Artikkel räägib sellest, mis on tuumalõhustumine, kuidas seda protsessi avastati ja kirjeldati. Selgub selle kasutamine energia- ja tuumarelvaallikana.
"Jagamatu" aatom
Kahekümne esimene sajand on täis väljendeid nagu "aatomi energia", "tuumatehnoloogia", "radioaktiivsed jäätmed". Ajalehtede pealkirjades ilmuvad aeg-aj alt välksõnumid pinnase, ookeanide ja Antarktika jää radioaktiivse saastumise võimaluse kohta. Tavainimesel pole aga sageli väga head ettekujutust, mis see teadusvaldkond on ja kuidas see igapäevaelus abiks on. Alustada tasub ehk ajaloost. Juba esimesest küsimusest, mille esitas hästi toidetud ja riides inimene, huvitas teda, kuidas maailm toimib. Kuidas silm näeb, miks kõrv kuuleb, kuidas vesi erineb kivist – see on tarkudele ajast aega muret valmistanud. Isegi Vana-Indias ja Kreekas väitsid mõned uudishimulikud meeled, et on olemas minimaalne osake (seda nimetati ka "jagamatuks"), millel on materjali omadused. Keskaegsed keemikud kinnitasid tarkade oletust ja tänapäevane aatomi määratlus on järgmine: aatom on aine väikseim osake, mis on selle omaduste kandja.
Aatomi osad
Tehnoloogia areng (ineelkõige fotograafia) on viinud selleni, et aatomit ei peeta enam aine väikseimaks võimalikuks osakeseks. Ja kuigi üks aatom on elektriliselt neutraalne, mõistsid teadlased kiiresti, et see koosneb kahest erineva laenguga osast. Positiivselt laetud osade arv kompenseerib negatiivsete osade arvu, seega jääb aatom neutraalseks. Kuid aatomi üheselt mõistetavat mudelit polnud. Kuna sel perioodil domineeris endiselt klassikaline füüsika, tehti erinevaid oletusi.
Atomi mudelid
Alguses pakuti välja "rosinarulli" mudel. Positiivne laeng täitis justkui kogu aatomi ruumi ja negatiivsed laengud jagunesid selles nagu rosinad kukli sees. Rutherfordi kuulus katse tegi kindlaks järgmist: aatomi keskmes paikneb väga raske positiivse laenguga element (tuum), ümberringi aga palju kergemad elektronid. Tuuma mass on sadu kordi raskem kui kõigi elektronide summa (see on 99,9 protsenti kogu aatomi massist). Nii sündis Bohri planeedi aatomimudel. Mõned selle elemendid olid aga vastuolus tol ajal aktsepteeritud klassikalise füüsikaga. Seetõttu töötati välja uus kvantmehaanika. Selle ilmumisega algas teaduse mitteklassikaline periood.
Aatom ja radioaktiivsus
Kõigest ül altoodust selgub, et tuum on aatomi raske, positiivselt laetud osa, mis moodustab selle põhiosa. Kui energia kvantimine ja elektronide positsioonid aatomi orbiidil olid hästi mõistetavad, oli aeg aru saadaaatomituuma olemus. Appi tuli geniaalne ja ootamatult avastatud radioaktiivsus. See aitas paljastada aatomi raske keskosa olemuse, kuna radioaktiivsuse allikas on tuuma lõhustumine. 19. ja 20. sajandi vahetusel sadas avastusi üksteise järel. Ühe probleemi teoreetiline lahendus tingis vajaduse uute katsete tegemiseks. Katsete tulemused tekitasid teooriaid ja hüpoteese, mis vajasid kinnitamist või ümberlükkamist. Sageli on suurimad avastused tulnud lihts alt seetõttu, et nii on valemit lihtne arvutada (nagu näiteks Max Plancki kvant). Juba fotograafiaajastu alguses teadsid teadlased, et uraanisoolad valgustavad valgustundlikku filmi, kuid nad ei kahtlustanud, et tuuma lõhustumine on selle nähtuse aluseks. Seetõttu uuriti radioaktiivsust, et mõista tuuma lagunemise olemust. Ilmselgelt tekitasid kiirgust kvantsiirded, kuid polnud päris selge, millised neist. Sellele küsimusele vastamiseks kaevandasid Curie'd puhast raadiumi ja polooniumi, töötades peaaegu käsitsi uraanimaagis.
