Döteryum ve trityum allotropik modifikasyonlar. Trityum - bu nedir? trityum kütlesi
Bugün emeklemeyi yeni öğrenen çocukların, ilk ITER lansmanından itibaren hayranlıkla yayınları izlemek için makul bir yaşa ulaşacaklarını düşünüyorum. Ve bugün termonükleer reaktörler için gerekli olan yakıt, Rusya'nın fütüristik geleceği ve ay programımızdan bahsedeceğiz.
Bağlantı nedir? Anlayalım.
Hatırlayalım
Bir termonükleer reaktörde bir füzyon reaksiyonu gerçekleşir, yani. Isınmanın bir sonucu olarak, hafif atom çekirdekleri hızlandırılır ve bir atomun daha ağır bir çekirdeğine birleştirilir. Bağlantı sırasında, uğruna her şeyin başlatıldığı bir enerji denizi serbest bırakılır.
Bir termonükleer reaktör tasarlama görevinde birçok zorluk vardır, ancak bunlar çözülmektedir. Fransa'da, Rusya da dahil olmak üzere birçok ülkenin ortak çabaları, bahsi geçen ITER'in inşaatına şimdiden başladı. Ama bunun hakkında zaten yazdım.
Bir termonükleer reaktörün endüstriyel başlatılmasının zorluklarından biri yakıttır. Çeşitli seçeneklerin kullanılması planlanmaktadır.
Döteryum + trityum
Bu, reaksiyonun ilerlemesini sağlamak açısından en kolay seçenektir. Döteryum ağır hidrojendir. Almak sorun değil. Sadece suda on milyarlarca ton var.su alıyoruz. Ondan ağır su ve sonra döteryum alıyoruz. Şu anda dünyadaki üretimi yılda on binlerce tondur. Yapabiliriz.
Trityum daha zordur. Trityum süper ağır hidrojendir. Kozmik radyasyon parçacıkları atom çekirdeği ile çarpıştığında atmosferin yüksek katmanlarında oluşur. Anladığınız gibi, çok fazla yok ve onu yüksekte yakalamak mümkün değil.
Bu nedenle, dünyada nükleer reaktörlerde trityum üretilir. Toplamda 1955'ten 1999'a kadar, örneğin ABD'de 225 kg alındığını hayal edin.
Reaktörlerimiz de bunu yapabiliyor. Bu sevincin bir kilogramı neredeyse 2 milyar rubleye mal oluyor.Harika bir yatırım mı? Evet, orada değildi.
Buradaki sorun, trityumun yarı ömrünün -12 artı yıl olmasıdır. Bu, 1 kg'dan 12 yıl sonra anlamına gelir. trityum sadece yarım kilo kalacaktır. Paranızı saklamanın en iyi yolu değil.Sadece bir ITER lansmanı 3 kg gerektirecektir. Yeni nesil füzyon reaktörü DEMO'yu başlatmak için - 4-10 kg. Ve şimdi dünyada sadece 18 kg var. bu iyilik. Evet ve memnun etmek için acele ediyorum: çalışmak Füzyon reaktörü gigawatt elektrik üreten bir santral ile aynı gigawatt * yıl için 56 kg (!) trityum tüketecektir. Bu kadar çok nereden bulabilirsin? Evet, termonükleer enerji ucuz değil.
zarif çözüm
Halihazırda DEMO termonükleer tesisi, kendi ihtiyaçları için trityum ve hatta diğer reaktörler için daha fazlasını üretmek zorunda kalacak. Aslında bu, DEMO'nun amaçlarından biridir - reaktörün kendisine trityum sağlayabildiğini ve fazlalık üretebileceğini kanıtlamak. Nasıl yani?
Termonükleer füzyon sırasında, döteryum ve trityumdan bir helyum çekirdeği ve yüksek enerjili bir nötron elde edilir. Rüzgardan daha hızlı koşan bu nötron, elektromanyetik odayı terk etmeli ve bir metre uzunluğundaki lityum kabuğuna çarpmalıdır. Bir nötron ve bir lityum çekirdeği çarpıştığında trityum ortaya çıkacaktır.
Lityumla hiç problem yaşamadık. Nasıl çıkarıldığıyla ilgilenen herkes bakabilir.
Peki ya olmazsa?
Trityum, istasyonun ihtiyacı olandan daha büyük miktarlarda üretilemezse? Ya çıktı çok küçükse?Bir termonükleer istasyon sihirli bir değnek değildir: biri inşa edildi ve hepsi bu, enerji tüketimi sorunu çözüldü. Gezegenin her yerinde çok fazla inşa edilmeleri gerekecek.
Ancak tek başına trityumdan bıkmadıysanız onun yerine helyum-3 kullanabilirsiniz.
Döteryum + helyum-3
Son derece zor, olası reaksiyonun sınırında. Ve hepsi, ulaşılması gereken hayal edilemeyecek kadar yüksek plazma sıcaklıkları nedeniyle. Ama kolay olacağını kim söyledi?
Çıkışta, döteryum ve Helyum 3 atomları bağlanırken, helyum 4, bir proton ve 18.4 MeV elde edilir.
Döteryum sorununu çözdük. Ancak Helyum 3 problemleriyle.Doğada bir manto içindedir, dünyanın yaratılışından beri orada yatmaktadır. Atmosfere volkanlardan ve her türlü faylardan girer.Şimdiye kadar mantodan hiçbir şey çıkaramadık ve atmosferde o kadar az Helyum 3 var ki bu feci bir görev.Örneğin, trityumun bozunması sırasında yapay olarak almalıyız.
Ve sonra trityum?! Evet, hayır, tek seçenek bu olsaydı, Helyum 3 litre başına 65 bin rubleye mal olmazdı.Lityumu alfa parçacıklarıyla bombalamak için başka bir seçenek daha var.
Ama her halükarda mesele oldukça maliyetli ve karmaşıktır ve bu Konuşuyoruz kilogram hakkında, endüstriyel üretimden bahsetmiyorum bile.
Helyum-3 nereden alınır?
Bizimki şimdi ay yüzeyinin haritasını çıkarmak için bir uydu fırlatıyor.
yapım halinde uzay gemisi Dünya yörüngesine uçmak için. Bunu biz dahil birçok kişi yapıyor. Ancak mühendislerimiz, fırlatma testleri açısından geride olmalarına rağmen, gemiyi dünyanın yörüngesinden daha uzağa - aya - göndermeyi planlıyorlar! Ay üssünün inşası planlanıyor.Bu taş parçasından bize ne lazım?
Mesele şu ki, içinde ay toprağı 10 milyon ton Helyum-3 - t biriktirdi bazı gerekli ve faydalı maddeler.
Ve merak uğruna aya uçtuğumuzu mu düşündün? Biz kibirli Amerikalılar değiliz. Ay'a uçarken bir halkla ilişkiler kampanyası yaptılar ve endüstriyel ölçekte Helyum-3'ü harekete geçireceğiz. Hatta bir planımız var.
Plan
2025 yılına kadar Dünya'nın uydusuna 4 gezegenler arası istasyon göndereceğiz. Görevleri, kutup regolitini su buzu ile keşfetmek ve Güney Kutbu yakınında bir üs için iyi bir yer aramak olacak.
1930'ların başına kadar, insanlı seferler yüzeye inmeden Ay'a gidecekti. 1930'larda ve 1940'larda, ay yüzeyine ilk inişler ve üssün gelecekteki altyapısının ilk döşemesi gerçekleşecek.
2050 yılına kadarolmak için temel!
Ve orada ay toprağında iz bırakan ilk otomatik makineleri göreceğiz. Buldozer robotları ham maddelerden yeni ay dağları oluşturacak ve zenginleştirme tesisi günün her saatinde çalışarak Helyum-3 üretecek. Ve sadece gezegenler arası kargo gemilerinin denize indirilmesi bu çalışmaların sessiz rutinini bozacaktır.
Ve yeryüzünde, elektriğin bir termonükleer reaktörden gadget'ımıza giden yolu hiç düşünmeden, yorumlarda hükümeti azarlayacağız.
Kütle numarası 1, 2, 3 olan üç izotop oluşturur:
() - döteryum;
() - trityum.
Doğada hidrojen protium formundadır (%99.98). Doğal hidrojenin %0.0156'sı, kütlesi protiyumun iki katı olan "ağır" hidrojen - döteryumdan sorumludur. Protium ve döteryum radyoaktif değildir.
İlk kez elektroliz ile ağır su D 2 O formunda döteryum elde edildi. doğal su.
Ağır su D 2 O - su, atomların oluşturduğu döteryum. Fizikokimyasal özelliklerinde H 2 O'dan farklıdır:
Şu anda, döteryum, su ve hidrojen sülfür arasındaki izotopik değişim yoluyla doğal bir karışımdan elde edilmektedir:. 1 litre ağır su elde etmek için 41 ton su ve 135 ton hidrojen sülfür gereklidir.
Ağır sudaki kimyasal reaksiyonlar sıradan sudakinden daha yavaş ilerler, döteryum içeren hidrojen bağları normalden biraz daha güçlüdür. Ağır su zehirlidir. Ağır su, hayvanlar ve insanlar üzerinde zararlı bir etkiye sahiptir. Örneğin, 1/3 H 2 O'nun D 2 O ile değiştirilmesi kısırlığa, karbonhidrat dengesizliğine ve kansızlığa yol açar.
Ancak bazı mikroorganizmalar %70 ağır suda (protozoa) ve hatta saf ağır suda (bakteri) yaşayabilir. Bir kişi sağlığa görünür bir zarar vermeden bir bardak ağır su içebilir, tüm döteryum birkaç gün içinde vücuttan atılır. Bu bakımdan ağır su, örneğin sofra tuzundan daha az toksiktir.
Ağır su endüstriyel bir üründür ve büyük miktarlarda bulunur. Ağır su üretimi çok enerji yoğundur, bu nedenle maliyeti oldukça yüksektir (kg başına yaklaşık 200 - 250 $).
Döteryum çekirdekleri, nükleer manyetik rezonans spektroskopisinde ağır su ve diğer döteryumlu çözücülerin (döterokloroform CDCl3) kullanılmasının nedeni olan 1 nükleer dönüşe sahiptir. Ağır su nükleer mühendislikte hızlı bir nötron moderatörü olarak kullanım bulur çünkü nükleer fisyon nötronlarının enerjisini hızla düşürür ve ayrıca döteryum hidrojenden daha düşük bir nötron yakalama kesitine sahiptir (nötronları emmez) ve bu nedenle nötronu önemli ölçüde azaltır. akış.
Döteryum, reaksiyon mekanizmalarının incelenmesinde ve kinetik çalışmalarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Trityum, radyoaktif olmasıyla diğer izotoplardan farklıdır. Trityum doğada çok küçük miktarlarda bulunur. Trityumun doğal içeriği 10 18 hidrojen atomu başına 1 atomdur, bu, üst atmosferdeki kozmik ışınların etkisiyle suda meydana gelen nükleer reaksiyonların sonucudur:
Termoyu test ettikten sonra nükleer silahlar(1954) trityum konsantrasyonu yüzlerce kat arttı, ancak şimdi nükleer silahların atmosferik testi yasağının bir sonucu olarak düştü. Düşük trityum içeriği yerkabuğu yarı ömrü 12.35 yıl olan radyoaktivitesinden dolayı. AT son yıllarÇevredeki ana teknolojik trityum kaynağı, yılda birkaç on kilogram trityum yayan nükleer santraller haline geldi.
Şu anda, trityum, nükleer reaktörlerde lityumun nötronlarla ışınlanmasıyla üretilir: .
Lityum, ışınlanmış alaşım asit içinde çözüldüğünde salınan çok fazla trityumu tutan magnezyum veya alüminyum içeren bir alaşım formunda kullanılır.
Not. Trityumu depolamanın en uygun yolu, onu ince bölünmüş uranyum ile reaksiyona sokarak UT 3'e dönüştürmektir. Trityum, 400 ºС'nin üzerinde ısıtıldığında bu bileşikten kolayca salınır.
Trityum T 2 O bazlı ağır su, güçlü radyoaktiviteye sahiptir. Bu nedenle genellikle %1 trityum suyu içeren seyreltik çözeltiler kullanılır. Trityum, γ-bileşeni safsızlığı olmayan saf bir β-yayıcıdır, bu nedenle β-parçacıkları düşük nüfuz gücüne sahip olduğundan nispeten güvenlidir, bu nedenle bir kağıt yaprağı veya 3 mm'lik bir hava tabakası tarafından tutulurlar. Trityum en az toksik radyoizotoplardan biridir.
Trityum, çeşitli çalışmaları incelemek için radyoaktif bir etiket görevi görebilir. doğal süreçler. Atmosferik trityum analizi, kozmik ışınlar hakkında değerli bilgiler sağlar. Ve tortul kayaçlardaki trityum, Dünya'daki hava ve nemin hareketini gösterebilir.
En zengin doğal kaynaklar trityum - yağmur ve kar, çünkü atmosferdeki kozmik ışınların etkisi altında oluşan neredeyse tüm trityum suya girer. Kozmik radyasyonun yoğunluğu enlemle değişir, bu nedenle örneğin Rusya'nın merkezindeki yağışlar tropik duşlardan birkaç kat daha fazla trityum taşır. Ve okyanusun üzerine düşen yağmurlarda çok az trityum vardır, çünkü kaynakları temelde aynı okyanus suyudur ve çok fazla trityum yoktur.
Grönland veya Antarktika'nın derin buzunun hiç trityum içermediği açıktır - orada uzun zaman önce tamamen çürümüştür. Atmosferdeki trityum oluşum hızını bilerek, havada ne kadar süre kaldığını hesaplamak mümkündür - yüzeyden buharlaştığı andan yağmur veya kar şeklinde düşene kadar. Örneğin okyanusun üzerinde havada bu sürenin ortalama 9 gün olduğu ortaya çıktı.
Çoğu zaman, trityum, reaksiyon mekanizmaları ve kinetiklerinin incelenmesinde bir etiket olarak kullanılır.
Sentezlenmiş trityum nispeten ucuzdur ve bilimsel araştırma ve sanayide. Alet terazilerine uygulanan trityum ışıklı boyalar geniş uygulama alanı bulmuştur. Bu hafif bileşimler, radyasyon açısından geleneksel radyum bileşimlerinden daha az tehlikelidir. Bu tür kalıcı ışık bileşimleri, işaretçilerin, alet skalalarının vb. imalatında kullanılır. Üretimleri için her yıl yüzlerce gram trityum harcanmaktadır.
Trityum bulunur insan vücudu. Yiyecekle, solunan havayla ve deri yoluyla girer. İlginç bir şekilde, gaz halindeki T2, trityum su T2O'dan 500 kat daha az toksiktir. Bunun nedeni, akciğerlere hava ile giren moleküler trityumun daha sonra vücuttan hızla (yaklaşık 3 dakika içinde) atılması, trityum suyunun ise vücuttan atılmasıdır. 10 gün içinde kalır ve bu süre zarfında kendisine önemli miktarda radyasyon aktarmayı başarır.
Trityum, termonükleer füzyon reaksiyonlarında önemlidir: bir hidrojen bombasının patlaması sırasında meydana gelir.
Popular Mechanics, fisyon suçlamalarına dayanan modern nükleer silahlar ("PM" No. 1 "2009) hakkında zaten yazmıştır. Bu sayı, daha da güçlü füzyon mühimmatlarıyla ilgili bir hikaye.
Alexander Prişçepenko
Alamogordo'daki ilk testten bu yana, her biri işlevlerinin özellikleri hakkında değerli bilgiler veren binlerce fisyon yükü patlaması gürledi. Bu bilgi bir mozaik tuvalin unsurlarına benzer ve bu “tuval” ın fizik yasalarıyla sınırlı olduğu ortaya çıktı: mühimmatın boyutunu ve gücünü azaltmak, nötronları yavaşlatma kinetiğine bir sınır koyar. nükleer fizik ve kritik altı kürenin izin verilen boyutlarındaki hidrodinamik kısıtlamalar nedeniyle yüz kilotonu önemli ölçüde aşan bir enerji salınımı elde etmek imkansızdır. Ancak, fisyonla birlikte nükleer füzyonun “çalışması” sağlanırsa, mühimmatı daha güçlü hale getirmek hala mümkündür.
Bölme artı sentez
Ağır hidrojen izotopları, füzyon için yakıt görevi görür. Döteryum ve trityum çekirdeklerinin füzyonu, helyum-4 ve bir nötron üretir, bu durumda enerji verimi, fisyon reaksiyonundan (reaktanların kütle birimi açısından) birkaç kat daha büyük olan 17.6 MeV'dir. Bu tür yakıtlarda normal koşullar altında zincirleme reaksiyon gerçekleşemez, bu nedenle miktarı sınırlı değildir, bu da termonükleer yükün enerji salınımının bir üst sınırı olmadığı anlamına gelir.
Ancak füzyon reaksiyonunun başlaması için döteryum ve trityum çekirdeklerini birbirine yaklaştırmak gerekir ve bu Coulomb itme kuvvetleri tarafından engellenir. Bunların üstesinden gelmek için çekirdekleri birbirine doğru dağıtmanız ve itmeniz gerekir. Bir nötron tüpünde iyon ivmelenmesine karşı durma reaksiyonu sırasında yüksek voltajçok fazla enerji boşa gidiyor. Ancak yakıtı milyonlarca derecelik çok yüksek sıcaklıklara ısıtırsanız ve yoğunluğunu reaksiyon için gereken süre boyunca korursanız, ısıtma için harcanandan çok daha fazla enerji açığa çıkaracaktır. Bu reaksiyon yöntemi sayesinde, silahlara termonükleer denilmeye başlandı (yakıtın bileşimine göre, bu tür bombalara hidrojen bombaları da denir).
Yakıtı bir termonükleer bombada ısıtmak için - bir "sigorta" olarak - bir nükleer yük gereklidir. "Sigortanın" gövdesi, patlama sırasında, yükün genişleyen maddesinin önünde olan ve termonükleer yakıt içeren bir ampulü plazmaya dönüştüren yumuşak X ışınlarına karşı şeffaftır. Ampul kabuğunun maddesi, plazması önemli ölçüde genişleyecek ve yakıtı ampulün eksenine sıkıştıracak şekilde seçilir (bu işleme radyasyon patlaması denir).
Döteryum ve trityum
Döteryum, doğal hidrojen ile "silah dereceli" uranyumun sıradan hidrojenle olduğundan yaklaşık beş kat daha küçük miktarlarda "karıştırılır". Ancak protium ve döteryum arasındaki kütle farkı iki katıdır, bu nedenle ters akım sütunlarında ayrılma süreçleri daha verimlidir. Trityum, plütonyum-239 gibi, doğada somut miktarlarda mevcut değildir; lityum-6 izotopunu bir nükleer reaktörde güçlü nötron akışlarına maruz bırakarak, trityum ve helyum-4'e dönüşen lityum-7 üreterek çıkarılır.
Hem radyoaktif trityum hem de kararlı döteryum tehlikeli maddeler olarak ortaya çıktı: döteryum bileşikleri enjekte edilen deney hayvanları, yaşlılığa özgü semptomlarla (kırılgan kemikler, zeka kaybı, hafıza) öldü. Bu gerçek, yaşlılıktan ve doğal koşullar altında ölümün döteryum birikimi ile gerçekleştiği teorisinin temelini oluşturdu: yaşam boyunca birçok ton su ve diğer hidrojen bileşikleri vücuttan geçer ve daha ağır döteryum bileşenleri hücrelerde yavaş yavaş birikir. Teori ayrıca yaylaların uzun ömürlülüğünü de açıkladı: yerçekimi alanında, döteryum konsantrasyonu yükseklikle biraz azalır. Ancak birçok somatik etkinin "döteryum" teorisine aykırı olduğu ortaya çıktı ve sonuç olarak reddedildi.
Hidrojen izotopları - döteryum (D) ve trityum (T) - normal koşullar altında, makul büyüklükteki bir cihazda yeterli miktarlarının "toplanması" zor olan gazlardır. Bu nedenle, bileşikleri şarjlarda kullanılır - katı lityum-6 hidritler. En “hafif tutuşabilen” izotopların sentezi yakıtı ısıtırken, içinde hem karışımda bulunan çekirdeklerin hem de ortaya çıkan çekirdeklerin katılımıyla başka reaksiyonlar oluşmaya başlar: iki döteryum çekirdeğinin oluşumu ile füzyonu trityum ve bir proton, helyum-3 ve bir nötron, iki trityum çekirdeğinin helyum-4 ve iki nötron oluşturmak için birleştirilmesi, helyum-3 ve döteryumun helyum-4 ve bir proton oluşturmak için birleştirilmesi ve lityum- 6 ve bir nötron, helyum-4 ve trityum oluşturur, böylece lityum tam olarak "balast" değildir.
…Artı bölme
İki fazlı (fisyon + füzyon) bir patlamanın enerji salınımı keyfi olarak büyük olabilse de, bunun önemli bir kısmı (belirtilen reaksiyonların ilki için - %80'den fazla) hızlı nötronlar tarafından ateş topundan uzaklaştırılır; havadaki menzilleri kilometrelercedir ve bu nedenle patlayıcı etkilere katkıda bulunmazlar.
Tam olarak gereken patlayıcı etki ise, termonükleer bir mühimmatta, ampulün ağır bir uranyum-238 kabuğu ile çevrelendiği üçüncü bir aşama da gerçekleştirilir. Bu izotopun bozunması sırasında yayılan nötronlar, bir zincir reaksiyonunu sürdürmek için çok az enerjiye sahiptir, ancak uranyum-238, "dış" yüksek enerjili termonükleer nötronların etkisi altında parçalanır. Uranyum kabuğundaki zincirsiz fisyon, ateş topunun enerjisinde, bazen termonükleer reaksiyonların katkısını bile aşan bir artış sağlar! Üç fazlı ürünlerin her kilogram ağırlığı için, birkaç kiloton TNT eşdeğeri vardır - bunlar, belirli özellikler açısından diğer nükleer silah sınıflarını önemli ölçüde aşmaktadır.
Bununla birlikte, üç fazlı mühimmatın çok hoş olmayan bir özelliği vardır - artan fisyon parçaları verimi. Tabii ki, iki fazlı mühimmat ayrıca bölgeyi nötronlarla kirletir, bu da neredeyse tüm elementlerde nükleer reaksiyonlara neden olur, bu da patlamadan yıllar sonra durmaz (indüklenmiş radyoaktivite), fisyon parçaları ve "sigorta" kalıntıları (yalnızca %10-30 plütonyum, geri kalanı mahalleye dağılır), ancak üç fazlı olanlar bu konuda daha üstündür. O kadar üstünler ki, bazı mühimmat iki versiyonda bile üretildi: birliklerinin eylemlerinin beklendiği bölgede kullanım için “kirli” (üç fazlı) ve daha az güçlü “temiz” (iki fazlı). Örneğin, Amerikan bombası B53, iki özdeş olarak üretildi. dış görünüş varyantlar: "kirli" B53Y1 (9 Mt) ve "temiz" sürüm B53Y2 (4,5 Mt).
Nükleer patlama türleri: 1. Uzay. Uzay hedeflerini yok etmek için 65 km'den daha yüksek bir rakımda kullanılır. 2. Zemin. Aydınlık alan yere değdiğinde toprak yüzeyinde veya bu yükseklikte üretilir. Yer hedeflerini yok etmek için kullanılır. 3. Yeraltı. Zemin seviyesinin altında üretilir. Alanın şiddetli kontaminasyonu ile karakterizedir. 4. Yüksek katlı. Hava hedeflerini yok etmek için 10 ila 65 km yükseklikte kullanılır. Yerdeki nesneler için yalnızca elektrikli ve radyo cihazları üzerindeki etki nedeniyle tehlikelidir. 5. Hava. Birkaç yüz metreden birkaç kilometreye kadar olan yüksekliklerde üretilir. Bölgede pratik olarak hiçbir radyoaktif kirlenme yoktur. 6. Yüzey. Su yüzeyinde veya ışık alanı suya değecek yükseklikte üretilir. Işık radyasyonunun ve nüfuz eden radyasyonun etkisinin zayıflaması ile karakterizedir. 7. Sualtı. Su altında üretilir. Işık emisyonu ve nüfuz eden radyasyon pratikte yoktur. Suda ciddi radyoaktif kirlenmeye neden olur.
Patlama faktörleri
Her fisyon olayı tarafından sağlanan 202 MeV'lik enerjiden anında aşağıdakiler serbest bırakılır: fisyon ürünlerinin kinetik enerjisi (168 MeV), nötronların kinetik enerjisi (5 MeV) ve gama radyasyonunun enerjisi (4.6 MeV). Bu faktörler sayesinde nükleer silahlar savaş alanına hakimdir. Nispeten yoğun havada bir patlama meydana gelirse, enerjisinin üçte ikisi bir şok dalgasına dönüştürülür. Geri kalanın neredeyse tamamı ışık radyasyonu tarafından alınır, geriye nüfuz eden radyasyonun sadece onda biri kalır ve bu çok küçükün sadece %6'sı patlamayı yaratan nötronlara gider. Önemli enerji (11 MeV) nötrinolar tarafından taşınır, ancak o kadar zor bulunurlar ki, şimdiye kadar onlar ve enerjileri için pratik uygulama bulmak mümkün olmamıştır.
Patlamadan sonra önemli bir gecikmeyle, fisyon ürünlerinin beta radyasyonunun enerjisi (7 MeV) ve fisyon ürünlerinin gama radyasyonunun enerjisi (6 MeV) serbest bırakılır. Bu faktörler, bölgenin radyoaktif kirlenmesinden sorumludur - her iki taraf için de çok tehlikeli bir fenomen.
Şok dalgasının etkisi anlaşılabilir, bu nedenle nükleer bir patlamanın gücü, geleneksel patlayıcıların patlamasıyla karşılaştırılarak değerlendirilmeye başlandı. Güçlü bir ışık parlamasının neden olduğu etkiler de olağandışı değildi: ahşap binalar yakıldı, askerler yakıldı. Ancak hedefi alev alevlerine veya önemsiz, bozulmamış bir harabe yığınına -hızlı nötronlar ve sert gama radyasyonuna- dönüştürmeyen etkiler elbette "barbarca" kabul edildi.
Gama radyasyonunun doğrudan etkisi, hem şok dalgasına hem de ışığa karşı savaş etkisinde daha düşüktür. Yalnızca yüksek dozlarda gama radyasyonu (on milyonlarca rad) elektronik cihazlarda sorun yaratabilir. Bu tür dozlarda metaller erir ve çok daha düşük enerji yoğunluğuna sahip bir şok dalgası bu aşırılıklar olmadan hedefi yok eder. Gama radyasyonunun enerji yoğunluğu daha az olursa çelik teknolojisine zararsız hale gelir ve burada şok dalgası da söz sahibi olabilir.
“İnsan gücü” ile de her şey açık değildir: ilk olarak, gama radyasyonu, örneğin zırh tarafından önemli ölçüde zayıflatılır ve ikincisi, radyasyon yaralanmalarının özellikleri, kesinlikle ölümcül dozda binlerce rem (biyolojik Bir biyolojik nesnede 1 x-ray ile aynı etkiyi yaratan herhangi bir radyasyon türünün dozu, bir X-ışını eşdeğeri) tank mürettebatı birkaç saat boyunca savaşa hazır kalacaktır. Bu süre zarfında, mobil ve nispeten savunmasız makinelerin çok şey yapmak için zamanları olacaktı.
Elektronik için ölüm
Doğrudan gama ışınlaması önemli bir savaş etkisi sağlamasa da ikincil reaksiyonlar nedeniyle mümkündür. Gama ışınlarının hava atomlarının elektronları üzerine saçılmasının (Compton etkisi) bir sonucu olarak, geri tepme elektronları ortaya çıkar. Elektron akımı patlama noktasından uzaklaşır: hızları iyonların hızından çok daha yüksektir. Dünyanın manyetik alanındaki yüklü parçacıkların yörüngeleri, bir nükleer patlamanın (EMP) elektromanyetik darbesini oluştururken bükülür (ve dolayısıyla ivme ile hareket eder).
Trityum içeren herhangi bir bileşik kararsızdır, çünkü bu izotopun çekirdeğinin yarısı 12 yıl içinde helyum-3'e ve bir elektrona bozunur ve çok sayıda termonükleer yükün kullanıma hazır olmasını sağlamak için sürekli olarak trityum üretmek gerekir. reaktörler. Nötron tüpünde çok az trityum vardır ve helyum-3 orada özel gözenekli malzemeler tarafından emilir, ancak bu bozunma ürünü bir pompa ile ampulden dışarı pompalanmalıdır, aksi takdirde gaz basıncı ile basitçe parçalanacaktır. Bu tür zorluklar, örneğin, 1970'lerde Amerika Birleşik Devletleri'nden Polaris füzeleri alan İngiliz uzmanların, ülkelerinde Chevaline altında geliştirilen daha az güçlü tek fazlı fisyon suçlamaları lehine Amerikan termonükleer savaş ekipmanını terk etmeyi tercih etmelerine yol açtı. programı. Tanklarla savaşmak için tasarlanan nötron mühimmatlarında, depolama sırasında cephaneliklerde önemli ölçüde azaltılmış miktarda trityum içeren ampullerin "taze" ampullerle değiştirilmesi gerçekleştirildi. Bu tür mühimmat, "boş" ampullerle de kullanılabilir - tek fazlı kiloton gücündeki nükleer mermiler olarak. Sadece döteryum temelinde trityumsuz termonükleer yakıt kullanmak mümkündür, ancak daha sonra, ceteris paribus, enerji salınımı önemli ölçüde azalacaktır. Üç fazlı bir termonükleer mühimmatın çalışma şeması. Fisyon yükünün (1) patlaması, ampulü (2) termonükleer yakıtı (3) sıkıştıran bir plazmaya dönüştürür. Nötron akışından kaynaklanan patlayıcı etkiyi arttırmak için uranyum-238'den bir kabuk (4) kullanılır.
Gama kuanta enerjisinin sadece %0,6'sı EMP nükleer silahlarının enerjisine geçer ve aslında patlamanın enerji dengesindeki payları kendi içinde küçüktür. Hava yoğunluğunun yükseklikle değişmesi ve Dünya'nın manyetik alanının iletken bir plazmoid tarafından bozulması nedeniyle ortaya çıkan dipol radyasyonu da katkıda bulunur. Sonuç olarak, sürekli bir EMP nükleer silah frekans spektrumu oluşur - çok sayıda frekanstan oluşan bir dizi salınım. Onlarca kilohertz'den yüzlerce megahertz'e kadar olan frekanslarda radyasyonun enerji katkısı önemlidir. Bu dalgalar farklı davranır: megahertz ve daha yüksek frekanslı dalgalar atmosferde zayıflarken, düşük frekanslı dalgalar Dünya yüzeyi ve iyonosfer tarafından oluşturulan doğal dalga kılavuzuna "dalar" ve etrafta dolaşabilir. Toprak. Doğru, bu "uzun karaciğerler", yıldırım deşarjlarının "seslerine" benzer şekilde, yalnızca alıcılarda hırıltı ile varlıklarını hatırlatır, ancak daha yüksek frekanslı akrabaları, ekipman için güçlü ve tehlikeli "tıklamalar" ile kendilerini ilan eder.
Bu tür radyasyonun genellikle askeri elektroniklere kayıtsız olması gerektiği anlaşılıyor - sonuçta, en yüksek verimliliğe sahip herhangi bir cihaz, onları yaydığı aralığın dalgalarını alır. Ve askeri elektronikler, EMP nükleer silahlarından çok daha yüksek frekans aralıklarında alır ve yayar. Ancak EMP, bir anten aracılığıyla elektroniği etkilemez. 10 m uzunluğunda bir roket, hayal gücünü şaşırtmayan 100 V / cm elektrik alan gücüne sahip uzun bir dalga ile “örtülürse”, metal roket gövdesinde 100.000 V'luk bir potansiyel fark indüklendi! Güçlü darbeli akımlar, topraklama bağlantıları aracılığıyla devrelere "akar" ve kasadaki topraklama noktalarının kendilerinin önemli ölçüde farklı potansiyellerde olduğu ortaya çıktı. Akım aşırı yüklemeleri yarı iletken elemanlar için tehlikelidir: yüksek frekanslı bir diyotu “yakmak” için yetersiz bir darbe (joule'ün on milyonda biri) enerji yeterlidir. EMP, güçlü bir zarar verici faktör olarak onurun yerini aldı: bazen bir nükleer patlamadan binlerce kilometre uzaktaki ekipmanı devre dışı bıraktılar - ne bir şok dalgası ne de bir ışık darbesi bunu yapamazdı.
EMP'ye neden olan patlamaların parametrelerinin optimize edildiği açıktır (esas olarak belirli bir gücün yükünün patlamasının yüksekliği). Koruyucu önlemler de geliştirildi: ekipmana ek ekranlar, güvenlik parafudrları verildi. Testler - tam ölçekli veya özel olarak oluşturulmuş simülatörler üzerinde - kanıtlanana kadar tek bir askeri teçhizat parçası hizmete alınmadı - EMP nükleer silahlarına, en azından bu yoğunlukta, çok uzak olmayan mesafeler için tipik olan direnci. patlama.
insanlık dışı silah
Ancak, iki fazlı mühimmata geri dönelim. Onların ana zarar verici faktörü, hızlı nötronların akışıdır. Bu, “barbar silahlar” hakkında sayısız efsaneye yol açtı - 1980'lerin başında Sovyet gazetelerinin yazdığı gibi, patlamadaki tüm yaşamı yok eden ve maddi değerleri (binalar, ekipman) pratik olarak bozulmadan bırakan nötron bombaları. Gerçek bir yağma silahı - havaya uçurun ve sonra gelip soygun yapın! Aslında, önemli nötron akılarına maruz kalan herhangi bir nesne yaşamı tehdit eder, çünkü nötronlar, çekirdeklerle etkileşime girdikten sonra, bunlarda çeşitli reaksiyonlar başlatarak, son bozunmadan sonra uzun bir süre yayılan ikincil (indüklenmiş) radyasyona neden olur. maddeyi ışınlayan nötronlar.
Bu "barbarca silah" ne içindi? Lance füzelerinin ve 203 mm obüs mermilerinin savaş başlıkları iki fazlı termonükleer şarjlarla donatıldı. Taşıyıcıların seçimi ve erişimleri (onlarca kilometre), bu silahların operasyonel ve taktik görevleri çözmek için yaratıldığını gösteriyor. Nötron mühimmatları (Amerikan terminolojisine göre - "artan radyasyon çıkışı ile"), Varşova Paktı'nın NATO'yu birkaç kez geride bıraktığı zırhlı araçları yok etmeyi amaçlıyordu. Tank, bir şok dalgasının etkilerine karşı yeterince dayanıklıdır, bu nedenle, alanın fisyon ürünleri ile kirlenmesinin ve güçlü şok dalgalarından kaynaklanan yıkımın sonuçlarını dikkate alarak, zırhlı araçlara karşı çeşitli sınıflardaki nükleer silahların kullanımını hesapladıktan sonra, nötronları ana zarar verici faktör yapmaya karar verildi.
Kesinlikle saf şarj
Böyle bir termonükleer yük elde etmek için, fisyonun yerini ultra yüksek hızlı kümülasyonla değiştirerek nükleer "sigortayı" terk etmeye çalıştılar: termonükleer yakıttan oluşan jetin baş elemanı, yüzlerce kilometreye kadar hızlandırıldı. saniye (çarpışma anında, sıcaklık ve yoğunluk önemli ölçüde artar). Ancak kilogram şeklindeki bir yükün patlamasının arka planına karşı, "termonükleer" artışın ihmal edilebilir olduğu ortaya çıktı ve etki sadece dolaylı olarak - nötronların verimi ile kaydedildi. Bu ABD deneylerinin bir açıklaması, 1961'de Atomlar ve Silahlar'da yayınlandı, o zamanki paranoyak gizlilik göz önüne alındığında, başlı başına bir başarısızlıktı.
Yetmişlerde, "nükleer olmayan" Polonya'da Sylvester Kaliski, termonükleer yakıtın küresel patlama ile sıkıştırılmasını teorik olarak düşündü ve çok olumlu tahminler aldı. Ancak deneysel doğrulama, "jet versiyonu" ile karşılaştırıldığında, nötron veriminin birçok büyüklük mertebesinde artmasına rağmen, ön kararsızlıkların dalga yakınsama noktasında istenen sıcaklığa ulaşılmasına izin vermediğini ve sadece bu yakıt parçacıklarının tepki verdiğini gösterdi. bu, istatistiksel yayılma nedeniyle, ortalama değerden çok daha yüksektir. Dolayısıyla tamamen “temiz” bir şarj yaratmak mümkün değildi.
"Zırh" yığınını durdurmayı bekleyen NATO karargahı, düşmana karşı nötron silahlarının kullanım çizgisinden uzaklaşmaya çalışarak "ikinci kademelerle savaşma" kavramını geliştirdi. Ana görev zırhlı kuvvetler- Savunmadaki bir boşluğa atıldıktan sonra, örneğin yüksek güçlü bir nükleer saldırı ile delindikten sonra başarının operasyonel derinliğe gelişimi. Bu noktada, radyasyon mühimmatını kullanmak için çok geç: 14-MeV nötronlar zırh tarafından hafifçe emilse de, mürettebatın radyasyondan aldığı hasar, savaş kabiliyetini hemen etkilemez. Bu nedenle, bu tür grevler, zırhlı araçların ana kitlelerinin atılıma giriş için hazırlandığı bekleme alanlarında planlandı: cepheye yürüyüş sırasında, radyasyonun etkileri ekipler üzerinde kendini göstermeliydi.
nötron önleyiciler
Nötron mühimmatının bir başka kullanımı, nükleer savaş başlıklarının ele geçirilmesiydi. Düşman savaş başlığını yüksek irtifada durdurmak gerekir, böylece havaya uçsa bile hedef aldığı nesneler zarar görmez. Ancak etrafta hava olmaması, füze karşıtını hedefi bir şok dalgasıyla vurma fırsatından mahrum eder. Doğru, havasız uzayda bir nükleer patlama sırasında, enerjisinin bir ışık darbesine dönüşümü artar, ancak bu, savaş başlığı atmosfere girerken termal bariyerin üstesinden gelmek için tasarlandığından ve etkili bir yanma ile donatıldığından pek yardımcı olmaz ( ablatif) ısı koruyucu kaplama. Öte yandan nötronlar, bu tür kaplamalardan serbestçe "zıplar" ve içinden kayarak savaş başlığının "kalbine" çarptı - bölünebilir malzeme içeren bir düzenek. nükleer patlama bu durumda imkansızdır - montaj kritik değildir, ancak nötronlar plütonyumda birçok sönümlü fisyon zincirine yol açar. Normal koşullar altında, kendiliğinden nükleer reaksiyonlar nedeniyle, dokunulduğunda farkedilen yüksek bir sıcaklığa sahip olan, güçlü iç ısıtma altında eriyen ve deforme olan plütonyum, bu da artık doğru zamanda süper kritik bir düzeneğe dönüşemeyeceği anlamına gelir. .
Bu tür iki fazlı termonükleer yükler, kıtalararası madenleri koruyan Amerikan Sprint füzesavarları ile donatılmıştır. balistik füzeler. Füzelerin konik şekli, fırlatma ve sonraki manevralar sırasında meydana gelen büyük aşırı yüklere dayanmayı mümkün kılar.
Bir reaktörde ağır çekirdeklerin fisyonundan enerji açığa çıkar. Bu enerjinin kaynağı nerede? Çekirdek ikiye ayrıldığı anda neden serbest bırakılıyor?
Uranyum-235 çekirdeği 92 proton ve 143 nötrondan oluşur. Bu, örneğin demir talaşları ve kükürt tozu karışımı gibi temel parçacıkların basit bir mekanik karışımı değildir. Bir atomun çekirdeğini oluşturan parçacıklar, sözde nükleer kuvvetler tarafından birbirine çok güçlü bir şekilde bağlıdır. Çekirdekteki bu parçacık bağı, herhangi bir kimyasal bileşiğin molekülündeki atomlar arasında var olan bağdan milyonlarca kat daha güçlüdür. Kükürt ile karıştırılmış aynı demir tozlarını tutuşturun, kimyasal bir bileşik elde edersiniz - demir sülfür. Tüm demir sülfür moleküllerini bir gramda bulunan demir ve kükürt atomlarına parçalamak için yaklaşık bir büyük kalori miktarında enerji gerekir. Ve bir gram ağırlığındaki bir uranyum parçasındaki tüm çekirdekleri temel parçacıklara yok etmek için 170 milyon büyük kalori mertebesinde enerji gerekir. Bu miktardaki enerji yaklaşık 20 ton benzin yakılarak açığa çıkar.
Çeşitli kimyasal elementlerin çekirdeklerindeki nötronlar ve protonlar birbirine farklı şekillerde bağlıdır: bazılarında daha güçlü, bazılarında daha zayıftır. Uranyum çekirdeğinin bölünmesi sırasında, daha önce de belirtildiği gibi, ortadaki atomların çekirdeği olan iki "parça" oluşur. periyodik tablo Mendeleev'in elementleri, örneğin baryum ve kripton atomlarının çekirdekleri. Bu çekirdeklerdeki protonlar ve nötronlar, periyodik tablonun sonundaki uranyum veya diğer ağır elementlerin çekirdeklerinde olduğundan daha güçlü bir şekilde birbirine bağlanır. Bir baryum çekirdeğinin ve bir kripton çekirdeğinin temel parçacıklara (protonlar ve nötronlar) yok edilmesi, bir uranyum çekirdeğini yok etmekten yüzde on daha fazla enerji gerektirecektir.
Bir çekirdeğin ayrı temel parçacıklara bölünmesi için belirli bir belirli enerji gerekiyorsa, o zaman bu parçacıklardan çekirdek oluşumunda, enerjinin korunumu yasasına göre aynı enerji serbest bırakılmalıdır.
Uranyum çekirdeğinin fisyon sürecini zihinsel olarak iki aşamaya ayıralım. İlk aşama, uranyum çekirdeğinin proton ve nötronlara yok edilmesidir; bu, saf uranyum gramı başına 170 milyon büyük kalori miktarında enerji tüketir. İkinci aşama, uranyum çekirdeklerinin yok edilmesi sırasında oluşan temel parçacıklardan baryum ve kripton çekirdeklerinin oluşmasıdır. Bu sürece, yaklaşık 190 milyon büyük kalori miktarında enerji salınımı eşlik eder. Reaksiyonun her iki aşamasının gerçekleştirilmesi sonucunda 20 milyon büyük kalorilik bir enerji kazanımı elde edilir. Bu miktarda enerji elde etmek için yaklaşık iki ton benzin yakmak gerekir. Böylece, fisyon sırasında uranyumun "kalorifik değeri", benzinin yanmasından iki milyon kat daha yüksek çıkıyor.
Aşağıdaki örnekle gerekçemizi açıklayalım. Diyelim ki bir dağın tepesinde duruyorsunuz ve iki metre derinliğindeki bir kuyudan su alıyorsunuz. Her kilogram su için iki kilogram-metre iş harcarsınız. Daha sonra bu suyu şuttan beş metre aşağıda bulunan türbin çarkına döküyorsunuz. Her türlü enerji kaybını ihmal edersek, türbin beş kilogram metreye eşit iş yapacaktır. Sonuç olarak, harcadığımızdan üç kilogram-metre daha fazla iş alıyoruz.
Ağır elementlerin çekirdeklerinin bölünmesi sırasında, tek tek temel parçacıklara parçalanmazlar, sadece iki parçaya bölünürler - parçalar. Ortaya çıkan parçaların içinde, temel parçacıkların anında yeniden düzenlenmesi gerçekleşir; daha yoğun bir şekilde "paketlenirler" ve bu sürece enerjinin salınması eşlik eder ve ağır bir çekirdeğin yok edilmesi için harcandığından daha fazla enerji salınır.
Hesaplamalar, ağır çekirdeklerin fisyonunun, çekirdekte depolanan enerjinin yalnızca bir kısmını serbest bıraktığını göstermektedir. Aynı baryum ve kripton çekirdekleri doğrudan proton ve nötronlardan sentezlenirse (birleştirilirse) önemli ölçüde daha fazla enerji elde edilir. O zaman ağır çekirdekleri yok etmek için 170 milyon büyük kalorilik enerji harcamanız gerekmez. Su ile ilgili örnekte, bu, onu kuyudan çekmenin gerekli olmadığı, ancak içinde suyun oluğun üst kenarı seviyesinde olduğu havuzun kullanılması gerçeğine karşılık gelecektir.
Ama sentez için atom çekirdeği nötronlar ve protonlar için, her şeyden önce bu temel parçacıkların elimizde olması gerekir. Doğada bitmiş halde bulunmazlar. Sadece yapay olarak elde edilebilirler. Ancak serbest halde izole edilen nötronlar ve protonlar ileride kullanılmak üzere saklanamazlar. Protonlar, tek bir elektrondan yoksun protium atomlarıdır; normal şartlar altında uzun süre var olamazlar. Protonlar kayıp elektronlarını bulacak ve elektriksel olarak nötr protium atomlarına geri dönecektir.
