Nukleáris maghasadás
Atom összetétele
Az atom egy magból és egy elektronhéjból áll. Az elektroncsomagban vannak negatív töltésű részecskék - elektronok. Ezek a részecskék fontosak a kémiai kötésekben. Az atomok atommagjához vonzódnak az elektromos erők, amelyek a mikrorészecskékben sokkal hangsúlyosabbak, mint a makovilágban.
Két általános típusú részecske van a magban. A pozitív töltésű protonok ellentétes töltéssel rendelkeznek, mint az elektronhéj elektronjai. A legtöbb esetben az atomnak semlegesnek kell lennie, ami azt jelenti, hogy ugyanannyi protonja és elektronja van. A második részecske, amely általában megtalálható a magban, a neutron. A neutronoknak nincs töltésük, ezért nincsenek kitéve elektromos erőknek. Szinte minden elem magjában fordulnak elő (az egyetlen kivétel a hidrogén). Annak a ténynek köszönhetően, hogy nincsenek kitéve elektromos erőknek, anélkül, hogy taszítják őket, megközelíthetik az atom magját. Amikor elég közel kerülnek a maghoz, az atomerőművek vonzani fogják őket. Az újonnan kialakult magnak lesz egy nukleonnal több (a nukleon a magban lévő részecske általános neve).
A magban lévő protonok számát a protonszám írja TÓL TŐL, a neutronok száma neutronszám szerint N. A nukleonszám meg van jelölve A (proton- és neutronszámok összege). A címke feltünteti az elemet x neki van A nukleonok a TÓL TŐL protonok (a neutronok száma kivonással határozható meg TÓL TŐL tól től A).
Az elem kémiai tulajdonságait a protonok száma határozza meg (az elektronok ennek megfelelően különböző energiaszinteken helyezkednek el a mag körül, és így másképpen reagálnak a többi elemre). Az elemek nem mindig tartalmaznak állandó számú neutront a magban. Egy bizonyos neutronszámú elemet izotópnak nevezünk. Vannak olyan elemek, amelyek különböző izotópokban fordulnak elő. Például három hidrogén-izotóp van: 1 proton, 1 proton és 1 neutron. Ezt az izotópot nehéz hidrogénnek vagy deutériumnak is nevezik (nehéz a nagyobb nukleonszám miatt - az izotópnak nagyobb a tömege). Van még egy hidrogén izotóp is, amely 1 protont és 2 neutront tartalmaz, tríciumnak nevezik. Ez az izotóp instabil, ami azt jelenti, hogy magja lebomlik (változik) a nagy energiájú részecskék kizárásával (erről később).
Ha el akarjuk választani az anyag különböző izotópjait, például a hidrogént és a deutériumot, akkor nem segítenek bennünket olyan kémiai reakciók, amelyekben a két izotóp ugyanúgy viselkedik. Ez fizikai módszerek segítségével tehető meg, például különböző súlyok alkalmazásával. Mivel a gáz halmazállapotú hidrogén viszonylag ritka, vizet teszünk a centrifugába, amelyben mind a hidrogén, mind a deutérium oxigénhez kötődik. A nehéz víz (a hidrogén helyett engem deuteráló víz) idővel erős centrifugális erőkkel a szélére kerül.
Atomenergia és nukleáris erők
Bár első ránézésre nem tűnik logikusnak, a mag egészének tömege mindig kisebb, mint a benne lévő protonok és neutronok tömegének összege. Akkor hova tűnt ez az ügy? Az a tény, hogy további erőkre van szükség, hogy megakadályozzuk a mag szétesését a protonok közötti taszító erők miatt. Nukleárisnak hívják őket. Ezek csak nagyon rövid távolságon működhetnek, mint pl. Az erők ellen azonban nemcsak a protonok közötti erők lépnek fel. A magban lévő részecskék nagyon gyorsan mozognak (kb. 0,2 fénysebesség). A nagy sebesség a részecskék nagy mozgási energiáját jelenti. Ezeknek az erőknek annál nagyobbaknak kell lenniük.
Annak érdekében, hogy a mag felosztható legyen egyedi nukleonokra, szükségünk van arra az energiára, amelyet a magnak kell ellátnunk. Minél nagyobb ez az energia, annál nehezebb felosztani a magot TÓL TŐL protonok és N neutronok. Einstein megállapította, hogy a rendszer tömege annak energiájától függően változik. A rendszer súlycsökkenésének energiától való függése közvetlen. Ennek a függőségnek a képlete az, ahol a tömegkülönbség (súlycsökkenés) az elválasztott nukleonok tömege mínusz a mag tömege, c a vaku fénysebességének állandója .
Súlyváltozás Δm a makovilágban gyakran elhanyagolhatóan kicsi. Atomi skálákkal azonban ez a változás mérhető. Az energiát nem mérik (számolják) ilyen kis mennyiségben J(ouloch) ale v eV (elektronvolt). Ezen egységek közötti átváltás: .
Meg kell jegyezni, hogy minél inkább hiányzik a mag súlya, annál nagyobb (a képletből következik), annál erősebben kötődnek benne a nukleonok. Ilyen energiát kell biztosítani a mag felosztásához, ugyanakkor az ilyen atom felszabadulna az egyes nukleonok szintézise (egyesítése) során egy adott magba.
Például egy mag esetében a súlyveszteség egyenlő (tömegállandó), és így a kötési energia körülbelül 93 MeV (Megaelektronvolt), amely nagyon közel áll a kísérletileg mért értékekhez (93,15 MeV). A mag számára a kötési energia sokkal nagyobb (1800 MeV), mert a protonok közötti taszító erő mellett a magban sok (238) gyorsan mozgó részecske van, amelyet az erők megpróbálnak ott tartani. Ilyen nagy kötési energiával akár 1% -kal kisebb a súlya.
Ha ki akartuk számolni, hogy egy magban mekkora kötési energia esik egy nukleonra, akkor el kell osztanunk a magokat a tömegszámmal A (a nukleonok száma a magban). A nukleononkénti kötési energiát képlet fejezi ki .
εj nem minden mag esetében ugyanaz. Minél nagyobb, annál nehezebb hasítani egy vagy több nukleont a magból. Például az érték εj mert a szén az ε j = 7,68MeV, mert kisebb εj = 7.57Mev. A legmagasabb εj megvan, ami miatt a legstabilabb maggal rendelkező elem, amelyet ismerünk. Az egyes nukleonok hasításához el kell látnunk a magig 8.79MeV. A kernel is nagyon stabil ( εj = 7,07MeV ). Lásd a 2. ábrát.
Bár ezek az értékek nem tűnnek túl nagynak, az atom méretét figyelembe kell venni. Amikor a nehéz elem magja két könnyebb magra bomlik, a teljes kötött maghasadás és a keletkező mag közötti különbség felszabadul (kb. 200MeV). Minél több mag bomlana le ily módon, annál jobban tükröződik a különféle formákban keletkező energia a makovilágban.
Nukleáris maghasadás
A neutron felfedezése után nem sokkal kiderült, hogy semleges. A töltés nélküli dolgokat az elektromos erők nem befolyásolhatják. Így egy neutron elég közel kerülhet az atom magjához ahhoz, hogy a nukleáris erők vonzódjanak hozzá. Így lehetséges az atommagok számának megváltoztatása és a nukleáris reakciók kiváltása.
A neutron kinyerésének egyik módja egy üveg ampulla radioaktív gáz radonnal és berilliumporral. Mivel az injekciós üveg radonja instabil, magja szétesik. Az egyéb sugárzás mellett az α részecskék (héliummagok) távoznak a magból. Ezek a részecskék a berillium magokkal való ütközések során nukleáris reakciót váltanak ki. Azok a α részecskék, amelyek nem reagálnak a berillium magokkal, megállnak az üvegen. Az üveg azonban nem szívja fel a felszabaduló neutronokat, amelyeknek esélyük van eltalálni más elemek magjait, és további nukleáris reakciókat okozhatnak.
Ha ezt az üvegampullát vízbe vagy nehéz vízbe merítenénk, a kiszabaduló neutronok lelassulnának, és nagyobb esélyünk lenne eltalálni a magot (valószínűleg nagy sebességgel ugrálnának le), amire reagálni tudnának.
