Як розщепити атом
Атоми можуть придбавати або втрачати енергію, коли електрони переходять на більш високі або низькі орбіти навколо ядра. Розщеплення ж атомного ядра призводить до вивільнення набагато більшої кількості енергії в порівнянні з процесом переходу електрона на більш низьку орбіту, і ця енергія може бути використана як в руйнівних, так і в мирних і творчих цілях. Таке розщеплення атомного ядра називається ядерним поділом, і цей процес був відкритий в 1938 році-процес розподілу ядер групи атомів називається ланцюговою реакцією.
Кроки
Частина 1 з 2: Основи розщеплення атома
1
Виберіть правильний ізотоп. Деякі елементи або ізотопи елементів схильні радіоактивного розпаду. Однак не всі ізотопи поводяться однаково при розщепленні ядра. Найпоширеніший ізотоп урану має атомний вага 238 і складається з 92 протонів і 146 нейтронів, але ядра його атомів зазвичай поглинають нейтрони і при цьому не розпадаються на більш легкі ядра інших елементів. Ізотоп урану, ядра якого містять на 3 нейтрона менше, U, набагато легше розщеплюється в порівнянні з ізотопом U- такі легко розщеплюються ізотопи називають делящимися.- Деякі ізотопи розщеплюються занадто легко і настільки швидко, що підтримувати в них постійну ланцюгову реакцію стає неможливо. Такий процес називають мимовільним деленіем- прикладом може служити ізотоп плутонію Pu- на відміну від нього, ізотоп Pu має набагато меншу швидкість розпаду.
2
Добудьте достатню кількість ізотопу для того, щоб реакція розпаду тривала після розщеплення першого атома. Для того, щоб реакція була самовідтворюваної, необхідно мінімальну кількість делящегося ізотопа- це кількість називається критичною масою. Для досягнення критичної маси потрібно досить матеріалу, що містить необхідний ізотоп - чим більше цього матеріалу, тим частіше в ньому відбувається розпад ядер.- Іноді буває необхідне підвищити концентрацію ділиться ізотопу в зразку для того, щоб у ньому почалася стійка реакція. Це називається збагаченням, і існує кілька методів збагатити матеріал.
3
Бомбардир ядра ділиться ізотопу субатомними частинками. Субатомна частка може зіткнутися з атомом U, розщепивши його на два окремі атоми інших елементів з вивільненням трьох нейтронів. Як правило, для цього використовують три типи субатомних частинок.- Протони. Ці субатомні частинки мають масу спокою і позитивним електричним зарядом. Число протонів в атомному ядрі визначає приналежність даного атома до того чи іншого хімічному елементу.
- Нейтрони. Ці субатомні частинки мають масу спокою, приблизно рівній масі протона, і не мають електричного заряду.
- Альфа-частинки. Дані частинки є ядрами атомів гелію, позбавленими електронних оболонок. Вони складаються з двох протонів і двох нейтронів.
Частина 2 з 2: Способи розщеплення атома
1
Вистріліть одним ядром ізотопу в інше атомне ядро того ж ізотопу. Оскільки отримання вільних субатомних частинок пов`язано з певними труднощами, часто буває необхідним вибити їх з атомів, до складу яких вони входять. Один з методів зробити це - зіштовхнути атоми одного і того ж ізотопу на великій швидкості.- Цей метод був використаний для отримання U атомної бомби, скинутої на Хіросіму. Схоже на гармату пристрій з сердечником з U вистрілювало цей ізотоп в інший фрагмент, також містить атоми U, причому вироблялося це зі швидкістю, достатньою для вивільнення нейтронів, які буквально падали на інші ядра ізотопу U і викликали їх розподіл. Вивільнені при такому спровоковане розпаді нейтрони, у свою чергу, стикалися з іншими ядрами атомів U, і так далі.
2
Сильно стисніть групу атомів, в результаті атоми ділиться ізотопу наблизяться один до одного. Іноді атоми розпадаються мимовільно занадто швидко, не встигаючи провзаємодіяти з іншими атомами. У цьому випадку зменшення відстані між ними збільшує ймовірність того, що субатомні частинки, що виділилися при розпаді одного атома, досягнутий інших атомів і розщеплять їх.- Цей метод був використаний при створенні Pu атомної бомби, скинутої на Нагасакі. Певну масу плутонію оточили звичайної вибухівкою, яка, здетонували, стиснула плутоній, зблизивши атоми Pu один з одним досить для того, щоб вивільняються при розпаді нейтрони досягали інших атомів Pu і розщеплювали їх.
3
Порушити електрони за допомогою лазерного пучка. Зі створенням петаваттних (10 ват) лазерів стало можливим розщеплювати атоми, використовуючи їх випромінювання для порушення електронів в металах, оточуючих радіоактивна речовина.- У 2000 році в Ліверморської національної лабораторії в Каліфорнії був проведений наступний експеримент. Уран помістили в капсулу із золота і закріпили в мідному утримувачі. На капсулу і утримувач впливали інфрачервоним лазером, що створює імпульси енергією 260 джоулів, які порушували електрони в металі. Коли електрони поверталися на свої первинні енергетичні рівні, вони випускали гамма-промені високої енергії, які при проходженні крізь золото і мідь вибивали з ядер нейтрони, проникали в укладений в золоті уран і розщеплює його ядра. В результаті експерименту і золото, і мідь ставали радіоактивними.
- Схожий експеримент був проведений в лабораторії Резерфорда-Еплтона у Великобританії. Там за допомогою 50-тераваттного (5 x 10 ват) лазера опромінювали танталові пластинку, за якої були розташовані різні метали, такі як калій, срібло, цинк і уран. В результаті у всіх цих металах фіксували атомний розпад.
Попередження
- Крім випадку занадто швидко розпадаються ізотопів, реакції може перешкодити і те, що при невеликому вибуху подільний матеріал розпадеться на частини, перш ніж почнеться самовідтворювана реакція.
