Հոդվածը պատմում է, թե ինչ է միջուկային տրոհումը, ինչպես է հայտնաբերվել և նկարագրվել այս գործընթացը։ Բացահայտվել է դրա օգտագործումը որպես էներգիայի և միջուկային զենքի աղբյուր։
«Անբաժանելի» ատոմ
Քսանմեկերորդ դարը լի է այնպիսի արտահայտություններով, ինչպիսիք են «ատոմի էներգիա», «միջուկային տեխնոլոգիա», «ռադիոակտիվ թափոններ»։ Ժամանակ առ ժամանակ թերթերի վերնագրերում ֆլեշ հաղորդագրություններ են հայտնվում հողի, օվկիանոսի, Անտարկտիդայի սառույցի ռադիոակտիվ աղտոտման հնարավորության մասին: Այնուամենայնիվ, սովորական մարդը հաճախ այնքան էլ լավ չի պատկերացնում, թե ինչ է գիտության այս ոլորտը և ինչպես է այն օգնում առօրյա կյանքում: Արժե սկսել, թերեւս, պատմությունից։ Առաջին իսկ հարցից, որը տվել է մի սնված ու հագնված մարդ, նրան հետաքրքրում էր, թե ինչպես է աշխատում աշխարհը։ Ինչպես է աչքը տեսնում, ինչու է ականջը լսում, ինչպես է ջուրը տարբերվում քարից, ահա թե ինչն էր անհիշելի ժամանակներից անհանգստացնում իմաստուններին։ Նույնիսկ հին Հնդկաստանում և Հունաստանում որոշ հետաքրքրասեր մտքեր ենթադրում էին, որ կա նվազագույն մասնիկ (այն նաև կոչվում էր «անբաժանելի»), որն ունի նյութի հատկություններ: Միջնադարյան քիմիկոսները հաստատել են իմաստունների գուշակությունը, իսկ ատոմի ժամանակակից սահմանումը հետևյալն է. ատոմը նյութի ամենափոքր մասնիկն է, որն իր հատկությունների կրողն է։
Ատոմի մասեր
Սակայն, տեխնոլոգիայի զարգացումը (inմասնավորապես լուսանկարչությունը) հանգեցրել է նրան, որ ատոմն այլևս չի համարվում նյութի հնարավոր ամենափոքր մասնիկը։ Եվ չնայած մեկ ատոմ էլեկտրականորեն չեզոք է, գիտնականները շատ արագ հասկացան, որ այն բաղկացած է երկու մասից՝ տարբեր լիցքերով: Դրական լիցքավորված մասերի թիվը փոխհատուցում է բացասականների թիվը, ուստի ատոմը մնում է չեզոք: Բայց ատոմի միանշանակ մոդել չկար։ Քանի որ դասական ֆիզիկան դեռ գերիշխում էր այդ ժամանակաշրջանում, արվեցին տարբեր ենթադրություններ։
Ատոմի մոդելներ
Սկզբում առաջարկվեց «չամիչի գլանափաթեթ» մոդելը: Դրական լիցքը, այսպես ասած, լցրեց ատոմի ողջ տարածությունը, և բացասական լիցքեր բաշխվեցին նրա մեջ, ինչպես չամիչը բուլկի մեջ։ Ռադերֆորդի հայտնի փորձը պարզեց հետևյալը՝ դրական լիցքով շատ ծանր տարրը (միջուկը) գտնվում է ատոմի կենտրոնում, իսկ շուրջը՝ շատ ավելի թեթև էլեկտրոններ։ Միջուկի զանգվածը հարյուրավոր անգամ ավելի ծանր է, քան բոլոր էլեկտրոնների գումարը (դա ամբողջ ատոմի զանգվածի 99,9 տոկոսն է)։ Այսպիսով, ծնվեց Բորի ատոմի մոլորակային մոդելը։ Սակայն դրա որոշ տարրեր հակասում էին այն ժամանակ ընդունված դասական ֆիզիկային։ Հետևաբար, մշակվեց նոր՝ քվանտային մեխանիկա։ Իր տեսքով սկսվեց գիտության ոչ դասական շրջանը։