Radioaktiivse kiirguse laeng
Rutherford tegi palju aatomi struktuuri uurimisel ja aitas kaasa aatomituuma lõhustumise uurimisele. Teadlane asetas radioaktiivse elemendi kiiratava kiirguse magnetvälja ja sai hämmastava tulemuse. Selgus, et kiirgus koosneb kolmest komponendist: üks oli neutraalne ja ülejäänud kaks olid positiivse ja negatiivse laenguga. Tuuma lõhustumise uurimine algas selle määratlusegakomponendid. On tõestatud, et tuum võib jaguneda, loobuda osa oma positiivsest laengust.
Tuuma struktuur
Hiljem selgus, et aatomituum ei koosne ainult positiivselt laetud prootonitest, vaid ka neutronite neutraalsetest osakestest. Koos nimetatakse neid nukleonideks (inglise keelest "tuum", tuum). Teadlased põrkusid aga taas probleemile: tuuma mass (see tähendab nukleonide arv) ei vastanud alati selle laengule. Vesinikus on tuuma laeng +1 ja mass võib olla kolm, kaks ja üks. Perioodilises tabelis järgmisel heeliumil on tuumalaeng +2, samas kui selle tuum sisaldab 4 kuni 6 nukleoni. Keerulisematel elementidel võib sama laengu puhul olla palju rohkem erinevaid masse. Selliseid aatomite variatsioone nimetatakse isotoopideks. Pealegi osutusid mõned isotoobid üsna stabiilseks, teised aga lagunesid kiiresti, kuna neid iseloomustas tuuma lõhustumine. Milline põhimõte vastas tuumade stabiilsuse nukleonide arvule? Miks viis ainult ühe neutroni lisamine raskele ja üsna stabiilsele tuumale selle lõhenemiseni, radioaktiivsuse vabanemiseni? Kummalisel kombel pole sellele olulisele küsimusele vastust veel leitud. Empiiriliselt selgus, et aatomituumade stabiilsed konfiguratsioonid vastavad teatud kogustele prootoneid ja neutroneid. Kui tuumas on 2, 4, 8, 50 neutronit ja/või prootonit, siis on tuum kindlasti stabiilne. Neid numbreid nimetatakse isegi maagiaks (ja täiskasvanud teadlased, tuumafüüsikud, nimetasid neid nii). Seega sõltub tuumade lõhustumine nende massist, st neis sisalduvate nukleonide arvust.
Tilk, kest, kristall
Südamiku stabiilsuse eest vastutavat tegurit ei olnud hetkel võimalik määrata. Aatomi struktuuri mudeli teooriaid on palju. Kolm kõige kuulsamat ja arenenumat on sageli erinevates küsimustes vastuolus. Esimese järgi on tuum spetsiaalse tuumavedeliku tilk. Sarnaselt veele iseloomustab seda voolavus, pindpinevus, ühinemine ja lagunemine. Kestmudelis on tuumas ka teatud energiatasemed, mis on täidetud nukleonidega. Kolmas väidab, et tuum on keskkond, mis on võimeline murdma erilaineid (de Broglie), samas kui murdumisnäitaja on potentsiaalne energia. Ükski mudel pole aga veel suutnud täielikult kirjeldada, miks selle konkreetse keemilise elemendi teatud kriitilise massi juures algab tuuma lõhustumine.
Millised on lahkuminekud
Radioaktiivsus, nagu eespool mainitud, leiti ainetest, mida leidub looduses: uraan, poloonium, raadium. Näiteks värskelt kaevandatud puhas uraan on radioaktiivne. Jagamisprotsess on sel juhul spontaanne. Ilma väliste mõjudeta eraldab teatud arv uraani aatomeid alfaosakesi, mis muutuvad spontaanselt tooriumiks. On olemas näitaja, mida nimetatakse poolestusajaks. See näitab, milliseks ajaks jääb osa esialgsest numbrist alles umbes pool. Iga radioaktiivse elemendi poolestusaeg on erinev - Californias sekundi murdosast kunisadu tuhandeid aastaid uraani ja tseesiumi puhul. Kuid on ka sunnitud radioaktiivsust. Kui aatomituumi pommitatakse suure kineetilise energiaga prootonite või alfaosakestega (heeliumi tuumadega), võivad need "lõheneda". Muutumise mehhanism on muidugi erinev sellest, kuidas ema lemmikvaas katki läheb. Siiski on teatud analoogia.
