Мақалада ядролық ыдырау деген не, бұл процесс қалай ашылғаны және сипатталғаны туралы айтылады. Оның энергия көзі және ядролық қару ретінде қолданылуы анықталды.
"Бөлінбейтін" атом
Жиырма бірінші ғасыр «атом энергиясы», «ядролық технология», «радиоактивті қалдықтар» сияқты өрнектерге толы. Газет тақырыптарында анда-санда Антарктиданың топырағының, мұхиттарының, мұздарының радиоактивті ластану мүмкіндігі туралы флэш-хабарламалар жарияланады. Дегенмен, қарапайым адам бұл ғылым саласының не екенін және оның күнделікті өмірде қалай көмектесетінін жиі білмейді. Бұл тарихтан бастау керек шығар. Тойып, киінген адам қойған алғашқы сұрақтан-ақ дүниенің қалай жұмыс істейтініне қызығушылық танытты. Көз қалай көреді, құлақ неліктен естиді, судың тастан айырмашылығы – ежелден данышпандарды толғандырған. Ежелгі Үндістан мен Грецияның өзінде кейбір ізденімпаздар материалға тән қасиеттерге ие минималды бөлшек (оны «бөлінбейтін» деп те атаған) бар деп болжады. Ортағасырлық химиктер данышпандардың жорамалын растады, ал атомның қазіргі анықтамасы мынадай: атом – заттың қасиетінің иесі болып табылатын ең кішкентай бөлшек.
Атом бөліктері
Алайда технологияның дамуы (батап айтқанда, фотосурет) атомның бұдан былай материяның ең кішкентай мүмкін болатын бөлігі болып саналмайтындығына әкелді. Ал жалғыз атом электрлік бейтарап болғанымен, ғалымдар оның зарядтары әртүрлі екі бөліктен тұратынын тез түсінді. Оң зарядталған бөліктердің саны теріс бөлшектердің санын өтейді, сондықтан атом бейтарап болып қалады. Бірақ атомның бір мәнді моделі болған жоқ. Бұл кезеңде классикалық физика әлі де үстемдік еткендіктен, әртүрлі болжамдар жасалды.
Атом үлгілері
Алғашында «мейіз орамы» үлгісі ұсынылды. Оң заряд атомның бүкіл кеңістігін толтырды, ал теріс зарядтар оған тоқаштағы мейіз сияқты таратылды. Резерфордтың әйгілі тәжірибесі мынаны анықтады: оң зарядты өте ауыр элемент (ядро) атомның ортасында орналасқан, ал айналасында әлдеқайда жеңіл электрондар орналасқан. Ядроның массасы барлық электрондардың қосындысынан жүздеген есе ауыр (ол бүкіл атом массасының 99,9 пайызын құрайды). Осылайша Бордың атомның планетарлық моделі дүниеге келді. Алайда оның кейбір элементтері сол кезде қабылданған классикалық физикаға қайшы келді. Сондықтан жаңа, кванттық механика жасалды. Оның пайда болуымен ғылымның классикалық емес кезеңі басталды.
Атом және радиоактивтілік
Жоғарыда айтылғандардың барлығынан ядроның атомның негізгі бөлігін құрайтын ауыр, оң зарядты бөлігі екені белгілі болды. Энергияның квантталуы және атомның орбитасындағы электрондардың орналасуы жақсы түсінілген кезде, түсінудің уақыты келді.атом ядросының табиғаты. Тапқыр және күтпеген жерден табылған радиоактивтілік көмекке келді. Бұл атомның ауыр орталық бөлігінің мәнін ашуға көмектесті, өйткені радиоактивтіліктің көзі ядроның бөлінуі болып табылады. ХІХ-ХХ ғасырлар тоғысында жаңалықтар бірінен соң бірі жауды. Бір есептің теориялық шешімі жаңа тәжірибелерді қажет етті. Эксперименттердің нәтижелері растауды немесе теріске шығаруды қажет ететін теориялар мен гипотезаларды тудырды. Көбінесе ең үлкен ашылулар формуланы есептеу оңай болғандықтан (мысалы, Макс Планк кванты сияқты) пайда болды. Фотосурет дәуірінің басында ғалымдар уран тұздары фотосезімтал пленканы жарықтандыратынын білді, бірақ олар бұл құбылыстың негізі ядролық бөліну екеніне күмәнданбады. Сондықтан ядролық ыдырау табиғатын түсіну үшін радиоактивтілік зерттелді. Сәулелену кванттық ауысулар арқылы пайда болғаны анық, бірақ олардың қайсысы екені анық болмады. Кюрилер бұл сұраққа жауап беру үшін уран рудасында қолмен жұмыс істейтін таза радий мен полонийді өндірді.
Радиактивті сәулелену заряды
Резерфорд атомның құрылымын зерттеуде көп еңбек сіңірді және атом ядросының бөлінуі қалай жүретінін зерттеуге үлес қосты. Ғалым радиоактивті элемент шығаратын сәулені магнит өрісіне орналастырып, таңғажайып нәтижеге қол жеткізді. Сәулелену үш құрамдас бөліктен тұратыны анықталды: біреуі бейтарап, ал қалған екеуі оң және теріс зарядталған. Ядроның бөлінуін зерттеу оның анықтамасынан басталдықұрамдас бөліктер. Ядроның бөлінуі, оң зарядының бір бөлігін бере алатыны дәлелденді.
Ядроның құрылымы
Кейінірек атом ядросы тек протондардың оң зарядталған бөлшектерінен ғана емес, нейтрондардың бейтарап бөлшектерінен де тұратыны белгілі болды. Олар бірге нуклондар деп аталады (ағылшынша «ядро», ядродан). Алайда ғалымдар тағы бір мәселеге тап болды: ядроның массасы (яғни нуклондар саны) әрқашан оның зарядына сәйкес келе бермейді. Сутегіде ядроның заряды +1, ал массасы үш, екі және бір болуы мүмкін. Периодтық кестедегі келесі гелийдің ядро заряды +2, ал оның ядросында 4-тен 6 нуклонға дейін болады. Күрделі элементтер бір заряд үшін одан да көп әртүрлі массаға ие болуы мүмкін. Атомдардың мұндай өзгерістерін изотоптар деп атайды. Сонымен қатар, кейбір изотоптар айтарлықтай тұрақты болып шықты, ал басқалары тез ыдырайды, өйткені олар ядролық ыдыраумен сипатталды. Ядролардың тұрақтылығының нуклондар саны қандай принципке сәйкес болды? Неліктен ауыр және жеткілікті тұрақты ядроға бір нейтронның қосылуы оның бөлінуіне, радиоактивтіліктің бөлінуіне әкелді? Бір қызығы, бұл маңызды сұрақтың жауабы әлі табылған жоқ. Эмпирикалық түрде атом ядроларының тұрақты конфигурациялары протондар мен нейтрондардың белгілі бір мөлшеріне сәйкес келетіні анықталды. Егер ядрода 2, 4, 8, 50 нейтрон және/немесе протон болса, онда ядро сөзсіз тұрақты болады. Бұл сандар тіпті сиқыр деп аталады (және ересек ғалымдар, ядролық физиктер оларды осылай атады). Осылайша, ядролардың ыдырауы олардың массасына, яғни олардың құрамына кіретін нуклондардың санына байланысты.
Тамшы, қабық, кристал
Қазіргі уақытта ядроның тұрақтылығына жауап беретін факторды анықтау мүмкін болмады. Атом құрылысы моделінің көптеген теориялары бар. Ең танымал және дамыған үшеуі әртүрлі мәселелер бойынша бір-біріне жиі қайшы келеді. Біріншісі бойынша, ядро ерекше ядролық сұйықтықтың тамшысы. Ол су сияқты аққыштықпен, беттік керілумен, бірігуімен және ыдырауымен сипатталады. Қабық моделінде ядрода нуклондармен толтырылған белгілі бір энергетикалық деңгейлер де болады. Үшіншісі ядроның арнайы толқындарды (де Бройль) сындыруға қабілетті орта екенін, ал сыну көрсеткіші потенциалдық энергия екенін айтады. Дегенмен, бірде-бір модель осы нақты химиялық элементтің белгілі бір сыни массасында неліктен ядролық бөліну басталатынын толық сипаттай алмады.
Ажырасу қандай болады
Радиоактивтілік, жоғарыда айтылғандай, табиғатта кездесетін заттарда табылды: уран, полоний, радий. Мысалы, жаңадан өндірілген, таза уран радиоактивті болып табылады. Бұл жағдайда бөлу процесі өздігінен болады. Кез келген сыртқы әсерсіз уран атомдарының белгілі бір саны альфа бөлшектерін шығарады, олар өздігінен торийге айналады. Жартылай шығарылу кезеңі деп аталатын көрсеткіш бар. Бұл бөліктің бастапқы санынан қай уақыт аралығында жартысы қалатынын көрсетеді. Әрбір радиоактивті элемент үшін жартылай ыдырау периоды әртүрлі - Калифорния үшін секундтың бөліктерінен бастапуран мен цезий үшін жүздеген мың жыл. Бірақ мәжбүрлі радиоактивтілік те бар. Егер атомдардың ядролары кинетикалық энергиясы жоғары протондармен немесе альфа бөлшектерімен (гелий ядролары) бомбаланса, олар «бөліне алады». Трансформация механизмі, әрине, ананың сүйікті вазасының қалай сынғанынан ерекшеленеді. Дегенмен, белгілі бір ұқсастық бар.
Атом энергиясы
Әзірге біз практикалық сұраққа жауап берген жоқпыз: ядролық ыдырау кезінде энергия қайдан келеді. Алдымен, ядроның пайда болуы кезінде күшті өзара әрекеттесу деп аталатын ерекше ядролық күштердің әрекет ететінін түсіндіру керек. Ядро көптеген оң протондардан тұратындықтан, олардың бір-біріне қалай жабысатыны сұрақ болып қала береді, өйткені электростатикалық күштер оларды бір-бірінен өте қатты итеруі керек. Жауап қарапайым және бір уақытта емес: ядро ерекше бөлшектердің нуклондары - пи-мезондар арасындағы өте жылдам алмасу арқылы бірге ұсталады. Бұл байланыс өте қысқа өмір сүреді. Пи-мезондардың алмасуы тоқтаған бойда ядро ыдырайды. Ядроның массасы оны құрайтын барлық нуклондардың қосындысынан аз екені де белгілі. Бұл құбылыс жаппай ақау деп аталады. Шын мәнінде, жетіспейтін масса - бұл ядроның тұтастығын сақтауға жұмсалатын энергия. Атом ядросынан қандай да бір бөлігі бөлінген бойда бұл энергия атом электр станцияларында бөлініп, жылуға айналады. Яғни, ядролық бөліну энергиясы әйгілі Эйнштейн формуласының айқын көрінісі. Формула былай делінген: энергия мен масса бір-біріне айналуы мүмкін (E=mc2).
Теория және практика
Енді біз сізге бұл таза теориялық жаңалықтың гигаватт электр энергиясын өндіру үшін өмірде қалай қолданылатынын айтып береміз. Біріншіден, басқарылатын реакциялар мәжбүрлі ядролық бөлінуді қолданатынын атап өткен жөн. Көбінесе бұл тез нейтрондармен бомбаланған уран немесе полоний. Екіншіден, ядролық ыдырау жаңа нейтрондардың пайда болуымен қатар жүретінін түсінбеу мүмкін емес. Нәтижесінде реакция аймағындағы нейтрондар саны өте тез өсуі мүмкін. Әрбір нейтрон жаңа, әлі бұзылмаған ядролармен соқтығысады, оларды бөледі, бұл жылу бөлінуінің жоғарылауына әкеледі. Бұл ядролық ыдырау тізбекті реакциясы. Реактордағы нейтрондар санының бақылаусыз артуы жарылысқа әкелуі мүмкін. 1986 жылы Чернобыль атом электр станциясында дәл осылай болды. Сондықтан реакция аймағында әрқашан апатты болдырмайтын артық нейтрондарды сіңіретін зат болады. Бұл ұзын таяқшалар түріндегі графит. Өзекшелерді реакция аймағына батыру арқылы ядроның бөліну жылдамдығын бәсеңдетуге болады. Ядролық реакция теңдеуі әрбір белсенді радиоактивті зат және оны бомбалаушы бөлшектер (электрондар, протондар, альфа бөлшектері) үшін арнайы құрастырылған. Дегенмен, соңғы энергия шығысы сақталу заңы бойынша есептеледі: E1+E2=E3+E4. Яғни, бастапқы ядро мен бөлшектің толық энергиясы (Е1+Е2) пайда болған ядроның энергиясы мен бос күйде бөлінетін энергияға (Е3+Е4) тең болуы керек. Ядролық реакция теңдеуі ыдырау нәтижесінде қандай зат алынатынын да көрсетеді. Мысалы, уран үшін U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Бұл жерде элементтердің изотоптары көрсетілмеген.дегенмен бұл маңызды. Мысалы, қорғасын мен неонның әртүрлі изотоптары түзілетін уранның бөлінуінің үш мүмкіндігі бар. Жүз пайызға дерлік ядролық ыдырау реакциясы радиоактивті изотоптарды шығарады. Яғни, уранның ыдырауынан радиоактивті торий түзіледі. Торий протактинийге, одан актинийге дейін ыдырауы мүмкін. Бұл қатарда висмут та, титан да радиоактивті болуы мүмкін. Тіпті ядросында екі протоны бар сутегі (бір протонның жылдамдығымен) басқаша - дейтерий деп аталады. Мұндай сутегімен түзілген су ауыр су деп аталады және ядролық реакторлардағы бастапқы контурды толтырады.