Ատոմ և ռադիոակտիվություն
Վերոնշյալ բոլորից պարզ է դառնում, որ միջուկը ատոմի ծանր, դրական լիցքավորված մասն է, որը կազմում է դրա հիմնական մասը: Երբ էներգիայի քվանտացումը և էլեկտրոնների դիրքերը ատոմի ուղեծրում լավ հասկացան, ժամանակն էր հասկանալ.ատոմային միջուկի բնույթը. Օգնության է հասել հնարամիտ ու անսպասելիորեն հայտնաբերված ռադիոակտիվությունը։ Այն օգնեց բացահայտել ատոմի ծանր կենտրոնական մասի էությունը, քանի որ ռադիոակտիվության աղբյուրը միջուկային տրոհումն է։ Տասնիններորդ և քսաներորդ դարերի վերջում հայտնագործությունները մեկը մյուսի հետևից հորդում էին։ Մեկ խնդրի տեսական լուծումը նոր փորձարկումների անհրաժեշտություն առաջացրեց։ Փորձերի արդյունքներից առաջացան տեսություններ և վարկածներ, որոնք անհրաժեշտ էին հաստատել կամ հերքել: Հաճախ մեծագույն հայտնագործությունները տեղի են ունենում պարզապես այն պատճառով, որ այդ բանաձևը դարձել է հեշտ հաշվարկելի (ինչպես, օրինակ, Մաքս Պլանկի քվանտը): Նույնիսկ լուսանկարչության դարաշրջանի սկզբում գիտնականները գիտեին, որ ուրանի աղերը լուսավորում են լուսազգայուն թաղանթը, բայց նրանք չէին կասկածում, որ այդ երևույթի հիմքում միջուկային տրոհումն է: Ուստի ռադիոակտիվությունն ուսումնասիրվել է միջուկային քայքայման բնույթը հասկանալու համար։ Ակնհայտ է, որ ճառագայթումը առաջացել է քվանտային անցումներով, բայց ամբողջությամբ պարզ չէր, թե որոնք են: Այս հարցին պատասխանելու համար Կյուրիները արդյունահանում էին մաքուր ռադիում և պոլոնիում, գրեթե ձեռքով աշխատելով ուրանի հանքաքարում։
Ռադիոակտիվ ճառագայթման լիցք
Ռադերֆորդը շատ բան է արել ատոմի կառուցվածքն ուսումնասիրելու համար և նպաստել է այն ուսումնասիրությանը, թե ինչպես է տեղի ունենում ատոմի միջուկի տրոհումը: Գիտնականը ռադիոակտիվ տարրի արձակած ճառագայթումը տեղավորել է մագնիսական դաշտում եւ ստացել զարմանալի արդյունք։ Պարզվել է, որ ճառագայթումը բաղկացած է երեք բաղադրիչից՝ մեկը չեզոք է եղել, իսկ մյուս երկուսը դրական և բացասական լիցքավորված են։ Միջուկային տրոհման ուսումնասիրությունը սկսվեց դրա սահմանմամբբաղադրիչները. Ապացուցվեց, որ միջուկը կարող է բաժանվել, թողնել իր դրական լիցքի մի մասը։
Միջուկի կառուցվածքը
Հետագայում պարզվեց, որ ատոմի միջուկը բաղկացած է ոչ միայն պրոտոնների դրական լիցքավորված մասնիկներից, այլև նեյտրոնների չեզոք մասնիկներից։ Նրանք միասին կոչվում են նուկլեոններ (անգլերեն «nucleus»՝ միջուկից)։ Այնուամենայնիվ, գիտնականները կրկին բախվեցին խնդրին. միջուկի զանգվածը (այսինքն՝ նուկլոնների թիվը) միշտ չէ, որ համապատասխանում էր դրա լիցքին։ Ջրածնի մեջ միջուկն ունի +1 լիցք, իսկ զանգվածը կարող է լինել