«

»

Mar 16 2011

Cum scoatem energie din atomi

Răspunsul, pe scurt, e următorul: E=mc2. Formulă pe care o vedeți, de altfel, în dreapta, formată din echipajul portavionului USS Enterprise, prima navă cu propulsie nucleară din lume. Da, este vorba de formula relativistă a echivalenței masei cu energia, opera tăticului fizicii secolului XX, Albert Einstein. Care, de altfel, nu și-a recunoscut niciodată copilul ăsta, mecanica cuantică.

Un pic mai pe larg, răspunsul nu e la fel de frumos și simplu, dar nici imposibil de înțeles. Exceptîndu-l, poate, pe expertul în rocket science Sebastian Lăzăroiu. Care-i treaba? Atomii sînt formați din nucleu (încărcat pozitiv) și un nor de electroni în jur (deci, sarcină negativă). Nucleul ăla, la rîndul lui, e format din protoni (ăia cu +) și neutroni care, după cum le spune și numele, n-au nici o sarcină electrică. Poate vă întrebați cum naiba stau toți protonii ăia împreună, îngrămădiți în atom (adică ceva de vreo 1.000.000.000.000.000 de ori mai mic decît 1 metru). Ei bine, îi ține legați una dintre forțele fundamentale ale naturii, forța nucleară tare, care dealtfel acționează pe distanțe foaaaaarte mici. Prezența neutronilor o ajută mult pe forța asta, și așa se face că o mulțime de protoni și neutroni pot sta grămadă într-un spațiu foarte mic și într-o structură oarecum stabilă, nucleul. Nucleul este cel care dă “natura” unui element, prin numărul de protoni. 1 proton=hidrogen. 2 protoni=heliu… 92 de protoni= uraniu. În jurul protonilor ăstora pot să se aciueze mai mulți neutroni, dînd naștere izotopilor. Astfel, în natură există, de exemplu, 235U, cu 92 de protoni și 235-92=143 de neutroni, și 238U, cu 92 de protoni și 146 de neutroni. Asta va fi important mai la vale.

Ei bine, în anumite circumstanțe, cînd un atom din ăștia mai grei este bombardat cu neutroni, devine instabil și se sparge (cel mai frecvent) în două părți mai mici, adică doi nuclei mai ușori. Dar dați naibii de rapizi. Măsurătorile arată că dintr-un nucleu de uraniu care stă oarecum pe loc ies un nucleu de kripton și unul de bariu, care gonesc prin spațiu cu ceva gen 3% din viteza luminii, dar și trei neutroni, cam la fel de rapizi, plus ceva raze gamma (cam cel mai nasol tip de radiație pentru noi, oamenii). (Pentru conformitate, majoritatea cifrelor și imaginilor folosite în textul ăsta sînt de pe wikipedia, mai precis din următoarele articole: http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fission, http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_reactor_technology și unde mai e cazul, voi pomeni sursa în continuare.)

Așaaa. Un nucleu de uraniu, lăsat de capul lui, are o șansă oarecare de a se sparge în două conform descrierii de mai sus. Asta se cheamă “fisiune spontană” și s-a întîmplat suficient de frecvent în istoria de patru miliarde de ani a Pămîntului încît să elimine mai toate elementele mai grele din tabelul periodic (dada, ăla al lui Mendeleev). După cum spuneam, în fisiune se mai generează vreo trei neutroni. Dacă ăștia își pierd suficient de mult din viteză, iar unul dintre ei dă peste alt nucleu de uraniu, îl rupe și pe ăla. Și mai apar trei neutroni. Și tot așa. Cu o precizare importantă: din tot uraniul prezent în natură, cel mai frecvent izotop, ăla cu 238 în față, halește neutronul și nu se întîmplă mai nimic. Celălalt, care e prezent doar în proporție de 0,7%, se sparge liber în două ca în povestea de mai sus.

Dat fiind că uraniul mai “inert” e prezent atît de mult în natură, cei trei neutroni care ar scăpa din spargerea unui nucleu de uraniu mai “fîșneț” au o șansă relativ mică să dea peste altul la fel. Deci toată treaba se fîsîie.

Cu totul alfel se prezintă situația cînd uraniul e purificat, iar neutronii încetiniți (“termalizați” le spunem noi). Șansa unui neutron lent de a se izbi într-un nucleu de 235U și de a genera, prin fisionarea celui din urmă, alți trei neutroni, care la rîndul lor lovesc în alți nuclei de uraniu etc. e suficient de mare încît să se ajungă la o reacție autosusținută, căreia fizicienii îi spun “reacție în lanț”, pentru că exact asta este.

