המאמר מספר על מה זה ביקוע גרעיני, איך התהליך הזה התגלה ותואר. נחשף השימוש בו כמקור אנרגיה ונשק גרעיני.
"בלתי ניתן לחלוקה" atom
המאה העשרים ואחת גדושה בביטויים כמו "אנרגיה של האטום", "טכנולוגיה גרעינית", "פסולת רדיואקטיבית". מדי פעם בכותרות העיתונים הודעות הבזק על אפשרות של זיהום רדיואקטיבי של הקרקע, האוקיינוסים, הקרח של אנטארקטיקה. עם זאת, לעתים קרובות לאדם רגיל אין מושג טוב מאוד מהו תחום המדע הזה וכיצד הוא עוזר בחיי היומיום. כדאי להתחיל, אולי, בהיסטוריה. כבר מהשאלה הראשונה, שנשאלה על ידי אדם מאוכל ולבוש היטב, הוא התעניין איך העולם עובד. איך העין רואה, למה האוזן שומעת, איך המים שונים מאבן - זה מה שהדאיג את החכמים מאז ומעולם. אפילו בהודו וביוון העתיקה, כמה מוחות סקרנים הציעו שיש חלקיק מינימלי (הוא נקרא גם "ניתן לחלוקה") שיש לו תכונות של חומר. כימאים מימי הביניים אישרו את ניחוש החכמים, וההגדרה המודרנית של האטום היא כדלקמן: אטום הוא החלקיק הקטן ביותר של חומר שהוא הנושא את תכונותיו.
חלקים של אטום
עם זאת, פיתוח הטכנולוגיה (בבפרט, צילום) הוביל לכך שהאטום כבר לא נחשב לחלקיק החומר הקטן ביותר האפשרי. ולמרות שאטום בודד הוא ניטרלי מבחינה חשמלית, מדענים הבינו במהירות שהוא מורכב משני חלקים עם מטענים שונים. מספר החלקים הטעונים חיובית מפצה על מספר השליליים, כך שהאטום נשאר נייטרלי. אבל לא היה מודל חד משמעי של האטום. מאחר שהפיזיקה הקלאסית עדיין שלטה באותה תקופה, הונחו הנחות שונות.
דגמי Atom
בתחילה הוצע דגם "גליל הצימוקים". המטען החיובי, כביכול, מילא את כל חלל האטום, ומטענים שליליים פוזרו בו, כמו צימוקים בלחמנייה. הניסוי המפורסם של רתרפורד קבע את הדברים הבאים: יסוד כבד מאוד בעל מטען חיובי (הגרעין) ממוקם במרכז האטום, ומסביב נמצאים אלקטרונים קלים בהרבה. מסת הגרעין כבדה פי מאות מסכום כל האלקטרונים (היא 99.9 אחוז מהמסה של האטום כולו). כך נולד המודל הפלנטרי של בוהר של האטום. עם זאת, חלק ממרכיביו סתרו את הפיזיקה הקלאסית המקובלת אז. לכן פותחה מכניקת קוונטים חדשה. עם הופעתו, החלה התקופה הלא-קלאסית של המדע.
אטום ורדיואקטיביות
מכל האמור לעיל, מתברר שהגרעין הוא חלק כבד וטעון חיובי של האטום, המהווה את עיקרו. כאשר הכימות של האנרגיה ומיקומם של אלקטרונים במסלול של אטום הובנו היטב, הגיע הזמן להביןטבעו של גרעין האטום. הרדיואקטיביות הגאונית והתגלתה במפתיע באה לעזרה. זה עזר לחשוף את המהות של החלק המרכזי הכבד של האטום, שכן מקור הרדיואקטיביות הוא ביקוע גרעיני. במפנה של המאות התשע עשרה והעשרים ירדו תגליות בזו אחר זו. הפתרון התיאורטי של בעיה אחת הצריך ניסויים חדשים. תוצאות הניסויים הולידו תיאוריות והשערות שצריך לאשש או להפריך. לעתים קרובות התגליות הגדולות ביותר התרחשו פשוט כי כך הפכה הנוסחה קלה לחישוב (כמו, למשל, הקוונטים של מקס פלאנק). עוד בתחילת עידן הצילום ידעו מדענים שמלחי אורניום מאירים סרט רגיש לאור, אך הם לא חשדו שביקוע גרעיני הוא הבסיס לתופעה זו. לכן, רדיואקטיביות נחקרה על מנת להבין את אופי ההתפרקות הגרעינית. ברור שהקרינה נוצרה על ידי מעברים קוונטיים, אבל לא היה ברור לגמרי אילו מהם. בני הזוג קיריז כרו רדיום ופולוניום טהורים, עבדו כמעט ביד בעפרות אורניום, כדי לענות על השאלה הזו.
המטען של קרינה רדיואקטיבית
רת'רפורד עשה רבות כדי לחקור את מבנה האטום ותרם לחקר כיצד מתרחש הביקוע של גרעין האטום. המדען הציב את הקרינה הנפלטת מאלמנט רדיואקטיבי בשדה מגנטי וקיבל תוצאה מדהימה. התברר שקרינה מורכבת משלושה מרכיבים: האחד היה ניטרלי, והשניים האחרים טעונים חיובי ושלילי. חקר הביקוע הגרעיני החל בהגדרתורכיבים. הוכח שהגרעין יכול להתחלק, לוותר על חלק מהמטען החיובי שלו.
מבנה הגרעין
מאוחר יותר התברר שגרעין האטום מורכב לא רק מחלקיקים בעלי מטען חיובי של פרוטונים, אלא גם מחלקיקים ניטרליים של נויטרונים. ביחד הם נקראים נוקלונים (מהאנגלית "גרעין", הגרעין). עם זאת, מדענים שוב נתקלו בבעיה: מסת הגרעין (כלומר, מספר הגרעינים) לא תמיד התאימה למטען שלו. במימן, לגרעין יש מטען של +1, והמסה יכולה להיות שלוש, שתיים ואחת. להליום הבא בטבלה המחזורית יש מטען גרעיני של +2, בעוד שהגרעין שלו מכיל בין 4 ל-6 נוקלונים. לאלמנטים מורכבים יותר יכולים להיות הרבה יותר מסות שונות עבור אותו מטען. וריאציות כאלה של אטומים נקראות איזוטופים. יתר על כן, כמה איזוטופים התבררו כיציבים למדי, בעוד שאחרים התפרקו במהירות, מכיוון שהם אופיינו בביקוע גרעיני. איזה עיקרון מתאים למספר הגרעינים של יציבות הגרעינים? מדוע הוספה של נויטרון אחד בלבד לגרעין כבד ויציב למדי הובילה לפיצול שלו, לשחרור רדיואקטיביות? באופן מוזר, עדיין לא נמצאה התשובה לשאלה החשובה הזו. מבחינה אמפירית, התברר שתצורות יציבות של גרעיני אטום מתאימות לכמויות מסוימות של פרוטונים וניוטרונים. אם יש 2, 4, 8, 50 נויטרונים ו/או פרוטונים בגרעין, אז הגרעין בהחלט יהיה יציב. המספרים האלה אפילו נקראים קסם (ומדענים מבוגרים, פיזיקאים גרעיניים, קראו להם כך). לפיכך, ביקוע הגרעינים תלוי במסה שלהם, כלומר במספר הגרעינים הכלולים בהם.
ירידה, מעטפת, קריסטל
לא ניתן היה לקבוע את הגורם שאחראי ליציבות הליבה כרגע. קיימות תיאוריות רבות לגבי המודל של מבנה האטום. שלושת המפורסמים והמפותחים ביותר סותרים זה את זה בסוגיות שונות. לפי הראשון, הגרעין הוא טיפה של נוזל גרעיני מיוחד. כמו מים, הוא מאופיין בנזילות, מתח פני שטח, התלכדות וריקבון. במודל המעטפת, יש גם רמות אנרגיה מסוימות בגרעין, אשר מלאות בנוקלונים. השלישית קובעת כי הליבה היא תווך המסוגל לשבור גלים מיוחדים (דה Broglie), בעוד שמקדם השבירה הוא אנרגיה פוטנציאלית. עם זאת, אף מודל עדיין לא הצליח לתאר במלואו מדוע, במסה קריטית מסוימת של יסוד כימי מסוים זה, מתחיל ביקוע גרעיני.
איך הם פרידות
רדיואקטיביות, כאמור לעיל, נמצאה בחומרים שניתן למצוא בטבע: אורניום, פולוניום, רדיום. לדוגמה, אורניום טהור שנכרה טרי הוא רדיואקטיבי. תהליך הפיצול במקרה זה יהיה ספונטני. ללא השפעות חיצוניות כלשהן, מספר מסוים של אטומי אורניום יפלטו חלקיקי אלפא, ויהפכו באופן ספונטני לתוריום. יש אינדיקטור שנקרא זמן מחצית חיים. זה מראה לאיזה פרק זמן מהמספר הראשוני של החלק יישאר בערך חצי. עבור כל יסוד רדיואקטיבי, זמן מחצית החיים שונה - משברירי שנייה עבור קליפורניה ועדמאות אלפי שנים עבור אורניום וצסיום. אבל יש גם רדיואקטיביות מאולצת. אם גרעיני האטומים מופצצים בפרוטונים או בחלקיקי אלפא (גרעיני הליום) בעלי אנרגיה קינטית גבוהה, הם יכולים "להתפצל". מנגנון השינוי, כמובן, שונה מהאופן שבו נשבר האגרטל האהוב על אמא. עם זאת, יש אנלוגיה מסוימת.
