Atomi mogu dobiti ili izgubiti energiju kada se elektron pomakne s više orbite na nižu orbitu oko jezgre. Međutim, cijepanjem jezgre atoma oslobodit će se mnogo više energije nego energija kada se elektroni vrate u nižu orbitu s više orbite. Ta se energija može koristiti u destruktivne svrhe ili u sigurne i produktivne svrhe. Cijepanje atoma naziva se nuklearna fisija, proces otkriven 1938. godine; Ponovljeno cijepanje atoma u fisiji naziva se lančana reakcija. Iako mnogi ljudi nemaju opremu za to, ako vas zanima proces razdvajanja, evo sažetka.
Korak
1. dio 2: Osnovna atomska fisija
Korak 1. Odaberite pravi izotop
Neki elementi ili njihovi izotopi podliježu radioaktivnom raspadu. Međutim, nisu svi izotopi stvoreni jednaki u smislu njihove lakoće cijepanja. Najčešće korišteni izotop urana ima atomsku težinu 238, sastoji se od 92 protona i 146 neutrona, ali njegovo jezgro teži apsorbiranju neutrona bez cijepanja u manja jezgra drugih elemenata. Izotop urana koji ima tri neutrona manje, 235U, može se mnogo lakše cijepati od izotopa 238U; Takvi se izotopi nazivaju cijepljivim materijalima.
Neki se izotopi mogu odcijepiti vrlo lako, tako brzo da se ne može održati kontinuirana reakcija fisije. To se naziva spontana fisija; izotopa plutonijuma 240Pu je primjer tog izotopa, za razliku od izotopa 239Pu sa sporijom stopom fisije.
Korak 2. Nabavite dovoljno izotopa kako biste osigurali da će se fisija nastaviti nakon prvog razdvajanja atoma
Ovo zahtijeva određenu minimalnu količinu izotopskog materijala da se otvori kako bi došlo do reakcije fisije; Ta se količina naziva kritična masa. Dobivanje kritične mase zahtijeva izvorni materijal za izotop, kako bi se povećale šanse za nastanak fisije.
Ponekad je potrebno povećati relativnu količinu podijeljenog izotopskog materijala u uzorku kako bi se osiguralo da može doći do kontinuirane reakcije fisije. To se naziva obogaćivanjem i postoji nekoliko metoda za obogaćivanje uzorka. (Za metode koje se koriste za obogaćivanje uranijuma pogledajte wikiKako obogatiti uranij.)
Korak 3. Uzastopno snimajte jezgru podijeljenog izotopskog materijala subatomskim česticama
Pojedine subatomske čestice mogu pogoditi atome 235U, cijepajući ga na dva odvojena atoma drugog elementa i oslobađajući tri neutrona. Ove tri vrste subatomskih čestica se često koriste.
- Proton. Ove subatomske čestice imaju masu i pozitivan naboj. Broj protona u atomu određuje element atoma.
- Neutroni. Ove subatomske čestice imaju masu kao protoni, ali nemaju naboj.
- Alfa čestice. Ova čestica je jezgra atoma helija, dio elektrona koji se okreću oko nje. Ova čestica se sastoji od dva protona i dva neutrona.
Dio 2 od 2: Metoda atomske fisije
Korak 1. Pucajte u jedno atomsko jezgro (jezgro) istog izotopa u drugo
Budući da je teško proći kroz tanke subatomske čestice, često je potrebna sila da se čestice istisnu iz njihovih atoma. Jedna metoda za to je da se atomi datog izotopa ispucaju na druge atome istog izotopa.
Ova metoda je korištena za stvaranje atomske bombe 235Upali ste u Hirošimu. Oružje poput oružja sa jezgrom uranijuma koje puca na atome 235U na atomu 235Drugi U nosi materijal tako velikom brzinom da izaziva oslobađanje neutrona u jezgru atoma 235drugi U i uništite ga. Neutroni koji se oslobađaju pri razdvajanju atoma mogu naizmjenično udarati i cijepati atom 235drugi U.
Korak 2. Čvrsto stisnite atomski uzorak, približavajući atomski materijal
Ponekad se atomi raspadaju prebrzo da bi mogli ispaliti jedan na drugi. U ovom slučaju, približavanje atoma povećava šanse da oslobođene subatomske čestice udaraju i cijepaju druge atome.
Ova metoda je korištena za stvaranje atomske bombe 239Pu je pao na Nagasaki. Uobičajene eksplozije okružuju masu plutonija; kada se detonira, eksplozija pokreće masu plutonijuma noseći atome 239Pu se približava tako da će oslobođeni neutroni nastaviti udarati i cijepati atome 239drugi pu.
Korak 3. Uzbudite elektrone laserskim zrakom
Razvojem petawatt lasera (1015 vati), sada je moguće podijeliti atome pomoću laserskog snopa za pobudu elektrona u metalu koji okružuje radioaktivnu tvar.
- U testu 2000. godine u laboratoriji Lawrence Livermore u Kaliforniji, uran je umotan u zlato i stavljen u bakreni lončić. Impuls infracrvenog laserskog snopa od 260 džula pogađa omotač i kućište, uzbuđujući elektrone. Dok se elektroni vraćaju na svoje normalne orbite, oslobađaju gama-zračenje visoke energije koje prodire u jezgre zlata i bakra, oslobađajući neutrone koji prodiru u atome urana ispod sloja zlata i razdvajaju ih. (I zlato i bakar postali su radioaktivni kao rezultat eksperimenta.)
- Slična ispitivanja provedena su u laboratoriju Rutherford Appleton u Velikoj Britaniji koristeći 50 teravata (5 x 1012 vati) laser usmjeren na tantalovu ploču sa raznim materijalima iza sebe: kalijem, srebrom, cinkom i uranijumom. Dio atoma svih ovih materijala uspješno je podijeljen.
Upozorenje
- Osim određenih fisija određenih izotopa koje su prebrze, manje eksplozije mogu uništiti cijepljivi materijal prije nego što eksplozija dosegne očekivanu postojanu brzinu reakcije.
- Kao i sa svakom drugom opremom, slijedite potrebne sigurnosne procedure i nemojte raditi ništa što izgleda rizično. Budi pazljiv.