երեք, երկու և մեկ: Պարբերական աղյուսակում հաջորդող հելիումն ունի +2 միջուկային լիցք, մինչդեռ նրա միջուկը պարունակում է 4-ից 6 նուկլոն: Ավելի բարդ տարրերը կարող են ունենալ շատ ավելի տարբեր զանգվածներ նույն լիցքի համար: Ատոմների նման տատանումները կոչվում են իզոտոպներ։ Ավելին, որոշ իզոտոպներ պարզվեց, որ բավականին կայուն էին, իսկ մյուսները արագ քայքայվեցին, քանի որ դրանք բնութագրվում էին միջուկային տրոհմամբ: Ո՞ր սկզբունքն էր համապատասխանում միջուկների կայունության նուկլոնների թվին. Ինչու՞ միայն մեկ նեյտրոնի ավելացումը ծանր և բավականին կայուն միջուկին հանգեցրեց դրա պառակտմանը, ռադիոակտիվության արտանետմանը: Տարօրինակ է, բայց այս կարևոր հարցի պատասխանը դեռ չի գտնվել։ Էմպիրիկորեն պարզվեց, որ ատոմային միջուկների կայուն կոնֆիգուրացիաները համապատասխանում են որոշակի քանակությամբ պրոտոնների և նեյտրոնների: Եթե միջուկում կան 2, 4, 8, 50 նեյտրոններ և/կամ պրոտոններ, ապա միջուկը հաստատ կայուն կլինի։ Այս թվերը նույնիսկ կոչվում են մոգություն (և չափահաս գիտնականները, միջուկային ֆիզիկոսները, նրանց այդպես են անվանել): Այսպիսով, միջուկների տրոհումը կախված է նրանց զանգվածից, այսինքն՝ դրանցում ընդգրկված նուկլոնների քանակից։
Կաթիլ, կեղև, բյուրեղ
Այս պահին հնարավոր չեղավ որոշել միջուկի կայունության համար պատասխանատու գործոնը։ Ատոմի կառուցվածքի մոդելի բազմաթիվ տեսություններ կան։ Ամենահայտնի և զարգացած երեքը հաճախ հակասում են միմյանց տարբեր հարցերում։ Առաջինի համաձայն՝ միջուկը հատուկ միջուկային հեղուկի կաթիլ է։ Ինչպես ջուրը, այն բնութագրվում է հոսունությամբ, մակերեսային լարվածությամբ, միաձուլմամբ և քայքայմամբ։ Կեղևի մոդելում միջուկում կան նաև էներգիայի որոշակի մակարդակներ, որոնք լցված են նուկլոններով։ Երրորդը նշում է, որ միջուկը միջավայր է, որն ունակ է բեկելու հատուկ ալիքներ (դե Բրոլի), մինչդեռ բեկման ինդեքսը պոտենցիալ էներգիա է։ Այնուամենայնիվ, ոչ մի մոդել դեռևս չի կարողացել ամբողջությամբ նկարագրել, թե ինչու է այս կոնկրետ քիմիական տարրի որոշակի կրիտիկական զանգվածում սկսվում միջուկային տրոհումը:
Ինչպիսին են բաժանումները
Ռադիոակտիվությունը, ինչպես նշվեց վերևում, հայտնաբերվել է բնության մեջ հանդիպող նյութերում՝ ուրան, պոլոնիում, ռադիում: Օրինակ, թարմ արդյունահանված, մաքուր ուրանն ռադիոակտիվ է: Պառակտման գործընթացը այս դեպքում ինքնաբուխ է լինելու։ Առանց որևէ արտաքին ազդեցության, ուրանի որոշակի քանակությամբ ատոմներ կարձակեն ալֆա մասնիկներ՝ ինքնաբերաբար վերածվելով թորիումի: Կա մի ցուցանիշ, որը կոչվում է կիսամյակ: Այն ցույց է տալիս, թե մասի սկզբնական թվից ինչ ժամանակահատվածում կմնա մոտ կեսը։ Յուրաքանչյուր ռադիոակտիվ տարրի համար կես կյանքը տարբեր է` վայրկյանի կոտորակներից մինչև Կալիֆոռնիանհարյուր հազարավոր տարիներ ուրանի և ցեզիումի համար: Բայց կա նաև հարկադիր ռադիոակտիվություն։ Եթե ատոմների միջուկները ռմբակոծվում են բարձր կինետիկ էներգիա ունեցող պրոտոններով կամ ալֆա մասնիկներով (հելիումի միջուկներ), դրանք կարող են «պառակտվել»։ Փոխակերպման մեխանիզմը, իհարկե, տարբերվում է նրանից, թե ինչպես են կոտրում մոր սիրելի ծաղկամանը։ Այնուամենայնիվ, կա որոշակի անալոգիա։
Ատոմային էներգիա
Առայժմ մենք չենք պատասխանել գործնական հարցի. որտեղից է էներգիան գալիս միջուկային տրոհման ժամանակ: Սկզբից պետք է հստակեցնել, որ միջուկի ձևավորման ժամանակ գործում են հատուկ միջուկային ուժեր, որոնք կոչվում են ուժեղ փոխազդեցություն։ Քանի որ միջուկը կազմված է բազմաթիվ դրական պրոտոններից, հարցը մնում է այն, թե ինչպես են դրանք կպչում իրար, քանի որ էլեկտրաստատիկ ուժերը պետք է բավական ուժեղ հեռացնեն դրանք միմյանցից: Պատասխանը և՛ պարզ է, և՛ ոչ միևնույն ժամանակ. միջուկը պահպանվում է հատուկ մասնիկների՝ պի-մեզոնների նուկլոնների միջև շատ արագ փոխանակման միջոցով: Այս կապը աներեւակայելի կարճ է ապրում: Հենց դադարում է պի-մեզոնների փոխանակումը, միջուկը քայքայվում է։ Հստակորեն հայտնի է նաև, որ միջուկի զանգվածը փոքր է նրա բաղկացուցիչ նուկլոնների գումարից։ Այս երեւույթը կոչվում է զանգվածային դեֆեկտ։ Իրականում բացակայող զանգվածն այն էներգիան է, որը ծախսվում է միջուկի ամբողջականությունը պահպանելու վրա։ Հենց որ ատոմի միջուկից որոշ հատված առանձնանում է, այդ էներգիան ատոմակայաններում ազատվում և վերածվում է ջերմության։ Այսինքն՝ միջուկային տրոհման էներգիան Էյնշտեյնի հայտնի բանաձեւի հստակ ցուցադրումն է։ Հիշեցնենք, որ բանաձևն ասում է՝ էներգիան և զանգվածը կարող են վերածվել միմյանց (E=mc2):
Տեսություն և պրակտիկա
Այժմ մենք ձեզ կպատմենք, թե ինչպես է այս զուտ տեսական հայտնագործությունն օգտագործվում կյանքում գիգավատ էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար: Նախ, պետք է նշել, որ վերահսկվող ռեակցիաներում օգտագործվում է միջուկային հարկադիր տրոհում: Ամենից հաճախ դա ուրան կամ պոլոնիում է, որը ռմբակոծվում է արագ նեյտրոններով։ Երկրորդ՝ անհնար է չհասկանալ, որ միջուկային տրոհումն ուղեկցվում է նոր նեյտրոնների ստեղծմամբ։ Արդյունքում, ռեակցիայի գոտում նեյտրոնների թիվը կարող է շատ արագ աճել։ Յուրաքանչյուր նեյտրոն բախվում է նոր, դեռևս անձեռնմխելի միջուկներին, բաժանում դրանք, ինչը հանգեցնում է ջերմության արտանետման ավելացման: Սա միջուկային տրոհման շղթայական ռեակցիան է։ Ռեակտորում նեյտրոնների քանակի անվերահսկելի աճը կարող է հանգեցնել