ตามทฤษฎีควอนตัมที่สร้างขึ้นใหม่ได้เสนอแบบจำลองโครงสร้างของอะตอมที่เรียกว่ารุ่น Rutherford-Bohr. ในนั้นอิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสเหมือนดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์

( Enrico Fermi (1901-54) ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1938 จากผลงานการฉายรังสีของสารด้วยนิวตรอน ในปี ค.ศ. 1942 เขาได้แสดงปฏิกิริยาลูกโซ่แบบค้ำจุนตนเองของการสลายตัวของนิวเคลียสของอะตอม)

โมเดลอะตอม

ในแบบจำลองแรกนี้ นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนที่มีประจุบวกและอิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งที่ทำให้ประจุเป็นกลางบางส่วน นอกจากนี้ อิเล็กตรอนเพิ่มเติมเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ นิวเคลียส ซึ่งมีประจุทั้งหมดเท่ากับประจุบวกของนิวเคลียสอนุภาคอัลฟ่าเช่นเดียวกับนิวเคลียสของอะตอมฮีเลียมควรประกอบด้วย4 โปรตอนและ2 อิเล็กตรอนผ่านไปแล้ว10 ปีก่อนที่โมเดลนี้จะได้รับการแก้ไข ที่1930 เยอรมัน วอลเตอร์ โบเท(1891-1957) ประกาศการค้นพบรังสีกัมมันตภาพรังสีชนิดใหม่ที่เกิดขึ้นจากการฉายรังสีเบริลเลียมด้วยอนุภาคแอลฟา คนอังกฤษเจมส์ แชดวิก(1891-1974) ทำการทดลองซ้ำๆ และได้ข้อสรุปว่าการแผ่รังสีนี้ประกอบด้วยอนุภาคที่มีมวลเท่ากับโปรตอน แต่ไม่มีประจุไฟฟ้า พวกเขาถูกเรียกว่านิวตรอน แล้วคนเยอรมันแวร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก(1901-76) เสนอแบบจำลองอะตอม ซึ่งนิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนเท่านั้นทีมวิจัยกับหนึ่งในเครื่องเร่งอนุภาคขนาดเล็กกว่าอะตอม -ไซโคลตรอน(1932). อุปกรณ์นี้ออกแบบมาเพื่อเร่งอนุภาคแล้วทิ้งระเบิดด้วยเป้าหมายพิเศษ

(กลุ่มนักวิจัยที่มีเครื่องเร่งอนุภาคย่อยอะตอมตัวแรกคือ ไซโคลตรอน (1932) อุปกรณ์นี้ออกแบบมาเพื่อเร่งอนุภาคแล้วทิ้งระเบิดด้วยเป้าหมายพิเศษ)

การแยกอะตอม

นักฟิสิกส์ทั่วโลกเห็นในทันทีว่านิวตรอนเป็นเครื่องมือในอุดมคติสำหรับอิทธิพลของอะตอม อนุภาคหนักและไม่มีประจุเหล่านี้สามารถแทรกซึมเข้าไปในนิวเคลียสของอะตอมได้อย่างง่ายดาย ที่1934-36 อิตาลี เอนริโก แฟร์มี(1901-54) ได้รับความช่วยเหลือแล้ว37 ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีของธาตุต่างๆ เมื่อดูดซับนิวตรอน นิวเคลียสของอะตอมจึงไม่เสถียรและปล่อยพลังงานออกมาในรูปของรังสีแกมมา Fermi ฉายรังสียูเรเนียมด้วยนิวตรอนด้วยความหวังก่อนเปลี่ยนให้เป็นธาตุใหม่ - "ยูเรเนียม" ในทิศทางเดียวกับงานในเบอร์ลิน ชาวเยอรมัน Otto Hahn(1879-1 สและออสเตรียนLise Meitner(1878 - 1968). ที่1938 ไมต์เนอร์หนีพวกนาซีไปสตอกโฮล์มและทำงานด้วยฟรีดริช สตราสมันน์(1902-80). ในไม่ช้า ฮาห์นและไมต์เนอร์ ได้ทำการทดลองต่อและเปรียบเทียบผลลัพธ์โดยการติดต่อสื่อสารกัน ได้ค้นพบการก่อตัวของแบเรียมกัมมันตภาพรังสีในยูเรเนียมที่ฉายรังสีด้วยนิวตรอน ไมต์เนอร์แนะนำว่าฉันเป็นอะตอมของยูเรเนียม (เลขอะตอม92) การแข่งขันแบ่งออกเป็นสองนิวเคลียส: แบเรียม (เลขอะตอมของธาตุที่มีตัวเลข43 ภายหลังได้ชื่อว่าเทคโนโลยี). ดังนั้นจึงค้นพบความเป็นไปได้ของการแยกนิวเคลียสของอะตอม นอกจากนี้ยังพบว่าในระหว่างการทำลายนิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียม2-3 นิวตรอนซึ่งในทางกลับกันสามารถเริ่มต้นการสลายตัวของอะตอมยูเรเนียมทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ด้วยการปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาล ...