Атом раньше считали неделимым кирпичом Вселенной. Оказалось, внутри него — крошечное ядро, электроны и механизмы, известные только квантовой физике. И да — ядро можно раскалывать, получая гигантскую энергию.
Размер атома — порядка 0,1 нанометра. Ядро в сто тысяч раз меньше. Если атом — футбольный стадион, ядро — муха в центре поля.
Атомы одного элемента отличаются числом нейтронов — это изотопы. Водород: протий (0 нейтронов), дейтерий (1), тритий (2). Химические свойства не меняются, а вот масса и стабильность — очень.
Резерфорд обстрелял фольгу альфа-частицами: большинство пролетели насквозь, но некоторые отскочили назад — значит, внутри есть плотное ядро. Бор добавил квантовую магию: электроны сидят на уровнях с определённой энергией и могут прыгать между ними, излучая или поглощая фотоны.
Именно это объясняет линейчатые спектры! Каждый химический элемент даёт свои линии, потому что у каждой разности уровней своя частота. Паспортировка вещества по свету.
Некоторые ядра нестабильны и самопроизвольно распадаются, испуская частицы и энергию. Три основных вида излучения:
Число нераспавшихся ядер убывает экспоненциально. Период полураспада T — время, за которое распадается половина ядер. У углерода-14 это 5730 лет (потому работает радиоуглеродное датирование), у урана-238 — 4,5 миллиарда лет.
Масса ядра меньше суммы масс его частей — «дефект массы». Куда делась разница? Превратилась в энергию связи, по формуле Эйнштейна:
При делении тяжёлых ядер (уран) или синтезе лёгких (водород→гелий) энергия связи высвобождается. Именно так работают АЭС и светит Солнце.
Нейтрон разбивает уран — прилетают ещё нейтроны — они разбивают другие ядра. Управляемая цепная реакция = энергия в АЭС. Неуправляемая — она сама. Разница — управляющие стержни, поглощающие лишние нейтроны.
Ядро в реакторе делится → выделяется тепло → греет воду → пар крутит турбину → генератор даёт ток. Та же схема, что на угольной станции, только топливо невероятно энергоёмкое: один килограмм урана даёт в миллионы раз больше энергии, чем килограмм угля.