Κατά τον Δημόκριτο, που ήταν και ο θεμελιωτής της ατομικής θεωρίας, το άτομο ήταν και άτμητο. Σήμερα, όμως ξέρουμε ότι η διάσπαση του ατόμου είναι ένα γεγονός και μπορούμε, αφού τη μελετήσουμε, να δούμε τα τεράστια αποτελέσματά της.
Το 1896 ο Becquerel (Γάλλος Φυσικός, Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1939) ανακάλυψε ότι ορυκτά του ουρανίου χωρίς καμιά εξωτερική επίδραση, εκπέμπουν ακτινοβολία, που προκαλεί μαύρισμα των φωτογραφικών πλακών, εκφόρτιση ηλεκτροσκοπίου κλπ.
Το φαινόμενο αυτό το κάλεσαν ραδιενέργεια και διαπίστωσαν ότι παρουσιάζεται σε ορισμένα στοιχεία που βρίσκονται στο τέλος του περιοδικού πίνακα και γι' αυτό λέγονται "ραδιενεργά στοιχεία".
Με μετέπειτα πειράματα διαπιστώθηκε ότι η ακτινοβολία αυτή, που οφείλεται σε διάσπαση των πυρήνων των ατόμων των ραδιενεργών στοιχείων, όπως διαπιστώθηκε αργότερα, αποτελείται από:
Κατά τη διάσπαση του πυρήνα του ατόμου ο πυρήνας που διασπάται λέγεται μητρικός και ο πυρήνας που παίρνουμε λέγεται θυγατρικός πυρήνας. Μεταξύ των δύο αρχικών σωματιδίων (πυρήνα και βλήματος) και των τελικών προϊόντων της διάσπασης μπορεί να γραφεί μια εξίσωση, παρόμοια με τις αντιδράσεις της Χημείας, που λέγεται Πυρηνική αντίδραση.
Κατά τις διασπάσεις των ατόμων συνήθως παράγονται τα σωμάτια και η ακτινοβολία που αναφέραμε προηγουμένως. Αλλά κατά τις πυρηνικές αυτές αντιδράσεις δυνατό να παραχθούν εκτός απ' αυτά και άλλα σωμάτια. Τέτοια σωμάτια είναι τα νετρόνια, που είναι ουδέτερα ηλεκτρικά, είναι δηλαδή σωματίδια που δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο, δεν παρουσιάζονται ελεύθερα στη φύση και έχουν για σύμβολό τους το η.
Άλλα τέτοια σωματίδια είναι τα ποζιτρόνια. Αυτά παρουσιάζονται σε ορισμένες πυρηνικές αντιδράσεις, καθώς και στην Κοσμική Ακτινοβολία. Έχουν τη μάζα του ηλεκτρονίου και το φορτίο τους είναι αντίθετο από το φορτίο του ηλεκτρονίου και εκτός από ποζιτρόνια λέγονται και θετικά ηλεκτρόνια. Τέτοια σωματίδια είναι και τα δευτερόνια που παρασκευάζονται εργαστηριακά και έχουν διπλάσια μάζα από το πρωτόνιο και το ίδιο φορτίο με αυτό.
Μέχρι τώρα, στις πυρηνικές αντιδράσεις είδαμε ότι ένα τουλάχιστο από τα προϊόντα της αντίδρασης ήταν ένα στοιχειώδες σωμάτιο (σωμάτιο α, πρωτόνιο, ηλεκτρόνιο, ποζιτρόνιο, νετρόνιο κλπ.) και το υπόλοιπο ήταν ένας πυρήνας.
Το 1939 ο Χάου (Hahu) (Γερμανός Φυσικός, βραβείο Νόμπελ, 1944), και ο Strassmann ανακάλυψαν ένα νέο τύπο διάσπασης, κατά τον οποίο ο πυρήνας, αμέσως μετά την ενσωμάτωση του βλήματος, διασπάται σε δύο θραύσματα που έχουν μάζα, περίπου ίση με το μισό της μάζας του αρχικού πυρήνα. Μια τέτοια διάσπαση του πυρήνα σε δυο μεγάλα και περίπου ίσα κομμάτια λέγεται σχάση.
Μέχρι σήμερα, οι γνωστοί πυρήνες που μπορούν να μας δώσουν σχάση είναι λίγοι και βρίσκονται στο τέλος του περιοδικού συστήματος. Όταν βομβαρδίσουμε αυτούς τους πυρήνες με νετρόνια, παράγεται ένας πυρήνας πολύ ασταθής, που διασπάται σε δυο μεγάλα και περίπου ίσα κομμάτια, ενώ ταυτόχρονα, παράγονται και μερικά νετρόνια.
Τα προϊόντα που παίρνουμε από τη σχάση του πυρήνα δεν είναι αναγκαστικά ίδια και μπορούν ν' αποτελούνται από διαφορετικά κάθε φορά στοιχεία που βρίσκονται στη μέση περίπου του περιοδικού συστήματος. Ακόμη κάθε σχάση μπορεί να μας δίνει και διαφορετικό αριθμό νετρονίων.
Όπως είδαμε, όταν ένα νετρόνιο πέσει στον πυρήνα ενός στοιχείου (π.χ. ουρανίου), τότε θα έχουμε σχάση του πυρήνα. Συγχρόνως, όμως, παράγονται και νετρόνια. Τα νετρόνια αυτά πέφτουν πάνω σ' άλλους πυρήνες και έχουμε μια σειρά πυρηνικών αντιδράσεων, που λέγονται αλυσωτές αντιδράσεις και που συντηρούνται μόνες τους (δηλ. από τα προϊόντα της μιας αρχίζει η άλλη). Οι αντιδράσεις αυτές χωρίζονται σε "ελεγχόμενες" και "μη ελεγχόμενες" αλυσωτές αντιδράσεις και το ελάχιστο υλικό που απαιτούν λέγεται "κρίσιμη ποσότης". Αυτές οι αντιδράσεις είναι η βάση της ατομικής ενέργειας.
Αλυσωτές αντιδράσεις, που την ταχύτητά τους την ελέγχουμε κατά βούληση, έχουμε στους αντιδραστήρες. Εκεί σαν σχάσιμο υλικό χρησιμοποιούν το ισότοπο του ουρανίου 235U που περιέχεται στο ουράνιο και που υπάρχει στη φύση κατά ένα ποσοστό 0,7%.
Στα παραπροϊόντα της σχάσης περιλαμβάνονται και νετρόνια, τα οποία μπορούν να προκαλέσουν περαιτέρω σχάσεις δημιουργώντας έτσι μια αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση η οποία σε ελεγχόμενη, χαμηλή ταχύτητα παράγει εκμεταλλεύσιμη ενέργεια. Σε μη ελεγχόμενη μεγάλη ταχύτητα προκαλεί έκρηξη της οποίας η ισχύς είναι μεγαλύτερη από κάθε έκρηξη που προέρχεται από χημικές αντιδράσεις, γεγονός που βρίσκει χρήση στην κατασκευή πυρηνικών όπλων.
Η σχάση μπορεί να είναι αυθόρμητη ή να προκληθεί από άλλη αντίδραση. Ένας βαρύς πυρήνας μπορεί να κατεβάσει την συνολική του ενέργεια αν χωριστεί σε μικρότερους πυρήνες αλλά το φράγμα δυναμικού που πρέπει να περάσει για να το επιτύχει είναι τόσο μεγάλο που καθιστά τέτοια γεγονότα πολύ σπάνια. Για παράδειγμα ο χρόνος ημιζωής για την σχάση τού 232U είναι κάπου 100 τρισεκατομμύρια χρόνια. Την ίδια στιγμή ο χρόνος ημιζωής του για α-διάσπαση είναι λιγότερο από 3 χρόνια (Το κανάλι τής αυθόρμητης σχάσης δεν γίνεται σημαντικό πριν Α>240). Πρώτα όμως ανακαλύφθηκε η σχάση που προκαλείται από προηγούμενη αντίδραση. Το γνωστότερο παράδειγμα είναι τού 235U που αντιδρά με θερμικά νετρόνια. Συντίθεται ένας πυρήνας 236U* (ο αστερίσκος δηλώνει ότι βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση). Η ενέργεια τής διέγερσης που αποκτήθηκε από την σύλληψη τού νετρονίου θέτει ολόκληρο τον πυρήνα σε ταλάντωση και ως αποτέλεσμα προκαλείται σχάση σε πλήθος διαφορετικών προϊόντων. Ένα τυπικό κανάλι είναι η αντίδραση:
Η διάσπαση του ατόμου επιτεύχθηκε για πρώτη φορά από τους Όττο Χαν και Φριτς Στράσσμαν το 1938, ενώ είχε προηγούμενα μελετηθεί θεωρητικά από τον Ενρίκο Φέρμι το 1934.
Παπαγιαννίδης Θεοδόσιος
Το 1896 ο Becquerel (Γάλλος Φυσικός, Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1939) ανακάλυψε ότι ορυκτά του ουρανίου χωρίς καμιά εξωτερική επίδραση, εκπέμπουν ακτινοβολία, που προκαλεί μαύρισμα των φωτογραφικών πλακών, εκφόρτιση ηλεκτροσκοπίου κλπ.
