Як розщепити атом

Атоми можуть придбавати або втрачати енергію, коли електрони переходять на більш високі або низькі орбіти навколо ядра. Розщеплення ж атомного ядра призводить до вивільнення набагато більшої кількості енергії в порівнянні з процесом переходу електрона на більш низьку орбіту. Таке розщеплення називається ядерним діленням, а процес поділу ядер групи атомів називається ланцюговою реакцією. Цей процес неможливо здійснити в домашніх умовах. Для нього потрібно лабораторія або ядерний реактор з відповідним обладнанням.

кроки

Метод 1 з 3:

Бомбардування радіоактивних ізотопів

1. Виберіть відповідний ізотоп. Деякі елементи або ізотопи зазнають радіоактивний розпад, при цьому різні ізотопи можуть вести себе по-різному. Найбільш поширений ізотоп урану має атомний вага 238 і складається з 92 протонів і 146 нейтронів, але його ядра зазвичай поглинають нейтрони без розщеплення на ядра більш легких елементів. Ізотоп урану, ядро якого містить на три нейтрона менше, U, розщеплюється набагато легше, ніж U, його називають ділився ізотопом.

При розщепленні (розподілі) урану вивільняється три нейтрона, які стикаються з іншими атомами урану, в результаті чого виникає ланцюгова реакція.
Деякі ізотопи розщеплюються настільки легко і швидко, що неможливо підтримувати постійну ядерну реакцію. Це явище називається спонтанним, або мимовільним, розпадом. Наприклад, такого розпаду піддається ізотоп плутонію Pu, на відміну від Pu з меншою швидкістю ділення.

2. Щоб реакція продовжилася після розпаду першого атома, слід зібрати достатньо ізотопу. Для цього необхідно мати мінімальну кількість ізотопу, що ділиться, який буде підтримувати реакцію. Це кількість називають критичною масою. Щоб досягти критичної маси і підвищити ймовірність розпаду, потрібна достатня кількість вихідного матеріалу.

3. Вистріліть одним атомним ядром ізотопу в інше ядро того ж ізотопу. Оскільки у вільному вигляді субатомні частинки зустрічаються досить рідко, часто необхідно відокремити їх від атомів, що містять ці частинки. Один із способів зробити це полягає в тому, щоб вистрілити одним атомом ізотопу по іншому такому ж атому.

Цей метод був використаний для створення атомної бомби з U, яка була скинута на Хіросіму. Схоже на гармату знаряддя з урановим сердечником вистрілювало атоми U в мішень з таких самих атомів U. Атоми летіли досить швидко, щоб виділялися з них нейтрони проникали в ядра інших атомів U і розщеплює їх. При розщепленні, в свою чергу, звільнялися нейтрони, які розщеплює такі атоми U.

4. Обстріляйте ядра ізотопу, що ділиться субатомними частинками. Одиночна субатомна частка може потрапити в атом U і розщепити його на два окремі атоми інших елементів, при цьому виділятися три нейтрона. Субатомні частинки можна отримати з контрольованого джерела (наприклад, нейтронної гармати) або створити в результаті зіткнення ядер. Зазвичай використовують три види субатомних частинок.

протони. Ці субатомні частинки мають масу і позитивним електричним зарядом. Кількість протонів в атомі визначає, атомом якого елементу він є.

нейтрони. Маса цих субатомних частинок дорівнює масі протона, але вони нейтральні (не мають електричного заряду).

Альфа-частинки. Ці частинки є вільними від електронів ядрами атомів гелію. Вони складаються з двох протонів і двох нейтронів.

Метод 2 з 3:

Стиснення радіоактивних матеріалів

1. Отримайте критичну масу радіоактивного ізотопу. Вам буде потрібно досить вихідного матеріалу, щоб забезпечити підтримує реакцію ділення. Врахуйте, що в певній масі будь-якого елементу (наприклад, плутонію) буде присутній кілька ізотопів. Слід розрахувати кількість необхідного ізотопу в зразку.

2. Збагатите матеріал зразка. Іноді необхідно збільшити відносна кількість ізотопу, що ділиться в зразку, щоб забезпечити підтримує реакцію ділення. Це називається збагаченням. Є кілька способів збагачення радіоактивних матеріалів, в тому числі:

дифузія газів;

центрифугування;

електромагнітна сепарація;

термічна дифузія рідини.

3. Сильно стисніть зразок матеріалу, так щоб діляться атоми зблизилися. Іноді атоми розпадаються занадто швидко самі по собі і не встигають взаємодіяти. В цьому випадку зближення атомів збільшує ймовірність того, що вивільнені субатомні частинки долетять до сусідніх атомів і розщеплять їх. Стиснути зразок з діляться атомами Pu можна за допомогою вибуху.

Даний метод був використаний при створенні атомної бомби з Pu, яка була скинута на Нагасакі. Плутоній був стиснутий за допомогою розташованої навколо нього звичайної вибухівки, в результаті чого атоми Pu зблизилися досить, щоб виділяються нейтрони долітали до сусідніх атомів і розщеплює їх.

Метод 3 з 3:

Розщеплення атомів лазером

1. Укладіть радіоактивний матеріал в металеву оболонку. Помістіть радіоактивний матеріал в корпус з золота. Закріпіть корпус в мідному тримачі. Врахуйте, що після початку розпаду радіоактивними стануть як матеріал, що ділиться, так і метали.

2. Порушити електрони лазерним випромінюванням. З появою петаваттних (10 ват) лазерів стало можливим розщеплювати атоми лазерним випромінюванням за рахунок збудження електронів в металевій оболонці, всередині якої укладено радіоактивний матеріал. Можна також порушити електрони в металі за допомогою 50-тераваттного (5 x 10 ват) лазера.

3. вимкніть лазер. Коли електрони почнуть повертатися на свої звичайні орбіти, вони виділять високоенергетичне гамма-випромінювання, яке проникне в ядра золота і міді. В результаті з ядер вивільняться нейтрони. Ці нейтрони зіткнуться з розташованими під золотом атомами урану і розщеплять їх.

попередження

Радіоактивне випромінювання смертельно небезпечно. Для захисту від нього існують спеціальні правила і пристосування. Тримайтеся на безпечній відстані від радіоактивних матеріалів.
Проводити подібні експерименти самостійно заборонено законом.
Аналогічний досвід можуть призвести до потужного вибуху.
Як і з будь-яким іншим обладнанням, слід дотримуватися правил безпеки і не робити нічого ризикованого.
Подібними експериментами слід займатися у відповідній установі, наприклад на ядерному реакторі або в фізичної лабораторії.