Pse është reaksioni i ndarjes së bërthamave të uraniumit. Pra, nën ndikimin e çfarë forcave shpërthen bërthama? Reaksioni zinxhir i ndarjes së disa bërthamave

Për shkak të neutralitetit elektrik të neutroneve.

2. Çfarë energjie quhet prodhimi i energjisë i reaksionit? Si të vlerësohet rendimenti i energjisë për një reaksion të ndarjes?

Rendimenti total i energjisë i një reaksioni të ndarjes është energjia e çliruar kur një bërthamë uraniumi shpërthen. Energjia specifike e lidhjes së një nukleoni në bërthamën e uraniumit 235 është afërsisht 7.6 MeV, dhe ajo e fragmenteve të reaksionit është afërsisht 8.5 MeV. Si rezultat i ndarjes lirohet (8,5 - 7,6) MeV = 0,9 MeV (për nukleon). Gjithsej janë 235 nukleone, atëherë rendimenti total i energjisë i reaksionit të ndarjes është

3. Cila vlerë e karakterizon shpejtësinë e një reaksioni zinxhir? Shkruani kushtin e nevojshëm për zhvillimin e një reaksioni zinxhir.

Faktori i shumëzimit të neutronit k karakterizon shpejtësinë e reaksionit zinxhir. Një kusht i domosdoshëm për zhvillimin e një reaksioni zinxhir

4. Cili reaksion i ndarjes quhet i vetëqëndrueshëm? Kur ndodh?

Një reaksion i vetë-qëndrueshëm i ndarjes bërthamore ndodh nëse një neutron i ri arrin të formohet si rezultat i reaksionit të ndarjes gjatë kohës që neutroni udhëton nëpër një mjedis me madhësi lineare l.

5. Vlerësoni madhësinë kritike të bërthamës dhe masën kritike.

Vëllimi i cilindrit është

N është përqendrimi i bërthamave. Numri i përplasjeve të një neutroni me bërthamat për njësinë e kohës n.

>> Fisioni i bërthamave të uraniumit

§ 107 FISIONI I Bërthamave të URANIT

Vetëm bërthamat e disa elementeve të rënda mund të ndahen në pjesë. Gjatë ndarjes së bërthamave, lëshohen dy ose tre neutrone dhe rreze -. Në të njëjtën kohë, lëshohet shumë energji.

Zbulimi i ndarjes së uraniumit. Zbërthimi i bërthamave të uraniumit u zbulua në vitin 1938 nga shkencëtarët gjermanë O. Hahn iF. Strassmann. Ata vërtetuan se kur uraniumi bombardohet me neutrone, lindin elementë të pjesës së mesme të tabelës periodike: barium, kripton, etj. Megjithatë, interpretimi i saktë i këtij fakti si ndarje e një bërthame uraniumi që kapi një neutron u dha në fillimi i vitit 1939 nga fizikani anglez O. Frisch së bashku me fizikanin austriak L. Meitner.

Kapja e neutronit prish stabilitetin e bërthamës. Bërthama ngacmohet dhe bëhet e paqëndrueshme, gjë që çon në ndarjen e saj në fragmente. Fisioni bërthamor është i mundur sepse masa e pushimit të një bërthame të rëndë është më e madhe se shuma e masave të mbetura të fragmenteve që rezultojnë nga ndarja. Prandaj, ka një çlirim të energjisë ekuivalente me uljen e masës së pushimit që shoqëron ndarjen.

Mundësia e ndarjes së bërthamave të rënda mund të shpjegohet gjithashtu duke përdorur një grafik të energjisë specifike të lidhjes kundrejt masës numri A (shih Fig. 13.11). Energjia specifike e lidhjes së bërthamave të atomeve të elementeve që zënë vendet e fundit në tabelën periodike (A 200) është afërsisht 1 MeV më pak se energjia specifike e lidhjes në bërthamat e elementeve të vendosura në mes të sistemit periodik (A 100) . Prandaj, procesi i ndarjes së bërthamave të rënda në bërthamat e elementeve në pjesën e mesme të tabelës periodike është energjikisht i favorshëm. Pas ndarjes, sistemi hyn në një gjendje me energji minimale të brendshme. Në fund të fundit, sa më e madhe të jetë energjia lidhëse e bërthamës, aq më e madhe është energjia që duhet të lirohet me daljen e bërthamës dhe, rrjedhimisht, aq më pak energjia e brendshme e sistemit të sapoformuar.

Gjatë ndarjes bërthamore, energjia lidhëse për nukleon rritet me 1 MeV dhe energjia totale e çliruar duhet të jetë e madhe - në rendin prej 200 MeV. Asnjë reaksion tjetër bërthamor (jo i lidhur me ndarjen) nuk lëshon energji kaq të mëdha.

Matjet e drejtpërdrejta të energjisë së çliruar gjatë ndarjes së një bërthame uraniumi konfirmuan konsideratat e mësipërme dhe dhanë një vlerë prej 200 MeV. Për më tepër, pjesa më e madhe e kësaj energjie (168 MeV) bie në energjinë kinetike të fragmenteve. Në figurën 13.13 shihni gjurmët e fragmenteve të uraniumit të zbërthyer në një dhomë reje.

Energjia e çliruar gjatë ndarjes bërthamore është me origjinë elektrostatike dhe jo bërthamore. Energjia e madhe kinetike që kanë fragmentet lind për shkak të zmbrapsjes së tyre të Kulonit.

Mekanizmi i ndarjes bërthamore. Procesi i ndarjes së bërthamës atomike mund të shpjegohet në bazë të modelit të pikëzimit të bërthamës. Sipas këtij modeli, një tufë nukleonesh i ngjan një pikëze lëngu të ngarkuar (Fig. 13.14, a). Forcat bërthamore midis nukleoneve janë me rreze të shkurtër, si forcat që veprojnë midis molekulave të lëngëta. Së bashku me forcat e mëdha të zmbrapsjes elektrostatike midis protoneve, të cilat tentojnë të copëtojnë bërthamën në copa, ka edhe forca tërheqëse bërthamore më të mëdha. Këto forca e mbajnë bërthamën nga shpërbërja.

Bërthama e uraniumit-235 ka formë sferike. Duke thithur një neutron shtesë, ai ngacmohet dhe fillon të deformohet, duke marrë një formë të zgjatur (Fig. 13.14, b). Bërthama do të shtrihet derisa forcat refuzuese midis gjysmave të bërthamës së zgjatur të fillojnë të mbizotërojnë mbi forcat tërheqëse që veprojnë në istmus (Fig. 13.14, c). Pas kësaj, ajo ndahet në dy pjesë (Fig. 13.14, d).

Nën ndikimin e forcave refuzuese të Kulombit, këto fragmente fluturojnë larg me një shpejtësi të barabartë me 1/30 e shpejtësisë së dritës.

Emetimi i neutroneve gjatë ndarjes. Një fakt themelor i ndarjes bërthamore është emetimi i dy deri në tre neutroneve gjatë procesit të ndarjes. Ishte falë kësaj që u bë i mundur përdorimi praktik i energjisë intranukleare.

Është e mundur të kuptohet pse neutronet e lira emetohen bazuar në konsideratat e mëposhtme. Dihet se raporti i numrit të neutroneve me numrin e protoneve në bërthamat e qëndrueshme rritet me rritjen e numrit atomik. Prandaj, numri relativ i neutroneve në fragmente që lindin gjatë ndarjes është më i madh se sa është e lejueshme për bërthamat e atomeve të vendosura në mes të tabelës periodike. Si rezultat, disa neutrone lëshohen gjatë procesit të ndarjes. Energjia e tyre ka vlera të ndryshme - nga disa milionë elektron volt në ato shumë të vogla, afër zeros.

Fizioni zakonisht ndodh në fragmente, masat e të cilave ndryshojnë përafërsisht 1.5 herë. Këto fragmente janë shumë radioaktive, pasi ato përmbajnë një sasi të tepërt të neutroneve. Si rezultat i një sërë zbërthimesh të njëpasnjëshme, përfundimisht përftohen izotopë të qëndrueshëm.

Si përfundim, vërejmë se ka edhe ndarje spontane të bërthamave të uraniumit. Ajo u zbulua nga fizikanët sovjetikë G.N. Flerov dhe K.A. Kjo është dy milionë herë më e gjatë se gjysma e jetës së uraniumit.

Reagimi i ndarjes bërthamore shoqërohet me çlirimin e energjisë.

Përmbajtja e mësimit shënimet e mësimit mbështetëse e prezantimit të mësimit me kornizë metodat e përshpejtimit teknologjitë ndërvepruese Praktikoni detyra dhe ushtrime seminare vetëtestimi, trajnime, raste, kërkime pyetje diskutimi për detyra shtëpie pyetje retorike nga nxënësit Ilustrime audio, videoklipe dhe multimedia fotografi, foto, grafika, tabela, diagrame, humor, anekdota, shaka, komike, shëmbëlltyra, thënie, fjalëkryqe, citate Shtesa abstrakte artikuj truke për krevat kureshtarë tekste mësimore fjalor termash bazë dhe plotësues të tjera Përmirësimi i teksteve dhe mësimevekorrigjimi i gabimeve në tekstin shkollor përditësimi i një fragmenti në një tekst shkollor, elemente të inovacionit në mësim, zëvendësimi i njohurive të vjetruara me të reja Vetëm për mësuesit leksione perfekte plani kalendar për vitin; Mësime të integruara

Ndarja e bërthamave të uraniumit kur bombardohej me neutrone u zbulua në vitin 1939 nga shkencëtarët gjermanë Otto Hahn dhe Fritz Strassmann.

Otto Hahn (1879-1968)
Fizikan gjerman, shkencëtar pionier në fushën e radiokimisë. Zbuloi ndarjen e uraniumit dhe një sërë elementësh radioaktivë

Fritz Strassmann (1902-1980)
Fizikan dhe kimist gjerman. Punimet kanë të bëjnë me kiminë bërthamore dhe ndarjen bërthamore. Ka dhënë prova kimike të procesit të ndarjes

Le të shqyrtojmë mekanizmin e këtij fenomeni. Figura 162a tregon në mënyrë konvencionale bërthamën e një atomi të uraniumit. Duke thithur një neutron shtesë, bërthama ngacmohet dhe deformohet, duke marrë një formë të zgjatur (Fig. 162, b).

Oriz. 162. Procesi i ndarjes së një bërthame uraniumi nën ndikimin e një neutroni që hyn në të

Tashmë e dini se ekzistojnë dy lloje forcash që veprojnë në bërthamë: forcat refuzuese elektrostatike midis protoneve, të cilat priren të copëtojnë bërthamën, dhe forcat tërheqëse bërthamore midis të gjithë nukleoneve, falë të cilave bërthama nuk prishet. Por forcat bërthamore janë me rreze të shkurtër, kështu që në një bërthamë të zgjatur ato nuk mund të mbajnë më pjesë të bërthamës që janë shumë të largëta nga njëra-tjetra. Nën ndikimin e forcave repulsive elektrostatike, bërthama ndahet në dy pjesë (Fig. 162, c), të cilat fluturojnë larg në drejtime të ndryshme me shpejtësi të madhe dhe lëshojnë 2-3 neutrone.

Rezulton se një pjesë e energjisë së brendshme të bërthamës shndërrohet në energjinë kinetike të fragmenteve dhe grimcave fluturuese. Fragmentet ngadalësohen shpejt në mjedis, si rezultat i së cilës energjia e tyre kinetike shndërrohet në energjinë e brendshme të mjedisit (d.m.th., në energjinë e ndërveprimit dhe lëvizjes termike të grimcave përbërëse të tij).

Me ndarjen e njëkohshme të një numri të madh bërthamash të uraniumit, energjia e brendshme e mjedisit që rrethon uraniumin dhe, në përputhje me rrethanat, temperatura e tij rritet ndjeshëm (d.m.th., mjedisi nxehet).

Kështu, reaksioni i ndarjes së bërthamave të uraniumit ndodh me lëshimin e energjisë në mjedis.

Energjia që përmbahet në bërthamat e atomeve është kolosale. Për shembull, me ndarjen e plotë të të gjitha bërthamave të pranishme në 1 g uranium, do të çlirohej e njëjta sasi energjie që lirohet gjatë djegies së 2.5 tonë nafte. Për të kthyer energjinë e brendshme të bërthamave atomike në energji elektrike, termocentralet bërthamore përdorin të ashtuquajturat reaksionet zinxhirore të ndarjes bërthamore.

Le të shqyrtojmë mekanizmin e reaksionit zinxhir të ndarjes së bërthamës së izotopit të uraniumit. Bërthama e një atomi të uraniumit (Fig. 163) si rezultat i kapjes së neutronit ndahet në dy pjesë, duke emetuar tre neutrone. Dy prej këtyre neutroneve shkaktuan reaksionin e ndarjes së dy bërthamave të tjera, duke prodhuar katër neutrone. Këto, nga ana tjetër, shkaktuan ndarjen e katër bërthamave, pas së cilës u prodhuan nëntë neutrone, etj.

Një reaksion zinxhir është i mundur për shkak të faktit se ndarja e çdo bërthame prodhon 2-3 neutrone, të cilat mund të marrin pjesë në ndarjen e bërthamave të tjera.

Figura 163 tregon një diagram të një reaksioni zinxhir në të cilin numri i përgjithshëm i neutroneve të lira në një pjesë të uraniumit rritet në mënyrë eksponenciale me kalimin e kohës. Prandaj, numri i ndarjeve bërthamore dhe energjia e lëshuar për njësi të kohës rritet ndjeshëm. Prandaj, një reagim i tillë është shpërthyes në natyrë (ndodh në një bombë atomike).

Oriz. 163. Reaksioni zinxhir i zbërthimit të bërthamave të uraniumit

Një opsion tjetër është i mundur, në të cilin numri i neutroneve të lira zvogëlohet me kalimin e kohës. Në këtë rast, reaksioni zinxhir ndalet. Prandaj, një reagim i tillë nuk mund të përdoret gjithashtu për të prodhuar energji elektrike.

Për qëllime paqësore, është e mundur të përdoret energjia vetëm e një reaksioni zinxhir në të cilin numri i neutroneve nuk ndryshon me kalimin e kohës.

Si mund të sigurohemi që numri i neutroneve të mbetet konstant gjatë gjithë kohës? Për të zgjidhur këtë problem, duhet të dini se cilët faktorë ndikojnë në rritjen dhe uljen e numrit të përgjithshëm të neutroneve të lira në një pjesë të uraniumit në të cilën ndodh një reaksion zinxhir.

Një faktor i tillë është masa e uraniumit. Fakti është se jo çdo neutron i emetuar gjatë ndarjes bërthamore shkakton ndarjen e bërthamave të tjera (shih Fig. 163). Nëse masa (dhe, në përputhje me rrethanat, dimensionet) e një pjese të uraniumit është shumë e vogël, atëherë shumë neutrone do të fluturojnë prej saj, duke mos pasur kohë të takojnë bërthamën në rrugën e tyre, të shkaktojnë ndarjen e saj dhe kështu të gjenerojnë një brez të ri të neutronet e nevojshme për të vazhduar reaksionin. Në këtë rast, reaksioni zinxhir do të ndalet. Në mënyrë që reagimi të vazhdojë, është e nevojshme të rritet masa e uraniumit në një vlerë të caktuar, e quajtur kritike.

Pse një reaksion zinxhir bëhet i mundur me rritjen e masës? Sa më e madhe të jetë masa e pjesës, aq më të mëdha janë dimensionet e saj dhe aq më e gjatë është rruga që kalojnë neutronet në të. Në këtë rast, probabiliteti i takimit të neutroneve me bërthamat rritet. Prandaj, numri i ndarjeve bërthamore dhe numri i neutroneve të emetuara rritet.

Në masën kritike të uraniumit, numri i neutroneve të prodhuara gjatë ndarjes bërthamore bëhet i barabartë me numrin e neutroneve të humbur (d.m.th., të kapur nga bërthamat pa ndarje dhe të emetuara jashtë pjesës).

Prandaj, numri i tyre i përgjithshëm mbetet i pandryshuar. Në këtë rast, reaksioni zinxhir mund të vazhdojë për një kohë të gjatë, pa u ndalur dhe pa u bërë shpërthyes.

• Masa më e vogël e uraniumit në të cilën mund të ndodhë një reaksion zinxhir quhet masa kritike

Nëse masa e uraniumit është më e madhe se masa kritike, atëherë si rezultat i një rritje të mprehtë të numrit të neutroneve të lira, reaksioni zinxhir çon në një shpërthim, dhe nëse është më i vogël se masa kritike, atëherë reagimi nuk ndodh. vazhdojnë për shkak të mungesës së neutroneve të lira.

Humbja e neutroneve (të cilat fluturojnë nga uraniumi pa reaguar me bërthamat) mund të reduktohet jo vetëm duke rritur masën e uraniumit, por edhe duke përdorur një guaskë të veçantë reflektuese. Për ta bërë këtë, një pjesë e uraniumit vendoset në një guaskë të bërë nga një substancë që reflekton mirë neutronet (për shembull, berilium). Duke reflektuar nga kjo guaskë, neutronet kthehen në uranium dhe mund të marrin pjesë në ndarjen bërthamore.

Ka disa faktorë të tjerë nga të cilët varet mundësia e një reaksioni zinxhir. Për shembull, nëse një pjesë e uraniumit përmban shumë papastërti të elementeve të tjerë kimikë, atëherë ata thithin shumicën e neutroneve dhe reaksioni ndalet.

Prania e të ashtuquajturit moderator neutron në uranium ndikon gjithashtu në rrjedhën e reaksionit. Fakti është se bërthamat e uranium-235 kanë më shumë gjasa të zbërthehen nën ndikimin e neutroneve të ngadalta. Dhe kur bërthamat ndahen, prodhohen neutrone të shpejta. Nëse neutronet e shpejta ngadalësohen, atëherë shumica e tyre do të kapen nga bërthamat e uraniumit-235 me ndarjen pasuese të këtyre bërthamave. Substanca të tilla si grafiti, uji, uji i rëndë (i cili përfshin deuteriumin, një izotop hidrogjeni me masën numër 2) dhe disa të tjerë përdoren si moderatorë. Këto substanca vetëm ngadalësojnë neutronet, pothuajse pa i thithur ato.

Kështu, mundësia e shfaqjes së një reaksioni zinxhir përcaktohet nga masa e uraniumit, sasia e papastërtive në të, prania e një guaskë dhe moderatori dhe disa faktorë të tjerë.

Masa kritike e një pjese sferike të uraniumit-235 është afërsisht 50 kg. Për më tepër, rrezja e tij është vetëm 9 cm, pasi uraniumi ka një densitet shumë të lartë.

Duke përdorur një moderator dhe një guaskë reflektuese dhe duke reduktuar sasinë e papastërtive, është e mundur të zvogëlohet masa kritike e uraniumit në 0.8 kg.

Pyetje

1. Pse mund të fillojë ndarja bërthamore vetëm kur deformohet nën ndikimin e një neutroni të përthithur prej tij?
2. Çfarë formohet si rezultat i ndarjes bërthamore?
3. Në çfarë energjie shndërrohet një pjesë e energjisë së brendshme të bërthamës gjatë ndarjes së saj? energjia kinetike e fragmenteve të bërthamës së uraniumit kur ato ngadalësohen në mjedis?
4. Si vazhdon reaksioni i ndarjes së bërthamave të uraniumit - me lëshimin e energjisë në mjedis ose, anasjelltas, me thithjen e energjisë?
5. Shpjegoni mekanizmin e një reaksioni zinxhir duke përdorur Figurën 163.
6. Cila është masa kritike e uraniumit?
7. A është e mundur të ndodhë një reaksion zinxhir nëse masa e uraniumit është më e vogël se masa kritike; më kritike? Pse?

Fision bërthamorështë një proces në të cilin 2 (ndonjëherë 3) bërthama fragmentesh formohen nga një bërthamë atomike, të cilat janë të ngjashme në masë.

Ky proces është i dobishëm për të gjithë β -bërthamat e qëndrueshme me numër masiv A > 100.

Zbërthimi bërthamor i uraniumit u zbulua në vitin 1939 nga Hahn dhe Strassman, të cilët vërtetuan pa mëdyshje se kur neutronet bombardojnë bërthamat e uraniumit U Bërthamat radioaktive formohen me masa dhe ngarkesa afërsisht 2 herë më pak se masa dhe ngarkesa e bërthamës së uraniumit. Në të njëjtin vit, L. Meitner dhe O. Frischer prezantuan termin " ndarje bërthamore"dhe u vu re se ky proces çliron energji të madhe, dhe F. Joliot-Curie dhe E. Fermi zbuluan njëkohësisht se disa neutrone emetohen gjatë ndarjes. (neutronet e ndarjes). Kjo u bë baza për paraqitjen e idesë reaksion zinxhir i ndarjes i vetëqëndrueshëm dhe përdorimin e ndarjes bërthamore si burim energjie. Baza e energjisë moderne bërthamore është ndarja bërthamore 235 U Dhe 239 Pu nën ndikimin e neutroneve.

Fisioni bërthamor mund të ndodhë për shkak të faktit se masa e pushimit të bërthamës së rëndë është më e madhe se shuma e masave të mbetura të fragmenteve që lindin gjatë procesit të ndarjes.

Grafiku tregon se ky proces rezulton të jetë i dobishëm nga pikëpamja e energjisë.

Mekanizmi i ndarjes bërthamore mund të shpjegohet në bazë të modelit të pikave, sipas të cilit një tufë nukleonesh i ngjan një pikëze të një lëngu të ngarkuar. Bërthama ruhet nga kalbja nga forcat tërheqëse bërthamore, më të mëdha se forcat e zmbrapsjes së Kulombit që veprojnë midis protoneve dhe tentojnë të copëtojnë bërthamën.

Bërthamë 235 U ka formën e një topi. Pasi thith një neutron, ai ngacmohet dhe deformohet, duke marrë një formë të zgjatur (në figurë b), dhe shtrihet derisa forcat refuzuese midis gjysmave të bërthamës së zgjatur bëhen më të mëdha se forcat tërheqëse që veprojnë në isthmus (në figurë V). Pas kësaj, bërthama ndahet në dy pjesë (në figurë G). Fragmentet, nën ndikimin e forcave refuzuese të Kulombit, fluturojnë larg me një shpejtësi të barabartë me 1/30 e shpejtësisë së dritës.

