परमाणु विखंडन: परमाणु नाभिक को विभाजित करने की प्रक्रिया। परमाणु प्रतिक्रियाएं
लेख परमाणु विखंडन के बारे में बताता है, इस प्रक्रिया को कैसे खोजा और वर्णित किया गया। यह ऊर्जा और परमाणु हथियारों के स्रोत के रूप में इसका उपयोग प्रकट करता है।
"अविभाज्य" परमाणु
इक्कीसवीं शताब्दी ऐसी अभिव्यक्तियों से भरी है,"परमाणु की ऊर्जा," "परमाणु प्रौद्योगिकी," "रेडियोधर्मी अपशिष्ट" के रूप में। प्रत्येक बार और फिर समाचार पत्र की मुख्य समाचार मिट्टी, महासागरों, अंटार्कटिक के बर्फ के रेडियोधर्मी संदूषण की संभावना के बारे में संदेश दिखाती है। हालांकि, एक साधारण व्यक्ति अक्सर कल्पना नहीं करता कि विज्ञान का किस तरह का क्षेत्र और यह रोजमर्रा की जिंदगी में कैसे मदद करता है। इतिहास के साथ, शायद यह शुरू करने लायक है। एक अच्छी तरह से खिलाए और कपड़े पहने हुए व्यक्ति द्वारा पूछे जाने वाले पहले प्रश्न से, वह इस बात में रूचि रखता था कि दुनिया कैसे काम करती है। जैसा कि आंख देखता है, वह पत्थर से अलग पानी की तुलना में कान सुनता है - यही शुरुआत से संतों को चिंतित करता है। प्राचीन भारत और ग्रीस में वापस, कुछ जिज्ञासु दिमागों ने माना कि सामग्री के गुण रखने के लिए एक न्यूनतम कण (इसे "अविभाज्य" भी कहा जाता है) है। मध्ययुगीन रसायनविदों ने बुद्धिमानों के अनुमान की पुष्टि की है, और परमाणु की आधुनिक परिभाषा निम्नानुसार है: परमाणु एक पदार्थ का सबसे छोटा कण है जो इसकी गुणों का वाहक है।
परमाणु के हिस्सों
हालांकि, प्रौद्योगिकी के विकास (विशेष रूप से,फोटो) इस तथ्य का कारण बन गया कि परमाणु पदार्थ पदार्थ के सबसे छोटे संभावित कण माना जाता है। और यद्यपि एक परमाणु विद्युत् रूप से तटस्थ है, वैज्ञानिकों को जल्दी ही एहसास हुआ कि इसमें अलग-अलग शुल्कों के साथ दो भाग होते हैं। सकारात्मक चार्ज किए गए हिस्सों की संख्या नकारात्मक कणों की संख्या के लिए क्षतिपूर्ति करती है, इसलिए परमाणु तटस्थ रहता है। लेकिन परमाणु का कोई एकल मूल्यवान मॉडल नहीं था। चूंकि उस समय शास्त्रीय भौतिकी का प्रभुत्व था, विभिन्न मान्यताओं को व्यक्त किया गया था।
एटम के मॉडल
पहले, एक "किशमिश-रोल" मॉडल का प्रस्ताव था। सकारात्मक चार्ज परमाणु की पूरी जगह भरना प्रतीत होता था, और इसमें, एक रोटी में किशमिश की तरह, नकारात्मक शुल्क वितरित किए जाते थे। रदरफोर्ड के प्रसिद्ध अनुभव ने निम्नलिखित निर्धारित किया: परमाणु के केंद्र में एक सकारात्मक चार्ज (नाभिक) के साथ एक बहुत भारी तत्व है, और इसके आस-पास बहुत हल्के इलेक्ट्रॉन हैं। न्यूक्लियस का द्रव्यमान सभी इलेक्ट्रॉनों के योग से सैकड़ों गुना भारी होता है (यह पूरे परमाणु के द्रव्यमान का 99.9 प्रतिशत है)। इस प्रकार, बोहर परमाणु का ग्रह मॉडल पैदा हुआ था। हालांकि, इसके कुछ तत्वों ने उस समय स्वीकार किए गए शास्त्रीय भौतिकी का खंडन किया था। इसलिए, एक नया, क्वांटम यांत्रिकी विकसित किया गया था। इसकी उपस्थिति के साथ, विज्ञान की nonclassical अवधि शुरू हुई।
