Maqolada yadro boʻlinishi nima ekanligi, bu jarayon qanday kashf etilgani va tasvirlangani haqida soʻz boradi. Uning energiya va yadro quroli sifatida ishlatilishi aniqlandi.
"Bo'linmas" atom
XXI asr "atom energiyasi", "yadro texnologiyasi", "radioaktiv chiqindilar" kabi iboralar bilan to'la. Vaqti-vaqti bilan gazeta sarlavhalarida Antarktida tuproqlari, okeanlari va muzlarining radioaktiv ifloslanishi mumkinligi haqida flesh-xabarlar paydo bo'ladi. Biroq, oddiy odam ko'pincha bu fan sohasi nima ekanligini va uning kundalik hayotda qanday yordam berishi haqida juda yaxshi tasavvurga ega emas. Ehtimol, tarixdan boshlashga arziydi. To‘yib-to‘yib, kiyingan odam bergan birinchi savoldanoq u dunyo qanday ishlashi bilan qiziqdi. Ko'z qanday ko'radi, nima uchun quloq eshitadi, suv toshdan qanday farq qiladi - bu azaldan donishmandlarni tashvishga solgan. Hatto qadimgi Hindiston va Yunonistonda ham ba'zi qiziquvchan fikrlar materialning xususiyatlariga ega bo'lgan minimal zarracha (uni "bo'linmas" deb ham atalgan) borligini taxmin qilishgan. O'rta asrlar kimyogarlari donishmandlarning taxminini tasdiqladilar va atomning zamonaviy ta'rifi quyidagicha: atom - moddaning eng kichik zarrasi bo'lib, uning xossalari tashuvchisi.
Atom qismlari
Biroq, texnologiyaning rivojlanishi (inxususan, fotografiya) atom endi materiyaning mumkin bo'lgan eng kichik zarrasi hisoblanmasligiga olib keldi. Va bitta atom elektr neytral bo'lsa-da, olimlar uning turli zaryadli ikki qismdan iborat ekanligini tezda angladilar. Ijobiy zaryadlangan qismlar soni manfiy bo'lganlar sonini qoplaydi, shuning uchun atom neytral bo'lib qoladi. Ammo atomning aniq modeli yo'q edi. O'sha davrda ham klassik fizika hukmronlik qilgani uchun turli taxminlar ilgari surildi.
Atom modellari
Avvaliga “mayizli rulo” modeli taklif qilingan. Ijobiy zaryad, go'yo atomning butun bo'shlig'ini to'ldirdi va manfiy zaryadlar undagi mayiz kabi taqsimlandi. Rezerfordning mashhur tajribasi quyidagilarni aniqladi: atomning markazida musbat zaryadga ega bo'lgan juda og'ir element (yadro) va uning atrofida ancha engilroq elektronlar joylashgan. Yadroning massasi barcha elektronlar yig'indisidan yuzlab marta og'irroqdir (u butun atom massasining 99,9 foizini tashkil qiladi). Shunday qilib, Borning atomning sayyoraviy modeli tug'ildi. Biroq, uning ba'zi elementlari o'sha paytda qabul qilingan klassik fizikaga zid edi. Shuning uchun yangi, kvant mexanikasi ishlab chiqildi. Uning paydo bo'lishi bilan fanning noklassik davri boshlandi.
