דוגמה לאנרגיה אטומית

אנרגיה אטומית היא היכולת לעשות עבודה, שהושג מריקבון אטומי היסודות הרדיואקטיביים. זה מתקבל הודות לגירוי של התפרקות זו.

אנרגיה בתהליכים גרעיניים

תגובות כימיות מלוות בוואריאציה של אנרגיה, בדרך כלל בצורה של חום, אשר יורד (תגובות אקסותרמיות) או נספג (תגובות אנדותרמיות). כאשר חומר נוצר מהיסודות המרכיבים, נותנים לו חום (Heat Positive Formation), למרות שבמקרים מסוימים, כמו למשל בהשגת אוזון מחמצן אטומי, יהיה שחרור של חַם.

אם אותם רעיונות מוחלים על היווצרותם (ההנחה) של גרעינים אטומיים מפרוטונים ונייטרונים, ברור כי אנרגיה תשוחרר בתצורה זו, ותינתן אופי הקישורים המעורבים, האנרגיה המשתחררת כאן תהיה גדולה במידה ניכרת, עד כדי כך שאובדן המסה שילווה את וריאציית האנרגיה האמורה כבר מהורהר. (על פי העיקרון של איינשטיין, השינוי באנרגיה ΔE שווה ערך לשינוי במסה Δm, כך ש- ΔE = Δm * C², כאשר C היא מהירות האור).

כך, למשל, עבור היסוד ליתיום Li-7, שנוצר על ידי 3 פרוטונים ו -4 נויטרונים, ביצירת גרם אטום של גרעיני ליתיום בעלי מסה אטומית 7, יהיה לנו:

3 פרוטונים = 3 * 1.00756 גרם = 3.02268 גרם

4 נויטרונים = 4 * 1.00893 גרם = 4.03572 גרם

תוצאת הסכום היא 7.05840 גרם.

למסה האטומית של ליתיום -7 ערך של 7.01645 גרם

מכאן נובע, בהשוואת הערכים, כי השינוי במסה Δm = 0.04195 גרם, והם שווים ל- 9.02 * 10¹¹ קלוריות, מחושבות במשוואת איינשטיין ΔE = Δm * C².

התגובה ההיפותטית של יצירת גרעינים מפרוטונים ונויטרונים נותנת כמות אנרגיה עצומה, מיליוני פעמים עדיף על זה של תגובות כימיות רגילות יותר אקזותרמיות.

כל חלקיק גרעין o גרעין (פרוטון או נויטרון)בגלל היותו חלק מכל גרעין, הוא חווה אובדן מסה, שאינו קבוע, אך בעל ערך מקסימלי עבור יסודות הביניים של המערכת המחזורית של המספרים האטומיים 20 עד 51, ואז יורד לאט עם הגדלת המספר אָטוֹמִי.

פצצת האטום

אורניום 235 ופלוטוניום 239 מתחלקים בהפצצת נויטרונים ופולטים כמויות אדירות של אנרגיה ומשחררים נויטרונים חדשים.

התנאי לתהליך הכפל הוא כי יותר מנויטרון אחד המיוצר בכל מחשוף מסוגל לייצר מחשוף או חלוקה חדשים.

בתוך ה ערימת אורניום, הנויטרונים המיוצרים נמלטים בחלקם דרך פני החומר ונספגים בחלקם על ידי אורניום 238 ליצירת האיזוטופ הכבד אורניום 239, שמתפרק ברציפות לנפטוניום ול פּלוּטוֹנִיוּם.

אבל אם זה אורניום 235 טהור או פלוטוניום 239, האפשרות לאובדן של נויטרונים דרך פני השטח של אותו מובילה לדעת את גודל קריטי הכרחי כדי שתגובת השרשרת תתפתח בתוכה.

ה גודל קריטי של המדגם הוא זה שבו תגובת השרשרת, פיצול האטום, מתפתחת כמעט מיד.

אם לדגימת החומר הניתק (הניתנת לחלוקה בהפצצת נויטרונים) יש קוטר קטן יותר מהמסלול הממוצע שעליו נויטרון מהיר צריך לעבור כדי לייצר תהליך המחשוף, מובן כי הנויטרונים המיוצרים בחלקים מזדמנים על ידי נויטרונים נודדים יימלטו דרך פני השטח מבלי לתקוף אף אחד אחר הליבה.

נהפוך הוא, אם המדגם גדול מהגודל הקריטי, הניטרונים המופקים מדי פעם, בדרך ל באמצעותו, תהיה להם סבירות רבה לפצל גרעינים חדשים, ובכך להמשיך בקצב מואץ, את תהליך חֲלוּקָה.

אם דגימה גדולה מהגודל הקריטי, היא תסבול מפיצוץ מיידי, ואילו אם היא קטנה יותר היא תייצר מחשוף איטי, עם זאת, יש להימנע ממנה. לשם כך, החומר הניתק נשמר בשכבות דקות בתוך מיכלי קדמיום שנשמרים בתוך מים; נייטרונים תקרית מזדמנים יואטו על ידי המים ואז יתפסו על ידי קדמיום לפני שהם יכולים להגיע לחומר המוגן.

אם מערבבים במהירות כמה חלקים של חומר שניתק, כל אחד מהם קצת יותר קטן מהגודל הקריטי, נוצרת מסה אחת (פצצת אטום) שמתפוצצת מיד. המהירות שבה חייבות פיסות החומר הניתנות להיפסק חייבת להיות גבוהה מאוד כדי למנוע זאת כאשר התגובה מתחילה שרשרת, בהיותה קרובה מאוד, האנרגיה המשתחררת מפזרת את חלקי החומר האמור לפני שהיא באה במגע לחלוטין.

ישנן שתי חתיכות חומר ניתקות לניתוק המוגנות כראוי באמצעות נבלות נויטרונים ובמרחק של כמה סנטימטרים. ברגע המתאים אחד החלקים נורה על השני במהירות של קליע מהיר.

פרטי הבנייה והמנגנון של פצצת האטום הניסיונית שהתפוצצה בשעות הבוקר המוקדמות של 16 ביולי, בשנת 1945 במדבר ניו מקסיקו הובל אותם פרופסור אופנהיימר, פיזיקאי תיאורטי באוניברסיטת קליפורניה.

שתי הפצצות שהוטלו שבועות לאחר מכן נגד יפן הוקמו, הראשון לאורניום 235 והשני לפלוטוניום.

למרות שהאנרגיה המשתחררת במחשוף גרעין אורניום מחושבת בכ- 200 מיליון וולט אלקטרונים, כלומר בערך 2x10¹⁰ קילוקלוריות לקילוגרם של אורניום ביקוע, רק 1-5% נותרים שמישים, מה שמתאים לא אנרגיה מתפרצת זמינה לקילוגרם U-235 המקבילה לזו של כ -300 טון טריניטרוטולואן (TNT, טריליטה)

לגל הנפץ שמקורו בהתפוצצות הפצצה האטומית מתווספות השפעות התבערה האיומות מיוצר על ידי קרינת הגמא העזה הנפלטת, הקובעת כיצד שמש מיניאטורית, אם כי בקצרה מֶשֶׁך.

ה הרס שנגרם מפצצות בודדות מעל הערים היפניות הירושימה ונגסאקי הם הוכחה לאנרגיה האטומית העצומה שמשתחררת בהתפרקות אטומית.

אולם יש לקוות כי ניתן ליישם את האנרגיה האטומית לשימושים שלווים בעתיד, במיוחד במקרים בהם רצוי ריכוז גדול של אנרגיה בכמות קטנה של חומר.

דוגמאות ליישומי אנרגיה אטומית

ייצור חשמל תרמי

ייצור כוח מכני

ייצור חשמל

מטרות מלחמה עם הפצצה האטומית

התנגשות חלקיקים תת-אטומית

ניסויים לטכנולוגיות חדשות

בכרייה, לצורך פיצוץ חומר

לחקר חומרים חדשים