Rozpad atomu – definicja i możliwości wykorzystania tego zjawiska

Rozpad atomu to zjawisko polegające na rozszczepieniu jądra jednego atomu na dwa (rzadziej na trzy lub cztery) lżejsze jądra innych pierwiastków. Od czasu odkrycia tej przemiany w 1938 r. pojawiło się wiele jej ciekawych zastosowań.

Rozpad atomu jako reakcja łańcuchowa

Jeśli neutronów emitowanych podczas rozszczepienia jest więcej, niż może zostać wchłonięte oraz materiał osiągnął przynajmniej masę krytyczną, może rozwinąć się reakcja łańcuchowa. Jak jej sama nazwa mówi, potem już „napędza się sama”, bez udziału czynników zewnętrznych. Znajomość tej zasady posłużyła do konstrukcji bomby atomowej. Jej potężna siła pochodzi właśnie z reakcji łańcuchowej. Przed wybuchem, taki ładunek zawiera oddzielone od siebie masy podkrytyczne, czyli takie, które są zbyt małe, by zainicjować lawinową reakcję. W godzinie zero dochodzi do połączenia się mas. W zależności od rodzaju bomby polega ono na złożeniu się kilku porcji rozszczepialnego materiału lub zapadnięciu się uformowanej z niego powłoki. Po przejściu fali uderzeniowej i rozprzestrzenieniu się promieniowania jonizującego oraz cieplnego radioaktywny materiał zostaje rozrzucony po bombardowanym terenie, powodując jego skażenie.

Rola rozpadu atomu w konstrukcji reaktora jądrowego

Wiedza o reakcji łańcuchowej została wykorzystana także w bardziej chlubnym celu – do konstrukcji reaktora jądrowego. Pierwszy raz skonstruowano go w 1942 r., pod okiem Enrico Fermiego. Urządzenie było po prostu stosem grafitowych oraz uranowych kostek. Do kontrolowania reakcji służyły ręcznie wsuwane pręty z kadmu. Maszyna nie miała rewelacyjnej mocy, gdyż średnio wynosiła ona 0,5 W a w szczytowym momencie osiągnęła 200 W. Dla porównania, dzisiejsze reaktory mają moce rzędu megawatów. W tym urządzeniu przeprowadza się takie reakcje w sposób kontrolowany, tak aby nie doszło do niszczycielskiej eksplozji. Jak można tego dokonać?

Po pierwsze, należy mieć kontrolę nad liczbą neutronów, które są przyczyną tej przemiany. Wykorzystuje się w tym istnienie neutronów opóźnionych. Nazwane są tak dlatego, że nie są emitowane od razu po rozszczepieniu, lecz nawet do kilku minut po jego zajściu. Dla porównania, neutrony natychmiastowe emitowane są już po czasie jednej femtosekundy. Femtosekunda jest wielkością biliard (1015) razy mniejszą niż sekunda. Umożliwia to reakcję urządzenia oraz jego operatorów na zmianę liczby neutronów w reaktorze, co pozwala na adekwatne wysunięcie specjalnych prętów bądź opuszczenie ich. Pręty w reaktorach wykonane są z materiałów pochłaniających neutrony, zazwyczaj jest to bor lub kadm. Im bardziej pręty są wysunięte, tym moc reaktora jest większa. Przy kontrolowaniu reaktora trzeba brać pod uwagę inny produkt reakcji – wydzielone ciepło. Przeważnie odbiera się je zwykłą wodą, która albo odparowuje, albo przekazuje swoją energię turbinie. Ta z kolei wytwarza energię elektryczną.

Rozpad atomu w przyrodzie

Niewiele osób wie, że bardzo ciężkie jądra atomów mogą samorzutnie się rozpadać, uwalniając przy tym neurony. Proces ten został odkryty już po odkryciu wymuszonego rozpadu, konkretnie dwa lata później w Rosji podczas badań uranu w laboratorium w moskiewskim metrze. Trudność odkrycia tej przemiany polega na tym, że ciężkie jądra atomowe ulegają rozpadowi także w wyniku promieniowania kosmicznego, gdyż jego wynikiem jest również emisja neutronów. Jedną ze skutecznych osłon przed tym rodzajem promieniowania jest gruba warstwa skały. Zatem podziemne tunele były wymarzonym miejscem na takie odkrycie.

Większość pierwiastków, które ulega temu zjawisku, została stworzona w laboratoriach przez człowieka, to jest głównie ciężkie aktynowce i transaktynowce. Jedynie uran lub tor, czyli najcięższe pierwiastki występujące w przyrodzie czasem również spontanicznie się rozpadają, lecz jest to na tyle nieznaczne, że uwzględniane jedynie w najdokładniejszych wyliczeniach. Możemy matematycznie wyznaczyć jego prawdopodobieństwo ze wzoru: Z2/A ≥ 47, gdzie Z to liczba atomowa, a A to liczba masowa pierwiastka. Niektóre z nuklidów mogą emitować tak dużo neutronów podczas rozpadu, że może to doprowadzić do reakcji łańcuchowej. Z tego powodu takie jądra są wykorzystywane jako źródło neutronów. Przykładem może być tu jądro kalifornu, który jest wykorzystywany do uruchamiania reaktorów jądrowych, napromieniowywania nowotworów złośliwych oraz wykrywania srebra, złota i narkotyków.

Naturalne reaktory jądrowe

Ciekawostką jest także fakt istnienia naturalnych reaktorów jądrowych, czyli złóż uranu, w których bez ingerencji człowieka doszło do reakcji łańcuchowej. Dotychczas odkryto dwa takie obiekty i oba znajdują się w Gabonie. Do zaistnienia takiego układu musiało się złożyć wiele korzystnych okoliczności. Po pierwsze, w czasach, gdy ten reaktor uruchomił się, czyli dwa miliardy lat temu, w złożach było o wiele więcej rozszczepialnego uranu niż dziś. Ponadto, przepływająca tam rzeka nanosiła tam materiał radioaktywny, zwiększając jego masę aż do krytycznej. Woda mogła być tam zarówno chłodziwem, jak i moderatorem (czyli substancją hamującą reakcję). Szacuje się, że reaktor ten działał od stu do pięciuset tysięcy lat i wytwarzał średnią moc rzędu 100 kW. Nie byłoby to możliwe gdyby rozpad atomu nie zachodził również w naturze.