chemijos ir fizikos raida

Atominė energija

Žmonijai kasdien suvartojant milžiniškus organinio kuro: akmens anglies ar naftos, kiekius, visiems jau senokai buvo neramu, kas bus, kai tas kuras pasibaigs. Daug dirbama stengiantis pakeisti senkančias kuro atsargas saulės ir kitomis alternatyviomis energijos rūšimis, bet šie energijos šaltiniai vis dar nesugeba atstoti anglies ir naftos. Todėl atomo branduolio energijos įsisavinimas savo metu sukėlė didžiulį entuziazmą.

Atrandant šios energijos įsisavinimo būdus prireikė daugelio žmonių pastangų. Pats radioaktyvumo reiškinys 1896 m. buvo netyčia buvo atrastas prancūzo Henri Becquerelio, palikusio stalčiuje su footoplokštelėmis truputį urano druskos. Išryškinęs plokšteles jis pamatė, kad jos yra apšviestos. Po keleto eksperimentų paaiškėjo, kad plokštelę apšvietusias daleles spinduliuoja pats uranas. Dar po poros metų Marie ir Pierre Curie iš rūdos išskyrė naują cheminį elementą radį, kuris nustebino visus mokslininkus, nes nuolat, be jokios regimos priežasties generavo šilumą bei visai nelauktai virsdavo kitais elementais.

1905 m. Albertas Einsteinas išnarpliojo neišsenkančios radžio energijos paslaptį parodęs, kad energija gali virsti pati medžiaga. Mažai kas tuomet tikėjo, kad atomų energiją kada nors būūtų galima panaudoti. Įžymusis išradėjas Nicola Tesla kartą pasakė, kad atominės energijos paieškos jam atrodo dar labiau beviltiškos, nei stengimasis sukurti amžinąjį variklį. Jo manymu skaldant atomus visada reikėtų sunaudoti daugiau energijos, negu po to būtų galima iš tokios reakcijos ga

auti.

Metams bėgant fizikai sukaupė vis daugiau žinių apie atomų sandarą, bet tai, kaip reikėtų gaminti ir naudoti atomuose sukauptą energiją nepasidarė aiškiau. Taip buvo iki 1938 m., kuomet du vokiečiai Otto Hahnas ir Fritzas Strassmanas nesurado urano atomų branduolių skilimo. Uraną sudaro du izotopai: U235 ir U238. Mokslininkai aptiko, jog tuomet, kai į U235 atomą pataiko neutronas, jis skyla perpus, o šio proceso metu išsiskiria didžiulis energijos kiekis. Dar daugiau, skylant branduoliui išsilaisvina nauji neutronai, galį skaldyti kitus atomus ir sukelti grandininę reakciją. Galiausiai išsiskiria tiek daug energijos, kad ją jau galima naudoti elektros gamyboje arba, blogesniu atveju, kuriant atominę bombą.

A.Einsteinas iškart perspėjo JAV prezidentą Ruzveltą, kad nacių Vokietija gali pasigaminti be galo galingas naujos rūšies bombas ir pareiškė, kad tookius tyrimus būtina pradėti ir Amerikai. Prezidentas paklausė žymiojo fiziko ir gimė labai slaptas projektas “Manhattan”, skirtas urano ir branduolių skilimo tyrimui.

Pirmasis pasaulyje branduolinis reaktorius atsirado Čikagos universiteto sporto salėje. Jį sudarė dideli švaraus grafito blokai, kuriuose buvo padarytos skylės urano strypams. Vadovaujant Nobelio premijos laureatui, italų fizikui Enrico Fermi reaktorius buvo pradėtas bandyti. Lėtai buvo traukinami lauk kontrolės strypai, turėję pristabdyti branduolinę reakciją. Dėl viso pikto greta stovėjo laborantas su kirviu rankose, pasiruošęs bet kuriuo momentu nukirsti lyną, ku
uriuo kontrolės strypai buvo keliami. Atidžiai stebėjęs savirašio plunksnos virpėjimą Fermi praneša:” Reakcija palaiko save pačią”. Nors atominės energijos tuomet tebuvo gauta vos pusė vato, ši 1942 m. gruodžio 2 diena pateko į istoriją. Pirmąjį kartą pavyko gauti grandininę branduolių skilimo reakciją.

