Уг нийтлэлд цөмийн задрал гэж юу болох, энэ үйл явцыг хэрхэн нээж, тодорхойлсон тухай өгүүлдэг. Үүнийг эрчим хүч, цөмийн зэвсгийн эх үүсвэр болгон ашигладаг нь илчлэгдсэн.
"Хуваагдах боломжгүй" атом
Хорин нэгдүгээр зуун "атомын энерги", "цөмийн технологи", "цацраг идэвхт хаягдал" гэх мэт хэллэгээр дүүрэн байна. Хааяа сонины гарчигуудад Антарктидын хөрс, далай, мөс цацраг идэвхт бодисоор бохирдож болзошгүй тухай мэдээллүүд гарч байна. Гэсэн хэдий ч жирийн хүн энэ шинжлэх ухааны салбар гэж юу болох, өдөр тутмын амьдралд хэрхэн тусалдаг талаар сайн мэддэггүй. Энэ нь магадгүй түүхээс эхлэх нь зүйтэй болов уу. Тэнд хооллож, хувцасласан хүний асуусан эхний асуултаас эхлээд л ертөнц хэрхэн ажилладагийг сонирхож байв. Нүд хэрхэн хардаг, чих яагаад сонсдог, ус чулуунаас юугаараа ялгаатай вэ - энэ бол эрт дээр үеэс мэргэн хүмүүсийн санааг зовоож байсан зүйл юм. Эртний Энэтхэг, Грект ч гэсэн зарим сониуч ухаантнууд материалын шинж чанартай хамгийн бага тоосонцор (үүнийг "хуваашгүй" гэж нэрлэдэг) байдаг гэж үздэг. Дундад зууны химич мэргэдийн таамаглалыг баталж, атомын орчин үеийн тодорхойлолтыг дараах байдлаар гаргажээ: атом бол түүний шинж чанарыг агуулсан бодисын хамгийн жижиг бөөмс юм.
Атомын хэсгүүд
Гэсэн хэдий ч технологийн хөгжил (инялангуяа гэрэл зураг) нь атомыг материйн хамгийн жижиг бөөмс гэж үзэхээ больсон. Хэдийгээр нэг атом нь цахилгааны хувьд саармаг боловч өөр өөр цэнэгтэй хоёр хэсгээс бүрддэг болохыг эрдэмтэд хурдан ойлгосон. Эерэг цэнэглэгдсэн хэсгүүдийн тоо нь сөрөг хэсгүүдийн тоог нөхдөг тул атом нь төвийг сахисан хэвээр байна. Гэхдээ атомын хоёрдмол утгагүй загвар байгаагүй. Тэр үед сонгодог физик давамгайлсан хэвээр байсан тул янз бүрийн таамаглал дэвшүүлсэн.
Атомын загвар
Анх "үзэмний өнхрөх" загварыг санал болгосон. Эерэг цэнэг нь атомын орон зайг бүхэлд нь дүүргэж, сөрөг цэнэгүүд нь талханд хийсэн үзэм шиг тархсан байв. Рутерфордын алдартай туршилтаар дараахь зүйлийг тодорхойлсон: эерэг цэнэгтэй маш хүнд элемент (цөм) атомын төвд байрладаг бөгөөд илүү хөнгөн электронууд эргэн тойронд байрладаг. Цөмийн масс нь бүх электронуудын нийлбэрээс хэдэн зуу дахин хүнд (энэ нь бүх атомын массын 99.9 хувь юм). Ийнхүү Борын атомын гаригийн загвар бий болжээ. Гэсэн хэдий ч түүний зарим элементүүд тухайн үед хүлээн зөвшөөрөгдсөн сонгодог физиктэй зөрчилдөж байв. Тиймээс шинэ, квант механикийг боловсруулсан. Гадаад төрхөөрөө шинжлэх ухааны сонгодог бус үе эхэлсэн.
Атом ба цацраг идэвхит
Дээрх бүх зүйлээс цөм нь атомын дийлэнх хэсгийг бүрдүүлдэг хүнд эерэг цэнэгтэй хэсэг болох нь тодорхой болж байна. Энергийн квантчлал болон атомын тойрог зам дахь электронуудын байрлалыг сайн ойлгосон үед ойлгох цаг болжээ.атомын цөмийн мөн чанар. Ухаалаг бөгөөд гэнэтийн илрүүлсэн цацраг идэвхт бодис аврах ажилд ирэв. Цацраг идэвхт бодисын эх үүсвэр нь цөмийн хуваагдал учраас атомын хүнд төв хэсгийн мөн чанарыг илчлэхэд тусалсан. 19, 20-р зууны зааг дээр нээлтүүд ар араасаа бороо оров. Нэг асуудлын онолын шийдэл нь шинэ туршилтуудыг хийх шаардлагатай болсон. Туршилтын үр дүн нь батлах эсвэл үгүйсгэх шаардлагатай онол, таамаглалуудыг бий болгосон. Томьёог тооцоолоход хялбар болсон (жишээлбэл, Макс Планкийн квант гэх мэт) учраас л хамгийн агуу нээлтүүд гарч ирдэг. Гэрэл зургийн эриний эхэн үед эрдэмтэд ураны давс нь гэрэл мэдрэмтгий хальсыг гэрэлтүүлдэг гэдгийг мэддэг байсан ч цөмийн задрал нь энэ үзэгдлийн үндэс суурь болсон гэж сэжиглэж байгаагүй. Тиймээс цөмийн задралын мөн чанарыг ойлгохын тулд цацраг идэвхт чанарыг судалсан. Мэдээжийн хэрэг, цацраг нь квант шилжилтээр үүсгэгдсэн боловч аль нь тодорхойгүй байв. Кюричууд энэ асуултад хариулахын тулд ураны хүдэрт бараг гар аргаар цэвэр радий, полони олборлосон.
Цацраг идэвхт цацрагийн цэнэг
Рутерфорд атомын бүтцийг судлахад их зүйл хийж, атомын цөмийн хуваагдал хэрхэн явагддагийг судлахад хувь нэмрээ оруулсан. Эрдэмтэн цацраг идэвхт элементээс ялгарах цацрагийг соронзон орон дээр байрлуулж, гайхалтай үр дүнд хүрсэн. Цацраг нь саармаг, нөгөө хоёр нь эерэг ба сөрөг цэнэгтэй гэсэн гурван бүрэлдэхүүн хэсгээс бүрддэг болох нь тогтоогдсон. Цөмийн хуваагдлын судалгаа нь түүний тодорхойлолтоос эхэлсэнбүрэлдэхүүн хэсгүүд. Цөм хуваагдаж эерэг цэнэгийнхээ нэг хэсгийг хаяж чаддаг нь батлагдсан.
Цөмийн бүтэц
Хожим нь атомын цөм нь эерэг цэнэгтэй протон бөөмсөөс гадна нейтроны саармаг хэсгүүдээс бүрддэг болох нь тогтоогдсон. Тэдгээрийг хамтдаа нуклон гэж нэрлэдэг (Англи хэлнээс "цөм", цөм). Гэсэн хэдий ч эрдэмтэд дахин нэг асуудалтай тулгарсан: цөмийн масс (өөрөөр хэлбэл нуклонуудын тоо) нь түүний цэнэгтэй үргэлж тохирдоггүй. Устөрөгчийн хувьд цөм нь +1 цэнэгтэй бөгөөд масс нь гурав, хоёр, нэг байж болно. Үелэх системийн дараагийн гели нь +2 цөмийн цэнэгтэй, харин цөм нь 4-6 нуклон агуулдаг. Илүү нарийн төвөгтэй элементүүд нь ижил цэнэгийн хувьд өөр өөр масстай байж болно. Атомын ийм өөрчлөлтийг изотоп гэж нэрлэдэг. Түүгээр ч барахгүй зарим изотопууд нэлээд тогтвортой байсан бол зарим нь цөмийн задралаар тодорхойлогддог тул хурдан ялзарсан. Цөмийн тогтвортой байдлын нуклонуудын тоо ямар зарчимд нийцсэн бэ? Хүнд, нэлээд тогтвортой цөмд ганцхан нейтрон нэмснээр яагаад түүний хуваагдал, цацраг идэвхт бодис ялгарах болов? Хачирхалтай нь энэ чухал асуултын хариулт хараахан олдоогүй байна. Эмпирик байдлаар атомын цөмийн тогтвортой тохиргоо нь тодорхой хэмжээний протон ба нейтроны хэмжээтэй тохирч байгаа нь тогтоогдсон. Хэрэв цөмд 2, 4, 8, 50 нейтрон ба/эсвэл протон байвал цөм тогтвортой байх нь гарцаагүй. Эдгээр тоог ид шид гэж нэрлэдэг (мөн насанд хүрсэн эрдэмтэд, цөмийн физикчид тэднийг ингэж нэрлэдэг). Тиймээс цөмийн хуваагдал нь тэдгээрийн массаас, өөрөөр хэлбэл тэдгээрт орсон нуклонуудын тооноос хамаарна.
Дусал, бүрхүүл, болор
Цөмийн тогтвортой байдлыг хариуцдаг хүчин зүйлийг одоогоор тодорхойлох боломжгүй байсан. Атомын бүтцийн загварын талаархи олон онолууд байдаг. Хамгийн алдартай, хөгжсөн гурван нь янз бүрийн асуудлаар хоорондоо зөрчилддөг. Эхнийх нь дагуу цөм нь тусгай цөмийн шингэний дусал юм. Усны нэгэн адил энэ нь шингэн, гадаргуугийн хурцадмал байдал, нэгдэх, ялзрах шинж чанартай байдаг. Бүрхүүлийн загварт мөн цөмд нуклоноор дүүрсэн тодорхой энергийн түвшин байдаг. Гурав дахь нь цөм нь тусгай долгионыг (де Бройль) хугалах чадвартай орчин бөгөөд хугарлын илтгэгч нь боломжит энерги юм. Гэсэн хэдий ч ямар ч загвар энэ тодорхой химийн элементийн тодорхой чухал массад яагаад цөмийн хуваагдал эхэлдгийг бүрэн тайлбарлаж чадаагүй байна.
Салах ямар байдаг вэ
Цацраг идэвхит байдал нь дээр дурдсанчлан байгальд байдаг уран, полони, радий зэрэг бодисуудаас олддог. Жишээлбэл, шинээр олборлосон цэвэр уран бол цацраг идэвхит бодис юм. Энэ тохиолдолд хуваах үйл явц аяндаа явагдах болно. Ямар ч гадны нөлөөгүйгээр ураны тодорхой тооны атомууд альфа тоосонцор ялгаруулж, аяндаа тори болон хувирна. Хагас задралын хугацаа гэж нэг үзүүлэлт байдаг. Энэ нь тухайн хэсгийн эхний дугаараас хагас нь ямар хугацаанд үлдэхийг харуулдаг. Цацраг идэвхит элемент бүрийн хагас задралын хугацаа өөр өөр байдаг - Калифорнид секундын фракцаас эхлээдуран, цезийн хувьд хэдэн зуун мянган жилийн. Гэхдээ албадан цацраг идэвхт бодис бас бий. Хэрэв атомын цөмийг өндөр кинетик энергитэй протон эсвэл альфа бөөмөөр (гелийн цөм) бөмбөгдвөл тэд "хувааж" болно. Өөрчлөлтийн механизм нь мэдээжийн хэрэг, ээжийн дуртай ваар хэрхэн эвдэрсэнээс өөр юм. Гэсэн хэдий ч тодорхой зүйрлэл бий.
Атомын энерги
Одоогоор бид цөмийн задралын үед энерги хаанаас гардаг вэ гэсэн бодит асуултад хариулаагүй байна. Эхлэхийн тулд цөм үүсэх явцад хүчтэй харилцан үйлчлэл гэж нэрлэгддэг тусгай цөмийн хүчнүүд ажилладаг гэдгийг тодруулах хэрэгтэй. Цөм нь олон эерэг протонуудаас бүрддэг тул цахилгаан статик хүч нь тэдгээрийг бие биенээсээ нэлээд хүчтэй түлхэх ёстой тул тэд хэрхэн наалддаг вэ гэдэг асуулт хэвээр байна. Хариулт нь энгийн бөгөөд нэгэн зэрэг биш юм: цөм нь тусгай бөөмсийн нуклонууд - пи-мезонуудын хооронд маш хурдан солилцоогоор холбогддог. Энэ холболт үнэхээр богино хугацаанд амьдардаг. Пи-мезонуудын солилцоо зогссон даруйд цөм задрах болно. Цөмийн масс нь түүнийг бүрдүүлэгч бүх нуклонуудын нийлбэрээс бага байдаг нь баттай мэдэгдэж байна. Энэ үзэгдлийг массын согог гэж нэрлэдэг. Үнэн хэрэгтээ дутуу масс нь цөмийн бүрэн бүтэн байдлыг хадгалахад зарцуулдаг энерги юм. Зарим хэсэг нь атомын цөмөөс салмагц энэ энерги ялгарч, атомын цахилгаан станцад дулаан болж хувирдаг. Өөрөөр хэлбэл, цөмийн задралын энерги нь алдарт Эйнштейний томъёоны тод нотолгоо юм. Томъёонд: энерги ба масс нь бие биенээ хувиргаж чадна (E=mc2).
гэдгийг санаарай.
Онол практик
Одоо бид энэхүү цэвэр онолын нээлтийг амьдралд хэрхэн ашиглаж, гигаватт цахилгаан үйлдвэрлэхийг танд хэлэх болно. Нэгдүгээрт, хяналттай урвалууд нь албадан цөмийн задралыг ашигладаг гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Ихэнхдээ энэ нь хурдан нейтроноор бөмбөгддөг уран эсвэл полони юм. Хоёрдугаарт, цөмийн хуваагдал нь шинэ нейтрон бий болж байгааг ойлгохгүй байх боломжгүй юм. Үүний үр дүнд урвалын бүсэд нейтроны тоо маш хурдан нэмэгдэж болно. Нейтрон бүр нь шинэ, бүрэн бүтэн цөмтэй мөргөлдөж, тэдгээрийг хуваадаг бөгөөд энэ нь дулаан ялгаруулалтыг нэмэгдүүлэхэд хүргэдэг. Энэ бол цөмийн задралын гинжин урвал юм. Реактор дахь нейтроны тоо хяналтгүй нэмэгдэх нь дэлбэрэлтэд хүргэдэг. 1986 онд Чернобылийн атомын цахилгаан станцад яг ийм зүйл болсон. Тиймээс урвалын бүсэд илүүдэл нейтроныг шингээж, сүйрлээс урьдчилан сэргийлэх бодис үргэлж байдаг. Энэ нь урт саваа хэлбэртэй бал чулуу юм. Урвалын бүсэд саваа дүрэх замаар цөмийн задралын хурдыг удаашруулж болно. Цөмийн урвалын тэгшитгэлийг идэвхтэй цацраг идэвхт бодис, түүнийг бөмбөгдөж буй бөөмс (электрон, протон, альфа тоосонцор) тус бүрээр тусгайлан эмхэтгэсэн. Харин эрчим хүчний эцсийн гаралтыг хэмнэлтийн хуулийн дагуу тооцоолно: E1+E2=E3+E4. Өөрөөр хэлбэл, анхны цөм ба бөөмийн нийт энерги (E1 + E2) нь үүссэн цөмийн энерги болон чөлөөт хэлбэрээр (E3 + E4) ялгарсан энергитэй тэнцүү байх ёстой. Цөмийн урвалын тэгшитгэл нь задралын үр дүнд ямар төрлийн бодис олж авахыг бас харуулдаг. Жишээлбэл, ураны хувьд U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Элементүүдийн изотопуудыг энд оруулаагүй болно. Гэсэн хэдий ч энэ нь чухал юм. Жишээлбэл, ураны задралын гурван янзын хувилбар байдаг бөгөөд үүнд хар тугалга, неоны өөр өөр изотопууд үүсдэг. Тохиолдлын бараг зуун хувь нь цөмийн задралын урвал нь цацраг идэвхт изотопуудыг үүсгэдэг. Өөрөөр хэлбэл, ураны задралаас цацраг идэвхт тори үүсдэг. Ториум нь протактин, тэр нь актини болон задардаг. Висмут болон титан хоёулаа энэ цувралд цацраг идэвхт бодис байж болно. Цөмд хоёр протон (нэг протоны хурдаар) агуулсан устөрөгчийг хүртэл өөрөөр нэрлэдэг - дейтерий. Ийм устөрөгчөөр үүссэн усыг хүнд ус гэж нэрлэдэг бөгөөд цөмийн реакторын анхдагч хэлхээг дүүргэдэг.
Энх тайван бус атом
"Зэвсэглэлийн уралдаан", "хүйтэн дайн", "цөмийн аюул" гэх мэт хэллэгүүд орчин үеийн хүний хувьд түүхэн бөгөөд хамааралгүй мэт санагдаж магадгүй. Гэтэл нэг удаа дэлхийн бараг бүх мэдээний хамт хэчнээн төрлийн цөмийн зэвсэг зохион бүтээсэн, түүнтэй хэрхэн харьцах тухай мэдээллүүд дагалддаг байсан. Хүмүүс газар доорх бункер барьж, цөмийн өвөл болохоос нөөцөлсөн. Хамгаалах байр барихаар бүхэл бүтэн гэр бүл ажилласан. Цөмийн задралын урвалыг энхийн зорилгоор ашиглах нь хүртэл сүйрэлд хүргэж болзошгүй юм. Чернобыль хүн төрөлхтнийг энэ газар болгоомжтой байхыг сургасан мэт санагдаж байсан ч гаригийн элементүүд илүү хүчтэй болсон: Японд болсон газар хөдлөлт Фукушимагийн атомын цахилгаан станцын маш найдвартай бэхлэлтийг сүйтгэсэн. Цөмийн урвалын энергийг устгахад ашиглахад илүү хялбар байдаг. Технологичид бүх гарагийг санамсаргүйгээр устгахгүйн тулд зөвхөн дэлбэрэлтийн хүчийг хязгаарлах хэрэгтэй. Хамгийн "хүмүүнлэг" бөмбөг, хэрэв та үүнийг нэрлэж чадвал хүрээлэн буй орчныг цацрагаар бохирдуулахгүй. Ерөнхийдөө тэд ихэвчлэн ашигладагхяналтгүй гинжин урвал. Атомын цахилгаан станцаас зайлсхийхийг хичээдэг зүйл нь бөмбөгөөр маш энгийн байдлаар хийгддэг. Аливаа байгалийн цацраг идэвхт элементийн хувьд гинжин урвал өөрөө үүсдэг цэвэр бодисын тодорхой чухал масс байдаг. Ураны хувьд гэхэд тавин килограмм л байна. Уран маш хүнд тул 12-15 см диаметртэй жижиг төмөр бөмбөлөг л байдаг. Хирошима, Нагасаки хотод хаясан анхны атомын бөмбөгийг яг энэ зарчмын дагуу хийсэн: цэвэр ураны хоёр тэгш бус хэсэг нь зүгээр л нэгдэж, аймшигтай дэлбэрэлт үүсгэсэн. Орчин үеийн зэвсэг нь илүү боловсронгуй болсон байх. Гэсэн хэдий ч чухал массын талаар мартаж болохгүй: хадгалах явцад бага хэмжээний цэвэр цацраг идэвхт материалын хооронд саад тотгор байх ёстой бөгөөд энэ нь эд ангиудыг холбохоос сэргийлнэ.
Цацрагийн эх үүсвэр
82-оос дээш цөмийн цэнэгтэй бүх элементүүд цацраг идэвхт. Бараг бүх хөнгөн химийн элементүүд цацраг идэвхт изотоптой байдаг. Цөм нь хүнд байх тусам түүний амьдрах хугацаа богиносдог. Зарим элементүүдийг (Калифорниа гэх мэт) зөвхөн зохиомлоор олж авах боломжтой - хүнд атомуудыг хөнгөн хэсгүүдтэй мөргөлдөх замаар, ихэвчлэн хурдасгуурт байдаг. Тэд маш тогтворгүй байдаг тул дэлхийн царцдасын давхаргад байдаггүй: гариг үүсэх явцад тэд бусад элементүүдэд маш хурдан задардаг. Уран гэх мэт хөнгөн цөмтэй бодисыг олборлож болно. Энэ процесс нь урт, олборлоход тохиромжтой уран нь маш баян хүдэрт ч нэг хувиас бага хэмжээтэй байдаг. гурав дахь зам,геологийн шинэ эрин үе аль хэдийн эхэлснийг илтгэж магадгүй юм. Энэ нь цацраг идэвхт хаягдлаас цацраг идэвхт элемент гаргаж авах явдал юм. Түлшийг цахилгаан станц, шумбагч онгоц эсвэл нисэх онгоц тээгч онгоцонд зарцуулсны дараа анхны уран болон задралын үр дүнд үүссэн эцсийн бодисын холимогийг гаргаж авдаг. Одоогийн байдлаар энэ нь хатуу цацраг идэвхт хог хаягдал гэж тооцогддог бөгөөд байгаль орчныг бохирдуулахгүйн тулд тэдгээрийг хэрхэн устгах вэ гэдэг хурц асуулт байна. Гэхдээ ойрын ирээдүйд эдгээр хаягдлаас бэлэн баяжмал цацраг идэвхт бодис (жишээ нь полони) гаргаж авах магадлалтай.