Cînd începe o reacție în lanț din asta, se formează rapid mulți nuclei de elemente mai ușoare, cu viteze foarte mari, mulți neutroni și multă energie radiativă sub forma razelor gamma. “De unde atîta energie?” vă veți întreba, pe bună dreptate. Și vă răspund cum spuneam mai sus: din E=mc2.

Ca un nucleu de uraniu să stea “legat”, are nevoie de o anumită cantitate de energie. Așa stă el în “groapa” notată cu (1) din figură. Cînd e lovit de neutron, primește încă nițică energie, suficient cît să sară din mica “groapă” (1). Se rupe-n două, iar cele două produse de reacție ajung la alte poziții (2 și 3), mai stabile ca cea a uraniului, deci de energie mai mică. Mai la vale, cum ar fi. Și cum energia e echivalentă cu masa, au mase mai mici. Interesant este că cei doi nuclei (plus cei trei neutroni) au în total masa mai mică decît masa nucleului inițial de uraniu, deci diferența de masă, înmulțită cu viteza luminii la pătrat, reprezintă niște energie eliberată. Sub forma energiei cinetice, adică a unei viteze foarte mari a celorlalți doi nuclei proaspăt creați. Viteza mare se traduce în temperatură mai mare. Iar temperatura mare înseamnă o uriașă cantitate de energie termică eliberată. Padabum! Avem energie într-o formă utilizabilă! Și nu oricum, ci o uriașă cantitate: un kil de uraniu poate elibera, prin metoda de mai sus, de vreo trei milioane de ori mai multă energie decît se obține din arderea obișnuită a unui kil obișnuit de cărbune obișnuit.

Ei bine, asta nu e chiar tot. Ceea ce avem deocamdată, conform descrierii de mai sus, este o bombă atomică. Și nici măcar, doar principiul de funcționare a fost, vag, descris în povestea asta. Ca să obținem energie în scopuri pașnice, e nevoie de controlarea reacției în lanț despre care vorbeam. Dar asta vine la următoarea lecție, adică mîine.

30 comments

3 pings

Skip to comment form

  1. Mostrofontz

    Aha, acuma pricep de ce-ti zice Tata Uraniu… Plutoniu’ e baiatu’ tau? Sau nepotu’?

    1. Tata Uraniu

      :lol:

  2. Mostrofontz

    Io, care-s cu Viasat History, va recomand documentarul “Marea idee a lui Einstein” (Einstein’s Big Idea), 2005. Daca nu ma bate Tata pot sa va dau si-un link de unde se poate descarca, ca nu stiu cand mai e programat. Merita vazut, daca nu l-ati vazut deja!

    1. Tata Uraniu

      Cum să te bat, Mostrofoantze? Din contra, te încurajez și felicit. Bagă mare, că nici io nu l-am văzut.

  3. Mostrofontz

    Bai, am intrat la moderare, sau apasai io ceva gresit si pierdui commentu’?

    1. Tata Uraniu

      negativ la mine, cre’ că ai apăsat greșit. Aicișa n-a ajuns nica, moderat au ba.

  4. badmf

    o sa vedem link-ul ala cam cand o sa aflam povestea cu gemenii. si io care am recomandat site-ul asta

  5. Mostrofontz

    Bai, nu merge: ai filtru pe “romania inedit”? Ca nu intra link-ul ala neam… Faceti asa: bagati o cautare avansata pe google, cu fraza exacta “Marea idee a lui Einstein”. Cam al zecelea, unspelea rezultat e un link pe romania-inedit.3xforum.ro. Acolo gasiti ce trebuie!