Atom Energy
עד כה, לא ענינו על שאלה מעשית: מאיפה מגיעה האנרגיה במהלך ביקוע גרעיני. מלכתחילה יש להבהיר שבמהלך היווצרותו של גרעין פועלים כוחות גרעיניים מיוחדים, הנקראים האינטראקציה החזקה. מכיוון שהגרעין מורכב מפרוטונים חיוביים רבים, נותרת השאלה כיצד הם נצמדים זה לזה, מכיוון שהכוחות האלקטרוסטטיים חייבים להרחיק אותם זה מזה בצורה די חזקה. התשובה היא גם פשוטה וגם לא בו-זמנית: הגרעין מוחזק יחד על ידי חילוף מהיר מאוד בין גרעינים של חלקיקים מיוחדים - פי-מזונים. הקשר הזה חי קצר להפליא. ברגע שחילופי הפי-מזונים מפסיקים, הגרעין מתכלה. זה גם ידוע בוודאות שמסה של גרעין קטנה מסכום כל הגרעינים המרכיבים אותו. תופעה זו נקראת הפגם ההמוני. למעשה, המסה החסרה היא האנרגיה המושקעת בשמירה על שלמות הגרעין. ברגע שחלק כלשהו מופרד מגרעין האטום, האנרגיה הזו משתחררת והופכת לחום בתחנות כוח גרעיניות. כלומר, אנרגיית הביקוע הגרעיני היא הדגמה ברורה לנוסחת איינשטיין המפורסמת. נזכיר שהנוסחה אומרת: אנרגיה ומסה יכולות להפוך זו לזו (E=mc2).
תיאוריה ופרקטיקה
עכשיו נספר לכם כיצד משתמשים בתגלית התיאורטית הטהורה הזו בחיים להפקת ג'יגה וואט של חשמל. ראשית, יש לציין שתגובות מבוקרות משתמשות בביקוע גרעיני כפוי. לרוב זה אורניום או פולוניום, המופגז על ידי נויטרונים מהירים. שנית, אי אפשר שלא להבין שביקוע גרעיני מלווה ביצירת נויטרונים חדשים. כתוצאה מכך, מספר הנייטרונים באזור התגובה יכול לעלות מהר מאוד. כל נויטרון מתנגש עם גרעינים חדשים, עדיין שלמים, מפצל אותם, מה שמוביל לעלייה בשחרור החום. זוהי תגובת שרשרת הביקוע הגרעיני. עלייה בלתי מבוקרת במספר הנייטרונים בכור עלולה להוביל לפיצוץ. זה בדיוק מה שקרה ב-1986 בתחנת הכוח הגרעינית בצ'רנוביל. לכן, באזור התגובה יש תמיד חומר שסופג עודף נויטרונים, ומונע קטסטרופה. זה גרפיט בצורה של מוטות ארוכים. ניתן להאט את קצב הביקוע הגרעיני על ידי טבילת המוטות באזור התגובה. משוואת התגובה הגרעינית מורכבת במיוחד עבור כל חומר רדיואקטיבי פעיל והחלקיקים המפציצים אותו (אלקטרונים, פרוטונים, חלקיקי אלפא). עם זאת, תפוקת האנרגיה הסופית מחושבת לפי חוק השימור: E1+E2=E3+E4. כלומר, האנרגיה הכוללת של הגרעין והחלקיק המקוריים (E1 + E2) חייבת להיות שווה לאנרגיה של הגרעין שנוצר ולאנרגיה המשתחררת בצורה חופשית (E3 + E4). משוואת התגובה הגרעינית מראה גם איזה סוג של חומר מתקבל כתוצאה מהתפרקות. לדוגמה, עבור אורניום U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. האיזוטופים של היסודות אינם מפורטים כאן.עם זאת, זה חשוב. לדוגמה, קיימות שלוש אפשרויות לביקוע של אורניום, שבהן נוצרים איזוטופים שונים של עופרת וניאון. כמעט במאה אחוז מהמקרים, תגובת הביקוע הגרעיני מייצרת איזוטופים רדיואקטיביים. כלומר, ריקבון האורניום מייצר תוריום רדיואקטיבי. תוריום יכול להתפרק לפרוטקטיניום, זה לאקטיניום וכן הלאה. גם ביסמוט וגם טיטניום יכולים להיות רדיואקטיביים בסדרה זו. אפילו מימן, המכיל שני פרוטונים בגרעין (בקצב של פרוטון אחד), נקרא אחרת - דאוטריום. מים שנוצרים עם מימן כזה נקראים מים כבדים וממלאים את המעגל הראשוני בכורים גרעיניים.
