Fission nucléaire: le processus de division du noyau atomique. Réactions nucléaires

L'article parle de la fission nucléaire, comment ce processus a été découvert et décrit. Il révèle son utilisation comme source d'énergie et d'armes nucléaires.

Atome "indivisible"

Le vingt et unième siècle est plein de telles expressions,comme "énergie de l'atome", "technologie nucléaire", "déchets radioactifs". De temps à autre, les titres des journaux montrent des messages sur la possibilité de contamination radioactive du sol, des océans et des glaces de l'Antarctique. Cependant, une personne ordinaire n'imagine souvent pas très bien quel type de domaine de la science et comment cela aide dans la vie de tous les jours. Il vaut peut-être mieux commencer avec l'histoire. Dès la première question posée par une personne bien nourrie et bien habillée, il s'intéressait au fonctionnement du monde. Comme l'œil voit, pourquoi il entend l'oreille, que l'eau diffère de la pierre - c'est ce qui inquiétait les sages depuis le début. Dans l'Inde ancienne et en Grèce, certains esprits curieux supposaient qu'il y avait une particule minimale (elle était aussi appelée "indivisible"), possédant les propriétés du matériau. Les chimistes médiévaux ont confirmé la supposition du sage, et la définition moderne de l'atome est la suivante: un atome est la plus petite particule d'une substance qui est le porteur de ses propriétés.

Des parties de l'atome

Cependant, le développement de la technologie (en particulier,photos) a conduit au fait que l'atome a cessé d'être considéré comme la plus petite particule possible de la matière. Et bien qu'un seul atome soit électriquement neutre, les scientifiques ont rapidement réalisé qu'il se composait de deux parties avec des charges différentes. Le nombre de parties chargées positivement compense le nombre de particules négatives, de sorte que l'atome reste neutre. Mais il n'y avait pas de modèle unique de l'atome. Comme à l'époque la physique classique dominait encore, diverses hypothèses étaient exprimées.

Les modèles de l'atome

Au début, un modèle "raisin-rouleau" a été proposé. La charge positive semblait remplir tout l'espace de l'atome, et dans celui-ci, comme des raisins secs dans un pain, des charges négatives étaient distribuées. célèbres expériences de Rutherford pour déterminer ce qui suit: est un élément très lourd avec une charge positive (le noyau), et entourés d'électrons beaucoup plus légers dans le centre de l'atome. Poids du noyau des centaines de fois plus lourd que la somme de tous les électrons (qui est de 99,9 pour cent en poids d'atomes total). Ainsi, le modèle planétaire de l'atome de Bohr est né. Cependant, certains de ses éléments contredisaient la physique classique acceptée à cette époque. Par conséquent, une nouvelle mécanique quantique a été développée. Avec son apparition, la période non classique de la science a commencé.

Atome et radioactivité

De tout ce qui a été dit plus haut, il devient clair quecore - elle est lourde, une partie à charge positive de l'atome, qui constitue la majeure partie de celui-ci. Quand ont été bien étudié la quantification de l'énergie et la position d'un électron en orbite autour d'un atome, il est temps de comprendre la nature du noyau atomique. Il est venu à l'aide d'une brillante découverte et inattendue de la radioactivité. Il a contribué à révéler l'essence de l'atome central lourd, comme la source radioactive - la fission nucléaire. Au tournant du XIXe et du XXe siècle, l'ouverture est tombé l'un après l'autre. solution théorique d'un problème entraînant la nécessité de créer de nouvelles expériences. Les résultats expérimentaux ont donné lieu à des théories et des hypothèses qui sont nécessaires pour confirmer ou infirmer. Souvent, les plus grandes découvertes sont apparues, tout simplement parce que de cette façon la formule est pratique pour le calcul (comme quantique Max Planck). Au début de l'ère de la photographie, les scientifiques savaient que les sels d'uranium photopolymérisation film sensible à la lumière, mais ils ne savaient pas que la base de ce phénomène est la fission nucléaire. Par conséquent, la radioactivité a été étudiée afin de comprendre la nature de la désintégration nucléaire. Il est évident que les transitions quantiques d'émission ont été produits, mais on ne sait pas ce qu'il est. Chet Curie extrait radium pur et le polonium, le traitement du minerai d'uranium pratiquement manuellement pour obtenir une réponse à cette question.

La charge du rayonnement radioactif

Rutherford a fait beaucoup pour étudier la structureatome et a contribué à l'étude de la façon dont la fission du noyau de l'atome a lieu. Le scientifique a placé le rayonnement émis par l'élément radioactif dans un champ magnétique et a reçu un résultat étonnant. Il s'est avéré que le rayonnement se compose de trois composants: l'un était neutre et les deux autres - chargés positivement et négativement. L'étude de la fission nucléaire a commencé avec la détermination de ses composants. Il a été prouvé que le noyau peut se diviser, abandonner une partie de sa charge positive.

La structure du noyau

Plus tard, il s'est avéré que le noyau atomique n'est passeulement à partir de particules de protons chargées positivement, mais aussi de particules de neutrons neutres. Tous ensemble, ils sont appelés nucléons (du «noyau» anglais, le noyau). Cependant, les scientifiques ont de nouveau rencontré un problème: la masse du noyau (c'est-à-dire le nombre de nucléons) ne correspondait pas toujours à sa charge. Dans l'hydrogène, le noyau a une charge de +1, et la masse peut être trois, et deux, et un. La charge suivante est suivie d'une charge du noyau +2 dans le tableau périodique de l'hélium, tandis que son noyau contient de 4 à 6 nucléons. Des éléments plus complexes peuvent avoir un plus grand nombre de masses différentes avec la même charge. De telles variations d'atomes sont appelées isotopes. Et certains isotopes se sont montrés assez stables, tandis que d'autres se sont rapidement désintégrés, car pour eux la fission des noyaux était caractéristique. A quel principe correspond le nombre de nucléons de stabilité des noyaux? Pourquoi l'ajout d'un seul neutron à un noyau lourd et complètement stable a-t-il conduit à sa scission, à la radioactivité? Curieusement, la réponse à cette question importante n'a pas encore été trouvée. Il a été découvert expérimentalement que des configurations stables de noyaux atomiques correspondent à certaines quantités de protons et de neutrons. S'il y a 2, 4, 8, 50 neutrons et / ou protons dans le noyau, alors le noyau sera sans ambiguïté stable. Ces nombres sont même appelés magiques (et ils ont été nommés ainsi par les scientifiques adultes, les physiciens nucléaires). Ainsi, la fission des noyaux dépend de leur masse, c'est-à-dire du nombre de nucléons qui y entrent.

Drop, shell, cristal

Identifier le facteur responsable dela stabilité du noyau, pour le moment ce n'était pas possible. Il y a beaucoup de théories du modèle de la structure de l'atome. Les trois plus célèbres et développés se contredisent souvent dans différentes questions. Selon le premier, le noyau est une goutte d'un liquide nucléaire spécial. Comme l'eau, elle est caractérisée par la fluidité, la tension superficielle, la fusion et la décomposition. Dans le modèle de coque dans le noyau aussi, il y a certains niveaux d'énergie qui sont remplis de nucléons. Le troisième indique que le noyau est un environnement capable de réfracter des ondes spéciales (ondes de Broglie), tandis que l'indice de réfraction est l'énergie potentielle. Cependant, aucun modèle n'a jusqu'ici été capable de décrire complètement pourquoi, à une certaine masse critique de cet élément chimique particulier, la division du noyau commence.

Quelle est la panne

La radioactivité, comme déjà mentionné ci-dessus, étaitOn le trouve dans les substances que l'on peut trouver dans la nature: l'uranium, le polonium, le radium. Par exemple, fraîchement extrait, l'uranium pur est radioactif. Le processus de division dans ce cas sera spontané. Sans influences extérieures, un certain nombre d'atomes d'uranium émettront des particules alpha, se transformant spontanément en thorium. Il y a un indicateur appelé la demi-vie. Il montre, pour quel intervalle de temps d'un nombre initial d'une partie il y aura environ la moitié. Pour chaque élément radioactif, sa demi-vie est comprise entre une fraction de seconde pour la Californie et des centaines de milliers d'années pour l'uranium et le césium. Mais il y a aussi la radioactivité forcée. Si les noyaux atomiques sont bombardés avec des protons ou des particules alpha (noyaux d'hélium) avec une énergie cinétique élevée, ils peuvent se "séparer". Le mécanisme de la transformation, bien sûr, diffère de la façon dont le vase de la mère bien-aimée est brisée. Cependant, une certaine analogie est tracée.

L'énergie de l'atome

Jusqu'à présent, nous n'avons pas répondu à la question de la pratiquecaractère: d'où la fission du noyau prend de l'énergie. Pour commencer, il convient de préciser que lorsqu'un noyau est formé, des forces nucléaires spéciales opèrent, appelées interactions fortes. Puisque le noyau consiste en un ensemble de protons positifs, la question reste de savoir comment ils se collent, car les forces électrostatiques devraient les repousser fortement les unes des autres. La réponse est à la fois simple et non: le noyau est maintenu aux dépens d'un échange très rapide entre les nucléons par des particules spéciales pi-mésons. Cette connexion vit incroyablement peu. Dès que l'échange de pions est arrêté, le noyau se désintègre. On sait également que la masse du noyau est inférieure à la somme de tous ses nucléons constitutifs. Ce phénomène a été appelé le défaut de masse. En fait, la masse manquante est l'énergie dépensée pour maintenir l'intégrité du noyau. Dès qu'une partie du noyau atomique se sépare, cette énergie est libérée et convertie en chaleur dans les centrales nucléaires. Autrement dit, l'énergie de la fission nucléaire est une démonstration visuelle de la fameuse formule d'Einstein. Rappelons que la formule dit: l'énergie et la masse peuvent être converties l'une en l'autre (E = mc²).

Théorie et pratique

Parlons maintenant de la façon dont c'est purement théoriqueLa découverte est utilisée dans la vie pour générer des gigawatts d'électricité. Tout d'abord, il convient de noter que dans les réactions contrôlées, la fission nucléaire forcée est utilisée. Le plus souvent, c'est de l'uranium ou du polonium, qui est bombardé par des neutrons rapides. Deuxièmement, on ne peut manquer de comprendre que la fission des noyaux s'accompagne de la création de nouveaux neutrons. En conséquence, le nombre de neutrons dans la zone de réaction peut croître très rapidement. Chaque neutron entre en collision avec de nouveaux noyaux encore entiers, les sépare, ce qui entraîne une augmentation de la libération de chaleur. C'est la réaction en chaîne de la fission nucléaire. L'augmentation incontrôlée du nombre de neutrons dans le réacteur peut entraîner une explosion. C'est ce qui s'est passé en 1986 à la centrale nucléaire de Tchernobyl. Par conséquent, dans la zone de réaction, il y a toujours une substance qui absorbe les neutrons en excès, empêchant une catastrophe. C'est du graphite sous la forme de longues tiges. Le taux de fission des noyaux peut être ralenti en immergeant les tiges dans la zone de réaction. L'équation de la réaction nucléaire est compilée spécifiquement pour chaque substance radioactive active et ses particules qui la bombardent (électrons, protons, particules alpha). Cependant, la sortie d'énergie finale est calculée selon la loi de conservation: E1 + E2 = E3 + E4. C'est-à-dire que l'énergie totale du noyau initial et de la particule (E1 + E2) doit être égale à l'énergie du noyau résultant et à l'énergie libérée (E3 + E4). L'équation de la réaction nucléaire montre également quelle substance est produite à la suite de la désintégration. Par exemple, pour l'uranium U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg. Il n'est pas montré d'isotopes d'éléments chimiques, mais c'est important. Par exemple, il existe jusqu'à trois possibilités de fission de l'uranium, dans lesquelles se forment différents isotopes de plomb et de néon. Dans presque cent pour cent des cas, la réaction de fission nucléaire produit des isotopes radioactifs. Autrement dit, la désintégration de l'uranium produit du thorium radioactif. Le thorium est capable de se dissoudre avant protactinium, que - à actinia, et ainsi de suite. Radioactif dans cette série peut être à la fois le bismuth et le titane. Même l'hydrogène, qui contient deux protons dans le noyau (à raison d'un proton), est appelé différemment - deutérium. L'eau formée avec un tel hydrogène est appelée lourde et remplit le premier circuit dans les réacteurs nucléaires.

Atome non-pacifique

Expressions telles que la "course aux armements""Guerre froide", "menace nucléaire" pour l'homme moderne peut sembler historique et non pertinent. Mais à un moment donné, chaque numéro de nouvelles à travers le monde était accompagné de rapports sur le nombre de types d'armes nucléaires inventés et sur la manière de les gérer. Les gens construisaient des bunkers souterrains et faisaient des réserves en cas d'hiver nucléaire. Des familles entières ont travaillé pour établir l'asile. Même l'utilisation pacifique des réactions de fission nucléaire peut conduire à une catastrophe. Il semblerait que Tchernobyl ait enseigné à l'humanité la précision dans ce domaine, mais les éléments de la planète se sont révélés plus forts: le tremblement de terre au Japon a endommagé le renforcement très fiable de la centrale nucléaire de Fukushima. L'énergie de la réaction nucléaire est beaucoup plus facile à utiliser pour la destruction. Les technologues ont seulement besoin de limiter la puissance de l'explosion, afin de ne pas détruire toute la planète par inadvertance. Les bombes les plus "humaines", si on peut les appeler ainsi, ne polluent pas le voisinage par des radiations. En général, ils utilisent le plus souvent une réaction en chaîne incontrôlée. Ce qu'ils essaient d'éviter dans les centrales nucléaires est bombardé de façon très primitive. Pour tout élément naturellement radioactif, il existe une masse critique de matière pure dans laquelle la réaction en chaîne est générée par elle-même. Pour l'uranium, par exemple, ce n'est que cinquante kilogrammes. L'uranium étant très lourd, il ne s'agit que d'une petite boule de métal de 12 à 15 centimètres de diamètre. Les premières bombes atomiques larguées sur Hiroshima et Nagasaki ont été faites précisément sur ce principe: deux parties inégales d'uranium pur ont été simplement reliées et ont provoqué une explosion terrifiante. Les armes modernes sont probablement plus complexes. Cependant, il ne faut pas oublier la masse critique: entre de petits volumes de matières radioactives pures lors du stockage, il doit y avoir des barrières qui ne permettent pas de se connecter aux pièces.

Sources de rayonnement

Tous les éléments ayant une charge de noyau atomique supérieure à 82radioactifs. La quasi-totalité des éléments chimiques plus légers ont des isotopes radioactifs. Plus le noyau, moins sa durée de vie. Certains éléments (tels que la Californie) ne peuvent être obtenues synthétiquement - pousser les atomes lourds avec des particules plus légères, souvent avec des accélérateurs. Comme ils sont très instables, ils ne sont pas présents dans la croûte terrestre: la formation de la planète, ils pourris rapidement dans d'autres éléments. Substances avec plus de noyaux légers, tels que l'uranium, il est possible d'extraire. Ce processus est long, adapté à l'extraction d'uranium, y compris dans les minerais très riches contiennent moins d'un pour cent. La troisième voie, peut-être, indique qu'une nouvelle époque géologique a commencé. Cette extraction d'éléments radioactifs à partir de déchets radioactifs. Après carburant travaillant dans une centrale électrique, sur un sous-marin ou d'un porte-avions, un mélange de matière de départ et finale de l'uranium, le résultat de la division. À l'heure actuelle, il est considéré comme un déchet radioactif solide et coûte épineuse question, car ils sont disposés de telle sorte qu'ils ne polluent pas l'environnement. Cependant, il est possible que les substances radioactives prêtes concentrées dans un proche avenir (par exemple, le polonium), seront produits à partir de ces déchets.