Միջուկային ֆիզիկա. Ատոմային միջուկի պառակտման գործընթացը: Միջուկային ռեակցիաները

Հոդվածում ասվում է, թե ինչպես է միջուկային ճառագայթումը, ինչպես է հայտնաբերվել եւ նկարագրված այս գործընթացը: Այն բացահայտում է իր օգտագործումը որպես էներգիայի եւ միջուկային զենքի աղբյուր:

«Անբաժանելի» ատոմ

Քսաներկուերորդ դարը լցվում է արտահայտություններով, ինչպիսիք են «ատոմի էներգիան», «միջուկային տեխնոլոգիաները», «ռադիոակտիվ թափոնները»: Ամեն այժմ եւ այնուհետեւ թերթի վերնագրերը ցույց են տալիս հողի, օվկիանոսների եւ Անտարկտիկայի սառույցի ռադիոակտիվ աղտոտման հնարավորության մասին հաղորդագրություններ: Այնուամենայնիվ, սովորական մարդը հաճախ չի պատկերացնում, թե գիտության ինչ ոլորտ է եւ ինչպես է դա օգնում առօրյա կյանքում: Պետք է սկսել, թերեւս, պատմության հետ: Լավագույն սննդի եւ հագնված մարդու կողմից տրված առաջին հարցից նա հետաքրքրվեց, թե ինչպես է աշխարհը աշխատում: Քանի որ աչքն տեսնում է, ինչու է լսում ականջը, քան ջուրը տարբերվում է քարի վրա, դա սկզբից սկսեց անհանգստացնել: Հին Հնդկաստանում եւ Հունաստանում որոշակի հետաքրքրասեր մտավորականներ ենթադրեցին, որ գոյություն ունի նվազագույն մասնիկ (այն նաեւ անվանում է «անբաժանելի»), որն ունի նյութի հատկությունները: Միջնադարյան քիմիկոսները հաստատել են իմաստունների գաղափարը, եւ ատոմի ժամանակակից սահմանումը հետեւյալն է. Ատոմը մի նյութի ամենափոքր մասնիկը է, որն իր հատկությունների կրողն է:

Ատոմի մասեր

Այնուամենայնիվ, տեխնոլոգիաների զարգացումը (մասնավորապես, լուսանկարչության) հանգեցրեց այն փաստին, որ ատոմը դադարեցվել է նյութի ամենափոքր հնարավոր մասնիկը: Չնայած միակ ատոմն էլեկտրականորեն չեզոք է, գիտնականները արագ հասկացան, որ այն բաղկացած է երկու մասից, տարբեր մեղադրանքներով: Պոզիտիվ լիցքավորված մասերի քանակը փոխհատուցվում է բացասական մասնիկների քանակի համար, ուստի ատոմը մնում է չեզոք: Բայց ատոմի միակ արժեքավոր մոդելը չկար: Քանի որ այդ ժամանակ դասական ֆիզիկան դեռեւս գերակշռում էր, տարբեր ենթադրություններ էին արվել:

Ատոմի մոդելները

Սկզբում առաջարկվեց «չամիչ-ռոլլ» մոդելը: Դրական մեղադրանքը կարծես թե լրացնում է ատոմի ամբողջ տարածքը, եւ դրա մեջ, ինչպես նաեւ չամիչի մեջ, բացասական մեղադրանքներ են տարածվել: Rutherford- ի հայտնի փորձը որոշեց հետեւյալը. Ատոմի կենտրոնում շատ ծանր տարր դրական լարումով (միջուկը), եւ դրա շուրջ շատ վառիչ էլեկտրոններ կան: Միջուկի զանգվածը հարյուրավոր անգամներ ավելի ծանր է, քան բոլոր էլեկտրոնների գումարը (ամբողջ ատոմի զանգվածի 99.9 տոկոսը): Այսպիսով, ծնվեց Bohr ատոմի մոլորակային մոդելը: Այնուամենայնիվ, որոշ տարրեր հակասում էին այդ ժամանակ ընդունված դասական ֆիզիկայի: Ուստի մշակվեց նոր քվանտային մեխանիկա: Իր տեսքով, սկսվեց գիտության ոչ դասական ժամանակաշրջանը:

Ատոմ եւ ռադիոակտիվություն

Այն ամենից, ինչ ասել է վերը, պարզ է դառնում, որ միջուկը ծանր, դրական լիցքավորված ատոմ է, որը կազմում է իր զանգվածը: Երբ ատոմի ուղեծրի մեջ էլեկտրոնների էներգիան եւ դիրքերն էլ լավ ուսումնասիրված էին, ժամանակն էր հասկանալ ատոմային միջուկի բնույթը: Օգնության համար եկել է անսպասելի եւ անսպասելիորեն բաց ռադիոակտիվությունը: Այն օգնեց բացահայտելու ատոմի ծանր կենտրոնական մասի էությունը, քանի որ ռադիոակտիվության աղբյուրը միջուկների փլուզումն է: Տասնվեցերորդ եւ քսաներորդ դարերի շրջանում հայտնագործությունները միմյանցից հետո ընկան: Մի խնդրի տեսական լուծումը առաջացրեց նոր փորձեր սահմանելու անհրաժեշտությունը: Փորձարկումների արդյունքում գաղափարները եւ հիպոթեզները առաջացան, որոնք անհրաժեշտ էին հաստատվել կամ հերքվել: Հաճախ մեծ հայտնագործությունները պարզ դարձան, քանի որ հենց այդպես էր, որ բանաձեւը հարմար էր հաշվարկների համար (ինչպես, օրինակ, Մաքս Պլանկ քվանտը): Նույնիսկ դարաշրջանի սկզբին գիտնականները գիտեին, որ ուրանի աղերը թեթեւ են լուսնոտային ֆիլմը, սակայն չեն կասկածում, որ միջուկային ֆիզիոլոգիան այս երեւույթի սրտում էր: Հետեւաբար, ուսումնասիրվել է ռադիոակտիվությունը `հասկանալու միջուկի քայքայման բնույթը: Ակնհայտ է, որ ճառագայթումը ստեղծվել է քվանտային անցումներում, բայց դա պարզ չէ, թե ինչն է ճիշտ: Կուի զույգը մաքուր ռադիում եւ պոլոնիում է հանքարդյունահանմամբ, որը հարցականի տակ դնելու համար գրեթե ձեռքով հարստացնում է ուրանի հանքաքարը:

Ռադիոակտիվ ճառագայթման մեղադրանք

Ռութերֆորդը շատ բան արեց ատոմի կառուցվածքը ուսումնասիրելու համար եւ նպաստեց, թե ինչպես է տեղի ունենում ատոմային միջուկի բաժանումը: Գիտնականը տեղադրեց ռադիոակտիվ տարրից տարածված ճառագայթումը մագնիսական դաշտում եւ ստացվեց զարմանալի արդյունք: Պարզվեց, որ ճառագայթումը բաղկացած է երեք բաղադրիչներից, մեկը `չեզոք, իսկ մյուսը` դրական եւ բացասական: Միջուկային բաժանման ուսումնասիրությունը սկսվել է նրա բաղադրիչների որոշմամբ: Ցույց տվեց, որ կորիզը կարող է բաժանել, տալ որոշ դրական մեղադրանքները:

Միջուկի կառուցվածքը

Հետագայում պարզվեց, որ ատոմային միջուկը բաղկացած է ոչ միայն պրոտոնների լիցքավորված մասնիկներից, այլեւ նեյտրոնների չեզոք մասնիկներից: Բոլորը միասին կոչվում են նուկլոններ (անգլերեն «միջուկից», միջուկը): Սակայն գիտնականները կրկին խնդիր դրեցին. Միջուկի զանգվածը (այսինքն, նուկլոնների քանակը) միշտ չէ, որ համապատասխանում էր դրա գանձմանը: Ջրածինում միջուկը +1 է, եւ զանգվածը կարող է լինել երեք, երկու եւ մեկ: Հաջորդ մեղադրանքը հաջորդում է հելիումի պարբերական աղյուսակում +2 միջուկի մեղադրանքին, մինչդեռ դրա պարունակությունը պարունակում է 4-ից 6 նուկլոններ: Ավելի բարդ տարրեր կարող են ունենալ նույն քանակությամբ տարբեր զանգվածներ: Ատոմների նման տատանումները կոչվում են izotopes: Իսկ որոշ իսպաներներ ապացուցեցին, որ շատ կայուն է, իսկ մյուսները, արագորեն բաժանվելով, քանի որ միջուկային ճառագայթումը բնորոշ էր նրանց համար: Ինչ սկզբունքով է միջուկային կայունության նուկլոնների քանակը համապատասխանում: Ինչու էր ընդամենը մեկ նեյտրոնային միջավայրը ծանր եւ ամբողջովին կայուն միջուկի ավելացումը հանգեցրեց նրա պառակտմանը, ռադիոակտիվության ազատմանը: Տարօրինակ է, այս կարեւոր հարցի պատասխանը դեռ չի գտել: Փորձարկվել է, որ ատոմային միջուկների կայուն կոնֆիգուրացիաները համապատասխանում են որոշակի քանակությամբ պրոտոնների եւ նեյտրոնների: Եթե միջուկում 2, 4, 8, 50 նեյտրոններ եւ / կամ պրոտոններ, ապա կորիզը միանշանակ կայուն կլինի: Այս թվերը նույնիսկ անվանում են կախարդական (եւ դրանք անվանում են չափահաս գիտնականներ, միջուկային ֆիզիկոսներ): Այսպիսով, միջուկների փլուզումը կախված է նրանց զանգվածից, այսինքն, նրանց մեջ մտնող նուկլոնների քանակից:

Կաթիլ, շերտ, բյուրեղյա

Որոշեք այն գործոնը, որը պատասխանատու է միջուկի կայունության համար, այս պահին հնարավոր չէ: Ատոմի կառուցվածքի մոդելի շատ տեսություններ կան: Երեք ամենատարածված եւ զարգացած մարդիկ հաճախ տարբեր հարցերում հակասում են միմյանց: Ըստ առաջինի `միջուկը հատուկ միջուկային հեղուկի կաթիլ է: Ջրի պես դա բնութագրվում է ձգողականության, մակերեւույթի լարվածության, միաձուլման եւ քայքայման միջոցով: Հիմնական միջուկում գտնվող վահանակի մոդելում կա որոշակի էներգիայի մակարդակներ, որոնք լցված են նուկլոններով: Երրորդ եզրակացությունը, որ միջուկը շրջակա միջավայր է, որը կարող է արգելակել հատուկ ալիքների (դե Բրոյլի), իսկ ճառագայթման ցուցանիշը պոտենցիալ էներգիան է: Այնուամենայնիվ, ոչ մի մոդել դեռեւս չի կարողացել լիովին նկարագրել, թե ինչու որոշակի քիմիական տարրի որոշակի կրիտիկական մասում սկսվում է միջուկի պառակտումը:

Ինչ է խանգարում

Ռադիոակտիվությունը, ինչպես նշվեց վերը, հայտնաբերվել է այնպիսի նյութերում, որոնք կարելի է գտնել բնության մեջ. Ուրանի, պոլոնիումի, ռադիումի: Օրինակ, մանրացված, մաքուր ուրանը ռադիոակտիվ է: Այս դեպքում պառակտման գործընթացը ինքնաբուխ կլինի: Առանց որեւէ արտաքին ազդեցության, որոշակի քանակությամբ ուրանի ատոմներ կստեղծեն ալֆա մասնիկներ, որոնք ինքնաբերաբար փոխակերպվում են թորիում: Կա կես կյանքի պատմություն ունեցող ցուցանիշ: Այն ցույց է տալիս, որ ինչ մասի նախնական քանակից ժամանակահատվածը կլինի մոտ կեսը: Յուրաքանչյուր ռադիոակտիվ տարրերի համար կես կենցաղը հաբերից եւ ցեզիայից հարյուրավոր հազարավոր տարիներ է `Կալիֆոռնիայի երկրորդ մասի մասերից: Բայց կա նաեւ հարկադիր ռադիոակտիվություն: Եթե ատոմային ճառագայթները պայթեցվում են պրոտոններով կամ ալֆա մասնիկներով (հելիումի միջուկներ), բարձր կինետիկ էներգիա ունենան, կարող են «պառակտել»: Փոխակերպման մեխանիզմը, իհարկե, տարբերվում է այն բանից, թե ինչպես է սիրված մոր վազը կոտրվում: Այնուամենայնիվ, որոշ անալոգիա է նկատվում:

Ատամի էներգիան

Առայժմ մենք չենք պատասխանել գործնական հարցին. Ուր է էներգիան ընդունում միջուկը: Սկզբից պետք է հստակեցնենք, որ երբ միջուկը ձեւավորվի, գործարկվի հատուկ միջուկային ուժեր, որոնք կոչվում են ուժեղ փոխազդեցություն: Քանի որ հիմնականը բաղկացած է մի շարք դրական պրոտոններից, հարցն այն է, թե ինչպես են նրանք միասին մնալ, քանի որ էլեկտրաստատիկ ուժերը պետք է խստորեն քշել դրանք միմյանցից: Պատասխանը երկուսն էլ պարզ է եւ ոչ թե `միջուկը պահվում է նիկլոնների միջեւ շատ արագ փոխանակման հաշվին` հատուկ մասնիկներով `պի-մենոններով: Այս կապը ապրում է աներեւակայելի: Երբ պիոնների փոխանակումը դադարում է, կորիզը քայքայվում է: Հայտնի է, որ հիմնական զանգվածը փոքր է, քան իր բոլոր բաղադրիչ նուկլոնների գումարը: Այս երեւույթը կոչվում էր զանգվածի թերություն: Փաստորեն, անհայտ բացակայությունը այն էներգիան է, որը ծախսվում է առանցքային ամբողջականության պահպանման վրա: Երբ ատոմային միջուկի մի մասը բաժանվում է, այդ էներգիան ազատվում է եւ վերածվում է ատոմակայանների ջերմության: Այսինքն, միջուկային ֆիզիկայի էներգիան Էյնշտեյնի հայտնի բանաձեւի տեսողական դրսեւորում է: Հիշեցնենք, որ բանաձեւը ասում է. Էներգիան եւ զանգվածը կարող են փոխակերպվել միմյանց (E = mc ² ):

