nauki ścisłe
Autor: Tomasz Rożek | dodano: 2012-06-01
Od Iranu do uranu

Iran jest już o krok od wejścia do elitarnego klubu państw atomowych. Wspierani przez ajatollahów naukowcy wzbogacają uran do prawie 5%. Świat jednak obawia się, że w rzeczywistości Iran zamierza skonstruować bombę atomową.

Klucz do zbudowania bomby atomowej to technologia wzbogacania uranu. Dlaczego jest ona tak ważna? Aby odpowiedzieć na to pytanie, najpierw musimy zrozumieć, dlaczego paliwem jądrowym - i integralną częścią ładunku jądrowego - jest uran, a nie np. węgiel. Jądro atomowe nie jest warte tyle, ile jego składowe. Suma mas pojedynczych neutronów i protonów nigdy - z wyjątkiem jądra lekkiego wodoru - nie równa się masie zbudowanego przez nie jądra. Dzieje się tak, bo neutrony i protony w jądrze (zwane wówczas nukleonami) mają niższą energię niż w postaci swobodnej, zanim utworzyły jądro. Właśnie ta różnica - zwana energią wiązania - powoduje, że nukleony są tak dobrze sklejone, a po przeliczeniu na masę według wzoru E=mc² odpowiada za wspomnianą różnicę mas.

Nukleony można rozerwać, dysponując energią równą tej, która je ze sobą wiąże. Energia wiązania na jeden nukleon nie jest jednak stała dla wszystkich jąder atomowych: inna spaja jądro litu, inna - jądro uranu. I znowu pojawia się pytanie: dlaczego?

Architektura jądra

Dla lekkich izotopów siła wiązania gwałtownie rośnie ze wzrostem liczby nukleonów w jądrze. Dla deuteru (wodoru, którego jądro składa się z protonu i neutronu) wynosi około megaelektronowolta (1 MeV) na nukleon, ale już w izotopie helu He-4 jest siedem razy większa. Skąd bierze się różnica? Wyobraźmy sobie, że tworzymy deuter H-2: do jądra wodoru H-1 (czyli protonu) dodajemy jeden neutron; jest on wówczas "przytrzymywany" przez jeden proton. Gdy utworzymy tryt - dodając do jądra H-2 kolejny neutron - ten jest już przytrzymywany przez dwa nukleony. Wiązanie między neutronem i protonem w jądrze deuteru będzie więc w przeliczeniu na nukleon słabsze niż w trójskładnikowym jądrze trytu.

Im więcej nukleonów tworzy jądro atomowe, tym mocniej są one ze sobą związane, ale ta reguła nie działa w nieskończoność. Wzrost energii, z jaką nukleony się sklejają, traci na dynamice już dla atomów zbudowanych z około 25 nukleonów (to okolice magnezu) i coraz wolniej zbliża się do maksimum, przypadającego na izotopy żelaza Fe-58 oraz niklu Ni-62. Skąd to wyhamowanie?

W cięższych izotopach jądro jest tak duże, że nukleony z zewnętrznej warstwy nie odczuwają już tak bardzo oddziaływania nukleonów ze środka. Oddziaływanie silne, odpowiedzialne za utrzymanie jądra atomowego w całości, ma na tyle krótki zasięg, że w zewnętrznych warstwach jądra coraz istotniejszą rolę odgrywa elektromagnetyczna siła odpychania między tak samo naładowanymi protonami i energia wiązania spada (w małych jądrach tego problemu nie ma, bo na tak krótkich dystansach oddziaływanie silne jest bezkonkurencyjne).

Począwszy od jądra ksenonu, dodawanie kolejnych nukleonów powoduje, że energia wiązania na nukleon zaczyna powoli spadać. Superciężkie jądro jest zatem słabiej związane niż jądro o średnich rozmiarach. Energia wiązania dla żelaza z 56 nukleonami wynosi niecałe 9 MeV w przeliczeniu na nukleon, a dla zbudowanego z 235 protonów i neutronów jądra uranu - około 7,5 MeV. Zmiany energii wiązania na nukleon tłumaczą, dlaczego można czerpać energię zarówno z łączenia mniejszych pierwiastków, jak i z dzielenia największych.

Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie" nr 08/2006 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
06/2020
05/2020
Kalendarium
Czerwiec
5
W 1866 r. według obliczeń Pluton osiągnął aphelium swojej orbity. Następne takie zdarzenie będzie miało miejsce w sierpniu 2113 roku.
Warto przeczytać
Ta książka to praktyczny poradnik jak mniej marnować. Możesz wyrzucać aż o 80 procent mniej rzeczy, wydawać mniej pieniędzy - i pełniej żyć! To także refleksja nad tym, w jaki sposób można zacząć działać na rzecz środowiska

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Tomasz Rożek | dodano: 2012-06-01
Od Iranu do uranu

Iran jest już o krok od wejścia do elitarnego klubu państw atomowych. Wspierani przez ajatollahów naukowcy wzbogacają uran do prawie 5%. Świat jednak obawia się, że w rzeczywistości Iran zamierza skonstruować bombę atomową.

Klucz do zbudowania bomby atomowej to technologia wzbogacania uranu. Dlaczego jest ona tak ważna? Aby odpowiedzieć na to pytanie, najpierw musimy zrozumieć, dlaczego paliwem jądrowym - i integralną częścią ładunku jądrowego - jest uran, a nie np. węgiel. Jądro atomowe nie jest warte tyle, ile jego składowe. Suma mas pojedynczych neutronów i protonów nigdy - z wyjątkiem jądra lekkiego wodoru - nie równa się masie zbudowanego przez nie jądra. Dzieje się tak, bo neutrony i protony w jądrze (zwane wówczas nukleonami) mają niższą energię niż w postaci swobodnej, zanim utworzyły jądro. Właśnie ta różnica - zwana energią wiązania - powoduje, że nukleony są tak dobrze sklejone, a po przeliczeniu na masę według wzoru E=mc² odpowiada za wspomnianą różnicę mas.

Nukleony można rozerwać, dysponując energią równą tej, która je ze sobą wiąże. Energia wiązania na jeden nukleon nie jest jednak stała dla wszystkich jąder atomowych: inna spaja jądro litu, inna - jądro uranu. I znowu pojawia się pytanie: dlaczego?

Architektura jądra

Dla lekkich izotopów siła wiązania gwałtownie rośnie ze wzrostem liczby nukleonów w jądrze. Dla deuteru (wodoru, którego jądro składa się z protonu i neutronu) wynosi około megaelektronowolta (1 MeV) na nukleon, ale już w izotopie helu He-4 jest siedem razy większa. Skąd bierze się różnica? Wyobraźmy sobie, że tworzymy deuter H-2: do jądra wodoru H-1 (czyli protonu) dodajemy jeden neutron; jest on wówczas "przytrzymywany" przez jeden proton. Gdy utworzymy tryt - dodając do jądra H-2 kolejny neutron - ten jest już przytrzymywany przez dwa nukleony. Wiązanie między neutronem i protonem w jądrze deuteru będzie więc w przeliczeniu na nukleon słabsze niż w trójskładnikowym jądrze trytu.

Im więcej nukleonów tworzy jądro atomowe, tym mocniej są one ze sobą związane, ale ta reguła nie działa w nieskończoność. Wzrost energii, z jaką nukleony się sklejają, traci na dynamice już dla atomów zbudowanych z około 25 nukleonów (to okolice magnezu) i coraz wolniej zbliża się do maksimum, przypadającego na izotopy żelaza Fe-58 oraz niklu Ni-62. Skąd to wyhamowanie?

W cięższych izotopach jądro jest tak duże, że nukleony z zewnętrznej warstwy nie odczuwają już tak bardzo oddziaływania nukleonów ze środka. Oddziaływanie silne, odpowiedzialne za utrzymanie jądra atomowego w całości, ma na tyle krótki zasięg, że w zewnętrznych warstwach jądra coraz istotniejszą rolę odgrywa elektromagnetyczna siła odpychania między tak samo naładowanymi protonami i energia wiązania spada (w małych jądrach tego problemu nie ma, bo na tak krótkich dystansach oddziaływanie silne jest bezkonkurencyjne).

Począwszy od jądra ksenonu, dodawanie kolejnych nukleonów powoduje, że energia wiązania na nukleon zaczyna powoli spadać. Superciężkie jądro jest zatem słabiej związane niż jądro o średnich rozmiarach. Energia wiązania dla żelaza z 56 nukleonami wynosi niecałe 9 MeV w przeliczeniu na nukleon, a dla zbudowanego z 235 protonów i neutronów jądra uranu - około 7,5 MeV. Zmiany energii wiązania na nukleon tłumaczą, dlaczego można czerpać energię zarówno z łączenia mniejszych pierwiastków, jak i z dzielenia największych.