    1. Tata Uraniu

      N-am, Mostro, nici un filtru, nica!:) Mie nu-mi vine nimic pe calea asta. Doar dacă hostul meu are un filtru, și cînd dă de mail cu romania-inedit se supără. da’ uite că pun io linkul:
      http://romania-inedit.3xforum.ro/post/306047/1/Einstein_s_Big_Idea/

  6. badmf

    monsterfonzy,cred ca se poate vedea pe youtube. problema e ca sunt mai multe,identifica-l tu pe ala de care zici si baga link. uite,mie mi-a placut bucata asta:
    http://www.youtube.com/watch?v=V7vpw4AH8QQ

    1. Mostrofontz

      Uite asta e:
      http://www.youtube.com/watch?v=-lbkcydKtPE
      Da’ e in 11 parti… Dureaza cam 100 de minute, daca imi amintesc bine, si o ia de la inceputuri, si termina cu Lise Meitner si Otto Hahn. Lise Meitner si Frisch (nepotu’ ei) au fost cei care si-au dat seama primii de unde vine energia aia enorma de apare cand se sparge nucleul de uraniu. Dupa mine ea ar fi meritat premiul Nobel mai mult decat Hahn (era femeie desteapta si priceputa la calcule), dar asta e: l-a luat el…

      1. Tata Uraniu

        Corect, despre Meitner, ar fi trebuit să muște Oscarul fizicienilor:). Linkul pe romania-inedit duce la docomente inexistente. Mai bine cu torrenți sau iutuburi.

  7. Mostrofontz

    Am uitat sa zic: link-urile de pe romaniainedit sunt rip de pe Viasat History de la noi, deci au si subtitrari in romaneste. Pentru cei care nu stiu bine englezeasca, poate fi util!

  8. Mostrofontz

    http://torrents.thepiratebay.org/6188599/Einstein__s_Big_Idea__(Nova).6188599.TPB.torrent

    1. badmf

      bestial!!! n-am mai vazut link cu torenti pana acuma,tare!!!

  9. Mostrofontz

    Va mai recomandam eu unul, “Zero Absolut”. Iacata-l si p-asta, in doua parti:
    http://torrents.thepiratebay.org/4227173/BBC_Absolute_Zero_1of2_The_Conquest_of_Cold_2007_DVBC_XviD_MP3.4227173.TPB.torrent
    http://torrents.thepiratebay.org/4227177/BBC_Absolute_Zero_2of2_The_Race_for_Absolute_Zero_2007_DVBC_XviD.4227177.TPB.torrent
    Nu de alta, da’ vine weekendu’, si zic astia ca o sa ploua si-o sa fie frig. Sa aveti ce face… Merita si asta!

  10. Iony

    Mi-a plăcut tare mult articolul. O să mai revin pentru porţia de fizică :D

  11. gigibengo

    “După cum spuneam, în fisiune se mai generează vreo trei neutroni. Dacă ăștia își pierd suficient de mult din viteză, iar unul dintre ei dă peste alt nucleu de uraniu, îl rupe și pe ăla.”

    tata uraniu, daca unul dintre cei trei neutroni generati da peste alt nucleu de uraniu U235 cu viteza prea mare ce se intampla?

    1. Tata Uraniu

      Păi, șansele de a rupe nucleul ăla de uraniu-235 sînt mai mici decît dacă neutronul ar fi mai lent, dar tot sînt șanse. Deci, mai puțin probabil, dar tot îl rupe, sooner or later.:)

  12. aurelian

    deci io nu mai inteleg nimic… adica daca viteza e mai mica sansa de a rupe nucleul e mai mare? da’ de ce? 8O :roll:

    ca atunci cand eram mic eu aruncam cu o piatra in geam in functie de situatie astfel:
    – la vecina de la 2 aruncam incet, cat sa nu auda maica-sa dar sa deschida ea geamu’ si sa-mi dea manualul de fizica (pe vremea aia chiar si telefonul fix era un fel de iPhone- nu-l aveau pe stoc)
    – bosorogului de la parter care avea ceva cu tenisul nostru pe mijlocul strazii cat puteam de tare cat sa fiu sigur ca-i ajung cioburile dupa sifonierul ce se vedea pe peretele opus ferestrei :?

    1. Tata Uraniu

      :lol:
      E simplu: în termeni tehnici, cross-sectionul interacțiunii cu neutronii mai lenți e mai mare decît în cazul celor rapizi. În termeni mai netehnici, neutronii mai lenți “apucă să vadă” mai mulți atomi, dacă vrei. Sau îi vede drept mai mari, și se bușește mai ușor de ei.

  13. Mostrofontz

    Da, e mai complicata asta cu neutronu’ si uraniu’: multa lume isi imagineaza ca vine neutronul, izbeste nucleul de urani, cam ca o masina un zid de caramizi (si aici, cu cat vine masina mai repede, cu atat il face “mai zob”), iar zidul ala se face praf si pulbere. Nu e chiar asa: putem sa ne gandim ca nucleul mai intai “inghite” cumva neutronul ala, iar ce rezulta e instabil, de-aia se desface in bucati. Iar inghitirea are o probabilitate mai mare cand neutronul e mai lent. Sigur, e ceva mai complicat in realitate. Puteti sa va ganditi ca e mai degraba cam ca la un cuplu care se desparte: el si ea fac bine, formeaza un nucleu (relativ!) stabil (ei, mai radiaza si ei acolo din cand in cand cate o raza gamma, ceva, mai arunca o farfurie, etc.). Ei, daca pe langa cuplu trece Brad Pitt repede de tot, de nici n-ai timp sa vezi cine e (chiar de se loveste de tine), nu se intampla mare lucru. Dar daca vine incet, se uita la ea, ea la el, au timp sa-si faca ochi dulci, apoi trec la fazele urmatoare, ei, atunci se formeaza un nou nucleu, cu trei nucleoni, instabil, care se desface in bucati. Cam asa mi-as imagina eu, simplist, cum sta treaba.

    1. aurelian

      asa… acum mai usor pricepe lumea ailalta care n-a facut, precum unii dintre noi, ori liceul ori facultatea pe platforma la Magurele (apropo de nelamurirea ta: aia de ce ii ziceau institutul de fizica atomica daca aveau un reactor nuclear in curte?) :-) 8O :?

    2. Leonard

      Ha ha! Ce talent de profesor :)

  14. Doru

    Sincer sa fiu, pricep mai multe aici decat din h&m-u’ Simonei. Partea cu tzoalele a fost de-a dreptul traumatizanta! :mrgreen:

  15. Doru

    Anyway, nu-mi mai merg linkurile alea de pe romania inedit (am descarcat doar doua), asa ca week asta ma bag la youtube. Fiind vorba de un limbaj -banuiesc- mai mult tehnic, nush cat voi intelege din engleza aia, da’ sper sa pricep ceva pan’ la urma.

    1. Mostrofontz

      Nu e chiar asa tehnic: mai tehnic de “electromagnetism”, “proton”, “neutron”, nu cred sa gasesti ceva. Documantarul e facut pentru oameni “normali”, nu pentru de-alde Tata Uraniu! Si pentru ca Einstein vorbeste engleza cu accent german, iar Lavoisier cu accent francez (pentru autenticitate), eu zic ca in mare parte e chiar inteligibila engleza. O sa gasesti insa multa istorie, si istorie a stiintei si istorie d-ailalta, “normala”. E interesant, zic eu; mie mi-a placut. Daca ai vreme, ia-l si p-ala cu zero absolut, ca si ala merita. E chiar mai interesant dupa mine! Il bagi si p-ala acolo la clientu’ de torent. Daca la tine se anunta ploaie in week-end, ce mai ai ce face!

      1. Doru

        Mersi, deja am inceput sa ma lamuresc, ca m-am luat un pic de prima parte de pe youtube :-)
        De Zero absolut am mai auzit, cred ca tot de la voi, de aici. Am gasit ceva tot pe youtube, un filmulet de vreo ora si 40 de minute… de fapt, la durata asta, e ditai filmuloiu’. Banuiesc ca ala e, tot pe canalul “NOVA” :mrgreen:

      2. Mostrofontz

        Ala e; da’ vezi ca am pus mai sus doua linkuri si pentru “zero absolut”. Nu stiu cate “seminte” are insa…

  16. catalin

    Hmm tata, poate nu-i chiar bine sa pui torrenti pe aici. Cine stie ce liste negre mai face google. Si-apoi, cine e interesat de ceva stie unde sa caute, prin metode specifice :)

  1. Fisiune nucleară versus H&M şi ţoale | Jurnal roz de cazarmă și nu numai

    […] colegii mei, azi, după şedinţă, despre fizica nucleară. Vă redau frânturi, cât am apucat să […]

  2. Cum funcționează o centrală nucleară | Science Friction

    […] « Cum scoatem energie din atomi […]

  3. Surîsul Fukushimei, sau cum NU funcționează centralele nucleare | Science Friction

    […] după ce ne-am lămurit cu felul în care atomii furnizează energie, ați văzut deja, aici, cum funcționează o centrală nucleară. Vă spuneam în ultima postare […]

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

:D :-) :( :o 8O :? 8) :lol: :x :P :oops: :cry: :evil: :twisted: :roll: :wink: :!: :?: :idea: :arrow: :| :mrgreen: