ATOM - energia

Ponieważ wszystko co dzieje się na poziomie atomowym i cząsteczkowym jest dość zawiłe i trudne do wytłumaczenia osobom nie przygotowanym (tzn. takim, które nie ukończyły kilkuletniego kursu fizyki i mechaniki kwantowej - czyli zdecydowanej większości ludzkości), nasze wyjaśnienia dotyczące energii jądrowej i atomowej będą bardzo mocno uproszczone. Te uproszczenia idą tak daleko, że jestem zmuszony postawić tu swój znak ostrzegawczy [±²]. Mam jednak nadzieję, że dzięki tym, tak daleko idącym uproszczeniom, większa część czytelników zrozumie podstawy zagadnienia i nie da się więcej nabrać, np. na różne nieuczciwe straszenia elektrowniami atomowymi, jednocześnie zdając sobie sprawę z prawdziwego zagrożenia jakie nieść może radioaktywność, szczególnie jeśli wyrwie się spod kontroli.

Mówiąc o energii na poziomie atomowym (a w przeważającej mierze także cząsteczkowym) nie wolno zapominać ani na chwile o obowiązującej tu zasadzie kwantowania energii. W największym skrócie można powiedzieć, że wszelkie zmiany energii w mikroświecie odbywają się nie w sposób ciągły (tak jak w makroświecie) lecz tylko pomiędzy dość ściśle określonymi wartościami (poziomami energii). Jeżeli chcemy np. spowodować przejście elektronu z jednej powłoki na inną, o wyższej energii, musimy dostarczyć mu porcji (kwantu) energii równej dokładnie różnicy jaka istnieje między energiami tych dwóch powłok. Musi to być jednorazowa porcja - elektron nie może pobierać i kumulować drobniejszych porcji, bowiem nie może istnieć w stanie energetycznym pomiędzy poziomami dozwolonymi. Innymi słowy, zmiany energii poszczególnych elementów mikroświata nie mogą odbywać się "na raty" a jedynie jednym, ściśle określonym aktem pochłonięcia porcji (kwantu) energii. Jeżeli energie poziomu 1 i 2 wynoszą odpowiednio E₁ i E₂, a E₂ - E₁ = δ, to aby przenieść elektron ze stanu 1 w stan 2 należy dostarczyć mu porcji energii (kwantu) równej δ, zaś elektron samoistnie przechodząc ze stanu 2 do stanu 1 wyemituje porcję energii równą δ.

Tu pora na sformułowanie jeszcze jednej generalnej zasady mikroświata - elementy mikroświata dążą (co nie oznacza, że zawsze osiągają !) do osiągnięcia najniższej możliwej w danych warunkach energii, oraz samorzutnie dążą do uzyskania najwyższej wartości entropii, czyli jak najbardziej równomiernego rozpowszechnienia w całym Wszechświecie.
Jeżeli do elastycznego balonika włożymy kawałek lodu, to cząsteczki wody tworzące lodowy kryształ nie będą miały możliwości zmienienia swojej lokalizacji, bowiem siły międzycząsteczkowe nie zezwolą im na to. Po podgrzaniu (dostarczamy energii) dostarczona energia pozwoli cząsteczkom pokonać siły kryształu i lód zamieni się w ciecz. Ponieważ w tym momencie cząsteczki uzyskały możliwość niezależnego poruszania się - wypełniły dno balonika, ale istniejące nadal siły międzycząsteczkowe nie pozwalają oderwać się cząsteczkom od siebie. Dostarczenie dodatkowej energii (ogrzanie) pozwoli pokonać te siły i cząsteczki wody przechodzą w stan pary - czyli uzyskały energie pozwalająca im na niezależne i bez powiązań z innymi cząsteczkami poruszanie się . Otrzymaliśmy gaz (parę wodną), który wypełnił całkowicie objętość balonika, wywierając dodatkowo na jego ścianki ciśnienie - próbę wypełnienia sobą całego wszechświata. Ścianki balonika na razie na taką ekspansję nie pozwalają, ale otwarcie wylotu balonika spowoduje taka możliwość i cząsteczki gazu natychmiast z niej skorzystają.

Zapamiętanie tych dwóch reguł (jak również pamiętanie, że od każdej reguły istnieją odstępstwa) bardzo ułatwi zrozumienie zachowań się atomów i cząsteczek w różnych sytuacjach natury chemicznej i fizycznej.

[±²] Pamiętając o podstawowej budowie jądra atomowego i siłach działających w jego obrębie nie powinno stanowić dla nas większej trudności zrozumienie przebiegu zmian wartości energii zawartej w jądrze w zależności od masy atomowej izotopów. Poniższy wykres ilustruje przebieg tej zależności. (ΔE – różnica między rzeczywistą energią jądra a energią wynikającą z sumowania energii składników budujących jądro Z - liczba masowa).

Jak widać wyraźnie na wykresie, izotopy o dużych liczbach masowych (powyżej 120) i liczbach masowych poniżej 20 dysponują dużym nadmiarem energii w porównaniu z izotopami o Z w granicach 20 - 120. Oznacza to, że w procesie rozpadu jądra o dużej liczbie masowej (np. 200) na mniejsze jądra (np. 2 po 100) "pozostaje" nadmiar energii. Energia ta przenosi się na drodze ciepła, promieniowania elektromagnetycznego γ lub promieniowania korpuskularnego ( α, β). Reakcja rozpadu jądra atomowego może być spontaniczna lub wywołana odpowiednim działaniem (np. bombardowaniem jądra atomowego neutronami). Reakcja rozpadu naturalnie promieniotwórczych izotopów (o Z większych od 220) jest źródłem energii w elektrowniach "atomowych" i innych "atomowych" siłowniach - napędy statków, łodzi podwodnych itp. Warto w tym miejscu wspomnieć, że przymiotnik "atomowy" odnosi się do sposobu powstania energii użytej np. do napędu turbiny elektrycznej, a nie sposobu wytwarzania prądu elektrycznego z reakcji rozpadu. Elektrownia "atomowa" to zwykła elektrownia, w której energia otrzymana w trakcie kontrolowanej reakcji łańcuchowej rozpadu jąder radioaktywnego izotopu (najczęściej uranu) powoduje wytworzenie pary wodnej pod ciśnieniem, która napędza turbinę elektryczną wytwarzającą napięcie. Mamy tu zatem ciąg:

nośnik energii (rozpad jądra) → energia cieplna → para wodna → energia mechaniczna (turbina) → energia elektryczna

Jest to cykl niemal identyczny z tym, jaki stosujemy w klasycznych siłowniach i elektrowniach:

nośnik energii (gaz, węgiel, ropa) → energia cieplna → para wodna → energia mechaniczna (turbina) → energia elektryczna

Znacznie większe ilości energii można otrzymać w wyniku reakcji odwrotnej - syntezy izotopów o większych liczbach masowych z mniejszych - np. łącząc jądra wodoru lub deuteru w jądra pierwiastków o większych Z. Do przeprowadzenia takiej reakcji potrzebna jest jednak olbrzymia energia inicjująca - stąd reakcje syntezy jądrowej nazywamy reakcjami termojądrowymi. Do dziś nie udało się dokonać kontrolowanej syntezy termojądrowej na skale przemysłową. Reakcje takie zachodzą np. na Słońcu lub w trakcie wybuchu bomby wodorowej. Ilość energii wydzielonej w trakcie reakcji syntezy cięższych jąder jest tak duża, że w sposób wysoce opłacalny przewyższa ilość energii potrzebnej do zainicjowania tej reakcji. Można tu przywołać podobieństwo do reakcji spalania np. węgla, którą to reakcję też trzeba najpierw zainicjować podpalając węgiel (a więc dostarczając energii). Opanowanie syntezy jądrowej na skale przemysłową daje możliwości praktycznie nieograniczonych ilości "czystej" energii o niewyczerpalnych zasobach (wodór z wody).

Energia termojądrowa to wciąż dość odległa przyszłość. Energia atomowa to teraźniejszość, jednak z powodu dwóch głównych doświadczeń - Hiroszimy i Czernobyla - otoczona aurą lęku. Samorzutny rozpad ciężkich jąder naturalnych izotopów promieniotwórczych odbywa się na ogół z prędkością nieznaczną (t_0,5 wynoszącym lata, czasem nawet tysiące lat), tak, że powstała w jego wyniku energia na drodze ciepła jak i promieniowania elektromagnetycznego i korpuskularnego nie stanowi zagrożenia dla przyrody ożywionej. Dla celów przemysłowej "produkcji" energii szybkość reakcji rozpadu należy znacznie zwiększyć. Wykorzystuje się w tym celu zjawisko rozpadu jąder izotopów radioaktywnych pod wpływem zderzenia z neutronami. Neutrony emitowane są z jąder ulegających samorzutnym reakcjom rozpadu i trafiając w inne jądra tego samego izotopu powodują wymuszoną reakcję rozpadu. Aby jednak neutrony wyzwalane w spontanicznym rozpadzie nie tylko inicjowały reakcje łańcuchową rozpadu innych jąder, ale również prowadziły do jej intensyfikacji, musimy doprowadzić do szczególnych sytuacji. Rzecz w tym, że spontanicznie wyzwolone neutrony są na tyle szybkie, że "uciekają" z przestrzeni reakcyjnej. Ilość neutronów uciekających jest tak duża, że reakcja łańcuchowa nie rozwija się. Można temu zapobiec biorąc do reakcji tak dużą ilość materii radioaktywnej, że ilość wyzwalanych neutronów znacznie przewyższy ilość "uciekinierów" - taka ilość materii nazywamy masą krytyczną. Ten sposób stosuje się w bombach atomowych. Wówczas, statystycznie rzecz ujmując, z każdego rozpadu jądra powstaje więcej niż jeden neutron, który inicjuje następny rozpad - tak więc ilość rozpadów jąder w czasie rośnie i prowadzi do wybuchu - niekontrolowanej, gwałtownie przebiegającej reakcji z wydzieleniem ogromnych ilości energii. W trakcie wybuchu powstaje tzw. fala uderzeniowa, na skutek olbrzymiej różnicy temperatur w centrum wybuchu i poza nim, promieniowanie cieplne o olbrzymiej mocy, intensywne promieniowanie elektromagnetyczne γ, równie intensywne promieniowanie świetlne, i jako efekt wtórny - chmura radioaktywnego pyłu.

W reaktorach atomowych ten sam mechanizm narastającej reakcji łańcuchowej powoduje przyspieszanie reakcji rozpadu jąder, ale tylko do granic określonych przez obsługę reaktora. Tu kontrolę nad przebiegiem reakcji i ilością wydzielonej energii zapewnia nam stosowanie prętów paliwa atomowego o masie mniejszej od krytycznej, które zanurzone są w odpowiednim moderatorze (np. D₂O - "ciężka woda"). Neutrony, które "uciekły" z pręta paliwa są spowalniane przez moderator i trafiają w inny pręt, nie są w stanie natomiast opuścić przestrzeni reaktora. Zanurzając pręty paliwowe w większym lub mniejszym stopniu w kąpieli moderatora powodujemy spowalnianie większej lub mniejszej części wytworzonych neutronów, a tym samym przyspieszamy lub spowalniamy przebieg reakcji i ilość wydzielonej energii na drodze ciepła.

Reaktor atomowy jest układem samozabezpieczającym się. Jeżeli na skutek awarii rozgrzeje się zbytnio następuje odparowanie moderatora i zahamowanie reakcji łańcuchowej. Niebezpieczeństwo stosowania reaktorów atomowych nie polega więc na możliwości wybuchu jądrowego, lecz na możliwości innego wybuchu (np. chemicznego) i powstania chmury radioaktywnego pyłu (tak było w przypadku Czarnobyla). Biorąc pod uwagę spektakularne skutki awarii elektrowni atomowej, to wydaje się, że jest ona większym zagrożeniem niż elektrownie konwencjonalne. Biorąc jednak pod uwagę, że elektrownie konwencjonalne wysyłają do atmosfery tony toksycznych dla przyrody i człowieka substancji (tlenki siarki i azotu oraz dwutlenek węgla), będących wynikiem spalania ropy lub węgla (w mniejszej ilości gazu) to rzeczywiste zagrożenie, ujęte statystycznie, przemawia na korzyść elektrowni atomowych.

Częściej niż z zagadnieniami energii jądra atomu spotkać się możemy ze skutkami zmian energii drugiej części atomu, czyli elektronów. Jak już wiemy, każdy elektron w atomie jest opisany czterema liczbami kwantowymi, który to opis jednoznacznie określa również energię danego elektronu. Wiemy również, że wszelkie zmiany energii w mikroświecie są kwantowane, wiemy także, że kwantowana jest energia niesiona przez promieniowanie elektromagnetyczne. Wielkość kwantów energii wyznaczana przez różnicę poziomów energetycznych elektronów w atomie odpowiada co do rzędu wielkości kwantom energii niesionym przez promieniowanie elektromagnetyczne obejmujące zakres światła widzialnego i ultrafioletu. Oznacza to, że przejścia elektronów między poziomami energetycznymi mogą być wywoływane przez działanie światłem widzialnym lub ultrafioletowym na cząsteczkę (barwa materii) a przejścia samoistne elektronów w atomie może skutkować emisja światła widzialnego (świecenie rozgrzanej materii, fluorescencja, fosforescencja). Wzbudzenie elektronów atomu silniejszą energią skutkować może emisją promieniowania rentgenowskiego.

Bardziej szczegółowe dane na temat oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z materia zawarte jest w rozdziale dotyczącym substancji, w tym miejscu warto natomiast przypomnieć, ze jedynym bezpośrednim naturalnym źródłem światła widzialnego jest przejście elektronowe w atomie. Przejścia między poziomami o różnych różnicach energetycznych powoduje emisje światła o różnych kwantach energii, a więc i o różnych długościach fali świetlnej. Z różnymi długościami związane jest postrzeganie przez człowieka różnych barw. Światło białe, najczęściej używane przez człowieka jest mieszanina różnych barw (różnych długości fal) i emitowane jest przez rozżarzony drucik z wysokotopliwego metalu, ogrzewany poprzez wykorzystanie elektrycznego oporu drucika, zamieniającego energię przepływającego prądu elektrycznego na ciepło. Wysoka temperatura powoduje wzbudzone przejścia elektronów między poziomami energetycznymi atomu, a wzbudzone elektrony samorzutnie wracając do stanu podstawowego emitują promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu światła widzialnego. Inne źródła światła działają na podobnej zasadzie, co najwyżej są pobudzane do świecenia w sposób bardziej precyzyjny i w związku z tym dają światło o mniejszej ilości różnych długości fal - np. światło sodowe często używane do oświetlania ulic (latarnie o żółtej barwie światła). Wszystkie jednak podstawowe sposoby wzbudzenia promieniowania elektromagnetycznego z zakresu światła widzialnego powodują emisje fal niespójnych (przesuniętych względem siebie) i nie monochromatycznych (składają się z fal o różnych długościach).

Urządzeniem pozwalającym otrzymać wiązkę światła spójnego, monochromatycznego i dodatkowo o bardzo dużym natężeniu jest laser. Nazwa urządzenia jest akronimem stworzonym z pierwszych liter Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Działanie jego polega na tym, że odpowiedni ośrodek (kryształ, gaz) naświetlany jest przez światło lampy wyładowczej (tzw. pompowanie lasera), tak dobranej, że następuje przejście na wyższy poziom energetyczny wybranego elektronu w atomach odpowiedniego pierwiastka wchodzącego w skład ośrodka. Wszystkie te czynniki tak są dobrane, aby stan wzbudzenia atomów był trwały. Po etapie "pompowania" następuje etap emisji promieniowania, zainicjowany odpowiednim impulsem. W momencie przejścia impulsu przez ośrodek lasera następuje jednoczesny powrót wzbudzonych elektronów do stanu początkowego i związana z tym emisja światła o jednej długości fali (monochromatyczne). Konstrukcja mechaniczno-optyczna lasera powoduje, że jest to wiązka spójna (wszystkie fale składowe w jednej fazie) i równoległa, o określonej energii. Energię tę można przez odpowiednia konstrukcje lasera zmieniać od bardzo słabej (wskaźniki laserowe) po olbrzymie natężenia, mogące ciąć stal. Właściwości optyczne (precyzja wiązki, monochromatyczność, spójność i możliwość regulacji natężenia) powodują, że lasery uzyskują coraz powszechniejsze zastosowanie także w medycynie i kosmetyce.

do strony głównej