تخبر المقالة ما هو الانشطار النووي ، وكيف تم اكتشاف هذه العملية ووصفها. الكشف عن استخدامه كمصدر للطاقة والأسلحة النووية.
ذرة "غير قابلة للتجزئة"
القرن الحادي والعشرون حافل بعبارات مثل "طاقة الذرة" ، "التكنولوجيا النووية" ، "النفايات المشعة". بين الحين والآخر في عناوين الصحف رسائل سريعة حول احتمال التلوث الإشعاعي للتربة والمحيطات والجليد في القارة القطبية الجنوبية. ومع ذلك ، غالبًا ما لا يكون لدى الشخص العادي فكرة جيدة جدًا عن ماهية هذا المجال من العلم وكيف يساعد في الحياة اليومية. ربما يجدر بنا أن نبدأ بالتاريخ. من السؤال الأول الذي طرحه شخص حسن التغذية واللباس ، كان مهتمًا بكيفية عمل العالم. كيف ترى العين ، ولماذا تسمع الأذن ، وكيف يختلف الماء عن الحجر - هذا ما كان يقلق الحكماء منذ الأزل. حتى في الهند واليونان القديمة ، اقترحت بعض العقول الفضوليّة أن هناك حدًا أدنى من الجسيمات (كان يُطلق عليه أيضًا "غير قابل للتجزئة") له خصائص المادة. أكد علماء الكيمياء في العصور الوسطى تخمين الحكماء ، والتعريف الحديث للذرة هو كما يلي: الذرة هي أصغر جزء من مادة يحمل خصائصها.
أجزاء من الذرة
ومع ذلك ، فإن تطور التكنولوجيا (فيعلى وجه الخصوص ، التصوير الفوتوغرافي) أدى إلى حقيقة أن الذرة لم تعد تعتبر أصغر جسيم ممكن من المادة. وعلى الرغم من أن الذرة الواحدة متعادلة كهربائيًا ، إلا أن العلماء سرعان ما أدركوا أنها تتكون من جزأين بشحنات مختلفة. يعوض عدد الأجزاء الموجبة الشحنة عدد الأجزاء السالبة ، لذلك تظل الذرة محايدة. لكن لم يكن هناك نموذج واضح للذرة. نظرًا لأن الفيزياء الكلاسيكية كانت لا تزال مهيمنة خلال تلك الفترة ، فقد تم وضع افتراضات مختلفة.
نماذج أتوم
في البداية ، تم اقتراح نموذج "لفة الزبيب". تملأ الشحنة الموجبة ، إذا جاز التعبير ، كامل مساحة الذرة ، وتوزعت الشحنات السالبة فيها ، مثل الزبيب في كعكة. حددت تجربة رذرفورد الشهيرة ما يلي: يوجد عنصر ثقيل جدًا بشحنة موجبة (النواة) في وسط الذرة ، وتوجد إلكترونات أخف بكثير حولها. كتلة النواة أثقل بمئات المرات من مجموع كل الإلكترونات (إنها 99.9٪ من كتلة الذرة بأكملها). وهكذا ، وُلد نموذج بوهر الكوكبي للذرة. ومع ذلك ، تناقض بعض عناصره مع الفيزياء الكلاسيكية المقبولة آنذاك. لذلك ، تم تطوير ميكانيكا كم جديدة. بمظهرها ، بدأت فترة العلم غير الكلاسيكية.
