Jądra atomowe, energia atomowa, broń atomowa

Jądra atomowe pierwiastków składają się z nukleonów czyli z protonów i neutronów. Energia wiązania przypadająca na jeden nukleon rośnie wraz ze zwiększaniem się liczby masowej czyli liczby nukleonów aż do wartości około 50. Im więcej jest nukleonów w jądrze z tym większą siłą są przyciągane. Jednak po przekroczeniu tej wartości energia wiązania będzie malała. Dzieje się tak ze względu na to, że siły jądrowe mają charakter krótkozasięgowy.

Wraz ze wzrostem liczby protonów i neutronów następuje zwiększanie się objętości jąder. Na skutek tego słabną oddziaływania między dalej położonymi nukleonami.

Równocześnie wraz ze wzrostem liczby atomowej następuje wzrost stosunku liczby neutronów do liczby protonów w jądrach atomowych. Konsekwencja tego jest fakt, że ciężkie izotopy promieniotwórcze chętnie pozbywają się części swoich jąder emitując promieniowanie alfa. Jądra takich ciężkich izotopów charakteryzują się więc zmniejszoną trwałością.

Za miarę energii wiązania służy tzw. defekt masy. Jest to różnica pomiędzy sumą mas składników budujących dane jądro a rzeczywistą masa tego jądra. Ubytek masy zostaje bowiem zamieniony na energię zgodnie ze wzorem Einsteina. Dla ciężkich izotopów defekt masy ulega zmniejszeniu wraz ze zwiększaniem się liczby masowej. Tak więc gdy do jądra ciężkiego izotopu dochodzi jeszcze jeden neutron korzystniejsze wydaje się istnienie dwóch jąder lżejszych o zbliżonym stosunku protonów do neutronów niż istnienie tego ciężkiego jądra z nadmiarowymi neutronami.

Tak więc jądra ciężkich pierwiastków wykazują tendencję do rozszczepiania się. Zjawisku rozszczepienia jąder ciężkich towarzyszy wydzielanie się energii, która jest równa defektowi masy. Po raz pierwszy takie rozszczepienie przeprowadzili Hahn i Strassman w roku 1939.

Podczas podziału jądra na mniejsze fragmenty wydzielają się nadmiarowe neutrony . Z pojedynczego aktu rozszczepienia powstaje zwykle od 2-3 neutronów. Procesy rozszczepienia jąder ciężkich są źródłem energii bomb jądrowych i reaktora jądrowego.

Ponieważ jednak bardziej można spodziewać się rozpadu alfa niż spontanicznego rozszczepienia jąder ciężkich dlatego też można ten proces wzbudzić bombardując takie jądra wysokoenergetycznymi neutronami. Tak robi się w przypadku rozszczepienia jąder uranu 235 i plutonu 239.

W procesie rozszczepienia np. jąder uranu 235 otrzymuje się produkty o różnych liczbach masowych. Przy czym zdecydowanie najwięcej powstających jąder ma liczby masowe około 95 i 140.

Prawie 85 % wydzielonej w procesie rozszczepienia energii stanowi energię kinetyczną obu powstających w reakcji produktów. Tylko niespełna 12 % to energia wydzielona w postaci promieniowania.

Te neutrony, które uwalniają się w procesie rozszczepienia powodują kolejne reakcje jądrowe. I właśnie w taki sposób powstaje jądrowa reakcja łańcuchowa. Jest to proces samopodtrzymujący się, jeśli tylko tego izotopu będzie wystarczająca ilość .Proces ten można kontrolować, pod warunkiem ,że liczba rozszczepień zachodząca w danej jednostce czasu utrzymuje się na stałym poziomie.

Takie reakcje łańcuchowe mogą przekształcić się w proces lawinowy. Jedynym warunkiem jest odpowiednia masa materiału rozszczepialnego. Jest to tzw. masa nadkrytyczna..

Ponieważ neutrony mają bardzo duże prędkości dlatego zużycie całej tej masy nadkrytycznej będzie trwało bardzo krótko. Ma to miejsce w trakcie eksplozji bomby atomowej.

Tak masa nadkrytyczna dla uranu235 i plutonu 239 wynosi około 20 kg. Bomba atomowa jest skonstruowana w ten sposób, że zawiera dwa bloki uranowe znajdujące się w pewnej odległości od siebie. Oprócz tego wewnątrz znajdują się klasyczne ładunki wybuchowe, których zdetonowanie powoduje połączenie się obu bloków uranowych i przekroczenie masy niezbędnej do przebiegu reakcji lawinowej.

W wyniku tego następuje wydzielenie olbrzymiej ilości energii.

W elektrowniach atomowych natomiast następuje powolne zużywanie się paliwa jądrowego. Aby uzyskać taki stan stosuje się techniki spowalniania neutronów.

Duże ilości energii mogą wydzielać się także w innym procesie. Mianowicie okazuje się ,że suma mas dwóch jąder lekkich jest większa niż byłaby masa jądra powstałego po ich połączeniu. Ta różnica mas będzie się zatem wydzielała w postaci energii znowu zgodnie ze wzorem Einsteina.

I tak np. gdy dojdzie do połączenia się dwóch jąder izotopu wodoru - deuteru to ponad 0.6 % ich masy zamieni się w energię. Jest to zatem reakcja bardzo wydajna pod względem energetycznym, dużo bardziej niż reakcje rozszczepienia. Jest jednak jedna zasadnicza przeszkoda,. Mianowicie na skutek odpychania kulombowskiego deuterony nie mogą zbliżyć się na takie odległości, aby mogło dojść do ich połączenia. Tak sytuacja wygląda dla temperatury pokojowej. Jeśli jednak temperatura zostanie zwiększona, w tym przypadku do wartości około K to reakcja może zajść.

Procesy takie, które zachodzą w bardzo wysokich temperaturach noszą nazwę reakcji termojądrowych. Tak wysokie temperatury powstają np. podczas wybuchu bomby atomowej. I ją się właśnie wykorzystuje do zapoczątkowania reakcji termojądrowych. Potem już w trakcie zachodzenia reakcji wydzielane jest na tyle dużo ciepła, że może zostać ona podtrzymana. Na takiej zasadzie działa bomba wodorowa.

Powyżej zostały przedstawione procesy, w których wydziela się nieprawdopodobnie dużo energii. I teraz tylko od człowieka zależy jak ona zostanie wykorzystana. O zgubnych skutkach stosowania broni jądrowej przekonuje sytuacja po spuszczeniu bomby atomowej na Hiroszimę i Nagasaki .Miało to miejsce w sierpniu 1945 roku. Od tego wydarzenia upłynęło już dużo czasu, ale chyba niewielu przywódców wyciągnęło konkretne wnioski, ponieważ wyścig zbrojeń ciągle trwa.