مثال على الطاقة الذرية

الطاقة الذرية هي القدرة على القيام بعمل ، تم الحصول عليها من اضمحلال ذرات العناصر المشعة. يتم الحصول عليها بفضل تحفيز هذا التفكك.

الطاقة في العمليات النووية

تكون التفاعلات الكيميائية مصحوبة بتنوع في الطاقة ، بشكل عام في شكل حرارة ، والتي ينطلق (تفاعلات طاردة للحرارة) أو يمتص (تفاعلات ماصة للحرارة). عندما تتكون مادة من العناصر المكونة لها ، تنطلق الحرارة (الحرارة الإيجابية للتكوين) ، على الرغم من أنه في بعض الحالات ، مثل الحصول على الأوزون من الأكسجين الذري ، سيكون هناك إطلاق الحار.

إذا تم تطبيق هذه الأفكار نفسها على التكوين (المفترض) للنواة الذرية من البروتونات والنيوترونات ، فمن الواضح أن الطاقة ستنطلق في هذا التكوين ، مع الأخذ في الاعتبار طبيعة الروابط المعنية ، ستكون الطاقة المنبعثة هنا أكبر بكثير ، لدرجة أن فقدان الكتلة الذي سيصاحب تغير الطاقة المذكور هو بالفعل تأمل. (وفقًا لمبدأ أينشتاين ، فإن التغيير في الطاقة ΔE يعادل التغير في الكتلة Δm ، بحيث تكون ΔE = Δm * C²حيث C هي سرعة الضوء).

وهكذا ، على سبيل المثال ، بالنسبة لعنصر Lithium Li-7 ، المكون من 3 بروتونات و 4 نيوترونات ، في تكوين ذرة جرام من نوى ليثيوم للكتلة الذرية 7 ، سيكون لدينا:

3 بروتونات = 3 * 1.00756 جم = 3.02268 جم

4 نيوترونات = 4 * 1.00893 جم = 4.03572 جم

نتيجة المجموع 7.05840 جم.

تبلغ قيمة الكتلة الذرية لليثيوم 7 7.01645 جم

ويترتب على ذلك ، بمقارنة القيم ، أن التغير في الكتلة Δm = 0.04195 جم ، وهي تساوي 9.02 * 10¹¹ السعرات الحرارية ، محسوبة بمعادلة أينشتاين ΔE = Δm * C².

يعطي التفاعل الافتراضي لتكوين النوى من البروتونات والنيوترونات كمية هائلة من الطاقة ، ملايين المرات متفوقة على التفاعلات الكيميائية العادية الأكثر طاردة للحرارة.

كل نواة جسيم س النوكليون (بروتون أو نيوترون)، لكونها جزءًا من أي نواة ، فقد تعرضت لفقدان الكتلة ، وهو أمر غير ثابت ، ولكن له قيمة قصوى للعناصر الوسيطة للنظام الدوري للأعداد الذرية من 20 إلى 51 ، ثم يتناقص ببطء مع زيادة العدد الذري.

القنبلة الذرية

يقسم اليورانيوم 235 والبلوتونيوم 239 بالقصف النيوتروني ، وينبعثان من كميات هائلة من الطاقة ، ويطلقان نيوترونات جديدة.

إن شرط حدوث عملية الضرب هو أن أكثر من نيوترون واحد ينتج في كل انقسام قادر على إنتاج انقسام أو انقسام جديد.

في ال كومة اليورانيوم، فإن النيوترونات المنتجة تهرب جزئيًا عبر سطح المادة ويتم امتصاصها جزئيًا بواسطة اليورانيوم 238 لتشكيل النظير الثقيل اليورانيوم 239 ، والذي يتحلل على التوالي إلى النبتونيوم و البلوتونيوم.

ولكن إذا كان اليورانيوم 235 النقي أو البلوتونيوم 239 ، فإن احتمال فقدان النيوترونات من خلال السطح نفسه يؤدي إلى معرفة الحجم الحرج ضروري للتفاعل المتسلسل ليتطور بداخله.

ال الحجم الحرج من العينة هو الذي يتطور فيه التفاعل المتسلسل ، الذي ينقسم الذرة ، على الفور تقريبًا.

