Atomfizika
 |
Iemesls: jāsakārto formatējums, vairākas sadaļas jāatdala atsevišķos rakstos Lūdzu, palīdzi uzlabot šo rakstu. Ja ir kādi ieteikumi, tos var pievienot diskusijā. Vairāk lasi lietošanas pamācībā. |
Atomfizika ir fizikas nozare, kas pētī atomus, to uzbūvi, īpašības un norises tajos. Atomfizikas kā fizikas nozares pamatlicējs ir Alberts Einšteins, kurš pirmo reizi lauza vispārējo uzskatu par to, ka atoma kodolu nevar sadalīt. Sadalot atoma kodolu, tiek iegūta milzīga enerģija. Einšteina atklājumus sāka izmantot militārās struktūras, un tika radīti atomieroči, piemēram, atombumba un ūdeņraža bumba, kuru varētu saukt arī par modificētu atombumbu.
[izmainīt šo sadaļu] Parādības, kas liecina par atoma sarežģīto uzbūvi
Vārds atoms ir cēlies no sengrieķu valodas (atomos) un tulkojumā nozīmē nedalāms. Sengrieķu zinātnieki uzskatīja, ka visām vielām, kas eksistē, ir dalāmības robeža - šī uzskata dēļ viņi vissīkāko daļiņu nosauca par atomiem. Šo uzskatu fizikā lietoja līdz pagājušā gadsimta beigām, kad tika secināts - atomam ir ļoti sarežģīta uzbūve.
Tika novērots, ka atoma spēja absorbēt un izstarot gaismu. Un no elektrodinamikas zināms, ka šādu pazīmi var veidot tikai elektriski lādētas daļiņu sistēmas. Kā arī strāvas plūšanu un elektrolīzes parādība pierādīja, ka atomos atrodas lādētas daļiņas. 1895. gadā angļu fiziķis Dž. Tomsons atklāja un pierādīja, ka atoms sastāv no elektroniem, kuri ir negatīvā lādiņa nesēji.
Nākamā pārbaude, kas sniedza sīkas ziņas par atoma uzbūvi, bija radioaktivitāte, kuru atklāja 1896. gadā franču zinātnieks Anrī Bekerels. Urāna savienojamos tika novēroti nepārtraukti starojuma raidoši stari, ko nosauca par radioaktīvo starojumu. Tika novērots, ka elektriskajā laukā šīs starojums sadalās trijās sastāvdaļās un šīs sastāvdaļas nosauca par alfa (α) starojumu, beta (β) starojumu un gammas (γ) starojumu.
Eksperimentu laikā elektriskajā laukā alfa starojums novirzījās uz negatīvā pola pusi, beta starojums novirzījās un pozitīvo pusi, bet gammas starojums nemainīja savu plūšanas virzienu. Pārbaudot šos starojumus elektriskajā laukā bija novērots, ka gammas starojums arī nemainīja savu plūšanas virzienu, bet alfas un beta starojums novirzījās perpendikulāri magnētiskā lauka virzienam.
Šo eksperimentu rezultātā pierādījās, ka alfa starojums ir pozitīvi lādētu daļiņu plūsma. Vēlāk noskaidrojās, ka alfas daļiņas ir hēlija atoma kodoli un, ka tās ir saliktas daļiņas. Bet beta starojums pierādījās, ka ir negatīvi lādētu daļiņu plūsma un šis daļiņas nosauca par betas daļiņām. Tālākie eksperimenti liecināja, ka beta daļiņas ir elektroni. Gammas starojums pierādījās, ka ir elektromagnētisko viļņu plūsma jeb kvantu plūsma. Alfa un betas starojumi novirzījās dēļ tā, ka šo lādēto daļiņu plūsmas faktiski ir elektriskā strāva.
Novērojumi pierādīja, ka neeksistē tādas radioaktīvas vielas, kuras atomi vienlaikus izstarotu visus trīs starojuma veidus. Šajos eksperimentos šie starojumi parādījās tādēļ, ka svina trauciņā, ko ievietoja elektriskajā laukā vai magnētiskajā laukā, bija radioaktīvu vielu maisījums, tātad tajos atradās dažādi atomi. Bez urāna klātbūtnes tur atradās arī citu vielu radioaktīvie atomi, kuri radās urāna atomiem sabrūkot.
[izmainīt šo sadaļu] Rezerforda alfa daļiņu izkliedes eksperimenti
1911.g. tika veikts eksperiments, lai uzzinātu daļiņu novietojumu atomā un to veica angļu fiziķis E. Rezerfords. No konteinera, kurā atradās radioaktīvā viela, kas izstaroja alfa daļiņas, šīs daļiņu kūlis krita uz plānas vielas plāksnītes. Šīs plāksnītes biezums bija tik liels, lai alfas izdalītās daļiņas teorētiski nesadurtos vairāk kā ar vienu vielas atomu. Pēc šīs sadursmes ar plāksnīti alfas daļiņas tika izkliedētas. Lai noskaidrotu daļiņu izkliedes virzienu, tika izmantots mikroskops, lai visu kārtīgi varētu redzēt. Mikroskopu novietoja izstaroto daļiņu ceļā, lai novērošanas virziens ar daļiņu sākotnējo kustības virzienu veidotu dažādus leņķus. Mikroskopa priekšā tika novietots ekrāns uz kura varēja redzēt visu norisi. Šis ekrāns tika pārklāts ar vielu, kas satiekoties ar alfas izdalītajām daļiņām luminiscējās uz ekrāna. Daļiņu satikšanās triecienu rezultātā tika novēroti luminiscences uzliesmojumi, kurus varēja novērot dažādos virzienos apkārt punktam, kurā alfas daļiņu kūlis triecās pret ekrānu.
E. Rezerfords novēroja, ka lielākā daļa alfas izstarotās plūsmas daļiņas izgāja cauri plāksnītei nenovirzoties no sava kursa, bet dažas novirzījās un veidoja salīdzinot ar sākotnējo virziena ceļu samērā lielus leņķus. No izdarītajiem pētījumiem viņš secināja, ka atoma aizņemtās telpas lielākā daļa alfas daļiņas nekādu pretestību nebija satikušas. Šajā telpā varēja atrasties tikai elektroni, kuri savas mazās masas dēļ nebija spējīgi mainīt alfas daļiņu virzienu. Tas nozīmē, ka visa atoma masa, kas novirzīja alfas daļiņu plūsmu, bija koncentrējušās nelielā telpas daļā, kuru Rezerfords nosauca par atoma kodolu.
Pieņēma uzskatu, ka atoms un tā kodols ir sfērisks veidols, dēļ šīs pazīmes varēja noteikt to rādiusus. Šo rādiusu varēja noteikt zinot vielas atoma masu un blīvumu. Šos lielumus varēja izmērīt eksperimentāli. Aprēķinātie rādiusi atomam bija robežās no 0.53 * 10-10m ( ūdeņraža atomam) un 1.5 * 10-10m ( urāna atomam). Rezultātā tika pieņemts, ka normālā stāvoklī visu rādiusi ir aptuveni 10-10m.
Lietojot šā zinātnieka mērījumu rezultātus tika aprēķināti atoma kodola rādiusi. Rādiusa garums bija aptuveni 10-15m. Tas nozīmē, ka atoma kodola rādiuss ir 105 reizes mazāks par paša atoma rādiusu. Lai varētu kārtīgi salīdzināt kodola un atoma izmērus tika izmantoti atoma modeļi, kas pieņēma, ka atoms ir lode un kura rādiuss ir 1 km jeb 105cm, tad kodola rādiuss šajā mērogā būs aptuveni 1 cm.
[izmainīt šo sadaļu] Atoma uzbūve
1903.g. angļu fiziķis izveidoja pirmo atoma modeli. Pēc Tomsona modeļa teorijas atoma pozitīvais lādiņš ir izvietots vienmērīgi pa visu tā tilpumu. Bet šajā atomā atrodas arī negatīvie elektroni, kuri iedarbojoties uz pozitīvajiem lādiņiem neitralizējot tos. Šajā atoma modelī nebija kodola, tādēļ E. Rezerforda eksperiments un teorija neatbilda iegūtajiem faktiem, tādēļ šo teoriju atmeta.
1911.g. E. Rezerfords pamatojoties uz savu eksperimentu izveidoja atoma modeli, kuru mēs pazīstam kā Rezerforda jeb planetāro atoma modeli. Salīdzinājumā ar Tomsona izveidoto modeli, šis modelis bija absolūtāks.
Šo modeli sauc par planetāro modeli, tādēļ, ka tajā esošie pozitīvie lādiņi atrodas atoma kodolā, bet tā elektroni riņķo ap kodolu, tāpat kā kosmosā planētas riņķo ap Sauli. Elektroniem ap kodolu liek kustēties pa orbītu asi, centrtieces spēks, bet starp pozitīvo kodolu un negatīvajiem elektroniem iedarbojas elektriskais Kulona pievilkšanas spēks. Tiek pieņemts, ka atoms normālos stāvokļos ir elektroneitrāla sistēma, tādēļ zinot kodolā esošos pozitīvos lādiņus, var aprēķināt ap to riņķojošos elektronus.
Lai noteiktu atoma kodola lādiņu ir izveidotas dažādas metodes, bet visas metodes ir devušas vienādus slēdzienus, ka atoma kodola lādiņš ir vienāds ar Ze, kur Z — simbolizē attiecīgo ķīmisko elementu pēc D. Mendeļējeva izveidotās elementu periodiskās sistēmas un e — ir pozitīvais lādiņš, kurš ir vienāds ar elektronu negatīvo lādiņu. Tā sastādīšanai ir nepieciešami Z elektroni. Tādēļ atomos, kas sastāda elementus ar kārtas numuru Z, ap kodolu riņķo Z elektroni : ūdeņraža atoma ir viens Z; hēlija atomā ir 2 Z; litija atomā ir 3 Z utt..
[izmainīt šo sadaļu] Bora postulāti
Novērojot kārtīgi Rezerforda atoma modeli atrada vairākas nepilnības, tādēļ 1913.g. dāņu zinātnieks N. Bors padarīja pilnvērtīgāku šo planetāro modeli ar saviem pieņēmumiem jeb postulātiem, kurus nebija iespējams izskaidrot ar standarta fizikas likumsakarībām. Šos postulātus, kurus nosauca par Bora postulātiem, vēlāk kad radās kvantu fizika, to izskaidroja ar kvantu mehāniku.
Bora postulātus var formulēt šādi:
1. Apkārtesošie elektroni ap atoma kodola var pārvietoties tikai pa noteiktu trajektoriju jeb orbītām. Ja sanumurētu ūdeņraža atomā stacionārās orbītas, sākot no atoma kodola tuvākajām orbītām, tad izveidotos orbīta rādiusu attiecība kā orbītu kārtas skaitļa kvadrāti : r1:r2:r3....=1:4:9:....
2. Elektroni kustoties stacionārajā orbītā magnētiskos viļņus neabsorbē un neizstaro. Tas nozīmē, ka elektronam atrodoties stacionārajā orbītā ir pilnīgi noteikta pilnā enerģija. Elektronu enerģija palielinās no kodola tuvākās orbītas līdz tai tālākajai orbītai esošajiem elektroniem.
3. Elektronam absorbējot enerģiju tas pāriet uz tālāko orbitāli, bet izstarojot tas pārvietojas uz tuvāko orbitāli kodolam. Ir pieņemts, ka orbītu enerģijas vērtības ir stingri noteiktas, tādēļ pārējām starp tām ir stingri noteiktas enerģijas vērtības. Novērojot, ka katrā pārejā tiek izstarots vai absorbēts viens elektromagnētisko viļņu kvants, pierādās, ka kvanta enerģija ir vienāda ar elektrona enerģijas izmaiņu pārejā.
W = Wn — Wm,
W- kvanta (fotona) enerģija; Wn un Wm — elektrona enerģijas attiecība uz orbītām n un m. Pēc Planka izveidotās teorijas, ka kvanta enerģija ir atbilstoša elektromagnētiskā viļņa frekvencei:
W = hv,
h — Planka konstante un v — frekvence. Tādēļ pierādās, ka atoms var absorbēt un izstarot tikai noteiktu frekvenci jeb viļņa garuma elektroniskos viļņus. Šo frekvenci var aprēķināt lietojot augšējās divas formulas :
v = (Wn — Wm) / h
Pierādās, ka atoma absorbcijas spektri, kas veidojas starojuma absorbcijas procesā, un emisijas spektri, kuri veidojas emisijas procesā, ir līniju spektri. Ar šiem pierādījumiem tika novērsta planetārā atoma modeļa pretrunas.
[izmainīt šo sadaļu] Enerģijas absorbcija un emisija atomos
Visvienkāršākais no atomiem ir ūdeņraža atoms, tādēļ arī enerģijas absorbcija un emisijas likumsakarības tajā var redzēt visspilgtāk. Ūdeņraža elektrisko čaulu veido tikai viens elektrons. Šis vienīgais elektrons cenšas pieņemt stāvokli, kurā tam būtu vismazākā enerģija. Šis stāvoklis atbilsts atoma kodola vistuvākās orbītas stāvokli, tādēļ to arī sauc par normālo stāvokli.
Lai elektrons spētu pāriet no tuvākās orbītas uz tālāko orbitāli, tam ir jāpievada tāds daudzums enerģijas, lai nodrošinātu elektrona pāreju. Absorbējot šo enerģiju atoms iegūst jaunu stāvokli, kuru sauc par ierosinātu stāvokli. Ja atomam atņem elektronu, tad atoms pārveidojas par pozitīvi lādētu jonu.
Atoms, kurš ir ierosinātā stāvoklī, nekad nepastāv ilgāk par 10-8 s. Pēc šā perioda elektrons pāriet uz kādu atomam tuvāku orbitāli, tādejādi izlietojot lielu daudzumu enerģijas, kas bieži tiek izstarots elektromagnētisko viļņu veidā. Ir pierādīts, ka katrai pārejai atbilst savs enerģijas kvants un, tādēļ spektrā vienādie enerģijas kvanti izveido vienu spektra līniju, bet pārējas, kas beidzas uz 1. orbītas veido spektra līnijas sērijas. Beidzoties uz 1. orbītas, veidojas spektra līnijas sērija, kuru sauc par Laimana sēriju. Tie atrodas ultravioleto spektru apgabalā un vizuāli ir grūti novērojami.
Elektroni, kas beidzas uz 2. orbītas veido spektra līnijas sērijas. , kuru sauc par Balmeru sēriju. Šīs spektra līnijas ir vienīgās kuras atrodas redzamajā apgabalā, bet pārējās, kuras beidzas uz 3., 4., 5. utt. orbītas, atrodas infrasarkano spektra daļā un vizuāli nav novērojami.
Bet Bora atoma modelis arī bija nepilnīgs. Pēc šī modeļa varēja tikai daļēji izskaidrot ūdeņraža uzbūvi, bet šis modelis nespēja izskaidrot sarežģītāko atoma uzbūvi. Tāpat arī Bora postulāti bija neizprotami ar klasiskās fizikas uzskatiem.
Vispilnīgāko atoma uzbūvi sniedza kvantu mehānika, kurus radīja vācu fiziķis V. Heizenbergs 1925.g. un austriešu fiziķis E. Šrēdingers 1926.g. Kvantu mehānika sniedza mūsdienu fiziķiem un ķīmiķiem pilnīgi apmierina rezultāti, par atoma modeļa struktūras veidošanu. Tā izskaidrošanai ir nepieciešamas plašas zināšanas matemātikā, kuras vidusskolas kursa laikā neaplūko.
[izmainīt šo sadaļu] Geigera — Millera skaitītājs
1908.g. vācu fiziķis H. Geigers izgudroja ierīci ar, kuru varēja saskaitīt elementārdaļiņu skaitu. Bet 1928.g. Geigers kopā ar citu vācu fiziķi V. Milleru ierīci uzlaboja. Lai būtu skaidrība par skaitīšanas darbību iepazīsimies ar ierīci, kuru nosauca par jonizācijas kameru.
Jonizācijas kamera ir slēgta telpa, kurai iekšienē atrodas īpaša sastāva gāze (viss biežāk argona maisījums ar spirtu tvaika stāvoklī). Šajā kamerā ir ievietoti divi elektroni, kuriem ir pievadīts spriegums tik lielā apmērā, lai elektrodu ķēdi nodrošinātu sātstrāvas plūšanu. Šo ķēdi mēra ar ķēdē pieslēgtu galvanometru.
Ir pieņemts, ka gāze strāvu nevada, jo tai nav lādiņnesēju, kuri spētu pārvietoties. Gāzi apstarojot ar jonizējošu starojumu, rodas lādiņnesēji - joni un elektroni, kuru skaits proporcionāli atbilst starojuma intensitātei.
Par jonizējošu starojumu uzskata jebkuru starojumu, kuri spēj jonizēt vielu. Šāds starojums ir elektromagnētiskais starojums ar pietiekami īsu viļņa garumu (ultravioletais starojums; rentgenstarojums; gamma starojums). Starojumi, kas veidojas radioaktīvo vielu sabrukšanas procesā uzskata arī par jonizējošiem sariem.
Tā kā caur jonizācijas kameru plūst sātstrāva, kura stiprumu nosaka laika vienībā radīto jonu skaits, tad galvanometra uzrādītā strāva ir proporcionāla starojuma intensitātei. Tādēļ galvanometru bieži granulē nevis strāvas vienībās, bet gan starojuma intensitātes vienībās. Tas nozīmē, ka ar jonizācijas kameras palīdzību ir iespēja mērīt starojuma intensitāti, kura ir proporcionāla starojuma daļiņu skaitam, kas laika vienībā nonāk jonizācijas kamerā.
Elementārdaļiņu skaitītājs, tas ir Geigera — Millera skaitītājs, sastāv no mazas jonizācijas kameras, kuru sauc arī par skaitītāja caurulīti. Tās izliekums, ģeometriskais veids un gāzes sastāvas izraudzīti tādi, lai caurulīte būtu ļoti jūtīga un varētu reaģēt uz atsevišķu jonizējošu daļiņu parādīšanos tajā. Caurulītē atrodas divi elektrodi. Viens no šiem elektroniem veido tievu stieplīti, kura atrodas nostieptā stāvoklī caurulītes vidū un ir izolēts no korpusa. Viss biežāk otru elektrodu veido pats caurulītes korpuss, kurš ir izgatavots no metāla ( plāna alumīnija skārda). Pie elektrodiem ir pieslēgta līdzstrāva, kura starp abiem elektrodiem veido apmēram 103V spriegumu.
Kad caurulītē nokļūst lādēta daļiņa, kurai ir tik liela kinētiskā enerģija, ka spēj jonizēt caurulītē esošo gāzi, tad izveidojošie joni, kuri kustās caurulītē, kļūst pa lādiņnesējiem. Starp elektrodiem veidojas strāvas impulss. Strāvai plūstot cauri rezistoru galiem veidojas spiegums.
Novērots, ka atsevišķām daļiņām strāvas impulss ir ļoti mazs, tādēļ tos pastiprina. Lai to iegūtu impulsus izvada caur kondensatoru un pievada pie pastiprināšanas bloka. Vēlāk impulss nonāk skaitīšanas blokā, kas tos saskaita. Tā rezultātā pēc impulsu skaita var noteikt caurulītei cauri izgājušo daļiņu skaitu.