պայթյունի։ Դա հենց այն է, ինչ տեղի ունեցավ 1986 թվականին Չեռնոբիլի ատոմակայանում։ Հետեւաբար, ռեակցիայի գոտում միշտ կա մի նյութ, որը կլանում է ավելորդ նեյտրոնները՝ կանխելով աղետը։ Այն գրաֆիտ է՝ երկար ձողերի տեսքով։ Միջուկային տրոհման արագությունը կարելի է դանդաղեցնել՝ ձողերը ռեակցիայի գոտում ընկղմելով։ Միջուկային ռեակցիայի հավասարումը կազմված է հատուկ յուրաքանչյուր ակտիվ ռադիոակտիվ նյութի և այն ռմբակոծող մասնիկների համար (էլեկտրոններ, պրոտոններ, ալֆա մասնիկներ): Այնուամենայնիվ, վերջնական էներգիայի թողարկումը հաշվարկվում է պահպանման օրենքի համաձայն՝ E1+E2=E3+E4: Այսինքն՝ սկզբնական միջուկի և մասնիկի (E1 + E2) ընդհանուր էներգիան պետք է հավասար լինի ստացված միջուկի էներգիային և ազատ ձևով թողարկված էներգիային (E3 + E4): Միջուկային ռեակցիայի հավասարումը ցույց է տալիս նաև, թե ինչ նյութ է ստացվում քայքայման արդյունքում։ Օրինակ՝ ուրանի համար U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg: Տարրերի իզոտոպներն այստեղ թվարկված չեն։այնուամենայնիվ, սա կարևոր է: Օրինակ, ուրանի տրոհման երեք հնարավորություն կա, որոնցում առաջանում են կապարի և նեոնի տարբեր իզոտոպներ։ Գրեթե հարյուր տոկոս դեպքերում միջուկային տրոհման ռեակցիան առաջացնում է ռադիոակտիվ իզոտոպներ։ Այսինքն՝ ուրանի քայքայումից առաջանում է ռադիոակտիվ թորիում։ Թորիումը կարող է քայքայվել մինչև պրոտակտինիում, այն՝ ակտինիումի և այլն։ Այս շարքում և՛ բիսմութը, և՛ տիտանը կարող են ռադիոակտիվ լինել: Նույնիսկ ջրածինը, որը միջուկում պարունակում է երկու պրոտոն (մեկ պրոտոնի արագությամբ), այլ կերպ են անվանում՝ դեյտերիում։ Նման ջրածնով գոյացած ջուրը կոչվում է ծանր ջուր և լրացնում է միջուկային ռեակտորների առաջնային միացումը։
Անխաղաղ ատոմ
Այնպիսի արտահայտությունները, ինչպիսիք են «սպառազինությունների մրցավազք», «սառը պատերազմ», «միջուկային սպառնալիք», կարող են պատմական և անտեղի թվալ ժամանակակից մարդուն։ Բայց մի ժամանակ գրեթե ամբողջ աշխարհում յուրաքանչյուր լրատվական ուղեկցվում էր զեկույցներով, թե քանի տեսակի միջուկային զենք է հայտնագործվել և ինչպես վարվել դրանց հետ։ Մարդիկ կառուցեցին ստորգետնյա բունկերներ և կուտակեցին միջուկային ձմռան դեպքում։ Ամբողջ ընտանիքներ աշխատել են ապաստան կառուցելու համար։ Նույնիսկ միջուկային տրոհման ռեակցիաների խաղաղ օգտագործումը կարող է հանգեցնել աղետի: Թվում է, թե Չեռնոբիլը մարդկությանը սովորեցրել է զգույշ լինել այս ոլորտում, բայց մոլորակի տարրերն ավելի ուժեղ են պարզվել. Ճապոնիայի երկրաշարժը վնասել է Ֆուկուսիմա ատոմակայանի շատ հուսալի ամրությունները: Միջուկային ռեակցիայի էներգիան շատ ավելի հեշտ է օգտագործել ոչնչացման համար: Տեխնոլոգներին անհրաժեշտ է միայն սահմանափակել պայթյունի ուժը, որպեսզի պատահաբար չկործանեն ամբողջ մոլորակը։ Ամենա «մարդկային» ռումբերը, եթե կարելի է այդպես անվանել, չեն աղտոտում շրջապատը ճառագայթմամբ։ Ընդհանուր առմամբ, նրանք առավել հաճախ օգտագործում ենանվերահսկելի շղթայական ռեակցիա. Այն, ինչ նրանք ամեն կերպ ձգտում են խուսափել ատոմակայաններում, ձեռք է բերվում ռումբերի մեջ շատ պարզունակ կերպով։ Ցանկացած բնական ռադիոակտիվ տարրի համար կա մաքուր նյութի որոշակի կրիտիկական զանգված, որում շղթայական ռեակցիան ինքնին ծնվում է: Ուրանի համար, օրինակ, այն ընդամենը հիսուն կիլոգրամ է։ Քանի որ ուրանը շատ ծանր է, այն ընդամենը 12-15 սանտիմետր տրամագծով փոքր մետաղական գնդակ է: Հիրոսիմայի և Նագասակիի վրա նետված առաջին ատոմային ռումբերը պատրաստվել են հենց այս սկզբունքով. մաքուր ուրանի երկու անհավասար մասերը պարզապես միավորվել են և առաջացրել սարսափելի պայթյուն: Ժամանակակից զենքերը, հավանաբար, ավելի բարդ են: Այնուամենայնիվ, չպետք է մոռանալ կրիտիկական զանգվածի մասին. պահեստավորման ընթացքում մաքուր ռադիոակտիվ նյութերի փոքր ծավալների միջև պետք է լինեն խոչընդոտներ, որոնք թույլ չեն տալիս մասերի միացումը:
Ռադիացիոն աղբյուրներ
82-ից ավելի միջուկային լիցք ունեցող բոլոր տարրերը ռադիոակտիվ են: Գրեթե բոլոր ավելի թեթեւ քիմիական տարրերն ունեն ռադիոակտիվ իզոտոպներ: Որքան ծանր է միջուկը, այնքան կարճ է նրա կյանքի տևողությունը: Որոշ տարրեր (օրինակ՝ Կալիֆոռնիան) կարելի է ձեռք բերել միայն արհեստական ճանապարհով՝ ծանր ատոմներին ավելի թեթև մասնիկների բախման միջոցով, առավել հաճախ՝ արագացուցիչներում: Քանի որ դրանք շատ անկայուն են, դրանք գոյություն չունեն երկրակեղևում. մոլորակի ձևավորման ժամանակ նրանք շատ արագ քայքայվել են այլ տարրերի: Ավելի թեթև միջուկներով նյութեր, ինչպիսին է ուրանը, կարող են արդյունահանվել: Այս գործընթացը երկար է, ուրանը հարմար է արդյունահանման համար, նույնիսկ շատ հարուստ հանքաքարերում, պարունակում է մեկ տոկոսից պակաս: երրորդ ճանապարհ,թերևս վկայում է այն մասին, որ արդեն սկսվել է նոր երկրաբանական դարաշրջան։ Սա ռադիոակտիվ տարրերի արդյունահանումն է ռադիոակտիվ թափոններից։ Այն բանից հետո, երբ վառելիքը ծախսվում է էլեկտրակայանում, սուզանավի կամ ավիակիրի վրա, ստացվում է սկզբնական ուրանի և վերջնական նյութի՝ տրոհման արդյունքի խառնուրդ։ Այս պահին սա համարվում է պինդ ռադիոակտիվ թափոն, և կա սուր հարց, թե ինչպես կարելի է դրանք վերացնել, որպեսզի չաղտոտեն շրջակա միջավայրը։ Այնուամենայնիվ, հավանական է, որ մոտ ապագայում այդ թափոններից արդյունահանվեն պատրաստի խտացված ռադիոակտիվ նյութեր (օրինակ՝ պոլոնիում):
