Ядерная энергетика в физике - виды, формулы и определение с примерами

Содержание:

Ядерная энергетика в физике

Атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг него, можно объяснить электрические и магнитные явления.

Все электрические явления — электризация трением, возникновение электрического тока в металлах и полупроводниках, газах и электролитах — убедительно свидетельствуют о том, что электрически заряженные частицы входят в состав атомов, а значит, и в состав всех веществ.

Важную роль в понимании природы атома сыграл периодический закон, открытый в 1868 г. Дмитрием Менделеевым и свидетельствущий о сложности строения атомов элементов. В курсе химии вы изучили этот закон: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер, и широко пользовались им для объяснения свойств химических элементов и химических явлений.

Дж. Дж. Томсон открыл электрон ещё в 1897 г. Исходя из представлений об электронейтральности атома, учёный создал модель: атом состоит из положительно заряженного шара, заряд которого равномерно распределён по всему объёму, и отрицательно заряженных электронов, размещённых в его объёме. Модель была похожа на кекс с изюмом (рис. 208). Модель атома Томсона позволяла объяснить явления ионизации атомов, электролиза, периодическую систему элементов, но исходя из неё нельзя было объяснить электромагнитные и оптические явления, результаты опыта Резерфорда и явление радиоактивности, описанные ниже.

Немецкий физик Ф. Ленард в 1903 г. предложил модель «пустого» атома, внутри которого летают некие никем не установленные (ни ранее, ни теперь) нейтральные частицы, состоящие из взаимно уравновешенных положительных и отрицательных зарядов.

Решению проблемы строения атома посвятили свою жизнь выдающиеся учёные мира Э. Резерфорд, X. Гейгер, Н. Бор и др. Наиболее важную роль для выяснения строения атома сыграли опыты Э. Резерфорда. Резерфорд знал, что электрон в 2000 раз легче атома водорода. Атом электронейтрален, значит, именно на положительный заряд приходится вся его масса.

Если выяснить, как распределён положительный заряд, то станет ясно, как распределена масса атома. Учёный приходит к мысли о бомбардировке атома а-частицами, масса которых приблизительно в 7 300 раз больше массы электрона. Их положительный заряд вдвое больше по модулю заряда электрона (это дважды ионизированные атомы гелия), а скорость движения равна приблизительно 15 000 

Рассмотрим экспериментальную установку Резерфорда (рис. 209, α). На столе 5, вращающемся вокруг вертикальной оси, в вакууме размещались свинцовый контейнер 1 с источником а-частиц; в центре стола — золотая фольга 2; на краю стола — неподвижные экран из сульфида цинка (ZnS) 3 и микроскоп 4.

Рис. 209

-Частица — это своего рода «снаряд» атомного мира, который можно направить на слой вещества, чтобы исследовать, как оно будет влиять на траекторию частицы. Сплошные атомы Томсона должны были бы тормозить частицы и не пропускать их дальше. Чтобы частица встретила как можно меньше атомов, на её пути следует установить как можно более тонкую пластинку. Тончайшую фольгу можно получить из золота. Те частицы, которые пройдут сквозь фольгу, вызовут на экране сцинтилляции (световые вспышки), наблюдаемые с помощью микроскопа.

Если в установке достигнут высокий вакуум и нет фольги, то на экране появляется светлое пятно, образованное сцинтилляциями, вызванными тонким пучком а-частиц. Если на пути а-частиц установить золотую фольгу, то они будут рассеиваться, а пятно — размываться на большую площадь. Почти все частицы свободно проходят сквозь фольгу и практически не отклоняются от прежней траектории, лишь 2-3 % из них рассеиваются, отклоняясь от начального направления на несколько градусов.

Во время продолжительных наблюдений ученик Резерфорда изредка замечал вспышки, соответствующие значительным отклонениям -частиц от начального направления движения после прохождения сквозь фольгу.

В поисках ответа на вопрос, почему резко отклоняются одиночные а-частицы, Резерфорд предлагает исследовать, бывают ли частицы, которые, отражаясь от фольги, рассеиваются на углы, большие 90°, а то и на все 180°? И такие одиночные частицы — одна из тысячи — бывают (рис. 209, а, б). Этот факт казался непонятным.

Выясним, по каким причинам -частица может изменить направление полета. -Частица имеет массу и заряд, поэтому на неё могут действовать как сила тяготения, так и электрическая сила. Известно, что электрические силы взаимодействия заряженных частиц значительно превосходят силы тяготения между ними. Например, электрическая сила взаимодействия -частицы с протоном или электроном в 10³³ раз превышает силу тяготения между а-частицей и массивным атомом свинца. Это означает, что во взаимодействии -частицы с атомами фольги роль сил тяготения незначительна, и ими можно пренебречь. Следовательно, отклонение -частицы от начального направления полёта обусловлено действием электрически заряженных частиц, содержащихся внутри атомов.

Что это за частицы? Как они размещены в атомах? Ответы на эти вопросы и должны были дать опыты Резерфорда. Очевидно, что заряженная частица, отклоняющая а-частицу на большой угол, не может быть электроном. Ведь масса электрона приблизительно в 7 300 раз меньше массы -частицы. Поскольку столкновения с электронами не изменяют направления движения -частиц, то их отклонения на большие углы обусловлены взаимодействием не с электронами, а с положительно заряженными частицами. Но в «сплошном» атоме в модели Томсона электрическое поле положительного заряда недостаточно сильное, чтобы отклонить быструю и массивную а-частицу на большой угол.

Результаты опытов Резерфорда свидетельствуют, что хотя атомы в твёрдом теле очень плотно прилегают друг к другу, подавляющее большинство а-частиц пронизывают, почти не отклоняясь, несколько тысяч атомов. Отсюда он сделал вывод, что атомы практически пустые, и лишь в центре находится положительно заряженное ядро размером порядка 10^-15 м. Из опытов также следует, что в ядре сосредоточена почти вся масса атома. Значит, масса положительно заряженного ядра, с которым сталкивается -частица, отклоняющаяся на угол, близкий к 180⁰, значительно превышает массу самой -частицы (рис. 209, б).

Опыты Резерфорда вместе с установлением ядерной структуры атома свидетельствуют ещё и о высокой «прочности» атомных ядер, не разрушающихся даже при лобовых столкновениях с -частицами, налетавшими на ядра с большой скоростью.

В мае 1911 г. Резерфорд печатает в «Философском журнале» статью, в которой рассказывает об экспериментах, натолкнувших его на мысль о планетарной модели атома. Это была эпохальная научная работа.

Согласно этой модели атом состоит из положительно заряженного массивного ядра размером порядка 10 15 м. Вокруг ядра движутся электроны, образуя так называемую электронную оболочку атома (рис. 210). Заряд ядра по значению равен модулю суммарного заряда всех электронов. В ядре сосредоточена почти вся масса атома(99,95 %).

Рис. 210

Планетарная модель атома хорошо объясняла результаты опытов по рассеянию а-частиц веществом. Исходя из этой модели английский физик Г. Мозли на основе результатов своих опытов установил, что заряд атомного ядра q„ равен произведению порядкового номера Z элемента в периодической системе элементов и элементарного электрического заряда е:

где е ≈ 1,6 ∙ 10^-19 и равно модулю заряда электрона.

Порядковый номер химического элемента Z (зарядовое число) определяет количество протонов в ядре и тем самым — количество электронов вокруг ядра.

Радиоактивность

Открытие радиоактивности в 1896 г. стало переворотом в науке. Французский физик А. Беккерель исследовал фосфоресценцию (свечение) солей урана. Его интересовало, не могут ли открытые незадолго до этого Х-лучи (рентгеновские лучи) излучаться телами, в которых наблюдается явление фосфоресценции под действием солнечного облучения. Беккерель подверг кристаллы солей урана сильному солнечному облучению и поместил их на завёрнутую в чёрную бумагу фотопластинку. После проявления фотопластинки на ней были видны контуры образца. «Очевидно, урановая соль испускает какие-то лучи, которые проходят сквозь бумагу и засвечивают фотопластинку. Интересно, связано ли это с фосфоресценцией?» — подумал учёный.

Счастливый случай помог Беккерелю ответить на этот вопрос. Пасмурным днём, когда провести очередной опыт не удалось, учёный спрятал препарат в ящик. На завёрнутой в чёрную бумагу фотопластинке лежал медный крест, а на нём — препарат из двойного сульфата калия и урана. Проявив пластинку, Беккерель неожиданно увидел, что на ней образовался чёткий контур креста. Значит, излучение происходит в темноте и без предварительного освещения соли урана солнечными лучами. Необыкновенным было то, что оно подобно Х-лучам имеет чрезвычайную проникающую способность. В 1898 г. Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри после продолжительной и упорной работы (рис. 211) выделили из урановой руды новые химические элементы —радий и полоний, которые подобно урану спонтанно (самопроизвольно), но в несколько тысяч раз интенсивнее испускали невидимые лучи.

Рис. 211

В следующем, 1899 г. Э. Резерфорд исследовал прохождение лучей, открытых Беккерелем, в сильном магнитном поле и установил, что «излучение урана является сложным и в нём присутствует, по крайней мере, два излучения различного типа». Он наблюдал, что пучок лучей, испускаемых источником, в магнитном поле расщеплялся: один из его компонентов отклонялся от начального направления в одну сторону, а другой — в противоположную. Это означало, что лучи переносят электрический заряд разных знаков. Пучок, который переносил положительный заряд, отклонялся на меньший угол и сильно поглощался, Резерфорд назвал -излучением, а тот, который переносил отрицательный заряд, отклонялся на больший угол и был более проникающим, — -излучением.

Важным свойством обнаруженного излучения оказалась его полная независимость от внешних условий: освещённости, температуры, давления, электрического и магнитного полей и др. Свойство веществ самопроизвольно (спонтанно) испускать излучение было названо радиоактивностью, а вещества, испускающие такое излучение, — радиоактивными.

В 1900 г. французский учёный П. Вийяр показал, что существует и третья составляющая излучения урана с очень высокой проникающей способностью, не отклоняющаяся в магнитном поле (рис. 212). Её назвали третьей буквой греческого алфавита — -излучением. В том же году П. Кюри и М. Склодовская-Кюри показали, что -излучение — это поток электронов, летящих с большой скоростью. Резерфорд своими знаменитыми опытами доказал, что а-излучение — это поток относительно тяжёлых частиц, которые оказались ядрами атомов гелия.

Рис. 212

Электроны, летящие с большой скоростью, называют -частицами, ядра атомов гелия — -частицами. -Лучи по своей природе подобны Х-лучам, видимому свету и радиоволнам, но имеют значительно меньшую длину волны и очень высокую проникающую способность.

Характерным признаком -частиц является их огромная энергия. Радиоактивные вещества испускают а-частицы, энергия которых различна. Чаще всего радиоактивное вещество излучает не одну, а несколько групп а-частиц, которым присущи определённые значения начальной энергии.

Двигаясь в веществе, -частица постепенно теряет энергию, расходуя её на ионизацию молекул вещества, и, в конце концов, останавливается. Чем больше плотность вещества, тем короче путь частиц до остановки. В воздухе при нормальном давлении путь а-частицы равен нескольким сантиметрам. В твёрдом веществе путь частиц составляет всего несколько десятков микронов (-частицы задерживаются обычным листом бумаги).

-Излучение — это поток электронов. В отличие от а-частиц значения их энергии лежат в пределах от нуля до определённого максимального значения Е_м. Максимальная энергия E_м является характерной постоянной для данного химического элемента.

Из-за относительно малой массы -частиц при прохождении сквозь вещество возможны их отклонения на значительные углы — рассеяние в разные стороны. Траектории -частиц в веществе очень изломанны. Тем не менее суммарная толщина слоя, на которую -частица проникает в вещество, в десятки раз превышает пробег -частиц.

Отсутствие отклонений в электрическом и магнитном полях, огромная проникающая способность -лучей указывали на то, что по своей природе они аналогичны рентгеновским лучам. Проникающая способность -лучей увеличивается с уменьшением длины волны -излучения и уменьшается с ростом плотности вещества-поглотителя.

Радиоактивность — это явление спонтанного (самопроизвольного) превращения неустойчивых ядер одного элемента в ядра другого элемента, сопровождающееся излучением различных частиц и электромагнитных волн.

Природа радиоактивных излучений указывает на то, что их причиной является самопроизвольный распад атомных ядер радиоактивных элементов. При этом некоторые из ядер испускают лишь -частицы, другие — -частицы. Есть радиоактивные ядра, испускающие и те, и другие частицы. Большинство ядер одновременно испускают и -лучи.

Исследуя превращения радиоактивных веществ, учёные установили, что интенсивность излучения одних веществ со временем уменьшается быстро, других — намного медленнее. Для каждого радиоактивного вещества существует определённое время, в течение которого количество его атомов уменьшается вдвое. Этот интервал называют периодом полураспада Т.

Период полураспада — это промежуток времени, в течение ко-> торого исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается в два раза.

Пусть в начальный момент времени (t = О) количество радиоактивных атомов равно N₀. Через время, равное периоду полураспада Т, число атомов будет составлять, по определению, . Через время, равное двум периодам полураспада, их будет , через n периодов полураспада радиоактивных атомов
останется . Поскольку , то

Это выражение называют законом радиоактивного распада, он устанавливает зависимость числа радиоактивных атомов вещества от времени распада и был открыт Э. Резерфордом и Ф. Содди в 1902 г. График этой зависимости приведён на рис. 213.

Рис. 213

Период полураспада — физическая величина, характеризующая скорость радиоактивного распада.

Скоростью радиоактивного распада, или активностью радиоактивного источника (препарата), называют число распадов, происходящих за единицу времени.

Из закона радиоактивного распада следует, что активность прямо пропорциональна количеству ядер, или массе препарата, и обратно пропорциональна периоду полураспада. Единицы активности будем изучать позднее.

Чем меньше период полураспада, тем короче время жизни атомов, тем быстрее происходит распад. Для разных веществ его значения очень отличаются.

Строение ядра атома и изотопы

Вам уже известно, что ядро атома — это центральная, положительно заряженная часть атома, в которой сконцентрирована почти вся его масса. Заряд ядра атома равен модулю суммарного заряда электронов оболочки, вследствие чего атом в целом электронейтрален. Линейные размеры разных ядер неодинаковы. Они находятся в пределах от 3 •10^-15 м до 10 •10^-15 м, что в 10⁴-10⁵ раз меньше поперечного размера самого атома. Ядерное вещество имеет чрезвычайно большую плотность —. Масса чайной ложки, наполненной только ядрами, составляла бы сотни миллионов тонн.

Убедившись, что атом не является «неделимым », физики старались установить, из каких «кирпичиков» он состоит, то есть найти структурные элементы материи, внутреннее строение которых на данный момент неизвестно, и которые назвали элементарными частицами. Электрон — первая из известных элементарных частиц, структура атомного ядра была ещё не установлена.

В 1913 г. Э. Резерфорд предположил, что ядро атома водорода является элементарной частицей, которую назвали протоном, и которая входит в состав других атомных ядер. Эта гипотеза была подтверждена экспериментально в 1919 г., когда в опытах обнаружили отдельные протоны.

Масса протона в 1 840 раз больше массы электрона, его электрический заряд по значению такой же, как у электрона, но положительный. У следующего элемента — гелия — ядро в четыре раза тяжелее ядра водорода, а у последнего природного элемента урана — в 238 раз. Массовое число А является ближайшим целым числом к значению относительной атомной массы химического элемента, для урана А = 238. Но зарядовое число для урана Z = 92, то есть в его состав входят 92 протона и остальная масса ядра должна приходиться ещё на какие-то частицы.

В 1932 г. английский физик Дж. Чедвик на опыте установил, что неизвестное излучение с большой проникающей способностью, которое наблюдали он и другие учёные, является потоком нейтральных частиц, масса которых близка к массе протона. Существование такой частицы ещё в 1920 г. предполагал Э. Резерфорд, её назвали нейтроном. В том же году Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель ядра атома, в дальнейшем подтверждённую всеми исследованиями.

Согласно этой модели ядро атома состоит из протонов и нейтронов, которым дали общее название нуклоны. Количество нейтронов N в ядре химического элемента равно разности между массовым и зарядовым числами, то есть

N=A-Z.

Ядра атомов обобщённо называют нуклидами.

Нуклиды обозначают символом химического элемента с указанием значений массового числа А сверху и зарядового числа Z внизу с левой стороны. Например,  — ядро атома водорода, — ядро атома гелия (-частица), — ядро атома урана.

Но как удерживаются в ядре одноимённо заряженные частицы? Что удерживает нуклоны в ядре?

Ведь электрические силы отталкивания между положительно заряженными протонами в ядре должны обусловить их разлёт в разные стороны. Но протоны не только не разлетаются, а ещё и противодействуют попыткам разрушить ядро. Учёные выяснили: чтобы расщепить ядро, нужно сообщить бомбардирующим частицам значительную энергию.

Силы, удерживающие частицы в ядре, называют ядерными силами.

Ядерные силы являются короткодействующими в отличие от дальнодействующих электромагнитных сил и сил тяготения. Радиус действия ядерных сил приблизительно равен 10^-15 м, то есть размеру нуклонов. На этих расстояниях ядерные силы притяжения в сотни раз превышают электрические силы отталкивания между протонами. О ядерных силах образно говорят, что это «богатырь с очень короткими руками».

Ядерные силы зарядонезависимы, это свойство проявляется в том, что протон с протоном взаимодействуют так же, как и протон с нейтроном.

Ядерные силы относятся к сильным взаимодействиям, для расщепления ядра необходима значительная энергия, поэтому ядра очень «прочные». Наименьшее значение энергии, при котором происходит расщепление ядра на составляющие частицы, может быть мерой энергии связи ядра, то есть его «прочности». Ядра химических элементов имеют разную «прочность». Слабее всего связаны частицы в ядрах лёгких элементов, расположенных в начале периодической системы элементов. Энергия связи быстро растёт с увеличением количества частиц в ядре, возрастает и «прочность» ядер, достигая максимума для ядер железа и близких к нему элементов. Однако, поскольку ядерные силы являются короткодействующими, то, начиная с некоторого элемента, связь между нуклонами не увеличивается, хотя их количество в ядре возрастает. Вот почему «прочность» ядер элементов средней части периодической системы элементов почти одинакова.

В ядрах тяжёлых элементов, расположенных в конце периодической системы элементов, возрастает роль электрических сил отталкивания. Эти силы «расталкивают» протоны ядра, делают его менее «прочным». Поэтому уран радиоактивен, его ядра неустойчивы вследствие значительной роли электрических сил. Элементы, расположенные за ураном, в природе совсем не встречаются, их получают искусственно.

В ядре атома сосредоточена огромная энергия взаимодействия составляющих частиц, она в миллионы раз превышает энергию взаимодействия электронов с ядром в атомах, которая может выделяться при химических реакциях. Позднее вы узнаете, что вследствие описанных выше свойств ядер элементов во время ядерных превращений можно добиться выделения значительной энергии при синтезе (слиянии) лёгких ядер или при делении (расщеплении) тяжёлых ядер урана, плутония и др.

Изотопы

Так называют разновидности элементов, занимающих в периодической системе одно и то же место, но отличающихся атомной массой. В переводе с греческого языка изос означает одинаковый, а топос — место.

Изотопы — это разновидности атомов химического элемента,  ядра которых содержат одинаковое количество протонов и неодинаковое число нейтронов.

Например, у элемента водорода три изотопа: протий — , дейтерий — , и тритий — (рис. 214, а). Ядро протия состоит из единственного протона, дейтерий имеет ещё один нейтрон, а тритий — два нейтрона. Природный еле-мент кислород является смесью трёх изотопов: (pис. 214, б). Наиболее распространён в природе изотоп кислорода , доля которого составляет 99,8 %. Химические свойства изотопов одинаковы, так как определяются строением электронных оболочек, а в атомах изотопов они одинаковы. Используя некоторые различия в свойствах изотопов, учёные научились отделять один изотоп от другого, обогащать химический элемент тем или иным изотопом. Все элементы периодической системы элементов имеют изотопы — стабильные или радиоактивные, природные или полученные искусственно. Учёным известен изотопный состав всех природных элементов.

Рис. 214

Радиоактивные изотопы широко применяются в разных областях науки, техники и производства- По своим химическим свойствам радиоактивный изотоп ничем не отличается от основного изотопа химического элемента. Поэтому, наблюдая за движением изотопов, можно точно исследовать, как проявляет себя химический элемент в различных процессах.

C помощью изотопов контролируют металлургические процессы, следят за состоянием доменных и мартеновских печей. Так, применяя радиоактивный фосфор, можно быстро узнать во время плавки, насколько полно прошла очистка металла от фосфора — одной из вредных примесей. Раньше химический анализ на содержание фосфора длился около 30 мин, теперь для этого необходимо лишь измерить радиоактивность шлака, в который перешёл фосфор, следовательно, время плавки значительно сокращается.

Чтобы выяснить степень износа домны, в её стенку на определённую глубину помещают небольшое количество радиоактивного изотопа, а пробы металла из каждой плавки проверяют на радиоактивность. Наличие радиоактивных атомов в чугуне является чётким признаком износа домны. Теперь не нужно прерывать работу печи с целью проверки состояния стенок домны, достаточно лабораторного контроля.

Железо, сталь и чугун отличаются лишь содержанием в них углерода. Химический метод определения процентного содержания углерода в железном сплаве продолжителен и кропотлив. Вместо него пробу железа облучают быстрыми протонами. При этом углерод превращается в радиоактивный изотоп азота. По радиоактивности азота и определяют содержание углерода в пробе.

Методом радиоактивных изотопов исследуют также скорость износа подшипников. Медные детали подшипника облучают нейтронами, при этом атомы меди становятся радиоактивными. Во время работы подшипника вследствие износа вкладыша частицы меди, а значит и ее радиоактивные атомы, переходят в смазку. Измеряя её радиоактивность, быстро и точно определяют степень износа подшипника.

Радиоизотопы, введённые в химические соединения, являются мощным средством в руках химиков для изучения и усовершенствования технологических процессов на химических заводах, а также для контроля химических процессов без остановки, дистанционно. Такой метод упрощает решение технологических задач, сокращает необходимые для этого время и средства. Иногда он является единственным, с помощью которого можно установить оптимальные параметры технологического процесса и разработать совершенную химическую аппаратуру.

Применяют радиоактивные изотопы и в сельском хозяйстве. C помощью меченых атомов изучают круговорот кальция и фосфора в природе для лучшего использования искусственных удобрений. Добавляя к пыльце растений радиоактивный фосфор, изучают процесс их опыления.
Изотопы дают возможность проследить миграцию вредителей. Добавляя в пищу изотопы, учёные установили, что почти все вещества, содержащиеся в организме человека, постоянно обновляются, и быстрее всего обновляются жиры. Радиоактивные атомы позволили определить время жизни белка в разных тканях и органах, скорость кровообращения и т. п. Они помогают изучать процессы в головном мозгу.

Используя радиоактивные препараты, можно диагностировать заболевания. Например, с помощью радиоактивного иода исследуют функцию щитовидной железы, с помощью радиофосфора изучают процесс и место образования мозговых опухолей. Пациент принимает препарат, концентрирующийся в клетках опухолей, их размещение легко определить с помощью регистрирующего устройства. На рисунке 215 показано, как проводят -облучение пациента с лечебной целью. Источником -лучей является изотоп .

Рис. 215

Ядерные превращения и термоядерные реакции

Процессы, в которых одни ядра переходят в другие, называют ядерными превращениями. Ядерные превращения разделяют на радиоактивность (радиоактивный распад) и ядерные реакции.

При радиоактивном распаде одно ядро (его называют материнским) превращается в одно или два дочерних вследствие самопроизвольного испускания элементарных частиц, ядер и электромагнитного излучения.

Ядерные реакции происходят тогда, когда вследствие столкновений частицы вплотную приближаются к ядру и попадают в сферу действия ядерных сил, которые и вызывают изменение ядер.

Ядерные превращения обычно записывают подобно химическим реакциям: слева записывают частицы и ядра, вступающие во взаимодействие, а справа — продукты реакции, то есть новые частицы, ядра и электромагнитное излучение. Из материала предыдущего параграфа вы уже знаете, что нуклиды обозначают символом . Элементарные частицы обозначают так: — электрон, — протон, — нейтрон, — электромагнитное излучение (свет, рентгеновские лучи или -излучение). -Частицу обозначают буквой а или символом (ядро гелия).

В опытах А. Беккереля с солями урана происходил -распад ядер , который сопровождался образованием ядер изотопа тория с испусканием -частиц и -излучения:

Превращение ядер происходит по так называемому правилу смещения, которое впервые сформулировал английский химик Ф. Содди при -распаде ядро теряет положительный заряд 2е, а масса ядра уменьшается приблизительно на 4 атомных единицы массы. В результате элемент смещается на две клетки к началу периодической системы элементов:

При -распаде ядро приобретает дополнительный положительный заряд е, и элемент смещается на одну клетку ближе к концу периодической системы:

Например, при -распаде изотопа калия продуктом распада является ядро изотопа кальция , что упрощенно можно записать так: 

-Излучение не сопровождается изменением заряда, масса ядра изменяется чрезвычайно мало.

Изменения атомных ядер в результате их взаимодействия с элементарными частицами или между собой называют ядерными реакциями.

Для осуществления ядерной реакции частицы необходимо приблизить к ядру на расстояние около 10^-15 м. Если это положительно заряженная частица, то она должна иметь кинетическую энергию, достаточную для преодоления действия сил электрического отталкивания. Такую энергию сообщают протонам, -частицам и другим более тяжёлым ядрам с помощью ускорителей элементарных частиц и ионов.

Один джоуль — слишком крупная единица для записи значений энергий, характерных для элементарных ядерных процессов. Для этого обычно применяют один электрон-вольт (1 эВ), один килоэлектрон-вольт (1 кэВ) и один мегаэлектрон-вольт (1 МэВ). Один электрон-вольт равен кинетической энергии, которую приобретает электрон, ускоряясь в электрическом поле, при напряжении один вольт.

1 эВ = eU = 1,6 ∙ 10^-19 Кл ∙ 1 В = 1,6 ∙ 10^-19 Дж.
1 кэВ = 10³ эВ = 1,6 ∙ 10^-16 Дж.
1 МэВ = 10⁶ эВ = 1,6 ∙ 10^-13 Дж.

Исторически первой ядерной реакцией, осуществлённой человеком, была реакция превращения ядра азота в ядро кислорода в опытах Э. Резерфорда в 1919 г.:

Для осуществления ядерных реакций ускоренные частицы более эффективны, чем-частицы, испускаемые природными радиоактивными элементами. Во-первых, им можно сообщить значительно большую энергию (порядка 10⁵МэВ), чем у обычных -частиц (максимально 9 МэВ). Во-вторых, можно использовать протоны, которые при радиоактивном распаде не образуются (так как их заряд вдвое меньше заряда -частиц, то сила, действующая на протоны со стороны ядер, тоже вдвое меньше). B-третьих, можно ускорять ядра, которые тяжелее ядер гелия.

Первое превращение атомных ядер с помощью протонов большой энергии, полученных в ускорителе, осуществлено в 1932 г., когда удалось расщепить литий на две а-частицы:

Открытие нейтрона стало поворотным пунктом в исследованиях ядерных реакций. Поскольку нейтроны не имеют заряда, то они без препятствий проникают в атомные ядра и вызывают их превращения. Например, происходит такая реакция:

Великий итальянский физик Энрико Ферми, первым начавший изучать реакции с использованием нейтронов, обнаружил, что ядерные превращения вызывают даже медленные нейтроны, причём эффективнее, чем быстрые. Поэтому быстрые нейтроны сначала замедляют до тепловых скоростей с помощью веществ-замедлителей, одним из которых может быть и обычная вода. Этот эффект объясняется тем, что в воде содержится много ядер водорода — протонов, масса которых почти равна массе нейтронов. А при столкновении шаров одинаковой массы кинетическая энергия передаётся наиболее эффективно. При центральном столкновении нейтрона с покоящимся протоном он замедляется до скоростей теплового движения.

Подобно химическим реакциям некоторые ядерные реакции происходят с выделением энергии, а некоторые — с поглощением (соответственно экзотермические и эндотермические реакции).

Деление атомных ядер — это особый вид ядерных реакций, когда ядро тяжёлого элемента делится на две части, одновременно испуская два-три нейтрона и у-излучение с выделением значительной энергии.

Деление ядер урана открыли в 1938 г. немецкие учёные О. Ган и Ф. Штрассман. Им удалось установить, что при бомбардировке ядер изотопа урана нейтронами образуются элементы из средней части периодической системы: барий , криптон и несколько нейтронов:

Но правильное толкование этого факта именно как деления ядра урана, захватившего нейтрон, в 1939 г. дали физики — англичанин О. Фриш, и австрийка Л. Мейтнер.

Прямые измерения энергии, выделяющейся при делении ядра урана , подтвердили приведённые соображения и дали значение ≈ 200 МэВ. Большая часть этой энергии (168 МэВ) приходится на кинетическую энергию ядер-осколков. Энергия, выделяющаяся при делении ядер, электростатического, а не ядерного происхождения. Одновременно с большими силами электростатического отталкивания между протонами, стремящимися разорвать ядро на части, действуют ещё большие ядерные силы притяжения. Эти силы не дают ядру распадаться.

Ядро урана-235 имеет форму шара (см. рис. 216, а на с. 168). Захватив лишний нейтрон, ядро возбуждается и начинает деформироваться, принимая вытянутую форму (рис. 216, б). Ядро растягивается до тех пор, пока силы отталкивания между концами вытянутого ядра не начнут превосходить силы сцепления, действующие на перешейке (рис. 216, в). Растягиваясь всё сильнее, ядро разрывается на две части (рис. 216, г). Под действием электрических сил отталкивания эти обломки, или осколки, разлетаются со скоростью, равной скорости распространения света. 

Рис. 216

Фундаментальным фактом ядерного деления является испускание в этом процессе двух-трёх нейтронов. Именно благодаря этому стало возможным практическое использование внутриядерной энергии. Понять, почему выделяются свободные нейтроны, можно, исходя из таких соображений. Известно, что относительное количество нейтронов в стабильных ядрах возрастает с увеличением атомного номера. Поэтому в осколках, образующихся при делении, отношение числа нейтронов к числу протонов больше допустимого для ядер атомов, находящихся в середине периодической системы элементов. Вследствие этого несколько нейтронов освобождаются в процессе деления. Их энергия имеет разные значения — от нескольких мегаэлектрон-вольт до совсем малых, близких к нулю. Это позволяет осуществить цепную реакцию деления урана.

Ядерные цепные реакции — это ядерные реакции, при которых частицы, их вызывающие, образуются как продукты этих реакций.

