O artigo fala sobre o que é a fissão nuclear, como esse processo foi descoberto e descrito. Seu uso como fonte de energia e armas nucleares é revelado.
Átomo "indivisível"
O século XXI está repleto de expressões como "energia do átomo", "tecnologia nuclear", "resíduos radioativos". De vez em quando nas manchetes dos jornais piscam mensagens sobre a possibilidade de contaminação radioativa do solo, oceanos, gelo da Antártida. No entanto, uma pessoa comum muitas vezes não tem uma ideia muito boa do que é esse campo da ciência e como ele ajuda no dia a dia. Vale a pena começar, talvez, pela história. Desde a primeira pergunta, que foi feita por uma pessoa bem alimentada e vestida, ele se interessou pelo funcionamento do mundo. Como o olho vê, por que o ouvido ouve, como a água difere da pedra - isso é o que preocupou os sábios desde tempos imemoriais. Mesmo na Índia e na Grécia antigas, algumas mentes curiosas sugeriram que existe uma partícula mínima (também chamada de "indivisível") que tem as propriedades de um material. Os químicos medievais confirmaram a suposição dos sábios, e a definição moderna do átomo é a seguinte: um átomo é a menor partícula de uma substância que é portadora de suas propriedades.
Partes de um átomo
No entanto, o desenvolvimento da tecnologia (emem particular, a fotografia) levou ao fato de que o átomo não é mais considerado a menor partícula possível de matéria. E embora um único átomo seja eletricamente neutro, os cientistas rapidamente perceberam que ele consiste em duas partes com cargas diferentes. O número de partes carregadas positivamente compensa o número de partes negativas, de modo que o átomo permanece neutro. Mas não havia um modelo inequívoco do átomo. Como a física clássica ainda dominava durante esse período, várias suposições foram feitas.
Modelos Atom
A princípio, foi proposto o modelo “rolo de passas”. A carga positiva, por assim dizer, preenchia todo o espaço do átomo, e as cargas negativas eram distribuídas nele, como passas em um pão. O famoso experimento de Rutherford determinou o seguinte: um elemento muito pesado com carga positiva (o núcleo) está localizado no centro do átomo, e elétrons muito mais leves estão localizados ao redor. A massa do núcleo é centenas de vezes mais pesada que a soma de todos os elétrons (é 99,9% da massa do átomo inteiro). Assim nasceu o modelo planetário do átomo de Bohr. No entanto, alguns de seus elementos contradiziam a física clássica então aceita. Portanto, uma nova mecânica quântica foi desenvolvida. Com o seu aparecimento, começou o período não clássico da ciência.
Átomo e radioatividade
De todos os itens acima, fica claro que o núcleo é uma parte pesada e carregada positivamente do átomo, que compõe sua massa. Quando a quantização de energia e as posições dos elétrons na órbita de um átomo eram bem compreendidas, era hora de entendera natureza do núcleo atômico. A radioatividade engenhosa e inesperadamente descoberta veio em socorro. Ajudou a revelar a essência da parte central pesada do átomo, já que a fonte da radioatividade é a fissão nuclear. Na virada dos séculos XIX e XX, as descobertas choveram uma após a outra. A solução teórica de um problema exigia novos experimentos. Os resultados dos experimentos deram origem a teorias e hipóteses que precisavam ser confirmadas ou refutadas. Muitas vezes as maiores descobertas acontecem simplesmente porque foi assim que a fórmula se tornou fácil de calcular (como, por exemplo, o quantum de Max Planck). Mesmo no início da era da fotografia, os cientistas sabiam que os sais de urânio iluminavam um filme fotossensível, mas não suspeitavam que a fissão nuclear fosse a base desse fenômeno. Portanto, a radioatividade foi estudada para entender a natureza do decaimento nuclear. Obviamente, a radiação foi gerada por transições quânticas, mas não ficou totalmente claro quais. Os Curie extraíram rádio puro e polônio, trabalhando quase à mão em minério de urânio, para responder a essa pergunta.
A carga da radiação radioativa
Rutherford fez muito para estudar a estrutura do átomo e contribuiu para o estudo de como ocorre a fissão do núcleo do átomo. O cientista colocou a radiação emitida por um elemento radioativo em um campo magnético e obteve um resultado surpreendente. Descobriu-se que a radiação consiste em três componentes: um era neutro e os outros dois eram carregados positiva e negativamente. O estudo da fissão nuclear começou com a definição de suacomponentes. Ficou provado que o núcleo pode se dividir, ceder parte de sua carga positiva.