Lai šajā procesā skaitītājs spētu pareizi darboties, tad nepieciešams, lai caurulītē nokļuvušo daļiņu skaits nebūtu liels, jo citādi veidotos nepārtraukta jonizācija un skaitītājs vairs nespētu atšķirt atsevišķi daļiņu radītos impulsus.
Katrai daļiņai ir nepieciešama sava caurulīte. Alfa daļiņām ir smērā maza caurspiešanas spēja, un šīs daļiņas nespēj iziet cauri metāla vai stikla kārtu. Tādēļ caurulītēs, kuras ir paredzētas alfas daļiņu skaitīšanai, tiek ierīkoti lodziņi ar plānu vizlas kārtiņu. Tādēļ alfa daļiņas var nokļūt caurulītē tikai caur šiem lodziņiem.
Lai būtu iespēja saskaitīt beta daļiņas un citus elektronus, kuriem ir lielāka kinētiskā enerģija, izmanto caurulītes ar alumīnija apvalku, jo beta daļiņas brīvi iziet cauri plānajai alumīnija kārtiņai.
Gammas daļiņas ļoti vāji jonizē gāzes, jo tām nav elektriskā lādiņa un tādēļ uz elektronu elektrisko lauku tie nevar iedarboties. Gammas daļiņas var jonizēt gāzes atomus, tieši saduroties ar atomu elektroniem, bet šis process ir ļoti reti sastopams, tādēļ lielākā daļa gammas daļiņu iziet cauri caurulītei neveidojot jonizāciju.
Bet, lai būtu iespējams saskaitīt gammas daļiņas izmanto fotoefektu. Tādēļ caurulīte tiek izgatavota ar samērā biezām metāla (vara) sieniņām, lai izraisītu gammas daļiņām sadursmi ar metāla atomiem un izraisītu fotoefektu. Fotoefektā izsistiem elektroniem ir samērā liela kinētiskā enerģija, tādēļ tie spēj jonizēt caurulītē esošo gāzi. Gammas daļiņas tiek saskaitītas pēc to izraisītajiem fotoelektroniem.
Ātros protonus, kuriem ir lādiņš un liela kinētiskā enerģija, saskaita tāpat kā elektronus. Lai saskaitītu neitronus, jārīkojas šādi. Tā kā neitroniem nav elektriskā lādiņa un tie ļoti vāji jonizē gāzes, tad skaita neitronu izsistos protonus. Šajā gadījumā starp neitrona avotu un skaitītāja caurulīti novieto vielu, kas satur ūdeņradi, piemēram, parafīnu. Zināms, ka protona un neitrona masas ir apmēram vienādas, tādēļ, neitronam saduroties ar protonu, protons iegūst apmēram pusi no neitrona kinētiskās enerģijas. Šī enerģija ir pietiekama, lai iedarbinātu skaitītāja caurulīti.
==Skatīt arī==
[izmainīt šo sadaļu] Fotoemulsiju metode
Lai reģistrētu jonizējošās daļiņas izmanto arī fotoemulsijas metodi. Lai to izdarītu sagatavo fotoplati ar biezu emulsijas kārtiņu. Elementārdaļiņas, līdzīgi gaismas kvantiem, satriecoties ar fotoemulsijas atomiem, to ierosina. Ierosinātie atomi emulsijā izraisa fotoķīmiskas reakcijas, kurš darbojas tāpat kā fotografēšanās procesos. Pēc attīstīšanas un fiksācijas emulsijās kārtiņā ir palikuši daļiņu treki. Ja emulsijas kārtiņu sagriež plānos gabaliņos, tad trekus var novērot mikroskopā.
Lai novērotu kodolreakcija, emulsijas slānim pievieno tās vielas atomus, kurus kodolus grib pētīt. Apstarojot slāni ar starojumu ( parasti ar neitroniem), kas izraisa kodolreakcijas un pēc šīs metodes ir iespēja novērot krītošo daļiņu reakcija rezultātā radušos daļiņu treka garumus jeb daļiņas kinētisko enerģiju.
Lai novērotu iezīmētos atomus izmanto fotoemulsijas metodi. Par iezīmētājiem atomiem uzskata elementa radioaktīvo izotopu atomus. Iezīmētos atomus izmato dažādu dzīvības procesu izpētei, kuri notiek augos un dzīvniekos. Kādai vielai, kuras molekulu gaitu dzīvajā organismā grib noskaidrot, piejauc šīs pašas vielas molekulas, kas satur radioaktīvos izotopus, piemēram, parastā oglekļa vietā radioaktīvo oglekļa izotopu 146C . Šīs molekulas organismā izplatās tāpat kā neradioaktīvās vielas, bet tās pakāpeniski sabrūk, izstarojot radioaktīvās starojuma daļiņas. Novietojot fotoplati virs dzīvnieka vai auga daļas ir iespēja fiksēt radioaktīvās daļiņas.
[izmainīt šo sadaļu] Atoma kodola sastāvdaļas
Pirmo hipotēzi par atoma uzbūvi, kura ir spēkā arī mūsdienās, izvirzīja padomju zinātnieks D. Ivaņenko un vācu fiziķis V. Heizenbergs 1932.g. Šī hipotēze skanēja šādi: „Visu atomu kodoli sastāv no protoniem un neitroniem.”
1911.g. protonus atklāja angļu fiziķis E. Rezerfords. Protons tiek uzskatīts par elementārdaļiņu, kura masa ir 1.673*10-27 kg. Ir pierādīts, ka protona masa ir par 1836 reizēm lielāka nekā elektrona masa. Protons sastāv no pozitīvi lādētiem elektriskiem lādiņiem un tā vērtība ir vienāda ar elektrona lādiņu. Visvienkāršākais atoms ir ūdeņradis un tā kodols sastāv no viena elektrona, tas nozīmē, ka protons ir identisks ūdeņraža atoma kodolam.
1932.g. neitronus atklāja angļu fiziķis Dž. Čedviks. Neitrons tiek uzskatīts par elementārdaļiņu, kura masa ir 1.675*10-27 kg. Pierādās, ka neitrona masa no protona masas atšķiras tikai par 2.5 elektronu masas. Neitrona nosaukums jau liecina, ka tas ir elektroneitrāla daļiņa. Pirmos neironus ieguva kodolreakcijās, kad uz berilija atoms tika apstarots ar alfa daļiņām. Bet tos bija grūti novērot, jo tiem nebija elektriskā lādiņa un tie ļoti vāji jonizēja gāzēs. Tagad neitronus novēro galvenokārt pēc protoniem, kurus tie izsit no vielām, kas satur daudz ūdeņraža atomu piemēram, parafīns.