Տեսություն եւ պրակտիկա

Այժմ խոսենք, թե ինչպես է այս զուտ տեսական հայտնագործությունը կյանքի համար օգտագործվում էլեկտրաէներգիայի գիգավթներ առաջացնելու համար: Նախ, պետք է նշել, որ վերահսկվող ռեակցիաներում օգտագործվում են ատոմային ֆիզիկական անջատումը: Հաճախ դա ուրանի կամ պոլոնիում է, որը արագ նեյտրոններով ռմբակոծված է: Երկրորդ, չի կարելի հասկանալ, որ միջուկների բաժանումը ուղեկցվում է նոր նեյտրոնների ստեղծմամբ: Արդյունքում, ռեակցիայի գոտում նեյտրոնների քանակը կարող է շատ արագ աճել: Յուրաքանչյուր նեյտրրոն բախվում է նոր, դեռեւս ամբողջ միջուկների հետ, խառնում է դրանք, ինչը հանգեցնում է ջերմության ազատության բարձրացմանը: Սա միջուկային ճառագայթման շղթայական ռեակցիա է: Ռեակտորում նեյտրոնների քանակի անսպառ աճը կարող է հանգեցնել պայթյունի: Դա տեղի է ունեցել 1986 թվականին Չեռնոբիլի ատոմակայանում: Հետեւաբար, ռեակցիայի գոտում միշտ կա մի նյութ, որը ներծծում է ավելցուկային նեյտրոններ, կանխելու աղետը: Այն գրաֆիտ է երկար ձողերով: Միջուկների կուտակման արագությունը կարող է դանդաղեցնել `ռեակցիայի գոտում գտնվող սփռոցները ներծծելով: Միջուկային ռեակցիայի հավասարումը կատարվում է հատկապես յուրաքանչյուր ակտիվ ռադիոակտիվ նյութի եւ դրա մասնիկների վրա (էլեկտրոններ, պրոտոններ, ալֆա մասնիկներ): Այնուամենայնիվ, վերջնական էներգիայի արտադրությունը հաշվարկվում է ըստ պահպանման օրենքի `E1 + E2 = E3 + E4: Այսինքն, նախնական կորիզի եւ մասնիկի ընդհանուր էներգիան (E1 + E2) պետք է հավասար լինի արդյունքի միջուկի էներգիային եւ ազատ ձեւով ազատված էներգիային (E3 + E4): Միջուկային ռեակցիայի հավասարումը ցույց է տալիս նաեւ, թե ինչ նյութ է արդյունքում քայքայվում: Օրինակ, ուրանի U = Th + He, U = Pb + Ne, U = Hg + Mg: Չի ցուցադրվում քիմիական տարրերի իզոտոպներ, բայց դա կարեւոր է: Օրինակ, ուրանի բաժանման երեք հնարավորություններ կան, որոնցում ձեւավորվում են կապարի եւ նեյոնի տարբեր իզոտոպներ: Գործի գրեթե հարյուր տոկոսով, միջուկային ֆիզիկայի ռեակցիան ռադիոակտիվ իզոտոպներ է հաղորդում: Այսինքն, ուրանի քայքայումը արտադրում է ռադիոակտիվ թորիում: Thorium- ը կարող է լուծարել պրոտիտինիին, այն, որ actinia- ն եւ այլն: Այս շարքում ռադիոակտիվ նյութը կարող է լինել բիսմուտ եւ տիտան: Նույնիսկ ջրածինը, որը պարունակում է երկու պրոտոններ միջուկում (մեկ պրոտոնի մակարդակում), կոչվում է տարբեր `դուտերիում: Այդպիսի ջրածնի հետ ձեւավորված ջուրը կոչվում է ծանր եւ ատոմային ռեակտորների առաջին շրջանն է լցնում:

Ոչ խաղաղ ատոմ

Ժամանակակից մարդու համար «սպառազինությունների մրցավազքը», «սառը պատերազմը», «միջուկային սպառնալիքը» կարող են թվալ պատմական եւ անտեղի: Բայց մի ժամանակ աշխարհի բոլոր լրատվամիջոցների ամեն մի հարցի ուղեկցվում էր զեկույցներ այն մասին, թե քանի տեսակի միջուկային զենք է հայտնաբերվել եւ ինչպես վարվել դրա հետ: Մարդիկ ստորջրյա bunkers կառուցել եւ մատակարարումներ մատակարարել միջուկային ձմեռ. Ամբողջ ընտանիքները ապաստան են գտել: Նույնիսկ միջուկային բաժանման ռեակցիաների խաղաղ օգտագործումը կարող է հանգեցնել աղետի: Կարծես թե Չեռնոբիլը մարդկությանը սովորում է այս ոլորտում ճշգրտությունը, սակայն մոլորակի տարրերը ուժեղ էին. Ճապոնիայում տեղի ունեցած երկրաշարժը վնաս է հասցրել «Ֆուկուսիմա» ատոմակայանի հուսալի ամրապնդմանը: Միջուկային ռեակցիայի էներգիան շատ ավելի հեշտ է օգտագործել ոչնչացման համար: Տեխնոլոգիաները միայն պետք է սահմանափակեն պայթյունի ուժը, որպեսզի չկործանվեն ողջ մոլորակը պատահաբար: Առավել «մարդկային» ռումբերը, եթե դրանք կարելի է անվանել, չեն աղտոտում հարեւանությունը ճառագայթման հետ: Ընդհանրապես, նրանք հաճախ օգտագործում են անվերահսկելի շղթայական ռեակցիա: Այն, ինչ նրանք փորձում են խուսափել ատոմային էլեկտրակայանում, շատ պայթյունավտանգ են: Ցանկացած բնական ռադիոակտիվ տարրերի համար գոյություն ունի մաքուր նյութի որոշակի կրիտիկական զանգված, որը շղթայական ռեակցիան առաջացնում է ինքնուրույն: Օրինակ `ուրանի համար դա ընդամենը հիսուն կիլոգրամ է: Քանի որ ուրանը շատ ծանր է, դա տրամագծով 12-15 սմ տրամագծով փոքր մետաղական գնդիկ է: Հիրոսիմայի եւ Նագասակիի վրա նվազեցված առաջին ատոմային ռումբերը ճշգրտորեն արվել են այս սկզբունքով. Մաքուր ուրանի երկու անհավասար մասերը ուղղակի կապված էին եւ սարսափելի պայթյուն առաջացան: Ժամանակակից զենքերը, հավանաբար, ավելի բարդ են: Այնուամենայնիվ, չպետք է մոռանալ քննադատական զանգվածի մասին. Պահպանման ընթացքում մաքուր ռադիոակտիվ նյութի փոքր ծավալների միջեւ պետք է լինի խոչընդոտներ, որոնք թույլ չեն տալիս միացնել մասերը:

Ճառագայթման աղբյուրները

Ատոմային միջուկ ունեցող բոլոր տարրերը 82-ից բարձր են ռադիոակտիվ: Գրեթե բոլոր թեթեւ քիմիական տարրերը ունեն ռադիոակտիվ իզոտոպներ: Որքան ծանր է կորիզը, այնքան քիչ է նրա կյանքը: Որոշ տարրեր (օրինակ, california) կարող են ձեռք բերել միայն արհեստականորեն `հարվածելով ծանր ատոմներին` ավելի թեթեւ մասնիկներով, առավելապես արագացուցիչներով: Քանի որ դրանք շատ անկայուն են, նրանք գոյություն չունեն երկրի խառնուրդը. Երբ նրանք ստեղծեցին մոլորակը, նրանք արագորեն այլ տարրեր էին տարել: Կարելի է արդյունահանել այնպիսի թեթեւ միջուկներ, ինչպիսիք են ուրանը: Այս երկար գործընթացը, որը հարմար է հանքարդյունահանման համար, նույնիսկ հարուստ հանքաքարի մեջ, պարունակում է մեկից պակաս: Երրորդ ձեւը, հավանաբար, ցույց է տալիս, որ արդեն սկսվել է նոր երկրաբանական դարաշրջանը: Սա ռադիոակտիվ տարրերի հեռացում է ռադիոակտիվ թափոններից: Ստացվում է վառելիքի էլեկտրակայանում, սուզանավով կամ օդանավի կրիչում աշխատելուց հետո, նախնական ուրանի եւ վերջնական նյութի խառնուրդը, որը ստացվում է ճառագայթման արդյունքում: Այս պահին այն համարվում է կոշտ ռադիոակտիվ թափոններ, եւ դա հրատապ հարց է, թե ինչպես տնօրինել դրանք, որպեսզի նրանք չեն աղտոտում շրջակա միջավայրը: Այնուամենայնիվ, հավանական է, որ մոտ ապագայում այդ թափոններից արդյունահանվող ռադիոակտիվ նյութերը (օրինակ, պոլոնիում) արդեն պատրաստ են: