L'article raconte ce qu'est la fission nucléaire, comment ce processus a été découvert et décrit. Son utilisation comme source d'énergie et d'armes nucléaires est révélée.
Atome "indivisible"
Le XXIe siècle regorge d'expressions telles que "l'énergie de l'atome", "la technologie nucléaire", "les déchets radioactifs". De temps en temps, dans les gros titres des journaux, des messages éclair sur la possibilité d'une contamination radioactive du sol, des océans et de la glace de l'Antarctique. Cependant, une personne ordinaire n'a souvent pas une très bonne idée de ce qu'est ce domaine scientifique et de son aide dans la vie de tous les jours. Cela vaut peut-être la peine de commencer par l'histoire. Dès la première question, posée par une personne bien nourrie et habillée, il s'est intéressé au fonctionnement du monde. Comment l'œil voit, pourquoi l'oreille entend, comment l'eau diffère de la pierre - c'est ce qui a inquiété les sages depuis des temps immémoriaux. Même dans l'Inde et la Grèce anciennes, certains esprits curieux ont suggéré qu'il existe une particule minimale (on l'appelait aussi "indivisible") qui a les propriétés d'un matériau. Les chimistes médiévaux ont confirmé la conjecture des sages, et la définition moderne de l'atome est la suivante: un atome est la plus petite particule d'une substance qui est porteuse de ses propriétés.
Parties d'un atome
Cependant, le développement de la technologie (enen particulier, la photographie) a conduit au fait que l'atome n'est plus considéré comme la plus petite particule de matière possible. Et bien qu'un seul atome soit électriquement neutre, les scientifiques se sont vite rendu compte qu'il se compose de deux parties avec des charges différentes. Le nombre de parties chargées positivement compense le nombre de parties négatives, de sorte que l'atome reste neutre. Mais il n'y avait pas de modèle univoque de l'atome. Comme la physique classique dominait encore à cette époque, diverses hypothèses ont été émises.
Modèles Atom
Au début, le modèle "raisin roll" a été proposé. La charge positive, pour ainsi dire, remplissait tout l'espace de l'atome et des charges négatives y étaient réparties, comme des raisins secs dans un petit pain. La célèbre expérience de Rutherford a déterminé ce qui suit: un élément très lourd avec une charge positive (le noyau) est situé au centre de l'atome, et des électrons beaucoup plus légers sont situés autour. La masse du noyau est des centaines de fois plus lourde que la somme de tous les électrons (elle représente 99,9 % de la masse de l'atome entier). Ainsi, le modèle planétaire de l'atome de Bohr est né. Cependant, certains de ses éléments contredisaient la physique classique alors acceptée. Par conséquent, une nouvelle mécanique quantique a été développée. Avec son apparition, la période non classique de la science a commencé.
Atom et radioactivité
De tout ce qui précède, il devient clair que le noyau est une partie lourde et chargée positivement de l'atome, qui constitue sa masse. Lorsque la quantification de l'énergie et les positions des électrons dans l'orbite d'un atome furent bien comprises, il était temps de comprendrela nature du noyau atomique. La radioactivité ingénieuse et inattendue est venue à la rescousse. Cela a permis de révéler l'essence de la partie centrale lourde de l'atome, puisque la source de radioactivité est la fission nucléaire. Au tournant des XIXe et XXe siècles, les découvertes se succèdent. La solution théorique d'un problème nécessitait de nouvelles expériences. Les résultats des expériences ont donné lieu à des théories et des hypothèses qui devaient être confirmées ou réfutées. Souvent, les plus grandes découvertes ont eu lieu simplement parce que c'est ainsi que la formule est devenue facile à calculer (comme, par exemple, le quantum de Max Planck). Même au début de l'ère de la photographie, les scientifiques savaient que les sels d'uranium éclairaient un film photosensible, mais ils ne soupçonnaient pas que la fission nucléaire était à la base de ce phénomène. Par conséquent, la radioactivité a été étudiée afin de comprendre la nature de la désintégration nucléaire. De toute évidence, le rayonnement était généré par des transitions quantiques, mais il n'était pas tout à fait clair lesquelles. Les Curie ont extrait du radium et du polonium purs, travaillant presque à la main dans le minerai d'uranium, pour répondre à cette question.
La charge du rayonnement radioactif
Rutherford a fait beaucoup pour étudier la structure de l'atome et a contribué à l'étude de la manière dont se produit la fission du noyau de l'atome. Le scientifique a placé le rayonnement émis par un élément radioactif dans un champ magnétique et a obtenu un résultat étonnant. Il s'est avéré que le rayonnement se compose de trois composants: l'un était neutre et les deux autres étaient chargés positivement et négativement. L'étude de la fission nucléaire a commencé par la définition de sonComposants. Il a été prouvé que le noyau peut se diviser, abandonner une partie de sa charge positive.
Structure du noyau
Plus tard, il s'est avéré que le noyau atomique se compose non seulement de particules de protons chargées positivement, mais aussi de particules neutres de neutrons. Ensemble, ils sont appelés nucléons (de l'anglais "nucleus", le noyau). Cependant, les scientifiques se sont à nouveau heurtés à un problème: la masse du noyau (c'est-à-dire le nombre de nucléons) ne correspondait pas toujours à sa charge. Dans l'hydrogène, le noyau a une charge de +1, et la masse peut être trois, et deux, et un. L'hélium suivant dans le tableau périodique a une charge nucléaire de +2, tandis que son noyau contient de 4 à 6 nucléons. Des éléments plus complexes peuvent avoir beaucoup plus de masses différentes pour la même charge. Ces variations d'atomes sont appelées isotopes. De plus, certains isotopes se sont avérés assez stables, tandis que d'autres se sont rapidement désintégrés, car ils étaient caractérisés par la fission nucléaire. A quel principe correspondait le nombre de nucléons de la stabilité des noyaux ? Pourquoi l'ajout d'un seul neutron à un noyau lourd et bien stable a-t-il conduit à son éclatement, à la libération de radioactivité ? Curieusement, la réponse à cette importante question n'a pas encore été trouvée. Empiriquement, il s'est avéré que des configurations stables de noyaux atomiques correspondent à certaines quantités de protons et de neutrons. S'il y a 2, 4, 8, 50 neutrons et/ou protons dans le noyau, alors le noyau sera définitivement stable. Ces nombres sont même appelés magiques (et les scientifiques adultes, les physiciens nucléaires, les appelaient ainsi). Ainsi, la fission des noyaux dépend de leur masse, c'est-à-dire du nombre de nucléons qu'ils contiennent.
Goutte, coquillage, cristal
Il n'a pas été possible de déterminer le facteur responsable de la stabilité du noyau pour le moment. Il existe de nombreuses théories du modèle de la structure de l'atome. Les trois plus célèbres et développés se contredisent souvent sur diverses questions. Selon la première, le noyau est une goutte d'un liquide nucléaire spécial. Comme l'eau, elle se caractérise par sa fluidité, sa tension superficielle, sa coalescence et sa décomposition. Dans le modèle de coquille, il y a aussi certains niveaux d'énergie dans le noyau, qui sont remplis de nucléons. Le troisième stipule que le noyau est un milieu capable de réfracter des ondes spéciales (de Broglie), tandis que l'indice de réfraction est l'énergie potentielle. Cependant, aucun modèle n'a encore été en mesure de décrire complètement pourquoi, à partir d'une certaine masse critique de cet élément chimique particulier, la fission nucléaire commence.
À quoi ressemblent les ruptures
La radioactivité, comme mentionné ci-dessus, a été trouvée dans des substances que l'on peut trouver dans la nature: uranium, polonium, radium. Par exemple, l'uranium pur fraîchement extrait est radioactif. Le processus de division dans ce cas sera spontané. Sans aucune influence extérieure, un certain nombre d'atomes d'uranium émettront des particules alpha, se transformant spontanément en thorium. Il existe un indicateur appelé la demi-vie. Il montre pendant quelle période de temps à partir du numéro initial de la pièce environ la moitié restera. Pour chaque élément radioactif, la demi-vie est différente - de quelques fractions de seconde pour la Californie àdes centaines de milliers d'années pour l'uranium et le césium. Mais il y a aussi la radioactivité forcée. Si les noyaux des atomes sont bombardés de protons ou de particules alpha (noyaux d'hélium) à haute énergie cinétique, ils peuvent "se diviser". Le mécanisme de transformation, bien sûr, est différent de la façon dont le vase préféré de la mère est brisé. Cependant, il y a une certaine analogie.
Énergie atomique
Jusqu'à présent, nous n'avons pas répondu à une question pratique: d'où vient l'énergie lors de la fission nucléaire. Pour commencer, il faut préciser que lors de la formation d'un noyau, des forces nucléaires spéciales agissent, appelées interaction forte. Le noyau étant composé de nombreux protons positifs, la question reste de savoir comment ils s'agglutinent, car les forces électrostatiques doivent les éloigner assez fortement les uns des autres. La réponse est à la fois simple et pas en même temps: le noyau est maintenu ensemble par un échange très rapide entre nucléons de particules spéciales - les mésons pi. Cette connexion vit incroyablement courte. Dès que l'échange de mésons pi s'arrête, le noyau se désintègre. Il est également connu avec certitude que la masse d'un noyau est inférieure à la somme de tous ses nucléons constitutifs. Ce phénomène s'appelle le défaut de masse. En fait, la masse manquante est l'énergie dépensée pour maintenir l'intégrité du noyau. Dès qu'une partie est séparée du noyau d'un atome, cette énergie est libérée et convertie en chaleur dans les centrales nucléaires. Autrement dit, l'énergie de la fission nucléaire est une démonstration claire de la célèbre formule d'Einstein. Rappelez-vous que la formule dit: l'énergie et la masse peuvent se transformer l'une en l'autre (E=mc2).
Théorie et pratique
Maintenant, nous allons vous dire comment cette découverte purement théorique est utilisée dans la vie pour produire des gigawatts d'électricité. Tout d'abord, il convient de noter que les réactions contrôlées utilisent la fission nucléaire forcée. Il s'agit le plus souvent d'uranium ou de polonium, qui est bombardé par des neutrons rapides. Deuxièmement, il est impossible de ne pas comprendre que la fission nucléaire s'accompagne de la création de nouveaux neutrons. Par conséquent, le nombre de neutrons dans la zone de réaction peut augmenter très rapidement. Chaque neutron entre en collision avec de nouveaux noyaux encore intacts, les divise, ce qui entraîne une augmentation du dégagement de chaleur. C'est la réaction en chaîne de fission nucléaire. Une augmentation incontrôlée du nombre de neutrons dans un réacteur peut provoquer une explosion. C'est exactement ce qui s'est passé en 1986 à la centrale nucléaire de Tchernobyl. Par conséquent, dans la zone de réaction, il y a toujours une substance qui absorbe les neutrons en excès, empêchant une catastrophe. C'est du graphite sous forme de longues tiges. La vitesse de fission nucléaire peut être ralentie en immergeant les barres dans la zone de réaction. L'équation de la réaction nucléaire est établie spécifiquement pour chaque substance radioactive active et les particules qui la bombardent (électrons, protons, particules alpha). Cependant, la production d'énergie finale est calculée selon la loi de conservation: E1+E2=E3+E4. Autrement dit, l'énergie totale du noyau et de la particule d'origine (E1 + E2) doit être égale à l'énergie du noyau résultant et à l'énergie libérée sous forme libre (E3 + E4). L'équation de la réaction nucléaire montre également quel type de substance est obtenue à la suite de la désintégration. Par exemple, pour l'uranium U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Les isotopes des éléments ne sont pas répertoriés ici.cependant, c'est important. Par exemple, il existe jusqu'à trois possibilités de fission de l'uranium, dans lesquelles différents isotopes du plomb et du néon se forment. Dans presque cent pour cent des cas, la réaction de fission nucléaire produit des isotopes radioactifs. Autrement dit, la désintégration de l'uranium produit du thorium radioactif. Le thorium peut se désintégrer en protactinium, celui en actinium, etc. Le bismuth et le titane peuvent être radioactifs dans cette série. Même l'hydrogène, qui contient deux protons dans le noyau (à raison d'un proton), est appelé différemment - deutérium. L'eau formée avec cet hydrogène est appelée eau lourde et remplit le circuit primaire des réacteurs nucléaires.
Atome perturbateur
Des expressions telles que "course aux armements", "guerre froide", "menace nucléaire" peuvent sembler historiques et non pertinentes pour une personne moderne. Mais il était une fois, presque partout dans le monde, chaque communiqué de presse était accompagné de rapports sur le nombre de types d'armes nucléaires inventés et sur la manière de les gérer. Les gens ont construit des bunkers souterrains et se sont approvisionnés en cas d'hiver nucléaire. Des familles entières ont travaillé pour construire l'abri. Même l'utilisation pacifique des réactions de fission nucléaire peut conduire à un désastre. Il semblerait que Tchernobyl ait appris à l'humanité à être prudente dans ce domaine, mais les éléments de la planète se sont avérés plus forts: le tremblement de terre au Japon a endommagé les fortifications très fiables de la centrale nucléaire de Fukushima. L'énergie d'une réaction nucléaire est beaucoup plus facile à utiliser pour la destruction. Les technologues n'ont qu'à limiter la force de l'explosion, afin de ne pas détruire accidentellement la planète entière. Les bombes les plus "humaines", si vous pouvez les appeler ainsi, ne polluent pas l'environnement avec des radiations. En général, ils utilisent le plus souventréaction en chaîne incontrôlée. Ce qu'ils s'efforcent d'éviter par tous les moyens dans les centrales nucléaires est réalisé avec des bombes d'une manière très primitive. Pour tout élément naturellement radioactif, il existe une certaine masse critique de substance pure dans laquelle naît d'elle-même une réaction en chaîne. Pour l'uranium, par exemple, il n'est que de cinquante kilogrammes. Comme l'uranium est très lourd, ce n'est qu'une petite boule de métal de 12 à 15 centimètres de diamètre. Les premières bombes atomiques larguées sur Hiroshima et Nagasaki ont été fabriquées exactement selon ce principe: deux parties inégales d'uranium pur se sont simplement combinées et ont généré une explosion terrifiante. Les armes modernes sont probablement plus sophistiquées. Cependant, il ne faut pas oublier la masse critique: il doit y avoir des barrières entre de petits volumes de matières radioactives pures pendant le stockage, empêchant les pièces de se connecter.
Sources de rayonnement
Tous les éléments avec une charge nucléaire supérieure à 82 sont radioactifs. Presque tous les éléments chimiques plus légers contiennent des isotopes radioactifs. Plus le noyau est lourd, plus sa durée de vie est courte. Certains éléments (comme la Californie) ne peuvent être obtenus qu'artificiellement - en faisant entrer en collision des atomes lourds avec des particules plus légères, le plus souvent dans des accélérateurs. Comme ils sont très instables, ils n'existent pas dans la croûte terrestre: lors de la formation de la planète, ils se sont très vite désintégrés en d'autres éléments. Les substances avec des noyaux plus légers, comme l'uranium, peuvent être extraites. Ce processus est long, l'uranium propre à l'extraction, même dans les minerais très riches, en contient moins d'un pour cent. troisième voie,indique peut-être qu'une nouvelle époque géologique a déjà commencé. Il s'agit de l'extraction d'éléments radioactifs à partir de déchets radioactifs. Une fois le combustible dépensé dans une centrale électrique, sur un sous-marin ou un porte-avions, un mélange de l'uranium d'origine et de la substance finale, résultat de la fission, est obtenu. À l'heure actuelle, il s'agit de déchets radioactifs solides et la question de savoir comment les éliminer afin qu'ils ne polluent pas l'environnement se pose avec acuité. Cependant, il est probable que dans un proche avenir, des substances radioactives concentrées prêtes à l'emploi (par exemple, le polonium) seront extraites de ces déchets.