Любой из нейтронов, вылетевший из ядра в процессе деления, может в свою очередь послужить причиной распада соседнего ядра, которое также выделяет нейтроны, способные вызвать деление. Поэтому число делящихся ядер быстро увеличивается, и возникает самоподдерживащаяся цепная реакция, схема которой показана на рисунке 217.

Рис. 217

Цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии. При каждом делении ядра выделяется около 200 МэВ энергии. От деления всех ядер 1 г урана выделяется 2,3 ∙ 10⁴ кВт • ч энергии, эквивалентной энергии, образующейся при сжигании 3 т угля или 2,5 т нефти.

Цепная реакция практически осуществима лишь на трёх изотопах.

Один из них — содержится в природном уране, а два других — и плутонии   — получают искусственно.

Термоядерные реакции — это реакции синтеза (слияния) ] лёгких ядер при очень высокой температуре.

Чтобы такие ядра, например водорода, слились, они должны сблизиться на расстояние около 10^-15 м, то есть попасть в сферу действия ядерных сил. Этому сближению противодействует электрическое отталкивание ядер, которое они могут преодолеть, если будут иметь большую кинетическую энергию теплового движения.

Энергия, выделяющаяся при термоядерных реакциях в одном акте синтеза из расчёта на один нуклон, больше энергии, выделяющейся в цепных реакциях деления ядер. Так, при слиянии ядер тяжёлого водорода — дейтерия с ядрами изотопа водорода — трития выделяется около 3,5 МэВ на один нуклон, тогда как во время деления урана на один нуклон выделяется энергия около 1 МэВ.

Термоядерные реакции играют решающую роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и других звёзд — термоядерного происхождения. На ранней стадии развития звезда состоит преимущественно из водорода. Температура внутри звезды настолько велика, что в ней происходят реакции слияния протонов и образуется гелий. Потом от слияния ядер гелия образуются более тяжёлые элементы. Все эти реакции сопровождаются выделением энергии, благодаря которой звёзды излучают свет на протяжении миллиардов лет. На Земле неуправляемая термоядерная реакция происходит при взрыве водородной бомбы.

Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый, практически неисчерпаемый источник энергии. Наиболее перспективна в этом отношении реакция слияния ядер дейтерия и трития:

В этой реакции выделяется энергия 17,6 МэВ на один нуклон. Поскольку тритий в природе не встречается, его необходимо получать в самом термоядерном реакторе из лития.

Согласно проекту ИTEP (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) в г. Кадараш (Франция) ведётся строительство первого в мире международного экспериментального термоядерного реактора. Цель проекта — продемонстрировать научную и техническую возможность получения тепловой и электрической энергии на основе термоядерного синтеза. По прогнозам специалистов, через 30-40 лет может начаться эра промышленного использования термоядерной энергии.

Ионизирующее действие радиоактивного излучения

При работе на ядерных установках и с радиоактивными препаратами, использующимися в науке и технике (радиоизотопные приборы для дефектоскопии, контроля толщины материала, уровня жидкости, лучевые датчики, устройства для автоматизации производственных процессов, медицинское оборудование, добыча и переработка урановых руд и др.), человек подвергается внешнему радиоактивному облучению.

Ионизирующим называют излучение, которое при взаимодействии с веществом вызывает ионизацию составляющих его атомов и молекул, то есть превращает нейтральные атомы и молекулы в ионы.

К известным вам видам ионизирующего излучения (α-, β- и -излучение, рентгеновские лучи), следует добавить потоки нейтронов, протонов и др. Когда излучение проходит через вещество, атомы и молекулы возбуждаются, или ионизируются. Вследствие возбуждения молекул в живом организме их функции могут нарушаться. В случае ионизации атомов живой клетки она повреждается. Электроны атомов или молекул среды, отрываются от них и могут перемещаться по всему веществу. Например, при облучении увеличивается степень диссоциации молекул воды на ионы водорода и гидроксид-ионы.

Ионы и радикалы, образующиеся в тканях организма под действием излучения, взаимодействуют с другими молекулами. Продукты вторичных реакций реагируют с новыми молекулами, вследствие чего состав веществ в тканях изменяется. Состав соединений, регулирующих деятельность организма, изменяется, это может привести к лучевой болезни, лейкемии (белокровию) и др.

Нейтроны непосредственно ионизации не вызывают, но, вступая в реакцию с различными тканями тела человека, служат причиной возникновения вторичного ионизирующего излучения.
Любые изменения в облучённом объекте, вызванные ионизирующим излучением, называют радиационно индуцированным эффектом.

В зависимости от уровня биологической организации живого вещества радиобиологи различают такие виды биоповреждений ионизирующим излучением произвольной природы: молекулярный — повреждения молекул ДНК, РНК, ферментов, отрицательное влияние на процессы обмена; субклеточный — повреждения биомембран и составляющих элементов клеток; клеточный — торможение и прекращение деления клеток, частичное преобразование их в злокачественные; тканевый — повреждение наиболее чувствительных тканей и органов (например, красный костный мозг); организменный — заметное сокращение продолжительности жизни или быстрая гибель организма; популяционный — изменение генетических характеристик у отдельных индивидов.

Для количественной характеристики действия ионизирующего излучения на окружающую среду введены такие физические величины и их единицы.

Основная физическая величина, характеризующая радиоактивный источник, называется активностью А:

где N — число радиоактивных распадов за время t. В СИ за единицу активности принят один беккерель (1 Бк). Активности 1 Бк соответствует один распад в секунду. Исторически первым веществом, на котором изучали закон радиоактивного распада, был радий-226. B l г радия происходят 3,7 ∙ 10¹⁰ распадов в секунду. Поэтому в практической дозиметрии и радиационной физике пользуются и другой единицей активности — один кюри (1 Ки): 1 Ки = 3,7 ∙ 10¹⁰ Бк.

Принято считать, что изменения, происходящие в облучённом веществе, определяются поглощённой энергией радиоактивного излучения.

Поглощённой дозой излучения D называют отношение поглощён-k ной энергии ионизирующего излучения E к массе т облучённого вещества:

В СИ единицей поглощённой дозы излучения служит один грэй (1 Гр).

Один грэй равен поглощённой дозе излучения, при которой , облучённому веществу массой 1 кг передаётся энергия ионизирующего излучения

Используют также внесистемную единицу один рад (rad — по первым буквам английского словосочетания «radiation absorbed dose» — поглощённая доза излучения). 

Однако если бы даже удалось измерить поглощённую дозу излучения непосредственно в живой ткани, несмотря на сложность, ценность этих измерений была бы невелика, поскольку одинаковая энергия различных частиц вызывает неодинаковый биологический эффект. Поэтому для медицинской диагностики используют способность рентгеновских лучей, проходящих сквозь ткани организма, ионизировать также тканевоэквивалентное вещество — воздух. Измерение степени этой ионизации привело к появлению дозиметрической величины — экспозиционной дозы D_e как меры ионизирующего действия на воздух.

Экспозиционная доза De — количественная характеристика γ- и рентгеновского излучений, которая характеризует их ионизирующее действие и определяется суммарным электрическим зарядом ионов одного знака, образованных в единице массы воздуха:

где q — заряд образованных ионов; m— масса вещества.

Единица СИ экспозиционной дозы — один кулон на килограмм .
При такой экспозиционной дозе вследствие ионизирующего действия излучения на воздух и мягкие ткани в 1 кг сухого воздуха при нормальных условиях образуются ионы каждого знака, имеющие заряд 1 Кл.

Эта единица дала возможность связать поглощённую энергию с ионизирующим и биологическим эффектами. В практической дозиметрии используют экспозиционную дозу излучения — один рентген (1 Р).

Один рентген — это такая экспозиционная доза - или рентгеновского излучения, при которой в 1 см3 сухого воздуха (1,29 • 10^-6 кг) при 0 °C и давлении 760 мм рт. ст. образуются ионы, имеющие заряд каждого знака, равный 3,34 -10^-10 Кл.

Экспозиционная доза практически удобна, поскольку ионизацию воздуха легко измерить с помощью дозиметра. Связь между внесистемной (1 Р) и системной (Кл/кг) единицами такова:

При дозе 1 P образуется приблизительно 2,08 ∙10⁹ пар ионов.
В 1 см³ воздуха и мягких тканей организма человека одинаковые экспозиционные дозы - или рентгеновского излучения создают приблизительно одинаковое количество ионов. Поэтому поглощение энергии мягкими тканями можно оценивать не по поглощённой дозе излучения D, а по эквивалентной дозе D_э.

Эквивалентная доза (D_э) — это поглощенная доза D, умноженная на коэффициент качества излучения К, отображающий способность излучения определённого типа оказывать действие на ткани организма:

D_э= K∙ D

Коэффициент К ещё называют относительной биологической эффективностью (ОБЭ). Для γ-, β- и рентгеновского излучений K=1, для тепловых нейтронов К = 5, для быстрых нейтронов и протонов К = 10, для -частиц К = 20.
Единица СИ эквивалентной дозы — один зиверт (1 Зв) (в честь шведского радиобиолога Р. Зиверта). для α-, β- и рентгеновского излучений.

Различные части тела имеют разную чувствительность к облучению, поэтому дозы облучения органов и тканей нужно рассчитывать с разными коэффициентами радиационного риска (рис. 218).

Рис. 218

Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты радиационного риска для всех органов и тканей и сложив их, получим значение эффективной эквивалентной дозы, отображающей суммарный эффект облучения организма.

Эффективная эквивалентная доза введена Международной комиссией по радиационной защите (МКРЗ). Её единица в СИ — также один зиверт (1 Зв).

Сложив индивидуальные эффективные эквивалентные дозы, полученные группой людей, определим коллективную эффективную эквивалентную дозу. Её единица в СИ — один человеко-зиверт.

Имеется необходимость ещё в одном определении, поскольку многие радиоактивные нуклиды распадаются довольно медленно и надолго остаются радиоактивными. Коллективную эффективную дозу, которую получат многие поколения людей от радиоактивного источника в течение всего времени его дальнейшего существования, называют ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозой.

