Článek vypráví o tom, co je jaderné štěpení, jak byl tento proces objeven a popsán. Jeho použití jako zdroje energie a jaderných zbraní je odhaleno.
"Nedělitelný" atom
21. století je plné výrazů jako „energie atomu“, „jaderná technologie“, „radioaktivní odpad“. Tu a tam se v novinových titulcích objeví zprávy o možnosti radioaktivní kontaminace půdy, oceánů a ledu Antarktidy. Běžný člověk však často nemá příliš dobrou představu o tom, co tento vědní obor je a jak pomáhá v každodenním životě. Možná stojí za to začít historií. Už od první otázky, kterou položil dobře najedený a oblečený člověk, ho zajímalo, jak svět funguje. Jak oko vidí, proč ucho slyší, jak se voda liší od kamene - to dělalo starosti mudrcům od nepaměti. Dokonce i ve starověké Indii a Řecku některé zvídavé mozky naznačovaly, že existuje minimální částice (také se jí říkalo „nedělitelná“), která má vlastnosti materiálu. Středověcí chemici potvrdili odhad mudrců a moderní definice atomu zní takto: atom je nejmenší částice látky, která je nositelem jejích vlastností.
Části atomu
Vývoj technologie (vzejména fotografie) vedla k tomu, že atom již není považován za nejmenší možnou částici hmoty. A přestože je jeden atom elektricky neutrální, vědci rychle pochopili, že se skládá ze dvou částí s různým nábojem. Počet kladně nabitých částí kompenzuje počet záporných, takže atom zůstává neutrální. Jednoznačný model atomu ale neexistoval. Protože klasická fyzika v tomto období stále dominovala, byly učiněny různé předpoklady.
modely Atom
Nejprve byl navržen model „rozinkové rolky“. Kladný náboj jakoby vyplnil celý prostor atomu a záporné náboje se v něm rozprostřely jako rozinky v housce. Slavný Rutherfordův experiment určil následující: velmi těžký prvek s kladným nábojem (jádro) se nachází ve středu atomu a kolem jsou umístěny mnohem lehčí elektrony. Hmotnost jádra je stokrát těžší než součet všech elektronů (je to 99,9 procenta hmotnosti celého atomu). Tak se zrodil Bohrův planetární model atomu. Některé jeho prvky však odporovaly tehdy uznávané klasické fyzice. Proto byla vyvinuta nová, kvantová mechanika. Svým vzhledem začalo neklasické období vědy.
Atom a radioaktivita
Ze všeho výše uvedeného je zřejmé, že jádro je těžká, kladně nabitá část atomu, která tvoří jeho objem. Když bylo dobře pochopeno kvantování energie a pozice elektronů na oběžné dráze atomu, nastal čas porozumětpovaha atomového jádra. Na pomoc přišla důmyslná a nečekaně objevená radioaktivita. Pomohlo to odhalit podstatu těžké centrální části atomu, protože zdrojem radioaktivity je jaderné štěpení. Na přelomu devatenáctého a dvacátého století pršely objevy jeden za druhým. Teoretické řešení jednoho problému si vyžádalo nové experimenty. Výsledky experimentů daly vzniknout teoriím a hypotézám, které bylo potřeba potvrdit nebo vyvrátit. Často největší objevy vznikly jednoduše proto, že se tak vzorec stal snadno vypočítatelným (jako například kvantum Maxe Plancka). Již na počátku éry fotografie vědci věděli, že uranové soli rozsvěcují fotocitlivý film, ale netušili, že základem tohoto jevu je jaderné štěpení. Proto byla zkoumána radioaktivita, aby bylo možné pochopit podstatu jaderného rozpadu. Je zřejmé, že záření bylo generováno kvantovými přechody, ale nebylo zcela jasné, které. Curieovi těžili čisté radium a polonium, pracovali téměř ručně v uranové rudě, aby na tuto otázku odpověděli.
Náboj radioaktivního záření
Rutherford udělal hodně pro studium struktury atomu a přispěl ke studiu toho, jak dochází ke štěpení atomového jádra. Vědec umístil záření emitované radioaktivním prvkem do magnetického pole a získal úžasný výsledek. Ukázalo se, že záření se skládá ze tří složek: jedna byla neutrální a další dvě byly kladně a záporně nabité. Studium jaderného štěpení začalo jeho definicíkomponenty. Bylo prokázáno, že jádro se může rozdělit, odevzdat část svého kladného náboje.
Struktura jádra
Později se ukázalo, že atomové jádro se skládá nejen z kladně nabitých částic protonů, ale také z neutrálních částic neutronů. Společně se nazývají nukleony (z anglického „nucleus“, jádro). Vědci však opět narazili na problém: hmotnost jádra (tedy počet nukleonů) ne vždy odpovídala jeho náboji. Ve vodíku má jádro náboj +1 a hmotnost může být tři, dva a jedna. Helium další v periodické tabulce má jaderný náboj +2, zatímco jeho jádro obsahuje 4 až 6 nukleonů. Složitější prvky mohou mít mnohem více různých hmotností pro stejný náboj. Takové variace atomů se nazývají izotopy. Navíc se ukázalo, že některé izotopy jsou docela stabilní, zatímco jiné se rychle rozpadly, protože byly charakterizovány jaderným štěpením. Jaký princip odpovídal počtu nukleonů stability jader? Proč přidání pouhého jednoho neutronu k těžkému a vcelku stabilnímu jádru vedlo k jeho rozštěpení, k uvolnění radioaktivity? Kupodivu odpověď na tuto důležitou otázku dosud nebyla nalezena. Empiricky se ukázalo, že stabilní konfigurace atomových jader odpovídají určitému množství protonů a neutronů. Pokud je v jádře 2, 4, 8, 50 neutronů a/nebo protonů, pak bude jádro určitě stabilní. Těmto číslům se dokonce říká magie (a tak je nazývali dospělí vědci, jaderní fyzici). Štěpení jader tedy závisí na jejich hmotnosti, tedy na počtu nukleonů v nich obsažených.
Kapka, skořápka, krystal
V tuto chvíli nebylo možné určit faktor, který je zodpovědný za stabilitu jádra. Existuje mnoho teorií modelu struktury atomu. Tři nejznámější a nejrozvinutější si často v různých otázkách protiřečí. Podle prvního je jádro kapkou speciální jaderné kapaliny. Stejně jako voda je charakterizována tekutostí, povrchovým napětím, koalescencí a rozpadem. V modelu obalu existují také určité energetické hladiny v jádře, které jsou vyplněny nukleony. Třetí uvádí, že jádro je médium, které je schopno lámat speciální vlny (de Broglie), zatímco index lomu je potenciální energie. Žádný model však dosud nebyl schopen plně popsat, proč při určité kritické hmotnosti tohoto konkrétního chemického prvku začíná jaderné štěpení.
Jaké jsou rozchody
Radioaktivita, jak bylo uvedeno výše, byla zjištěna v látkách, které se vyskytují v přírodě: uran, polonium, radium. Například čerstvě vytěžený čistý uran je radioaktivní. Proces štěpení v tomto případě bude spontánní. Bez jakýchkoliv vnějších vlivů bude určitý počet atomů uranu emitovat částice alfa, které se spontánně přemění na thorium. Existuje indikátor zvaný poločas rozpadu. Ukazuje, za jakou dobu z počátečního čísla dílu zbude zhruba polovina. U každého radioaktivního prvku je poločas rozpadu odlišný – od zlomků sekundy pro Kalifornii až postovky tisíc let pro uran a cesium. Existuje ale také nucená radioaktivita. Pokud jsou jádra atomů bombardována protony nebo částicemi alfa (jádra helia) s vysokou kinetickou energií, mohou se „rozdělit“. Mechanismus přeměny se samozřejmě liší od toho, jak se rozbije oblíbená váza matky. Existuje však určitá analogie.
Atomová energie
Dosud jsme neodpověděli na praktickou otázku: odkud se bere energie při jaderném štěpení. Pro začátek je třeba upřesnit, že při tvorbě jádra působí speciální jaderné síly, které se nazývají silná interakce. Vzhledem k tomu, že jádro je složeno z mnoha kladných protonů, zůstává otázkou, jak se drží pohromadě, protože elektrostatické síly je musí od sebe dost silně odtlačovat. Odpověď je jednoduchá a ne zároveň: jádro drží pohromadě velmi rychlá výměna mezi nukleony speciálních částic – pí-mezonů. Toto spojení žije neuvěřitelně krátce. Jakmile se výměna pí-mezonů zastaví, dojde k rozpadu jádra. Je také s jistotou známo, že hmotnost jádra je menší než součet všech jeho nukleonů. Tento jev se nazývá hromadný defekt. Chybějící hmota je ve skutečnosti energie, která se vynakládá na udržení integrity jádra. Jakmile se nějaká část oddělí od jádra atomu, tato energie se uvolní a v jaderných elektrárnách přemění na teplo. To znamená, že energie jaderného štěpení je jasnou ukázkou slavného Einsteinova vzorce. Připomeňme, že vzorec říká: energie a hmota se mohou navzájem proměnit (E=mc2).
