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 na 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 njegova jezgra nastoji apsorbirati neutrone bez cijepanja u manje jezgre drugih elemenata. Izotop urana koji ima tri neutrona manje, 235U, može se puno lakše cijepati od izotopa 238U; Takvi se izotopi nazivaju cijepljivim materijalima.
Neki se izotopi mogu vrlo lako cijepati, tako brzo da se ne može održati kontinuirana reakcija fisije. To se naziva spontana fisija; izotopa plutonija 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
To 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 fisiju.
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 obogaćivanje i postoji nekoliko metoda za obogaćivanje uzorka. (Za metode koje se koriste za obogaćivanje urana pogledajte wikiKako obogatiti uran.)
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 često se 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 se čestica sastoji od dva protona i dva neutrona.
Dio 2 od 2: Metoda atomske fisije
Korak 1. Pucajte iz jedne atomske jezgre (jezgre) istog izotopa u drugu
Budući da je teško proći kroz tanke subatomske čestice, često je potrebna sila da se čestice istisnu iz njihovih atoma. Jedna od metoda za to je pucanje atoma danog izotopa na druge atome istog izotopa.
Ova metoda je korištena za stvaranje atomske bombe 235Upali ste u Hirošimu. Oružje poput oružja s jezgrama urana, koje pucaju u atome 235U na atomu 235Drugi U nosi materijal tako velikom brzinom da izaziva oslobađanje neutrona u jezgru atoma 235drugi U i uništiti ga. Neutroni koji se oslobađaju pri razdvajanju atoma mogu se izmjenjivati udarajući i cijepajući atom 235drugi U.
Korak 2. Čvrsto stisnite atomski uzorak, zbližavajući 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 plutonija 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 razdvojiti atome pomoću laserskog snopa za pobudu elektrona u metalu koji okružuje radioaktivnu tvar.
- U testu 2000. godine u laboratoriju 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 visokoenergetsko gama zračenje 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 s različitim materijalima iza sebe: kalij, srebro, cink i uran. 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 postupke i nemojte činiti ništa što se čini rizičnim. Budi oprezan.
