Artikel ini menceritakan tentang apa itu fisi nuklir, bagaimana proses ini ditemukan dan dijelaskan. Penggunaannya sebagai sumber energi dan senjata nuklir terungkap.
atom "Tidak dapat dibagi"
Abad kedua puluh satu penuh dengan ungkapan seperti "energi atom", "teknologi nuklir", "limbah radioaktif". Sesekali di berita utama surat kabar flash pesan tentang kemungkinan kontaminasi radioaktif dari tanah, lautan, es Antartika. Namun, orang biasa sering tidak memiliki gagasan yang baik tentang apa bidang ilmu ini dan bagaimana hal itu membantu dalam kehidupan sehari-hari. Layak untuk memulai, mungkin, dengan sejarah. Dari pertanyaan pertama, yang diajukan oleh orang yang cukup makan dan berpakaian, dia tertarik pada bagaimana dunia bekerja. Bagaimana mata melihat, mengapa telinga mendengar, bagaimana air berbeda dari batu - inilah yang mengkhawatirkan orang bijak sejak dahulu kala. Bahkan di India dan Yunani kuno, beberapa pikiran ingin tahu menyarankan bahwa ada partikel minimal (itu juga disebut "tidak dapat dibagi") yang memiliki sifat material. Ahli kimia abad pertengahan mengkonfirmasi tebakan orang bijak, dan definisi modern tentang atom adalah sebagai berikut: atom adalah partikel terkecil dari suatu zat yang merupakan pembawa sifat-sifatnya.
Bagian atom
Namun, perkembangan teknologi (dalamkhususnya, fotografi) telah mengarah pada fakta bahwa atom tidak lagi dianggap sebagai partikel terkecil dari materi. Dan meskipun satu atom netral secara listrik, para ilmuwan dengan cepat menyadari bahwa atom itu terdiri dari dua bagian dengan muatan yang berbeda. Jumlah bagian bermuatan positif mengkompensasi jumlah bagian negatif, sehingga atom tetap netral. Tetapi tidak ada model atom yang jelas. Karena fisika klasik masih mendominasi selama periode itu, berbagai asumsi dibuat.
Model atom
Pada awalnya, model “kismis gulung” diusulkan. Muatan positif, seolah-olah, memenuhi seluruh ruang atom, dan muatan negatif didistribusikan di dalamnya, seperti kismis dalam roti. Eksperimen Rutherford yang terkenal menentukan hal berikut: unsur yang sangat berat dengan muatan positif (inti) terletak di pusat atom, dan elektron yang jauh lebih ringan terletak di sekitarnya. Massa nukleus ratusan kali lebih berat daripada jumlah semua elektron (itu adalah 99,9 persen dari massa seluruh atom). Dengan demikian, model atom planet Bohr lahir. Namun, beberapa elemennya bertentangan dengan fisika klasik yang diterima saat itu. Oleh karena itu, mekanika kuantum baru dikembangkan. Dengan kemunculannya, periode sains non-klasik dimulai.
Atom dan radioaktivitas
Dari semua hal di atas, menjadi jelas bahwa nukleus adalah bagian atom yang berat dan bermuatan positif, yang merupakan bagian terbesarnya. Ketika kuantisasi energi dan posisi elektron dalam orbit atom dipahami dengan baik, sudah waktunya untuk memahamisifat inti atom. Radioaktivitas yang cerdik dan tak terduga ditemukan datang untuk menyelamatkan. Ini membantu mengungkap esensi bagian tengah atom yang berat, karena sumber radioaktivitas adalah fisi nuklir. Pada pergantian abad kesembilan belas dan kedua puluh, penemuan menghujani satu demi satu. Solusi teoretis dari satu masalah memerlukan eksperimen baru. Hasil eksperimen memunculkan teori dan hipotesis yang perlu dikonfirmasi atau dibantah. Seringkali penemuan terbesar terjadi hanya karena begitulah rumusnya menjadi mudah dihitung (seperti, misalnya, kuantum Max Planck). Bahkan pada awal era fotografi, para ilmuwan tahu bahwa garam uranium menerangi film fotosensitif, tetapi mereka tidak curiga bahwa fisi nuklir adalah dasar dari fenomena ini. Oleh karena itu, radioaktivitas dipelajari untuk memahami sifat peluruhan nuklir. Jelas, radiasi itu dihasilkan oleh transisi kuantum, tetapi tidak sepenuhnya jelas yang mana. Curie menambang radium dan polonium murni, bekerja hampir dengan tangan dalam bijih uranium, untuk menjawab pertanyaan ini.
Muatan radiasi radioaktif
Rutherford melakukan banyak hal untuk mempelajari struktur atom dan berkontribusi pada studi tentang bagaimana pembelahan inti atom terjadi. Ilmuwan menempatkan radiasi yang dipancarkan oleh unsur radioaktif dalam medan magnet dan mendapatkan hasil yang menakjubkan. Ternyata radiasi terdiri dari tiga komponen: satu netral, dan dua lainnya bermuatan positif dan negatif. Studi tentang fisi nuklir dimulai dengan definisikomponen. Terbukti bahwa inti dapat membelah, melepaskan sebagian dari muatan positifnya.
Struktur nukleus
Kemudian ternyata inti atom tidak hanya terdiri dari partikel proton yang bermuatan positif, tetapi juga partikel netral dari neutron. Bersama-sama mereka disebut nukleon (dari bahasa Inggris "nucleus", nukleus). Namun, para ilmuwan kembali mengalami masalah: massa nukleus (yaitu, jumlah nukleon) tidak selalu sesuai dengan muatannya. Dalam hidrogen, nukleus memiliki muatan +1, dan massanya bisa tiga, dan dua, dan satu. Helium berikutnya dalam tabel periodik memiliki muatan inti +2, sedangkan intinya mengandung 4 hingga 6 nukleon. Unsur yang lebih kompleks dapat memiliki lebih banyak massa berbeda untuk muatan yang sama. Variasi atom seperti itu disebut isotop. Selain itu, beberapa isotop ternyata cukup stabil, sementara yang lain cepat meluruh, karena dicirikan oleh fisi nuklir. Prinsip apa yang sesuai dengan jumlah nukleon stabilitas inti? Mengapa penambahan hanya satu neutron ke inti yang berat dan cukup stabil menyebabkan pemisahannya, pelepasan radioaktivitas? Anehnya, jawaban atas pertanyaan penting ini belum ditemukan. Secara empiris, ternyata konfigurasi inti atom yang stabil sesuai dengan jumlah proton dan neutron tertentu. Jika ada 2, 4, 8, 50 neutron dan/atau proton di dalam inti, maka inti pasti akan stabil. Angka-angka ini bahkan disebut sihir (dan ilmuwan dewasa, fisikawan nuklir, menyebutnya demikian). Jadi, pembelahan inti bergantung pada massanya, yaitu jumlah nukleon yang termasuk di dalamnya.
Jatuhkan, cangkang, kristal
Tidak mungkin menentukan faktor yang bertanggung jawab atas stabilitas inti saat ini. Ada banyak teori tentang model struktur atom. Tiga yang paling terkenal dan berkembang sering saling bertentangan dalam berbagai masalah. Menurut yang pertama, nukleus adalah setetes cairan nuklir khusus. Seperti air, ia dicirikan oleh fluiditas, tegangan permukaan, koalesensi, dan pembusukan. Dalam model kulit, ada juga tingkat energi tertentu dalam inti, yang diisi dengan nukleon. Ketiga menyatakan bahwa inti adalah medium yang mampu membiaskan gelombang khusus (de Broglie), sedangkan indeks bias adalah energi potensial. Namun, belum ada model yang dapat sepenuhnya menjelaskan mengapa, pada massa kritis tertentu dari unsur kimia tertentu, fisi nuklir dimulai.
Seperti apa perpisahan itu
Radioaktivitas, sebagaimana disebutkan di atas, ditemukan pada zat yang dapat ditemukan di alam: uranium, polonium, radium. Misalnya, uranium murni yang baru ditambang bersifat radioaktif. Proses pemisahan dalam hal ini akan terjadi secara spontan. Tanpa pengaruh eksternal, sejumlah atom uranium akan memancarkan partikel alfa, secara spontan berubah menjadi thorium. Ada indikator yang disebut waktu paruh. Ini menunjukkan untuk jangka waktu berapa dari jumlah awal bagian sekitar setengahnya akan tersisa. Untuk setiap elemen radioaktif, waktu paruhnya berbeda - dari sepersekian detik untuk California hinggaratusan ribu tahun untuk uranium dan cesium. Tapi ada juga radioaktivitas paksa. Jika inti atom dibombardir dengan proton atau partikel alfa (inti helium) dengan energi kinetik yang tinggi, mereka dapat "terbelah". Mekanisme transformasinya tentu saja berbeda dengan pecahnya vas kesayangan ibu. Namun, ada analogi tertentu.
Energi Atom
Sejauh ini, kita belum menjawab pertanyaan praktis: dari mana energi berasal selama fisi nuklir. Untuk memulainya, harus diklarifikasi bahwa selama pembentukan nukleus, gaya nuklir khusus bertindak, yang disebut interaksi kuat. Karena inti terdiri dari banyak proton positif, pertanyaannya tetap bagaimana mereka tetap bersatu, karena gaya elektrostatik harus mendorong mereka menjauh satu sama lain dengan cukup kuat. Jawabannya sederhana dan tidak pada saat yang sama: nukleus disatukan oleh pertukaran yang sangat cepat antara nukleon partikel khusus - pi-meson. Hubungan ini hidup sangat singkat. Segera setelah pertukaran pi-meson berhenti, inti meluruh. Juga diketahui dengan pasti bahwa massa inti lebih kecil dari jumlah semua nukleon penyusunnya. Fenomena ini disebut cacat massa. Faktanya, massa yang hilang adalah energi yang dihabiskan untuk menjaga integritas inti. Segera setelah beberapa bagian dipisahkan dari inti atom, energi ini dilepaskan dan diubah menjadi panas di pembangkit listrik tenaga nuklir. Artinya, energi fisi nuklir adalah demonstrasi yang jelas dari rumus Einstein yang terkenal. Ingatlah bahwa rumus mengatakan: energi dan massa dapat berubah menjadi satu sama lain (E=mc2).
Teori dan praktik
Sekarang kami akan memberi tahu Anda bagaimana penemuan teoretis murni ini digunakan dalam kehidupan untuk menghasilkan gigawatt listrik. Pertama, perlu dicatat bahwa reaksi terkontrol menggunakan fisi nuklir paksa. Paling sering itu adalah uranium atau polonium, yang dibombardir oleh neutron cepat. Kedua, tidak mungkin untuk tidak memahami bahwa fisi nuklir disertai dengan penciptaan neutron baru. Akibatnya, jumlah neutron di zona reaksi dapat meningkat dengan sangat cepat. Setiap neutron bertabrakan dengan inti baru yang masih utuh, membelahnya, yang menyebabkan peningkatan pelepasan panas. Ini adalah reaksi berantai fisi nuklir. Peningkatan jumlah neutron yang tidak terkendali dalam reaktor dapat menyebabkan ledakan. Inilah yang terjadi pada tahun 1986 di pembangkit listrik tenaga nuklir Chernobyl. Oleh karena itu, di zona reaksi selalu ada zat yang menyerap kelebihan neutron, mencegah bencana. Ini adalah grafit dalam bentuk batang panjang. Laju fisi nuklir dapat diperlambat dengan merendam batang di zona reaksi. Persamaan reaksi nuklir disusun secara khusus untuk setiap zat radioaktif aktif dan partikel yang membombardirnya (elektron, proton, partikel alfa). Namun, keluaran energi final dihitung menurut hukum kekekalan: E1+E2=E3+E4. Artinya, energi total inti dan partikel asal (E1 + E2) harus sama dengan energi inti yang dihasilkan dan energi yang dilepaskan dalam bentuk bebas (E3 + E4). Persamaan reaksi nuklir juga menunjukkan jenis zat apa yang diperoleh sebagai hasil peluruhan. Misalnya untuk uranium U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Isotop unsur tidak tercantum di sini.bagaimanapun, ini penting. Misalnya, ada sebanyak tiga kemungkinan untuk fisi uranium, di mana isotop timbal dan neon yang berbeda terbentuk. Dalam hampir seratus persen kasus, reaksi fisi nuklir menghasilkan isotop radioaktif. Artinya, peluruhan uranium menghasilkan thorium radioaktif. Torium dapat meluruh menjadi protaktinium, menjadi aktinium, dan seterusnya. Baik bismut dan titanium dapat menjadi radioaktif dalam seri ini. Bahkan hidrogen, yang mengandung dua proton dalam nukleus (dengan laju satu proton), disebut berbeda - deuterium. Air yang terbentuk dengan hidrogen seperti itu disebut air berat dan mengisi sirkuit utama dalam reaktor nuklir.
Atom yang tidak damai
Ungkapan seperti "perlombaan senjata", "perang dingin", "ancaman nuklir" mungkin tampak historis dan tidak relevan bagi orang modern. Namun pada suatu ketika, setiap rilis berita hampir di seluruh dunia disertai dengan laporan tentang berapa banyak jenis senjata nuklir yang ditemukan dan bagaimana cara menanganinya. Orang-orang membangun bunker bawah tanah dan menyimpannya jika terjadi musim dingin nuklir. Seluruh keluarga bekerja untuk membangun tempat penampungan. Bahkan penggunaan damai reaksi fisi nuklir dapat menyebabkan bencana. Tampaknya Chernobyl mengajarkan umat manusia untuk berhati-hati di area ini, tetapi unsur-unsur planet ini ternyata lebih kuat: gempa bumi di Jepang merusak benteng pembangkit listrik tenaga nuklir Fukushima yang sangat andal. Energi reaksi nuklir jauh lebih mudah digunakan untuk penghancuran. Teknologi hanya perlu membatasi kekuatan ledakan, agar tidak secara tidak sengaja menghancurkan seluruh planet. Bom yang paling "manusiawi", jika Anda bisa menyebutnya demikian, tidak mencemari lingkungan dengan radiasi. Secara umum, mereka paling sering menggunakanreaksi berantai yang tidak terkendali. Apa yang berusaha mereka hindari di pembangkit listrik tenaga nuklir dengan segala cara dicapai dengan bom dengan cara yang sangat primitif. Untuk setiap unsur radioaktif alami, ada massa kritis tertentu dari zat murni di mana reaksi berantai lahir dengan sendirinya. Untuk uranium, misalnya, hanya lima puluh kilogram. Karena uranium sangat berat, ia hanya berupa bola logam kecil dengan diameter 12-15 sentimeter. Bom atom pertama yang dijatuhkan di Hiroshima dan Nagasaki dibuat persis sesuai dengan prinsip ini: dua bagian uranium murni yang tidak sama digabungkan dan menghasilkan ledakan yang mengerikan. Senjata modern mungkin lebih canggih. Namun, orang tidak boleh melupakan massa kritis: harus ada penghalang antara volume kecil bahan radioaktif murni selama penyimpanan, mencegah bagian-bagian tersebut terhubung.
Sumber radiasi
Semua unsur dengan muatan inti lebih besar dari 82 adalah radioaktif. Hampir semua unsur kimia yang lebih ringan memiliki isotop radioaktif. Semakin berat nukleus, semakin pendek umurnya. Beberapa elemen (seperti California) hanya dapat diperoleh secara artifisial - dengan menumbuk atom berat dengan partikel yang lebih ringan, paling sering dalam akselerator. Karena mereka sangat tidak stabil, mereka tidak ada di kerak bumi: selama pembentukan planet, mereka sangat cepat hancur menjadi elemen lain. Zat dengan inti yang lebih ringan, seperti uranium, dapat ditambang. Proses ini panjang, uranium yang cocok untuk ekstraksi, bahkan dalam bijih yang sangat kaya, mengandung kurang dari satu persen. cara ketiga,mungkin menunjukkan bahwa zaman geologis baru telah dimulai. Ini adalah ekstraksi unsur radioaktif dari limbah radioaktif. Setelah bahan bakar dihabiskan di pembangkit listrik, di kapal selam atau kapal induk, diperoleh campuran uranium asli dan zat akhir, hasil fisi. Saat ini, ini dianggap limbah radioaktif padat dan ada pertanyaan akut tentang bagaimana membuangnya agar tidak mencemari lingkungan. Namun, kemungkinan dalam waktu dekat, zat radioaktif pekat siap pakai (misalnya, polonium) akan ditambang dari limbah ini.