Pierādīts, ka radioaktīvo vielu sabrukšanā no kodola tiek izstaroti alfas, betas un gammas daļiņas, bet par kodola sastāvdaļām nevar uzskatīt. Izņemot alfa daļiņas var uzskatīt ar kodola sastāvdaļu, jo tā sastāv no 2 protoniem un 2 neitroniem. Novērts, ka protoni un neitroni ir ļoti cieši sasaistīti, tas pierāda, ka arī smagāko atomu kodolos kāda daļa neitronu un protonu veido strukturālus elementus, kuri ir līdzīgi alfa daļiņām, tas ir pierādīts eksperimentāli.
Beta un gamma daļiņas kodolā nevar atrasties, jo to apstiprina kvantu mehāniskais likums. Bet šīs daļiņas veidojas no kodola matērijas, kas veidojas radioaktīvo vielu sabrukšanas laikā un ko apstiprina nezūdamības likumi.
Bieži vien atomu un to kodolu masa mēra atomu masas vienībās (u). Tā ir ārpussistēmu vienība, kura vienāda ar 1/12 no oglekļa atomu masas un , kuru kodols sastāv no 6 protoniem. 1 u ir 1.66*10-27kg. Tādēļ aprēķināts, ka protona masa ir 1.0073 u un neitrona masa ir 1.0086 u.
Kodolu apzīmē ar attiecīgo elementa simbolu. Pie simbola pieraksta divus skaitļus, kurus apzīmē r burtiem Z un A. Z ir kārtas skaitlis, ko raksta kodola simbola kreisajā pusē apakšā. Tas ir vienāds ar protona skaitu kodolā un ar kodolam atbilstošo elementa kārtas numuru D. Mendeļejeva elementu periodiskajā sistēmā. A raksta kodola simbolu kreisajā pusē augšā, kas simbolizē masas skaitli, kurš ir vienāds ar protona un neitrona kopējo skaitu kodolā. Neitrona skaitu apzīmē ar simbolu N un masas skaitli aprēķina pēc formulas: A=Z+N.
Pierādīts, ka protona un neitrona masa ir aptuveni 1u, tad ķīmisko elementu atommasas ir aptuveni vienādas ar atbilstošo atomu kodolu masas skaitļiem. Trīs faktori nosaka, ka elementu atommasa ir daļskaitlis: 1) protonu un neitronu masas ir vienādas tikai aptuveni ar 1 u, 2) izotopu eksistence, 3) masas defekts.
Par izotopiem uzskata tādus atomus, kuru kodols ir viens un tas pats protonu skaits Z, bet dažāds neitronu skaits N. Un pierādās, ka izotopiem ir dažādi masas skaitļi. Izotops tulkojumā no sengrieķu valodas ir isos — vienāds un topos — vieta. Tādējādi visi izotopi atoda vienkopus D. Mendeļejeva elementu periodiskajā sistēmā. Izotopiem ķīmiskās īpašības nosaka kārtas skaitlis un šīs īpašības ir vienādas, bet fizikālās īpašības nedaudz atšķiras. Dabiskajos atomu sakopojumos dažādo izotopu daudzumu attiecība ikvienā elementā vienmēr ir stingri noteikta. Tādēļ ir noteikta vidējā atommasa , kura ir norādīta D. Meneļejeva elementu periodiskajā sistēmā. Kā piemērs ir ūdeņradis, kuram ir trīs izotopi, kuru atomu kodoli tiek apzīmēti šādi: 11H, 21H un 31H. Izotopi, kuriem ir atomu kodoli ir 11H sauc par parasto ūdeņradi, un tas dabiskajā ūdeņradī sastāda 99.985% no visa ūdeņraža masas. Bet izotopi, kuru atomu kodoli ir 21H sauc par smago ūdeņradi jeb deiteriju. Deiterija kodolā atrodas protoni un neitroni, kas dabiskajā ūdeņradī aizņem 0.015%. Ūdeni, kuram ūdeņraža vietā ir deiterijs sauc par smago ūdeni, kura blīvums ir 1.104*103 kg/m3, kušanas temperatūra ir 276.97 K, bet vārīšanās temperatūra ir 374.59 K. Parastā ūdens sastāvā aptuveni ir 0.02% smagais ūdens.
[izmainīt šo sadaļu] Izotopu izmantošana
Izotopiem ir liela nozīme un tos izmanto gan praksē, gan zinātniskajos pētījumos.
Radioaktīvos izotopus izmanto galvenokārt par starojuma avotiem. Gammas starojumam, kas rodas radioaktīvajos procesos, ir ļoti liela caurspiešanās spēja, tādēļ to izmanto defektoskopijā, lai atrastu defektus masīvajās metāla detaļās. Vienas detaļas pusē novieto starojuma avotu, bet otrā pusē luminiscējošu ekrānu, defekta vietā ekrāns luminiscējas spēcīgāk, jo tur nonāk spēcīgāka gammas starojuma plūsma.
Izmanto arī alfas un betas starojumu, lai novērstu elektrostatiskos lādiņus, kuri rodas ražošanas procesā. Radioaktīvais starojums jonizē gaisu tajās vietās, kur sakrājies lādiņš un gaiss kļūst par elektrības vadītāju, kas aizvada lādiņu prom.
Pēc radioaktīvā starojuma intensitātes maiņām mēra plānu kārtiņu biezumu. Slēgtā traukā esoša šķidruma līmeņa izmaiņas iespējams noteikt ārpus trauka, izmantojot radioaktīvo starojumu, kuru izstaro avots uz šķidruma virsmas. Radioaktīvais starojums maina vielas molekulāro struktūru, dēļ šīm maiņām mainās arī tā īpašības.
Radioaktīvo starojumu izmanto medicīnā un bioloģija, lai iznīcinātu ļaundabīgos audzējus. Šiem nolūkiem izmanto šādus radioaktīvos izotopus: kobaltu, jodu, fosforu un zeltu. Kā arī radioaktīvo starojumu izmanto lai iznīcinātu baktērijas, tādēļ to izmanto arī pārtikas preču sterilizēšanai. Izmanto arī, lai apstarotu augu sēklas, tādejādi iegūstot gēnu mutācijas un no šīm sēklām iegūst jaunas augu šķirnes.
Bioloģijā ļoti liela nozīme ir iezīmētajiem atomiem. Par iezīmētajiem atomiem sauc radioaktīvo izotopu atomus. Ar savu radioaktīvo starojumu šie atomi atklāj sevi, tāpēc iespējams novērot atomu un molekulu pārvietošanos augos un dzīvniekos. Ir pierādīts, ka radioaktīvo izotopu ķīmiskās īpašības neatšķiras no paša elementa neradioaktīvo atomu īpašībām, tādēļ ir vieglāk noverot bioķīmiskos procesus. Ļoti lieli sasniegumi molekulārajā bioloģijā tika iegūti ar iezīmēto atomu palīdzību, lai novērotu vielmaiņas procesus. Retos gadījumos izmantoja arī neradioaktīvus izotopus, jo tie nekaitēja organismam. Bet tie nerada starojumu, kuri iedarbojas uz organismu un tos ir ļoti grūti ievērot, tādēļ šiem procesiem izmanto masspektroskopijas metodi. Radioaktīvo un neradioaktīvo izotopu izmantošana ir ļoti plaša, tādēļ tos ir ļoti grūti uzskaitīt.
[izmainīt šo sadaļu] Atoma kodola saites enerģija
[izmainīt šo sadaļu] Kodolspēki
Kodolā esošie neitroni un protoni, kuri rada spēku, šo spēku sauc par kodolspēku jeb stiprās mijiedarbības spēku. Šie spēki ir visspēcīgākie spēki no dabā zināmajiem spēkiem. Kā arī starp protoniem un neitroniem, kurus kopēji sauc par nukloniem, savā starpā darbojas gravitācijas spēks, kurš uzskatāms par visvājāko spēku dabā. Kodolos gravitācijas spēku darbība ir tik minimāla, ka tā neietekmē ne protonus ne neitronus kodolā. Elektriskie atgrūšanas spēki, kas darbojas starp protoniem, gan ir pietiekamu lieli, tomēr arī tos pārspēj kodolspēku radītā pievilkšanās starp nukloniem.
Kodolspēki vienādi darbojas starp visiem nukloniem — kā starp protoniem, tā arī neitroniem. Lielākā atšķirība starp gravitācijas spēkiem un elektromagnētiskajiem spēkiem ir, ka šo spēku maiņa atkarība no attāluma. Ja gravitācijas spēki un elektromagnētiskie spēki samazinās apgriezti proporcionāli attāluma kvadrātam, (~ 1/r2), tad kodolspēki samazinās daudzreiz straujāk un to nosaka likums, ko izsaka eksponentfunkcijas. Tādēļ kodolspēku darbība izbeidza jau 10-15 m attālumā no nukloniem. Tas arī nosaka kodola izmērus, kuru kārta ir tādi pati 10-15 m . Kodolos notiekošo procesu teorija nav kārtīgi noteikta, tādēļ arī nav iespējams uzrakstīt precīzus kodolspēku formulu.
[izmainīt šo sadaļu] Saites enerģija
Nuklonu saites būtību var viegli izskaidrojot, izmantojot enerģijas jēdzienu. Kodola veidošanas rezultātā, no tā izdalās liels daudzums enerģijas, kura rezultātā rodas enerģijas iztrūkumi. Tādēļ nepārkāpjot enerģijas nezūdamības likumu, daļiņas, nukloni nevar būt brīvi. Bet, ja kodolam pievada šādu enerģiju, tad kodols izjūk un daļiņas kļūst brīvas.
Saites enerģija ir enerģija, kas tiek pievadīta nukloniem, lai tie kļūtu brīvi. Tādēļ nezinot kodolspēku lielumu un dabu, saites enerģiju izmanto kodolu stabilizēšanas raksturošanai. Bet, lai nuklonu skaits nevarētu ietekmēt stabilitātes nosacījumus, izmanto viena nuklona saites enerģiju jeb īpatnējo saiti. Ja ΔWs — kodola pilnā enerģija un A — kodola masas skaitlis( nuklonu skaits kodolā), tad izmanto šādu formulu:
w = ΔWs/A.
Kodola stabilitāti nodrošina īpatnējās saites enerģijas daudzums, tas ir tādēļ, jo viena nuklona atbrīvošanai ir jāpievada lielāka enerģija.
Mazāka īpatnējā saites enerģija ir vieglajiem un smagajiem kodoliem. Vieglajiem kodoliem tie ir mazāk, tādēļ, ka tajā savstarpēji iedarbojas mazāks skaits nuklonu. Bet smagajos kodolos šīs saites enerģiju mazina protonu elektriskā mijiedarbība jeb atgrūšanas spēks. Atgrūšanas potenciālā enerģija ir pozitīva, tādēļ mijiedarbības enerģija ir mazāka. Lai iegūtu kodolenerģiju izmanto šo saišu enerģijas atšķirības.
Ja apvienojas vairākus vieglos kodolus, tad palielinās saites enerģija, kura ir negatīva un pārpalikusī enerģija izplatās apkārtējā vidē. Un šādu parādību var novērot kodoltermiskajās reakcijās.
Kodoltermiskās reakcijas cēlonis ir Saules starojums. Lai šo reakciju varētu realizēt ir nepieciešama ļoti augta temperatūra apmēram 108 K. Tik augtu temperatūru uz Zemes var iegūt tikai atombumbas sprādzienā. Atombumbu, kurai tās darbību pastiprina kodoltermiskās reakcijas sauc par ūdeņraža bumbām. Tagadējie zinātnieki cenšas iegūt šo reakciju neizmantojot atombumbas sprādzienu. Tā rezultātā būtu iegūta neierobežota enerģija, lai to izmantotu cilvēces vajadzībām.
Arī smago kodolu sadalīšanās reakcijā to enerģijas saites palielinās. Šajā reakcijā veidojas lieka enerģija, kura izplatās apkārtējā vidē. Šādas reakcijas veidojas kodolreaktoros.
[izmainīt šo sadaļu] Masas defekts
No Einšteina relatīvās teorijas izsecināja, ka masa un enerģija ir saistīti lielumi. Šo pamatojumu apstiprina ekvivalences likums un šīs likums nosaka, ka jebkurai masai piemīt enerģija un otrādi. Šī apgalvojuma formula ir tāda:
W=mc2
W ir ķermeņa pilnā masa, m ir noteiktā objekta masa, c ir gaismas ātrums vakuumā (3*108 m/s). Novērots, ka kodolam veidojoties, nukloni zaudē saites enerģiju un pēc masas un enerģijas ekvivalences likuma tie zaudē arī daļu no masas. Tādēļ atoma kodola masa ir daudzreiz mazāka nekā tās veidojošo nuklonu masa summa. Tā kā kodolā ir Z protoni un A — Z neitroni, tādēļ nuklonu masa sumu un kodola masas starpību sauc par masas defektu un to apzīmē ar Δm. Šīs starpība formula ir šāda:
Δm=Zmp + (A — Z)*mn - mk
mp ir protonu masa, mn ir neitronu masa un mk ir kodola masa.
Izmantojot ekvivalences likuma formulu, saites enerģijas un masas defekta sakarību var uzrakstīt šādi:
ΔWs=Δmc2
Masas defektu kodoliem ir viegli aprēķināt, tādēļ šo sakarību var izmantot, lai aprēķinātu kodolu saites enerģiju un īpatnējo saites enerģiju.
[izmainīt šo sadaļu] Enerģijas izdalīšanās, daloties smagajiem kodoliem
Tā kā smagajiem kodoliem īpatnējā saites enerģija ir mazāka nekā vidējās masas kodoliem, daži smagie kodoli spēj patstāvīgi pāriet no nestabila stāvokļa, kurā tiem ir lielāka enerģija, stabilākā stāvoklī, kurā tiem ir mazāka enerģija. Tāda pāreja notiek smagajam kodolam sadaloties vidējas masas kodolos vai arī izstarojot dažas elementārdaļiņas. Šīs pārejas rezultātā izdalās liekās saites enerģija. Lai gan atsevišķiem kodoliem izdalītā enerģija ir relatīvi liela mikropasaules mērogā, bet tā ir niecīga salīdzinot ar ikdienas dzīvē vajadzīgajiem enerģijas daudzumiem.
Dabiskos apstākļos dabiskie radioaktīvie elementu atomi sabrūk samērā reti, bet, ja vienlaikus sabrūk liels skaits šo kodolu, ko var iegūt mākslīgi ar kodolreakciju palīdzību, var iegūt lielu enerģija daudzumu. Šīs sabrukšanas procesā radioaktīvās vielas daļiņu skaits samazinās. Samazināšanās ir atkarīga no laika pēc likuma, kuru matemātiski izsaka šāda formula:
N=N0e-γt.
N0 ir sākotnējais daļiņu skaits; γ ir sabrukšanas konstante; t ir laiks; e ir skaitlis 2.71828.
Sabrukšanas konstante ir vienāda ar varbūtību, ko noteikts šīs radioaktīvās vielas atoma kodols sabruks nākamajā laika vienībā. Tas norāda, ka sabrukšanai ir gadījuma raksturs, un to nosaka tikai atoma kodola struktūra.
Radioaktīvajām vielām sabrukšanas konstante λ ir stingri noteikts lielums, bet bieži to vietā izmanto pussabrukšanas periodu T. Pussabrukšanas periods ir laika posms, kurā sabrūk puse no dotā radioaktīvās vielas daudzuma. Lai aprēķinātu pussabrukšanas periodu izmanto formulu N=N0e-γt, kurā t ir T, tad gala formula ir šāda:
N=N0/2.
Tas nozīmē, ka starp pussabrukšanas periodu un sabrukšanas konstanti pastāv šāda sakarība: T=0.693/λ, bet no šīs formulas var izveidot arī šādu sakarību:
Nn=No/2n,
kur Nn ir daļiņu skaits pēc n pussabrukšanas periodiem.
[izmainīt šo sadaļu] Kodolreakcijas
Kodolreakcijas ir process, kurā mainās atoma kodols. Šādās reakcijās var notikt kodolu apvienošanās vai sadalīšanās, elementārdaļiņu absorbcija vai izstarošana, divu kodolu apvienošanās, pēc kuras notiek kodola dalīšanās utt.. Kodolreakciju var pierakstīt līdzīgi ķīmiskajai reakcijai. Vispārīgā veidā to var uzrakstīt šādi:
A1XZ1 + A2YZ2 → A3UZ3 + A4VZ4,
Kur X un Y ir atomu kodoli pirms reakcijas, bet U un V — reakcijā radušies kodoli.
Tāpat kā ķīmiskajās reakcijās arī kodolreakcijās ir spēkā visi nezūdamības likumi. Elektriskā lādiņa nezūdamības likums ir spēkā tikai tad, ja protonu (vienīgās lādētās daļiņas kodolā) skaits nemainās, tas ir, kārtas skaitļu summa pirms reakcijas vienāda ar kārtas skaitļa summu pēc reakcijas:
Z1 + Z2 = Z3 + Z4.
Tā kā šajā reakcijā nukloni no jauna nerodas un nezūd, tad ir spēkā arī nuklonu skaita nezūdamības likums, pēc kura masas skaitļu summa pirms reakcijas vienāda ar masas skaitļu sumu pēc reakcijas:
A1 + A2 = A3 + A4.
Arī pārējie nezūdamības likumi, piemēram, enerģijas un impulsa nezūdamības likumi, ir spēkā un tiek izmantoti kodolreakciju pētīšanas procesā, bet pierakstā tas nav uzrādīts.
Pirmo reizi kodolreakciju realizēja E. Rezerfords 1919.gadā, apstarojot slāpekli ar α daļiņām Vilsona kamerā. Šīs reakcijas rezultātā ieguva slāpekļa un ūdeņraža atomu kodolus. Šo reakciju pieraksta šādi:
14N7 + 4H2 → 17O8 + 1H1.
Radioaktīvo sabrukšanu, kurā no kodola X tiek izsviesta α daļiņa, vispārīgā veidā var pierakstīt šādi:
AXZ → 4He2 + A-4YZ-2.
Kodolam Y, kas rodas šajā procesā, kārtas skaitlis ir par 2 un masas skaitlis par 4 vienībām mazāks nekā sākotnējam kodolam.
Betas sabrukšanas procesu kodolam X vispārīgais pieraksts ir šāds: AXZ → -1e+AZ+1Y kur -1 e apzīmēts elektrons.
Kodolam Y, kas rodas reakcijā, masas skaitlis nemainās, jo nemainās nuklonu skaits, bet kārtas skaitlis pieaug par vienu vienību. Kodolam zaudējot negatīvo lādiņu, tā pozitīvais lādiņš palielinās. Tas fakts, ka kodolam Y masa tomēr ir mazāka nekā atomam X. Tā kā elektrona masa salīdzinājumā ar nuklonu masu ir 1837 reizes mazāks, tad atommasas vērtībai mainās tikai tikai ceturtā zīme.
Gamma sabrukšanā kodola sastāvs nemainās. Kodols tikai izstaro lielu enerģiju kvanta veidā. Ievērojot masas un enerģijas ekvivalences likumu, mainās tikai atbilstošā atommasa, bet Z un A paliek nemainīgi.