Aatomienergia
Siiani pole me vastanud praktilisele küsimusele: kust tuleb energia tuuma lõhustumise ajal. Alustuseks tuleb selgitada, et tuuma moodustumisel toimivad spetsiaalsed tuumajõud, mida nimetatakse tugevaks interaktsiooniks. Kuna tuum koosneb paljudest positiivsetest prootonitest, jääb küsimus, kuidas need omavahel kokku jäävad, sest elektrostaatilised jõud peavad neid üsna tugev alt üksteisest eemale lükkama. Vastus on ühtaegu lihtne ja mitte korraga: tuuma hoiab koos eriliste osakeste – pi-mesonite – nukleonide vaheline väga kiire vahetus. See ühendus elab uskumatult lühikest aega. Niipea, kui pi-mesonite vahetus peatub, tuum laguneb. Samuti on kindl alt teada, et tuuma mass on väiksem kui kõigi selle koostisosade nukleonide summa. Seda nähtust nimetatakse massidefektiks. Tegelikult on puuduv mass energia, mis kulub tuuma terviklikkuse säilitamiseks. Niipea, kui mingi osa aatomi tuumast eraldatakse, vabaneb see energia ja muundatakse tuumaelektrijaamades soojuseks. See tähendab, et tuuma lõhustumise energia on kuulsa Einsteini valemi selge näide. Tuletage meelde, et valem ütleb: energia ja mass võivad muutuda üksteiseks (E=mc2).
Teooria ja praktika
Nüüd räägime teile, kuidas seda puht alt teoreetilist avastust elus kasutatakse gigavattide elektri tootmiseks. Esiteks tuleb märkida, et kontrollitud reaktsioonid kasutavad sunnitud tuuma lõhustumist. Enamasti on see uraan või poloonium, mida pommitavad kiired neutronid. Teiseks on võimatu mitte mõista, et tuuma lõhustumisega kaasneb uute neutronite teke. Selle tulemusena võib reaktsioonitsoonis neutronite arv väga kiiresti suureneda. Iga neutron põrkab kokku uute, veel tervete tuumadega, lõhestab need, mis toob kaasa soojuseralduse suurenemise. See on tuuma lõhustumise ahelreaktsioon. Neutronite arvu kontrollimatu suurenemine reaktoris võib põhjustada plahvatuse. Täpselt nii juhtus 1986. aastal Tšernobõli tuumajaamas. Seetõttu on reaktsioonitsoonis alati aine, mis neelab üleliigseid neutroneid, hoides ära katastroofi. See on grafiit pikkade varraste kujul. Tuuma lõhustumise kiirust saab aeglustada, kui sukeldada vardad reaktsioonitsooni. Tuumareaktsiooni võrrand koostatakse spetsiaalselt iga aktiivse radioaktiivse aine ja seda pommitavate osakeste (elektronid, prootonid, alfaosakesed) kohta. Lõplik energiatoodang arvutatakse aga jäävusseaduse järgi: E1+E2=E3+E4. See tähendab, et algtuuma ja osakese koguenergia (E1 + E2) peab olema võrdne tekkiva tuuma energiaga ja vabal kujul vabaneva energiaga (E3 + E4). Tuumareaktsiooni võrrand näitab ka seda, millist ainet lagunemise tulemusena saadakse. Näiteks uraani puhul U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Elementide isotoope pole siin loetletud.see on aga oluline. Näiteks uraani lõhustamiseks on koguni kolm võimalust, mille käigus tekivad erinevad plii ja neooni isotoobid. Peaaegu sada protsenti juhtudest tekitab tuuma lõhustumise reaktsioon radioaktiivseid isotoope. See tähendab, et uraani lagunemisel tekib radioaktiivne toorium. Toorium võib laguneda protaktiiniumiks, see aktiiniumiks ja nii edasi. Selles seerias võivad radioaktiivsed olla nii vismut kui ka titaan. Isegi vesinikku, mis sisaldab tuumas kahte prootonit (ühe prootoni kiirusega), nimetatakse erinev alt - deuteeriumiks. Sellise vesinikuga moodustunud vett nimetatakse raskeks veeks ja see täidab tuumareaktorites primaarahela.
