Nguyên tử có thể tăng hoặc mất năng lượng khi một êlectron chuyển từ quỹ đạo cao hơn đến quỹ đạo thấp hơn xung quanh hạt nhân. Tuy nhiên, việc tách hạt nhân của nguyên tử sẽ giải phóng năng lượng lớn hơn nhiều so với năng lượng khi các electron quay trở lại quỹ đạo thấp hơn từ quỹ đạo cao hơn. Năng lượng đó có thể được sử dụng cho các mục đích hủy diệt hoặc cho các mục đích an toàn và hiệu quả. Tách một nguyên tử được gọi là phân hạch hạt nhân, một quá trình được phát hiện vào năm 1938; Sự phân tách lặp đi lặp lại của các nguyên tử trong quá trình phân hạch được gọi là phản ứng dây chuyền. Mặc dù nhiều người không có thiết bị để làm điều này, nhưng nếu bạn tò mò về quá trình tách, đây là tóm tắt.
Bươc chân
Phần 1/2: Sự phân hạch nguyên tử cơ bản
Bước 1. Chọn đồng vị phù hợp
Một số nguyên tố hoặc đồng vị của chúng trải qua quá trình phân rã phóng xạ. Tuy nhiên, không phải tất cả các đồng vị đều được tạo ra như nhau về tính dễ phân cắt của chúng. Đồng vị được sử dụng thường xuyên nhất của uranium, có trọng lượng nguyên tử là 238, bao gồm 92 proton và 146 neutron, nhưng hạt nhân của nó có xu hướng hấp thụ neutron mà không tách thành các hạt nhân nhỏ hơn của các nguyên tố khác. Một đồng vị của uranium có ít hơn 3 neutron, 235U, có thể dễ dàng phân cắt hơn nhiều so với đồng vị 238U; Các đồng vị như vậy được gọi là vật liệu phân hạch.
Một số đồng vị có thể bị phân cắt rất dễ dàng, nhanh đến mức không thể duy trì phản ứng phân hạch liên tục. Đây được gọi là sự phân hạch tự phát; đồng vị plutonium 240Pu là một ví dụ về đồng vị đó, không giống như đồng vị 239Pu với tốc độ phân hạch chậm hơn.
Bước 2. Lấy đủ đồng vị để đảm bảo rằng quá trình phân hạch sẽ tiếp tục sau khi nguyên tử đầu tiên phân tách
Điều này đòi hỏi một lượng vật liệu đồng vị tối thiểu nhất định phải được tách ra để phản ứng phân hạch diễn ra; Lượng này được gọi là khối lượng tới hạn. Để đạt được khối lượng tới hạn đòi hỏi nguyên liệu nguồn cho đồng vị, để tăng khả năng xảy ra phân hạch.
Đôi khi, cần tăng lượng nguyên liệu đồng vị tách tương đối trong mẫu để đảm bảo phản ứng phân hạch liên tục có thể xảy ra. Đây được gọi là làm giàu và có một số phương pháp được sử dụng để làm giàu mẫu. (Để biết các phương pháp được sử dụng để làm giàu uranium, hãy xem wikiHow How to Enrich Uranium.)
Bước 3. Bắn hạt nhân của vật liệu đồng vị tách rời với các hạt hạ nguyên tử nhiều lần
Các hạt hạ nguyên tử đơn lẻ có thể va vào các nguyên tử 235U, tách nó thành hai nguyên tử riêng biệt của một nguyên tố khác và giải phóng ba nơtron. Ba loại hạt hạ nguyên tử này thường được sử dụng.
- Proton. Các hạt hạ nguyên tử này có khối lượng và điện tích dương. Số lượng proton trong một nguyên tử xác định nguyên tố của nguyên tử.
- Nơtron. Các hạt hạ nguyên tử này có khối lượng là proton nhưng không có điện tích.
- Hạt anpha. Hạt này là hạt nhân của nguyên tử heli, một phần của các electron quay xung quanh nó. Hạt này bao gồm hai proton và hai neutron.
Phần 2 của 2: Phương pháp phân hạch nguyên tử
Bước 1. Bắn một hạt nhân nguyên tử (hạt nhân) của cùng một đồng vị vào một hạt nhân khác
Bởi vì các hạt hạ nguyên tử khó đi qua nên thường phải có một lực để đẩy các hạt ra khỏi nguyên tử của chúng. Một phương pháp để làm điều này là bắn các nguyên tử của một đồng vị nhất định vào các nguyên tử khác của cùng một đồng vị.
Phương pháp này được sử dụng để tạo ra bom nguyên tử 235Bạn đã thả xuống Hiroshima. Các loại vũ khí như súng có lõi uranium, bắn các nguyên tử 235U trên nguyên tử 235U còn lại, mang vật chất với tốc độ cao đến mức nó làm cho các nơtron được giải phóng va vào hạt nhân của nguyên tử. 235một chữ U khác và phá hủy nó. Các neutron được giải phóng khi một nguyên tử tách ra có thể thay phiên nhau va đập và tách nguyên tử 235U. khác
Bước 2. Nặn chặt mẫu nguyên tử, đưa nguyên tử lại gần nhau hơn
Đôi khi, các nguyên tử phân rã quá nhanh để có thể bắn vào nhau. Trong trường hợp này, việc đưa các nguyên tử lại gần nhau hơn sẽ làm tăng khả năng các hạt hạ nguyên tử được giải phóng va chạm và tách các nguyên tử khác.
Phương pháp này được sử dụng để tạo ra bom nguyên tử 239Pu thả trên Nagasaki. Các vụ nổ thông thường bao quanh khối lượng plutonium; khi được kích nổ, vụ nổ đẩy khối plutonium, mang theo các nguyên tử 239Pu tiếp cận để các neutron được giải phóng sẽ tiếp tục va đập và phân tách các nguyên tử 239pu khác.
Bước 3. Kích thích các electron bằng chùm tia laze
Với sự phát triển của laser petawatt (1015 watt), hiện nay người ta có thể tách các nguyên tử bằng cách sử dụng chùm tia laze để kích thích các điện tử trong kim loại bao bọc chất phóng xạ.
- Trong một cuộc thử nghiệm năm 2000 tại Phòng thí nghiệm Lawrence Livermore ở California, uranium được bọc trong vàng và đặt trong một cái chén bằng đồng. Một xung chùm tia laser hồng ngoại 260 jun chạm vào vỏ và vỏ, kích thích các electron. Khi các electron quay trở lại quỹ đạo bình thường, chúng giải phóng bức xạ gamma năng lượng cao xuyên qua hạt nhân vàng và đồng, giải phóng neutron xuyên qua các nguyên tử uranium bên dưới lớp vàng và tách chúng ra. (Cả vàng và đồng đều trở nên phóng xạ do kết quả của thí nghiệm.)
- Các thử nghiệm tương tự được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Rutherford Appleton ở Vương quốc Anh bằng cách sử dụng 50 terawatt (5 x 1012 watt) tia laser nhằm vào một tấm tantali với các vật liệu khác nhau đằng sau nó: kali, bạc, kẽm và uranium. Một phần nguyên tử của tất cả các vật liệu này đã được tách thành công.
Cảnh báo
- Ngoài một số vết nứt của một số đồng vị nhất định quá nhanh, các vụ nổ nhỏ hơn có thể phá hủy vật liệu phân hạch trước khi vụ nổ đạt được tốc độ phản ứng duy trì như mong đợi.
- Như với bất kỳ thiết bị nào khác, hãy tuân thủ các quy trình an toàn bắt buộc và không làm bất cứ điều gì có vẻ rủi ro. Hãy cẩn thận.