[izmainīt šo sadaļu] Kodolenerģijas iegūšana
Dabiskajos kodolpārveidošanās procesos izdalītā enerģija ir niecīga. Tāpēc šos procesus nevar izmantot, lai iegūtu enerģiju praktiskajām vajadzībām. Zemes evolūcijas procesā ātri sbrūkošie kodoli jau ir sabrukuši, bet palikušajiem kodoliem, kuriem ir liels pusabrukšanas periods, sabrukšanas process noris tik lēni, ka tie nespēj izdalīt kaut cik ievērojamus enerģijas daudzumus. Lai iegūtu enerģiju, nestabilie smagie kodoli ir jāierosina dalīties tā, lai viena kodola dalīšanās izraisītu citu kodolu dalīšanos, tādējādi veidojas ķēdes reakcija.
[izmainīt šo sadaļu] Kritiskā masa
Lai ķēdes reakcija varētu norisināties, neitronu pavairošanas koeficientam jābūt lielākam par vienu. Par neitronu pavairošanas koeficientu sauc attiecību starp reakcijā radušos neitronu skaitu un reakcijā patērēto neitronu skaitu. Tas nozīmē, ka neitronu zudumi, kas rodas, piemaisījumu atomiem absorbējot neitronus un neitroniem izlidojot no radioaktīvās vielas, nedrīkt pārsniegt jaunradīto neitronu skaitu. Lai novērstu neitronu izlidošanu, izotopa gabala masai jābūt pietiekami lielai. Kā zināms no ģeometrijas, palielinoties ķermeņa izmēriem, ķermeņa virsmas laukums pieaug lēnāk nekā tilpums. Tāpēc mazos dalāmā materiāla gabalos ķēdes reakcija nevar rasties, jo gabala relatīvi lielās virsmas dēļ neitroni pagūst izlidot, pirms tie ir ierosinājuši jaunu kodolu dalīšanos. Minimālo dalāmā materiāla masu, kurā var sākties ķēdes reakcija, sauc par kritisko masu. Spontānās dalīšanās procesā radušies neitroni momentāni izraisa ķēdes reakciju jebkurā dalāmā materiāla gabalā, kura masa ir lielāka par kritisko masu.
[izmainīt šo sadaļu] Atombumba
Par atombumbu sauc ierīci, kurā notiek ļoti strauja atomu kodolu dalīšanās ķēdes reakcija. šajā reakcijā gandrīz momentāni izdalās ļoti daudz enerģijas. Tā ir reakcijas produktu kinētiskā enerģija, kas rada lielu spiedienu un temperatūru, kā arī radioaktīvā starojuma, galvenokārt gamma starojuma enerģija.
Atombumbu izgatavo no diviem vai vairākiem dalāmā materiāla gabaliem. Katra gabala masa ir mazāka par kritisko masu. Sprādziena izraisīšanai gabalus savieno kopā, lai kopējā masa būtu lielāka par kritisko masu. Sprādziena lietderības koeficients ir jo lielāks, jo īsākā laika sprīdī notiek gabalu savienošanās. Tāpēc parasti to izdara, izspridzinot ķīmisko sprāgstvielu S. Šādas atombumbas sprādziena spēku var mainīt tikai nelielās robežās, jo to nosaka kritiskā masa. Atombumbās par dalāmo materiālu parasti izmanto urānu 235 92U vai plutoniju 23994 Pu.
[izmainīt šo sadaļu] Kodolreaktori
Lai ķēdes reakcija noritētu nevis sprādziena veidā, bet mierīgi, un iegūto enerģiju varētu izmantot praktiskām vajadzībām, izmanto ierīces, kuras sauc par kodolreaktoriem.
Tā galvenā sastāvdaļa ir kodoldegviela, kas parasti ir dabīgais urāns, bagātināts ar urāna izotopu 23592U. Urāna 23592U vietā var lietot arī plutoniju 23994Pu. Kodoldegvielas stieņus apņem neitronu palēninātājs. Par palēninātāju parasti izmanto ķīmiski tīru ūdeni. Var izmantot arī smago ūdeni, grafītu un citas vielas, kas mazās atommasas dēļ neitronus palēnina, bet tos neabsorbē. Ūdens izdevīgs tāpēc, ka tas vienlaikus izmantojams arī par siltuma novadītāju un tas dzesē reaktoru. Tā kā šis ūdens var būt radioaktīvs, to ievada siltumapmainītājā, kur tas sakarsē citu ūdeni, kas vairs nav radioaktīvs. Tālāk ūdeni izmanto tvaika turbīnas darbināšanai, kura savienota ar strāvas ģeneratoru. Tādējādi kodolenerģija ar siltuma starpniecību pārvēršas elektroenerģijā. Ir izgatavoti arī strāvas avoti - atombaterijas, kurās radioaktīvais starojums tieši, bez siltuma starpniecības rada elektroenerģiju. Tām ir pielietojums autonomos kosmosa aparātos un zinātniskajās stacijās, kur starojums neapdraud cilvēku.
Reaktora darbību regulē ar vadīšanas stieņiem, kas izgatavoti no vielas, kura spēcīgi absorbē neitronus, piemēram, kadmijs, bora karbīds u.c. Kad reaktors nedarbojas, vadīšanas stieņi ir dziļi iegremdēti reaktorā un neitronu pavairošanas koeficients ir mazāks par vienu. Reaktoru iedarbina, stieņus izvelkot no reaktora tik tālu, lai neitronu pavairošanas koeficients kļūtu aptuveni vienāds ar vienu. Tādā gadījumā neitroni, kas rodas laika vienībā, tiek arī šajā laika vienībā absorbēti, un reakcijas ātrums nemainās. Vadīšanas stieņu pārbīdi regulē automātiskas ierīces. Neitronu pavairošanas koeficients nedrīkst ievērojami pārsniegt vienu, jo tādā gadījumā reakcija pārvērstos sprādzienā.
Reaktora drošību garantē avārijas stieņi. Tie tāpat gatavoti no vielām, kuras absorbē neitronus. Ja neitronu pavairošanas koeficients kļūst lielāks par vienu, avārijas stieņi automātiski tiek iebīdīti reaktorā tik tālu, lai ķēdes reakcija aprimtu.
Apkalpojošo personālu no radioaktīvā starojuma pasargā bioloģiskā aizsardzība. Tā ir bieza (1 m un vairāk) īpaša sastāva betona siena, kas no visām pusēm apņem reaktoru. Radioaktīvais starojums šādai sienai praktiski cauri izspiesties nevar. Vēl bez tam par apkalpojošā personāla drošību rūpējas dažādas radioaktīvā starojuma novērošanas ierīces, kuras dod brīdinājuma signālu, kad starojums pārsniedz pieļaujamās robežas.