Το φαινόμενο αυτό το κάλεσαν ραδιενέργεια και διαπίστωσαν ότι παρουσιάζεται σε ορισμένα στοιχεία που βρίσκονται στο τέλος του περιοδικού πίνακα και γι' αυτό λέγονται "ραδιενεργά στοιχεία".
Με μετέπειτα πειράματα διαπιστώθηκε ότι η ακτινοβολία αυτή, που οφείλεται σε διάσπαση των πυρήνων των ατόμων των ραδιενεργών στοιχείων, όπως διαπιστώθηκε αργότερα, αποτελείται από:
- σωμάτια α,
- ηλεκτρόνια (σωμάτια β) και
- από ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία πολύ μικρού μήκους κύματος (ακτίνες γ).
Κατά τη διάσπαση του πυρήνα του ατόμου ο πυρήνας που διασπάται λέγεται μητρικός και ο πυρήνας που παίρνουμε λέγεται θυγατρικός πυρήνας. Μεταξύ των δύο αρχικών σωματιδίων (πυρήνα και βλήματος) και των τελικών προϊόντων της διάσπασης μπορεί να γραφεί μια εξίσωση, παρόμοια με τις αντιδράσεις της Χημείας, που λέγεται Πυρηνική αντίδραση.
Κατά τις διασπάσεις των ατόμων συνήθως παράγονται τα σωμάτια και η ακτινοβολία που αναφέραμε προηγουμένως. Αλλά κατά τις πυρηνικές αυτές αντιδράσεις δυνατό να παραχθούν εκτός απ' αυτά και άλλα σωμάτια. Τέτοια σωμάτια είναι τα νετρόνια, που είναι ουδέτερα ηλεκτρικά, είναι δηλαδή σωματίδια που δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο, δεν παρουσιάζονται ελεύθερα στη φύση και έχουν για σύμβολό τους το η.
Άλλα τέτοια σωματίδια είναι τα ποζιτρόνια. Αυτά παρουσιάζονται σε ορισμένες πυρηνικές αντιδράσεις, καθώς και στην Κοσμική Ακτινοβολία. Έχουν τη μάζα του ηλεκτρονίου και το φορτίο τους είναι αντίθετο από το φορτίο του ηλεκτρονίου και εκτός από ποζιτρόνια λέγονται και θετικά ηλεκτρόνια. Τέτοια σωματίδια είναι και τα δευτερόνια που παρασκευάζονται εργαστηριακά και έχουν διπλάσια μάζα από το πρωτόνιο και το ίδιο φορτίο με αυτό.
Μέχρι τώρα, στις πυρηνικές αντιδράσεις είδαμε ότι ένα τουλάχιστο από τα προϊόντα της αντίδρασης ήταν ένα στοιχειώδες σωμάτιο (σωμάτιο α, πρωτόνιο, ηλεκτρόνιο, ποζιτρόνιο, νετρόνιο κλπ.) και το υπόλοιπο ήταν ένας πυρήνας.
Το 1939 ο Χάου (Hahu) (Γερμανός Φυσικός, βραβείο Νόμπελ, 1944), και ο Strassmann ανακάλυψαν ένα νέο τύπο διάσπασης, κατά τον οποίο ο πυρήνας, αμέσως μετά την ενσωμάτωση του βλήματος, διασπάται σε δύο θραύσματα που έχουν μάζα, περίπου ίση με το μισό της μάζας του αρχικού πυρήνα. Μια τέτοια διάσπαση του πυρήνα σε δυο μεγάλα και περίπου ίσα κομμάτια λέγεται σχάση.
Μέχρι σήμερα, οι γνωστοί πυρήνες που μπορούν να μας δώσουν σχάση είναι λίγοι και βρίσκονται στο τέλος του περιοδικού συστήματος. Όταν βομβαρδίσουμε αυτούς τους πυρήνες με νετρόνια, παράγεται ένας πυρήνας πολύ ασταθής, που διασπάται σε δυο μεγάλα και περίπου ίσα κομμάτια, ενώ ταυτόχρονα, παράγονται και μερικά νετρόνια.
Τα προϊόντα που παίρνουμε από τη σχάση του πυρήνα δεν είναι αναγκαστικά ίδια και μπορούν ν' αποτελούνται από διαφορετικά κάθε φορά στοιχεία που βρίσκονται στη μέση περίπου του περιοδικού συστήματος. Ακόμη κάθε σχάση μπορεί να μας δίνει και διαφορετικό αριθμό νετρονίων.
Όπως είδαμε, όταν ένα νετρόνιο πέσει στον πυρήνα ενός στοιχείου (π.χ. ουρανίου), τότε θα έχουμε σχάση του πυρήνα. Συγχρόνως, όμως, παράγονται και νετρόνια. Τα νετρόνια αυτά πέφτουν πάνω σ' άλλους πυρήνες και έχουμε μια σειρά πυρηνικών αντιδράσεων, που λέγονται αλυσωτές αντιδράσεις και που συντηρούνται μόνες τους (δηλ. από τα προϊόντα της μιας αρχίζει η άλλη). Οι αντιδράσεις αυτές χωρίζονται σε "ελεγχόμενες" και "μη ελεγχόμενες" αλυσωτές αντιδράσεις και το ελάχιστο υλικό που απαιτούν λέγεται "κρίσιμη ποσότης". Αυτές οι αντιδράσεις είναι η βάση της ατομικής ενέργειας.
Αλυσωτές αντιδράσεις, που την ταχύτητά τους την ελέγχουμε κατά βούληση, έχουμε στους αντιδραστήρες. Εκεί σαν σχάσιμο υλικό χρησιμοποιούν το ισότοπο του ουρανίου 235U που περιέχεται στο ουράνιο και που υπάρχει στη φύση κατά ένα ποσοστό 0,7%.
Πυρινική Σχάση
Πυρηνική σχάση ονομάζεται η διαδικασία κατά την οποία ένας ασταθής ατομικός πυρήνας διασπάται (σχάται) σε δυο ή περισσότερους (μικρότερους) πυρήνες και σε μερικά παραπροϊόντα σωμάτια (όπως νετρόνια). Η σχάση αποτελεί μια περίπτωση μεταστοιχείωσης κατά την οποία παράγονται δύο πυρήνες με συγκρίσιμες μάζες. Στα βαρύτερα στοιχεία η σχάση είναι εξώθερμη αντίδραση αποδίδοντας στο περιβάλλον ενέργεια ως ακτινοβολία γ και ως κινητική ενέργεια των θραυσμάτων.Στα παραπροϊόντα της σχάσης περιλαμβάνονται και νετρόνια, τα οποία μπορούν να προκαλέσουν περαιτέρω σχάσεις δημιουργώντας έτσι μια αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση η οποία σε ελεγχόμενη, χαμηλή ταχύτητα παράγει εκμεταλλεύσιμη ενέργεια. Σε μη ελεγχόμενη μεγάλη ταχύτητα προκαλεί έκρηξη της οποίας η ισχύς είναι μεγαλύτερη από κάθε έκρηξη που προέρχεται από χημικές αντιδράσεις, γεγονός που βρίσκει χρήση στην κατασκευή πυρηνικών όπλων.
Η σχάση μπορεί να είναι αυθόρμητη ή να προκληθεί από άλλη αντίδραση. Ένας βαρύς πυρήνας μπορεί να κατεβάσει την συνολική του ενέργεια αν χωριστεί σε μικρότερους πυρήνες αλλά το φράγμα δυναμικού που πρέπει να περάσει για να το επιτύχει είναι τόσο μεγάλο που καθιστά τέτοια γεγονότα πολύ σπάνια. Για παράδειγμα ο χρόνος ημιζωής για την σχάση τού 232U είναι κάπου 100 τρισεκατομμύρια χρόνια. Την ίδια στιγμή ο χρόνος ημιζωής του για α-διάσπαση είναι λιγότερο από 3 χρόνια (Το κανάλι τής αυθόρμητης σχάσης δεν γίνεται σημαντικό πριν Α>240). Πρώτα όμως ανακαλύφθηκε η σχάση που προκαλείται από προηγούμενη αντίδραση. Το γνωστότερο παράδειγμα είναι τού 235U που αντιδρά με θερμικά νετρόνια. Συντίθεται ένας πυρήνας 236U* (ο αστερίσκος δηλώνει ότι βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση). Η ενέργεια τής διέγερσης που αποκτήθηκε από την σύλληψη τού νετρονίου θέτει ολόκληρο τον πυρήνα σε ταλάντωση και ως αποτέλεσμα προκαλείται σχάση σε πλήθος διαφορετικών προϊόντων. Ένα τυπικό κανάλι είναι η αντίδραση:
Η διάσπαση του ατόμου επιτεύχθηκε για πρώτη φορά από τους Όττο Χαν και Φριτς Στράσσμαν το 1938, ενώ είχε προηγούμενα μελετηθεί θεωρητικά από τον Ενρίκο Φέρμι το 1934.
Παπαγιαννίδης Θεοδόσιος
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου