Der Artikel erzählt, was Kernsp altung ist, wie dieser Prozess entdeckt und beschrieben wurde. Seine Verwendung als Energiequelle und Atomwaffen wird aufgedeckt.
"Unteilbares" Atom
Das 21. Jahrhundert ist voll von Ausdrücken wie "Energie des Atoms", "Atomtechnik", "radioaktiver Abfall". Hin und wieder blitzen in den Schlagzeilen der Zeitungen Meldungen über die Möglichkeit einer radioaktiven Kontamination des Bodens, der Ozeane und des Eises der Antarktis auf. Ein gewöhnlicher Mensch hat jedoch oft keine sehr gute Vorstellung davon, was dieses Wissenschaftsgebiet ist und wie es im Alltag hilft. Es lohnt sich vielleicht, mit der Geschichte zu beginnen. Von der ersten Frage an, die von einer wohlgenährten und gekleideten Person gestellt wurde, interessierte ihn, wie die Welt funktioniert. Wie das Auge sieht, warum das Ohr hört, wie sich Wasser von Stein unterscheidet – das beschäftigte die Weisen seit jeher. Sogar im alten Indien und Griechenland schlugen einige neugierige Köpfe vor, dass es ein minimales Teilchen (es wurde auch "unteilbar" genannt) gibt, das die Eigenschaften eines Materials hat. Mittel alterliche Chemiker bestätigten die Vermutung der Weisen, und die moderne Definition des Atoms lautet wie folgt: Ein Atom ist das kleinste Teilchen einer Substanz, das Träger seiner Eigenschaften ist.
Teile eines Atoms
Die Entwicklung der Technologie (ininsbesondere Fotografie) hat dazu geführt, dass das Atom nicht mehr als das kleinste mögliche Teilchen der Materie gilt. Und obwohl ein einzelnes Atom elektrisch neutral ist, stellten die Wissenschaftler schnell fest, dass es aus zwei Teilen mit unterschiedlichen Ladungen besteht. Die Anzahl der positiv geladenen Teile kompensiert die Anzahl der negativen, sodass das Atom neutral bleibt. Aber es gab kein eindeutiges Modell des Atoms. Da zu dieser Zeit noch die klassische Physik dominierte, wurden verschiedene Annahmen getroffen.
Atommodelle
Zunächst wurde das „Rosinenbrötchen“-Modell vorgeschlagen. Die positive Ladung füllte sozusagen den gesamten Raum des Atoms aus, und negative Ladungen waren darin verteilt wie Rosinen in einem Brötchen. Das berühmte Experiment von Rutherford hat Folgendes festgestellt: Ein sehr schweres Element mit positiver Ladung (der Kern) befindet sich im Zentrum des Atoms, und viel leichtere Elektronen befinden sich drumherum. Die Masse des Kerns ist hundertmal schwerer als die Summe aller Elektronen (sie macht 99,9 Prozent der Masse des gesamten Atoms aus). Damit war Bohrs Planetenmodell des Atoms geboren. Einige seiner Elemente widersprachen jedoch der damals akzeptierten klassischen Physik. Daher wurde eine neue, Quantenmechanik entwickelt. Mit seinem Erscheinen begann die nichtklassische Periode der Wissenschaft.
Atom und Radioaktivität
Aus all dem wird klar, dass der Kern ein schwerer, positiv geladener Teil des Atoms ist, der seine Masse ausmacht. Als die Quantisierung von Energie und die Positionen von Elektronen in der Umlaufbahn eines Atoms gut verstanden waren, war es Zeit zu verstehendie Natur des Atomkerns. Die geniale und unerwartet entdeckte Radioaktivität kam zur Rettung. Es half, die Essenz des schweren zentralen Teils des Atoms aufzudecken, da die Quelle der Radioaktivität die Kernsp altung ist. An der Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert regneten Entdeckungen eine nach der anderen. Die theoretische Lösung eines Problems erforderte neue Experimente. Die Ergebnisse der Experimente führten zu Theorien und Hypothesen, die bestätigt oder widerlegt werden mussten. Oftmals sind die größten Entdeckungen einfach dadurch entstanden, dass die Formel so leicht zu berechnen war (wie zB das Max-Planck-Quantum). Schon zu Beginn der Ära der Fotografie wussten Wissenschaftler, dass Uransalze einen lichtempfindlichen Film zum Leuchten bringen, aber sie ahnten nicht, dass die Kernsp altung die Grundlage dieses Phänomens war. Daher wurde die Radioaktivität untersucht, um die Natur des nuklearen Zerfalls zu verstehen. Offensichtlich wurde die Strahlung durch Quantenübergänge erzeugt, aber es war nicht ganz klar, welche. Um diese Frage zu beantworten, haben die Curies reines Radium und Polonium abgebaut und Uranerz fast von Hand bearbeitet.
Die Ladung radioaktiver Strahlung
Rutherford hat viel getan, um die Struktur des Atoms zu untersuchen, und dazu beigetragen, zu untersuchen, wie die Sp altung des Atomkerns erfolgt. Der Wissenschaftler platzierte die von einem radioaktiven Element emittierte Strahlung in einem Magnetfeld und erzielte ein erstaunliches Ergebnis. Es stellte sich heraus, dass Strahlung aus drei Komponenten besteht: Eine war neutral und die anderen beiden waren positiv und negativ geladen. Das Studium der Kernsp altung begann mit der Definition ihrerKomponenten. Es wurde bewiesen, dass der Kern sich teilen kann und einen Teil seiner positiven Ladung abgeben kann.
Struktur des Zellkerns
Später stellte sich heraus, dass der Atomkern nicht nur aus positiv geladenen Protonenteilchen besteht, sondern auch aus neutralen Neutronenteilchen. Zusammen werden sie als Nukleonen (von englisch „nucleus“, der Kern) bezeichnet. Wissenschaftler stießen jedoch erneut auf ein Problem: Die Masse des Kerns (dh die Anzahl der Nukleonen) entsprach nicht immer seiner Ladung. In Wasserstoff hat der Kern eine Ladung von +1, und die Masse kann drei und zwei und eins sein. Helium als nächstes im Periodensystem hat eine Kernladung von +2, während sein Kern 4 bis 6 Nukleonen enthält. Komplexere Elemente können bei gleicher Ladung viel mehr unterschiedliche Massen haben. Solche Variationen von Atomen werden Isotope genannt. Darüber hinaus erwiesen sich einige Isotope als ziemlich stabil, während andere schnell zerfielen, da sie durch Kernsp altung gekennzeichnet waren. Welchem Prinzip entsprach die Zahl der Nukleonen der Stabilität von Kernen? Warum führte die Addition von nur einem Neutron an einen schweren und ziemlich stabilen Kern zu seiner Sp altung, zur Freisetzung von Radioaktivität? Seltsamerweise wurde die Antwort auf diese wichtige Frage noch nicht gefunden. Empirisch stellte sich heraus, dass stabile Konfigurationen von Atomkernen bestimmten Mengen an Protonen und Neutronen entsprechen. Wenn 2, 4, 8, 50 Neutronen und/oder Protonen im Kern sind, dann ist der Kern definitiv stabil. Diese Zahlen werden sogar magisch genannt (und erwachsene Wissenschaftler, Kernphysiker, nannten sie so). Die Kernsp altung hängt also von ihrer Masse ab, also von der Anzahl der darin enth altenen Nukleonen.
Tropfen, Muschel, Kristall
Der Faktor, der für die Stabilität des Kerns verantwortlich ist, konnte im Moment nicht ermittelt werden. Es gibt viele Theorien über das Modell der Struktur des Atoms. Die drei berühmtesten und am weitesten entwickelten widersprechen sich oft in verschiedenen Fragen. Nach der ersten ist der Kern ein Tropfen einer speziellen Kernflüssigkeit. Wie Wasser ist es durch Fließfähigkeit, Oberflächenspannung, Koaleszenz und Zerfall gekennzeichnet. Im Schalenmodell gibt es auch bestimmte Energieniveaus im Kern, die mit Nukleonen gefüllt sind. Die dritte besagt, dass der Kern ein Medium ist, das spezielle Wellen brechen kann (de Broglie), während der Brechungsindex potentielle Energie ist. Allerdings konnte noch kein Modell vollständig beschreiben, warum bei einer bestimmten kritischen Masse dieses speziellen chemischen Elements die Kernsp altung einsetzt.
Wie Trennungen sind
Radioaktivität wurde, wie oben erwähnt, in Substanzen gefunden, die in der Natur vorkommen: Uran, Polonium, Radium. Beispielsweise ist frisch abgebautes, reines Uran radioaktiv. Der Aufsp altungsprozess wird in diesem Fall spontan sein. Ohne äußere Einflüsse emittiert eine bestimmte Anzahl von Uranatomen Alphateilchen, die sich spontan in Thorium umwandeln. Es gibt einen Indikator namens Halbwertszeit. Es zeigt an, für welchen Zeitraum von der Anfangsnummer des Teils etwa die Hälfte übrig bleibt. Bei jedem radioaktiven Element ist die Halbwertszeit unterschiedlich – von Bruchteilen einer Sekunde für Kalifornien bis hinHunderttausende von Jahren für Uran und Cäsium. Aber es gibt auch erzwungene Radioaktivität. Werden die Kerne von Atomen mit Protonen oder Alphateilchen (Heliumkernen) mit hoher kinetischer Energie beschossen, können sie sich „sp alten“. Der Mechanismus der Verwandlung unterscheidet sich natürlich davon, wie Mutters Lieblingsvase zerbrochen wird. Es gibt jedoch eine gewisse Analogie.
Atomenergie
Bis jetzt haben wir eine praktische Frage nicht beantwortet: Woher kommt die Energie bei der Kernsp altung? Zunächst muss klargestellt werden, dass bei der Kernbildung besondere Kernkräfte wirken, die als starke Wechselwirkung bezeichnet werden. Da der Kern aus vielen positiven Protonen besteht, bleibt die Frage, wie sie zusammenh alten, denn die elektrostatischen Kräfte müssen sie ziemlich stark voneinander wegdrücken. Die Antwort ist einfach und gleichzeitig nicht: Der Kern wird durch einen sehr schnellen Austausch zwischen Nukleonen spezieller Teilchen – Pi-Mesonen – zusammengeh alten. Diese Verbindung lebt unglaublich kurz. Sobald der Austausch von Pi-Mesonen aufhört, zerfällt der Kern. Es ist auch sicher bekannt, dass die Masse eines Kerns kleiner ist als die Summe aller seiner Nukleonen. Dieses Phänomen wird Massendefekt genannt. Tatsächlich ist die fehlende Masse die Energie, die für die Aufrechterh altung der Integrität des Kerns aufgewendet wird. Sobald sich ein Teil vom Kern eines Atoms löst, wird diese Energie freigesetzt und in Kernkraftwerken in Wärme umgewandelt. Das heißt, die Energie der Kernsp altung ist eine klare Demonstration der berühmten Einstein-Formel. Erinnere dich daran, dass die Formel besagt: Energie und Masse können ineinander übergehen (E=mc2).
Theorie und Praxis
Jetzt erzählen wir Ihnen, wie diese rein theoretische Entdeckung im Leben genutzt wird, um Gigawatt Strom zu produzieren. Zunächst sollte beachtet werden, dass kontrollierte Reaktionen eine erzwungene Kernsp altung verwenden. Meistens ist es Uran oder Polonium, das mit schnellen Neutronen beschossen wird. Zweitens ist es unmöglich, nicht zu verstehen, dass die Kernsp altung von der Entstehung neuer Neutronen begleitet wird. Dadurch kann die Zahl der Neutronen in der Reaktionszone sehr schnell ansteigen. Jedes Neutron kollidiert mit neuen, noch intakten Kernen, sp altet diese, was zu einer Erhöhung der Wärmefreisetzung führt. Das ist die Kettenreaktion der Kernsp altung. Ein unkontrollierter Anstieg der Neutronenzahl in einem Reaktor kann zu einer Explosion führen. Genau das geschah 1986 im Kernkraftwerk Tschernobyl. Daher befindet sich in der Reaktionszone immer eine Substanz, die überschüssige Neutronen absorbiert und eine Katastrophe verhindert. Es ist Graphit in Form von langen Stangen. Die Geschwindigkeit der Kernsp altung kann durch Eintauchen der Stäbe in die Reaktionszone verlangsamt werden. Die Kernreaktionsgleichung wird spezifisch für jeden aktiven radioaktiven Stoff und die ihn beschießenden Teilchen (Elektronen, Protonen, Alphateilchen) erstellt. Der Endenergieertrag wird jedoch nach dem Erh altungssatz berechnet: E1+E2=E3+E4. Das heißt, die Gesamtenergie des ursprünglichen Kerns und Teilchens (E1 + E2) muss gleich der Energie des resultierenden Kerns und der in freier Form freigesetzten Energie (E3 + E4) sein. Die Kernreaktionsgleichung zeigt auch, was für ein Stoff beim Zerfall entsteht. Zum Beispiel für Uran U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Die Isotope der Elemente sind hier nicht aufgeführt. Dies ist jedoch wichtig. So gibt es beispielsweise für die Sp altung von Uran gleich drei Möglichkeiten, bei denen unterschiedliche Isotope von Blei und Neon entstehen. In fast hundert Prozent der Fälle entstehen bei der Kernsp altungsreaktion radioaktive Isotope. Das heißt, der Zerfall von Uran erzeugt radioaktives Thorium. Thorium kann zu Protactinium zerfallen, dieses zu Actinium und so weiter. Sowohl Wismut als auch Titan können in dieser Reihe radioaktiv sein. Sogar Wasserstoff, der zwei Protonen im Kern enthält (mit der Rate eines Protons), wird anders genannt - Deuterium. Mit solchem Wasserstoff gebildetes Wasser wird schweres Wasser genannt und füllt den Primärkreislauf in Kernreaktoren.