एटम और रेडियोधर्मिता
ऊपर बताए गए सभी से, यह स्पष्ट हो जाता है किनाभिक परमाणु का एक भारी, सकारात्मक चार्ज हिस्सा है, जो इसका मुख्य द्रव्यमान है। जब परमाणु की कक्षा में इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा और पदों का मात्रा अच्छी तरह से अध्ययन किया गया था, तो यह परमाणु नाभिक की प्रकृति को समझने का समय था। सहायता के लिए सरल और अप्रत्याशित रूप से खुली रेडियोधर्मिता आई। इससे परमाणु के भारी केंद्रीय भाग के सार को प्रकट करने में मदद मिली, क्योंकि रेडियोधर्मिता का स्रोत नाभिक का विखंडन है। उन्नीसवीं और बीसवीं सदी के अंत में, खोज एक दूसरे के बाद गिर गईं। एक समस्या के सैद्धांतिक समाधान ने नए प्रयोगों को रखने की आवश्यकता पैदा की। प्रयोगों के परिणामों ने सिद्धांतों और परिकल्पनाएं उत्पन्न की जिन्हें पुष्टि या अस्वीकार करने की आवश्यकता थी। अक्सर सबसे बड़ी खोजें दिखाई देती हैं क्योंकि यह इस तरह से था कि सूत्र गणना के लिए सुविधाजनक बन गया (उदाहरण के लिए, मैक्स प्लैंक क्वांटम)। युग की शुरुआत में भी, वैज्ञानिकों को पता था कि यूरेनियम नमक एक प्रकाश संवेदनशील फिल्म को प्रकाश देते हैं, लेकिन उन्हें संदेह नहीं था कि परमाणु विखंडन इस घटना के केंद्र में था। इसलिए, नाभिक के क्षय की प्रकृति को समझने के लिए रेडियोधर्मिता का अध्ययन किया गया था। जाहिर है, विकिरण क्वांटम संक्रमण द्वारा उत्पन्न किया गया था, लेकिन यह वास्तव में बिल्कुल स्पष्ट नहीं था। क्यूरी जोड़े ने साफ रेडियम और पोलोनियम का खनन किया, इस सवाल का जवाब पाने के लिए लगभग मैन्युअल रूप से यूरेनियम अयस्क को संसाधित किया।
रेडियोधर्मी विकिरण का प्रभार
रदरफोर्ड ने संरचना का अध्ययन करने के लिए बहुत कुछ कियापरमाणु और परमाणु के नाभिक के विखंडन के अध्ययन के लिए योगदान दिया। वैज्ञानिक ने एक चुंबकीय क्षेत्र में रेडियोधर्मी तत्व द्वारा उत्सर्जित विकिरण रखा और एक अद्भुत परिणाम प्राप्त किया। यह पता चला कि विकिरण में तीन घटक होते हैं: एक तटस्थ था, और अन्य दो - सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज किया गया था। परमाणु विखंडन का अध्ययन इसके घटकों के निर्धारण के साथ शुरू हुआ। यह साबित हुआ कि नाभिक विभाजित हो सकता है, इसके सकारात्मक चार्ज का हिस्सा छोड़ देता है।
नाभिक की संरचना
बाद में यह पता चला कि परमाणु नाभिक नहीं हैकेवल सकारात्मक चार्ज प्रोटॉन कणों से, बल्कि तटस्थ न्यूट्रॉन कणों से भी। सभी एक साथ उन्हें न्यूक्लियंस कहा जाता है (अंग्रेजी "नाभिक", नाभिक से)। हालांकि, वैज्ञानिकों को फिर से एक समस्या आई: नाभिक का द्रव्यमान (यानी, न्यूक्लियंस की संख्या) हमेशा अपने चार्ज के अनुरूप नहीं था। हाइड्रोजन में, नाभिक के पास +1 का प्रभार होता है, और द्रव्यमान तीन, और दो, और एक हो सकता है। अगले चार्ज के बाद हीलियम की आवर्त सारणी में न्यूक्लियस +2 का प्रभार होता है, जबकि इसके कोर में 4 से 6 न्यूक्लियंस होते हैं। अधिक जटिल तत्वों में एक ही चार्ज के साथ विभिन्न लोगों की एक बड़ी संख्या हो सकती है। परमाणुओं के इस तरह के बदलाव isotopes कहा जाता है। और कुछ आइसोटोप काफी स्थिर साबित हुए, जबकि अन्य जल्दी से विघटित हो गए, क्योंकि उनके लिए नाभिक का विखंडन विशेषता थी। नाभिक की स्थिरता के न्यूक्लियंस की संख्या किस सिद्धांत से मेल खाती है? एक भारी और पूरी तरह स्थिर स्थिर न्यूक्लियस के लिए केवल एक न्यूट्रॉन के अतिरिक्त क्यों रेडियोधर्मिता के लिए विभाजित किया गया था? आश्चर्यजनक रूप से पर्याप्त, इस महत्वपूर्ण प्रश्न का उत्तर अभी तक नहीं मिला है। यह प्रयोगात्मक रूप से पाया गया है कि परमाणु नाभिक की स्थिर विन्यास प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की कुछ मात्रा के अनुरूप है। यदि न्यूक्लियस में 2, 4, 8, 50 न्यूट्रॉन और / या प्रोटॉन हैं, तो न्यूक्लियस असंबद्ध रूप से स्थिर होगा। इन संख्याओं को जादुई भी कहा जाता है (और उन्हें वयस्क वैज्ञानिकों, परमाणु भौतिकविदों द्वारा नामित किया गया था)। इस प्रकार, नाभिक का विखंडन उनके द्रव्यमान पर निर्भर करता है, यानी उन में प्रवेश करने वाले न्यूक्लियंस की संख्या पर निर्भर करता है।
ड्रॉप, खोल, क्रिस्टल
इसके लिए ज़िम्मेदार कारक की पहचान करेंकोर की स्थिरता, इस समय यह संभव नहीं था। परमाणु की संरचना के मॉडल के कई सिद्धांत हैं। तीन सबसे मशहूर और विकसित लोग अक्सर अलग-अलग मुद्दों में एक-दूसरे से विरोधाभास करते हैं। पहले के अनुसार, नाभिक एक विशेष परमाणु तरल की बूंद है। पानी की तरह, यह तरलता, सतह तनाव, संलयन और क्षय द्वारा विशेषता है। कोर में शेल मॉडल में भी, कुछ ऊर्जा स्तर हैं जो न्यूक्लियंस से भरे हुए हैं। तीसरा राज्य कहता है कि कोर एक ऐसा माहौल है जो विशेष तरंगों (डी ब्रोगली तरंगों) को अपवर्तित करने में सक्षम है, जबकि अपवर्तक सूचकांक संभावित ऊर्जा है। हालांकि, अब तक कोई मॉडल पूरी तरह वर्णन नहीं कर पाया है कि, इस विशेष रासायनिक तत्व के एक निश्चित महत्वपूर्ण द्रव्यमान पर, नाभिक का विभाजन शुरू होता है।
टूटना क्या है
जैसा कि उपरोक्त वर्णित है, रेडियोधर्मिता थीयह उन पदार्थों में पाया जाता है जो प्रकृति में पाए जा सकते हैं: यूरेनियम, पोलोनियम, रेडियम। उदाहरण के लिए, ताजा खनन, शुद्ध यूरेनियम रेडियोधर्मी है। इस मामले में विभाजन प्रक्रिया सहज हो जाएगी। किसी भी बाहरी प्रभाव के बिना, यूरेनियम परमाणुओं की एक निश्चित संख्या अल्फा कणों को उत्सर्जित करेगी, जो स्वचालित रूप से थोरियम में परिवर्तित हो जाएंगी। आधा जीवन कहा जाता है एक संकेतक है। यह दिखाता है कि, किसी भाग की