Nötronlar, atomların çekirdeğine kolayca nüfuz eder ve onlar tarafından yakalanır. Ayrıca nötronlar radyoaktiftir. Nötronların serbest haldeki ömrü birkaç dakika meselesidir. Nötron, çekirdek tarafından yakalanmaktan kaçınmayı başardıysa, kendiliğinden bir proton ve bir elektrona dönüşür. Nötronun radyoaktif dönüşümü sırasında elektron nereden geldi? Gerçek şu ki, hem nötron hem de proton temelde aynıdır. temel parçacık, sadece farklı enerji durumlarındadır. Bu parçacıkların ortaklığını vurgulamak için, birlikte bir atomun bir tür çekirdeğini oluşturduklarında, tek bir adla bile adlandırılırlar - nükleonlar. Örneğin, klor-35 izotopunun çekirdeğinin, onları proton ve nötronlara ayırmadan 35 nükleondan oluştuğunu söylüyorlar. Bir nötronun bir protona geçiş süreci, daha yüksek bir enerji seviyesinden daha düşük olana kendiliğinden bir geçiştir; aynı zamanda, bir elektron "doğar". Bir protonun bir nötrona kendiliğinden geçişi imkansızdır; bu, enerjinin korunumu yasasıyla çelişen, düşük bir enerji seviyesinden daha yüksek bir seviyeye geçişe karşılık gelir. Yerde yatan bir taş, dışarıdan bir kuvvetin müdahalesi olmaksızın asla kendiliğinden yükselmez. Protona dışarıdan gerekli miktarda enerji verilirse, bir nötrona dönüşebilir ve bu harekete elektrona benzer, ancak pozitif yüklü bir parçacığın görünümü eşlik eder. Bildiğimiz gibi buna pozitron denir. Böylece, nötronlarda elektron, protonlarda pozitron olmamasına rağmen, bu parçacıkların karşılıklı dönüşümleri sırasında serbest kaldıkları ortaya çıkıyor.
Bu nedenle, nötronları ve protonları serbest bir biçimde elde etmek mümkünse, hemen atom çekirdeğinin sentezi için kullanılmaları gerekir.
Uranyum gibi ağır çekirdeklerin temel parçacıklara (nükleonlar) dönüşmesi, büyük miktarda enerji harcanmasıyla ilişkilidir. Fakat doğada proton ve nötronların uranyum çekirdeğindeki kadar güçlü bir şekilde birbirine bağlanmadığı böyle bir çekirdek yok mu? Bu tür çekirdekler mevcutsa, reaksiyonun ilk zihinsel aşaması - çekirdeğin yok edilmesi - daha az enerji gerektirecektir. Bir kuyu ve bir oluk ile örneğe dönersek, mümkünse sığ bir kuyu aranmalıdır.
Hidrojenin ağır izotoplarıyla sahneye girdiği yer burasıdır ve şimdi bir değil iki.
Bir nükleer reaktörün çalışmasında döteryum nasıl bir rol oynadı? Rolü yardımcıydı - hızlı nötronları termal hızlara yavaşlatmak. Nükleer enerjinin serbest bırakılmasında doğrudan rol almadı. Bildiğiniz gibi birçok reaktörde, grafit blokları veya sıradan su şeklindeki karbon, nötron moderatörleri olarak başarıyla kullanılmaktadır. Hiç moderatörü olmayan reaktörler var - bunlar hızlı nötronlarda çalışan reaktörlerdir. Şimdi tanışacağımız süreçlerde, hidrojen izotopları hayati nükleer enerjinin serbest bırakılmasında.
Hidrojen - döteryumun ağır izotopuna ek olarak, süper ağır bir izotop - trityum da vardır; T harfi ile gösterilir. Protona ek olarak, trityum çekirdeği döteryumda olduğu gibi bir nötron değil, iki tane içerir (Şekil 13). Döteryumdan farklı olarak
(beyaz daireler protonları, siyah daireler çekirdeği oluşturan nötronları gösterir).
Mevcut tüm trityum atomlarının yarısı 12.2 yılda bozunur. Bu süre uzun değildir, ancak stokta her zaman doğru miktarda trityum bulundurmak için oldukça yeterlidir.
Trityum, hidrojenin daha karmaşık bir izotopudur. Özelliklerinde, protiyumdan döteryumdan daha farklıdır.
İlk iki izotop gibi, trityum da bir sıvıya yoğunlaştırılabilir. Sıvı trityumun kaynama noktası, protiyumun kaynama noktasından 4,65 derece daha yüksektir. Buharlaşma ısısı döteryumdan bile daha yüksektir. Trityum oksijenle birleştiğinde, trityum veya aşırı ağır su olarak adlandırılan su oluşur. Döteryum gibi, trityum da protay, döteryum ve oksijen izotoplarıyla birlikte çeşitli izotopik bileşimlerde su verir. Döteryumun verdiği bu dokuz çeşit suya, şimdi molekülleri trityum atomları içeren aynı sayıda yeni su ekleniyor. Bu moleküllerin formülleri aşağıdaki gibi yazılabilir:
MSW16, LLP17 ve LLP18.
Uranyum çekirdeğinin fisyonunda olduğu gibi tartışarak (bkz. s. 50), süreci zihinsel olarak iki aşamaya ayırıyoruz: ilki, döteryum ve trityum çekirdeklerinin ayrı nükleonlara yok edilmesi, ikincisi sentezidir. onlardan helyum çekirdekleri. Nötronlar ve protonlar, döteryum ve trityum çekirdeklerinde helyum çekirdeklerinden çok daha az güçlü bir şekilde birbirine bağlanır. Bu nedenle, iki hidrojen izotopunun çekirdeğinin yok edilmesi, toplamda, bir helyum çekirdeğinin sentezi sırasında ortaya çıkan temel parçacıklardan salındığından daha az enerji tüketir. Hesaplama, döteryum ve trityum çekirdeklerinden sadece bir gram helyum-4 izotop atomunun oluşumunun yaklaşık yüz milyon büyük kalori enerji açığa çıkardığını göstermektedir. Bu, nötronların etkisi altında bir gram uranyumun fisyonuyla açığa çıkan enerjinin beş katıdır.
Helyum çekirdeklerinin füzyon reaksiyonunu gerçekleştirmek için döteryum ve trityum çekirdeklerini birbiriyle çarpışmaya sokmak gerekir. Bu, helyum çekirdeklerinin füzyon reaksiyonunu gerçekleştirmedeki ana zorluktur. Sonuçta, çarpışan her iki çekirdek de pozitif yüklüdür ve elektriksel olarak benzer yüklü cisimler birbirini iter. Elektrik itici kuvvetlerin üstesinden gelmek için çekirdeklerin
büyük bir güç koyun. Nasıl yapılır? Görünüşe göre, çekirdeklere, aralarında hareket eden itme kuvvetlerinin üstesinden gelmek için yeterli olacak bir hareket enerjisi vermek gerekiyor.
Parçacıkların rastgele hareketlerinin ortalama hızı ve dolayısıyla enerjileri sıcaklıkla belirlenir. Vücut ısısı ne kadar yüksek olursa, parçacıkların ortalama enerjisi o kadar yüksek, o kadar hızlı hareket ederler. Bu, izotoplarımızın çok yüksek, bir milyon derece ve hatta daha yüksek bir sıcaklığa ısıtılması ve ısıtılması gerektiği anlamına gelir. Sadece bu sıcaklıklarda parçacıkların enerjisi, çekirdekler arasındaki elektriksel itme kuvvetlerinin üstesinden gelmek için yeterli olacaktır. Güneşin yüzeyinde bile sıcaklığın sadece 6000 derece olduğunu hatırlarsak, cisimleri bir milyon dereceye kadar ısıtmanın zorluğu ortaya çıkar. Zamanımızda bilinen ve yardımı ile bu sıcaklıklara ulaşmanın mümkün olduğu tek kaynak bir patlamadır. atom bombası, yani, uranyum veya plütonyum çekirdeklerinin bir zincir fisyon süreci. Böyle bir patlama bölgesinde, döteryum ve trityum, elektron kabuklarından yoksun "çıplak" atom çekirdeklerinden oluşan bir ortam olan plazma şeklinde bulunacaktır. Bu koşullar altında, hidrojen izotoplarının çekirdekleri, karşılaştıklarında helyum çekirdekleri halinde birleşme fırsatı bulur, sözde termonükleer reaksiyon gerçekleştirilir. Bu veya benzeri bir süreç, bir hidrojen bombasının patlaması sırasında meydana gelir.
Termonükleer reaksiyonlar sırasında açığa çıkan enerjiyi barışçıl amaçlarla kullanmak için bu tür reaksiyonların nasıl kontrol edileceğini öğrenmek gerekir. Dünyanın birçok ülkesinden bilim adamları artık bu çok zor sorunun çözümü ile meşguller. Büyük Araştırma bu yönde burada, Sovyetler Birliği'nde yürütülüyor. Bu sorunun başarılı bir şekilde çözülmesi, insanlığın yeni enerji kaynakları arama endişesini ortadan kaldıracak ve benzeri görülmemiş bir bilim ve teknolojinin gelişmesine yol açacaktır.
Ağır suyun keşfinden ve küçük bir test tüpünün dibine sığacak miktarlarda elde edildiği zamandan sadece yirmi beş yıl bizi ayırdı. Bunun için Kısa bir zaman ağır su, nükleer enerji mühendisliğinde sağlam bir yer kazandı. Nükleer reaktörler için en iyi moderatör olduğu ortaya çıktı, iş
Yushchikh termal nötronlarda. Ancak, bu en önemli şey değil. Ağır su, termonükleer reaksiyonların uygulanmasında ana önemi kazanır. Bu reaksiyonlar için öncelikle yeterli miktarda ham maddeye, yani döteryum ve trityuma sahip olmak gerekir. Döteryum atomları ayrılmaz parça ağır su molekülleri. Gördüğümüz gibi, döteryum atomlarından trityum atomları elde edilebilir. Sonuç olarak, ağır su, helyum çekirdeklerinin füzyon reaksiyonunun uygulanması için gerekli elementleri sağlayan kaynaktır. Bu nedenle dünyanın birçok ülkesinde ağır su üretimi artık büyük fabrika ölçeğinde gerçekleştirilmektedir.
Genellikle, şu veya bu unsurun önemini vurgulamak için şöyle derler: eğer orada olmasaydı, o zaman şöyle olurdu. Ancak, kural olarak, bu retorik bir cihazdan başka bir şey değildir. Ancak hidrojen bir gün gerçekten olmayabilir, çünkü yıldızların derinliklerinde durmaksızın yanarak durağan helyuma dönüşür. Ve hidrojen rezervleri tükendiğinde, hem güneş söneceği hem de su olmayacağı için Evrendeki yaşam imkansız hale gelecek ...
Hidrojen ve Evren
Bir zamanlar insanlar Güneş'i tanrılaştırdılar. Ama şimdi kesin bir araştırmanın nesnesi haline geldi ve varlığımızın tamamen onun üzerinde meydana gelen süreçlere bağlı olduğu gerçeğini nadiren düşünüyoruz.
Güneş her saniye yaklaşık 4 milyon ton kütleye eşdeğer enerjiyi uzaya yayar. Bu enerji, dört hidrojen çekirdeğinin, protonların bir helyum çekirdeğine füzyonu sırasında doğar; Reaksiyon birkaç aşamada ilerler ve toplam sonucu aşağıdaki gibi yazılır:
4 1 1 H + → 4 2 He 2+ + 2e + + 26.7 MeV.
Temel hareket başına çok mu yoksa az mı -26.7 MeV? Çok fazla: 1 g protonun "yanması", 1 g kömürün yanmasından 20 milyon kat daha fazla enerji açığa çıkarır. Dünyada henüz kimse böyle bir reaksiyon gözlemlemedi: sadece yıldızların derinliklerinde var olan ve henüz insan tarafından hakim olunmamış bir sıcaklık ve basınçta gerçekleşir.
Her saniye 4 milyon tonluk kütle kaybına eşdeğer bir güç hayal etmek imkansızdır: En güçlü termonükleer patlamada bile sadece yaklaşık 1 kg madde enerjiye dönüştürülür. Ancak Güneş'in yaydığı tüm enerjiyi toplam kütlesine bağlarsak, o zaman inanılmaz ortaya çıkacaktır: Güneş'in özgül gücü ihmal edilebilir - böyle bir “ısı üreten cihazın” gücünden çok daha az olacaktır. insanın kendisi olarak. Ve hesaplamalar, Güneş'in en az 30 milyar yıl daha zayıflamadan parlayacağını gösteriyor.
Söylemeye gerek yok, ömrümüz için yeterli.
Güneşimiz en az yarı hidrojendir. Güneş'te toplam 69 kimyasal element bulundu, ancak hidrojen baskın. Helyumdan 5,1 kat, tüm metallerin toplamından 10 bin kat (ağırlık olarak değil, atom sayısı bakımından) daha fazladır.Bu hidrojen sadece enerji üretimi için kullanılmaz. Termonükleer işlemler sırasında, yeni kimyasal elementler ve hızlandırılmış protonlar Güneş'in etrafındaki uzaya fırlatılır.
"Güneş rüzgarı" olarak adlandırılan son fenomen, yapay uydular kullanılarak uzay araştırmaları sırasında nispeten yakın zamanda keşfedildi. Bu "rüzgarın" özellikle güçlü esintilerinin kromosferik parlamalar sırasında meydana geldiği ortaya çıktı. Dünya'ya ulaşan, onun tarafından yakalanan proton akışı manyetik alan, auroralara neden olur ve radyo iletişimini bozar ve astronotlar için "güneş rüzgarı" ciddi bir tehlike oluşturur.
Fakat güneş hidrojen çekirdeklerinin akışının Dünya üzerindeki etkisi sadece bununla mı sınırlı? Görünüşe göre öyle değil. Birincisi, proton akışı, Dünya'nın yüzeyine ulaşan ikincil kozmik radyasyona yol açar; ikincisi, manyetik fırtınalar yaşam süreçlerini etkileyebilir; üçüncüsü, Dünya'nın manyetik alanı tarafından yakalanan hidrojen çekirdekleri, uzayla kütle transferini etkileyemez.
Kendiniz karar verin: şimdi yer kabuğunda her 100 atomdan 17'si hidrojen atomudur. Ancak serbest hidrojen pratikte Dünya'da yoktur: suyun, minerallerin, kömürün, yağın, canlıların bir parçasıdır... Sadece volkanik gazlar bazen difüzyon sonucunda atmosferde dağılan az miktarda hidrojen içerir. Ve hidrojen moleküllerinin küçük kütleleri nedeniyle termal hareketlerinin ortalama hızı çok yüksek olduğundan - ikinci kozmik hıza yakındır - bu moleküller atmosferin katmanlarından uzaya uçarlar.
Ama eğer Dünya hidrojen kaybediyorsa, neden aynı Güneş'ten alamıyor? "Güneş rüzgarı", Dünya'nın manyetik alanı tarafından yakalanan hidrojen çekirdekleri olduğuna göre, neden üzerinde kalmasınlar?
Sonuçta, Dünya atmosferinde oksijen var; içeri giren hidrojen çekirdekleriyle reaksiyona girerek onları bağlayacak ve kozmik hidrojen er ya da geç gezegenin yüzeyine sıradan yağmur şeklinde düşecek. Üstelik hesaplama, tüm dünya okyanuslarının, denizlerinin, göllerinin ve nehirlerinin sularında bulunan hidrojen kütlesinin, Dünya tarihi boyunca "güneş rüzgarı" tarafından taşınan proton kütlesine tam olarak eşit olduğunu göstermektedir. Bu nedir - sadece bir tesadüf mü?
Güneşimizin, hidrojen Güneşimizin Evrendeki sıradan bir yıldız olduğunun, Dünya'dan yüzlerce, binlerce ve milyonlarca ışıkyılı uzaklıkta sayısız sayıda benzer yıldız bulunduğunun farkında olmalıyız. Ve kim bilir - belki de insanlığın ilk kez yabancı uygarlıklarla iletişim kurabileceği yıldızlararası hidrojenin radyo emisyonu aralığında (unutmayın - 21 santimetre!)
Hidrojen ve yaşam
Bir kez daha, "Doğa şuna ve buna sahip olmasaydı, o zaman bu ve bu olmazdı" demenin saçma olduğu gerçeği hakkında. Gerçek şu ki, şu anda gözlemleme fırsatına sahip olduğumuz dünya resmi, tam olarak gerçekte var olanın bir sonucu olarak gelişmiştir ...
Örneğin, yazarlar suyun yerini hidrojen florür veya amonyak aldığı ve yaşamın karbona değil silikona dayalı olduğu gezegenlerde yaşamayı severler. Ama neden silikonun fazlasıyla yeterli olduğu gezegenimizde "silikon" yaşam yok? Silikon yaşam için uygun bir temel olmadığı için mi?
Bununla birlikte, bazen hem karbon hem de oksijenin yerini karmaşık insan hayal gücü alıyorsa, o zaman hidrojenin yerini hiçbir şey tutamaz. Gerçek şu ki, tüm elementlerin analogları vardır, ancak hidrojen yoktur. Bu atomun çekirdeği temel bir parçacıktır ve bu atomun özelliklerini etkileyemez ancak etkileyemez.
Normal koşullar altında hidrojen atomu dışında hiçbir atom tüm elektronlarını kaybedemez: Hala en az bir elektron kabuğuna sahiptir ve negatif yükler taşıyan bu kabuk çekirdeği korur. Ancak hidrojen iyonu “çıplak”, pozitif yüklü bir protondur ve çekirdekten özellikle güçlü olmayan bir itme yaşarken diğer atomların elektron kabuklarına çekilebilir.
Ve işte olan şey. Diyelim ki bir su molekülünde oksijen atomunun her iki değeri de doymuştur ve görünüşe göre iki molekül arasında ek bir bağ oluşamaz. Ancak bir su molekülünün hidrojen atomu başka bir molekülün oksijen atomuna yaklaştığında, proton ile oksijenin elektron kabuğu arasında ek bir çekim kuvveti hüküm sürmeye başlar ve özel, sözde hidrojen bağı oluşur:
Bu tür bağlantılar, normal olanlardan yirmi kat daha zayıftır, ancak yine de rolleri çok büyüktür. Örneğin, aynı suyu alın: şaşırtıcı özelliklerinin çoğu, alışılmadık şekilde gelişmiş hidrojen bağları tarafından kesin olarak belirlenir. En azından, periyodik sistemdeki oksijenin komşuları olan hidrojen bileşiklerinin sabitlerini temel alarak erime noktasını tahmin etmeye çalışın - nitrojen ve flor veya analogları - kükürt ve selenyum.
Amonyak -77.7°C'de, hidrojen florür -92.3°C'de erir; bu nedenle, suyun -85 °C civarında bir ara erime noktasına sahip olduğu görülmektedir. Selenyum hidrojen -64°C'de, hidrojen sülfür -82.9°C'de erir; bu nedenle, daha düşük moleküler ağırlığa sahip benzer bir türev olarak suyun erime noktası daha da düşük olmalıdır ... Ama hayır, gerçek erime noktası teorik olarak tahmin edilenden neredeyse yüz derece daha yüksek çıkıyor ve bunun nedeni zayıftır, ancak elektron kabuğunun spesifik yapısı nedeniyle oksijenin azot, flor, kükürt veya selenyumdan çok daha fazla oluşturabildiği çok sayıda moleküller arası hidrojen bağı.
Hidrojen bağları, yaşamın en incelikli fenomeninin altında yatar. Örneğin, bu bağlar sayesinde enzimler, reaksiyonlarını hızlandırdıkları maddeleri spesifik olarak tanıyabilirler. Gerçek şu ki, her enzimin protein zinciri, C = O ve N - H atom grupları arasında çok sayıda molekül içi hidrojen bağı ile sabitlenmiş, kesin olarak tanımlanmış bir uzamsal konfigürasyona sahiptir. Buna karşılık, bir madde molekülü hidrojen bağları oluşturabilen gruplara sahiptir. enzim molekülünün belirli bir kısmı ile - sözde aktif merkez. Sonuç olarak, bu maddedeki molekül içi bağlar zayıflar ve enzim kelimenin tam anlamıyla molekülü "ısırır".
Ancak bu, yaşam süreçlerinde zayıf hidrojen bağlarının rolünü sınırlamaz. Tüm genetik bilgiyi nesilden nesile aktaran DNA molekülünün birebir kopyalanması bu bağlantılar sayesinde gerçekleşir; hidrojen bağları, birçok ilacın etkisinin özgüllüğünü belirler; hem tat duyularından hem de kaslarımızın kasılma yeteneğinden sorumludurlar... Tek kelimeyle, vahşi yaşamda hidrojen atomunun yeri gerçekten doldurulamaz.
Hidrojen ve bilim
çok geç XVIII ve erken XIX içinde. kimya, nicel yasalar oluşturma dönemine girdi: 1803'te John Dalton, çoklu oranlar yasasını formüle etti (maddeler, kimyasal eşdeğerlerinin katları olan ağırlık oranlarında birbirleriyle reaksiyona girer). Aynı zamanda, elementlerin bağıl atom ağırlıklarının kimya bilimi tarihindeki ilk tablosunu derledi. Bu tabloda hidrojen ilk sırada yer aldı ve diğer elementlerin atom ağırlıkları tam sayılara yakın sayılarla ifade edildi.
Hidrojenin en başından beri işgal ettiği özel konum, bilim adamlarının dikkatini çekemedi ve 1811'de kimyagerler, antik Yunan filozoflarının fikrini geliştiren William Prout'un hipotezini tanımayı başardılar. dünyanın birliği ve tüm elementlerin çok hafif elementten olduğu gibi hidrojenden oluştuğunu öne sürdü. Atom ağırlıklarını iyileştirme sürecinde olan Jens Jakob Berzelius, Prout'a itiraz etti: Deneylerinden, elementlerin atom ağırlıklarının hidrojenin atom ağırlığına tamsayı oranlarında olmadığı sonucu çıktı. “Ama,” Prout'un destekçileri itiraz ettiler, “atom ağırlıkları henüz yeterince doğru bir şekilde belirlenmedi” - ve bir örnek olarak, 1840'ta karbonun atom ağırlığını 11.26'dan düzelten Jean Stas'ın deneylerine atıfta bulundular (bu değer, Berzelius) ila 12, 0.