Emetimi i neutroneve gjatë ndarjes, për të cilën folëm më lart, shpjegohet me faktin se numri relativ i neutroneve (në raport me numrin e protoneve) në bërthamë rritet me rritjen e numrit atomik, dhe për fragmentet e formuara gjatë ndarjes, numri i neutroneve bëhet më i madh se është e mundur për bërthamat e atomeve me numër më të vogël.

Ndarja shpesh ndodh në fragmente me masë të pabarabartë. Këto fragmente janë radioaktive. Pas serialit β -Zbërthehet në fund të fundit prodhon jone të qëndrueshme.

Përveç i detyruar, Ndodh ndarje spontane e bërthamave të uraniumit, e cila u zbulua në vitin 1940 nga fizikanët sovjetikë G.N. Gjysma e jetës për ndarje spontane korrespondon me 10 16 vjet, që është 2 milionë herë më e madhe se gjysma e jetës për α -prishja e uraniumit.

Sinteza e bërthamave ndodh në reaksionet termonukleare. Reaksionet termonukleareështë një reaksion i bashkimit të bërthamave të lehta në temperatura shumë të larta. Energjia që lirohet gjatë shkrirjes (sintezës) do të jetë maksimale gjatë sintezës së elementeve të lehta që kanë energjinë më të ulët të lidhjes. Kur dy bërthama të lehta, të tilla si deuterium dhe tritium, kombinohen, formohet një bërthamë më e rëndë e heliumit me energji më të lartë lidhëse:

Me këtë proces të shkrirjes bërthamore, çlirohet energji e konsiderueshme (17.6 MeV), e barabartë me diferencën në energjitë lidhëse të një bërthame të rëndë dhe dy bërthamave të lehta. . Neutroni i prodhuar gjatë reaksioneve merr 70% të kësaj energjie. Një krahasim i energjisë për nukleon në reaksionet e ndarjes bërthamore (0,9 MeV) dhe shkrirjes (17,6 MeV) tregon se reaksioni i shkrirjes së bërthamave të lehta është energjikisht më i favorshëm se reaksioni i ndarjes së bërthamave të rënda.

Shkrirja e bërthamave ndodh nën ndikimin e forcave të tërheqjes bërthamore, kështu që ato duhet të afrohen në distanca më të vogla se 10 -14 në të cilat veprojnë forcat bërthamore. Kjo qasje parandalohet nga zmbrapsja e Kulombit të bërthamave të ngarkuara pozitivisht. Mund të kapërcehet vetëm për shkak të energjisë së lartë kinetike të bërthamave, e cila tejkalon energjinë e zmbrapsjes së tyre të Kulombit. Nga llogaritjet përkatëse është e qartë se energjia kinetike e bërthamave, e cila nevojitet për reaksionin e shkrirjes, mund të arrihet në temperatura të rendit të qindra miliona gradëve, prandaj këto reaksione quhen termonukleare.

Shkrirja termonukleare- një reaksion në të cilin, në temperatura të larta mbi 10 7 K, bërthama më të rënda sintetizohen nga bërthamat e lehta.

Shkrirja termonukleare është burimi i energjisë për të gjithë yjet, përfshirë Diellin.

Procesi kryesor me të cilin lirohet energjia termonukleare në yje është shndërrimi i hidrogjenit në helium. Për shkak të defektit në masë në këtë reaksion, masa e Diellit zvogëlohet me 4 milionë tonë çdo sekondë.

Energjia e madhe kinetike që nevojitet për shkrirjen termonukleare merret nga bërthamat e hidrogjenit si rezultat i tërheqjes së fortë gravitacionale në qendrën e yllit. Pas kësaj, shkrirja e bërthamave të heliumit prodhon elementë më të rëndë.

Reaksionet termonukleare luajnë një nga rolet kryesore në evolucionin e përbërjes kimike të materies në Univers. Të gjitha këto reaksione ndodhin me çlirimin e energjisë, e cila emetohet nga yjet në formën e dritës gjatë miliarda viteve.

Zbatimi i shkrirjes termonukleare të kontrolluar do t'i siguronte njerëzimit një burim të ri, praktikisht të pashtershëm energjie. Si deuteriumi ashtu edhe tritiumi i nevojshëm për zbatimin e tij janë mjaft të arritshëm. E para përmbahet në ujin e deteve dhe oqeaneve (në sasi të mjaftueshme për t'u përdorur për një milion vjet), e dyta mund të merret në një reaktor bërthamor duke rrezatuar litium të lëngshëm (rezervat e të cilit janë të mëdha) me neutrone:

Një nga avantazhet më të rëndësishme të shkrirjes termonukleare të kontrolluar është mungesa e mbetjeve radioaktive gjatë zbatimit të tij (ndryshe nga reaksionet e ndarjes së bërthamave të rënda të uraniumit).

Pengesa kryesore për zbatimin e shkrirjes termonukleare të kontrolluar është pamundësia e kufizimit të plazmës me temperaturë të lartë duke përdorur fusha të forta magnetike për 0,1-1. Megjithatë, ekziston besimi se herët a vonë do të krijohen reaktorë termonuklear.

Deri më tani ka qenë e mundur vetëm të prodhohet reagim i pakontrolluar sinteza e llojit shpërthyes në një bombë hidrogjeni.

Klasa

Mësimi nr.42-43

Reaksioni zinxhir i ndarjes së bërthamave të uraniumit. Energjia bërthamore dhe ekologjia. Radioaktiviteti. Gjysem jete.

Reaksionet bërthamore

Një reaksion bërthamor është procesi i bashkëveprimit të një bërthame atomike me një bërthamë ose grimcë tjetër elementare, i shoqëruar nga një ndryshim në përbërjen dhe strukturën e bërthamës dhe lëshimin e grimcave dytësore ose γ-kuante.

Si rezultat i reaksioneve bërthamore, mund të formohen izotopë të rinj radioaktivë që nuk gjenden në Tokë në kushte natyrore.

Reaksioni i parë bërthamor u krye nga E. Rutherford në 1919 në eksperimentet për zbulimin e protoneve në produktet e kalbjes bërthamore (shih § 9.5). Rutherford bombardoi atomet e azotit me grimca alfa. Kur grimcat u përplasën, ndodhi një reaksion bërthamor, duke vazhduar sipas skemës së mëposhtme:

Gjatë reaksioneve bërthamore disa ligjet e ruajtjes: impulsi, energjia, momenti këndor, ngarkesa. Përveç këtyre ligjeve klasike të ruajtjes në reaksionet bërthamore, ligji i ruajtjes i të ashtuquajturit ngarkesa e barionit(d.m.th., numri i nukleoneve - protoneve dhe neutroneve). Një sërë ligjesh të tjera të ruajtjes specifike për fizikën bërthamore dhe të grimcave gjithashtu vlejnë.

Reaksionet bërthamore mund të ndodhin kur atomet bombardohen me grimca të ngarkuara shpejt (protone, neutrone, grimca α, jone). Reagimi i parë i këtij lloji u krye duke përdorur protone me energji të lartë të prodhuar në një përshpejtues në 1932:

ku M A dhe M B janë masat e produkteve fillestare, M C dhe M D janë masat e produkteve përfundimtare të reaksionit. Sasia ΔM quhet defekt masiv. Reaksionet bërthamore mund të ndodhin me çlirimin (Q > 0) ose me thithjen e energjisë (Q< 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Në mënyrë që një reaksion bërthamor të ketë një prodhim pozitiv të energjisë, energji specifike lidhëse nukleonet në bërthamat e produkteve fillestare duhet të jenë më të vogla se energjia specifike lidhëse e nukleoneve në bërthamat e produkteve përfundimtare. Kjo do të thotë që vlera ΔM duhet të jetë pozitive.