प्रारंभिक संख्या से किस समय अंतराल के लिए लगभग आधा होगा। प्रत्येक रेडियोधर्मी तत्व के लिए, इसका अर्ध-जीवन कैलिफ़ोर्निया के लिए एक दूसरे के अंश से यूरेनियम और सेसियम के लिए सैकड़ों वर्षों से है। लेकिन मजबूर रेडियोधर्मिता भी है। यदि परमाणु नाभिक को उच्च गतिशील ऊर्जा के साथ प्रोटॉन या अल्फा कण (हीलियम नाभिक) के साथ बमबारी कर दिया जाता है, तो वे "विभाजित" हो सकते हैं। परिवर्तन की तंत्र, निश्चित रूप से, प्यारी मां के फूलदान को तोड़ने से अलग है। हालांकि, एक निश्चित समानता का पता लगाया जाता है।
परमाणु की ऊर्जा
अब तक हमने व्यावहारिक प्रश्न का उत्तर नहीं दिया हैचरित्र: जहां से न्यूक्लियस का विखंडन ऊर्जा लेता है। एक शुरुआत के लिए यह स्पष्ट करने के लिए है कि के दौरान नाभिक के गठन विशेष परमाणु शक्ति हैं, मजबूत बातचीत बुलाया आवश्यक है। के बाद से कोर सकारात्मक प्रोटॉन की एक सेट होता है, सवाल है, बनी हुई है कि वे किस तरह एक साथ चिपके रहते हैं, क्योंकि इलेक्ट्रोस्टैटिक बलों काफी मजबूत उन्हें एक दूसरे से पीछे हटाने के लिए है। जवाब दोनों सरल है, और वहाँ है: कोर न्युक्लियोन विशेष कणों के बीच बहुत तेजी से आदान-प्रदान की कीमत पर रखा जाता है - pions। यह कनेक्शन अविश्वसनीय रूप से छोटा रहता है। जैसे ही प्याज का आदान-प्रदान बंद हो जाता है, नाभिक क्षय हो जाता है। बस के रूप में अच्छी तरह से यह ज्ञात है कि नाभिक की बड़े पैमाने पर उसके घटक न्युक्लियोन के सभी की राशि से कम है। इस घटना को द्रव्यमान दोष कहा जाता था। वास्तव में, गायब द्रव्यमान वह ऊर्जा है जो कोर की अखंडता को बनाए रखने पर खर्च की जाती है। जैसे ही परमाणु नाभिक का एक हिस्सा अलग हो जाता है, यह ऊर्जा जारी की जाती है और परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में गर्मी में परिवर्तित हो जाती है। यही कारण है, परमाणु विखंडन की ऊर्जा - आइंस्टीन के प्रसिद्ध सूत्र का एक स्पष्ट प्रदर्शन है। याद रखें, सूत्र कहता है: ऊर्जा और द्रव्यमान को एक दूसरे में परिवर्तित किया जा सकता है (ई = एमसी2)।
सिद्धांत और अभ्यास
अब चलो बात करें कि यह पूरी तरह से सैद्धांतिक हैबिजली के गीगावाट उत्पन्न करने के लिए जीवन में खोज का उपयोग किया जाता है। सबसे पहले, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि नियंत्रित प्रतिक्रियाओं में, मजबूर परमाणु विखंडन का उपयोग किया जाता है। अक्सर, यह यूरेनियम या पोलोनियम है, जो तेजी से न्यूट्रॉन द्वारा बमबारी होती है। दूसरा, कोई यह समझने में असफल नहीं हो सकता कि नाभिक के विखंडन के साथ नए न्यूट्रॉन का निर्माण होता है। नतीजतन, प्रतिक्रिया क्षेत्र में न्यूट्रॉन की संख्या बहुत तेजी से बढ़ सकती है। प्रत्येक न्यूट्रॉन नए, अभी भी पूरे नाभिक के साथ टकराता है, उन्हें विभाजित करता है, जिससे गर्मी की रिहाई में वृद्धि होती है। यह