Članek govori o tem, kaj je jedrska cepitev, kako je bil ta proces odkrit in opisan. Razkrita je njegova uporaba kot vir energije in jedrskega orožja.
"Nedeljiv" atom
Enaindvajseto stoletje je polno izrazov, kot so "energija atoma", "jedrska tehnologija", "radioaktivni odpadki". Vsake toliko se v časopisnih naslovih bliskovito pojavljajo sporočila o možnosti radioaktivne kontaminacije tal, oceanov, ledu Antarktike. Vendar navaden človek pogosto nima zelo dobre predstave o tem, kaj je to področje znanosti in kako pomaga v vsakdanjem življenju. Morda je vredno začeti z zgodovino. Že pri prvem vprašanju, ki ga je zastavil dobro nahranjen in oblečen človek, ga je zanimalo, kako deluje svet. Kako oko vidi, zakaj uho sliši, kako se voda razlikuje od kamna - to je skrbelo modrece že od nekdaj. Tudi v starodavni Indiji in Grčiji so nekateri radovedni umi predlagali, da obstaja minimalen delec (imenovan tudi "nedeljiv"), ki ima lastnosti materiala. Srednjeveški kemiki so potrdili ugibanje modrecev, sodobna definicija atoma pa je naslednja: atom je najmanjši delec snovi, ki je nosilec njenih lastnosti.
Deli atoma
Vendar razvoj tehnologije (vzlasti fotografija) je privedlo do dejstva, da atom ne velja več za najmanjši možni delec snovi. In čeprav je en sam atom električno nevtralen, so znanstveniki hitro ugotovili, da je sestavljen iz dveh delov z različnimi naboji. Število pozitivno nabitih delov kompenzira število negativnih, zato atom ostane nevtralen. Vendar ni bilo nedvoumnega modela atoma. Ker je v tem obdobju še vedno prevladovala klasična fizika, so bile podane različne predpostavke.
Atom modeli
Sprva je bil predlagan model "rozin zvitka". Pozitivni naboj je tako rekoč napolnil ves prostor atoma, negativni naboji pa so bili porazdeljeni v njem, kot rozine v žemlji. Slavni Rutherfordov poskus je ugotovil naslednje: zelo težak element s pozitivnim nabojem (jedro) se nahaja v središču atoma, okoli njega pa veliko lažji elektroni. Masa jedra je stokrat težja od vsote vseh elektronov (je 99,9 odstotkov mase celotnega atoma). Tako se je rodil Bohrov planetarni model atoma. Vendar so nekateri njeni elementi v nasprotju s takrat sprejeto klasično fiziko. Zato se je razvila nova, kvantna mehanika. Z njenim pojavom se je začelo neklasično obdobje znanosti.
Atom in radioaktivnost
Iz vsega naštetega postane jasno, da je jedro težak, pozitivno nabit del atoma, ki sestavlja njegovo večino. Ko so bili kvantizacija energije in položaji elektronov v orbiti atoma dobro razumljeni, je bil čas za razumevanjenarava atomskega jedra. Na pomoč je priskočila genialna in nepričakovano odkrita radioaktivnost. Pomagalo je razkriti bistvo težkega osrednjega dela atoma, saj je vir radioaktivnosti jedrska cepitev. Na prelomu iz devetnajstega v dvajseto stoletje so odkritja deževala eno za drugim. Teoretična rešitev enega problema je zahtevala nove poskuse. Iz rezultatov eksperimentov so se pojavile teorije in hipoteze, ki jih je bilo treba potrditi ali ovreči. Pogosto so največja odkritja prišla preprosto zato, ker je tako formulo postalo enostavno izračunati (kot na primer kvantna vrednost Maxa Plancka). Že na začetku dobe fotografije so znanstveniki vedeli, da uranove soli osvetlijo fotoobčutljiv film, vendar niso posumili, da je jedrska cepitev osnova tega pojava. Zato so preučevali radioaktivnost, da bi razumeli naravo jedrskega razpada. Očitno so sevanje ustvarili s kvantnimi prehodi, vendar ni bilo povsem jasno, kateri. Curijevi so kopali čisti radij in polonij, skoraj ročno delali v uranovi rudi, da bi odgovorili na to vprašanje.