Ekzistojnë dy mënyra thelbësisht të ndryshme për çlirimin e energjisë bërthamore.

1. Fizioni i bërthamave të rënda. Ndryshe nga zbërthimi radioaktiv i bërthamave, i cili shoqërohet me emetimin e grimcave α- ose β, reaksionet e ndarjes janë një proces në të cilin një bërthamë e paqëndrueshme ndahet në dy fragmente të mëdha me masa të krahasueshme.

Në vitin 1939, shkencëtarët gjermanë O. Hahn dhe F. Strassmann zbuluan ndarjen e bërthamave të uraniumit. Duke vazhduar kërkimin e filluar nga Fermi, ata vërtetuan se kur uraniumi bombardohet me neutrone, lindin elementë të pjesës së mesme të tabelës periodike - izotopet radioaktive të bariumit (Z = 56), kripton (Z = 36), etj.

Uraniumi gjendet në natyrë në formën e dy izotopeve: (99.3%) dhe (0.7%). Kur bombardohen nga neutronet, bërthamat e të dy izotopeve mund të ndahen në dy fragmente. Në këtë rast, reaksioni i ndarjes ndodh më intensivisht me neutronet e ngadalta (termike), ndërsa bërthamat hyjnë në një reaksion të ndarjes vetëm me neutrone të shpejta me energji të rendit 1 MeV.

Interesi kryesor për energjinë bërthamore është reaksioni i ndarjes së një bërthame Aktualisht, janë të njohura rreth 100 izotopë të ndryshëm me numra masiv nga afërsisht 90 deri në 145, që rezultojnë nga ndarja e kësaj bërthame. Dy reaksione tipike të ndarjes së kësaj bërthame janë:

Vini re se ndarja bërthamore e nisur nga një neutron prodhon neutrone të reja që mund të shkaktojnë reaksione të ndarjes në bërthama të tjera. Produktet e zbërthimit të bërthamave të uraniumit-235 mund të jenë edhe izotopë të tjerë të bariumit, ksenonit, stronciumit, rubidiumit etj.

Energjia kinetike e çliruar gjatë ndarjes së një bërthame të uraniumit është e madhe - rreth 200 MeV. Një vlerësim i energjisë së çliruar gjatë ndarjes bërthamore mund të bëhet duke përdorur energji specifike lidhëse nukleonet në bërthamë. Energjia specifike e lidhjes së nukleoneve në bërthamat me numër masiv A ≈ 240 është rreth 7,6 MeV/nukleon, ndërsa në bërthamat me numër masiv A = 90–145 energjia specifike është afërsisht 8,5 MeV/nukleon. Rrjedhimisht, ndarja e një bërthame uraniumi çliron energji të rendit 0,9 MeV/nukleon, ose afërsisht 210 MeV për atom uraniumi. Me ndarjen e plotë të të gjitha bërthamave që përmban 1 g uranium, lirohet e njëjta energji si gjatë djegies së 3 tonëve qymyr ose 2,5 ton naftë.

Produktet e ndarjes së bërthamës së uraniumit janë të paqëndrueshme sepse përmbajnë një numër të konsiderueshëm të tepërt të neutroneve. Në të vërtetë, raporti N/Z për bërthamat më të rënda është i rendit 1.6 (Fig. 9.6.2), për bërthamat me numra masiv nga 90 në 145 ky raport është i rendit 1.3–1.4. Prandaj, bërthamat e fragmenteve i nënshtrohen një sërë prishjeve të njëpasnjëshme β--, si rezultat i të cilave rritet numri i protoneve në bërthamë dhe numri i neutroneve zvogëlohet derisa të formohet një bërthamë e qëndrueshme.

Kur një bërthamë e uranium-235 shpërthen, e cila shkaktohet nga një përplasje me një neutron, lirohen 2 ose 3 neutrone. Në kushte të favorshme, këto neutrone mund të godasin bërthamat e tjera të uraniumit dhe të shkaktojnë ndarje të tyre. Në këtë fazë do të shfaqen nga 4 deri në 9 neutrone, të aftë për të shkaktuar prishje të reja të bërthamave të uraniumit, etj. Një proces i tillë si orteku quhet reaksion zinxhir. Skema e zhvillimit reaksion zinxhir ndarja e bërthamave të uraniumit është paraqitur në Fig. 9.8.1.

Figura 9.8.1. Diagrami i zhvillimit të një reaksioni zinxhir.

Që të ndodhë një reaksion zinxhir, është e nevojshme që të ashtuquajturat faktori i shumëzimit të neutronit ishte më i madh se një. Me fjalë të tjera, në çdo gjeneratë pasuese duhet të ketë më shumë neutrone sesa në atë të mëparshme. Koeficienti i shumëzimit përcaktohet jo vetëm nga numri i neutroneve të prodhuara në çdo akt elementar, por edhe nga kushtet në të cilat ndodh reaksioni - disa prej neutroneve mund të absorbohen nga bërthama të tjera ose të largohen nga zona e reagimit. Neutronet e çliruara gjatë ndarjes së bërthamave të uraniumit-235 janë në gjendje të shkaktojnë ndarjen e vetëm të bërthamave të të njëjtit uranium, i cili përbën vetëm 0.7% të uraniumit natyror. Ky përqendrim është i pamjaftueshëm për të filluar një reaksion zinxhir. Izotopi gjithashtu mund të thithë neutrone, por kjo nuk shkakton një reaksion zinxhir.

Një reaksion zinxhir në uranium me një përmbajtje të shtuar të uraniumit-235 mund të zhvillohet vetëm kur masa e uraniumit tejkalon të ashtuquajturën masë kritike. Në copa të vogla të uraniumit, shumica e neutroneve fluturojnë pa goditur asnjë bërthamë. Për uraniumin e pastër-235, masa kritike është rreth 50 kg. Masa kritike e uraniumit mund të reduktohet shumë herë duke përdorur të ashtuquajturat ngadalësuesit neutronet. Fakti është se neutronet e prodhuara gjatë kalbjes së bërthamave të uraniumit kanë shpejtësi shumë të larta, dhe probabiliteti i kapjes së neutroneve të ngadalta nga bërthamat e uraniumit-235 është qindra herë më i madh se ato të shpejta. Moderatori më i mirë i neutronit është ujë të rëndë D 2 O. Kur ndërvepron me neutronet, vetë uji i zakonshëm shndërrohet në ujë të rëndë.

Grafiti, bërthamat e të cilit nuk thithin neutrone, është gjithashtu një moderator i mirë. Gjatë ndërveprimit elastik me bërthamat e deuteriumit ose karbonit, neutronet ngadalësohen në shpejtësi termike.

Përdorimi i moderatorëve të neutronit dhe një guaskë të veçantë beriliumi, e cila pasqyron neutronet, bën të mundur uljen e masës kritike në 250 g.

Në bombat atomike, një reaksion zinxhir i pakontrolluar bërthamor ndodh kur dy pjesë të uraniumit-235, secila prej të cilave ka një masë pak më poshtë kritike, bashkohen shpejt.