Unfriedliches Atom
Ausdrücke wie "Wettrüsten", "K alter Krieg", "nukleare Bedrohung" mögen einem modernen Menschen historisch und irrelevant erscheinen. Aber es war einmal, dass jede Pressemitteilung fast auf der ganzen Welt von Berichten darüber begleitet wurde, wie viele Arten von Atomwaffen erfunden wurden und wie man damit umgeht. Die Menschen bauten unterirdische Bunker und versorgten sich für den Fall eines nuklearen Winters. Ganze Familien arbeiteten, um das Tierheim zu bauen. Selbst die friedliche Nutzung von Kernsp altungsreaktionen kann zu einer Katastrophe führen. Es scheint, dass Tschernobyl die Menschheit gelehrt hat, in diesem Bereich vorsichtig zu sein, aber die Elemente des Planeten erwiesen sich als stärker: Das Erdbeben in Japan beschädigte die sehr zuverlässigen Befestigungen des Kernkraftwerks Fukushima. Die Energie einer Kernreaktion lässt sich viel einfacher zur Zerstörung nutzen. Technologen müssen nur die Explosionskraft begrenzen, um nicht versehentlich den gesamten Planeten zu zerstören. Die "humansten" Bomben, wenn man sie so nennen kann, belasten die Umgebung nicht mit Strahlung. Im Allgemeinen verwenden sie am häufigstenunkontrollierte Kettenreaktion. Was sie bei Kernkraftwerken unbedingt vermeiden wollen, wird bei Bomben auf sehr primitive Weise erreicht. Für jedes natürlich radioaktive Element gibt es eine bestimmte kritische Masse an reiner Substanz, in der eine Kettenreaktion von selbst entsteht. Bei Uran beispielsweise sind es nur fünfzig Kilogramm. Da Uran sehr schwer ist, ist es nur eine kleine Metallkugel mit 12-15 Zentimeter Durchmesser. Die ersten Atombomben, die auf Hiroshima und Nagasaki abgeworfen wurden, wurden genau nach diesem Prinzip hergestellt: Zwei ungleiche Teile reinen Urans kombinierten sich einfach und erzeugten eine schreckliche Explosion. Moderne Waffen sind wahrscheinlich ausgefeilter. Man sollte jedoch die kritische Masse nicht vergessen: Zwischen kleinen Mengen reinen radioaktiven Materials müssen während der Lagerung Barrieren bestehen, die verhindern, dass sich die Teile verbinden.
Strahlungsquellen
Alle Elemente mit einer Kernladung größer als 82 sind radioaktiv. Fast alle leichteren chemischen Elemente haben radioaktive Isotope. Je schwerer der Kern, desto kürzer seine Lebensdauer. Einige Elemente (wie Kalifornien) können nur künstlich gewonnen werden - durch Kollision schwerer Atome mit leichteren Teilchen, meistens in Beschleunigern. Da sie sehr instabil sind, existieren sie nicht in der Erdkruste: Bei der Entstehung des Planeten zerfielen sie sehr schnell in andere Elemente. Stoffe mit leichteren Kernen wie Uran können abgebaut werden. Dieser Prozess ist langwierig, zur Gewinnung geeignetes Uran enthält selbst in sehr reichen Erzen weniger als ein Prozent. Dritter Weg,deutet vielleicht darauf hin, dass eine neue geologische Epoche bereits begonnen hat. Dies ist die Gewinnung radioaktiver Elemente aus radioaktiven Abfällen. Nachdem der Brennstoff in einem Kraftwerk, auf einem U-Boot oder Flugzeugträger verbraucht wurde, wird eine Mischung aus dem ursprünglichen Uran und der Endsubstanz, dem Ergebnis der Sp altung, erh alten. Diese gelten derzeit als fester radioaktiver Abfall und es stellt sich die akute Frage, wie diese entsorgt werden können, damit sie die Umwelt nicht belasten. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass aus diesen Abfällen in naher Zukunft fertige konzentrierte radioaktive Substanzen (z. B. Polonium) abgebaut werden.