Teorie a praxe
Nyní vám řekneme, jak se tento čistě teoretický objev používá v životě k výrobě gigawattů elektřiny. Za prvé je třeba poznamenat, že řízené reakce využívají nucené jaderné štěpení. Nejčastěji jde o uran nebo polonium, které je bombardováno rychlými neutrony. Za druhé, nelze nepochopit, že jaderné štěpení je doprovázeno tvorbou nových neutronů. V důsledku toho se počet neutronů v reakční zóně může velmi rychle zvýšit. Každý neutron se srazí s novými, dosud neporušenými jádry, rozštěpí je, což vede ke zvýšení uvolňování tepla. Toto je řetězová reakce jaderného štěpení. Nekontrolované zvýšení počtu neutronů v reaktoru může vést k explozi. Přesně to se stalo v roce 1986 v jaderné elektrárně v Černobylu. Proto se v reakční zóně vždy nachází látka, která pohlcuje přebytečné neutrony a brání tak katastrofě. Je to grafit ve formě dlouhých tyčinek. Rychlost jaderného štěpení lze zpomalit ponořením tyčí do reakční zóny. Rovnice jaderné reakce je sestavena speciálně pro každou aktivní radioaktivní látku a částice, které ji bombardují (elektrony, protony, částice alfa). Konečný energetický výdej se však vypočítá podle zákona zachování: E1+E2=E3+E4. To znamená, že celková energie původního jádra a částice (E1 + E2) se musí rovnat energii výsledného jádra a energii uvolněné ve volné formě (E3 + E4). Rovnice jaderné reakce také ukazuje, jaký druh látky se získá v důsledku rozpadu. Například pro uran U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Izotopy prvků zde nejsou uvedeny.to je však důležité. Například pro štěpení uranu existují až tři možnosti, při kterých vznikají různé izotopy olova a neonu. V téměř sto procentech případů vznikají při jaderné štěpné reakci radioaktivní izotopy. To znamená, že při rozpadu uranu vzniká radioaktivní thorium. Thorium se může rozpadnout na protaktinium, to na aktinium a tak dále. V této řadě mohou být radioaktivní jak vizmut, tak titan. I vodíku, který obsahuje dva protony v jádře (rychlostí jednoho protonu), se říká jinak – deuterium. Voda vytvořená s takovým vodíkem se nazývá těžká voda a plní primární okruh v jaderných reaktorech.
Unpeaceful atom
Výrazy jako „závody ve zbrojení“, „studená válka“, „jaderná hrozba“se mohou modernímu člověku zdát historické a irelevantní. Kdysi však byla každá tisková zpráva téměř po celém světě doprovázena zprávami o tom, kolik typů jaderných zbraní bylo vynalezeno a jak s nimi zacházet. Lidé stavěli podzemní bunkry a zásobovali se pro případ jaderné zimy. Na stavbě krytu pracovaly celé rodiny. I mírové využití reakcí jaderného štěpení může vést ke katastrofě. Zdálo by se, že Černobyl naučil lidstvo být v této oblasti opatrní, ale prvky planety se ukázaly být silnější: zemětřesení v Japonsku poškodilo velmi spolehlivé opevnění jaderné elektrárny Fukušima. Energii jaderné reakce lze mnohem snadněji využít ke zničení. Technologům stačí omezit sílu výbuchu, aby náhodou nezničili celou planetu. Ty „nejhumánnější“bomby, pokud je tak lze nazvat, neznečišťují okolí radiací. Obecně nejčastěji používajínekontrolovaná řetězová reakce. To, čemu se v jaderných elektrárnách snaží všemi prostředky vyhnout, dosahují bombami velmi primitivním způsobem. Pro každý přirozeně radioaktivní prvek existuje určité kritické množství čisté látky, ve které se sama rodí řetězová reakce. U uranu je to například pouhých padesát kilogramů. Jelikož je uran velmi těžký, jedná se pouze o malou kovovou kuličku o průměru 12-15 centimetrů. První atomové bomby svržené na Hirošimu a Nagasaki byly vyrobeny přesně podle tohoto principu: dvě nestejné části čistého uranu se jednoduše spojily a vyvolaly děsivou explozi. Moderní zbraně jsou pravděpodobně sofistikovanější. Neměli bychom však zapomínat na kritické množství: mezi malými objemy čistého radioaktivního materiálu během skladování musí existovat bariéry, které zabraňují spojení dílů.
Zdroje záření
Všechny prvky s jaderným nábojem vyšším než 82 jsou radioaktivní. Téměř všechny lehčí chemické prvky mají radioaktivní izotopy. Čím těžší je jádro, tím kratší je jeho životnost. Některé prvky (např. Kalifornie) lze získat pouze uměle – srážkou těžkých atomů s lehčími částicemi, nejčastěji v urychlovačích. Jelikož jsou velmi nestabilní, v zemské kůře neexistují: při formování planety se velmi rychle rozpadly na jiné prvky. Těžit lze látky s lehčími jádry, jako je uran. Tento proces je dlouhý, uran vhodný k těžbě i ve velmi bohatých rudách obsahuje méně než jedno procento. třetí cesta,možná naznačuje, že nová geologická epocha již začala. Jedná se o získávání radioaktivních prvků z radioaktivního odpadu. Po spotřebování paliva v elektrárně, na ponorce nebo letadlové lodi se získá směs původního uranu a finální látky, výsledku štěpení. V tuto chvíli je to považováno za pevný radioaktivní odpad a je akutní otázka, jak s ním naložit, aby neznečišťoval životní prostředí. Je však pravděpodobné, že v blízké budoucnosti budou z těchto odpadů těženy hotové koncentrované radioaktivní látky (například polonium).
