Məqalədə nüvə parçalanmasının nə olduğu, bu prosesin necə kəşf edildiyi və təsvir olunduğundan bəhs edilir. Onun enerji və nüvə silahı mənbəyi kimi istifadəsi aşkarlanıb.
"Bölünməz" atom
İyirmi birinci əsr "atomun enerjisi", "nüvə texnologiyası", "radioaktiv tullantılar" kimi ifadələrlə doludur. Hərdən qəzet başlıqlarında Antarktidanın torpağının, okeanlarının, buzunun radioaktiv çirklənməsinin mümkünlüyü barədə flaş mesajlar verilir. Ancaq adi bir insan çox vaxt bu elm sahəsinin nə olduğu və gündəlik həyatda necə kömək etdiyi barədə çox yaxşı təsəvvürə malik deyil. Bəlkə də tarixdən başlamağa dəyər. Yeməkləri doymuş və geyinmiş bir adamın verdiyi ilk sualdan onu dünyanın necə işləməsi maraqlandırırdı. Göz necə görür, qulaq niyə eşidir, su daşdan necə fərqlənir - qədim zamanlardan müdrikləri narahat edən budur. Hətta qədim Hindistanda və Yunanıstanda bəzi maraqlanan ağıllar materialın xüsusiyyətlərinə malik olan minimal hissəciyin (onu “bölünməz” də deyilirdi) olduğunu irəli sürdülər. Orta əsr kimyaçıları müdriklərin təxminini təsdiqlədilər və atomun müasir tərifi belədir: atom öz xüsusiyyətlərinin daşıyıcısı olan maddənin ən kiçik zərrəsidir.
Atomun hissələri
Lakin texnologiyanın inkişafı (inxüsusilə, fotoqrafiya) atomun artıq maddənin mümkün olan ən kiçik zərrəciyi hesab edilməməsinə səbəb olmuşdur. Tək bir atom elektrik cəhətdən neytral olsa da, alimlər onun müxtəlif yüklü iki hissədən ibarət olduğunu tez başa düşdülər. Müsbət yüklü hissələrin sayı mənfi olanların sayını kompensasiya edir, buna görə də atom neytral qalır. Ancaq atomun birmənalı modeli yox idi. Həmin dövrdə klassik fizika hələ də üstünlük təşkil etdiyi üçün müxtəlif fərziyyələr irəli sürülürdü.
Atom modelləri
Əvvəlcə “kişmiş rulon” modeli təklif edildi. Müsbət yük, sanki, atomun bütün məkanını doldurdu və mənfi yüklər, çörəkdəki kişmiş kimi, orada paylandı. Rezerfordun məşhur təcrübəsi aşağıdakıları müəyyən etdi: müsbət yüklü çox ağır element (nüvə) atomun mərkəzində, daha yüngül elektronlar isə ətrafında yerləşir. Nüvənin kütləsi bütün elektronların cəmindən yüzlərlə dəfə ağırdır (bütün atomun kütləsinin 99,9 faizini təşkil edir). Beləliklə, Borun atomun planetar modeli yarandı. Lakin onun bəzi elementləri o vaxt qəbul edilmiş klassik fizikaya zidd idi. Buna görə də yeni, kvant mexanikası hazırlanmışdır. Görünüşü ilə elmin qeyri-klassik dövrü başladı.
Atom və radioaktivlik
Yuxarıda deyilənlərin hamısından aydın olur ki, nüvə atomun əsas hissəsini təşkil edən ağır, müsbət yüklü hissəsidir. Enerjinin kvantlaşdırılması və atomun orbitindəki elektronların mövqeləri yaxşı başa düşüldükdə, anlamaq vaxtı gəldi.atom nüvəsinin təbiəti. Usta və gözlənilmədən aşkar edilmiş radioaktivlik köməyə gəldi. Atomun ağır mərkəzi hissəsinin mahiyyətini açmağa kömək etdi, çünki radioaktivliyin mənbəyi nüvə parçalanmasıdır. On doqquzuncu və iyirminci əsrlərin sonunda kəşflər bir-birinin ardınca yağırdı. Bir problemin nəzəri həlli yeni təcrübələrin aparılmasını zəruri edirdi. Təcrübələrin nəticələri təsdiq və ya təkzib edilməli olan nəzəriyyə və fərziyyələrin yaranmasına səbəb oldu. Çox vaxt ən böyük kəşflər ona görə baş verir ki, düsturun hesablanması asanlaşdı (məsələn, Maks Plankın kvantı kimi). Hətta fotoqrafiya erasının əvvəlində elm adamları uran duzlarının fotohəssas bir filmi işıqlandırdığını bilirdilər, lakin bu fenomenin əsasının nüvə parçalanması olduğuna şübhə etmirdilər. Buna görə də nüvə parçalanmasının təbiətini başa düşmək üçün radioaktivlik öyrənildi. Aydındır ki, radiasiya kvant keçidləri ilə yaranıb, lakin hansının olduğu tam aydın deyildi. Kürilər bu suala cavab vermək üçün uran filizində demək olar ki, əllə işləyən saf radium və polonium çıxardılar.
Radioaktiv şüalanmanın yükü
Rutherford atomun quruluşunu öyrənmək üçün çox şey etdi və atom nüvəsinin parçalanmasının necə baş verdiyinin öyrənilməsinə töhfə verdi. Alim radioaktiv elementin yaydığı şüaları maqnit sahəsinə yerləşdirib və heyrətamiz nəticə əldə edib. Məlum olub ki, şüalanma üç komponentdən ibarətdir: biri neytral, digər ikisi isə müsbət və mənfi yüklü olub. Nüvə parçalanmasının tədqiqi onun tərifindən başladıkomponentlər. Nüvənin bölünə, müsbət yükünün bir hissəsindən imtina edə biləcəyi sübut edildi.
Nüvənin quruluşu
Sonradan məlum oldu ki, atom nüvəsi təkcə müsbət yüklü proton hissəciklərindən deyil, həm də neytronların neytral hissəciklərindən ibarətdir. Onlar birlikdə nuklonlar adlanır (ingilis dilindən "nucleus", nüvədən). Bununla belə, elm adamları yenidən problemlə üzləşdilər: nüvənin kütləsi (yəni nuklonların sayı) həmişə onun yükünə uyğun gəlmirdi. Hidrogendə nüvənin +1 yükü var və kütləsi üç, iki və bir ola bilər. Dövri cədvəldəki Heliumun nüvə yükü +2, nüvəsində isə 4-6 nuklon var. Daha mürəkkəb elementlər eyni yük üçün daha çox fərqli kütləyə malik ola bilər. Atomların bu cür dəyişmələrinə izotoplar deyilir. Üstəlik, bəzi izotoplar olduqca sabit oldu, digərləri isə nüvə parçalanması ilə xarakterizə olunduqları üçün tez parçalandı. Nüvələrin sabitliyinin nuklonlarının sayına hansı prinsip uyğun gəlirdi? Nə üçün ağır və kifayət qədər sabit nüvəyə yalnız bir neytronun əlavə edilməsi onun parçalanmasına, radioaktivliyin yayılmasına səbəb oldu? Qəribədir ki, bu mühüm sualın cavabı hələ də tapılmayıb. Empirik olaraq məlum oldu ki, atom nüvələrinin sabit konfiqurasiyaları müəyyən miqdarda proton və neytronlara uyğun gəlir. Əgər nüvədə 2, 4, 8, 50 neytron və/yaxud proton varsa, o zaman nüvə mütləq sabit olacaqdır. Bu nömrələrə hətta sehr deyilir (və böyüklər alimləri, nüvə fizikləri onları belə adlandırırdılar). Beləliklə, nüvələrin parçalanması onların kütləsindən, yəni onlara daxil olan nuklonların sayından asılıdır.
Damla, qabıq, kristal
Hazırda nüvənin sabitliyinə cavabdeh olan amili müəyyən etmək mümkün olmadı. Atomun quruluşu modelinin bir çox nəzəriyyəsi var. Ən məşhur və inkişaf etmiş üçü tez-tez müxtəlif məsələlərdə bir-biri ilə ziddiyyət təşkil edir. Birincisinə görə, nüvə xüsusi nüvə mayesinin damcısıdır. Su kimi, axıcılıq, səthi gərginlik, birləşmə və çürümə ilə xarakterizə olunur. Qabıq modelində nüvədə nuklonlarla dolu olan müəyyən enerji səviyyələri də vardır. Üçüncüsü, nüvənin xüsusi dalğaları (de Broglie) sındırmağa qadir olan bir mühit olduğunu, sındırma göstəricisinin isə potensial enerji olduğunu bildirir. Bununla belə, hələ heç bir model bu xüsusi kimyəvi elementin müəyyən kritik kütləsində nüvə parçalanmasının niyə başladığını tam təsvir edə bilməyib.
Ayrılmalar necədir
Radioaktivlik, yuxarıda qeyd edildiyi kimi, təbiətdə ola bilən maddələrdə aşkar edilmişdir: uran, polonium, radium. Məsələn, təzə qazılmış, təmiz uran radioaktivdir. Bu vəziyyətdə parçalanma prosesi kortəbii olacaq. Heç bir xarici təsir olmadan müəyyən sayda uran atomu kortəbii olaraq toriuma çevrilərək alfa hissəcikləri buraxacaq. Yarımparçalanma dövrü deyilən bir göstərici var. Hissənin ilkin sayından təxminən yarısının hansı müddətə qalacağını göstərir. Hər bir radioaktiv element üçün yarımparçalanma müddəti fərqlidir - Kaliforniya üçün saniyənin kəsirlərindənuran və sezium üçün yüz minlərlə il. Amma məcburi radioaktivlik də var. Atomların nüvələri yüksək kinetik enerjiyə malik protonlar və ya alfa hissəcikləri (helium nüvələri) ilə bombalanırsa, onlar "parçalana" bilər. Transformasiya mexanizmi, əlbəttə ki, ananın sevimli vazasının necə qırıldığından fərqlidir. Bununla belə, müəyyən bir bənzətmə var.
