วิธีแยกอะตอม: 6 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: Jason Gerald | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-15 08:25

อะตอมสามารถรับหรือสูญเสียพลังงานได้เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากวงโคจรที่สูงขึ้นไปยังวงโคจรที่ต่ำกว่ารอบนิวเคลียส อย่างไรก็ตาม การแยกนิวเคลียสของอะตอมจะปล่อยพลังงานออกมามากกว่าพลังงานเมื่ออิเล็กตรอนกลับสู่วงโคจรที่ต่ำกว่าจากวงโคจรที่สูงกว่า พลังงานนั้นสามารถนำมาใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการทำลายล้างหรือเพื่อวัตถุประสงค์ที่ปลอดภัยและมีประสิทธิผล การแยกอะตอมเรียกว่าการแตกตัวของนิวเคลียร์ ซึ่งเป็นกระบวนการที่ค้นพบในปี 1938; การแยกอะตอมซ้ำในฟิชชันเรียกว่าปฏิกิริยาลูกโซ่ ในขณะที่หลายคนไม่มีอุปกรณ์ในการทำเช่นนี้ หากคุณอยากรู้เกี่ยวกับกระบวนการแยก นี่คือบทสรุป

ขั้นตอน

ส่วนที่ 1 จาก 2: การแยกตัวของอะตอมขั้นพื้นฐาน

ขั้นตอนที่ 1. เลือกไอโซโทปที่เหมาะสม

ธาตุบางชนิดหรือไอโซโทปของพวกมันผ่านการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี อย่างไรก็ตาม ไอโซโทปทั้งหมดไม่ได้ถูกสร้างขึ้นมาเท่ากันในแง่ของความแตกแยกง่ายของพวกมัน ไอโซโทปของยูเรเนียมที่ใช้บ่อยที่สุด มีน้ำหนักอะตอมเท่ากับ 238 ซึ่งประกอบด้วยโปรตอน 92 ตัวและนิวตรอน 146 ตัว แต่นิวเคลียสมีแนวโน้มที่จะดูดซับนิวตรอนโดยไม่แยกออกเป็นนิวเคลียสที่เล็กกว่าของธาตุอื่น ไอโซโทปของยูเรเนียมที่มีนิวตรอนน้อยกว่าสามตัว ²³⁵U สามารถแยกได้ง่ายกว่าไอโซโทป ²³⁸ยู; ไอโซโทปดังกล่าวเรียกว่าวัสดุฟิชไซล์

ไอโซโทปบางชนิดสามารถแยกออกได้ง่ายมาก อย่างรวดเร็วจนไม่สามารถรักษาปฏิกิริยาฟิชชันต่อเนื่องได้ สิ่งนี้เรียกว่าการแยกตัวที่เกิดขึ้นเอง ไอโซโทปพลูโทเนียม ²⁴⁰ปูเป็นตัวอย่างของไอโซโทปนั้น ต่างจากไอโซโทป ²³⁹ปูที่มีอัตราการแตกตัวช้ากว่า

ขั้นตอนที่ 2 รับไอโซโทปเพียงพอเพื่อให้แน่ใจว่าฟิชชันจะดำเนินต่อไปหลังจากอะตอมแรกแตกออก

สิ่งนี้ต้องการวัสดุไอโซโทปจำนวนน้อยที่สุดที่จะแยกออกเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชัน จำนวนนี้เรียกว่ามวลวิกฤต การหามวลวิกฤตต้องใช้วัสดุต้นทางสำหรับไอโซโทป เพื่อเพิ่มโอกาสในการเกิดฟิชชัน

บางครั้ง จำเป็นต้องเพิ่มปริมาณสัมพัทธ์ของวัสดุไอโซโทปแยกในตัวอย่างเพื่อให้แน่ใจว่าสามารถเกิดปฏิกิริยาฟิชชันอย่างต่อเนื่องได้ สิ่งนี้เรียกว่าการเสริมสมรรถนะ และมีหลายวิธีที่ใช้ในการเสริมสร้างตัวอย่าง (สำหรับวิธีการเสริมสมรรถนะยูเรเนียม โปรดดูที่ wikiHow วิธีเพิ่มสมรรถนะยูเรเนียม)

ขั้นตอนที่ 3 ยิงนิวเคลียสของวัสดุไอโซโทปแบบแยกส่วนด้วยอนุภาคย่อยของอะตอมซ้ำๆ

อนุภาคย่อยของอะตอมเดี่ยวสามารถชนอะตอมได้ ²³⁵U แยกออกเป็นสองอะตอมแยกกันขององค์ประกอบอื่นและปล่อยสามนิวตรอน มักใช้อนุภาคย่อยของอะตอมทั้งสามประเภทนี้

• โปรตอน. อนุภาคย่อยเหล่านี้มีมวลและมีประจุบวก จำนวนโปรตอนในอะตอมกำหนดองค์ประกอบของอะตอม
• นิวตรอน อนุภาคย่อยของอะตอมเหล่านี้มีมวลเป็นโปรตอน แต่ไม่มีประจุ
• อนุภาคอัลฟ่า อนุภาคนี้คือนิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของอิเล็กตรอนที่หมุนรอบมัน อนุภาคนี้ประกอบด้วยโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัว

ส่วนที่ 2 ของ 2: วิธีการแยกอะตอม

ขั้นตอนที่ 1 ยิงนิวเคลียสอะตอม (นิวเคลียส) ของไอโซโทปเดียวกันที่อีกอันหนึ่ง

เนื่องจากอนุภาคย่อยของอะตอมที่บางเฉียบนั้นยากที่จะผ่านเข้าไปได้ จึงมักต้องใช้แรงเพื่อบังคับอนุภาคออกจากอะตอมของพวกมัน วิธีหนึ่งในการทำเช่นนี้คือการยิงอะตอมของไอโซโทปที่กำหนดที่อะตอมอื่นของไอโซโทปเดียวกัน

วิธีนี้ใช้ในการสร้างระเบิดปรมาณู ²³⁵U ตกลงที่ฮิโรชิมา อาวุธเช่นปืนที่มีแกนยูเรเนียมซึ่งยิงอะตอม ²³⁵ยู ออน อะตอม ²³⁵U อีกตัวหนึ่งบรรทุกวัสดุด้วยความเร็วสูงจนทำให้นิวตรอนที่ปล่อยออกมากระทบนิวเคลียสของอะตอม ²³⁵ยูอีกและทำลายมัน นิวตรอนที่ปล่อยออกมาเมื่ออะตอมแตกตัวสามารถผลัดกันชนและแยกอะตอม ²³⁵ยูอื่นๆ

ขั้นตอนที่ 2 บีบตัวอย่างอะตอมให้แน่นโดยนำวัสดุอะตอมมาใกล้กันมากขึ้น

บางครั้งอะตอมสลายตัวเร็วเกินไปที่จะยิงใส่กัน ในกรณีนี้ การนำอะตอมเข้ามาใกล้กันจะเพิ่มโอกาสที่อนุภาคย่อยของอะตอมอิสระจะชนและแยกอะตอมอื่นๆ

วิธีนี้ใช้ในการสร้างระเบิดปรมาณู ²³⁹ปูลงที่นางาซากิ การระเบิดธรรมดาล้อมรอบมวลพลูโทเนียม เมื่อจุดชนวนระเบิด การระเบิดจะขับเคลื่อนมวลพลูโทเนียมแบกอะตอม ²³⁹ปู่เข้าใกล้เพื่อให้นิวตรอนที่ปล่อยออกมาจะชนและแยกอะตอมต่อไป ²³⁹ปูอื่นๆ

ขั้นตอนที่ 3 กระตุ้นอิเล็กตรอนด้วยลำแสงเลเซอร์

ด้วยการพัฒนาเครื่องเลเซอร์พีทาวัตต์ (10¹⁵ วัตต์) ตอนนี้สามารถแยกอะตอมโดยใช้ลำแสงเลเซอร์เพื่อกระตุ้นอิเล็กตรอนในโลหะที่ห่อหุ้มสารกัมมันตภาพรังสี

• ในการทดสอบปี 2000 ที่ Lawrence Livermore Laboratory ในแคลิฟอร์เนีย ยูเรเนียมถูกห่อด้วยทองคำและใส่ไว้ในเบ้าหลอมทองแดง ลำแสงเลเซอร์อินฟราเรดแบบพัลส์ขนาด 260 จูลกระทบซองจดหมายและตัวเรือน กระตุ้นอิเล็กตรอน เมื่ออิเล็กตรอนกลับสู่วงโคจรปกติ พวกมันจะปล่อยรังสีแกมมาพลังงานสูงที่แทรกซึมนิวเคลียสของทองคำและทองแดง ปล่อยนิวตรอนที่ทะลุอะตอมของยูเรเนียมที่อยู่ใต้ชั้นทองและแยกพวกมันออกจากกัน (ทั้งทองและทองแดงกลายเป็นกัมมันตภาพรังสีจากการทดลอง)
• การทดสอบที่คล้ายกันได้ดำเนินการที่ Rutherford Appleton Laboratory ในสหราชอาณาจักรโดยใช้ 50 เทราวัตต์ (5 x 10)¹² วัตต์) เลเซอร์เล็งไปที่แผ่นแทนทาลัมที่มีวัสดุต่างๆ อยู่เบื้องหลัง ได้แก่ โพแทสเซียม เงิน สังกะสี และยูเรเนียม ส่วนหนึ่งของอะตอมของวัสดุทั้งหมดเหล่านี้ถูกแยกออกได้สำเร็จ

คำเตือน

• นอกจากการแยกตัวของไอโซโทปบางตัวที่เร็วเกินไปแล้ว การระเบิดที่มีขนาดเล็กกว่าสามารถทำลายวัสดุที่แตกตัวได้ก่อนที่การระเบิดจะไปถึงอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่ยั่งยืนตามที่คาดไว้
• เช่นเดียวกับอุปกรณ์อื่นๆ ให้ปฏิบัติตามขั้นตอนด้านความปลอดภัยที่จำเป็น และอย่าทำอะไรที่ดูเหมือนเสี่ยง ระวัง.