Atom va radioaktivlik
Yuqorida aytilganlarning barchasidan ma'lum bo'ladiki, yadro atomning og'ir, musbat zaryadlangan qismi bo'lib, uning asosiy qismini tashkil qiladi. Energiyaning kvantlanishi va atom orbitasidagi elektronlarning joylashuvi yaxshi tushunilganida, tushunish vaqti keldi.atom yadrosining tabiati. Aqlli va kutilmaganda topilgan radioaktivlik yordamga keldi. Bu atomning og'ir markaziy qismining mohiyatini ochib berishga yordam berdi, chunki radioaktivlik manbai yadroviy bo'linishdir. O'n to'qqizinchi va yigirmanchi asrlar oxirida kashfiyotlar birin-ketin yog'ib bordi. Bitta muammoning nazariy yechimi yangi tajribalarni talab qildi. Tajribalar natijalari tasdiqlanishi yoki rad etilishi kerak bo'lgan nazariya va farazlarni keltirib chiqardi. Ko'pincha eng katta kashfiyotlar formulani hisoblash oson bo'lganligi sababli yuzaga kelgan (masalan, Maks Plank kvanti kabi). Fotografiya davrining boshida ham olimlar uran tuzlari fotosensitiv plyonkani yoritishini bilishgan, ammo ular yadro parchalanishi bu hodisaning asosi ekanligiga shubha qilishmagan. Shuning uchun yadroviy parchalanishning mohiyatini tushunish uchun radioaktivlik o'rganildi. Shubhasiz, nurlanish kvant o'tishlari natijasida hosil bo'lgan, ammo qaysi biri to'liq aniq emas edi. Kyurilar bu savolga javob berish uchun uran rudasida deyarli qo‘lda ishlaydigan sof radiy va poloniy qazib olishgan.
Radioaktiv nurlanish zaryadi
Rezerford atom tuzilishini oʻrganishda koʻp ish qilgan va atom yadrosining boʻlinishi qanday sodir boʻlishini oʻrganishga hissa qoʻshgan. Olim radioaktiv element chiqaradigan nurlanishni magnit maydonga joylashtirdi va ajoyib natijaga erishdi. Ma'lum bo'lishicha, nurlanish uchta komponentdan iborat: biri neytral, qolgan ikkitasi musbat va manfiy zaryadlangan. Yadro bo'linishini o'rganish uning ta'rifidan boshlandikomponentlar. Yadro bo'linishi, musbat zaryadining bir qismini tark etishi isbotlangan.
Yadroning tuzilishi
Keyinchalik ma'lum bo'ldiki, atom yadrosi nafaqat protonlarning musbat zaryadlangan zarralaridan, balki neytronlarning neytral zarrachalaridan ham iborat. Ular birgalikda nuklonlar deb ataladi (inglizcha "yadro", yadrodan). Biroq, olimlar yana bir muammoga duch kelishdi: yadroning massasi (ya'ni nuklonlar soni) har doim ham uning zaryadiga mos kelavermaydi. Vodorodda yadroning zaryadi +1, massasi esa uch, ikkita va bitta bo'lishi mumkin. Davriy jadvaldagi geliyning yadro zaryadi +2, yadrosida esa 4 dan 6 gacha nuklonlar mavjud. Murakkabroq elementlar bir xil zaryad uchun juda ko'p turli massalarga ega bo'lishi mumkin. Atomlarning bunday o'zgarishiga izotoplar deyiladi. Bundan tashqari, ba'zi izotoplar juda barqaror bo'lib chiqdi, boshqalari esa tezda parchalanib ketdi, chunki ular yadroviy bo'linish bilan ajralib turardi. Yadrolar barqarorligining nuklonlari soni qanday printsipga mos keladi? Nega og'ir va ancha barqaror yadroga bitta neytronning qo'shilishi uning bo'linishiga, radioaktivlikning tarqalishiga olib keldi? Ajabo, bu muhim savolga javob hali topilmadi. Empirik tarzda, atom yadrolarining barqaror konfiguratsiyasi ma'lum miqdordagi proton va neytronlarga mos kelishi ma'lum bo'ldi. Agar yadroda 2, 4, 8, 50 ta neytron va/yoki proton boʻlsa, u holda yadro albatta barqaror boʻladi. Bu raqamlar hatto sehr deb ataladi (va kattalar olimlari, yadro fiziklari ularni shunday deb atashgan). Demak, yadrolarning boʻlinishi ularning massasiga, yaʼni ular tarkibiga kirgan nuklonlar soniga bogʻliq.