Бейбіт атом
«Жарыс қарулану», «қырғи-қабақ соғыс», «ядролық қауіп» сияқты тіркестер қазіргі адам үшін тарихи және маңызды емес болып көрінуі мүмкін. Бірақ бір кездері бүкіл әлемде дерлік әрбір жаңалық релизінде ядролық қарудың қанша түрі ойлап табылғаны және олармен қалай күресу керектігі туралы хабарламалар ілеспелі. Адамдар жер асты бункерлерін салып, ядролық қыс болған жағдайда қор жинады. Баспана салу үшін бүкіл отбасылар жұмыс істеді. Тіпті ядролық ыдырау реакцияларын бейбіт мақсатта пайдалану апатқа әкелуі мүмкін. Чернобыль адамзатты осы салада сақ болуға үйреткен сияқты, бірақ планетаның элементтері күштірек болып шықты: Жапониядағы жер сілкінісі Фукусима атом электр станциясының өте сенімді бекіністерін зақымдады. Ядролық реакцияның энергиясын жою үшін пайдалану әлдеқайда оңай. Бүкіл планетаны кездейсоқ жойып алмау үшін технологтар тек жарылыс күшін шектеуі керек. Ең «адамгершілікті» бомбалар, егер сіз оларды осылай атасаңыз, айналаны радиациямен ластамаңыз. Жалпы, олар жиі пайдаланадыбақыланбайтын тізбекті реакция. Атом электр станцияларында олардан аулақ болуға тырысатын нәрсеге бомбаларда өте қарапайым түрде қол жеткізіледі. Кез келген табиғи радиоактивті элемент үшін тізбекті реакция өздігінен туатын таза заттың белгілі бір сыни массасы бар. Мысалы, уран үшін ол елу келі ғана. Уран өте ауыр болғандықтан, ол диаметрі 12-15 сантиметрлік шағын металл шар ғана. Хиросима мен Нагасакиге тасталған алғашқы атом бомбалары дәл осы принцип бойынша жасалған: таза уранның екі тең емес бөлігі жай біріктіріліп, қорқынышты жарылыс жасады. Заманауи қарулар әлдеқайда күрделірек шығар. Дегенмен, сыни масса туралы ұмытпау керек: сақтау кезінде таза радиоактивті материалдың шағын көлемдері арасында бөлшектердің қосылуына жол бермейтін кедергілер болуы керек.
Сәулелену көздері
Ядро заряды 82-ден жоғары барлық элементтер радиоактивті. Барлық дерлік жеңіл химиялық элементтердің радиоактивті изотоптары бар. Ядро неғұрлым ауыр болса, соғұрлым оның өмір сүру уақыты қысқарады. Кейбір элементтерді (мысалы, Калифорния) тек жасанды түрде алуға болады - ауыр атомдарды жеңілірек бөлшектермен соқтығыстырып, көбінесе үдеткіштерде. Олар өте тұрақсыз болғандықтан, олар жер қыртысында болмайды: планетаның пайда болуы кезінде олар басқа элементтерге өте тез ыдырайды. Ядролары жеңілірек заттарды, мысалы, уранды өндіруге болады. Бұл процесс ұзақ, өндіруге жарамды уран, тіпті өте бай кендерде де бір пайыздан аз болады. үшінші жол,жаңа геологиялық дәуірдің басталғанын айғақтаса керек. Бұл радиоактивті қалдықтардан радиоактивті элементтерді алу. Отын электр станциясында, сүңгуір қайықта немесе ұшақ тасығышта жұмсалғаннан кейін бастапқы уран мен соңғы заттың бөліну нәтижесінің қоспасы алынады. Қазіргі уақытта бұл қатты радиоактивті қалдықтар болып саналады және олар қоршаған ортаны ластамау үшін оларды қалай кәдеге жарату керек деген өткір сұрақ туындайды. Дегенмен, жақын арада бұл қалдықтардан дайын концентрлі радиоактивті заттар (мысалы, полоний) өндірілетін болуы ықтимал.
