Bài báo nói về sự phân hạch hạt nhân là gì, quá trình này được phát hiện và mô tả như thế nào. Việc sử dụng nó như một nguồn năng lượng và vũ khí hạt nhân được tiết lộ.
Nguyên tử "không thể phân chia"
Thế kỷ XXI tràn ngập những biểu hiện như "năng lượng của nguyên tử", "công nghệ hạt nhân", "chất thải phóng xạ". Thỉnh thoảng trên các tờ báo lại xuất hiện những thông điệp về khả năng ô nhiễm phóng xạ của đất, đại dương, băng ở Nam Cực. Tuy nhiên, một người bình thường thường không có một ý tưởng tốt về lĩnh vực khoa học này là gì và nó giúp ích như thế nào trong cuộc sống hàng ngày. Nó có giá trị bắt đầu, có lẽ, với lịch sử. Ngay từ câu hỏi đầu tiên, được hỏi bởi một người ăn mặc đẹp, anh ta đã quan tâm đến cách thế giới vận hành. Mắt thấy, tai nghe ra sao, nước khác đá như thế nào - đây là điều khiến các nhà thông thái thời xưa lo lắng. Ngay cả ở Ấn Độ và Hy Lạp cổ đại, một số bộ óc tò mò đã gợi ý rằng có một hạt tối thiểu (nó còn được gọi là "không thể phân chia") có các đặc tính của vật liệu. Các nhà hóa học thời trung cổ đã xác nhận suy đoán của các nhà hiền triết và định nghĩa hiện đại về nguyên tử như sau: nguyên tử là hạt nhỏ nhất của một chất mang các đặc tính của nó.
Các bộ phận của nguyên tử
Tuy nhiên, sự phát triển của công nghệ (trongđặc biệt là nhiếp ảnh) đã dẫn đến thực tế là nguyên tử không còn được coi là hạt vật chất nhỏ nhất có thể. Và mặc dù một nguyên tử là trung hòa về điện, các nhà khoa học nhanh chóng nhận ra rằng nó bao gồm hai phần với các điện tích khác nhau. Số phần mang điện tích dương bù số phần âm nên nguyên tử vẫn trung hòa. Nhưng không có mô hình nguyên tử rõ ràng nào. Vì vật lý cổ điển vẫn thống trị trong thời kỳ đó, nên nhiều giả thiết khác nhau đã được đưa ra.
Mô hình Atom
Lúc đầu, mô hình "cuộn nho khô" được đề xuất. Điện tích dương, như nó vốn có, lấp đầy toàn bộ không gian của nguyên tử, và các điện tích âm được phân bố trong nó, giống như những hạt nho khô trong một cái bánh. Thí nghiệm nổi tiếng của Rutherford đã xác định điều sau: một nguyên tố rất nặng mang điện tích dương (hạt nhân) nằm ở trung tâm của nguyên tử, và các electron nhẹ hơn nhiều nằm xung quanh. Khối lượng của hạt nhân nặng gấp hàng trăm lần tổng của tất cả các electron (nó bằng 99,9 phần trăm khối lượng của toàn bộ nguyên tử). Do đó, mô hình hành tinh của nguyên tử Bohr đã ra đời. Tuy nhiên, một số yếu tố của nó mâu thuẫn với vật lý cổ điển được chấp nhận lúc bấy giờ. Do đó, một cơ học lượng tử mới đã được phát triển. Với sự xuất hiện của nó, thời kỳ phi cổ điển của khoa học đã bắt đầu.
Nguyên tử và phóng xạ
Từ tất cả những điều trên, có thể thấy rõ rằng hạt nhân là một phần nặng, mang điện tích dương của nguyên tử, tạo nên phần lớn của nó. Khi lượng tử hóa năng lượng và vị trí của các electron trên quỹ đạo của một nguyên tử đã được hiểu rõ, đã đến lúc hiểubản chất của hạt nhân nguyên tử. Người tài tình và bất ngờ phát hiện ra chất phóng xạ đã đến ứng cứu. Nó đã giúp tiết lộ bản chất của phần trung tâm nặng của nguyên tử, vì nguồn phóng xạ là sự phân hạch hạt nhân. Vào đầu thế kỷ 19 và 20, những khám phá lần lượt xuất hiện. Giải pháp lý thuyết của một vấn đề đòi hỏi những thí nghiệm mới. Kết quả của các thí nghiệm đã làm nảy sinh các lý thuyết và giả thuyết cần được xác nhận hoặc bác bỏ. Thường thì những khám phá vĩ đại nhất xuất hiện đơn giản vì đó là cách công thức trở nên dễ tính toán (ví dụ như lượng tử của Max Planck). Ngay cả vào thời kỳ đầu của kỷ nguyên nhiếp ảnh, các nhà khoa học đã biết rằng muối uranium làm phát sáng một màng cảm quang, nhưng họ không nghi ngờ rằng sự phân hạch hạt nhân là cơ sở của hiện tượng này. Do đó, phóng xạ đã được nghiên cứu để tìm hiểu bản chất của sự phân rã hạt nhân. Rõ ràng, bức xạ được tạo ra bởi quá trình chuyển đổi lượng tử, nhưng không hoàn toàn rõ ràng là bức xạ nào. Curies đã khai thác rađi và poloni nguyên chất, gần như làm bằng tay trong quặng uranium, để trả lời câu hỏi này.
Điện tích của bức xạ phóng xạ
Rutherford đã nghiên cứu rất nhiều về cấu trúc của nguyên tử và đóng góp vào việc nghiên cứu cách thức phân hạch của hạt nhân nguyên tử xảy ra. Nhà khoa học đã đặt bức xạ do một nguyên tố phóng xạ phát ra trong từ trường và thu được một kết quả đáng kinh ngạc. Hóa ra bức xạ bao gồm ba thành phần: một thành phần trung tính, và hai thành phần còn lại mang điện tích dương và âm. Nghiên cứu về sự phân hạch hạt nhân bắt đầu với định nghĩa của nócác thành phần. Người ta đã chứng minh rằng hạt nhân có thể phân chia, từ bỏ một phần điện tích dương của nó.
Cấu trúc của hạt nhân
Sau này người ta phát hiện ra rằng hạt nhân nguyên tử không chỉ bao gồm các hạt proton mang điện dương mà còn bao gồm các hạt trung hòa của neutron. Cùng nhau, chúng được gọi là nucleon (từ tiếng Anh là "hạt nhân", hạt nhân). Tuy nhiên, các nhà khoa học lại gặp phải một vấn đề: khối lượng của hạt nhân (tức là số nucleon) không phải lúc nào cũng tương ứng với điện tích của nó. Trong hydro, hạt nhân có điện tích +1, và khối lượng có thể là ba, hai và một. Heli tiếp theo trong bảng tuần hoàn có điện tích hạt nhân là +2, trong khi hạt nhân của nó chứa từ 4 đến 6 nucleon. Các nguyên tố phức tạp hơn có thể có nhiều khối lượng khác nhau cho cùng một điện tích. Những biến thể như vậy của nguyên tử được gọi là đồng vị. Hơn nữa, một số đồng vị hóa ra khá ổn định, trong khi những đồng vị khác nhanh chóng bị phân rã, vì chúng được đặc trưng bởi sự phân hạch hạt nhân. Nguyên tắc nào tương ứng với số lượng nucleon của sự ổn định của các hạt nhân? Tại sao việc bổ sung chỉ một nơtron vào một hạt nhân nặng và khá bền lại dẫn đến sự phân tách của nó, giải phóng ra chất phóng xạ? Thật kỳ lạ, câu trả lời cho câu hỏi quan trọng này vẫn chưa được tìm ra. Theo kinh nghiệm, hóa ra cấu hình ổn định của hạt nhân nguyên tử tương ứng với một số lượng nhất định của proton và neutron. Nếu có 2, 4, 8, 50 neutron và / hoặc proton trong hạt nhân, thì hạt nhân đó chắc chắn sẽ ổn định. Những con số này thậm chí còn được gọi là ma thuật (và các nhà khoa học trưởng thành, các nhà vật lý hạt nhân, đã gọi chúng như vậy). Do đó, sự phân hạch của các hạt nhân phụ thuộc vào khối lượng của chúng, tức là vào số lượng nucleon có trong chúng.
Giọt, vỏ, pha lê
Hiện tại không thể xác định yếu tố chịu trách nhiệm cho sự ổn định của lõi. Có nhiều lý thuyết về mô hình cấu trúc của nguyên tử. Ba công ty nổi tiếng và phát triển nhất thường mâu thuẫn với nhau về các vấn đề khác nhau. Theo cách thứ nhất, hạt nhân là một giọt chất lỏng hạt nhân đặc biệt. Giống như nước, nó được đặc trưng bởi tính lưu động, sức căng bề mặt, sự kết tụ và phân rã. Trong mô hình vỏ, cũng có những mức năng lượng nhất định trong hạt nhân, chúng chứa đầy các nucleon. Điều thứ ba nói rằng lõi là môi trường có khả năng khúc xạ các sóng đặc biệt (de Broglie), trong khi chiết suất là thế năng. Tuy nhiên, vẫn chưa có mô hình nào có thể mô tả đầy đủ lý do tại sao ở một khối lượng tới hạn nhất định của nguyên tố hóa học cụ thể này, quá trình phân hạch hạt nhân lại bắt đầu.
Chia tay là như thế nào
Phóng xạ, như đã đề cập ở trên, được tìm thấy trong các chất có thể tìm thấy trong tự nhiên: uranium, polonium, radium. Ví dụ, uranium nguyên chất mới khai thác có tính phóng xạ. Quá trình chia tách trong trường hợp này sẽ là tự phát. Nếu không có bất kỳ tác động bên ngoài nào, một số lượng nguyên tử uranium nhất định sẽ phát ra các hạt alpha, chuyển đổi một cách tự nhiên thành thorium. Có một chỉ số được gọi là chu kỳ bán rã. Nó cho biết trong khoảng thời gian nào kể từ con số ban đầu của phần còn lại khoảng một nửa. Đối với mỗi nguyên tố phóng xạ, chu kỳ bán rã khác nhau - từ phần nhỏ của giây đối với California đếnhàng trăm nghìn năm đối với uranium và cesium. Nhưng cũng có hiện tượng phóng xạ cưỡng bức. Nếu hạt nhân của nguyên tử bị bắn phá bằng proton hoặc hạt alpha (hạt nhân heli) với động năng cao, chúng có thể "tách ra". Cơ chế biến đổi, tất nhiên, khác với cách chiếc bình yêu thích của mẹ bị vỡ. Tuy nhiên, có một sự tương đồng nhất định.
Năng lượng nguyên tử
Cho đến nay, chúng ta vẫn chưa trả lời được một câu hỏi thực tế: năng lượng đến từ đâu trong quá trình phân hạch hạt nhân. Để bắt đầu, cần phải làm rõ rằng trong quá trình hình thành hạt nhân, các lực hạt nhân đặc biệt tác động, được gọi là tương tác mạnh. Vì hạt nhân được tạo thành từ nhiều proton dương, câu hỏi vẫn là làm thế nào chúng dính với nhau, bởi vì lực tĩnh điện phải đẩy chúng ra xa nhau khá mạnh. Câu trả lời vừa đơn giản nhưng không đồng thời: hạt nhân được tổ chức với nhau bằng sự trao đổi rất nhanh giữa các nucleon của các hạt đặc biệt - meson pi. Kết nối này tồn tại cực kỳ ngắn. Ngay sau khi sự trao đổi của các meson pi ngừng lại, hạt nhân bị phân rã. Người ta cũng biết chắc chắn rằng khối lượng của một hạt nhân nhỏ hơn tổng của tất cả các nucleon cấu thành của nó. Hiện tượng này được gọi là khuyết tật khối lượng. Trên thực tế, khối lượng còn thiếu là năng lượng được sử dụng để duy trì tính toàn vẹn của hạt nhân. Ngay sau khi một phần nào đó được tách ra khỏi hạt nhân của nguyên tử, năng lượng này sẽ được giải phóng và chuyển hóa thành nhiệt trong các nhà máy điện hạt nhân. Đó là, năng lượng của sự phân hạch hạt nhân là một minh chứng rõ ràng cho công thức Einstein nổi tiếng. Nhớ lại rằng công thức nói: năng lượng và khối lượng có thể chuyển thành nhau (E=mc2).
Lý thuyết và thực hành
Bây giờ chúng tôi sẽ cho bạn biết khám phá thuần túy lý thuyết này được sử dụng như thế nào trong cuộc sống để tạo ra gigawatt điện. Đầu tiên, cần lưu ý rằng các phản ứng có kiểm soát sử dụng quá trình phân hạch hạt nhân cưỡng bức. Thông thường nó là uranium hoặc polonium, bị bắn phá bởi các neutron nhanh. Thứ hai, không thể không hiểu rằng sự phân hạch hạt nhân đi kèm với việc tạo ra các neutron mới. Kết quả là số lượng neutron trong vùng phản ứng có thể tăng lên rất nhanh. Mỗi nơtron va chạm với các hạt nhân mới, vẫn còn nguyên vẹn, chia tách chúng, dẫn đến sự tăng tỏa nhiệt. Đây là chuỗi phản ứng phân hạch hạt nhân. Sự gia tăng không kiểm soát được số lượng neutron trong lò phản ứng có thể dẫn đến một vụ nổ. Đây chính xác là những gì đã xảy ra vào năm 1986 tại nhà máy điện hạt nhân Chernobyl. Vì vậy, trong vùng phản ứng luôn tồn tại một chất hút các nơtron dư thừa, đề phòng tai biến. Nó là than chì ở dạng thanh dài. Tốc độ phân hạch hạt nhân có thể được làm chậm lại bằng cách nhúng các thanh vào vùng phản ứng. Phương trình phản ứng hạt nhân được biên soạn cụ thể cho từng chất phóng xạ hoạt động và các hạt bắn phá nó (electron, proton, hạt alpha). Tuy nhiên, sản lượng năng lượng cuối cùng được tính theo định luật bảo toàn: E1 + E2=E3 + E4. Tức là tổng năng lượng của hạt nhân và hạt ban đầu (E1 + E2) phải bằng năng lượng của hạt nhân tạo thành và năng lượng giải phóng ở dạng tự do (E3 + E4). Phương trình phản ứng hạt nhân cũng cho biết loại chất nào thu được là kết quả của sự phân rã. Ví dụ, đối với uranium U=Th + He, U=Pb + Ne, U=Hg + Mg. Các đồng vị của các nguyên tố không được liệt kê ở đây.tuy nhiên, điều này là quan trọng. Ví dụ, có tới ba khả năng cho sự phân hạch của uranium, trong đó các đồng vị khác nhau của chì và neon được hình thành. Trong gần một trăm phần trăm trường hợp, phản ứng phân hạch hạt nhân tạo ra đồng vị phóng xạ. Tức là, sự phân rã của uranium tạo ra chất phóng xạ thorium. Thori có thể phân rã thành protactinium, thành actinium, v.v. Cả bitmut và titan đều có thể là chất phóng xạ trong loạt bài này. Ngay cả hydro, chứa hai proton trong hạt nhân (với tỷ lệ một proton), được gọi theo cách khác - đơteri. Nước được tạo thành với hydro như vậy được gọi là nước nặng và lấp đầy mạch chính trong lò phản ứng hạt nhân.
Nguyên tử dũng cảm
Những biểu hiện như "chạy đua vũ trang", "chiến tranh lạnh", "mối đe dọa hạt nhân" có vẻ mang tính lịch sử và không liên quan đến một người hiện đại. Nhưng ngày xưa, mọi bản tin hầu như trên toàn thế giới đều kèm theo những báo cáo về việc có bao nhiêu loại vũ khí hạt nhân đã được phát minh và cách đối phó với chúng. Người ta xây dựng các boongke dưới lòng đất và tích trữ trong trường hợp có mùa đông hạt nhân. Toàn bộ gia đình đã làm việc để xây dựng nơi trú ẩn. Ngay cả việc sử dụng hòa bình các phản ứng phân hạch hạt nhân cũng có thể dẫn đến thảm họa. Có vẻ như Chernobyl đã dạy nhân loại cẩn thận trong lĩnh vực này, nhưng các yếu tố của hành tinh này lại mạnh hơn: trận động đất ở Nhật Bản đã làm hư hại các công sự rất đáng tin cậy của nhà máy điện hạt nhân Fukushima. Năng lượng của phản ứng hạt nhân dễ sử dụng để phá hủy hơn nhiều. Các nhà công nghệ chỉ cần hạn chế lực nổ, để không vô tình phá hủy toàn bộ hành tinh. Những quả bom "nhân đạo" nhất, nếu bạn có thể gọi chúng như vậy, không gây ô nhiễm môi trường xung quanh bằng bức xạ. Nói chung, họ thường sử dụngphản ứng dây chuyền không kiểm soát. Những gì họ cố gắng tránh tại các nhà máy điện hạt nhân bằng mọi cách đều đạt được trong bom một cách rất thô sơ. Đối với bất kỳ nguyên tố phóng xạ tự nhiên nào, có một khối lượng chất tinh khiết tới hạn nhất định trong đó phản ứng dây chuyền tự sinh ra. Ví dụ, đối với uranium, nó chỉ là 50 kilôgam. Vì uranium rất nặng nên nó chỉ là một quả bóng kim loại nhỏ có đường kính 12-15 cm. Những quả bom nguyên tử đầu tiên ném xuống Hiroshima và Nagasaki được chế tạo chính xác theo nguyên tắc này: hai phần uranium nguyên chất không bằng nhau chỉ đơn giản là kết hợp với nhau và tạo ra một vụ nổ kinh hoàng. Vũ khí hiện đại có lẽ tinh vi hơn. Tuy nhiên, không nên quên khối lượng tới hạn: phải có rào cản giữa các khối lượng nhỏ chất phóng xạ nguyên chất trong quá trình lưu trữ, ngăn các bộ phận kết nối với nhau.
Nguồn bức xạ
Tất cả các nguyên tố có điện tích hạt nhân lớn hơn 82 đều là chất phóng xạ. Hầu hết tất cả các nguyên tố hóa học nhẹ hơn đều có đồng vị phóng xạ. Hạt nhân càng nặng thì thời gian sống của nó càng ngắn. Một số nguyên tố (chẳng hạn như California) chỉ có thể thu được một cách nhân tạo - bằng cách cho các nguyên tử nặng va chạm với các hạt nhẹ hơn, thường xảy ra nhất trong các máy gia tốc. Vì rất không ổn định nên chúng không tồn tại trong vỏ trái đất: trong quá trình hình thành hành tinh, chúng rất nhanh chóng bị phân hủy thành các nguyên tố khác. Các chất có hạt nhân nhẹ hơn, chẳng hạn như uranium, có thể được khai thác. Quá trình này kéo dài, uranium thích hợp để khai thác, ngay cả trong những loại quặng rất giàu, chỉ chứa dưới một phần trăm. cách thứ ba,có lẽ chỉ ra rằng một kỷ nguyên địa chất mới đã bắt đầu. Đây là hoạt động khai thác các nguyên tố phóng xạ từ chất thải phóng xạ. Sau khi nhiên liệu được sử dụng tại nhà máy điện, trên tàu ngầm hoặc tàu sân bay, hỗn hợp của uranium ban đầu và chất cuối cùng, kết quả của quá trình phân hạch, sẽ thu được. Hiện tại, đây được coi là chất thải phóng xạ rắn và có một câu hỏi cấp thiết là phải xử lý như thế nào để không gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, có khả năng trong tương lai gần, các chất phóng xạ cô đặc làm sẵn (ví dụ, polonium) sẽ được khai thác từ những chất thải này.