Для контроля за облучением используют дозиметрические приборы. В помещениях для работы с излучениями устанавливают дозиметры — приборы для измерения доз излучения в данном месте помещения. Они часто могут автоматически подавать звуковой или световой сигнал, если доза излучения превышает допустимое значение. Каждый человек во время работы с радиоактивными веществами должен иметь при себе контрольный прибор для измерения дозы, полученной им на протяжении рабочего дня. C этой целью используют специальные кассеты с фотоплёнкой, которую в конце рабочего дня (или недели) проявляют и по степени её почернения определяют дозу, полученную работником. В качестве карманных дозиметров используют также интегрирующие ионизационные камеры, напоминающие по форме авторучку. В нашей стране бытовые дозиметрические приборы начали выпускать после аварии на Чернобыльской АЭС. Дозиметрические приборы подразделяются по назначению на индикаторы — простые приборы для обнаружения излучения и приблизительной оценки его интенсивности («Рось», «Щелкун» и др.); рентгеномет-ры — предназначены для измерения дозы у-излуче-ния («Стриж-Ц», «Козодой-М » и др.); радиометры — универсальные приборы, которые могут измерять дозы основных видов излучения, активность образцов почвы и пищевых продуктов, радиоактивное загрязнение поверхностей («Припять», «Белла», «Бриз», «Бета» и др.).

Отметим, что лишь радиометры со свинцовыми камерами (например, радиометр «Бета») дают достоверные значения измерений. В основе работы дозиметрических приборов лежат физические методы регистрации ионизирующего излучения.

На рисунке 219, а, б изображены дозиметры разных типов.

Рис. 219

Влияние радиоактивного излучения на живые организмы

Естественный радиационный фон. Проблемы биологического влияния ионизирующих излучений на живые организмы и установление значений безопасных доз облучения тесно связаны с существованием естественного радиационного фона. В любом месте на поверхности Земли, под землёй, в воде, в атмосферном воздухе и в космическом пространстве имеются ионизирующие излучения (радиация) различных видов и разного происхождения. Эти излучения существовали, когда ещё не было жизни на Земле, они есть сейчас, будут и в дальнейшем. В условиях естественного радиационного фона на Земле возникла жизнь, которая прошла эволюционный путь до настоящего состояния. Можно с уверенностью сказать, что дозы облучения, близкие к уровню естественного фона, не представляют какой-либо серьёзной опасности для живых организмов.
Чем же обусловлено существование естественного радиационного фона и каково значение фоновой дозы облучения?

В большинстве мест на Земле значительная часть дозы естественного фона обусловлена внешним облучением, создаваемым у-излучением естественных радиоактивных изотопов земной коры — урана, тория, калия и других элементов. Интенсивность внешнего облучения зависит от типа пород земной коры в данной местности, от материалов, из которых сооружены постройки. Наибольшую радиоактивность имеют гранитные породы и стены каменных домов, наименьшую — стены деревянных домов. Доза внешнего фонового у-излучения колеблется в большинстве мест от 0,3 до 0,6 мЗв в год. Есть местности, в которых почвы содержат большое количество урана и тория, поэтому уровень внешнего у-облучения в них может достигать 8-15 мЗв в год.

Среднее значение эквивалентной дозы от внешнего фонового -излучения можно принять равным 0,4 мЗв в год. Второй источник облучения — космическое излучение. Космическим излучением у поверхности Земли (вторичное космическое излучение) называют поток -излучения и быстрых заряженных частиц, возникающих в атмосфере под действием первичного космического излучения, которое состоит в основном из протонов и приходит из космоса. Земная атмосфера, эквивалентная десятиметровому слою воды, поглощает большую часть космического излучения и надёжно защищает всё живое на Земле от его действия. На уровне моря доза космического облучения равна 0,3 мЗв в год. При подъёме в верхние слои атмосферы интенсивность космического излучения возрастает. На высоте 3 000 м над уровнем моря она увеличивается почти втрое.

Кроме внешнего облучения каждый живой организм подвергается внутреннему облучению. Оно обусловлено тем, что с пищей, водой и воздухом в организм попадают различные химические элементы, имеющие естественную радиоактивность: углерод, калий, уран, торий, радий, радон. Количество этих элементов в организме человека зависит от потребляемой им пищи. Среднее значение эквивалентной дозы облучения, обусловленного природными радиоактивными изотопами, попадающими в организм человека с пищей и водой, равно приблизительно 0,3 мЗв в год.

Наибольший вклад в дозу внутреннего облучения в большинстве мест вносит радиоактивный радон и продукты его распада, попадающие в организм человека при дыхании. Инертный газ радон повсеместно образуется в почве, где он не удерживается и постепенно выходит в атмосферу. Концентрация радона повышается в закрытых непроветриваемых помещениях, особенно она высока в подвальных помещениях, нижних этажах домов, близких к почве. В большинстве домов удельная активность радона и продуктов его распада близка к 50 Бк/м³, что примерно в 25 раз выше среднего уровня удельной активности атмосферного воздуха на открытой местности.
Среднее значение годовой эквивалентной дозы облучения, обусловленной радоном и продуктами его распада, равно 1 мЗв. Среднее значение общей эквивалентной дозы облучения, обусловленной естественным радиационным фоном, равно приблизительно 2 мЗв в год.

В современном мире все люди подвергаются действию ионизирующего излучения (радиации) не только естественного, ни и искусственного происхождения. Искусственными источниками радиации, то есть созданными человеком, являются рентгеновские медицинские и терапевтические установки, радиоизотопные средства автоматического контроля и управления, ядерные реакторы, ускорители заряженных частиц и высоковольтные электровакуумные приборы, отходы тепловых и атомных электростанций, продукты ядерных взрывов.

Из всех искусственных источников ионизирующего излучения для большинства людей наибольшее значение имеют источники рентгеновского излучения, используемые в медицине. Средняя эквивалентная доза, получаемая человеком за год в промышленно развитых странах, равна примерно 1 мЗв, то есть около половины дозы естественного фона.

При работах с радиоактивными источниками всегда существует радиационная опасность, она очень «коварна», поскольку тяжёлые, часто непоправимые патологические изменения в организме под действием излучения могут происходить без каких-либо субъективных признаков, сигнализирующих об опасности. Эти изменения накапливаются и могут проявиться спустя очень большое время (десятилетия) после облучения, когда лечение оказывается запоздалым. Поэтому легкомысленное отношение к радиации абсолютно недопустимо.

Уменьшение поглощённой дозы излучения (защита от излучения) при работе с источниками радиации обычно обеспечивают такими мероприятиями и требованиями.

«Защита расстоянием» — с увеличением расстояния от точечного источника радиации интенсивность излучения и поглощённая доза уменьшаются обратно пропорционально квадрату расстояния.

«Защита временем» — чем меньше время пребывания в зоне действия излучения, тем меньше поглощённая доза.

Использование защитных экранов, поглощающих излучение. Степень экранирования зависит от проникающей способности различных типов излучения.

Обязательное знание и выполнение персоналом правил безопасности во время работы в зоне действия излучения, а также информирование персонала и населения о наличии опасности радиоактивного облучения или загрязнения.

На рис. 220, а показан основной знак радиационной опасности, а на рис. 220, б — дополнительный знак радиационной опасности. Обычно такими знаками обозначают транспортные средства для перевозки радиоактивных веществ, тару и места для их хранения, рабочие зоны, в которых есть радиация, загрязнённые участки территории.

Рис. 220

Поскольку радиоактивное излучение оказывает вредное воздействие на живые клетки, то необходимо организовать защиту ст него. Необходимо иметь конкретные сведения о действии радиоактивного излучения и радиоактивных осадков на человека и окружающую среду. C этой целью Генеральная Ассамблея СЮН в декабре 1955 г. создала Научный комитет по действию атомной радиации (НКДАР) для оценки в мировом масштабе доз облучения, их эффекта и связанного с ним риска.

C учётом проведённых исследований установлены предельно допустимые дозы облучения. Для населения любого возраста независимо от места проживания предельно допустимая доза облучения равна 0,05 Гр в год. Доза общего облучения человека, равная 2 Гр, вызывает лучевую болезнь, доза, равная 6 Гр и больше, почти всегда смертельна.

Для снижения дозы облучения вокруг источников радиоактивного излучения размещают биологическую защиту из веществ, сильно поглощающих излучение. Простейший метод защиты — удаление от источников излучения на достаточное расстояние. Источники р-излучения даже малой активности необходимо экранировать, например, слоем пластмассы или специального стекла, содержащих свинец.

Для защиты от -излучения нужна более мощная защита, как правило, свинцовые контейнеры. Работы с радиационными отходами проводятся с помощью манипуляторов в специальных камерах (рис. 221). Для защиты от особенно мощных источников излучения (работающие реакторы, ускорители и др.) сооружают бетонные стены необходимой толщины.

Рис. 221

Радиоактивные вещества могут попасть в организм при вдыхании воздуха, загрязнённого радиоактивными элементами, с загрязнёнными пищевыми продуктами или водой, через кожу. Вероятность попадания твёрдых частиц в органы дыхания зависит от их размеров. Частицы размерами более 5 мкм почти все задерживаются носовой полостью. Если радионуклиды, попавшие в организм, однотипны с элементами, которые употребляет человек с пищей, то они делятся на такие, что усваиваются организмом, то есть становятся его частью, и такие, что долго не задерживаются в организме и удаляются естественным путем.

Некоторые радиоактивные вещества, попадая в организм, распределяются в нём более-менее равномерно, другие — концентрируются в определённых внутренних органах. Элементы, химически связанные с тканями организма, очень медленно выводятся из него.
Чтобы в некоторой степени защитить организм от радиации, применяют вещества-оксиданты, являющиеся радиопротекторами (защитниками), но их необходимо употреблять до облучения. Организация постоянного медицинского контроля среди населения, соблюдение правил гигиены на рабочих местах и в местах проживания, а также личной гигиены значительно снижают риск для здоровья человека.

Биологическое действие радиации на организм человека можно оценить по результатам испытаний атомного оружия в атмосфере, а также радиационных катастроф, которые испытало человечество. Первой катастрофой был взрыв двух атомных бомб над городами Хиросимой и Нагасаки в 1945 г. В Японии людей, пострадавших от атомных взрывов, называют хибакуся. Одной из катастроф стал взрыв четвёртого энергетического блока на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 г. Анализ последствий этих катастроф показал, что радиация влияет на функции организма человека, что сопровождается активным делением клеток. Повреждаются также иммунная, кроветворная системы, эпителии кишечного тракта, бронхов, лёгких.

В Японии сначала наблюдался резкий рост заболеваемости лейкемией, раком желудка и молочной железы. Такие заболевания наблюдались и у ликвидаторов аварии на ЧАЭС. В 1986 г. характерным заболеванием был рак щитовидной железы (свыше 600 сверхфоновых заболеваний).