Bununla birlikte, Prout'un çekici hipotezi bir süreliğine terk edilmek zorunda kaldı: Yakında aynı Stas, dikkatli ve tartışılmaz araştırmalar yoluyla, örneğin klorun atom ağırlığının 35.45, yani. asla hidrojenin atom ağırlığının bir katı olarak ifade edilemez...
Ancak 1869'da Dmitry Ivanovich Mendeleev, elementlerin atom ağırlıklarını en temel özellikleri olarak temel alarak kendi periyodik element sınıflandırmasını yarattı. Ve ilk etapta elementler sisteminde elbette hidrojen vardı.
Periyodik yasanın keşfiyle, kimyasal elementlerin, yapısı bir miktar iç düzenliliğe tabi olan tek bir dizi oluşturduğu ortaya çıktı. Ve bu, biraz değiştirilmiş bir biçimde de olsa Prout'un hipotezini yeniden hayata geçirmekte başarısız olamazdı: 1888'de William Crookes, hidrojen de dahil olmak üzere tüm elementlerin, protil adını verdiği bazı birincil maddelerin sıkıştırılmasıyla oluştuğunu öne sürdü. Ve Crookes, protilin görünüşe göre çok küçük bir atom ağırlığına sahip olduğu sonucuna vardığı için, kesirli atom ağırlıklarının ortaya çıkması da bundan anlaşılabilir.
Bu hipoteze karşı Mendeleev itiraz etti: “... bireyselleştirilmiş bir şey verin ve görünür çeşitlilik olasılığını anlamak kolaylaşacaktır. Aksi halde, bir kişi nasıl çok verebilir? Yani, periyodik sistemin yaratıcısına göre, bir tür parçacık, bu kadar çeşitli özelliklere sahip bir elementler sistemi inşa etmek için temel teşkil edemez.
Ama ilginç olan şu. Mendeleev'in kendisi alışılmadık bir şekilde şu soruyla meşguldü: Periyodik sistem neden tam olarak hidrojenle başlasın? Atom ağırlığı birden az olan elementlerin varlığını engelleyen nedir? Ve 1905'te Mendeleev böyle bir elementi "dünya eteri" olarak adlandırıyor. Üstelik onu helyumun üzerindeki sıfır grubuna yerleştiriyor ve atom ağırlığını hesaplıyor - 0.000001! Mendeleev'e göre böylesine düşük bir atom ağırlığına sahip bir soy gaz her yere nüfuz etmelidir ve elastik titreşimleri ışık olaylarını açıklayabilir ...
Ne yazık ki, büyük bilim adamının bu tahmini gerçekleşmeye mahkum değildi. Ancak Mendeleev, elementlerin özdeş parçacıklardan oluşmadığı konusunda haklıydı: Artık onların proton, nötron ve elektronlardan oluştuğunu biliyoruz.
Ama şöyle haykırayım, çünkü proton hidrojen atomunun çekirdeğidir. Yani Prout sonuçta haklı mıydı?
Evet, gerçekten de kendi yolunda haklıydı. Ama tabiri caizse vaktinden önce doğruydu. Çünkü o zaman ne tam olarak doğrulanabilirdi ne de gerçekten çürütülebilirdi...
Bununla birlikte, hidrojenin kendisi, bilimsel düşüncenin gelişim tarihinde önemli bir rol oynamıştır. 1913'te Niels Bohr, kuantum mekaniği temelinde atom yapısının özelliklerini ve periyodiklik yasasının iç özünü açıklayan ünlü postülalarını formüle etti. Ve Bohr'un teorisi kabul edildi, çünkü onun temelinde hesaplanan hidrojen spektrumu, gözlemlenenle tamamen çakıştı.
Ve 150 yıldan fazla bir süre önce ifade edilen fikrin hikayesi henüz bitmedi. Günümüz biliminin karşı karşıya olduğu en kafa karıştırıcı görevlerden biri, artık sayıları onlarca olan temel parçacıkların özelliklerinde bir model bulmaktır. Bilim adamları onları bir tür periyodik sisteme sokmaya çalışıyorlar, ancak bu, tüm temel parçacıkların - hem atomlar hem de moleküller - ve nihayetinde bizlerin inşa edildiği bazı “evrenin tuğlaları” olduğunu göstermiyor mu?
Fizikçiler bu tür parçacıkların var olduğunu öne sürdüler ve hatta onları kuark olarak adlandırdılar. Tek sorun şu ki, dünyada henüz hiç kimse bu tür parçacıkların bir efsane değil bir gerçek olduğunu kanıtlayamadı...
Ama Prout'u ve hipotezinin kaderini hatırlayın. Her şeyin inşa edildiği parçacıklar fikri, iki bin ve bir buçuk yüzyıl önceki kadar çekici olmaya devam ediyor. Ve kuarklar modern bilim adamlarının onlar hakkında düşündükleri gibi çıkmasa bile önemli olan dünyanın birliği fikrinin yaşaması ve gelişmesidir. Ve mantıklı sonucunu alacağı zaman gelecek.
Hidrojen ve uygulama
Hemen bir rezervasyon yapın: saf fikirlerin bir alanı olarak "bilimin" aksine, "pratik", bir kişinin pratik faaliyetine hizmet eden her şeye - deneysel bir bilim adamının faaliyeti olsa bile - diyeceğiz.
Kimyager hidrojen ile öncelikle ideal bir indirgeyici maddenin özelliklerine sahip bir madde olarak ilgilenir.
Ama hidrojen nereden alınır? Tabii ki, en kolay yol bir balondan. Kırmızı "Hidrojen" yazılı yeşil bir silindirden ve "sol" dişli bir valften (yanıcı gaz!). Ama elinizde balon yoksa?
Hidrojen, metallerin asitlerle reaksiyona girmesiyle üretilebilir:
Zn + H 2 SO 4 → ZnSO 4 + H 2.
Ancak bu hidrojen tam olarak saf olamaz, çünkü tamamen saf bir metal ve aside ihtiyaç vardır. Saf hidrojen de Lavoisier tarafından, su buharını bir mangalda ısıtılan bir silah namlusundan geçirerek elde edildi:
4H 2 O + 3Fe → Fe 3 O 4 + 4H 2.
Ancak bu yöntem bile çok uygun değildir, ancak modern bir laboratuvarda demir talaşı ile doldurulmuş ve bir elektrikli fırında ısıtılmış bir kuvars tüp ile elde edilebilir.
Elektroliz! Elektrik iletkenliğini artırmak için biraz sülfürik asit ilave edilen damıtılmış su, doğru akım geçirildiğinde ayrışır:
2H 2 O → 2H 2 + O 2.
Hizmetinizde - neredeyse mükemmel saflıkta hidrojen, yalnızca en küçük su damlacıklarından arındırılması gerekir. (Endüstride, suya asit değil alkali eklenir - böylece metal ekipman çökmez).
Ve şimdi bu hidrojeni, paladyum klorürün karıştırıldığı sudan yavaşça geçireceğiz. Kurtarma neredeyse hemen başlayacak ve çökelti siyaha dönecek - paladyum siyahı elde edersiniz:
PdCl2 + H2 → Pd + 2HCl.
Paladyum siyahı, çeşitli organik bileşiklerin hidrojenasyonu için mükemmel bir katalizördür. Moleküler hidrojen çok inert olduğu için burada bir katalizöre ihtiyaç vardır: normal koşullar altında oksijenle bile alışılmadık şekilde yavaş reaksiyona girer. Sonuçta, önce bir hidrojen molekülünün atomlara ayrışması gerekir ve bunun için her mol hidrojen için 104 kcal harcanmalıdır (yani sadece 2 g!) Ancak katalizörün yüzeyinde bu işlem çok daha düşük enerji maliyetleri ile gerçekleşir, hidrojen keskin bir şekilde aktive olur.
Belki de modern kimya teknolojisinde katalizörlerin rolü hakkında fazla konuşmaya değmez: süreçlerin büyük çoğunluğu onların varlığında gerçekleştirilir. Ve bunların arasında en önemlisi, hidrojen ve atmosferik azottan amonyak sentezidir:
3H 2 + N 2 → 2NH 3.
Bu durumda hidrojen ya sudan ya da metandan dönüşüm reaksiyonu adı verilen reaksiyona göre üretilir:
CH 4 + 2H 2 O → 4H 2 + CO2.
veya hidrojenasyon reaksiyonunun tersi olan bir reaksiyonda doğal hidrokarbonları parçalayarak:
CH3 - CH3 - CH2 \u003d CH2 + H2.
Azotlu gübrelerin üretiminde sentetik amonyak vazgeçilmezdir. Ancak hidrojen sadece amonyak üretmek için gerekli değildir. Sıvı bitkisel yağların hayvansal yağ için katı ikame maddelere dönüştürülmesi, katı düşük kaliteli kömürlerin sıvı yakıtlara dönüştürülmesi ve diğer birçok işlem, temel hidrojeni içerir. Hidrojenin insanlar, bitkiler ve makineler için besin olduğu ortaya çıktı...
Ama laboratuvara geri dönelim. Burada hidrojen sadece saf haliyle değil, aynı zamanda metallerle bileşikleri biçiminde de kullanılır - örneğin, lityum alüminyum hidrit LiAlH 4 , sodyum boron hidrit NaBH 4 . Bu bileşikler, organik maddelerdeki belirli atom gruplarını kolayca ve spesifik olarak geri yükler:
Hidrojen izotopları - döteryum (2 H veya D) ve trityum (3 H veya T) - kimyasal ve biyokimyasal süreçlerin en ince mekanizmalarını incelemeyi mümkün kılar. Bu izotoplar "etiket" olarak kullanılır çünkü döteryum ve trityum atomları tüm Kimyasal özellikler geleneksel hafif izotop - protium - ve onu değiştirebiliyor organik bileşikler. Ancak döteryum, protiyumdan kütle ve trityumdan radyoaktivite ile ayırt edilebilir. Bu, etiketli molekülün her bir parçasının kaderini izlemeyi mümkün kılar.
Hidrojen ve gelecek
"Döteryum" ve "trityum" kelimeleri bize bugün insanın reaksiyon sırasında açığa çıkan güçlü bir enerji kaynağına sahip olduğunu hatırlatır:
2 1 H + 3 1 H → 4 2 He + 1 0 n+ 17.6 MeV.
Bu reaksiyon 10 milyon derecede başlar ve bir termonükleer bombanın patlaması sırasında saniyenin çok küçük bir bölümünde ilerler ve Dünya ölçeğinde devasa bir enerji açığa çıkar.
Hidrojen bombaları bazen Güneş ile karşılaştırılır. Ancak, Güneş'te yavaş ve kararlı termonükleer süreçlerin gerçekleştiğini zaten gördük. Güneş bize hayat verir ve hidrojen bombası ölüm vaat eder...
Ama bir gün, değer ölçüsünün altın değil, enerji olacağı zaman gelecek - ve bu zaman çok uzak değil -. Ve sonra hidrojen izotopları insanlığı yaklaşan enerji açlığından kurtaracak: kontrollü termonükleer süreçlerde, her bir litre doğal su, şu anda 300 litre benzinin sağladığı kadar enerji sağlayacaktır. Ve insanlık, insanların hayat veren bir ısı ve ışık kaynağıyla birbirlerini tehdit ettikleri bir zaman olduğunu şaşkınlıkla hatırlayacak...
Protium, döteryum, trityum...