Atom Enerjisi
İndiyə qədər biz praktiki suala cavab verməmişik: nüvə parçalanması zamanı enerji haradan gəlir. Başlamaq üçün aydınlaşdırmaq lazımdır ki, nüvənin əmələ gəlməsi zamanı güclü qarşılıqlı təsir adlanan xüsusi nüvə qüvvələri fəaliyyət göstərir. Nüvə çoxlu müsbət protonlardan ibarət olduğu üçün onların necə bir-birinə yapışması sual olaraq qalır, çünki elektrostatik qüvvələr onları bir-birindən olduqca güclü şəkildə itələməlidir. Cavab həm sadədir, həm də eyni zamanda deyil: nüvə xüsusi hissəciklərin nuklonları - pi-mezonlar arasında çox sürətli mübadilə ilə bir yerdə saxlanılır. Bu əlaqə inanılmaz dərəcədə qısa ömür sürür. Pi-mezonların mübadiləsi dayanan kimi nüvə parçalanır. Nüvənin kütləsinin onu təşkil edən bütün nuklonların cəmindən az olduğu da dəqiq məlumdur. Bu fenomenə kütləvi qüsur deyilir. Əslində, itkin kütlə nüvənin bütövlüyünü qorumaq üçün sərf olunan enerjidir. Bir hissəsi atomun nüvəsindən ayrılan kimi, bu enerji sərbəst buraxılır və atom elektrik stansiyalarında istiliyə çevrilir. Yəni nüvə parçalanmasının enerjisi məşhur Eynşteyn düsturunun bariz nümayişidir. Xatırladaq ki, formulada deyilir: enerji və kütlə bir-birinə çevrilə bilər (E=mc2).
Nəzəriyyə və təcrübə
İndi biz sizə bu sırf nəzəri kəşfin həyatda gigavat elektrik enerjisi istehsal etmək üçün necə istifadə edildiyini izah edəcəyik. Əvvəlcə qeyd etmək lazımdır ki, idarə olunan reaksiyalar məcburi nüvə parçalanmasından istifadə edir. Çox vaxt sürətli neytronlarla bombalanan uran və ya poloniumdur. İkincisi, nüvə parçalanmasının yeni neytronların yaradılması ilə müşayiət olunduğunu başa düşməmək mümkün deyil. Nəticədə reaksiya zonasında neytronların sayı çox sürətlə arta bilər. Hər bir neytron yeni, hələ də bütöv nüvələrlə toqquşur, onları parçalayır, bu da istilik buraxılmasının artmasına səbəb olur. Bu nüvənin parçalanma zəncirvari reaksiyasıdır. Reaktorda neytronların sayının nəzarətsiz artması partlayışa səbəb ola bilər. Bu, 1986-cı ildə Çernobıl AES-də baş verənlərdir. Buna görə də, reaksiya zonasında həmişə bir fəlakətin qarşısını alan, artıq neytronları udan bir maddə var. Uzun çubuqlar şəklində olan qrafitdir. Çubuqları reaksiya zonasına batırmaqla nüvənin parçalanma sürətini yavaşlatmaq olar. Nüvə reaksiya tənliyi xüsusi olaraq hər bir aktiv radioaktiv maddə və onu bombalayan hissəciklər (elektronlar, protonlar, alfa hissəcikləri) üçün tərtib edilmişdir. Bununla belə, son enerji çıxışı qorunma qanununa əsasən hesablanır: E1+E2=E3+E4. Yəni ilkin nüvənin və zərrəciyin ümumi enerjisi (E1 + E2) yaranan nüvənin enerjisinə və sərbəst formada ayrılan enerjiyə (E3 + E4) bərabər olmalıdır. Nüvə reaksiya tənliyi həm də parçalanma nəticəsində hansı maddənin alındığını göstərir. Məsələn, uran üçün U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Elementlərin izotopları burada qeyd edilmir.lakin bu vacibdir. Məsələn, qurğuşun və neonun müxtəlif izotoplarının əmələ gəldiyi uranın parçalanması üçün üç mümkün variant var. Demək olar ki, yüz faiz hallarda nüvə parçalanma reaksiyası radioaktiv izotoplar əmələ gətirir. Yəni uranın parçalanması nəticəsində radioaktiv torium əmələ gəlir. Torium protaktiniyaya, o aktiniuma və s. Bu seriyada həm vismut, həm də titan radioaktiv ola bilər. Hətta nüvədə iki proton olan hidrogen (bir proton nisbətində) fərqli adlanır - deuterium. Belə hidrogenlə əmələ gələn su ağır su adlanır və nüvə reaktorlarının birinci dövrəsini doldurur.
Sülhsüz atom
"Silahlanma yarışı", "soyuq müharibə", "nüvə təhlükəsi" kimi ifadələr müasir insan üçün tarixi və əhəmiyyətsiz görünə bilər. Amma bir vaxtlar, demək olar ki, bütün dünyada hər bir xəbər buraxılışı nə qədər nüvə silahının icad edildiyi və onlarla necə davranılması ilə bağlı xəbərlərlə müşayiət olunurdu. İnsanlar yer altı bunkerlər tikib, nüvə qışı zamanı ehtiyat yığırdılar. Sığınacağın tikintisi üçün bütün ailələr çalışıb. Nüvə parçalanma reaksiyalarının dinc məqsədlərlə istifadəsi belə fəlakətə səbəb ola bilər. Belə görünürdü ki, Çernobıl bəşəriyyətə bu sahədə diqqətli olmağı öyrətdi, lakin planetin elementləri daha güclü oldu: Yaponiyada baş verən zəlzələ Fukusima AES-in çox etibarlı istehkamlarına ziyan vurdu. Nüvə reaksiyasının enerjisini məhv etmək üçün istifadə etmək daha asandır. Bütün planeti təsadüfən məhv etməmək üçün texnoloqlar yalnız partlayışın gücünü məhdudlaşdırmalıdırlar. Ən “insani” bombalar, əgər belə adlandırmaq olarsa, ətrafı radiasiya ilə çirkləndirməyin. Ümumiyyətlə, ən çox istifadə edirlərnəzarətsiz zəncirvari reaksiya. Atom elektrik stansiyalarında hər vasitə ilə qaçmağa çalışdıqları şey bombalarda çox primitiv şəkildə əldə edilir. Hər hansı bir təbii radioaktiv element üçün zəncirvari reaksiyanın öz-özünə yarandığı müəyyən bir kritik təmiz maddə kütləsi var. Məsələn, uran üçün bu, cəmi əlli kiloqramdır. Uran çox ağır olduğundan, diametri 12-15 santimetr olan kiçik bir metal topdur. Xirosima və Naqasakiyə atılan ilk atom bombaları məhz bu prinsipə əsasən hazırlanmışdır: saf uranın iki qeyri-bərabər hissəsi sadəcə birləşərək dəhşətli partlayış törətmişdir. Müasir silahlar, yəqin ki, daha mürəkkəbdir. Bununla belə, kritik kütləni unutmaq olmaz: saxlama zamanı təmiz radioaktiv materialın kiçik həcmləri arasında hissələrin birləşməsinə mane olan maneələr olmalıdır.
Radiasiya mənbələri
Nüvə yükü 82-dən çox olan bütün elementlər radioaktivdir. Demək olar ki, bütün yüngül kimyəvi elementlər radioaktiv izotoplara malikdir. Nüvə nə qədər ağır olarsa, ömrü də bir o qədər qısalır. Bəzi elementlər (məsələn, Kaliforniya) yalnız süni şəkildə əldə edilə bilər - ağır atomları daha yüngül hissəciklərlə toqquşdurmaqla, əksər hallarda sürətləndiricilərdə. Onlar çox qeyri-sabit olduqları üçün yer qabığında mövcud deyillər: planetin əmələ gəlməsi zamanı çox sürətlə digər elementlərə parçalanırlar. Uran kimi daha yüngül nüvəli maddələr hasil edilə bilər. Bu proses uzun sürür, hasilata yararlı uran, hətta çox zəngin filizlərdə bir faizdən az ehtiva edir. üçüncü yol,bəlkə də yeni geoloji dövrün artıq başlandığını göstərir. Bu, radioaktiv tullantılardan radioaktiv elementlərin çıxarılmasıdır. Yanacaq elektrik stansiyasında, su altı qayıqda və ya təyyarədaşıyıcıda sərf edildikdən sonra ilkin uranın qarışığı ilə parçalanmanın nəticəsi olan son maddə əldə edilir. Hazırda bu bərk radioaktiv tullantı hesab olunur və ətraf mühiti çirkləndirməmək üçün onları necə utilizasiya etmək barədə kəskin sual var. Lakin çox güman ki, yaxın gələcəkdə bu tullantılardan hazır qatılaşdırılmış radioaktiv maddələr (məsələn, polonium) hasil ediləcək.