Një pajisje që mbështet një reaksion të kontrolluar të ndarjes bërthamore quhet bërthamore(ose atomike) reaktor. Diagrami i një reaktori bërthamor që përdor neutrone të ngadalta është paraqitur në Fig. 9.8.2.

Figura 9.8.2. Diagrami i një reaktori bërthamor.

Reaksioni bërthamor zhvillohet në bërthamën e reaktorit, e cila është e mbushur me një moderator dhe depërtohet nga shufra që përmbajnë një përzierje të pasuruar të izotopeve të uraniumit me një përmbajtje të lartë të uraniumit-235 (deri në 3%). Shufrat e kontrollit që përmbajnë kadmium ose bor futen në bërthamë, të cilat thithin intensivisht neutronet. Futja e shufrave në bërthamë ju lejon të kontrolloni shpejtësinë e reaksionit zinxhir.

Bërthama ftohet duke përdorur një ftohës të pompuar, i cili mund të jetë ujë ose një metal me një pikë shkrirjeje të ulët (për shembull, natriumi, i cili ka një pikë shkrirjeje prej 98 °C). Në një gjenerator avulli, ftohësi transferon energjinë termike në ujë, duke e kthyer atë në avull me presion të lartë. Avulli dërgohet në një turbinë të lidhur me një gjenerator elektrik. Nga turbina, avulli hyn në kondensator. Për të shmangur rrjedhjen e rrezatimit, qarqet e ftohësit I dhe gjeneratorit të avullit II funksionojnë në cikle të mbyllura.

Turbina e një termocentrali bërthamor është një motor termik që përcakton efikasitetin e përgjithshëm të centralit në përputhje me ligjin e dytë të termodinamikës. Termocentralet moderne nukleare kanë përafërsisht të njëjtin efikasitet. Prandaj, për të prodhuar 1000 MW energji elektrike, fuqia termike e reaktorit duhet të arrijë në 3000 MW. 2000 MW duhet të barten nga uji që ftoh kondensatorin. Kjo çon në mbinxehje lokale të rezervuarëve natyrorë dhe në shfaqjen e mëvonshme të problemeve mjedisore.

Megjithatë, problemi kryesor është të sigurohet siguria e plotë e rrezatimit të njerëzve që punojnë në termocentralet bërthamore dhe të parandalohen çlirimet aksidentale të substancave radioaktive që grumbullohen në sasi të mëdha në bërthamën e reaktorit. Gjatë zhvillimit të reaktorëve bërthamorë, shumë vëmendje i kushtohet këtij problemi. Sidoqoftë, pas aksidenteve në disa termocentrale bërthamore, veçanërisht në termocentralin bërthamor të Pensilvanisë (SHBA, 1979) dhe në termocentralin bërthamor të Çernobilit (1986), problemi i sigurisë së energjisë bërthamore u bë veçanërisht i mprehtë.

Së bashku me reaktorin bërthamor që funksionon në neutrone të ngadalta të përshkruara më sipër, reaktorët që veprojnë pa një moderator në neutronet e shpejtë janë me interes të madh praktik. Në reaktorë të tillë, karburanti bërthamor është një përzierje e pasuruar që përmban të paktën 15% të izotopit. Avantazhi i reaktorëve të shpejtë të neutronit është se gjatë funksionimit të tyre, bërthamat e uraniumit-238, duke thithur neutrone, shndërrohen në bërthama të plutoniumit përmes dy β-bërthamë të njëpasnjëshme. prishet, të cilat më pas mund të përdoren si lëndë djegëse bërthamore:

Faktori i riprodhimit të reaktorëve të tillë arrin 1.5, domethënë për 1 kg uranium-235 fitohet deri në 1.5 kg plutonium. Reaktorët konvencionalë prodhojnë gjithashtu plutonium, por në sasi shumë më të vogla.

Reaktori i parë bërthamor u ndërtua në vitin 1942 në SHBA nën udhëheqjen e E. Fermi. Në vendin tonë, reaktori i parë u ndërtua në 1946 nën udhëheqjen e I.V.

2. Reaksionet termonukleare. Mënyra e dytë për të çliruar energjinë bërthamore lidhet me reaksionet e shkrirjes. Kur bërthamat e lehta bashkohen dhe formojnë një bërthamë të re, një sasi e madhe energjie duhet të lirohet. Kjo mund të shihet nga kurba e energjisë specifike lidhëse kundrejt masës numri A (Fig. 9.6.1). Deri në bërthamat me një numër masiv prej rreth 60, energjia specifike lidhëse e nukleoneve rritet me rritjen e A. Prandaj, sinteza e çdo bërthame me A< 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Reaksionet e shkrirjes së bërthamave të lehta quhen reaksionet termonukleare, pasi ato mund të ndodhin vetëm në temperatura shumë të larta. Në mënyrë që dy bërthama të hyjnë në një reaksion shkrirjeje, ato duhet t'i afrohen njëra-tjetrës në një distancë të forcave bërthamore të rendit 2·10-15 m, duke kapërcyer zmbrapsjen elektrike të ngarkesave të tyre pozitive. Për këtë, energjia mesatare kinetike e lëvizjes termike të molekulave duhet të tejkalojë energjinë potenciale të bashkëveprimit të Kulombit. Llogaritja e temperaturës T të kërkuar për këtë çon në një vlerë të rendit 10 8 –10 9 K. Kjo është një temperaturë jashtëzakonisht e lartë. Në këtë temperaturë, substanca është në gjendje plotësisht të jonizuar, e cila quhet plazma.

Energjia e çliruar gjatë reaksioneve termonukleare për nukleon është disa herë më e lartë se energjia specifike e çliruar në reaksionet zinxhir të ndarjes bërthamore. Për shembull, në reaksionin e shkrirjes së bërthamave të deuteriumit dhe tritiumit

Lirohet 3.5 MeV/nukleon. Në përgjithësi, ky reagim çliron 17.6 MeV. Ky është një nga reaksionet termonukleare më premtuese.

Zbatimi reaksionet termonukleare të kontrolluara do t'i japë njerëzimit një burim të ri energjie miqësore me mjedisin dhe praktikisht të pashtershëm. Megjithatë, arritja e temperaturave ultra të larta dhe kufizimi i plazmës së ngrohur në një miliard gradë përfaqëson detyrën më të vështirë shkencore dhe teknike në rrugën drejt zbatimit të shkrirjes termonukleare të kontrolluar.

Në këtë fazë të zhvillimit të shkencës dhe teknologjisë, ishte e mundur të zbatohej vetëm reaksioni i shkrirjes së pakontrolluar në një bombë hidrogjeni. Temperatura e lartë e kërkuar për shkrirjen bërthamore arrihet këtu nga shpërthimi i një bombe konvencionale me uranium ose plutonium.

Reaksionet termonukleare luajnë një rol jashtëzakonisht të rëndësishëm në evolucionin e Universit. Energjia e rrezatimit të Diellit dhe yjeve është me origjinë termonukleare.

Radioaktiviteti

Pothuajse 90% e 2500 bërthamave atomike të njohura janë të paqëndrueshme. Një bërthamë e paqëndrueshme shndërrohet në mënyrë spontane në bërthama të tjera, duke lëshuar grimca. Kjo veti e bërthamave quhet radioaktiviteti. Në bërthamat e mëdha, paqëndrueshmëria lind për shkak të konkurrencës midis tërheqjes së nukleoneve nga forcat bërthamore dhe zmbrapsjes së Kulonit të protoneve. Nuk ka bërthama të qëndrueshme me një numër ngarkese Z > 83 dhe një numër masiv A > 209. Por bërthamat atomike me vlera dukshëm më të ulëta të numrave Z dhe A mund të jenë gjithashtu radioaktive nëse bërthama përmban dukshëm më shumë protone se neutrone. atëherë paqëndrueshmëria shkaktohet nga një tepricë e energjisë së ndërveprimit të Kulonit. Bërthamat që do të përmbajnë një tepricë të madhe të neutroneve mbi numrin e protoneve rezultojnë të jenë të paqëndrueshme për faktin se masa e neutronit tejkalon masën e protonit. Një rritje në masën e bërthamës çon në një rritje të energjisë së saj.

Fenomeni i radioaktivitetit u zbulua në vitin 1896 nga fizikani francez A. Becquerel, i cili zbuloi se kripërat e uraniumit lëshojnë rrezatim të panjohur që mund të depërtojë në pengesat e errëta ndaj dritës dhe të shkaktojë nxirje të emulsionit fotografik. Dy vjet më vonë, fizikanët francezë M. dhe P. Curie zbuluan radioaktivitetin e toriumit dhe zbuluan dy elementë të rinj radioaktivë - polonium dhe radium.

Në vitet pasuese, shumë fizikanë, duke përfshirë E. Rutherford dhe studentët e tij, studiuan natyrën e rrezatimit radioaktiv. U zbulua se bërthamat radioaktive mund të lëshojnë grimca të tre llojeve: të ngarkuara pozitivisht dhe negativisht dhe neutrale. Këto tre lloje rrezatimi quheshin rrezatim α-, β- dhe γ. Në Fig. Figura 9.7.1 tregon një diagram të një eksperimenti që bën të mundur zbulimin e përbërjes komplekse të rrezatimit radioaktiv. Në një fushë magnetike, rrezet α- dhe β devijohen në drejtime të kundërta, dhe rrezet β devijohen shumë më tepër. Rrezet γ në një fushë magnetike nuk devijohen fare.

Këto tre lloje të rrezatimit radioaktiv ndryshojnë shumë nga njëri-tjetri në aftësinë e tyre për të jonizuar atomet e materies dhe, për rrjedhojë, në aftësinë e tyre depërtuese. Rrezatimi α ka më pak aftësi depërtuese. Në ajër në kushte normale, rrezet α përshkojnë një distancë prej disa centimetrash. Rrezet β absorbohen shumë më pak nga materia. Ata janë në gjendje të kalojnë nëpër një shtresë alumini disa milimetra të trashë. Rrezet γ kanë aftësinë më të madhe depërtuese, të afta të kalojnë nëpër një shtresë plumbi 5–10 cm të trashë.

Në dekadën e dytë të shekullit të 20-të, pas zbulimit të strukturës bërthamore të atomeve nga E. Rutherford, u vërtetua me vendosmëri se radioaktiviteti është veti e bërthamave atomike. Hulumtimet kanë treguar se rrezet α përfaqësojnë një rrymë grimcash α - bërthamat e heliumit, rrezet β janë një rrymë elektronesh, rrezet γ janë rrezatim elektromagnetik me valë të shkurtër me një gjatësi vale jashtëzakonisht të shkurtër λ.< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

Kalbja alfa. Kalbja alfa është shndërrimi spontan i një bërthame atomike me numrin e protoneve Z dhe neutroneve N në një bërthamë tjetër (bijë) që përmban numrin e protoneve Z – 2 dhe neutroneve N – 2. Në këtë rast, një grimcë α emetohet - bërthama e një atomi heliumi. Një shembull i një procesi të tillë është α-prishja e radiumit:

Grimcat alfa të emetuara nga bërthamat e atomeve të radiumit u përdorën nga Rutherford në eksperimentet mbi shpërndarjen nga bërthamat e elementeve të rënda. Shpejtësia e grimcave α të emetuara gjatë kalbjes α të bërthamave të radiumit, e matur nga lakimi i trajektores në një fushë magnetike, është afërsisht 1,5 10 7 m/s, dhe energjia kinetike korresponduese është rreth 7,5 10 -13 J ( afërsisht 4. 8 MeV). Kjo vlerë mund të përcaktohet lehtësisht nga vlerat e njohura të masave të bërthamave të nënës dhe vajzës dhe bërthamës së heliumit. Megjithëse shpejtësia e grimcës α që shpëton është e madhe, ajo është ende vetëm 5% e shpejtësisë së dritës, kështu që kur llogaritni, mund të përdorni një shprehje jo-relativiste për energjinë kinetike.

Hulumtimet kanë treguar se një substancë radioaktive mund të lëshojë grimca alfa me disa energji diskrete. Kjo shpjegohet me faktin se bërthamat mund të jenë, si atomet, në gjendje të ndryshme të ngacmuara. Bërthama bijë mund të përfundojë në një nga këto gjendje të ngacmuara gjatë kalbjes α. Gjatë kalimit të mëvonshëm të kësaj bërthame në gjendjen bazë, lëshohet një γ-kuant. Në Fig. 9.7.2.

Kështu, α-prishja e bërthamave shoqërohet në shumë raste nga rrezatimi γ.

Në teorinë e kalbjes α, supozohet se grupet që përbëhen nga dy protone dhe dy neutrone, domethënë një grimcë α, mund të formohen brenda bërthamave. Bërthama mëmë është për grimcat α vrima e mundshme, e cila është e kufizuar pengesë potenciale. Energjia e grimcës α në bërthamë nuk është e mjaftueshme për të kapërcyer këtë pengesë (Fig. 9.7.3). Largimi i një grimce alfa nga bërthama është i mundur vetëm për shkak të një dukurie mekanike kuantike të quajtur efekt tuneli. Sipas mekanikës kuantike, ekziston një probabilitet jo zero që një grimcë të kalojë nën një pengesë potenciale. Fenomeni i tunelimit është i natyrës probabiliste.

Prishja beta. Gjatë zbërthimit beta, një elektron nxirret nga bërthama. Elektronet nuk mund të ekzistojnë brenda bërthamave (shih § 9.5 ato lindin gjatë zbërthimit beta si rezultat i transformimit të një neutroni në një proton); Ky proces mund të ndodhë jo vetëm brenda bërthamës, por edhe me neutronet e lira. Jetëgjatësia mesatare e një neutroni të lirë është rreth 15 minuta. Gjatë zbërthimit, një neutron shndërrohet në një proton dhe një elektron

Matjet kanë treguar se në këtë proces ka një shkelje të dukshme të ligjit të ruajtjes së energjisë, pasi energjia totale e protonit dhe elektronit që rezulton nga prishja e një neutroni është më e vogël se energjia e neutronit. Në vitin 1931, W. Pauli sugjeroi që gjatë zbërthimit të një neutroni, një grimcë tjetër me masë dhe ngarkesë zero lirohet, e cila merr një pjesë të energjisë. Grimca e re quhet neutrino(neutron i vogël). Për shkak të mungesës së ngarkesës dhe masës së një neutrine, kjo grimcë ndërvepron shumë dobët me atomet e materies, kështu që është jashtëzakonisht e vështirë të zbulohet në eksperiment. Aftësia jonizuese e neutrinos është aq e vogël sa që një ngjarje jonizuese në ajër ndodh afërsisht 500 km larg rrugës. Kjo grimcë u zbulua vetëm në vitin 1953. Tashmë dihet se ekzistojnë disa lloje neutrinos. Gjatë zbërthimit të një neutroni, prodhohet një grimcë, e cila quhet antineutrino elektronike. Ai shënohet me simbolin Prandaj, reaksioni i zbërthimit të neutronit shkruhet si

Një proces i ngjashëm ndodh brenda bërthamave gjatë kalbjes β. Një elektron i formuar si rezultat i prishjes së një prej neutroneve bërthamore nxirret menjëherë nga "shtëpia prindërore" (bërthama) me shpejtësi të madhe, e cila mund të ndryshojë nga shpejtësia e dritës vetëm me një fraksion të përqindjes. Meqenëse shpërndarja e energjisë së çliruar gjatë zbërthimit β midis elektronit, neutrinës dhe bërthamës së bijës është e rastësishme, β-elektronet mund të kenë shpejtësi të ndryshme në një gamë të gjerë.

Gjatë β-zbërthimit, numri i ngarkesës Z rritet me një, por numri masiv A mbetet i pandryshuar. Bërthama bijë rezulton të jetë bërthama e njërit prej izotopeve të elementit, numri serial i të cilit në tabelën periodike është një më i lartë se numri serial i bërthamës origjinale. Një shembull tipik i kalbjes β është transformimi i izotonit të toriumit që rezulton nga kalbja α e uraniumit në paladium.

Kalbja e gamës. Ndryshe nga radioaktiviteti α- dhe β, radioaktiviteti γ i bërthamave nuk shoqërohet me një ndryshim në strukturën e brendshme të bërthamës dhe nuk shoqërohet me një ndryshim në numrin e ngarkesës ose masës. Si gjatë kalbjes α- dhe β, bërthama e bijës mund të gjendet në një gjendje të ngacmuar dhe të ketë një tepricë të energjisë. Kalimi i një bërthame nga një gjendje e ngacmuar në një gjendje bazë shoqërohet me emetimin e një ose më shumë kuanteve γ, energjia e të cilave mund të arrijë disa MeV.

Ligji i zbërthimit radioaktiv. Çdo mostër e një lënde radioaktive përmban një numër të madh atomesh radioaktive. Meqenëse zbërthimi radioaktiv është i rastësishëm në natyrë dhe nuk varet nga kushtet e jashtme, ligji i uljes së numrit N(t) të bërthamave që nuk janë zbërthyer në një kohë të caktuar t mund të shërbejë si një karakteristikë e rëndësishme statistikore e procesit të zbërthimit radioaktiv.

Lëreni që numri i bërthamave të pazbërthyera N(t) të ndryshojë me ΔN gjatë një periudhe të shkurtër kohore Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

Koeficienti i proporcionalitetit λ është probabiliteti i zbërthimit bërthamor në kohën Δt = 1 s. Kjo formulë do të thotë se shpejtësia e ndryshimit të funksionit N(t) është drejtpërdrejt proporcionale me vetë funksionin.

ku N 0 është numri fillestar i bërthamave radioaktive në t = 0. Gjatë kohës τ = 1 / λ, numri i bërthamave të pazbërthyera do të ulet me e ≈ 2,7 herë. Sasia τ quhet kohëzgjatja mesatare e jetës bërthama radioaktive.

Për përdorim praktik, është e përshtatshme të shkruhet ligji i zbërthimit radioaktiv në një formë tjetër, duke përdorur numrin 2 në vend të e si bazë:

Sasia T quhet gjysem jete. Gjatë kohës T, gjysma e numrit fillestar të bërthamave radioaktive kalbet. Madhësitë T dhe τ lidhen me relacionin

Gjysma e jetës është sasia kryesore që karakterizon shkallën e zbërthimit radioaktiv. Sa më e shkurtër të jetë gjysma e jetës, aq më intensiv është prishja. Kështu, për uraniumin T ≈ 4.5 miliardë vjet, dhe për radiumin T ≈ 1600 vjet. Prandaj, aktiviteti i radiumit është shumë më i lartë se ai i uraniumit. Ka elementë radioaktivë me gjysmë jetëgjatësi prej një fraksioni të sekondës.

Nuk gjendet në kushte natyrore dhe përfundon në bismut. Kjo seri zbërthimesh radioaktive ndodh në reaktorët bërthamorë.

Një aplikim interesant i radioaktivitetit është metoda e datimit të gjetjeve arkeologjike dhe gjeologjike nga përqendrimi i izotopeve radioaktive. Metoda më e përdorur e takimit është takimi me radiokarbon. Një izotop i paqëndrueshëm i karbonit shfaqet në atmosferë për shkak të reaksioneve bërthamore të shkaktuara nga rrezet kozmike. Një përqindje e vogël e këtij izotopi gjendet në ajër së bashku me izotopin e rregullt të qëndrueshëm Bimët dhe organizmat e tjerë marrin karbonin nga ajri dhe grumbullojnë të dy izotopet në të njëjtat përmasa si në ajër. Pasi bimët vdesin, ato ndalojnë konsumimin e karbonit dhe izotopi i paqëndrueshëm shndërrohet gradualisht në azot si rezultat i β-kalbjes me një gjysmë jetëgjatësi prej 5730 vjetësh. Duke matur me saktësi përqendrimin relativ të karbonit radioaktiv në mbetjet e organizmave të lashtë, mund të përcaktohet koha e vdekjes së tyre.

Rrezatimi radioaktiv i të gjitha llojeve (alfa, beta, gama, neutronet), si dhe rrezatimi elektromagnetik (rrezet X) kanë një efekt biologjik shumë të fortë në organizmat e gjallë, i cili konsiston në proceset e ngacmimit dhe jonizimit të atomeve dhe molekulave që bëjnë lart qelizat e gjalla. Nën ndikimin e rrezatimit jonizues, shkatërrohen molekulat komplekse dhe strukturat qelizore, gjë që çon në dëmtimin e trupit nga rrezatimi. Prandaj, kur punoni me çdo burim rrezatimi, është e nevojshme të merren të gjitha masat për të mbrojtur njerëzit që mund të ekspozohen ndaj rrezatimit.

Megjithatë, një person mund të ekspozohet ndaj rrezatimit jonizues në shtëpi. Radoni inert, pa ngjyrë, radioaktiv mund të përbëjë një rrezik serioz për shëndetin e njeriut, siç mund të shihet nga diagrami i paraqitur në Fig. 9.7.5, radoni është produkt i α-zbërthimit të radiumit dhe ka një gjysmë jete T = 3.82 ditë. Radiumi gjendet në sasi të vogla në tokë, gurë dhe struktura të ndryshme ndërtimi. Megjithë jetëgjatësinë relativisht të shkurtër, përqendrimi i radonit plotësohet vazhdimisht për shkak të prishjeve të reja të bërthamave të radiumit, kështu që radoni mund të grumbullohet në hapësira të mbyllura. Pasi në mushkëri, radoni lëshon grimca α dhe kthehet në polonium, i cili nuk është një substancë kimikisht inerte. Ajo që vijon është një zinxhir transformimesh radioaktive të serisë së uraniumit (Fig. 9.7.5). Sipas Komisionit Amerikan të Sigurisë dhe Kontrollit të Rrezatimit, një person mesatar merr 55% të rrezatimit jonizues nga radoni dhe vetëm 11% nga kujdesi mjekësor. Kontributi i rrezeve kozmike është afërsisht 8%. Doza totale e rrezatimit që një person merr gjatë jetës së tij është shumë herë më e vogël doza maksimale e lejuar(SDA), e cila është krijuar për njerëzit në profesione të caktuara që janë subjekt i ekspozimit shtesë ndaj rrezatimit jonizues.

Artikulli i mëparshëm: Sa është shpejtësia e dritës Artikulli vijues: Karakteristikat e elementit të karbonit dhe vetitë kimike