إذا كانت عينة المادة القابلة للانقسام (قابلة للقسمة بواسطة القصف النيوتروني) ذات قطر أصغر من المسار المتوسط ​​الذي يجب أن يجتازه نيوترون سريع لإنتاج عملية الانقسام ، من المفهوم أن النيوترونات المنتجة في الانقسامات العرضية عن طريق النيوترونات المتنقلة سوف تهرب عبر السطح دون مهاجمة أي شيء آخر. النواة.

على العكس من ذلك ، إذا كانت العينة أكبر من الحجم الحرج ، فإن النيوترونات المنتجة أحيانًا في طريقها إلى من خلاله ، سيكون لديهم احتمال كبير لتقسيم نوى جديدة ، وبالتالي الاستمرار ، بمعدل متسارع ، في عملية قطاع.

إذا كانت العينة أكبر من الحجم الحرج ، فإنها ستعاني من انفجار فوري ، بينما إذا كانت أصغر ستنتج انقسامًا بطيئًا ، ومع ذلك ، يجب تجنبه. لهذا الغرض ، يتم حفظ المادة القابلة للكسر في طبقات رقيقة داخل حاويات الكادميوم التي يتم حفظها داخل الماء ؛ سيتم إبطاء النيوترونات العرضية عن طريق الماء ثم يتم التقاطها بواسطة الكادميوم قبل أن تصل إلى المادة المحمية.

إذا تم خلط عدة قطع من المادة القابلة للكسر بسرعة ، كل واحدة أصغر إلى حد ما من الحجم الحرج ، يتم تكوين كتلة واحدة (قنبلة ذرية) ، والتي تنفجر على الفور. يجب أن تكون السرعة التي يجب أن تلتقي بها قطع المادة القابلة للكسر عالية جدًا لتجنب ذلك عندما يبدأ التفاعل السلسلة ، كونها قريبة جدًا ، تعمل الطاقة المنبعثة على تشتيت قطع المواد المذكورة قبل ملامستها تمامًا.

هناك قطعتان من المواد القابلة للكسر محمية بشكل كافٍ باستخدام كاسحات نيوترونية وتفصل بينهما بضعة سنتيمترات. في اللحظة المناسبة ، يتم إطلاق إحدى القطعتين على الأخرى بسرعة قذيفة سريعة.

تفاصيل بناء وآلية القنبلة الذرية التجريبية التي انفجرت في ساعة مبكرة من صباح يوم 16 يوليو / تموز ، عام 1945 في صحراء نيو مكسيكو ، قادهم البروفيسور أوبنهايمر ، عالم الفيزياء النظرية في جامعة كاليفورنيا.

تم تشكيل القنبلتين اللتين أسقطتا بعد أسابيع على اليابان، الأول لليورانيوم 235 والثاني للبلوتونيوم.

على الرغم من أن الطاقة المنبعثة من انقسام نواة اليورانيوم تُحسب بحوالي 200 مليون إلكترون فولت ، أي حوالي 2 × 10¹⁰ سعر حراري لكل كيلوغرام من اليورانيوم المشقوق ، يبقى 1-5 ٪ فقط صالحًا للاستخدام ، وهو ما يتوافق مع a الطاقة التفجيرية المتاحة لكل كيلوغرام من اليورانيوم 235 ما يعادل 300 طن من ثلاثي نيتروتولوين (تي إن تي ، تريليتا)

تضاف إلى الموجة المتفجرة التي نشأت في انفجار القنبلة الذرية التأثيرات الحارقة الرهيبة الناتجة عن إشعاع غاما المكثف المنبعث ، والذي يحدد كيفية تصغير الشمس ، وإن كان لفترة وجيزة المدة الزمنية.

ال الدمار الناجم عن القنابل المعزولة فوق مدينتي هيروشيما وناجازاكي اليابانيتين دليل على الطاقة الذرية الهائلة التي تنطلق في التفكك الذري.

ومع ذلك ، من المأمول أن يتم استخدام الطاقة الذرية في الاستخدامات السلمية في المستقبل ، خاصة في الحالات التي يكون فيها تركيزًا كبيرًا للطاقة بكميات صغيرة أمرًا مرغوبًا فيه من المواد.

أمثلة على تطبيقات الطاقة الذرية

توليد الطاقة الحرارية

توليد الطاقة الميكانيكية

توليد الطاقة الكهربائية

أغراض الحرب بالقنبلة الذرية

تصادم الجسيمات دون الذرية

تجربة التقنيات الجديدة

في التعدين ، لتفجير المواد

للبحث عن مواد جديدة