სტატია მოგვითხრობს რა არის ბირთვული დაშლა, როგორ იქნა აღმოჩენილი და აღწერილი ეს პროცესი. გამოვლინდა მისი გამოყენება ენერგიისა და ბირთვული იარაღის წყაროდ.
"განუყოფელი" ატომი
ოცდამეერთე საუკუნე სავსეა გამონათქვამებით, როგორიცაა "ატომის ენერგია", "ბირთვული ტექნოლოგია", "რადიოაქტიური ნარჩენები". დროდადრო გაზეთების სათაურებში ფლეშ მესიჯები ნიადაგის, ოკეანეების, ანტარქტიდის ყინულის რადიოაქტიური დაბინძურების შესაძლებლობის შესახებ. თუმცა, ჩვეულებრივ ადამიანს ხშირად არ აქვს ძალიან კარგი წარმოდგენა იმის შესახებ, თუ რა არის მეცნიერების ეს დარგი და როგორ ეხმარება მას ყოველდღიურ ცხოვრებაში. ღირს დაწყება, ალბათ, ისტორიით. პირველივე შეკითხვიდან, რომელიც კარგად ჩაცმულმა ადამიანმა დაუსვა, მას აინტერესებდა როგორ მუშაობს სამყარო. როგორ ხედავს თვალი, რატომ ესმის ყური, რით განსხვავდება წყალი ქვისგან - ეს აწუხებდა ბრძენკაცებს უხსოვარი დროიდან. ძველ ინდოეთსა და საბერძნეთშიც კი, ზოგიერთი ცნობისმოყვარე გონება ვარაუდობდა, რომ არსებობს მინიმალური ნაწილაკი (მას ასევე ეძახდნენ "განუყოფელს"), რომელსაც აქვს მასალის თვისებები. შუა საუკუნეების ქიმიკოსებმა ბრძენთა ვარაუდი დაადასტურეს, ატომის თანამედროვე განმარტება კი ასეთია: ატომი არის ნივთიერების ყველაზე პატარა ნაწილაკი, რომელიც მისი თვისებების მატარებელია.
ატომის ნაწილები
თუმცა, ტექნოლოგიების განვითარება (შიკერძოდ, ფოტოგრაფიამ) განაპირობა ის, რომ ატომი აღარ განიხილება მატერიის უმცირეს შესაძლო ნაწილაკად. და მიუხედავად იმისა, რომ ერთი ატომი ელექტრულად ნეიტრალურია, მეცნიერებმა სწრაფად გააცნობიერეს, რომ იგი შედგება ორი ნაწილისგან განსხვავებული მუხტით. დადებითად დამუხტული ნაწილების რაოდენობა ანაზღაურებს უარყოფითი ნაწილების რაოდენობას, ამიტომ ატომი ნეიტრალური რჩება. მაგრამ არ არსებობდა ატომის ცალსახა მოდელი. მას შემდეგ, რაც იმ პერიოდში კლასიკური ფიზიკა ჯერ კიდევ დომინირებდა, გაკეთდა სხვადასხვა ვარაუდები.
Atom მოდელები
თავიდან შემოგვთავაზეს "ქიშმიშის რულონის" მოდელი. დადებითი მუხტი, როგორც იქნა, ავსებდა ატომის მთელ სივრცეს და მასში ნეგატიური მუხტები ნაწილდებოდა, როგორც ქიშმიში ფუნთუშაში. რეზერფორდის ცნობილმა ექსპერიმენტმა დაადგინა შემდეგი: ძალიან მძიმე ელემენტი დადებითი მუხტით (ბირთვი) მდებარეობს ატომის ცენტრში, ირგვლივ კი გაცილებით მსუბუქი ელექტრონები. ბირთვის მასა ასჯერ უფრო მძიმეა, ვიდრე ყველა ელექტრონის ჯამი (ეს არის მთელი ატომის მასის 99,9 პროცენტი). ამრიგად, დაიბადა ბორის ატომის პლანეტარული მოდელი. თუმცა, მისი ზოგიერთი ელემენტი ეწინააღმდეგებოდა მაშინდელ მიღებულ კლასიკურ ფიზიკას. ამიტომ შეიქმნა ახალი, კვანტური მექანიკა. მისი გამოჩენით დაიწყო მეცნიერების არაკლასიკური პერიოდი.
ატომი და რადიოაქტიურობა
ყოველივე ზემოთქმულიდან ირკვევა, რომ ბირთვი არის ატომის მძიმე, დადებითად დამუხტული ნაწილი, რომელიც შეადგენს მის ძირითად ნაწილს. როდესაც ენერგიის კვანტიზაცია და ელექტრონების პოზიციები ატომის ორბიტაზე კარგად იყო გაგებული, დრო იყო გაგებაატომის ბირთვის ბუნება. გენიალური და მოულოდნელად აღმოჩენილი რადიოაქტიურობა სამაშველოში მოვიდა. მან ხელი შეუწყო ატომის მძიმე ცენტრალური ნაწილის არსის გამოვლენას, რადგან რადიოაქტიურობის წყარო ბირთვული დაშლაა. მეცხრამეტე და მეოცე საუკუნეების მიჯნაზე აღმოჩენები ერთმანეთის მიყოლებით წვიმდა. ერთი პრობლემის თეორიული გადაწყვეტა საჭიროებდა ახალ ექსპერიმენტებს. ექსპერიმენტების შედეგებმა წარმოშვა თეორიები და ჰიპოთეზები, რომლებიც საჭიროებდა დადასტურებას ან უარყოფას. ხშირად უდიდესი აღმოჩენები ხდებოდა მხოლოდ იმიტომ, რომ ასე გახდა ფორმულა ადვილი გამოსათვლელი (მაგალითად, მაქს პლანკის კვანტური). ჯერ კიდევ ფოტოგრაფიის ეპოქის დასაწყისში, მეცნიერებმა იცოდნენ, რომ ურანის მარილები ანათებენ ფოტომგრძნობიარე ფილმს, მაგრამ მათ არ ეჭვობდნენ, რომ ბირთვული დაშლა იყო ამ ფენომენის საფუძველი. ამიტომ, რადიოაქტიურობა შეისწავლეს ბირთვული დაშლის ბუნების გასაგებად. ცხადია, რადიაცია წარმოიქმნა კვანტური გადასვლების შედეგად, მაგრამ ბოლომდე ცხადი არ იყო რომელი. ამ კითხვაზე პასუხის გასაცემად კურიებმა მოიპოვეს სუფთა რადიუმი და პოლონიუმი, რომლებიც მუშაობდნენ თითქმის ხელით ურანის საბადოში.
რადიოაქტიური გამოსხივების მუხტი
რაზერფორდმა ბევრი გააკეთა ატომის სტრუქტურის შესასწავლად და წვლილი შეიტანა იმის შესწავლაში, თუ როგორ ხდება ატომის ბირთვის დაშლა. მეცნიერმა რადიოაქტიური ელემენტის მიერ გამოსხივებული გამოსხივება მაგნიტურ ველში მოათავსა და საოცარი შედეგი მიიღო. აღმოჩნდა, რომ გამოსხივება სამი კომპონენტისგან შედგება: ერთი იყო ნეიტრალური, ხოლო მეორე ორი დადებითად და უარყოფითად დამუხტული. ბირთვული დაშლის შესწავლა დაიწყო მისი განმარტებითკომპონენტები. დადასტურდა, რომ ბირთვს შეუძლია გაიყოს, დატოვოს მისი დადებითი მუხტის ნაწილი.
ბირთვის სტრუქტურა
მოგვიანებით გაირკვა, რომ ატომის ბირთვი შედგება არა მხოლოდ პროტონების დადებითად დამუხტული ნაწილაკებისგან, არამედ ნეიტრონების ნეიტრალური ნაწილაკებისგანაც. მათ ერთად უწოდებენ ნუკლეონებს (ინგლისური "nucleus", ბირთვი). თუმცა, მეცნიერებს კვლავ შეექმნათ პრობლემა: ბირთვის მასა (ანუ ნუკლეონების რაოდენობა) ყოველთვის არ შეესაბამებოდა მის მუხტს. წყალბადში ბირთვს აქვს მუხტი +1, ხოლო მასა შეიძლება იყოს სამი, ორი და ერთი. პერიოდული ცხრილის შემდეგ ჰელიუმს აქვს ბირთვული მუხტი +2, ხოლო მისი ბირთვი შეიცავს 4-დან 6 ნუკლეონს. უფრო რთულ ელემენტებს შეიძლება ჰქონდეთ მრავალი განსხვავებული მასა ერთი და იგივე მუხტისთვის. ატომების ასეთ ვარიაციებს იზოტოპები ეწოდება. უფრო მეტიც, ზოგიერთი იზოტოპი საკმაოდ სტაბილური აღმოჩნდა, ზოგი კი სწრაფად დაიშალა, რადგან მათ ახასიათებდნენ ბირთვული დაშლა. რა პრინციპი შეესაბამებოდა ბირთვების მდგრადობის ნუკლეონების რაოდენობას? რატომ გამოიწვია მხოლოდ ერთი ნეიტრონის დამატება მძიმე და საკმაოდ სტაბილურ ბირთვში მის გაყოფამდე, რადიოაქტიურობის გამოყოფამდე? უცნაურია, მაგრამ ამ მნიშვნელოვან კითხვაზე პასუხი ჯერ არ არის ნაპოვნი. ემპირიულად, აღმოჩნდა, რომ ატომური ბირთვების სტაბილური კონფიგურაციები შეესაბამება პროტონებისა და ნეიტრონების გარკვეულ რაოდენობას. თუ ბირთვში არის 2, 4, 8, 50 ნეიტრონი და/ან პროტონი, მაშინ ბირთვი აუცილებლად სტაბილური იქნება. ამ ციფრებს მაგიასაც კი უწოდებენ (და ზრდასრულმა მეცნიერებმა, ბირთვულმა ფიზიკოსებმა ასე უწოდეს). ამრიგად, ბირთვების დაშლა დამოკიდებულია მათ მასაზე, ანუ მათში შემავალი ნუკლეონების რაოდენობაზე.
წვეთი, ჭურვი, ბროლი
შეუძლებელი იყო იმ ფაქტორების დადგენა, რომელიც პასუხისმგებელია ბირთვის სტაბილურობაზე. არსებობს მრავალი თეორია ატომის სტრუქტურის მოდელის შესახებ. სამი ყველაზე ცნობილი და განვითარებული ხშირად ეწინააღმდეგება ერთმანეთს სხვადასხვა საკითხში. პირველის მიხედვით, ბირთვი არის სპეციალური ბირთვული სითხის წვეთი. წყლის მსგავსად, მას ახასიათებს სითხე, ზედაპირული დაძაბულობა, შერწყმა და დაშლა. გარსის მოდელში ასევე არის გარკვეული ენერგიის დონე ბირთვში, რომელიც ივსება ნუკლეონებით. მესამეში ნათქვამია, რომ ბირთვი არის საშუალება, რომელსაც შეუძლია სპეციალური ტალღების გარდატეხა (დე ბროლი), ხოლო გარდატეხის ინდექსი არის პოტენციური ენერგია. თუმცა, ვერც ერთმა მოდელმა ჯერ ვერ შეძლო სრულად აღწეროს, რატომ იწყება ამ კონკრეტული ქიმიური ელემენტის გარკვეულ კრიტიკულ მასაზე ბირთვული დაშლა.
როგორია დაშორება
რადიოაქტიურობა, როგორც ზემოთ აღინიშნა, აღმოჩენილია ისეთ ნივთიერებებში, რომლებიც გვხვდება ბუნებაში: ურანი, პოლონიუმი, რადიუმი. მაგალითად, ახლად მოპოვებული, სუფთა ურანი რადიოაქტიურია. გაყოფის პროცესი ამ შემთხვევაში სპონტანური იქნება. ყოველგვარი გარეგანი გავლენის გარეშე, ურანის ატომების გარკვეული რაოდენობა გამოყოფს ალფა ნაწილაკებს, რომლებიც სპონტანურად გარდაიქმნება თორიუმში. არსებობს ინდიკატორი, რომელსაც ეწოდება ნახევარგამოყოფის პერიოდი. ის გვიჩვენებს, თუ რა პერიოდის განმავლობაში დარჩება ნაწილის საწყისი რიცხვიდან დაახლოებით ნახევარი. თითოეული რადიოაქტიური ელემენტისთვის ნახევარგამოყოფის პერიოდი განსხვავებულია - წამის ნაწილებიდან კალიფორნიისთვისასობით ათასი წელი ურანისა და ცეზიუმისთვის. მაგრამ ასევე არის იძულებითი რადიოაქტიურობა. თუ ატომების ბირთვები დაბომბეს პროტონებით ან ალფა ნაწილაკებით (ჰელიუმის ბირთვები) მაღალი კინეტიკური ენერგიით, ისინი შეიძლება „გაიყოს“. ტრანსფორმაციის მექანიზმი, რა თქმა უნდა, განსხვავდება დედის საყვარელი ვაზის გატეხვისგან. თუმცა, არსებობს გარკვეული ანალოგია.
ატომური ენერგია
ჯერჯერობით ჩვენ არ ვუპასუხეთ პრაქტიკულ კითხვას: საიდან მოდის ენერგია ბირთვული დაშლის დროს. დასაწყისისთვის, უნდა განვმარტოთ, რომ ბირთვის ფორმირებისას მოქმედებენ სპეციალური ბირთვული ძალები, რომლებსაც ძლიერი ურთიერთქმედება ეწოდება. ვინაიდან ბირთვი შედგება მრავალი დადებითი პროტონისგან, საკითხავი რჩება, როგორ ჩერდებიან ისინი ერთმანეთს, რადგან ელექტროსტატიკური ძალები საკმაოდ ძლიერად უნდა აშორონ მათ ერთმანეთისგან. პასუხი მარტივია და არა ერთდროულად: ბირთვი იმართება ძალიან სწრაფი გაცვლით სპეციალური ნაწილაკების ნუკლეონებს - პი-მეზონებს შორის. ეს კავშირი წარმოუდგენლად ხანმოკლეა. როგორც კი პი-მეზონების გაცვლა ჩერდება, ბირთვი იშლება. ასევე დანამდვილებით ცნობილია, რომ ბირთვის მასა ნაკლებია, ვიდრე ყველა მისი შემადგენელი ნუკლეონის ჯამი. ამ ფენომენს მასობრივი დეფექტი ეწოდება. სინამდვილეში, დაკარგული მასა არის ენერგია, რომელიც იხარჯება ბირთვის მთლიანობის შესანარჩუნებლად. როგორც კი რაღაც ნაწილი გამოეყოფა ატომის ბირთვს, ეს ენერგია გამოიყოფა და სითბოდ გარდაიქმნება ატომურ ელექტროსადგურებში. ანუ ბირთვული დაშლის ენერგია აინშტაინის ცნობილი ფორმულის აშკარა დემონსტრირებაა. შეგახსენებთ, რომ ფორმულა ამბობს: ენერგია და მასა შეიძლება გადაიქცეს ერთმანეთში (E=mc2).
თეორია და პრაქტიკა
ახლა ჩვენ გეტყვით, თუ როგორ გამოიყენება ეს წმინდა თეორიული აღმოჩენა ცხოვრებაში გიგავატი ელექტროენერგიის წარმოებისთვის. პირველ რიგში, უნდა აღინიშნოს, რომ კონტროლირებადი რეაქციები იყენებს იძულებით ბირთვულ დაშლას. ყველაზე ხშირად ეს არის ურანი ან პოლონიუმი, რომელსაც დაბომბავს სწრაფი ნეიტრონები. მეორეც, შეუძლებელია არ გავიგოთ, რომ ბირთვულ დაშლას ახლავს ახალი ნეიტრონების შექმნა. შედეგად, ნეიტრონების რაოდენობა რეაქციის ზონაში შეიძლება ძალიან სწრაფად გაიზარდოს. თითოეული ნეიტრონი ეჯახება ახალ, ჯერ კიდევ ხელუხლებელ ბირთვებს, ყოფს მათ, რაც იწვევს სითბოს გამოყოფის ზრდას. ეს არის ბირთვული დაშლის ჯაჭვური რეაქცია. რეაქტორში ნეიტრონების რაოდენობის უკონტროლო ზრდამ შეიძლება გამოიწვიოს აფეთქება. ზუსტად ასე მოხდა 1986 წელს ჩერნობილის ატომურ ელექტროსადგურზე. ამიტომ, რეაქციის ზონაში ყოველთვის არის ნივთიერება, რომელიც შთანთქავს ზედმეტ ნეიტრონებს, რაც ხელს უშლის კატასტროფას. ეს არის გრაფიტი გრძელი ღეროების სახით. ბირთვული დაშლის სიჩქარე შეიძლება შენელდეს ღეროების რეაქციის ზონაში ჩაძირვით. ბირთვული რეაქციის განტოლება შედგენილია სპეციალურად თითოეული აქტიური რადიოაქტიური ნივთიერებისა და მასზე დამბომბელი ნაწილაკებისთვის (ელექტრონები, პროტონები, ალფა ნაწილაკები). თუმცა საბოლოო ენერგიის გამომუშავება გამოითვლება კონსერვაციის კანონის მიხედვით: E1+E2=E3+E4. ანუ, თავდაპირველი ბირთვისა და ნაწილაკების მთლიანი ენერგია (E1 + E2) უნდა ტოლი იყოს მიღებული ბირთვის და თავისუფალი სახით გამოთავისუფლებული ენერგიის (E3 + E4). ბირთვული რეაქციის განტოლება ასევე აჩვენებს, თუ რა სახის ნივთიერება მიიღება დაშლის შედეგად. მაგალითად, ურანისთვის U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. ელემენტების იზოტოპები აქ არ არის ჩამოთვლილი.თუმცა ეს მნიშვნელოვანია. მაგალითად, არსებობს ურანის დაშლის სამი შესაძლებლობა, რომელშიც წარმოიქმნება ტყვიისა და ნეონის სხვადასხვა იზოტოპები. შემთხვევების თითქმის ას პროცენტში, ბირთვული დაშლის რეაქცია წარმოქმნის რადიოაქტიურ იზოტოპებს. ანუ ურანის დაშლის შედეგად წარმოიქმნება რადიოაქტიური თორიუმი. თორიუმი შეიძლება დაიშალა პროტაქტინიუმად, ის აქტინიუმად და ა.შ. ორივე ბისმუტი და ტიტანი შეიძლება იყოს რადიოაქტიური ამ სერიაში. წყალბადსაც კი, რომელიც ბირთვში ორ პროტონს შეიცავს (ერთი პროტონის სიჩქარით), სხვანაირად - დეიტერიუმი ეწოდება. ასეთი წყალბადით წარმოქმნილ წყალს უწოდებენ მძიმე წყალს და ავსებს ბირთვულ რეაქტორებში პირველად წრეს.
არამშვიდობიანი ატომი
ისეთი გამონათქვამები, როგორიცაა "იარაღების რბოლა", "ცივი ომი", "ბირთვული საფრთხე" შეიძლება ისტორიულად და შეუსაბამო ჩანდეს თანამედროვე ადამიანისთვის. მაგრამ ერთხელ, ყოველ საინფორმაციო გამოშვებას თითქმის მთელ მსოფლიოში თან ახლდა მოხსენებები იმის შესახებ, თუ რამდენი სახის ბირთვული იარაღი გამოიგონეს და როგორ უნდა მოგვარდეს ისინი. ადამიანებმა მიწისქვეშა ბუნკერები ააშენეს და ბირთვული ზამთრის შემთხვევაში მარაგს აგროვებდნენ. თავშესაფრის აშენებაზე მთელი ოჯახი მუშაობდა. ბირთვული დაშლის რეაქციების მშვიდობიანი გამოყენებაც კი შეიძლება გამოიწვიოს კატასტროფა. როგორც ჩანს, ჩერნობილმა კაცობრიობას ასწავლა სიფრთხილე ამ სფეროში, მაგრამ პლანეტის ელემენტები უფრო ძლიერი აღმოჩნდა: იაპონიის მიწისძვრამ დააზიანა ფუკუშიმას ატომური ელექტროსადგურის ძალიან საიმედო სიმაგრეები. ბირთვული რეაქციის ენერგია ბევრად უფრო ადვილი გამოსაყენებელია განადგურებისთვის. ტექნოლოგებმა მხოლოდ უნდა შეზღუდონ აფეთქების ძალა, რათა შემთხვევით არ გაანადგურონ მთელი პლანეტა. ყველაზე „ჰუმანური“ბომბები, თუ შეიძლება ასე დავარქვათ, არ აბინძურებენ გარემოს რადიაციას. ზოგადად, ისინი ყველაზე ხშირად იყენებენუკონტროლო ჯაჭვური რეაქცია. ის, რისი თავიდან აცილებასაც ისინი ყველანაირად ცდილობენ ატომურ ელექტროსადგურებში, ბომბებით მიიღწევა ძალიან პრიმიტიული გზით. ნებისმიერი ბუნებრივად რადიოაქტიური ელემენტისთვის არსებობს სუფთა ნივთიერების გარკვეული კრიტიკული მასა, რომელშიც ჯაჭვური რეაქცია თავისთავად იბადება. მაგალითად, ურანისთვის ეს მხოლოდ ორმოცდაათი კილოგრამია. ვინაიდან ურანი ძალიან მძიმეა, ის მხოლოდ 12-15 სანტიმეტრის დიამეტრის პატარა ლითონის ბურთია. ჰიროშიმასა და ნაგასაკიზე ჩამოგდებული პირველი ატომური ბომბები ზუსტად ამ პრინციპით გაკეთდა: სუფთა ურანის ორი არათანაბარი ნაწილი უბრალოდ გაერთიანდა და საშინელი აფეთქება გამოიწვია. თანამედროვე იარაღი ალბათ უფრო დახვეწილია. თუმცა, არ უნდა დავივიწყოთ კრიტიკული მასა: შენახვისას უნდა არსებობდეს ბარიერები სუფთა რადიოაქტიური მასალის მცირე მოცულობებს შორის, რაც ხელს უშლის ნაწილების დაკავშირებას.
რადიაციული წყაროები
82-ზე მეტი ბირთვული მუხტის მქონე ყველა ელემენტი რადიოაქტიურია. თითქმის ყველა მსუბუქ ქიმიურ ელემენტს აქვს რადიოაქტიური იზოტოპები. რაც უფრო მძიმეა ბირთვი, მით უფრო მოკლეა მისი სიცოცხლე. ზოგიერთი ელემენტის (როგორიცაა კალიფორნია) მიღება შესაძლებელია მხოლოდ ხელოვნურად - მძიმე ატომების უფრო მსუბუქ ნაწილაკებთან შეჯახებით, ყველაზე ხშირად ამაჩქარებლებში. ვინაიდან ისინი ძალიან არასტაბილურები არიან, ისინი არ არსებობენ დედამიწის ქერქში: პლანეტის ფორმირებისას ისინი ძალიან სწრაფად დაიშალა სხვა ელემენტებად. მსუბუქი ბირთვების მქონე ნივთიერებები, როგორიცაა ურანი, შეიძლება იყოს დანაღმული. ეს პროცესი ხანგრძლივია, ურანი შესაფერისია მოპოვებისთვის, თუნდაც ძალიან მდიდარ საბადოებში, შეიცავს ერთ პროცენტზე ნაკლებს. მესამე გზა,შესაძლოა მიუთითებს იმაზე, რომ ახალი გეოლოგიური ეპოქა უკვე დაიწყო. ეს არის რადიოაქტიური ელემენტების მოპოვება რადიოაქტიური ნარჩენებისგან. მას შემდეგ, რაც საწვავი იხარჯება ელექტროსადგურზე, წყალქვეშა ნავზე ან თვითმფრინავის გადამზიდავზე, მიიღება ორიგინალური ურანისა და საბოლოო ნივთიერების ნარევი, დაშლის შედეგი. ამ დროისთვის ეს ითვლება მყარ რადიოაქტიურ ნარჩენებად და ჩნდება მწვავე კითხვა, როგორ განადგურდეს ისინი ისე, რომ მათ არ დააბინძურონ გარემო. თუმცა, სავარაუდოა, რომ უახლოეს მომავალში ამ ნარჩენებიდან მოიპოვება მზა კონცენტრირებული რადიოაქტიური ნივთიერებები (მაგალითად, პოლონიუმი).