Az így felszabaduló neutronok felhasználhatók például egy instabil uránmag bombázására. A lezajló nukleáris reakciónak több lehetséges terméke van, például ill
Az így képződött magok radioaktívak (instabilak) és α (héliummag), β (elektronok, esetleg positronok) és γ (nagy energiájú fotonok) részecskéket bocsátanak ki. Több reakció is van, de a legtöbb energia közös kibocsátása 200 körül vanMeV (a specifikus reakciók különbségeitől függ) és további olyan neutronok képződése, amelyek képesek reagálni más uránmagokkal, amelyekből a neutronok újra kirepülnek. Ez egy láncreakciót hoz létre, ahol a másodpercenként lejátszódó reakciók száma folyamatosan növekszik, és egyre több energia szabadul fel.
Láncreakció használata
A láncreakciót a lavinán növekvő másodpercenként felszabaduló neutronok számának növekedése jellemzi. Ennek eredményeként a másodpercenként lejátszódó reakciók száma és a másodpercenként felszabaduló energia is növekszik.
Ha például atomerőművet akarunk felhasználni egy erőműben, meg kell győződnünk arról, hogy sem a másodpercenkénti reakciók száma nem nőtt, sem nem csökkent. Amint a reakció sebessége nőtt, és a hasadó magok elegendőek voltak, a felszabaduló energia a reaktor hőmérsékletének növekedésévé vált. Gyorsan megnő, és ezzel együtt a nyomás a reaktorban. Idővel a reaktor felrobban. Szerencsére például a kadmium fékrudakkal szabályozhatjuk a nukleáris reakció sebességét. Felszívják a neutronok nagy részét, és a reakció visszatér a kezelhető normákhoz. A reaktor hőjét elvezeti a reaktort lehűtő víz. A gőzölő megforgatja az áramot termelő turbinákat.
Atombombák esetében a másodpercenkénti reakciók számának tovább kell növekednie, amíg a nyomás és a hőmérséklet fel nem robbantja a bombát, és felrobban. A reakciók számának növelése érdekében meg kell növelnünk annak az esélyét, hogy a neutron eltalálja a magot. Ezt növelhetjük, ha kinyomjuk a nukleáris üzemanyagot. Ez történhet például a TNT urán körüli robbanásával. Az uránréteg alatt egy neutron kibocsátó található (a fent említett radont és berilliumot tartalmazó ampulla is használható). Bár egy neutronemisszátor serkentené az urán magreakcióit, hacsak az uránt nem sűrítik, a láncreakció valószínűsége alacsony. Az uránt TNT (vagy más vegyi robbanóanyag) robbanásával tudjuk összenyomni. Sűrített uránban a láncreakció valószínűsége már nagyon magas lenne, és a bomba másodperc töredéke alatt felrobbanna. Mire a bomba felrobban, az uránnak csak kis százaléka fogy el. A robbanás után a reakció már nem folytatódik, mivel a nulla majdnem nulla valószínűsége neutron eltalálja.
Mind a reaktorokban, mind az atombomba robbanása után instabil magok maradnak a reakció után, amelyek bomlanak és felszabadítják az α, β és γ sugárzást.
Radioaktivitás
A természetes sugárzás magában foglalja az α, β és γ részecskéket. Az α részecskék elektronok nélküli magok. Tehát pozitív értéktöltéssel rendelkeznek 2e (e az érték elemi töltése 1 602 * 10 -19. Coulombov).
A β sugárzás 2 típusát különböztetjük meg. Attól függően, hogy elektronok vagy positronok (a pozitron egy részecske, amely nagyon hasonló tulajdonságokkal rendelkezik, mint egy elektron, de ellentétes pozitív töltéssel rendelkezik). A pozitron sugárzás viszonylag ritka, és csak akkor fordul elő, ha a proton neutronrá változik (ami sokkal ritkább, mint a neutron protonné történő átalakulása).
A γ sugárzásnak nincs töltése. A nagy energiájú fotonok (azért, mert csak fotonok) sokkal többet mutatnak be, mint 10keV.
Egyszerűen fogalmazva, miközben az α és β lassulnak az anyagokban, γ felszívódik. Egy papírréteg elegendő az α-részecskék leállításához, épp elég a β-hoz 1mm fémlemez (például alumínium). A gammával rosszabb. A távolság megtétele után d csak a veszélyes fotonok fele marad meg, áthaladás után 2d a felének csak a fele, azaz egynegyede marad meg. Aztán egy nyolcadik és így tovább, mindig kettővel osztva.
Az α és β sugárzástól elektromos erővel is megvédhetnénk magunkat. Az elektromos erők eltérítenék az összes töltött részecskét. De ez nem működne olyan gammán, amelynek nincs töltése.