Ebarahuldav aatom
Sellised väljendid nagu "võidurelvastumine", "külm sõda", "tuumaoht" võivad tunduda kaasaegsele inimesele ajaloolised ja ebaolulised. Kuid kunagi olid peaaegu kõikjal maailmas iga pressiteate saatel teated selle kohta, mitut tüüpi tuumarelvi leiutati ja kuidas nendega toime tulla. Inimesed ehitasid maa-aluseid punkreid ja varusid tuumatalve puhuks varusid. Varjupaiga ehitamisel töötasid terved pered. Isegi tuuma lõhustumise reaktsioonide rahumeelne kasutamine võib põhjustada katastroofi. Näib, et Tšernobõli õpetas inimkonnale selles valdkonnas ettevaatlik olema, kuid planeedi elemendid osutusid tugevamaks: Jaapani maavärin kahjustas Fukushima tuumajaama väga usaldusväärseid kindlustusi. Tuumareaktsiooni energiat on palju lihtsam hävitamiseks kasutada. Tehnoloogid peavad ainult plahvatuse jõudu piirama, et mitte kogemata kogu planeeti hävitada. Kõige "inimlikumad" pommid, kui neid nii võib nimetada, ei reosta ümbrust kiirgusega. Üldiselt kasutavad nad kõige sagedaminikontrollimatu ahelreaktsioon. See, mida nad tuumaelektrijaamades igati vältida püüavad, saavutatakse pommides väga primitiivsel viisil. Iga looduslikult radioaktiivse elemendi jaoks on teatud kriitiline mass puhta aine, milles ahelreaktsioon sünnib iseenesest. Näiteks uraani puhul on see vaid viiskümmend kilogrammi. Kuna uraan on väga raske, on see vaid väike metallkuul, mille läbimõõt on 12-15 sentimeetrit. Esimesed Hiroshimale ja Nagasakile visatud aatomipommid valmistati täpselt selle põhimõtte järgi: kaks puhta uraani ebavõrdset osa lihts alt ühinesid ja tekitasid hirmuäratava plahvatuse. Kaasaegsed relvad on ilmselt keerukamad. Siiski ei tohiks unustada kriitilist massi: väikese koguse puhta radioaktiivse materjali vahel peavad ladustamise ajal olema tõkked, mis takistavad osade ühendamist.
Kiirgusallikad
Kõik elemendid, mille tuumalaeng on suurem kui 82, on radioaktiivsed. Peaaegu kõigil kergematel keemilistel elementidel on radioaktiivsed isotoobid. Mida raskem on tuum, seda lühem on selle eluiga. Mõnda elementi (näiteks Californiat) on võimalik saada ainult kunstlikult – raskete aatomite kokkupõrkes kergemate osakestega, kõige sagedamini kiirendites. Kuna need on väga ebastabiilsed, siis neid maakoores ei eksisteeri: planeedi tekke käigus lagunesid nad väga kiiresti teisteks elementideks. Kaevandada saab kergemate tuumadega aineid, näiteks uraani. See protsess on pikk, ekstraheerimiseks sobiv uraan sisaldab isegi väga rikastes maakides alla ühe protsendi. kolmas viis,võib-olla viitab sellele, et uus geoloogiline ajastu on juba alanud. See on radioaktiivsete elementide eraldamine radioaktiivsetest jäätmetest. Pärast kütuse kulutamist elektrijaamas, allveelaeval või lennukikandjal saadakse algse uraani ja lõpliku aine segu, mis on lõhustumise tulemus. Praegu peetakse seda tahketeks radioaktiivseteks jäätmeteks ja on terav küsimus, kuidas neid kõrvaldada, et need keskkonda ei reostaks. Siiski on tõenäoline, et lähitulevikus kaevandatakse nendest jäätmetest valmis kontsentreeritud radioaktiivseid aineid (näiteks poloonium).