Tomchi, qobiq, kristal
Ayni vaqtda yadro barqarorligi uchun mas'ul bo'lgan omilni aniqlashning iloji bo'lmadi. Atom tuzilishi modelining ko'plab nazariyalari mavjud. Eng mashhur va rivojlangan uchtasi ko'pincha turli masalalarda bir-biriga zid keladi. Birinchisiga ko'ra, yadro maxsus yadro suyuqligining tomchisidir. Suv kabi, u suyuqlik, sirt tarangligi, birlashishi va parchalanishi bilan ajralib turadi. Qobiq modelida yadroda nuklonlar bilan to'ldirilgan ma'lum energiya darajalari ham mavjud. Uchinchisi, yadro maxsus to'lqinlarni (de Broyl) sindirishga qodir bo'lgan muhit ekanligini, sinishi ko'rsatkichi esa potentsial energiya ekanligini ta'kidlaydi. Biroq, hozircha hech bir model ushbu kimyoviy elementning ma'lum bir kritik massasida yadro bo'linishi nima uchun boshlanishini to'liq tasvirlab bera olmadi.
Ayrilishlar qanday bo'ladi
Radioaktivlik, yuqorida aytib o'tilganidek, tabiatda mavjud bo'lgan moddalarda topilgan: uran, poloniy, radiy. Masalan, yangi qazib olingan, sof uran radioaktiv hisoblanadi. Bu holda bo'linish jarayoni o'z-o'zidan bo'ladi. Hech qanday tashqi ta'sirlarsiz, ma'lum miqdordagi uran atomlari alfa zarralarini chiqaradi va o'z-o'zidan toriyga aylanadi. Yarim yemirilish davri deb ataladigan ko'rsatkich mavjud. Bu qismning dastlabki sonidan yarmiga yaqini qancha vaqt qolishini ko'rsatadi. Har bir radioaktiv element uchun yarimparchalanish davri har xil bo'ladi - Kaliforniya uchun soniyaning ulushigachauran va seziy uchun yuz minglab yillar. Ammo majburiy radioaktivlik ham mavjud. Agar atomlar yadrolari yuqori kinetik energiyaga ega protonlar yoki alfa zarrachalari (geliy yadrolari) bilan bombardimon qilinsa, ular «ajralishi» mumkin. Transformatsiya mexanizmi, albatta, onaning sevimli vazasini qanday sindirishdan farq qiladi. Biroq, ma'lum bir o'xshashlik bor.
Atom energiyasi
Hozircha biz amaliy savolga javob bermadik: yadro parchalanishi paytida energiya qayerdan keladi. Boshlash uchun shuni aniqlashtirish kerakki, yadro hosil bo'lishi paytida kuchli o'zaro ta'sir deb ataladigan maxsus yadro kuchlari harakat qiladi. Yadro ko'plab ijobiy protonlardan iborat bo'lganligi sababli, ular qanday qilib bir-biriga yopishadi degan savol qoladi, chunki elektrostatik kuchlar ularni bir-biridan juda kuchli tarzda uzoqlashtirishi kerak. Javob oddiy va bir vaqtning o'zida emas: yadro maxsus zarrachalarning nuklonlari - pi-mezonlari o'rtasida juda tez almashinuv orqali birlashtiriladi. Bu aloqa nihoyatda qisqa umr ko'radi. Pi-mezonlar almashinuvi to'xtashi bilan yadro parchalanadi. Yadro massasi uning barcha nuklonlari yig'indisidan kichik ekanligi ham aniq ma'lum. Bu hodisa ommaviy nuqson deb ataladi. Aslida, etishmayotgan massa yadroning yaxlitligini saqlashga sarflanadigan energiyadir. Bir qismi atom yadrosidan ajralishi bilanoq, bu energiya ajralib chiqadi va atom elektr stantsiyalarida issiqlikka aylanadi. Ya'ni, yadro parchalanish energiyasi mashhur Eynshteyn formulasining yaqqol isbotidir. Eslatib o'tamiz, formulada shunday deyilgan: energiya va massa bir-biriga aylanishi mumkin (E=mc2).