אטום לא שליו
ביטויים כמו "מרוץ חימוש", "מלחמה קרה", "איום גרעיני" עשויים להיראות היסטוריים ולא רלוונטיים לאדם מודרני. אבל פעם, כל מהדורת חדשות כמעט בכל העולם לוותה בדיווחים על כמה סוגי נשק גרעיני הומצאו וכיצד להתמודד איתם. אנשים בנו בונקרים תת-קרקעיים והצטיידו למקרה של חורף גרעיני. משפחות שלמות עבדו לבניית המקלט. אפילו שימוש שליו בתגובות ביקוע גרעיני יכול להוביל לאסון. נראה כי צ'רנוביל לימדה את האנושות להיזהר באזור זה, אבל היסודות של הפלנטה התבררו כחזקים יותר: רעידת האדמה ביפן פגעה בביצורים האמינים מאוד של תחנת הכוח הגרעינית בפוקושימה. האנרגיה של תגובה גרעינית היא הרבה יותר קלה לשימוש להרס. טכנולוגים צריכים רק להגביל את עוצמת הפיצוץ, כדי לא להרוס בטעות את כל כדור הארץ. הפצצות הכי "הומניות", אם אפשר לקרוא להן כך, אינן מזהמות את הסביבה בקרינה. באופן כללי, הם משתמשים לרובתגובת שרשרת בלתי מבוקרת. מה שהם שואפים להימנע ממנו בתחנות כוח גרעיניות בכל האמצעים מושג בפצצות בצורה מאוד פרימיטיבית. עבור כל יסוד רדיואקטיבי באופן טבעי, יש מסה קריטית מסוימת של חומר טהור שבו תגובת שרשרת נולדת מעצמה. עבור אורניום, למשל, מדובר בחמישים קילוגרמים בלבד. מכיוון שאורניום כבד מאוד, זהו רק כדור מתכת קטן בקוטר 12-15 סנטימטר. פצצות האטום הראשונות שהוטלו על הירושימה ונגסאקי נעשו בדיוק לפי העיקרון הזה: שני חלקים לא שווים של אורניום טהור פשוט חברו יחד ויצרו פיצוץ מפחיד. כלי נשק מודרניים כנראה מתוחכמים יותר. עם זאת, אסור לשכוח את המסה הקריטית: חייבים להיות מחסומים בין נפחים קטנים של חומר רדיואקטיבי טהור במהלך האחסון, המונעים מהחלקים להתחבר.
מקורות קרינה
כל היסודות עם מטען גרעיני גדול מ-82 הם רדיואקטיביים. כמעט לכל היסודות הכימיים הקלים יותר יש איזוטופים רדיואקטיביים. ככל שהגרעין כבד יותר, כך אורך חייו קצר יותר. חלק מהיסודות (כמו קליפורניה) ניתן להשיג רק באופן מלאכותי - על ידי התנגשות בין אטומים כבדים לחלקיקים קלים יותר, לרוב במאיצים. מכיוון שהם מאוד לא יציבים, הם אינם קיימים בקרום כדור הארץ: במהלך היווצרות כוכב הלכת, הם התפרקו מהר מאוד ליסודות אחרים. ניתן לכרות חומרים בעלי גרעינים קלים יותר, כגון אורניום. תהליך זה ארוך, אורניום מתאים להפקה, גם בעפרות עשירות מאוד, מכיל פחות מאחוז אחד. דרך שלישית,אולי מעיד על כך שעידן גיאולוגי חדש כבר החל. מדובר בהפקה של יסודות רדיואקטיביים מפסולת רדיואקטיבית. לאחר הוצאת דלק בתחנת כוח, על צוללת או נושאת מטוסים, מתקבלת תערובת של האורניום המקורי והחומר הסופי, תוצאת הביקוע. כרגע זה נחשב לפסולת רדיואקטיבית מוצקה וישנה שאלה חריפה איך מפנים אותה כדי שלא תזהמו את הסביבה. עם זאת, סביר להניח שבעתיד הקרוב ייכרו מפסולת אלו חומרים רדיואקטיביים מרוכזים מוכנים (למשל פולוניום).
