Primer atomske energije

Atomska energija je sposobnost opravljanja dela, pridobljeno z razpadom atomov radioaktivnih elementov. Dobimo ga zaradi stimulacije tega razpada.

Energija v jedrskih procesih

Kemične reakcije spremlja variacija energije, običajno v obliki toplote, ki izloči (eksotermne reakcije) ali se absorbira (endotermne reakcije). Ko se snov tvori iz sestavnih elementov, se odda toplota (pozitivna toplota tvorbe), Čeprav bi v nekaterih primerih, na primer pri pridobivanju ozona iz atomskega kisika, prišlo do sproščanja vroče.

Če te iste ideje uporabimo za (predvideno) tvorbo atomskih jeder iz protonov in nevtronov, je jasno, da se bo pri tej tvorbi sprostila energija in glede na Narava vpletenih povezav bo tu sproščena energija bistveno večja, tako da je izguba mase, ki bo spremljala omenjeno variacijo energije, že premišljeno. (Po Einsteinovem principu je sprememba energije ΔE enaka spremembi mase Δm, tako da je ΔE = Δm * C², kjer je C hitrost svetlobe).

Tako bomo na primer za element litij Li-7, ki ga tvorijo 3 protoni in 4 nevtroni, pri tvorbi gram-atoma litijevih jeder atomske mase 7 imeli:

3 protoni = 3 * 1,00756 g = 3,02268 g

4 nevtroni = 4 * 1,00893 g = 4,03572 g

Rezultat vsote je 7,05840 g.

Atomska masa litija-7 ima vrednost 7,01645 g

Če primerjamo vrednosti, sledi, da je sprememba mase Δm = 0,04195 g in so enake 9,02 * 10¹¹ kalorij, izračunanih z Einsteinovo enačbo ΔE = Δm * C².

Hipotetična reakcija tvorbe jedra iz protonov in nevtronov oddaja ogromno energije, milijone krat boljši od večine eksotermnih običajnih kemičnih reakcij.

Vsak delec jedra o nukleon (proton ali nevtron), ker je del katerega koli jedra, je doživelo izgubo mase, ki ni konstantna, ima pa največjo vrednost za vmesne elemente periodnega sistema atomskih številk od 20 do 51, nato pa se z naraščajočim številom počasi zmanjšuje atomski.

Atomska bomba

Uran 235 in plutonij 239 se delita z nevtronskim bombardiranjem in oddajata ogromne količine energije ter sproščata nove nevtrone.

Pogoj za proces množenja je, da je več kot en nevtron, ki nastane pri vsakem cepitju, sposoben proizvesti novo cepitev ali delitev.

V Uranov sklad, proizvedeni nevtroni delno uidejo skozi površino materiala in se delno absorbirajo z uranom 238, da nastane težki izotop uran 239, ki zaporedoma razpade v neptunij in plutonij.

Toda če gre za čisti uran 235 ali plutonij 239, možnost izgube nevtronov skozi površino istega vodi do spoznanja Kritična velikost potrebna za razvoj verižne reakcije v njej.

The Kritična velikost Vzorec je tisti, v katerem se skoraj takoj razvije verižna reakcija, ki razdeli atom.

Če ima vzorec cepljivega materiala (deljiv z nevtronskim bombardiranjem) premer manjši od povprečne poti, ki jo mora prehoditi hitri nevtron, da proizvede cepitveni proces, se razume, da bodo nevtroni, ki nastanejo v občasnih razcepih s potujočimi nevtroni, pobegnili skozi površino, ne da bi napadli katerega koli drugega jedro.

Nasprotno, če je vzorec večji od kritične velikosti, občasno proizvedeni nevtroni na poti skozi preko nje bodo imeli veliko verjetnost, da bodo razcepili nova jedra in tako pospešeno nadaljevali proces divizije.

Če je vzorec večji od kritične velikosti, bo utrpel takojšnjo eksplozijo, če pa je manjši, bo prišlo do počasnega cepljenja, ki pa se mu je treba izogniti. Za to se cepljivi material hrani v tankih plasteh v kadmijevih posodah, ki se hranijo v vodi; občasne vpadne nevtrone bo voda upočasnila, nato pa jih kadmij zajel, preden bodo lahko dosegli zaščiteni material.

S hitrim mešanjem različnih kosov cepljivega materiala, od katerih je vsak nekoliko manjši od kritične velikosti, nastane ena sama masa (atomska bomba), ki takoj eksplodira. Hitrost, s katero je treba zbrati koščke cepljivega materiala, mora biti zelo visoka, da se prepreči, ko se reakcija začne v Ker je veriga zelo blizu, sproščena energija razprši koščke omenjenega materiala, preden pride v celoti v stik.

Obstajata dva kosa cepljivega materiala, ki sta ustrezno zaščitena s snovmi, ki lovijo nevtrone in sta narazen nekaj centimetrov. V primernem trenutku se ena od kosov izstreli na drugo s hitrostjo hitrega izstrelka.

Podrobnosti o konstrukciji in mehanizmu eksperimentalne atomske bombe, ki je eksplodirala zgodaj zjutraj 16. 1945 v puščavi Nove Mehike jih je vodil profesor Oppenheimer, teoretični fizik na Univerzi v Kalifornija.

Dve bombi, odvrženi tedne pozneje na Japonsko, sta bili sestavljeni, prvi za uran 235 in drugi za plutonij.

Čeprav je energija, ki se sprosti pri cepitvi uranovega jedra, izračunana na približno 200 milijonov elektron-voltov, to je približno 2x10¹⁰ Kilokalorij na kilogram cepljenega urana ostane uporabnega le 1-5 %, kar ustreza razpoložljiva eksplozivna energija na kilogram U-235, ki ustreza približno 300 tonam trinitrotoluena (TNT, trilita)

Eksplozivnemu valu, ki je nastal pri eksploziji atomske bombe, so dodani strašni vžigalni učinki ki ga povzroča intenzivno oddano gama sevanje, ki določa, kako miniaturno Sonce, čeprav na kratko trajanje.

The opustošenje, ki so ga povzročile izolirane bombe nad japonskimi mesti Hirošima in Nagasaki so dokaz ogromne atomske energije, ki se sprošča pri atomskem razpadu.

Vendar je upati, da se bo atomska energija v prihodnosti lahko uporabljala v miroljubne namene, zlasti v primerih, ko je zaželena velika koncentracija energije v majhni količini materiala.

Primeri aplikacij za atomsko energijo

Proizvodnja toplotne energije

Mehanska proizvodnja energije

Proizvodnja električne energije

Vojni nameni z atomsko bombo

Trk subatomskih delcev

Eksperimentiranje za nove tehnologije

V rudarstvu, za peskanje materiala

Za raziskovanje novih materialov