Dar po trijų metų, 1945 m. liepą Niu Meksiko dykumoje buvo susprogdinta pirmoji atominė bomba. Sprogimas sukūrė tiek energijos, kad plieno bokštas, kuriame bomba buvo įtaisyta, išgaravo, o dykumos slėnis aplink jį išsilydė. Nedaugelis iš sprogimą stebėjusių mokslininkų suprato, kad vos po mėnesio toks pat sprogimas sunaikins tūkstančius žmonių gyvybių.

Tuo metu JAV kariavo su Japonija ir prezidentui Trumenui teko spręsti, panaudoti ar ne atominę bombą. Jo sprendimas pakeitė istoriją. Rugpjūčio 6 d. bomba sprogo Hirosimoje, o dar po trijų dienų – Nagasakyje.

Atominė bomba tebuvo pirmasis iš naujo baisių ginklų arsenalo. Kitos kartos bombos – termobranduolinės arba vandenilinės, naudojo dviejų vandenilio atomų susijungimą į helio atomą. Ši reakcija teikia energiją Saulei ir kitoms žvaigždėms. Nuo tada, kai 1952 m. JAV susprogdino pirmąją vandenilinę bombą, šių ginklų griaunamoji jėga imta matuoti jau nebe tūkstančiais, o milijonais trinitrotoluolo tonų. Metams bėgant SSSR ir JAV bandė vis galingesnes ir galingesnes vandenilines bombas. Pasaulis ėmė vis daugiau nerimauti dėl šių bombų sukuriamos radioaktyvios aplinkos taršos. Galiausiai, dauguma branduolinių valstybių pasirašė bo
ombų bandymus draudžiančią sutartį.

1956 m. Anglijoje buvo paleista pirmoji pasaulyje atominė elektrinė. Tuomet buvo prognozuojama, kad apie 2000 m. tokios elektrinės gamins daugiau nei 50 proc. elektros energijos. Tačiau panašūs pranašai neatsižvelgė į tai, kokias katastrofiškas pasekmes gali sukelti atominių elektrinių avarijos. Po avarijų Three Mile Island (JAV) ir Černobylio (SSSR) atominėse elektrinėse, sukėlusių didelę ir visoms gyvybės rūšims pavojų keliančią radioaktyvią taršą, požiūris į branduolinę energetiką ėmė radikaliai keistis. Dabar naujos atominės elektrinės yra statomos beveik vien besivystančiose Azijos šalyse, o turtingesnės šalys svarsto jų visiško atsisakymo galimybes.

Pastaraisiais metais vis daugiau domimasi transmutacija pavadintu procesu. Manoma, jog jis gali padėti išspręsti labai aktualią radioaktyvių branduolinių elektrinių atliekų problemą. Transmutacija paverčia ilgą radioaktyvaus skilimo trukmę turinčias atliekas greitai skylančiomis. Procese yra naudojamas protonų greitintuvas, todėl jo sukūrimas pareikalaus nemažiau laiko ir lėšų, nei savo laiko reikėjo pačiai branduolinei reakcijai atrasti.
Elektroninė lempa

Elektronikos amžius prasidėjo 1904 m. išradus pirmąją elektroninę lempą – vakuuminį diodą. Radijo išradėjo Marconi bendradarbis Ambrose Flemingas į stiklo vamzdį, iš kurio buvo išpumpuotas oras, įstatė du elektrodus, kurių vienas buvo pakaitinamas apie jį susukta spirale. Elektros srovė galėjo tekėti nuo įkaitinto katodo link anodo, bet ne į priešingą pusę. Radijo technikoje vakuuminis diodas buvo labai greitai pritaikytas. Šis paprastas prietaisas būdavo įjungiamas į radijo imtuvų de
etektavimo grandines ir imtuvai galėjo lengviau iš daugybės eterio signalų išsirinkti reikiamą dažnį.

Diodas dar nebuvo tikroji radijo lempa, bet nepraėjus ir trims metams kitas amerikietis Lee de Forestas tarp pirmųjų dviejų elektrodų sugalvojo įstatyti dar vieną, vadinamą tinkleliu. Taip gimė triodas, kurio dėka ir įsisuko visa mūsų šimtmečio elektronikos revoliucija. Tinklelis leido valdyti lempa tekančią srovę. Nedidelis tinklelio įtampos pokytis sukeldavo didelį anodo srovės kitimą; taip buvo atrastas stiprinimas. Pats išradėjas pavadino savo kūrinį “audionu” dėl to, kad jo panaudojimas labai pagerindavo radijo imtuvų garso kokybę.

Lee de Foresto tėvas buvo dvasininkas ir tikėjosi, jog sūnus seks jo pėdomis. Bet pastarąjį daugiau jaudino žemiškosios problemos. Išradėjo biografai pastebi, kad mokykloje Lee labai stengėsi būti pripažintas aplinkinių ir tai tęsėsi visą jo likusį gyvenimą. Beje, vienintelis titulas, kurio jam pavyko pasiekti toje Masachusetso mokykloje, buvo “negražiausias mokyklos berniukas”.

Nepaisant to, de Forestas labai pasitikėjo savimi. Jis nuolat, bet be didesnio pasisekimo, dalyvaudavo įvairiuose konkursuose, bandė pelnyti turtą (ir šlovę) išrasdamas įvairius daiktus. 1902 m. de Forestas įkūrė savo pirmąją kompaniją, turėjusią gaminti bevielio telegrafo įrangą, bet ji, kaip ir daug kitų po to jo įkurtų firmų, greitai bankrutavo.

Visas de Foresto gyvenimas buvo viena ilga pradėtų, bet taip ir nepabaigtų darbų grandinė. 1912 m. jis sugalvoja grįžtamojo ryšio grandinę, turėjusią padidinti radijo siųstuvų galią. Savajame išradime jis neįžvelgia nieko naudingo ir, kai pagaliau 1915 m. sugalvoja jį patentuoti, grįžtamojo ryšio patentas jau priklauso E.Armstrongui. De Forestas bando teistis ir galiausiai 1934 m. laimi bylą dėl patento pirmumo, bet pasaulis vis vien grįžtamojo ryšio išradėju laiko Armstrongą. Pirmajam tenka pusdykiai parduoti savo patentus, o antrasis tampa milijonieriumi. Panašiai baigėsi ir istorija su de Foresto išrastuoju kinofilmų įgarsinimo būdu. De Forestas yra parašęs autobiografiją ir pavadinęs ją “Radijo tėvas”. Deja, likęs pasaulis tokiu vardu jo niekuomet nevadino. Tiesą sakant, jis tebuvo vienas iš daugelio žmonių, nemažai prisidėjusių prie naujos technikos srities – radiotechnikos, atsiradimo.

Po triodo netrukus atsirado elektroninė lempa su keturiais elektrodais – tetrodas, vėliau pentodas, heksodas ir daug įvairių kitų lempų. Padengus vidinę stiklo pusę fosforescuojančia medžiaga, elektriniai signalai tapo “matomi”. Žalia magiška akutė parodydavo, kada radijo imtuvas yra geriausiai suderintas priimamos stoties dažniui. Artimi elektroninės lempos giminaičiai yra elektrinius signalus “piešiančių” oscilografų elektroniniai vamzdžiai, televizorių kineskopai bei kompiuterių monitoriai.

Pirmieji elektroniniai kompiuteriai irgi buvo lempiniai. 1946 m. sukurtas kompiuteris “Eniac” turėjo 18 000 elektroninių lempų ir naudojo 140 000 vatų galią. Išsiskirianti šiluma ir daugybės lempų švytėjimas suviliodavo į šį kompiuterį daugybę įvairių gyvių. O kai koks vabzdys užtrumpindavo vienos iš lempų anodinę įtampą, kompiuterio skaičiavimuose įsiveldavo klaida. Kompiuterininkai iki šiol vadina tokias klaidas “vabalais” (angl. bug).