Naboj radioaktivnega sevanja
Rutherford je veliko naredil za preučevanje strukture atoma in prispeval k preučevanju, kako pride do cepitve atomskega jedra. Znanstvenik je sevanje, ki ga oddaja radioaktivni element, postavil v magnetno polje in dobil neverjeten rezultat. Izkazalo se je, da je sevanje sestavljeno iz treh komponent: ena je bila nevtralna, drugi dve pa pozitivno in negativno. Študija jedrske cepitve se je začela z opredelitvijo njenegakomponente. Dokazano je bilo, da se jedro lahko razdeli, odpove del pozitivnega naboja.
Struktura jedra
Pozneje se je izkazalo, da atomsko jedro sestavljajo ne le pozitivno nabiti protonski delci, ampak tudi nevtralni delci nevtronov. Skupaj se imenujejo nukleoni (iz angleškega "nucleus", jedro). Vendar so znanstveniki spet naleteli na težavo: masa jedra (to je število nukleonov) ni vedno ustrezala njegovemu naboju. V vodiku ima jedro naboj +1, masa pa je lahko tri, dva in ena. Helij, ki je naslednji v periodnem sistemu, ima jedrski naboj +2, medtem ko njegovo jedro vsebuje od 4 do 6 nukleonov. Kompleksnejši elementi imajo lahko veliko več različnih mas za isti naboj. Takšne variacije atomov imenujemo izotopi. Poleg tega so se nekateri izotopi izkazali za precej stabilne, drugi pa so hitro razpadli, saj je bila zanje značilna jedrska cepitev. Kateri princip je ustrezal številu nukleonov stabilnosti jeder? Zakaj je dodatek le enega nevtrona težkemu in precej stabilnemu jedru povzročil njegovo razcepitev, sproščanje radioaktivnosti? Nenavadno je, da odgovor na to pomembno vprašanje še ni bil najden. Empirično se je izkazalo, da stabilne konfiguracije atomskih jeder ustrezajo določenim količinam protonov in nevtronov. Če je v jedru 2, 4, 8, 50 nevtronov in/ali protonov, bo jedro zagotovo stabilno. Te številke imenujemo celo magija (in tako so jih poimenovali odrasli znanstveniki, jedrski fiziki). Tako je cepitev jeder odvisna od njihove mase, torej od števila vključenih nukleonov.
Kaplja, školjka, kristal
Faktorja, ki je v tem trenutku odgovoren za stabilnost jedra, ni bilo mogoče določiti. Obstaja veliko teorij o modelu strukture atoma. Trije najbolj znani in razviti si pogosto nasprotujejo glede različnih vprašanj. Po prvem je jedro kapljica posebne jedrske tekočine. Tako kot za vodo je tudi zanjo značilna pretočnost, površinska napetost, združevanje in razpad. V modelu lupine so v jedru tudi določene energijske ravni, ki so napolnjene z nukleoni. Tretji pravi, da je jedro medij, ki je sposoben lomiti posebne valove (de Broglie), medtem ko je lomni količnik potencialna energija. Vendar še noben model ni mogel v celoti opisati, zakaj se pri določeni kritični masi tega posebnega kemičnega elementa začne jedrska cepitev.
Kako so razpadi
Radioaktivnost, kot je navedeno zgoraj, je bila najdena v snoveh, ki jih najdemo v naravi: uran, polonij, radij. Na primer, sveže izkopan čisti uran je radioaktiven. Postopek delitve bo v tem primeru spontan. Brez zunanjih vplivov bo določeno število atomov urana oddajalo alfa delce, ki se spontano pretvorijo v torij. Obstaja indikator, ki se imenuje razpolovna doba. Kaže, za kakšno časovno obdobje od začetne številke dela bo ostala približno polovica. Za vsak radioaktivni element je razpolovna doba različna – od delčkov sekunde za Kalifornijo dona stotine tisoč let za uran in cezij. Obstaja pa tudi prisilna radioaktivnost. Če so jedra atomov bombardirana s protoni ali alfa delci (helijeva jedra) z visoko kinetično energijo, se lahko "razcepijo". Mehanizem preobrazbe je seveda drugačen od tega, kako se mamina najljubša vaza razbije. Vendar obstaja določena analogija.
Energija atoma
Zaenkrat še nismo odgovorili na praktično vprašanje: od kod prihaja energija med jedrsko cepitev. Za začetek je treba pojasniti, da med nastajanjem jedra delujejo posebne jedrske sile, ki se imenujejo močna interakcija. Ker je jedro sestavljeno iz številnih pozitivnih protonov, ostaja vprašanje, kako se držijo skupaj, saj jih morajo elektrostatične sile precej močno potiskati drug od drugega. Odgovor je preprost in ne hkrati: jedro drži skupaj z zelo hitro izmenjavo med nukleoni posebnih delcev - pi-mezonov. Ta povezava živi neverjetno kratko. Takoj, ko se izmenjava pi-mezonov ustavi, jedro razpade. Prav tako je zagotovo znano, da je masa jedra manjša od vsote vseh nukleonov, ki jih sestavlja. Ta pojav se imenuje napaka mase. Pravzaprav je manjkajoča masa energija, ki se porabi za vzdrževanje celovitosti jedra. Takoj ko se kakšen del loči od jedra atoma, se ta energija sprosti in pretvori v toploto v jedrskih elektrarnah. To pomeni, da je energija jedrske cepitve jasen prikaz slavne Einsteinove formule. Spomnimo se, da formula pravi: energija in masa se lahko spremenita druga v drugo (E=mc2).
Teorija in praksa
Zdaj vam bomo povedali, kako se to čisto teoretično odkritje uporablja v življenju za proizvodnjo gigavatov električne energije. Najprej je treba opozoriti, da nadzorovane reakcije uporabljajo prisilno jedrsko cepitev. Najpogosteje je to uran ali polonij, ki ga bombardirajo hitri nevtroni. Drugič, nemogoče je ne razumeti, da jedrsko cepitev spremlja ustvarjanje novih nevtronov. Posledično se lahko število nevtronov v reakcijskem območju zelo hitro poveča. Vsak nevtron trči v nova, še nedotaknjena jedra, jih razcepi, kar vodi do povečanega sproščanja toplote. To je verižna reakcija jedrske cepitve. Nenadzorovano povečanje števila nevtronov v reaktorju lahko povzroči eksplozijo. Prav to se je zgodilo leta 1986 v jedrski elektrarni v Černobilu. Zato je v reakcijskem območju vedno snov, ki absorbira odvečne nevtrone in preprečuje katastrofo. Je grafit v obliki dolgih palic. Hitrost jedrske cepitve lahko upočasnimo s potopitvijo palic v reakcijsko območje. Enačba jedrske reakcije je sestavljena posebej za vsako aktivno radioaktivno snov in delce, ki jo bombardirajo (elektroni, protoni, alfa delci). Vendar se končna izhodna energija izračuna v skladu z zakonom o ohranjanju: E1+E2=E3+E4. To pomeni, da mora biti skupna energija prvotnega jedra in delca (E1 + E2) enaka energiji nastalega jedra in energiji, ki se sprosti v prosti obliki (E3 + E4). Enačba jedrske reakcije kaže tudi, kakšna snov nastane kot posledica razpada. Na primer, za uran U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Izotopi elementov tukaj niso navedeni.vendar je to pomembno. Obstajajo na primer kar tri možnosti za cepitev urana, pri kateri nastajajo različni izotopi svinca in neona. V skoraj sto odstotkih primerov reakcija jedrske cepitve proizvaja radioaktivne izotope. To pomeni, da pri razpadu urana nastane radioaktivni torij. Torij lahko razpade v protaktinij, ta v aktinij itd. V tej seriji sta lahko radioaktivna tako bizmut kot titan. Tudi vodik, ki vsebuje dva protona v jedru (s hitrostjo enega protona), se imenuje drugače – devterij. Voda, ki nastane s takim vodikom, se imenuje težka voda in polni primarni krog v jedrskih reaktorjih.
Nemirni atom
Takšni izrazi, kot so "oboroževalna tekma", "hladna vojna", "jedrska grožnja", se sodobnemu človeku morda zdijo zgodovinski in nepomembni. Nekoč pa so vsako objavo novic skoraj po vsem svetu spremljala poročila o tem, koliko vrst jedrskega orožja je bilo izumljenih in kako ravnati z njim. Ljudje so gradili podzemne bunkerje in zaloge za primer jedrske zime. Za gradnjo zavetišča so delale cele družine. Tudi miroljubna uporaba reakcij jedrske cepitve lahko privede do katastrofe. Zdi se, da je Černobil človeštvo naučil biti previden na tem področju, vendar so se elementi planeta izkazali za močnejše: potres na Japonskem je poškodoval zelo zanesljive utrdbe jedrske elektrarne Fukušima. Energijo jedrske reakcije je veliko lažje uporabiti za uničenje. Tehnologi morajo le omejiti silo eksplozije, da ne bi slučajno uničili celotnega planeta. Najbolj »humane« bombe, če jim lahko tako rečete, ne onesnažujejo okolice s sevanjem. Na splošno najpogosteje uporabljajonenadzorovana verižna reakcija. Česar se v jedrskih elektrarnah skušajo izogniti, se v bombah doseže na zelo primitiven način. Za vsak naravno radioaktiven element obstaja določena kritična masa čiste snovi, v kateri se sama rojeva verižna reakcija. Za uran je na primer le petdeset kilogramov. Ker je uran zelo težak, je le majhna kovinska kroglica s premerom 12-15 centimetrov. Prve atomske bombe, odvržene na Hirošimo in Nagasaki, so bile narejene točno po tem principu: dva neenaka dela čistega urana sta se preprosto združila in ustvarila grozljivo eksplozijo. Sodobno orožje je verjetno bolj izpopolnjeno. Vendar ne smemo pozabiti na kritično maso: med skladiščenjem morajo biti pregrade med majhnimi količinami čiste radioaktivne snovi, ki preprečujejo, da bi se deli povezali.
Viri sevanja
Vsi elementi z jedrskim nabojem večjim od 82 so radioaktivni. Skoraj vsi lažji kemični elementi imajo radioaktivne izotope. Čim težje je jedro, tem krajša je njegova življenjska doba. Nekatere elemente (na primer Kalifornijo) je mogoče dobiti le umetno – s trkom težkih atomov z lažjimi delci, največkrat v pospeševalnikih. Ker so zelo nestabilni, jih v zemeljski skorji ni: med nastankom planeta so zelo hitro razpadli na druge elemente. Snovi z lažjimi jedri, kot je uran, je mogoče rudariti. Ta proces je dolg, uran, primeren za pridobivanje, tudi v zelo bogatih rudah, vsebuje manj kot en odstotek. tretji način,morda kaže, da se je že začela nova geološka doba. To je pridobivanje radioaktivnih elementov iz radioaktivnih odpadkov. Ko se gorivo porabi v elektrarni, na podmornici ali letalonosilki, dobimo mešanico izvirnega urana in končne snovi, ki je posledica cepitve. Trenutno to velja za trdne radioaktivne odpadke in je pereče vprašanje, kako jih odstraniti, da ne onesnažujejo okolja. Vendar je verjetno, da bodo v bližnji prihodnosti iz teh odpadkov izkopavali že pripravljene koncentrirane radioaktivne snovi (na primer polonij).