Nazariya va amaliyot
Endi biz sizga bu sof nazariy kashfiyot hayotda gigavatt elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun qanday ishlatilishini aytib beramiz. Birinchidan, shuni ta'kidlash kerakki, boshqariladigan reaktsiyalar majburiy yadro bo'linishidan foydalanadi. Ko'pincha bu tez neytronlar tomonidan bombardimon qilingan uran yoki poloniydir. Ikkinchidan, yadro parchalanishi yangi neytronlarning paydo bo'lishi bilan birga bo'lishini tushunmaslik mumkin emas. Natijada reaksiya zonasida neytronlar soni juda tez ortishi mumkin. Har bir neytron yangi, hali ham buzilmagan yadrolar bilan to'qnashadi, ularni bo'linadi, bu esa issiqlik chiqishining oshishiga olib keladi. Bu yadroviy bo'linish zanjiri reaktsiyasi. Reaktorda neytronlar sonining nazoratsiz ko'payishi portlashga olib kelishi mumkin. 1986 yilda Chernobil AESda aynan shunday bo'ldi. Shuning uchun reaktsiya zonasida har doim ortiqcha neytronlarni o'zlashtiradigan va falokatning oldini oluvchi modda mavjud. Bu uzun tayoqchalar shaklidagi grafitdir. Reaksiya zonasiga tayoqchalarni botirish orqali yadro bo‘linish tezligini sekinlashtirish mumkin. Yadro reaktsiyasi tenglamasi har bir faol radioaktiv modda va uni bombardimon qiluvchi zarralar (elektronlar, protonlar, alfa zarralari) uchun maxsus tuzilgan. Shu bilan birga, yakuniy energiya chiqishi saqlanish qonuni bo'yicha hisoblanadi: E1+E2=E3+E4. Ya'ni, dastlabki yadro va zarraning umumiy energiyasi (E1 + E2) hosil bo'lgan yadro energiyasiga va erkin shaklda chiqarilgan energiyaga (E3 + E4) teng bo'lishi kerak. Yadro reaktsiyasi tenglamasi parchalanish natijasida qanday moddaning olinishini ham ko'rsatadi. Masalan, uran uchun U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Elementlarning izotoplari bu erda sanab o'tilmagan.ammo, bu muhim. Masalan, qo'rg'oshin va neonning turli izotoplari hosil bo'ladigan uranning bo'linishining uchta imkoniyati mavjud. Deyarli yuz foiz hollarda yadro parchalanish reaktsiyasi radioaktiv izotoplarni hosil qiladi. Ya'ni uranning parchalanishi radioaktiv toriy hosil qiladi. Toriy protaktiniyga, u aktiniyga va hokazolarga parchalanishi mumkin. Ushbu seriyada vismut ham, titan ham radioaktiv bo'lishi mumkin. Hatto yadrosida ikkita proton bo'lgan vodorod (bir proton tezligida) ham boshqacha - deyteriy deb ataladi. Bunday vodorod bilan hosil bo'lgan suv og'ir suv deb ataladi va yadroviy reaktorlarning birlamchi konturini to'ldiradi.
Tinchliksiz atom
“Qurol poygasi”, “sovuq urush”, “yadroviy tahdid” kabi iboralar zamonaviy inson uchun tarixiy va ahamiyatsizdek tuyulishi mumkin. Ammo bir vaqtlar deyarli butun dunyo bo'ylab har bir yangilik relizlar yadro qurolining qancha turi ixtiro qilingani va ular bilan qanday kurashish mumkinligi haqidagi xabarlar bilan birga bo'lgan. Odamlar er osti bunkerlarini qurdilar va yadroviy qish bo'lsa, zahiralarni yig'ishdi. Boshpana qurish uchun butun oilalar ishladilar. Hatto yadroviy parchalanish reaktsiyalaridan tinch maqsadlarda foydalanish ham falokatga olib kelishi mumkin. Chernobil insoniyatni bu sohada ehtiyotkor bo'lishga o'rgatganga o'xshaydi, ammo sayyoramizning elementlari kuchliroq bo'lib chiqdi: Yaponiyadagi zilzila Fukusima atom elektr stantsiyasining juda ishonchli istehkomlariga zarar etkazdi. Yadro reaktsiyasining energiyasini yo'q qilish uchun ishlatish ancha oson. Texnologlar butun sayyorani tasodifan yo'q qilmaslik uchun faqat portlash kuchini cheklashlari kerak. Eng "insonparvar" bombalar, agar ularni shunday deb atash mumkin bo'lsa, atrofni radiatsiya bilan ifloslantirmang. Umuman olganda, ular ko'pincha foydalanadilarnazoratsiz zanjir reaktsiyasi. Ular atom elektr stantsiyalarida har qanday yo'l bilan qochishga intilayotgan narsaga bombalarda juda ibtidoiy tarzda erishiladi. Har qanday tabiiy radioaktiv element uchun sof moddaning ma'lum bir kritik massasi mavjud bo'lib, unda zanjir reaktsiyasi o'z-o'zidan tug'iladi. Masalan, uran uchun u atigi ellik kilogramm. Uran juda og'ir bo'lgani uchun u diametri 12-15 santimetr bo'lgan kichik metall shardir. Xirosima va Nagasakiga tashlangan birinchi atom bombalari aynan shu tamoyilga muvofiq qilingan: sof uranning ikkita teng bo'lmagan qismi shunchaki birlashtirilib, dahshatli portlash sodir bo'ldi. Zamonaviy qurollar, ehtimol, yanada murakkab. Biroq, tanqidiy massa haqida unutmaslik kerak: saqlash vaqtida toza radioaktiv materialning kichik hajmlari o'rtasida qismlarning ulanishiga to'sqinlik qiladigan to'siqlar bo'lishi kerak.
Radiatsiya manbalari
Yadro zaryadi 82 dan katta boʻlgan barcha elementlar radioaktiv hisoblanadi. Deyarli barcha engilroq kimyoviy elementlar radioaktiv izotoplarga ega. Yadro qanchalik og'ir bo'lsa, uning umri shunchalik qisqaradi. Ba'zi elementlarni (masalan, Kaliforniya) faqat sun'iy ravishda - og'ir atomlarni engilroq zarrachalar bilan to'qnashtirish orqali, ko'pincha tezlatgichlarda olish mumkin. Ular juda beqaror bo'lganligi sababli, ular er qobig'ida mavjud emas: sayyora shakllanishi paytida ular boshqa elementlarga juda tez parchalanib ketgan. Uran kabi engilroq yadroli moddalarni qazib olish mumkin. Bu jarayon uzoq davom etadi, qazib olish uchun yaroqli uran, hatto juda boy rudalarda ham bir foizdan kam bo'ladi. uchinchi yo'l,balki yangi geologik davr allaqachon boshlanganidan dalolat beradi. Bu radioaktiv chiqindilardan radioaktiv elementlarni ajratib olishdir. Yoqilg'i elektr stantsiyasida, suv osti kemasida yoki samolyot tashuvchisida sarflangandan so'ng, asl uran va bo'linish natijasi bo'lgan yakuniy moddaning aralashmasi olinadi. Ayni paytda bu qattiq radioaktiv chiqindilar hisoblanadi va ular atrof-muhitni ifloslantirmaslik uchun ularni qanday yo'q qilish kerakligi haqida keskin savol tug'iladi. Biroq, yaqin kelajakda bu chiqindilardan tayyor konsentrlangan radioaktiv moddalar (masalan, poloniy) qazib olinishi ehtimoli katta.