الذرة والنشاط الإشعاعي
مما سبق يتضح أن النواة عبارة عن جزء ثقيل موجب الشحنة من الذرة ، مما يشكل كتلة الذرة. عندما كان تكميم الطاقة ومواقع الإلكترونات في مدار الذرة مفهومة جيدًا ، فقد حان الوقت لفهمطبيعة النواة الذرية. جاء النشاط الإشعاعي العبقري والمكتشف بشكل غير متوقع للإنقاذ. ساعد في الكشف عن جوهر الجزء المركزي الثقيل من الذرة ، لأن مصدر النشاط الإشعاعي هو الانشطار النووي. في مطلع القرنين التاسع عشر والعشرين ، هطلت الاكتشافات الواحدة تلو الأخرى. استلزم الحل النظري لمشكلة واحدة تجارب جديدة. أدت نتائج التجارب إلى ظهور نظريات وفرضيات تحتاج إلى تأكيد أو دحض. غالبًا ما تأتي أعظم الاكتشافات لمجرد أن هذه هي الطريقة التي أصبحت بها الصيغة سهلة الحساب (مثل ، على سبيل المثال ، كم ماكس بلانك). حتى في بداية عصر التصوير ، كان العلماء يعرفون أن أملاح اليورانيوم تضيء فيلمًا حساسًا للضوء ، لكنهم لم يشكوا في أن الانشطار النووي كان أساس هذه الظاهرة. لذلك ، تمت دراسة النشاط الإشعاعي من أجل فهم طبيعة الاضمحلال النووي. من الواضح أن الإشعاع نتج عن التحولات الكمومية ، لكن لم يكن واضحًا تمامًا أيها. استخرج الكوريون الراديوم النقي والبولونيوم ، ويعملون يدويًا تقريبًا في خام اليورانيوم ، للإجابة على هذا السؤال.
شحنة الاشعاع المشع
فعل رذرفورد الكثير لدراسة بنية الذرة وساهم في دراسة كيفية حدوث انشطار نواة الذرة. وضع العالم الإشعاع المنبعث من عنصر مشع في مجال مغناطيسي وحصل على نتيجة مذهلة. اتضح أن الإشعاع يتكون من ثلاثة مكونات: أحدهما محايد والآخران موجب وسالب الشحنة. بدأت دراسة الانشطار النووي بتعريفهعناصر. ثبت أن النواة يمكن أن تنقسم وتتخلى عن جزء من شحنتها الموجبة.
هيكل النواة
لاحقًا اتضح أن النواة الذرية لا تتكون فقط من جسيمات بروتونات موجبة الشحنة ، ولكن أيضًا من جسيمات نيوترونات متعادلة. معا يطلق عليهم nucleons (من "النواة" الإنجليزية ، النواة). ومع ذلك ، واجه العلماء مشكلة مرة أخرى: كتلة النواة (أي عدد النوى) لا تتوافق دائمًا مع شحنتها. في الهيدروجين ، النواة لها شحنة +1 ، ويمكن أن تكون الكتلة ثلاثة ، واثنين ، وواحد. يحتوي الهليوم التالي في الجدول الدوري على شحنة نووية +2 ، بينما تحتوي نواته على 4 إلى 6 نويات. يمكن أن تحتوي العناصر الأكثر تعقيدًا على العديد من الكتل المختلفة لنفس الشحنة. تسمى هذه الاختلافات في الذرات بالنظائر. علاوة على ذلك ، تبين أن بعض النظائر مستقرة تمامًا ، بينما سرعان ما تلاشى البعض الآخر ، حيث تميزت بالانشطار النووي. ما هو المبدأ الذي يتوافق مع عدد نويات استقرار النوى؟ لماذا أدت إضافة نيوترون واحد إلى نواة ثقيلة ومستقرة تمامًا إلى انقسامها ، إلى إطلاق النشاط الإشعاعي؟ ومن الغريب أن الإجابة على هذا السؤال المهم لم يتم العثور عليها بعد. من الناحية التجريبية ، اتضح أن التكوينات المستقرة للنواة الذرية تتوافق مع كميات معينة من البروتونات والنيوترونات. إذا كان هناك 2 ، 4 ، 8 ، 50 نيوترون و / أو بروتونات في النواة ، فإن النواة ستكون مستقرة بالتأكيد. حتى أن هذه الأرقام تسمى السحر (وقد أطلق عليها العلماء البالغون ، الفيزيائيون النوويون). وبالتالي ، فإن انشطار النوى يعتمد على كتلتها ، أي على عدد النوى الموجودة فيها.