Hidrojen hariç tüm elementlerin izotoplarının fiziksel ve kimyasal özellikleri hemen hemen aynıdır: sonuçta, çekirdeği birkaç proton ve nötrondan oluşan atomlar için o kadar önemli değildir - bir nötron daha az veya bir nötron daha fazla. Ancak bir hidrojen atomunun çekirdeği tek bir protondur ve ona bir nötron eklenirse çekirdeğin kütlesi neredeyse iki katına, iki nötron varsa üçe katlanır. Bu nedenle, hafif hidrojen (protium) eksi 252,6°C'de kaynar ve izotoplarının kaynama noktası bu değerden 3,2° (döteryum) ve 4,5° (trityum) farklıdır. İzotoplar için bu çok büyük bir fark!
Şaşırtıcı izotoplar doğada eşit olarak dağılmamıştır: bir döteryum atomu yaklaşık 7000'dir ve bir beta radyoaktif trityum atomu bir milyar milyar protium atomudur. Son derece kararsız bir başka hidrojen izotopu olan 4H, yapay olarak elde edildi.
Hassasiyet önce gelir
Hidrojenin hafif izotopunun nispi kütlesi fantastik bir doğrulukla belirlenir: 1.007276470 (eğer karbon izotopunun kütlesini 12 C'nin kütlesini 12.0000000'e eşit alırsak). Örneğin, ekvatorun uzunluğu böyle bir doğrulukla ölçülseydi, hata 4 cm'yi geçmezdi!
Ama neden böyle bir hassasiyet gerekli? Ne de olsa, her yeni rakam deneycilerin giderek daha fazla çaba göstermesini gerektiriyor... Sır basitçe ortaya çıkıyor: protium çekirdekleri, protonlar, birçok nükleer reaksiyonda yer alıyor. Ve reaksiyona giren çekirdeklerin kütleleri ve reaksiyon ürünlerinin kütleleri biliniyorsa, o zaman formülü kullanarak E = mc 2, enerji etkisi hesaplanabilir. Ve nükleer reaksiyonların bile enerji etkilerine kütlede sadece küçük bir değişiklik eşlik ettiğinden, bu kütlelerin mümkün olduğu kadar doğru bir şekilde ölçülmesi gerekir.
Birinci mi yedinci mi?
Hidrojen periyodik tabloda hangi yeri işgal etmelidir? Saçma bir soru gibi görünebilir: elbette, ilk! Evet ama hangi gruba koymalıyım? Uzun bir süre boyunca hidrojen, tüm tek değerli metaller gibi bir değerlik elektronuna sahip olduğu için lityumun üzerine yerleştirildi. (Bu arada, hidrojenin bir gaz için termal iletkenliği alışılmadık derecede yüksektir - hidrojen molekülleri diğer gazların moleküllerinden çok daha hızlı hareket eder ve bu nedenle ısıyı daha yoğun bir şekilde aktarır.)
Modern element tablosunda hidrojen, florin üzerinde VII grubuna yerleştirilir. Gerçek şu ki, periyodiklik yasasının mantığı, ilk üç periyodun benzer elementlerinin çekirdeklerinin yükünün sekiz birim farklı olmasını gerektirir; bu nedenle hidrojen (atom numarası 1), florin (atom numarası 9) ile benzer olarak kabul edilmelidir ve lityum (atom numarası 3) olarak değil. Yine de buradaki analojinin tam olmadığı unutulmamalıdır: Hidrojen, flor gibi metallerle (hidritler) bileşikler oluşturabilmesine rağmen, hidrojen iyonu bir protondur, çıplak bir temel parçacıktır ve başka hiçbir şeyle karşılaştırılamaz. iyonlar hiç.
Alkali mi asit mi?
Çözeltilerde bir hidrojen iyonu, bir proton ayıran maddelere asitler, bu iyonu ekleyenlere ise alkaliler denir. Proton konsantrasyonu, ortamın reaksiyonunu karakterize eder: 1 litre nötr sulu çözelti ve 1 litre saf su, 10-7 gram hidrojen iyonu içerir; Proton konsantrasyonu yüksekse ortam asidik, düşükse alkali olur. (Bu konsantrasyonun zıt işaretiyle alınan logaritması “hidrojen indeksi” veya pH'dır.)
Bununla birlikte, sulu çözeltilerde serbest protonların olmadığı ve olamayacağı unutulmamalıdır: hidrojen atomunun çekirdeği o kadar küçüktür ki, suyun elektron kabuğuna girmiş gibi görünür ve özel bir bileşik oluşturur - oksonyum iyonu:
H + + H 2 O → H 3 O +.
Ancak buradaki durum tam tersidir - proton asitten ayrıldığı için oluşan oksonyum iyonu değil, oksonyum iyonu oluştuğu için asit ayrışır. Bu nedenle, örneğin hidrojen klorürün ayrışma şeması aşağıdaki gibi yazılmalıdır:
HCl + H20 → H3O + + Cl -.
Bu, içinde hidrojen klorür çözüldüğünde suyun bir alkali gibi davrandığı (bir proton bağlar); örneğin, içinde amonyak çözülürse, su zaten bir asit görevi görür:
NH3 + H20 → NH4 + + OH -.
Tek kelimeyle - dünyadaki her şey görecelidir ...
Oklüzyonun mucizeleri
Böyle bir deneyim hayal edin. Bir su elektroliz cihazında katot bir plaka şeklinde yapılır. Akımı açarsın ve... levha kendi kendine bükülmeye başlar! Bu numaranın sırrı, plakanın paladyumdan yapılmış olması ve bir tarafı vernik tabakası ile kaplanmış olmasıdır. Elektroliz sırasında, plakanın laksız tarafında hidrojen açığa çıkar ve hemen metalde çözülür; ve paladyum hacmi arttıkça plakayı büken bir kuvvet ortaya çıkar.
Ama bekleyin, diyorsunuz, gazlar metallerde çözülür mü? Genel olarak, tıkanıklık adı verilen bu fenomen şaşırtıcı değildir. Şaşırtıcı olan başka bir şey var: bir hacim paladyumda 850 hacme kadar hidrojen çözülür! Bu, bir hacim suda çözülebilen amonyak miktarından biraz daha azdır - ve hangi gaz suda daha iyi çözünür! Hidrojen ise suda çok az çözünür - su hacmi başına yaklaşık 0.02 hacim.
Statu nascendi'de
Hidrojen saf oksijende yakıldığında, 2800 ° C'ye kadar sıcaklıklar gelişir - böyle bir alev kuvars ve çoğu metali kolayca eritir. Ancak hidrojenin yardımıyla, kaynak olarak değil, enerji taşıyıcısı ve yoğunlaştırıcı olarak kullanıldığında daha da yüksek sıcaklıklara ulaşılabilir.
İşte nasıl yapıldığı. Bir voltaik arkın alevinden bir hidrojen jeti geçirilir. Yüksek sıcaklığın etkisi altında molekülleri parçalanır, atomlara ayrışır ve büyük miktarda enerji emer. Ortaya çıkan atomik hidrojen, anında moleküller halinde birleşmez: sonuçta, atomların önce depolanmış enerjilerinden vazgeçmeleri gerekir. Ve eğer bir atomik hidrojen jeti bir katı yüzeye yönlendirilirse, o zaman atomlar moleküller halinde birleşir: ayrışma enerjisi açığa çıkar ve yüzey sıcaklığı 3500...4000°C'ye yükselir. Böyle bir atomik hidrojen brülörü yardımıyla en refrakter metaller bile işlenebilir.
Atomik hidrojen sadece ark alevinde doğmaz: asitler metallerle reaksiyona girdiğinde bile oluşur. Serbest bırakıldığı anda (Latince - in statu nascendi) hidrojen, artan aktivite, ve kimyagerler organik maddeyi azaltmak için kullanırlar.
Kaç hidrojen var?
Dört çeşit hidrojenden bahsetmiştik - izotopları. Ve yine de doğada, sadece bu elementin atomları hakkında değil, aynı zamanda molekülleri hakkında da konuşursak, çok daha farklı "hidrojenler" vardır. Gerçek şu ki, normal koşullar altında, moleküler hidrojen, kurucu atomlarının çekirdeklerinin manyetik momentlerinin yöneliminde farklılık gösteren orto ve buhar hidrojeni olarak adlandırılan iki olağandışı izomerin bir karışımıdır. Ortohidrojen için bu momentler aynı yönelime sahiptir ve hidrojen buharı için zıt yönlere sahiptirler; orto- ve para-izomerler farklılık gösterir fiziksel özellikler. Ve hem döteryum hem de trityum benzer izomerlere sahip olduğundan ve her biri görünüşe göre orto- ve paraizomerler şeklinde de var olabilen HD, HT ve DT molekülleri mevcut olabileceğinden, bu on iki çeşit moleküler hidrojen olduğu anlamına gelir. .
Ama hepsi bu değil. Çok uzun zaman önce, bilim adamları antihidrojen elde etmeyi başardılar - bir antiproton ve bir pozitrondan yapılmış bir atom ve ondan sonra yüksek enerjili hızlandırıcılarda antidöteryum ve antitrityum çekirdekleri elde edildi. Ve sonra, bir proton veya elektronun şu veya bu mezonla değiştirildiği mezoatomlar vardır. Ayrıca hidrojenin tuhaf izotopları olarak da kabul edilebilirler...
İlk metalik hidrojen
Bildiğimiz gibi, bugün hidrojenle ilgili en az üç umut var: termonükleer enerji için, neredeyse kayıpsız enerji transferi için (sıvı helyum değil sıvı hidrojen sıcaklığında süper iletken cihazlarda) ve bir yakıt olarak, zararsız bir yakıt olarak. çevre. Ve tüm bu umutlar öncelikle metalik hidrojenle, yani. böyle bir hidrojen sağlam, yüksek elektriksel iletkenliğe ve metalin diğer özelliklerine sahip olan. Kompakt metalik hidrojen en uygun hidrojen yakıtı olmalıdır. Ek olarak, metalik hidrojenin bir süper iletken olarak kalırken normal sıcaklıklarda var olabileceğine göre teorik ön koşullar vardır.
Sıradan katı hidrojeni statik veya dinamik yüklere maruz bırakarak çeşitli şekillerde metalik hidrojen elde etmeye çalıştılar (ve denemeye devam ettiler). Bu önemli ve karmaşık sorunu çözmedeki olası başarı hakkında ilk rapor, Şubat 1975'te SSCB Bilimler Akademisi Yüksek Basınç Fiziği Enstitüsü'nden (Akademisyen L.F. Vereshchagin başkanlığındaki) bir grup bilim adamı tarafından yayınlandı. 4,2°K'ye soğutulmuş elmas örsler üzerinde ince bir hidrojen tabakası biriktirmiş ve üzerinde çok etkili olmuştur. yüksek basınç, gözlemlenen olağandışı fenomen. Hidrojenin elektrik direnci milyonlarca kez azaldı - metalik bir duruma geçti. Bu, yaklaşık 3 milyon atm'lik bir statik basınç altında gerçekleşti. Basınç düşmeye başladığında, o zaman zaten basınçta yaklaşık üç kat azalma (1 milyon atm.) Hidrojenin metalik halden normal, dielektrik duruma ters bir geçişi oldu. Ancak, araştırmacılar bu gerçeği ölümcül bir başarısızlık olarak algılamadılar, yani normal basınçta metalik hidrojenin varlığının imkansızlığı. Metalik hidrojenin bir şekilde "sertleştirileceğini" ve sonunda çeşitli uzmanlık alanlarından bilim adamlarının kullanımına sunulacağını umuyorlar. Ve görünüşe göre teknoloji için de.