परमाणु विखंडन की श्रृंखला प्रतिक्रिया है। रिएक्टर में न्यूट्रॉन की संख्या में अनियंत्रित वृद्धि से विस्फोट हो सकता है। यह 1 9 86 में चेरनोबिल परमाणु ऊर्जा संयंत्र में हुआ था। इसलिए, प्रतिक्रिया क्षेत्र में, हमेशा एक पदार्थ होता है जो एक आपदा को रोकने, अतिरिक्त न्यूट्रॉन को अवशोषित करता है। यह लंबी छड़ के रूप में ग्रेफाइट है। प्रतिक्रिया क्षेत्र में छड़ को विसर्जित करके नाभिक की विखंडन दर को धीमा कर दिया जा सकता है। परमाणु प्रतिक्रिया का समीकरण विशेष रूप से प्रत्येक सक्रिय रेडियोधर्मी पदार्थ और इसके कणों को बमबारी करने के लिए संकलित किया जाता है (इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन, अल्फा कण)। हालांकि, अंतिम ऊर्जा उत्पादन की गणना संरक्षण कानून के अनुसार की जाती है: ई 1 + ई 2 = ई 3 + ई 4। यही है, प्रारंभिक नाभिक और कण (ई 1 + ई 2) की कुल ऊर्जा परिणामी नाभिक की ऊर्जा और जारी ऊर्जा (ई 3 + ई 4) के बराबर होनी चाहिए। परमाणु प्रतिक्रिया समीकरण यह भी दिखाता है कि क्षय के परिणामस्वरूप पदार्थ किस पदार्थ का उत्पादन होता है। उदाहरण के लिए, यूरेनियम यू = थ + हे, यू = पीबी + ने, यू = एचजी + मिलीग्राम के लिए। यह रासायनिक तत्वों के आइसोटोप नहीं दिखाया गया है, लेकिन यह महत्वपूर्ण है। उदाहरण के लिए, यूरेनियम के विखंडन के लिए तीन संभावनाएं हैं, जिनमें लीड और नियॉन के विभिन्न आइसोटोप बनते हैं। लगभग सौ प्रतिशत मामलों में, परमाणु विखंडन प्रतिक्रिया रेडियोधर्मी आइसोटोप उत्पन्न करती है। यही है, यूरेनियम का क्षय रेडियोधर्मी थोरियम पैदा करता है। थोरियम प्रोटैक्टिनियम से पहले भंग करने में सक्षम है, कि - actinia के लिए, और इसी तरह। इस श्रृंखला में रेडियोधर्मी दोनों बिस्मुथ और टाइटेनियम हो सकता है। यहां तक कि हाइड्रोजन, जिसमें न्यूक्लियस (एक प्रोटॉन की दर से) में दो प्रोटॉन होते हैं, को अलग-अलग कहा जाता है - ड्यूटेरियम। इस तरह के हाइड्रोजन के साथ गठित पानी को भारी कहा जाता है और परमाणु रिएक्टरों में पहला सर्किट भरता है।
गैर शांतिपूर्ण परमाणु
"हथियार दौड़" जैसे अभिव्यक्तियांआधुनिक शीतकालीन "शीत युद्ध", "परमाणु खतरा" ऐतिहासिक और अप्रासंगिक प्रतीत हो सकता है। लेकिन एक समय में, दुनिया भर में समाचारों के हर मुद्दे के साथ रिपोर्टों के साथ-साथ कितने परमाणु हथियारों का आविष्कार किया गया था और इससे निपटने के तरीके के बारे में रिपोर्ट मिली थी। लोगों ने भूमिगत बंकरों का निर्माण किया और परमाणु सर्दियों की स्थिति में भंडार बनाए। पूरे परिवार ने शरण स्थापित करने के लिए काम किया। यहां तक कि परमाणु विखंडन प्रतिक्रियाओं के शांतिपूर्ण उपयोग से आपदा हो सकती है। ऐसा लगता है कि चेरनोबिल ने इस क्षेत्र में मानवता को सटीकता सिखाई, लेकिन ग्रह के तत्व मजबूत हो गए: जापान में भूकंप ने फुकुशिमा परमाणु ऊर्जा