قطرة ، قذيفة ، كريستال
لم يكن من الممكن تحديد العامل المسؤول عن استقرار النواة في الوقت الحالي. هناك العديد من النظريات حول نموذج بنية الذرة. غالبًا ما تتعارض الثلاثة الأكثر شهرة وتطورًا مع بعضها البعض في مختلف القضايا. وفقا للأول ، فإن النواة هي قطرة من سائل نووي خاص. مثل الماء ، يتميز بالسيولة والتوتر السطحي والاندماج والانحلال. في نموذج الغلاف ، توجد أيضًا مستويات طاقة معينة في النواة ، مليئة بالنوكلونات. تنص الحالة الثالثة على أن اللب هو وسيط قادر على كسر موجات خاصة (دي برولي) ، بينما مؤشر الانكسار هو طاقة كامنة. ومع ذلك ، لم يتمكن أي نموذج حتى الآن من وصف سبب بدء الانشطار النووي عند كتلة حرجة معينة من هذا العنصر الكيميائي المحدد.
ما هي الانقسامات مثل
النشاط الإشعاعي ، كما ذكر أعلاه ، وجد في المواد التي يمكن العثور عليها في الطبيعة: اليورانيوم والبولونيوم والراديوم. على سبيل المثال ، يعتبر اليورانيوم النقي المستخرج حديثًا من المواد المشعة. ستكون عملية الانقسام في هذه الحالة تلقائية. بدون أي تأثيرات خارجية ، سيصدر عدد معين من ذرات اليورانيوم جسيمات ألفا ، وتتحول تلقائيًا إلى الثوريوم. يوجد مؤشر يسمى نصف العمر. إنه يوضح الفترة الزمنية من العدد الأولي للجزء الذي سيبقى نصفه تقريبًا. لكل عنصر مشع ، يختلف نصف العمر - من أجزاء من الثانية في كاليفورنيا إلىمئات الآلاف من السنين لليورانيوم والسيزيوم. ولكن هناك أيضًا نشاط إشعاعي قسري. إذا تم قصف نوى الذرات بالبروتونات أو جسيمات ألفا (نوى الهليوم) بطاقة حركية عالية ، فيمكنها "الانقسام". آلية التحول ، بالطبع ، تختلف عن طريقة كسر إناء الأم المفضل. ومع ذلك ، هناك تشبيه معين.
طاقة الذرة
حتى الآن ، لم نجب على سؤال عملي: من أين تأتي الطاقة أثناء الانشطار النووي. بادئ ذي بدء ، يجب توضيح أنه أثناء تكوين النواة ، تعمل القوات النووية الخاصة ، والتي تسمى التفاعل القوي. نظرًا لأن النواة تتكون من العديد من البروتونات الموجبة ، فإن السؤال يبقى كيف تلتصق ببعضها البعض ، لأن القوى الكهروستاتيكية يجب أن تدفعها بعيدًا عن بعضها بقوة. الإجابة بسيطة وليست في نفس الوقت: يتم ربط النواة ببعضها البعض من خلال تبادل سريع للغاية بين نوى الجسيمات الخاصة - بي ميزونات. يعيش هذا الاتصال قصيرًا بشكل لا يصدق. بمجرد توقف تبادل البي ميزون ، تتحلل النواة. ومن المعروف أيضًا على وجه اليقين أن كتلة النواة أقل من مجموع كل النوى المكونة لها. هذه الظاهرة تسمى عيب الكتلة. في الواقع ، الكتلة المفقودة هي الطاقة التي يتم إنفاقها على الحفاظ على سلامة النواة. بمجرد فصل جزء من نواة الذرة ، يتم إطلاق هذه الطاقة وتحويلها إلى حرارة في محطات الطاقة النووية. أي أن طاقة الانشطار النووي هي دليل واضح على صيغة آينشتاين الشهيرة. تذكر أن الصيغة تقول: يمكن أن تتحول الطاقة والكتلة إلى بعضهما البعض (E=mc2).
النظرية والتطبيق
الآن سنخبرك كيف يتم استخدام هذا الاكتشاف النظري البحت في الحياة لإنتاج جيجاوات من الكهرباء. أولاً ، يجب ملاحظة أن التفاعلات الخاضعة للرقابة تستخدم الانشطار النووي القسري. غالبًا ما يكون اليورانيوم أو البولونيوم ، الذي يتم قصفه بالنيوترونات السريعة. ثانيًا ، من المستحيل عدم فهم أن الانشطار النووي يترافق مع تكوين نيوترونات جديدة. نتيجة لذلك ، يمكن أن يزداد عدد النيوترونات في منطقة التفاعل بسرعة كبيرة. يتصادم كل نيوترون مع نوى جديدة لا تزال سليمة ، ويقسمها ، مما يؤدي إلى زيادة إطلاق الحرارة. هذا هو تفاعل سلسلة الانشطار النووي. يمكن أن تؤدي الزيادة غير المنضبطة في عدد النيوترونات في المفاعل إلى حدوث انفجار. هذا بالضبط ما حدث في عام 1986 في محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية. لذلك ، توجد دائمًا في منطقة التفاعل مادة تمتص النيوترونات الزائدة ، وتمنع حدوث كارثة. إنه جرافيت على شكل قضبان طويلة. يمكن إبطاء معدل الانشطار النووي بغمر القضبان في منطقة التفاعل. يتم تجميع معادلة التفاعل النووي خصيصًا لكل مادة مشعة نشطة والجسيمات التي تقذفها (الإلكترونات والبروتونات وجسيمات ألفا). ومع ذلك ، يتم حساب ناتج الطاقة النهائي وفقًا لقانون الحفظ: E1 + E2=E3 + E4. أي أن الطاقة الكلية للنواة الأصلية والجسيم (E1 + E2) يجب أن تكون مساوية لطاقة النواة الناتجة والطاقة المنبعثة في شكل حر (E3 + E4). توضح معادلة التفاعل النووي أيضًا نوع المادة التي يتم الحصول عليها نتيجة للانحلال. على سبيل المثال ، بالنسبة لليورانيوم U=Th + He ، U=Pb + Ne ، U=Hg + Mg. لم يتم سرد نظائر العناصر هنا.ومع ذلك ، هذا مهم. على سبيل المثال ، هناك ما يصل إلى ثلاثة احتمالات لانشطار اليورانيوم ، حيث يتم تكوين نظائر مختلفة من الرصاص والنيون. في ما يقرب من مائة بالمائة من الحالات ، ينتج تفاعل الانشطار النووي نظائر مشعة. أي أن اضمحلال اليورانيوم ينتج الثوريوم المشع. يمكن أن يتحلل الثوريوم إلى البروتكتينيوم ، والأكتينيوم ، وما إلى ذلك. يمكن أن يكون كل من البزموت والتيتانيوم مشعًا في هذه السلسلة. حتى الهيدروجين ، الذي يحتوي على بروتونين في النواة (بمعدل بروتون واحد) ، يسمى بشكل مختلف - الديوتيريوم. يسمى الماء المتكون من هذا الهيدروجين بالماء الثقيل ويملأ الدائرة الأولية في المفاعلات النووية.
ذرة غير سلمية
تعبيرات مثل "سباق التسلح" و "الحرب الباردة" و "التهديد النووي" قد تبدو تاريخية وغير ذات صلة بشخص معاصر. ولكن في يوم من الأيام ، كان كل بيان صحفي تقريبًا في جميع أنحاء العالم مصحوبًا بتقارير حول عدد أنواع الأسلحة النووية التي تم اختراعها وكيفية التعامل معها. قام الناس ببناء مخابئ تحت الأرض وتخزينها في حالة حدوث شتاء نووي. عملت عائلات بأكملها على بناء المأوى. حتى الاستخدام السلمي لتفاعلات الانشطار النووي يمكن أن يؤدي إلى كارثة. يبدو أن تشيرنوبيل علمت البشرية أن تكون حذرة في هذا المجال ، لكن عناصر الكوكب اتضح أنها أقوى: الزلزال في اليابان دمر التحصينات الموثوقة للغاية لمحطة الطاقة النووية في فوكوشيما. طاقة التفاعل النووي أسهل بكثير في الاستخدام للتدمير. يحتاج التقنيون فقط إلى الحد من قوة الانفجار ، حتى لا يدمروا الكوكب بأكمله عن طريق الخطأ. إن أكثر القنابل "إنسانية" ، إذا أمكنك تسميتها ، لا تلوث البيئة المحيطة بالإشعاع. بشكل عام ، يستخدمون في أغلب الأحيانتفاعل تسلسلي غير منضبط. ما يسعون إلى تجنبه في محطات الطاقة النووية بكل الوسائل يتحقق في القنابل بطريقة بدائية للغاية. بالنسبة لأي عنصر مشع طبيعيًا ، توجد كتلة حرجة معينة من مادة نقية يولد فيها تفاعل تسلسلي من تلقاء نفسه. بالنسبة لليورانيوم ، على سبيل المثال ، يبلغ وزنه خمسين كيلوغرامًا فقط. نظرًا لأن اليورانيوم ثقيل جدًا ، فهو عبارة عن كرة معدنية صغيرة قطرها 12-15 سم. تم صنع القنبلة الذرية الأولى التي أُلقيت على هيروشيما وناغازاكي وفقًا لهذا المبدأ تمامًا: تم دمج جزأين غير متكافئين من اليورانيوم النقي مما أدى إلى حدوث انفجار مرعب. ربما تكون الأسلحة الحديثة أكثر تطوراً. ومع ذلك ، لا ينبغي لأحد أن ينسى الكتلة الحرجة: يجب أن تكون هناك حواجز بين الأحجام الصغيرة من المواد المشعة النقية أثناء التخزين ، مما يمنع الأجزاء من الاتصال.
مصادر الإشعاع
جميع العناصر ذات الشحنة النووية الأكبر من 82 مشعة. تحتوي جميع العناصر الكيميائية الأخف تقريبًا على نظائر مشعة. النواة أثقل ، أقصر عمرها. لا يمكن الحصول على بعض العناصر (مثل كاليفورنيا) إلا بشكل مصطنع - عن طريق اصطدام الذرات الثقيلة بجزيئات أخف ، غالبًا في المسرعات. نظرًا لأنها غير مستقرة للغاية ، فهي غير موجودة في قشرة الأرض: أثناء تكوين الكوكب ، تتفكك بسرعة كبيرة إلى عناصر أخرى. يمكن تعدين المواد ذات النوى الأخف مثل اليورانيوم. هذه العملية طويلة ، واليورانيوم المناسب للاستخراج ، حتى في الخامات الغنية جدًا ، يحتوي على أقل من واحد بالمائة. الطريق الثالثربما يشير إلى أن حقبة جيولوجية جديدة قد بدأت بالفعل. هذا هو استخراج العناصر المشعة من النفايات المشعة. بعد إنفاق الوقود في محطة توليد الكهرباء ، على غواصة أو حاملة طائرات ، يتم الحصول على خليط من اليورانيوم الأصلي والمادة النهائية ، نتيجة الانشطار. في الوقت الحالي ، تعتبر هذه نفايات مشعة صلبة وهناك سؤال حاد حول كيفية التخلص منها حتى لا تلوث البيئة. ومع ذلك ، فمن المحتمل أنه في المستقبل القريب ، سيتم استخراج المواد المشعة المركزة الجاهزة (على سبيل المثال ، البولونيوم) من هذه النفايات.
