Atomy mogą zyskać lub stracić energię, gdy elektron przemieszcza się z wyższej orbity na niższą orbitę wokół jądra. Jednak rozszczepienie jądra atomu uwolni znacznie więcej energii niż energia, gdy elektrony powrócą na niższą orbitę z wyższej orbity. Ta energia może być wykorzystana do celów destrukcyjnych lub do celów bezpiecznych i produktywnych. Rozszczepienie atomu nazywa się rozszczepieniem jądrowym, procesem odkrytym w 1938 roku; Powtarzające się rozszczepianie atomów podczas rozszczepienia nazywa się reakcją łańcuchową. Chociaż wiele osób nie ma odpowiedniego sprzętu, jeśli jesteś ciekawy procesu dzielenia, oto podsumowanie.
Krok
Część 1 z 2: Podstawowe rozszczepienie atomowe
Krok 1. Wybierz odpowiedni izotop
Niektóre pierwiastki lub ich izotopy ulegają rozpadowi radioaktywnemu. Jednak nie wszystkie izotopy są sobie równe pod względem łatwości ich rozszczepiania. Najczęściej stosowany izotop uranu ma masę atomową 238, składa się z 92 protonów i 146 neutronów, ale jego jądro ma tendencję do pochłaniania neutronów bez podziału na mniejsze jądra innych pierwiastków. Izotop uranu, który ma o trzy mniej neutronów, 235U, może być znacznie łatwiejszy do rozszczepienia niż izotopy 238U; Takie izotopy nazywane są materiałami rozszczepialnymi.
Niektóre izotopy można rozszczepiać bardzo łatwo, tak szybko, że nie można utrzymać ciągłej reakcji rozszczepienia. Nazywa się to spontanicznym rozszczepieniem; izotop plutonu 240Pu jest przykładem tego izotopu, w przeciwieństwie do izotopu 239Pu z wolniejszym tempem rozszczepiania.
Krok 2. Uzyskaj wystarczającą ilość izotopów, aby zapewnić, że rozszczepienie będzie kontynuowane po rozszczepieniu się pierwszego atomu
Wymaga to rozszczepienia pewnej minimalnej ilości materiału izotopowego, aby zaszła reakcja rozszczepienia; Ta ilość nazywana jest masą krytyczną. Uzyskanie masy krytycznej wymaga materiału źródłowego dla izotopu, aby zwiększyć szanse wystąpienia rozszczepienia.
Czasami konieczne jest zwiększenie względnej ilości rozszczepionego materiału izotopowego w próbce, aby zapewnić ciągłą reakcję rozszczepienia. Nazywa się to wzbogacaniem i istnieje kilka metod służących do wzbogacania próbki. (Metody stosowane do wzbogacania uranu znajdują się w wikiJak wzbogacać uran.)
Krok 3. Wielokrotnie strzelaj do jądra rozszczepionego materiału izotopowego cząstkami subatomowymi
Pojedyncze cząstki subatomowe mogą uderzać w atomy 235U, dzieląc go na dwa oddzielne atomy innego pierwiastka i uwalniając trzy neutrony. Te trzy rodzaje cząstek subatomowych są często używane.
- Proton. Te subatomowe cząstki mają masę i ładunek dodatni. Liczba protonów w atomie określa pierwiastek atomu.
- Neutrony. Te subatomowe cząstki mają masę jak protony, ale nie mają ładunku.
- Cząstki alfa. Ta cząsteczka jest jądrem atomu helu, częścią krążących wokół niej elektronów. Ta cząstka składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów.
Część 2 z 2: Metoda rozszczepienia atomowego
Krok 1. Strzelaj do jednego jądra atomowego (jądra) tego samego izotopu w drugie
Ponieważ wątłe cząstki subatomowe są trudne do przejścia, często wymagana jest siła, aby wypchnąć cząstki z ich atomów. Jedną z metod wykonania tego jest strzelanie atomami danego izotopu do innych atomów tego samego izotopu.
Ta metoda została wykorzystana do stworzenia bomby atomowej 235Upuściłeś się na Hiroszimę. Broń, taka jak pistolety z rdzeniami uranu, które strzelają atomami 235U na atomie 235Drugi U przenosi materiał z tak dużą prędkością, że powoduje, że uwolnione neutrony uderzają w jądro atomu 235kolejny U i zniszcz go. Neutrony uwalniane podczas rozpadu atomu mogą na zmianę uderzać i rozszczepiać atom 235inne U.
Krok 2. Mocno ściśnij próbkę atomową, zbliżając do siebie materiał atomowy
Czasami atomy rozpadają się zbyt szybko, aby mogły być wystrzeliwane do siebie. W takim przypadku zbliżenie atomów do siebie zwiększa szanse na to, że uwolnione cząstki subatomowe uderzą i rozszczepią inne atomy.
Ta metoda została wykorzystana do stworzenia bomby atomowej 239Pu spadł na Nagasaki. Zwykłe eksplozje otaczają masę plutonu; po detonacji eksplozja napędza masę plutonu, niosąc atomy 239Pu zbliża się, aby uwolnione neutrony nadal uderzały i dzieliły atomy 239inne pu.
Krok 3. Wzbudź elektrony wiązką laserową
Wraz z rozwojem lasera petawatowego (1015 watów), możliwe jest teraz rozszczepianie atomów za pomocą wiązki laserowej w celu wzbudzenia elektronów w metalu otaczającym substancję radioaktywną.
- W teście przeprowadzonym w 2000 roku w Lawrence Livermore Laboratory w Kalifornii uran owinięto w złoto i umieszczono w miedzianym tyglu. Impuls podczerwonej wiązki laserowej o energii 260 dżuli uderza w powłokę i obudowę, wzbudzając elektrony. Gdy elektrony powracają na swoje normalne orbity, uwalniają wysokoenergetyczne promieniowanie gamma, które przenika przez jądra złota i miedzi, uwalniając neutrony, które przenikają atomy uranu pod warstwą złota i rozdzielają je. (W wyniku eksperymentu zarówno złoto, jak i miedź stały się radioaktywne.)
- Podobne testy przeprowadzono w laboratorium Rutherford Appleton w Wielkiej Brytanii przy użyciu 50 terawatów (5 x 10.).12 watów) laser wycelowany w tantalową płytkę, za którą znajdują się różne materiały: potas, srebro, cynk i uran. Część atomów wszystkich tych materiałów została z powodzeniem podzielona.
Ostrzeżenie
- Oprócz pewnych rozszczepień pewnych izotopów, które są zbyt szybkie, mniejsze eksplozje mogą zniszczyć materiał rozszczepialny, zanim eksplozja osiągnie oczekiwaną długotrwałą szybkość reakcji.
- Podobnie jak w przypadku każdego innego sprzętu, postępuj zgodnie z wymaganymi procedurami bezpieczeństwa i nie rób niczego, co wydaje się ryzykowne. Bądź ostrożny.