संयंत्र की बहुत विश्वसनीय मजबूती को नुकसान पहुंचाया। परमाणु प्रतिक्रिया की ऊर्जा विनाश के लिए उपयोग करना बहुत आसान है। तकनीशियनों को केवल विस्फोट की शक्ति को सीमित करने की आवश्यकता है, ताकि पूरे ग्रह को अनजाने में नष्ट न किया जा सके। सबसे अधिक "मानवीय" बम, यदि उन्हें ऐसा कहा जा सकता है, तो विकिरण के साथ पड़ोस को प्रदूषित न करें। आम तौर पर, वे अक्सर एक अनियंत्रित श्रृंखला प्रतिक्रिया का उपयोग करते हैं। वे परमाणु ऊर्जा संयंत्रों से बचने की कोशिश कर रहे हैं जो बहुत ही प्राचीन तरीके से बमबारी कर रहे हैं। किसी भी स्वाभाविक रूप से रेडियोधर्मी तत्व के लिए, शुद्ध पदार्थ का कुछ महत्वपूर्ण द्रव्यमान होता है जिसमें चेन प्रतिक्रिया स्वयं उत्पन्न होती है। यूरेनियम के लिए, उदाहरण के लिए, यह केवल पचास किलोग्राम है। चूंकि यूरेनियम बहुत भारी है, यह व्यास में 12-15 सेंटीमीटर केवल एक छोटी धातु बॉल है। हिरोशिमा और नागासाकी पर गिरने वाले पहले परमाणु बम इस सिद्धांत पर ठीक से बने थे: शुद्ध यूरेनियम के दो असमान हिस्सों को आसानी से जोड़ा गया था और एक भयानक विस्फोट को जन्म दिया था। आधुनिक हथियार शायद अधिक जटिल हैं। हालांकि, इसे महत्वपूर्ण द्रव्यमान के बारे में नहीं भुलाया जाना चाहिए: भंडारण के दौरान शुद्ध रेडियोधर्मी सामग्री के छोटे खंडों के बीच, ऐसी बाधाएं होनी चाहिए जो भागों से जुड़ने की अनुमति न दें।
विकिरण के स्रोत
परमाणु नाभिक के साथ सभी तत्व 82 से अधिक चार्ज करते हैंरेडियोधर्मी हैं। लगभग सभी लाइटर रासायनिक तत्वों में रेडियोधर्मी आइसोटोप होते हैं। कोर जितना भारी होगा, उतना ही कम जीवन का समय होगा। कुछ तत्व (जैसे कैलिफ़ोर्निया) केवल कृत्रिम रूप से प्राप्त किए जा सकते हैं - लाइटर कणों के साथ भारी परमाणुओं को दस्तक देकर, अक्सर त्वरक पर। चूंकि वे बहुत अस्थिर हैं, वे पृथ्वी की परत में मौजूद नहीं हैं: जब उन्होंने ग्रह का गठन किया, तो वे जल्दी से अन्य तत्वों में विघटित हो गए। हल्के नाभिक के साथ पदार्थ, जैसे कि यूरेनियम, निकाला जा सकता है। खनन यूरेनियम के लिए उपयुक्त यह लंबी प्रक्रिया, यहां तक कि बहुत समृद्ध अयस्कों में भी एक प्रतिशत से भी कम है। तीसरा तरीका, शायद, इंगित करता है कि नया भूवैज्ञानिक युग पहले ही शुरू हो चुका है। यह रेडियोधर्मी अपशिष्ट से रेडियोधर्मी तत्वों का निष्कर्षण है। एक पनडुब्बी या विमान वाहक पर एक पावर स्टेशन पर ईंधन से काम करने के बाद, प्रारंभिक यूरेनियम और अंतिम पदार्थ का मिश्रण, विखंडन का परिणाम प्राप्त होता है। फिलहाल, इसे ठोस रेडियोधर्मी अपशिष्ट माना जाता है और यह एक अनिवार्य मामला है कि उन्हें कैसे निपटाना है ताकि वे पर्यावरण को प्रदूषित न करें। हालांकि, यह संभावना है कि निकट भविष्य में पहले से ही तैयार रेडियोधर्मी पदार्थ (उदाहरण के लिए, पोलोनियम) इन कचरे से निकाले जाएंगे।
