Atomin jakaminen: 6 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: Jason Gerald | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-15 08:14

Atomit voivat saada tai menettää energiaa, kun elektroni siirtyy ylemmältä kiertoradalta alemmalle kiertoradalle ytimen ympärillä. Atomin ytimen jakaminen vapauttaa kuitenkin paljon enemmän energiaa kuin energia, kun elektronit palaavat alemmalle kiertoradalle korkeammalta kiertoradalta. Tätä energiaa voidaan käyttää tuhoaviin tarkoituksiin tai turvallisiin ja tuottaviin tarkoituksiin. Atomin jakamista kutsutaan ydinfissioksi, prosessi, joka löydettiin vuonna 1938; Atomien toistuvaa halkeamista fissioissa kutsutaan ketjureaktioksi. Vaikka monilla ihmisillä ei ole laitteita tähän, jos olet kiinnostunut halkaisuprosessista, tässä on yhteenveto.

Vaihe

Osa 1/2: Perusfissio

Vaihe 1. Valitse oikea isotooppi

Jotkut alkuaineet tai niiden isotoopit hajoavat radioaktiivisesti. Kaikki isotoopit eivät kuitenkaan ole yhtä helppoja katkaista. Yleisimmin käytetty uraanin isotooppi, jonka atomipaino on 238, ja joka koostuu 92 protonista ja 146 neutronista, mutta sen ytimellä on taipumus absorboida neutroneja jakamatta muiden alkuaineiden pienempiin ytimiin. Uraanin isotooppi, jossa on kolme vähemmän neutroneja, ²³⁵U, voi olla paljon helpompi katkaista kuin isotoopit ²³⁸U; Tällaisia isotooppeja kutsutaan halkeamiskelpoisiksi materiaaleiksi.

Jotkut isotoopit voidaan katkaista erittäin helposti, niin nopeasti, että jatkuvaa fissioreaktiota ei voida ylläpitää. Tätä kutsutaan spontaaniksi halkeamiseksi; plutonium -isotooppi ²⁴⁰Pu on esimerkki tästä isotoopista, toisin kuin isotooppi ²³⁹Pu hitaammalla halkeamisnopeudella.

Vaihe 2. Hanki tarpeeksi isotooppeja varmistaaksesi, että fissio jatkuu ensimmäisen atomin halkeamisen jälkeen

Tämä edellyttää tietyn vähimmäismäärän isotooppimateriaalin jakamista auki halkeamisreaktion tapahtu- miseksi; Tätä määrää kutsutaan kriittiseksi massaksi. Kriittisen massan saaminen vaatii isotoopille lähdemateriaalia, jotta halkeamisen todennäköisyys kasvaa.

Joskus on tarpeen lisätä näytteessä olevan halkaistun isotooppimateriaalin suhteellista määrää sen varmistamiseksi, että jatkuva halkeamisreaktio voi tapahtua. Tätä kutsutaan rikastamiseksi, ja näytteen rikastamiseen käytetään useita menetelmiä. (Lisätietoja uraanin rikastamiseen käytetyistä menetelmistä on wikiHow Uraniumin rikastaminen.)

Vaihe 3. Ammu halkaistun isotooppimateriaalin ydin subatomisilla hiukkasilla toistuvasti

Yksittäiset subatomiset hiukkaset voivat osua atomeihin ²³⁵U, jakamalla se toisen elementin kahteen erilliseen atomiin ja vapauttamalla kolme neutronia. Näitä kolmen tyyppisiä subatomisia hiukkasia käytetään usein.

• Protoni. Näillä subatomisilla hiukkasilla on massa ja positiivinen varaus. Protonien määrä atomissa määrää atomin elementin.
• Neutronit. Näillä subatomisilla hiukkasilla on massa protoneina, mutta niillä ei ole varausta.
• Alfahiukkaset. Tämä hiukkanen on heliumatomin ydin, osa sen ympärillä pyörivistä elektroneista. Tämä hiukkanen koostuu kahdesta protonista ja kahdesta neutronista.

Osa 2/2: Atomifissiomenetelmä

Vaihe 1. Ammu yksi saman isotoopin atomi (ydin) toiseen

Koska heikkoja subatomisia hiukkasia on vaikea päästä läpi, tarvitaan usein voima, joka pakottaa hiukkaset pois atomeistaan. Yksi tapa tehdä tämä on ampua tietyn isotoopin atomit saman isotoopin muihin atomeihin.

Tätä menetelmää käytettiin atomipommin luomiseen ²³⁵U putosi Hiroshimaan. Aseita, kuten aseita, joissa on uraanisydämiä ja jotka ampuvat atomeja ²³⁵U atomilla ²³⁵Toinen U kantaa materiaalia niin suurella nopeudella, että se saa vapautuneet neutronit osumaan atomin ytimeen ²³⁵toinen U ja tuhoa se. Atomin jakautuessa vapautuneet neutronit voivat vuorotellen lyödä ja halkaista atomin ²³⁵muu U.

Vaihe 2. Purista atominäyte tiukasti ja tuo atomimateriaali lähemmäs toisiaan

Joskus atomit hajoavat liian nopeasti, jotta niitä voidaan ampua toisiinsa. Tässä tapauksessa atomien saattaminen lähemmäs toisiaan lisää mahdollisuuksia, että vapautuneet subatomiset hiukkaset osuvat ja jakautuvat muihin atomeihin.

Tätä menetelmää käytettiin atomipommin luomiseen ²³⁹Pu putosi Nagasakiin. Tavalliset räjähdykset ympäröivät plutoniumin massaa; räjähdyksen aikana räjähdys ajaa plutoniumimassan, joka kuljettaa atomit ²³⁹Pu lähestyy niin, että vapautuneet neutronit jatkavat osumista ja halkeamista atomeihin ²³⁹muu pu.

Vaihe 3. Viritä elektronit lasersäteellä

Petawattlaserin (10¹⁵ wattia), nyt on mahdollista jakaa atomit lasersäteellä radioaktiivista ainetta ympäröivän metallin elektronien herättämiseksi.

• Kalifornian Lawrence Livermore Laboratoryn vuonna 2000 tehdyssä testissä uraani käärittiin kultaan ja asetettiin kuparisuutimeen. 260 joulen infrapunalasersäde pulssi osuu kirjekuoreen ja koteloon jännittäen elektroneja. Kun elektronit palaavat normaalille kiertoradalleen, ne vapauttavat suuren energian gammasäteilyä, joka tunkeutuu kullan ja kuparin ytimiin, vapauttaen neutroneja, jotka tunkeutuvat kultakerroksen alla oleviin uraaniatomeihin ja jakavat ne erilleen. (Sekä kulta että kupari muuttuivat radioaktiivisiksi kokeen seurauksena.)
• Samanlaisia testejä tehtiin Rutherford Appleton Laboratoriossa Yhdistyneessä kuningaskunnassa käyttäen 50 terawattia (5 x 10¹² wattia) laser, joka on suunnattu tantaalilevylle, jonka takana on erilaisia materiaaleja: kaliumia, hopeaa, sinkkiä ja uraania. Osa kaikkien näiden materiaalien atomeista jaettiin onnistuneesti.

Varoitus

• Tiettyjen liian nopeiden isotooppien tiettyjen halkeamien lisäksi pienemmät räjähdykset voivat tuhota halkeamiskelpoisen materiaalin ennen kuin räjähdys saavuttaa odotetun jatkuvan reaktionopeuden.
• Kuten kaikkien muidenkin laitteiden kohdalla, noudata vaadittuja turvatoimenpiteitä äläkä tee mitään, mikä vaikuttaa vaaralliselta. Ole varovainen.