Porai metų po “Eniac” paleidimo praėjus pasaulis išgirdo apie tranzistorių. Tranzistoriai palengva išstūmė elektronines lempas iš daugelio jų taikymo sričių. Bet visų savo pozicijų lempos neužleido. Devintajame dešimtmetyje vienas iš Sovietų Sąjungos lakūnu pabėgo į Japoniją su naujausiuoju “Migu”. Žingeidūs amerikiečiai išnarstė lėktuvą varžtelis po varžtelio. Kai jie pamatė lėktuvo elektronikoje lempas, visi juokėsi susiėmę už pilvų. Bet tas juokas greitai užstrigo gerklėse – paaiškėjo, kad lempos gali daug daugiau nei amerikiečių puslaidininkiniai prietaisai.

Nežiūrint puslaidininkinių prietaisų konkurencijos, elektroninės lempos gyvos ir šiandien. Yra nemažai specialių sričių, kur jos vis dar yra nepakeičiamos. Galiausiai galima teigti, jog elektroninės lempos dabar jau yra gaminamos ir iš pačių puslaidininkių. Naujausioji puslaidininkių technologija – nanotechnologija leidžia pagaminti tokius mažus darinius, jog elektronai juda jais nesklaidomi medžiagos defektų. Būtent taip – balistiškai, juda ir elektronai elektroninėje lempoje.

Vandenilis

Galima pateikti daug pavyzdžių, įrodančių vandenilio svarbą chemijos plėtrai. Dž. Daltonas elementų atominių masių matavimo vienetu pasirinko vandenilio atomo masę. Hemfris Deivis (Humphry Davy; 1778-1829) 1810 m. padarė išvadą, kad visose rūgštyse yra vandenilio. Antrojoje knygoje sužinosime, kaip vandenilio atomo sandaros tyrimas padėjo pamatus šiuolaikinei atomų ir molekulių sandaros sampratai. Greta šių “nuopelnų” teorinei chemijai negalima pamiršti vandenilio praktinės naudos, apie kurią kalbėsime šiame poskyryje.

Vandenilis ir energetika

Senkant iškastinio kuro ištekliams, vandenilis yra viena iš patraukliausių energijos kaupimo ir transportavimo medžiagų. Vandenilis yra didelės energinės vertės kuras, jį deginant neteršiama aplinka. Suskystintas vandenilis yra perspektyvūs degalai. Šių lengvų degalų naudojimas praplėstų viršgarsinių lėktuvų ir kosminių laivų galimybes.

Atomas

1911 metais E. Rezerfordas (Rutherford) ir N. Boras (Bohr) pasiūlė atomo modelį , kuris panašus į Saulės sistemos modelį: atomą sudaro teigiamai elektringas branduolys, apie kurį sukasi neigiamai elektringos dalelės – elektronai. Atomas yra neutrali dalelė, nes elektronų bendras krūvis yra lygus branduolį sudarančių dalelių teigiamam krūviui. Elektronus jų sukimosi orbitose išlaiko elektrinės traukos jėgos. Atomo spindulys Ra » 10-11 m.

Branduolys – tai atomo šerdis, susidedanti iš glaudžiai išsidėsčiusių dalelių: protonų ir neutronų . Jame sutelkta beveik visa atomo masė, tačiau palyginti su visu atomo dydžiu branduolys yra labai mažas (Rbr » 10-15 m).

Radioaktyvumas gali būti: gamtinis ir dirbtinis.

Gamtinį radioaktyvumą 1896 metais pirmasis užregistravo prancūzų fizikas A. Bekerelis (Becquerel). Toks radioaktyvumas sutinkamas nestabiliuose gamtoje natūraliai egzistuojančiuose branduoliuose. Yra keletas gamtinių radioizotopų, pavyzdžiui, uranas-238, anglis-14, kurią nuolat kuria kosminiai spinduliai. 1898 m. sutuoktiniai Marija ir Pjeras Kiuri (Curie) iš urano rūdos išskyrė dar du nežinomus iki to laiko radioaktyvius elementus: polonį ir radį ir pastebėjo, kad branduolinių reakcijų metu susidarę nauji elementų izotopai taip pat yra radioaktyvūs. Taip prasidėjo dirbtinio radioaktyvumo tyrimai. Dauguma radioizotopų atsiranda branduolių dalijimosi metu, o nauji kuriami mokslo centruose. Tačiau ir gamtiniam, ir dirbtiniam radioaktyvumui būdingi bendri dėsningumai.

Leave a Comment