Reakcja łańcuchowa i jej skutki          

Reakcja łańcuchowa to termin kojarzony głównie z dziedziną chemii, odkryciem promieniotwórczości, istnieniem izotopów (czyli różnych odmian tego samego pierwiastka), a w konsekwencji z osobą Marii Skłodowskiej Curie. I słusznie. Warto zaznaczyć jednak, że budową jądra atomowego oraz jego oddziaływaniami z innymi cząstkami i jądrami zainteresowali się także fizycy, dając początek fizyce jądrowej.

Obecnie uważa się, że najmniejszą istniejącą cząstką jest tzw. struna, drgający element składowy kwarków współtworzących protony i neutrony zlokalizowane w jądrze atomowym. Atom do niedawna uważany był za elementarny składnik materii, według J. Daltona – niepodzielny składnik. Panowie Thompson, Rutherford i Chadwick udowodnili w swoich doświadczeniach (niezależnie od siebie), że atom jest podzielny, wyodrębniając z niego jądro i nukleony (protony, neutrony) oraz cząstkę naładowaną ujemnie – elektron. Znając podstawowe pojęcia z fizyki jądrowej bądź chemii możemy zdefiniować, czym są izotopy i jaką rolę odgrywają w reakcji łańcuchowej.

Izotopy to kolejne postacie tego samego pierwiastka, zawierające tę samą liczbę protonów w jądrze atomu, a różniące się ilością neutronów. Przykładem są izotopy wodoru: prot, deuter i tryt. Nietrwałe izotopy promieniotwórcze ulegają naturalnemu rozpadowi - przemianie w atomy innych pierwiastków, czemu towarzyszy emisja promieniowania alfa, beta i gamma. Rozpad promieniotwórczy można wymusić w warunkach sztucznych przy pomocy zaplanowanych reakcji jądrowych.

Na czym polega reakcja łańcuchowa? Reakcja łańcuchowa to proces przebiegający z udziałem cząstek elementarnych bądź jonów ciężkich, które bombardują jądro danego pierwiastka. Reakcja taka zachodzi samorzutnie, czyli po rozszczepieniu jednego jądra przez jeden neutron, mają miejsce kolejne rozpady, które odbywają się bez wprowadzenia dodatkowego czynnika inicjującego owe przemiany. Dzięki zderzeniom powstaje jądro wzbudzone, a więc posiadające większą energię niż jądro w stanie podstawowym. Największą skuteczność w reakcjach rozszczepienia uzyskuje się poprzez zastosowanie neutronów, które zostają pochłonięte przez atom pierwiastka. Absorpcja cząstek elementarnych to jeden ze sposobów przemiany jądra atomowego, drugim sposobem jest pobudzenie tego jądra (przez cząstki zawierające energię) do wyższego stanu kwantowego. W wyniku reakcji jądrowej wydziela się energia w formie promieniowania elektromagnetycznego (gamma) oraz cząstki (protony, elektrony, jądra helu). Rozpad wielu jąder atomowych prowadzi do wytworzenia promieniowania jonizującego o niebezpiecznie dużym natężeniu, które, jak pokazuje historia Hiroszimy i Nagasaki, bądź wybuchu elektrowni atomowej w Czarnobylu, jest śmiertelnie szkodliwe dla organizmów żywych.

 

 

Łańcuchowe reakcje rozszczepienia są przeprowadzane w sposób kontrolowany w urządzeniach nazywanych reaktorami atomowymi (jądrowymi). Pierwszy taki reaktor skonstruował włoski fizyk i laureat Nagrody Nobla, Enrico Fermi, w roku 1942. Istnieją reaktory badawcze i techniczne, służące m.in. do produkcji paliwa jądrowego, stosowanego w bombach atomowych i reaktorach jądrowych czy reaktory produkujące pierwiastki promieniotwórcze, które są wykorzystywane w medycynie. Reaktorem jest również elektrownia jądrowa, która służy do wytwarzania energii elektrycznej. Zastosowanie reakcji łańcuchowej znajdziemy również w metodzie powielania łańcuchów DNA, podczas cyklicznego podgrzewania i oziębiania próbki zawierającej polimerazy DNA. Łańcuchowa reakcja polimerazy DNA ma zastosowanie w badaniach genetycznych, klonowaniu genów, diagnostyce klinicznej, kryminalistyce czy paleontologii.

Kontrolowane reakcje łańcuchowe wymknęły się spod kontroli wraz z końcem drugiej wojny światowej około roku 1945. Bomba uranowa (3 – metrowy ważący ponad 4 tony) Little boy zabił 78 100 mieszkańców Hiroszimy (Japonia), nie wspominając o 37 tys. poszkodowanych i ok. 14 tys. osób zaginionych. Zrzucenie na Nagasaki bomby o nazwie Fat man zawierającej ładunek plutonu odebrała życie prawie 75 tys. ludzi i zniszczyła połowę miasta. W 1951 roku przeprowadzono pierwszy w historii test bomby wodorowej Ivy Mike na Pacyfiku o sile rażenia 500 razy większej niż bomb, które eksplodowały nad Hiroszimą czy Nagasaki. Moc wspomnianych wybuchów odbiega znacznie od mocy broni jądrowej o nazwie Car, która została zdetonowana przez Związek Radziecki w roku 1961. Wybuch bomby termojądrowej, największej bomby lotniczej w dziejach ludzkości, nastąpił w Archipelagu Nowej Ziemi. Po wybuchu bomby ok. 4 km nad Ziemią powstał grzyb atomowy, który wznosił się na wysokość ok. 64 km! Wywołana wybuchem fala sejsmiczna trzykrotnie obiegła kulę ziemską, a słup ognia widoczny był z odległości 1000 km. Moc Cara wynosiła 50 MG (megaton), choć docelowo miała osiągnąć wartość 100 MT. Prawdopodobnie dzięki ostrzeżeniu jednego z naukowców moc bomby została zmniejszona przez realizatorów przedsięwzięcia. Przyczyną zmiany decyzji dotyczącej mocy bomby (50 MT zamiast 100 MT) była możliwość spowodowanego przez wybuch odchylenia Ziemi o kilka stopni ze swojej orbity.

 

Bibliografia:

[1] http://www.eioba.pl/a/13p/najnowsze-poglady-na-budowe-materii

[2] https://pl.wikipedia.org/wiki/Nuklid

[3] https://chemia.zamkor.pl/download/kurs_przygotowawczy/budowa_atomu_ kompendium.pdf

[4] http://www.iwiedza.net/wiedza/111.html

[5] http://www.wtc.wat.edu.pl/images/dydaktyka/fizyka/Rogalski/Wyklad18.pdf

[6] https://www.youtube.com/watch?v=_FJonmc1JoI

[7] http://www.szkolnictwo.pl/szukaj,Reakcja_%C5%82a%C5%84cuchowa_polimerazy