Estrutura do núcleo
Mais tarde descobriu-se que o núcleo atômico consiste não apenas de partículas carregadas positivamente de prótons, mas também de partículas neutras de nêutrons. Juntos, eles são chamados de nucleons (do inglês "nucleus", o núcleo). No entanto, os cientistas novamente encontraram um problema: a massa do núcleo (ou seja, o número de nucleons) nem sempre correspondia à sua carga. No hidrogênio, o núcleo tem uma carga de +1, e a massa pode ser três, dois e um. O hélio seguinte na tabela periódica tem uma carga nuclear de +2, enquanto seu núcleo contém de 4 a 6 nucleons. Elementos mais complexos podem ter muito mais massas diferentes para a mesma carga. Tais variações de átomos são chamadas de isótopos. Além disso, alguns isótopos se mostraram bastante estáveis, enquanto outros decaíram rapidamente, pois eram caracterizados por fissão nuclear. Que princípio correspondia ao número de núcleons da estabilidade dos núcleos? Por que a adição de apenas um nêutron a um núcleo pesado e bastante estável levou à sua divisão, à liberação de radioatividade? Curiosamente, a resposta a esta importante questão ainda não foi encontrada. Empiricamente, descobriu-se que configurações estáveis de núcleos atômicos correspondem a certas quantidades de prótons e nêutrons. Se houver 2, 4, 8, 50 nêutrons e/ou prótons no núcleo, então o núcleo será definitivamente estável. Esses números são até chamados de mágicos (e cientistas adultos, físicos nucleares, os chamavam assim). Assim, a fissão dos núcleos depende de sua massa, ou seja, do número de nucleons neles incluídos.
Gota, concha, cristal
Não foi possível determinar o fator responsável pela estabilidade do núcleo no momento. Existem muitas teorias do modelo da estrutura do átomo. Os três mais famosos e desenvolvidos muitas vezes se contradizem em várias questões. De acordo com o primeiro, o núcleo é uma gota de um líquido nuclear especial. Como a água, é caracterizada por fluidez, tensão superficial, coalescência e decadência. No modelo de casca, também existem certos níveis de energia no núcleo, que são preenchidos com nucleons. A terceira afirma que o núcleo é um meio capaz de refratar ondas especiais (de Broglie), enquanto o índice de refração é a energia potencial. No entanto, nenhum modelo ainda foi capaz de descrever completamente por que, em uma certa massa crítica desse elemento químico em particular, a fissão nuclear começa.
Como são as separações
Radioatividade, como mencionado acima, foi encontrada em substâncias que podem ser encontradas na natureza: urânio, polônio, rádio. Por exemplo, o urânio puro recém-extraído é radioativo. O processo de divisão neste caso será espontâneo. Sem qualquer influência externa, um certo número de átomos de urânio emitirá partículas alfa, convertendo-se espontaneamente em tório. Existe um indicador chamado meia-vida. Ele mostra por quanto tempo a partir do número inicial da peça restará cerca de metade. Para cada elemento radioativo, a meia-vida é diferente - de frações de segundo para a Califórnia acentenas de milhares de anos para o urânio e o césio. Mas também há radioatividade forçada. Se os núcleos dos átomos são bombardeados com prótons ou partículas alfa (núcleos de hélio) com alta energia cinética, eles podem "se dividir". O mecanismo de transformação, é claro, é diferente de como o vaso favorito da mãe é quebrado. No entanto, há uma certa analogia.
Energia Atômica
Até agora, não respondemos a uma pergunta prática: de onde vem a energia durante a fissão nuclear. Para começar, deve-se esclarecer que, durante a formação de um núcleo, atuam forças nucleares especiais, que são chamadas de interação forte. Como o núcleo é composto de muitos prótons positivos, a questão permanece como eles se unem, porque as forças eletrostáticas devem afastá-los um do outro com bastante força. A resposta é simples e não ao mesmo tempo: o núcleo é mantido unido por uma troca muito rápida entre nucleons de partículas especiais - pi-mesons. Essa conexão dura incrivelmente curta. Assim que a troca de mésons pi pára, o núcleo decai. Também se sabe com certeza que a massa de um núcleo é menor que a soma de todos os seus núcleons constituintes. Esse fenômeno é chamado de defeito de massa. Na verdade, a massa que f alta é a energia que é gasta para manter a integridade do núcleo. Assim que uma parte é separada do núcleo de um átomo, essa energia é liberada e convertida em calor nas usinas nucleares. Ou seja, a energia da fissão nuclear é uma demonstração clara da famosa fórmula de Einstein. Lembre-se que a fórmula diz: energia e massa podem se transformar (E=mc2).
Teoria e prática
Agora vamos contar como essa descoberta puramente teórica é usada na vida para produzir gigawatts de eletricidade. Em primeiro lugar, deve-se notar que as reações controladas usam fissão nuclear forçada. Na maioria das vezes é urânio ou polônio, que é bombardeado por nêutrons rápidos. Em segundo lugar, é impossível não entender que a fissão nuclear é acompanhada pela criação de novos nêutrons. Como resultado, o número de nêutrons na zona de reação pode aumentar muito rapidamente. Cada nêutron colide com núcleos novos, ainda intactos, e os divide, o que leva a um aumento na liberação de calor. Esta é a reação em cadeia da fissão nuclear. Um aumento descontrolado no número de nêutrons em um reator pode levar a uma explosão. Foi exatamente o que aconteceu em 1986 na usina nuclear de Chernobyl. Portanto, na zona de reação há sempre uma substância que absorve o excesso de nêutrons, evitando uma catástrofe. É grafite na forma de hastes longas. A taxa de fissão nuclear pode ser retardada pela imersão das hastes na zona de reação. A equação da reação nuclear é compilada especificamente para cada substância radioativa ativa e as partículas que a bombardeiam (elétrons, prótons, partículas alfa). No entanto, a produção final de energia é calculada de acordo com a lei de conservação: E1+E2=E3+E4. Ou seja, a energia total do núcleo e da partícula originais (E1 + E2) deve ser igual à energia do núcleo resultante e à energia liberada na forma livre (E3 + E4). A equação da reação nuclear também mostra que tipo de substância é obtida como resultado do decaimento. Por exemplo, para o urânio U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Os isótopos dos elementos não estão listados aqui.no entanto, isso é importante. Por exemplo, existem até três possibilidades para a fissão do urânio, nas quais diferentes isótopos de chumbo e neônio são formados. Em quase cem por cento dos casos, a reação de fissão nuclear produz isótopos radioativos. Ou seja, o decaimento do urânio produz tório radioativo. O tório pode decair para protactínio, que para actínio e assim por diante. Tanto o bismuto quanto o titânio podem ser radioativos nesta série. Mesmo o hidrogênio, que contém dois prótons no núcleo (à taxa de um próton), é chamado de forma diferente - deutério. A água formada com esse hidrogênio é chamada de água pesada e preenche o circuito primário em reatores nucleares.
Átomo sem paz
Expressões como "corrida armamentista", "guerra fria", "ameaça nuclear" podem parecer históricas e irrelevantes para uma pessoa moderna. Mas era uma vez, todos os comunicados de imprensa em quase todo o mundo eram acompanhados por relatórios sobre quantos tipos de armas nucleares foram inventadas e como lidar com elas. As pessoas construíram bunkers subterrâneos e estocaram para o caso de um inverno nuclear. Famílias inteiras trabalharam para construir o abrigo. Mesmo o uso pacífico de reações de fissão nuclear pode levar ao desastre. Parece que Chernobyl ensinou a humanidade a ter cuidado nesta área, mas os elementos do planeta se mostraram mais fortes: o terremoto no Japão danificou as fortificações muito confiáveis da usina nuclear de Fukushima. A energia de uma reação nuclear é muito mais fácil de usar para destruição. Os tecnólogos só precisam limitar a força da explosão, para não destruir acidentalmente todo o planeta. As bombas mais "humanitárias", se você pode chamá-las assim, não poluem o ambiente com radiação. Em geral, eles costumam usarreação em cadeia descontrolada. O que eles se esforçam para evitar em usinas nucleares é alcançado em bombas de uma maneira muito primitiva. Para qualquer elemento naturalmente radioativo, existe uma certa massa crítica de substância pura na qual uma reação em cadeia nasce por si mesma. Para o urânio, por exemplo, são apenas cinquenta quilos. Como o urânio é muito pesado, é apenas uma pequena bola de metal de 12 a 15 centímetros de diâmetro. As primeiras bombas atômicas lançadas sobre Hiroshima e Nagasaki foram feitas exatamente de acordo com este princípio: duas partes desiguais de urânio puro simplesmente se combinaram e geraram uma explosão aterrorizante. Armas modernas são provavelmente mais sofisticadas. No entanto, não se deve esquecer da massa crítica: deve haver barreiras entre pequenos volumes de material radioativo puro durante o armazenamento, impedindo que as peças se conectem.
Fontes de radiação
Todos os elementos com carga nuclear maior que 82 são radioativos. Quase todos os elementos químicos mais leves possuem isótopos radioativos. Quanto mais pesado o núcleo, menor sua vida útil. Alguns elementos (como a Califórnia) só podem ser obtidos artificialmente - colidindo átomos pesados com partículas mais leves, na maioria das vezes em aceleradores. Por serem muito instáveis, não existem na crosta terrestre: durante a formação do planeta, desintegraram-se muito rapidamente em outros elementos. Substâncias com núcleos mais leves, como o urânio, podem ser extraídas. Este processo é longo, o urânio adequado para extração, mesmo em minérios muito ricos, contém menos de um por cento. terceira via,talvez indique que uma nova época geológica já começou. Esta é a extração de elementos radioativos de resíduos radioativos. Depois que o combustível é gasto em uma usina, em um submarino ou porta-aviões, obtém-se uma mistura do urânio original e da substância final, resultado da fissão. No momento, isso é considerado resíduo radioativo sólido e há uma questão aguda de como descartá-los para que não poluam o meio ambiente. No entanto, é provável que, em um futuro próximo, substâncias radioativas concentradas prontas (por exemplo, polônio) sejam extraídas desses resíduos.
