El artículo habla sobre qué es la fisión nuclear, cómo se descubrió y describió este proceso. Se revela su uso como fuente de energía y armas nucleares.
Átomo "indivisible"
El siglo XXI está repleto de expresiones como "energía del átomo", "tecnología nuclear", "residuos radiactivos". De vez en cuando, en los titulares de los periódicos, aparecen mensajes sobre la posibilidad de contaminación radiactiva del suelo, los océanos y el hielo de la Antártida. Sin embargo, una persona común a menudo no tiene una idea muy buena de qué es este campo de la ciencia y cómo ayuda en la vida cotidiana. Merece la pena empezar, quizás, por la historia. Desde la primera pregunta, que le hizo una persona bien alimentada y vestida, se interesó por cómo funciona el mundo. Cómo ve el ojo, por qué oye el oído, en qué se diferencia el agua de la piedra: esto es lo que preocupaba a los sabios desde tiempos inmemoriales. Incluso en la antigua India y Grecia, algunas mentes curiosas sugirieron que existe una partícula mínima (también llamada "indivisible") que tiene las propiedades de un material. Los químicos medievales confirmaron la suposición de los sabios, y la definición moderna del átomo es la siguiente: un átomo es la partícula más pequeña de una sustancia que es portadora de sus propiedades.
Partes de un átomo
Sin embargo, el desarrollo de la tecnología (enen particular, la fotografía) ha llevado a que el átomo ya no se considere la partícula de materia más pequeña posible. Y aunque un solo átomo es eléctricamente neutro, los científicos rápidamente se dieron cuenta de que consta de dos partes con diferentes cargas. El número de partes con carga positiva compensa el número de partes negativas, por lo que el átomo permanece neutral. Pero no había un modelo inequívoco del átomo. Dado que la física clásica todavía dominaba durante ese período, se hicieron varias suposiciones.
Modelos de átomos
Al principio, se propuso el modelo de "rollo de pasas". La carga positiva, por así decirlo, llenó todo el espacio del átomo, y las cargas negativas se distribuyeron en él, como pasas en un bollo. El famoso experimento de Rutherford determinó lo siguiente: un elemento muy pesado y con carga positiva (el núcleo) se ubica en el centro del átomo, y alrededor se ubican electrones mucho más livianos. La masa del núcleo es cientos de veces más pesada que la suma de todos los electrones (es el 99,9 por ciento de la masa de todo el átomo). Así nació el modelo planetario del átomo de Bohr. Sin embargo, algunos de sus elementos contradecían la física clásica entonces aceptada. Por lo tanto, se desarrolló una nueva mecánica cuántica. Con su aparición, comenzó el período no clásico de la ciencia.
Átomo y radiactividad
De todo lo anterior, queda claro que el núcleo es una parte pesada y cargada positivamente del átomo, que constituye su mayor parte. Cuando se entendieron bien la cuantización de la energía y las posiciones de los electrones en la órbita de un átomo, llegó el momento de entenderla naturaleza del núcleo atómico. La radiactividad ingeniosa e inesperadamente descubierta vino al rescate. Ayudó a revelar la esencia de la parte central pesada del átomo, ya que la fuente de radiactividad es la fisión nuclear. A la vuelta de los siglos XIX y XX, los descubrimientos llovieron uno tras otro. La solución teórica de un problema requería nuevos experimentos. Los resultados de los experimentos dieron lugar a teorías e hipótesis que necesitaban ser confirmadas o refutadas. A menudo, los mayores descubrimientos se han producido simplemente porque así es como la fórmula se volvió fácil de calcular (como, por ejemplo, el cuanto de Max Planck). Incluso al comienzo de la era de la fotografía, los científicos sabían que las sales de uranio iluminan una película fotosensible, pero no sospechaban que la fisión nuclear fuera la base de este fenómeno. Por lo tanto, se estudió la radiactividad para comprender la naturaleza de la descomposición nuclear. Obviamente, la radiación fue generada por transiciones cuánticas, pero no estaba del todo claro cuáles. Los Curie extrajeron radio y polonio puros, trabajando casi a mano en el mineral de uranio, para responder a esta pregunta.
La carga de la radiación radiactiva
Rutherford hizo mucho para estudiar la estructura del átomo y contribuyó al estudio de cómo ocurre la fisión del núcleo del átomo. El científico colocó la radiación emitida por un elemento radiactivo en un campo magnético y obtuvo un resultado asombroso. Resultó que la radiación consta de tres componentes: uno era neutral y los otros dos tenían carga positiva y negativa. El estudio de la fisión nuclear comenzó con la definición de suscomponentes Se probó que el núcleo puede dividirse, ceder parte de su carga positiva.
Estructura del núcleo
Más tarde resultó que el núcleo atómico consiste no solo de partículas de protones cargadas positivamente, sino también de partículas neutras de neutrones. Juntos se llaman nucleones (del inglés "nucleus", el núcleo). Sin embargo, los científicos se encontraron de nuevo con un problema: la masa del núcleo (es decir, el número de nucleones) no siempre se correspondía con su carga. En el hidrógeno, el núcleo tiene una carga de +1, y la masa puede ser tres, dos y uno. El siguiente helio en la tabla periódica tiene una carga nuclear de +2, mientras que su núcleo contiene de 4 a 6 nucleones. Los elementos más complejos pueden tener muchas más masas diferentes para la misma carga. Tales variaciones de átomos se llaman isótopos. Además, algunos isótopos resultaron ser bastante estables, mientras que otros se descompusieron rápidamente, ya que se caracterizaron por la fisión nuclear. ¿Qué principio correspondía al número de nucleones de la estabilidad de los núcleos? ¿Por qué la adición de un solo neutrón a un núcleo pesado y bastante estable condujo a su división, a la liberación de radiactividad? Curiosamente, aún no se ha encontrado la respuesta a esta importante pregunta. Empíricamente, resultó que las configuraciones estables de los núcleos atómicos corresponden a ciertas cantidades de protones y neutrones. Si hay 2, 4, 8, 50 neutrones y/o protones en el núcleo, entonces el núcleo definitivamente será estable. Estos números incluso se llaman magia (y los científicos adultos, los físicos nucleares, los llamaron así). Así, la fisión de los núcleos depende de su masa, es decir, del número de nucleones incluidos en ellos.
Gota, concha, cristal
No fue posible determinar el factor responsable de la estabilidad del núcleo en este momento. Hay muchas teorías del modelo de la estructura del átomo. Los tres más famosos y desarrollados a menudo se contradicen entre sí en varios temas. Según el primero, el núcleo es una gota de un líquido nuclear especial. Al igual que el agua, se caracteriza por la fluidez, la tensión superficial, la coalescencia y la descomposición. En el modelo de capa, también hay ciertos niveles de energía en el núcleo, que están llenos de nucleones. El tercero establece que el núcleo es un medio que es capaz de refractar ondas especiales (de Broglie), mientras que el índice de refracción es energía potencial. Sin embargo, ningún modelo ha sido capaz de describir completamente por qué, a una cierta masa crítica de este elemento químico en particular, comienza la fisión nuclear.
Cómo son las rupturas
La radiactividad, como se mencionó anteriormente, se encontró en sustancias que se pueden encontrar en la naturaleza: uranio, polonio, radio. Por ejemplo, el uranio puro recién extraído es radiactivo. El proceso de escisión en este caso será espontáneo. Sin influencias externas, un cierto número de átomos de uranio emitirán partículas alfa, convirtiéndose espontáneamente en torio. Hay un indicador llamado la vida media. Muestra durante qué período de tiempo desde el número inicial de la parte quedará aproximadamente la mitad. Para cada elemento radiactivo, la vida media es diferente: desde fracciones de segundo para California hastacientos de miles de años para el uranio y el cesio. Pero también hay radiactividad forzada. Si los núcleos de los átomos son bombardeados con protones o partículas alfa (núcleos de helio) con alta energía cinética, pueden "dividirse". El mecanismo de transformación, por supuesto, es diferente de cómo se rompe el jarrón favorito de la madre. Sin embargo, existe una cierta analogía.
Energía atómica
Hasta ahora, no hemos respondido una pregunta práctica: ¿de dónde viene la energía durante la fisión nuclear? Para empezar, hay que aclarar que durante la formación de un núcleo actúan fuerzas nucleares especiales, que se denominan interacción fuerte. Dado que el núcleo está formado por muchos protones positivos, la pregunta sigue siendo cómo se mantienen unidos, porque las fuerzas electrostáticas deben alejarlos unos de otros con mucha fuerza. La respuesta es simple y no al mismo tiempo: el núcleo se mantiene unido por un intercambio muy rápido entre nucleones de partículas especiales: pi-mesones. Esta conexión vive increíblemente corta. Tan pronto como se detiene el intercambio de pi-mesones, el núcleo se descompone. También se sabe con certeza que la masa de un núcleo es menor que la suma de todos los nucleones que lo constituyen. Este fenómeno se denomina defecto de masa. De hecho, la masa f altante es la energía que se gasta en mantener la integridad del núcleo. Tan pronto como una parte se separa del núcleo de un átomo, esta energía se libera y se convierte en calor en las centrales nucleares. Es decir, la energía de fisión nuclear es una clara demostración de la famosa fórmula de Einstein. Recuerde que la fórmula dice: la energía y la masa pueden convertirse entre sí (E=mc2).
Teoría y práctica
Ahora le diremos cómo este descubrimiento puramente teórico se utiliza en la vida para producir gigavatios de electricidad. En primer lugar, cabe señalar que las reacciones controladas utilizan la fisión nuclear forzada. La mayoría de las veces es uranio o polonio, que es bombardeado por neutrones rápidos. En segundo lugar, es imposible no entender que la fisión nuclear va acompañada de la creación de nuevos neutrones. Como resultado, el número de neutrones en la zona de reacción puede aumentar muy rápidamente. Cada neutrón choca con núcleos nuevos, aún intactos, los divide, lo que conduce a un aumento en la liberación de calor. Esta es la reacción en cadena de la fisión nuclear. Un aumento descontrolado del número de neutrones en un reactor puede provocar una explosión. Esto es exactamente lo que sucedió en 1986 en la central nuclear de Chernóbil. Por lo tanto, en la zona de reacción siempre hay una sustancia que absorbe el exceso de neutrones, evitando una catástrofe. Es grafito en forma de varillas largas. La tasa de fisión nuclear se puede ralentizar sumergiendo las varillas en la zona de reacción. La ecuación de reacción nuclear se compila específicamente para cada sustancia radiactiva activa y las partículas que la bombardean (electrones, protones, partículas alfa). Sin embargo, la salida de energía final se calcula de acuerdo con la ley de conservación: E1+E2=E3+E4. Es decir, la energía total del núcleo y la partícula originales (E1 + E2) debe ser igual a la energía del núcleo resultante y la energía liberada en forma libre (E3 + E4). La ecuación de reacción nuclear también muestra qué tipo de sustancia se obtiene como resultado de la descomposición. Por ejemplo, para el uranio U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Los isótopos de los elementos no se enumeran aquí.sin embargo, esto es importante. Por ejemplo, existen hasta tres posibilidades para la fisión del uranio, en las que se forman diferentes isótopos de plomo y neón. En casi el cien por cien de los casos, la reacción de fisión nuclear produce isótopos radiactivos. Es decir, la descomposición del uranio produce torio radiactivo. El torio puede descomponerse en protactinio, éste en actinio, etc. Tanto el bismuto como el titanio pueden ser radiactivos en esta serie. Incluso el hidrógeno, que contiene dos protones en el núcleo (a razón de un protón), se llama de manera diferente: deuterio. El agua formada con dicho hidrógeno se denomina agua pesada y llena el circuito primario de los reactores nucleares.
Átomo sin paz
Expresiones como "carrera armamentista", "guerra fría", "amenaza nuclear" pueden parecer históricas e irrelevantes para una persona moderna. Pero alguna vez, todos los comunicados de prensa en casi todo el mundo iban acompañados de informes sobre cuántos tipos de armas nucleares se inventaron y cómo lidiar con ellas. La gente construyó búnkeres subterráneos y se abasteció en caso de un invierno nuclear. Familias enteras trabajaron para construir el refugio. Incluso el uso pacífico de las reacciones de fisión nuclear puede conducir al desastre. Pareciera que Chernobyl le enseñó a la humanidad a tener cuidado en esta área, pero los elementos del planeta resultaron ser más fuertes: el terremoto en Japón dañó las muy confiables fortificaciones de la central nuclear de Fukushima. La energía de una reacción nuclear es mucho más fácil de usar para la destrucción. Los tecnólogos solo necesitan limitar la fuerza de la explosión, para no destruir accidentalmente todo el planeta. Las bombas más "humanas", si se les puede llamar así, no contaminan el entorno con radiación. En general, utilizan con mayor frecuenciareacción en cadena descontrolada. Lo que se esfuerzan por evitar en las centrales nucleares por todos los medios se logra en las bombas de una manera muy primitiva. Para cualquier elemento naturalmente radiactivo, existe una cierta masa crítica de sustancia pura en la que nace por sí misma una reacción en cadena. Para el uranio, por ejemplo, son sólo cincuenta kilogramos. Dado que el uranio es muy pesado, es solo una pequeña bola de metal de 12 a 15 centímetros de diámetro. Las primeras bombas atómicas lanzadas sobre Hiroshima y Nagasaki se fabricaron exactamente de acuerdo con este principio: dos partes desiguales de uranio puro simplemente se combinaron y generaron una explosión aterradora. Las armas modernas son probablemente más sofisticadas. Sin embargo, no se debe olvidar la masa crítica: debe haber barreras entre pequeños volúmenes de material radiactivo puro durante el almacenamiento, evitando que las partes se conecten.
Fuentes de radiación
Todos los elementos con una carga nuclear superior a 82 son radiactivos. Casi todos los elementos químicos más ligeros tienen isótopos radiactivos. Cuanto más pesado es el núcleo, más corta es su vida. Algunos elementos (como California) solo se pueden obtener artificialmente, haciendo colisionar átomos pesados con partículas más ligeras, la mayoría de las veces en aceleradores. Como son muy inestables, no existen en la corteza terrestre: durante la formación del planeta, se desintegraron muy rápidamente en otros elementos. Se pueden extraer sustancias con núcleos más ligeros, como el uranio. Este proceso es largo, el uranio apto para la extracción, incluso en minerales muy ricos, contiene menos del uno por ciento. tercer camino,tal vez indica que una nueva época geológica ya ha comenzado. Es la extracción de elementos radiactivos a partir de residuos radiactivos. Después de gastar combustible en una central eléctrica, en un submarino o en un portaaviones, se obtiene una mezcla del uranio original y la sustancia final, resultado de la fisión. Por el momento, esto se considera un desecho radiactivo sólido y existe una pregunta aguda sobre cómo disponer de ellos para que no contaminen el medio ambiente. Sin embargo, es probable que en un futuro cercano se extraigan sustancias radiactivas concentradas listas para usar (por ejemplo, polonio) a partir de estos desechos.