В Японии через 25-30 лет после бомбардировки увеличилось количество сердечно-сосудистых заболеваний. Это явление наблюдается также в Украине. У хибакуся средняя продолжительность жизни равна 82-83 года, то есть они являются долгожителями, несмотря на облучение.
Период полураспада иода-131 равен 8,04 суток. Через 8 суток после аварии на ЧАЭС осталась половина его исходного количества, ещё через 8 суток    т, потом и т. д. Через два месяца активность иода снизилась почти до нуля. Его биологическое действие на организм человека проявилось лишь через 3 года.

Следствием ядерных превращений стало появление радиоактивного цезия. У него период полураспада больше, чем у иода, поэтому интенсивность излучения меньше.

Особенно опасны для человека и животных изотопы цезия и стронция. Химические свойства Sr-90 и Cs-137 подобны свойствам соответственно кальция и калия, которые входят в состав костей и мышц человека и животных. Содержание калия в массе мышц составляет 0,3 %, а кальция — 14,7 % массы костей. Если человек потребляет загрязнённые цезием и стронцием пищевые продукты, а в его рационе недостаточно калия (богаты калием — фасоль, горох, бобы, картофель, помидоры, шпинат, абрикосы, изюм, яблоки) или кальция (богаты кальцием — капуста, орехи, горох, творог, яйца, рыба, морковь, овсяная крупа), то в организме человека атомы цезия замещают в мышцах атомы калия, а атомы стронция в костях — атомы кальция. Период полураспада Sr-90 составляет 28 лет, а период, на протяжении которого организм человека освободится от половины стронция (физиологический период полувывода изотопа из организма), составляет 50 лет. Практически стронций, попавший в кости человека или животного, из них уже не уходит. До испытаний ядерного оружия в организме человека цезия не обнаруживали. Об отдалённых последствиях действия малых доз радиоактивного излучения на живые организмы можно сделать определённые выводы, наблюдая за растениями. Отклонения в развитии растений становятся заметными через несколько поколений после их облучения. Исследователи брали пшеницу, выросшую близ реактора. В первый год высева не происходило никаких изменений. «Чернобыльские гены» проявились начиная с третьего поколения. C каждым высевом количество мутантов возрастает.

Радиоактивное излучение может поражать человеческий организм тремя способами:

1. внешним действием — поражение высокой дозой радиации большого количества клеток организма. В этом случае тяжёлые повреждения живой ткани и признаки лучевой болезни проявляются на протяжении нескольких дней. Если организм подвергся очень тяжёлому поражению, то человек умирает. Степень болезни зависит от уровня радиации и способности организма противостоять радиации;
2. внутренним действием — через органы пищеварения, если туда попадают радиоактивно «загрязнённые» пища и вода. Поражение имеет продолжительный характер и наступает вследствие повреждения отдельной клетки. Повреждённая клетка может выжить и оставаться в «сонном» состоянии в течение многих лет, однако это уже значительно изменённая клетка. Со временем начинают развиваться генетические мутации, приводящие к тяжёлым болезням;
3. внутренним действием через лёгкие, если человек вдыхает радиоактивную пыль.

Ядерная энергетика

Вы уже знаете, что цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии. Со временем встал вопрос, как эту энергию можно «приручить» и практически использовать. После проведения своих опытов Э. Резерфорд считал, что его работы — это чистая теория, и человечество никогда не использует энергию, дремлющую в атоме. Но после открытия в 1938 г. Ф. Жолио-Кюри цепной реакции стало понятным, что энергия атома — это огромный источник энергии, которая может быть использована на благо человечества, а может привести и к трагическим последствиям.

В июле 1945 г. в Лос-Аламосе (США) созданы атомные бомбы, которые 6 и 9 августа были сброшены на японские города Хиросиму и Нагасаки. Энергия атома была использована для уничтожения людей и материальных ценностей. Тем самым именно в ядерном оружии была использована неуправляемая цепная реакция деления урана.

Впервые управляемую цепную ядерную реакцию деления урана осуществил в США коллектив учёных под руководством Э. Ферми в декабре 1942 г. В январе 1947 г. И. В. Курчатов осуществил первую на европейском континенте управляемую цепную реакцию деления урана. В 1955 г. в Женеве состоялась первая Международная конференция по мирному использованию атомной энергии.

Научно-технический прогресс определяется развитием энергетики страны. Энергетика — важнейшая отрасль народного хозяйства, которая охватывает энергетические ресурсы, производство, преобразование, передачу и использование разнообразных видов энергии.

Ядерной энергетикой называют осуществляемое в промышленных масштабах преобразование ядерной энергии в другие виды (механическую, электрическую и т. д.), использующиеся для производственных и бытовых потребностей.

Преобразование ядерной энергии в электрическую происходит на атомных электростанциях (АЭС), принципиально отличающихся от обычных тепловых электростанций только тем, что источником тепловой энергии для получения водяного пара, который приводит в действие турбину и электрогенератор, является не органическое топливо, а энергия, выделяющаяся в ядерном реакторе в ходе управляемой цепной ядерной реакции (см. рис. 223 на с. 182).

Рис. 223

Ядерный реактор—это устройство, в котором происходит управляемая цепная реакция, сопровождающаяся выделением энергии.

Использование ядерной энергии для превращения её в электрическую началось в 1954 г. в г. Обнинске на первой атомной электростанции мощностью 5 000 кВт.

Исторически первым был реализован реактор на медленных (тепловых) нейтронах. Главной частью реактора является активная зона 1, состоящая из таких компонентов: ядерное топливо, замедлитель нейтронов, отражатель нейтронов 2.

В качестве топлива используют природный уран, обогащённый до 5 % нуклидом . Медленные нейтроны в ядерных реакциях более эффективны, чем быстрые, поэтому быстрые нейтроны, образующиеся при делении ядер замедляют до тепловых скоростей с помощью вещества-зажедлителя (графит, обычная вода, тяжёлая вода D₂O, в которой обычный водород замещён на его изотоп дейтерий). Одним из первых способов смешивания топлива с замедлителем было поочерёдное заполнение активной зоны урановыми и графитовыми блоками. В современных конструкциях реакторов ядерное топливо (уран) вводят в активную зону, как правило, в виде стержней, между которыми размещён замедлитель нейтронов.

Для уменьшения потерь вторичных нейтронов, вылетающих из области активной зоны, её окружают стенками-отражателем 2 из материалов, ядра атомов которых хорошо отражают нейтроны, обычно из графита или бериллия. Для защиты персонала от ионизирующего излучения реактор извне обнесён защитными стенками 3 из железобетона и слоями воды.

В процессе цепной реакции температура в активной зоне достигает 500-600 °C. Для отвода теплоты из активной зоны реактора по трубам 5 пропускают теплоноситель 6, например обычную воду или жидкий натрий. В теплообменнике 7 энергия передаётся рабочему телу 8 (водяной пар), которое поступает в турбину 9, а из конденсатора 11 вода возвращается в теплообменник. Электрогенератор 10 вырабатывает электрический ток, готовый для использования в промышленности, на транспорте и в быту.

Управляют цепной реакцией с помощью регулирующих стержней 4, изготовленных из бора или кадмия, которые хорошо поглощают тепловые нейтроны. Эти стержни можно полностью или частично вводить в активную зону, параметры которой рассчитаны так, чтобы при полностью введённых стержнях реакция не проходила. Постепенно вытягивая стержни, увеличивают количество нейтронов в активной зоне до определённого порогового значения, когда реактор начинает работать.

В случае внезапного повышения интенсивности реакции в реакторе предусмотрены дополнительные аварийные стержни, введение которых в активную зону немедленно прекращает реакцию. Управление стержнями автоматизировано.

Ядерная энергетика и современные проблемы экологии

Преимуществами АЭС перед тепловыми электростанциями является то, что они не требуют дефицитного органического топлива и не загружают железную дорогу доставкой угля. Атомные электростанции не расходуют атмосферный кислород и не загрязняют окружающую среду золой и продуктами сгорания. Имеются данные, что выбросы АЭС в атмосферу содержат радиоактивных веществ меньше, чем выбросы тепловых электростанций.

Но АЭС имеют также вредные и опасные факторы влияния на окружающую среду, прежде всего — это угроза радиоактивного загрязнения окружающей среды во время аварийных ситуаций.

Проекты АЭС гарантируют безопасность персонала станции и населения. Мировой опыт эксплуатации АЭС свидетельствует, что биосфера надёжно защищена от радиационного влияния станции в нормальном режиме эксплуатации. Но ошибки персонала и просчёты в конструкциях реакторов не исключают аварий, как это произошло во время взрыва четвёртого реактора Чернобыльской АЭС.

После этих событий резко возросла интенсивность научных исследований в области гарантирования безопасности объектов атомной энергетики. Анализ результатов многих исследований проблем безопасности АЭС хотя и выявил недостатки, упущения, даже ошибки в обеспечении безопасности АЭС, но и подтвердил убеждённость специалистов в том, что на основе современных знаний и технологий можно достичь высокого уровня безопасности АЭС.

Теоретически ядерная энергия близка к идеальной. Тем не менее с её производством связано немало проблем. Во время работы ядерных реакторов накапливаются радиоактивные отходы. Распадаясь, они выделяют тепло, поэтому их нужно ещё продолжительное время охлаждать после окончания управляемого процесса деления. На сегодня пока нет приемлемого способа хранения отходов, остающихся долгое время высокорадиоактивными.

Имеются проблемы надёжности хранилищ радиоактивных веществ, дамб для защиты рек и водоёмов от радиоактивного загрязнения. Высокорадиоактивные отходы невозможно уничтожить: их необходимо изолировать от окружающей среды на десятки тысяч лет — лишь тогда они не будут причинять никакого вреда.

Производство ядерной энергии выросло из производства ядерного оружия. Ядерное оружие намного разрушительнее, чем все прежние его виды.

Ядерный реактор по ряду причин не может взорваться, как ядерная бомба. Однако он содержит такое количество радиоактивных веществ, которое в тысячу раз превышает количество веществ, высвобождённых над Хиросимой. Следовательно, высвобождение даже незначительной части этих материалов может нанести огромный вред и человеку, и окружающей среде.

Загрязнение окружающей среды происходит и в результате техногенных выбросов, происходящих при работе атомных реакторов. До 1994 г. построено почти 430 энергетических атомных реакторов, которые в десятки раз увеличили выбросы радиоактивных веществ в окружающую среду.
Выбросы не должны превышать то количество веществ, которые может поглотить, переработать биосфера без вреда для себя. Проблема загрязнения биосферы — важнейшая, потому что её решение касается других проблем — энергии, ресурсов, питьевой воды и др.

Загрязнение территории Украины радиоактивными выбросами во время катастрофы на Чернобыльской АЭС не имеет аналогов ни по масштабам, ни по тяжести экологических, социальных и экономических последствий. В результате аварии загрязнено около 12 млн гектаров территории, из них 8,4 млн гектаров сельскохозяйственных угодий.

В период эксплуатации АЭС, а также после выработки её ресурса вокруг АЭС необходимо создавать санитарную зону, что приводит к утрате больших площадей, пригодных для хозяйственной деятельности человека.

Производство атомной энергии требует высокой квалификации персонала, обслуживающего атомные реакторы, что позволяет избегать ошибок, могущих привести к аварии.

Пример №1

Что произойдёт, если изолированный медный шарик покрыть полонием, излучающим а-частицы, и поместить его в вакуум?
Ответ: полоний, теряя положительный заряд, сообщает шарику отрицательный заряд.

Пример №2

Почему основное количество а-частиц свободно проходит сквозь золотую фольгу?
Ответ: так как положительно заряженное ядро атома занимает малый объём, то лишь отдельные -частицы могут с ним столкнуться.

Историческая справка:

Иваненко Дмитрий Дмитриевич (29.07.1904 — 30.12.1994) — доктор физико-математических наук, профессор Московского университета им. М. В. Ломоносова. Родился в Полтаве. Дед Дмитрия со стороны отца, как и многие из его рода, был священником. Отец издавал газету «Полтавский вестник». В 1920 г. Дмитрий окончил Полтавскую гимназию, где за высокую эрудицию его называли «профессором».

Дмитрий Иваненко

В 1920-1923 гг. работал учителем физики и математики в Полтавской трудовой школе. Одновременно учился в Полтавском педагогическом институте, который успешно окончил. Тогда же поступил в Харьковский университет, работая и в Полтавской астрономической обсерватории. Со временем был переведён в Ленинградский университет, который окончил в 1927 г.

Возглавлял отдел теоретической физики в Украинском физико-техническом институте в Харькове, работал в Ленинградском физико-техническом институте, в научно-исследовательских учреждениях Томска и Свердловска. В 1940-1941 гг. был профессором, заведующим кафедрой теоретической физики Киевского университета. C 1943 г — профессор Московского университета, с 1949 г. также работал в Институте истории естествознания и техники АН СССР.

Основные направления научной деятельности: теоретическая физика, теория гравитации (тяготения), история физики. В конце февраля 1932 г. английский физик Д. Чедвик на страницах английского журнала Nature сообщил об открытии им третьей элементарной частицы — нейтрона, а уже 28 мая 1932 г. Д. Д. Иваненко выступил на страницах этого же журнала со статьёй «Гипотеза о роли нейтронов», в которой впервые высказал мысль, что нейтрон наряду с протоном является структурным элементом ядра, и впервые сформулировал протонно-нейтронную модель ядра, ныне общепризнанную.

За исследования по теории электрона, «светящегося» при быстром движении по окружности в магнитном поле, и современных проблем электродинамики, изложенных в монографии «Классическая теория поля» (1949), в 1950 г. он вместе с И. Я. Померанчуком и А. А. Соколовым удостоен Государственной премии СССР. Автор многочисленных научных работ, в частности «Квантовой теории поля» (1952).

Пионером в области ядерных исследований в Украине был Харьковский физико-технический институт. В 1932 г здесь впервые осуществлено расщепление ядра атома лития быстрыми протонами на две а-частицы (К. Д. Синельников, А. И. Лейпунский, А. К. Вальтер, Г. Д. Латышев). В 1939 г. в Харькове построен первый электростатический ускоритель заряженных частиц на 2,5 МэВ, с помощью которого К. Д. Синельников и А. К. Вальтер исследовали поглощение быстрых электронов веществом. Весомый вклад в развитие ядерной физики и ядерной энергетики сделал А. И. Лейпунский. Он получил в 1934 г первое косвенное подтверждение гипотезы нейтрино, исследуя импульсы отдачи ядер во время а-распада. В 1935-1939 пг. под руководством А. И. Л ейпунского исследовано взаимодействие нейтронов с различными веществами — водой, парафином, железом и никелем (Т. А. Голобородько, Л. В. Розенкевич, Д. В. Тимощук).

В Киеве ядерные исследования начались в 1944 г под руководством А. И. Лейпунского. C 1946 г. этими исследованиями в Институте физики АН УССР руководил М. В. Пасечник Учёные изучали взаимодействия ядер с нейтронами радонбериллиевого источника в 100 мКи.

В 1960 г. в Украине запущен экспериментальный ядерный реактор BBP-M с тепловой мощностью 10 МВт. C целью ускорения протонов построен электростатический генератор в сжатом газе на энергию 2,5 МэВ для протонов.

Кирилл Синельников

Александр Лейпунский

Антон Вальтер

Георгий Латышев

В. И. Стрижак, М. Д. Борисов и другие разработали низковольтные генераторы протонов. C 1953 г. в Институте физики АН УССР действует циклотрон У-120, на котором можно ускорять протоны, ядра дейтерия и а-частицы до энергий соответственно 6,8; 13,6 и 27,2 МэВ. Исследования на ядерном реакторе дали важные сведения о взаимодействии нейтронов с различными веществами, необходимыми для выбора конструкционных материалов при строительстве промышленных атомных электростанций.

На ядерном реакторе сотрудниками многих научно-исследовательских институтов исследовано влияние нейтронов и у-излучения на различные материалы, растения, микробы и другие биологические объекты. В 1964 г создан электростатический генератор на 5 МэВ. На базе ядерных отделов Института физики в 1970 г, в Академии наук Украины образован Институт ядерных исследований АН УССР. В 1977 г. здесь введён в эксплуатацию изохронный циклотрон У-240.

Наряду с экспериментальными проводились широкие теоретические исследования по ядерной физике. Первой по теории ядра была работа Л. Д. Ландау (1937), посвящённая статистической теории ядер, которую он выполнил в Харьковском физико-техническом институте. Это была одна из основных работ в мировой науке, которая развивала идею Н. Бора о возможности исследования тяжёлых ядер с помощью методов статистической механики. Л. Д. Ландау рассчитал плотность уровней в возбуждённом ядре и впервые получил теоретическое соотношение между плотностью уровней и энергией возбуждения.

Лев Лана

Большое значение для развития ядерной физики имели работы одного из основателей харьковской школы физиков-теоретиков, руководителя отдела теоретической физики Украинского физико-технического института А. И. Ахиезера, в частности его монография «Некоторые вопросы теории атомного ядра» (в соавторстве с И. Я. Померанчуком).

Влияние физики на общественное развитие и научно-технический прогресс

Научно-технический прогресс характеризуется связью науки с производственными процессами. На базе научных открытий в физике совершенствуются, например, электрофизические, электронные, электрохимические, ультразвуковые технологические процессы и возникают новые отрасли промышленности: на основе достижений ядерной физики — ядерная энергетика и производство радиоактивных изотопов; на основе достижений физики твёрдого тела — производство полупроводниковых приборов, новых материалов с заданными свойствами. Резко сокращаются сроки внедрения научных открытий в производство.

Большое значение для научно-технического прогресса имеет энергетическая база техники. Ныне основным видом энергии является электрическая — наиболее универсальный вид энергии — она широко применяется в технологических процессах, использующих тепловые, световые, электромагнитные и другие действия электричества, в системах управления, транспорта, связи и во всех сферах быта. Во всём мире наблюдается рост потребления электроэнергии. Каждые 8-9 лет производство электроэнергии на Земле удваивается. Свыше 80 % электроэнергии производится на ТЭС, их значение в энергетике ещё долгое время будет оставаться определяющим.

Со времени введения в действие первой АЭС в Украине прошло более 40 лет. За это время в технике АЭС произошли большие изменения: резко возросли мощности ядерных реакторов, повысились технико-экономические показатели АЭС. Для районов, удалённых от ресурсов химического топлива, себестоимость 1 кВт • ч для АЭС меньше, чем для ТЭС. Развитие атомной энергетики происходит на основе использования ядерных реакторов на тепловых нейтронах. Важными задачами усовершенствования таких реакторов и развития АЭС являются увеличение мощности реакторов (до 1,5-2,0 млн киловатт) и турбогенераторов для них, создание высокотемпературных реакторов (800-1000 ^oC и выше), которые позволят улучшить использование ядерного топлива и применить ядерную энергию в высокотемпературных технологических процессах.

В развитии энергетики Украины значительную роль играет гидроэнергетика. Преимущество ГЭС состоит в неисчерпаемости гидроресурсов, очень низкой себестоимости произведённой энергии, отсутствии вредного влияния на окружающую среду. Недостатком ГЭС является относительно высокая стоимость их сооружения.

Разрабатываются также новые методы и способы получения электроэнергии. В частности, достигнут большой прогресс в преобразовании солнечной и ветровой энергии в электрическую, начинают применяться магнитогидродинамические способы генерирования электрического тока. Во всём мире ведётся большая работа над проблемой термоядерного синтеза. Эксперты прогнозируют появление и использование промышленных термоядерных реакторов к середине нынешнего столетия.

Важным направлением современного научно-технического прогресса является радиоэлектроника, развитие её технических средств и их применение во многих областях человеческой деятельности. Современная радиоэлектроника является воплощением синтеза научных методов и технических средств для запоминания, переработки и передачи информации на основе использования электромагнитных явлений. Трудно назвать другую область техники, которая по своему влиянию на жизнь и деятельность человека занимала бы такое важное место. Современную радиоэлектронику по праву считают определяющим направлением научно-технического прогресса.

Усложнение современного промышленного производства, возрастающие взаимосвязи отдельных предприятий между собой требуют автоматизации многих функций управления. Это можно сделать лишь с помощью электронных автоматизированных систем управления, материальной основой которых являются компьютерные технологии.

Компьютеры широко применяются во всех сферах науки, техники и производства. Использование компьютеров для автоматизации умственного труда позволяет решать проблему оперативного поиска, обработки и передачи огромных объёмов информации, накопленных к настоящему времени во всех сферах общественной деятельности. Они открыли широкие возможности в управлении производственными процессами на основе автоматизированных систем управления как в технологической сфере, так и в сфере администрирования.

Без применения компьютеров не обходится ни одно научное исследование. Широко применяются компьютерные системы в практической медицине для диагностики заболеваний и поддержания жизнедеятельности пациентов на этапах лечения и реабилитации. Без них невозможны запуски космических кораблей, для вывода их на орбиту необходимо за короткое время переработать огромный объём информации. Все данные о полёте корабля, состоянии бортовых систем и самочувствии космонавтов вводятся в бортовые вычислительные устройства, передаются на Землю и после обработки поступают в системы корабля и наземных комплексов в виде команд на выполнение.

Задачи автоматизации производства потребовали создания гибких, точных и надёжных систем управления технологическими процессами. Области использования таких систем чрезвычайно широки. Это и нагрев в высокочастотных электромагнитных полях при термической обработке деталей (закалка, плавление, пайка, сварка), и применение ультразвука для интенсификации различных технологических процессов (очистка деталей, ударная ультразвуковая притирка, резка крупногабаритных заготовок, пайка, сварка) — электронные системы позволяют автоматизировать все современные технологические процессы, связанные с обработкой различных материалов.

Наибольшая степень автоматизации наблюдается в энергетической, металлургической, химической и нефтеперерабатывающей промышленности, машиностроении и на транспорте. Компьютеры применяются в станках с программным управлением, они управляют электропоездами, самолётами, кораблями, контролируют движение в аэропортах и на автострадах.

Очень важным направлением научно-технического прогресса являются космические исследования, развитие космонавтики. Успехи в этой области обеспечиваются развитием надёжной ракетной техники, способной выводить в космос спутники разного назначения и корабли со сложной аппаратурой и человеком на борту. Уже отмечалось, что прогресс космонавтики оказался возможным благодаря развитию электронной вычислительной техники, микроэлектроники и систем автоматики.

В наше время уже трудно представить современные системы связи, навигации, метеорологии без искусственных спутников Земли и космических станций, которые позволили обеспечить глобальный характер этих систем и оперативность в выполнении их функций. Стали обыденными спутниковые телевидение, Интернет и мобильная связь как составляющие единой информационной системы. Орбитальные телескопы расширили границы наблюдаемого космоса, межпланетные станции уже позволяют учёным исследовать ближайшие планеты и создавать проекты их использования, а также наблюдать далёкие планеты и их спутники.
Одним из ключевых направлений научно-технического прогресса является создание новых материалов с заданными свойствами, использование редких химических элементов.

Успехи космонавтики, радиоэлектроники, атомной энергетики, авиации, машиностроения во многом связаны с достижениями в области производства сверхтвёрдых, жаропрочных, антикоррозионных материалов, получением в необходимых количествах редких металлов и их сплавов, синтезом искусственных материалов с уникальными свойствами. Знание зависимости химических и физических свойств вещества от его состава, структуры и условий производства позволяет учёным предвидеть свойства новых материалов и целенаправленно синтезировать их с заранее заданными механическими, магнитными, оптическими и электрическими характеристиками. Одним из ярких примеров в этой области является производство разнообразных полупроводниковых материалов, обеспечивших создание малогабаритных, надёжных и экономичных электронных устройств.
 

Физическая картина мира

Вы много поработали в течение года, круг ваших знаний, полученных на уроках по разным предметам и в процессе самостоятельных занятий значительно расширился, ваши представления об окружающем мире стали чётче и полнее. Изученный вами материал по физике является результатом гигантской исследовательской работы, выполненной на протяжении многих столетий учёными всего мира по исследованию разных форм движения материи, строения и свойств материальных тел.

Вы убедились в том, что при всём разнообразии окружающий материальный мир един. Это единство проявляется в том, что все явления, какими сложными они не казались бы, — это различные состояния и свойства движущейся материи, то есть их природа материальна. Единство мира проявляется во взаимосвязи всех явлений, возможности взаимопревращений форм материи и движения, а также в существовании общих законов движения материи.
Задача физики и других естественных наук заключается в том, чтобы выявить и изучить законы природы, объяснить на их основе конкретные явления и процессы.

Отображением единства мира в познании является синтез научных знаний, полученных в процессе исследования природы различными науками. На каждом этапе развития науки возникает необходимость объединения научных знаний в единую систему знаний о явлениях, процессах и других объектах природы — в естественнонаучную картину мира.

Физическая картина мира представляет часть всей системы знаний о природе, поскольку она касается лишь физических свойств материальных тел и физических форм движения материи. Физическая картина мира даёт общее представление о сути физических явлений на определённом этапе развития физической науки. Естественно, что с развитием физики увеличивается количество открытых законов. Одновременно устанавливается связь между этими законами, некоторые из них получают теоретическое обоснование и дальнейшее обобщение, на основе чего часто оказывается возможным вывести известные ранее законы из более общих физических теорий и принципов. Так, из электронной теории строения вещества можно вывести законы Ома, Джоуля-Ленца и Фарадея.

В древнем мире все знания о природе объединяла в себе физика, и уже к тому времени были сформулированы основные элементы материалистического понимания мира. Мыслители Древней Греции Левкипп, Демокрит, Эпикур, Лукреций Кар утверждали, что окружающий мир по своей природе материален, он несотворим и неуничтожим, существует вечно во времени и беспределен в пространстве. Все тела состоят из первичных, далее неделимых частиц — атомов, которые при всех изменениях не возникают из ничего и не уничтожаются, а лишь взаимодействуют и преобразуются.

Николай Коперник в 1543 г. предложил гелиоцентрическую систему мира. Прогресс физических знаний подготовил почву для формирования механической картины мира на основе законов механики Ньютона. Согласно учению Ньютона весь мир состоит из твёрдых, непроницаемых частиц — атомов, обладающих массой и свойством инертности.

Физика Ньютона давала общую и наглядную картину мира. Законы механики позволяли очень точно рассчитать положения небесных тел на многие годы вперёд, предсказать солнечные и лунные затмения, в наше время на их основе проводятся расчёты орбит искусственных спутников и траектории межпланетных станций. Механика успешно описывала движение молекул в газе и деталей сконструированных на её основе механизмов. Ко второй половине XIX ст. механическая картина мира представлялась учёным завершённой и способной объяснить все известные явления природы.

Однако результаты исследований электромагнитных явлений, выполненных Эрстедом, Ампером, Араго и другими, показали, что эти явления невозможно объяснить на основе законов механики. Трудности развития теории электромагнитных явлений ещё более углубились исследованиями Фарадея, который установил взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями.

Только после создания теории электромагнитных явлений английским учёным Дж. К. Максвеллом в физике постепенно утверждается представление о мире как о всеобщей системе, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих между собой посредством электромагнитного поля. Было начато создание единой электромагнитной картины мира, все события в которой подчиняются законам электромагнитных взаимодействий.
Однако дальнейшее развитие физики показало ограниченность и электромагнитной картины мира. Она не смогла объяснить многие известные явления: устойчивость атомов, химическую связь атомов в молекулах, явления радиоактивности, не охватывала явление тяготения (закон всемирного тяготения нельзя вывести из теории электромагнитного поля) и др.

Фундаментальные открытия в физике в начале XX в. привели к замене электромагнитной картины мира качественно новой — квантово-полевой, с основами которой вы ознакомитесь на уроках физики в старшей школе. Она основана на достижениях квантовой механики, которая в целом объяснила структуру атомов и молекул, природу химической связи, физико-химические свойства макроскопических тел, описала многие свойства и законы мира микрочастиц.
C точки зрения современной физики существуют две основные формы материи — вещество и поле. Вещество имеет прерывистую (дискретную) структуру, а поле — непрерывную.

Современная физическая картина мира является результатом обобщения всех достижений физической науки. Однако, хотя эта картина мира и отличается большой общностью и успешно описывает большинство известных природных явлений, среди них остаются и такие, которые современная физика объяснить не может. Физическая картина мира постоянно развивается и совершенствуется, на смену существующим квантово-полевым представлениям придёт новая картина, которая глубже и точнее будет отображать объективный мир физических явлений. Но в этой картине мира составной частью будет всё то, что мы уже знаем о физических явлениях.

• Заказать решение задач по физике

Методы регистрации радиоактивных излучений и частиц

Разновидности приборов для регистрации частиц. Основной целью изучения излучения радиоактивных веществ является определение природы, энергии и интенсивности излучения (количество частиц, испускаемых радиоактивным веществом за секунду) частиц при радиоактивном распаде. Самые распространенные методы их регистрации основаны на ионизации частиц и фотохимическом действии. Приборы, выполняющие эти задачи, делятся на два вида:

1. Приборы, позволяющие регистрировать прохождение частиц через определенную часть пространства, и при этом определять некоторые характеристики, например энергию. К таким приборам можно отнести сцинтилляционный счетчик, Чсрснковский счетчик, газоразрядный счетчик, полупроводниковый счетчик и импульсную ионизационную камеру.
2. Приборы, позволяющие наблюдать след частиц, например, фотографировать. К таким приборам можно отнести камеры Вильсона, диффузионную камеру, метод фотоэмульсии. Мы ознакомимся с некоторыми из них.

В общем, существует два газоразрядных счетчика. Первый называется пропорциональным счетчиком, в нем разряд газа будет несамостоятельным. Второй счетчик это так называемый счетчик Гейгера-Мюллера, в котором разряд газа самостоятельный. Временная разрешающая способность счетчика Гейгера-Мюллера составляет т.е. регистрирует частицы, попадающие за такой промежуток времени.

Счетчик Гейгера - основан на ионизации газа. Он регистрирует только прохождение частиц. Счетчик Гейгера состоит из стеклянной трубки, металлизированной изнутри (катод) и тонкой металлической нити (анод), натянутой по центру трубки. Стеклянная трубка S при низких давлениях заполняется газом. Ее можно рассматривать как цилиндрический конденсатор. На конденсатор из батареи В через сопротивления R подастся напряжение.

Если в конденсатор влетает заряженная частица, то ионизируются молекулы газа и вызывается разряд газа.

В результате через счетчик начинает проходить ток и уменьшается потенциал

на сопротивлении R. Такое колебание напряжения передастся на регистрирующее устройство, состоящее из усилителя D и механического счетчика.

Таким образом, счетчик Гейгера регистрирует каждую ионизирующую частицу. Его чувствительность высокая, за секунду может регистрировать 10000 частиц.

Пузырьковая камера - прибор предназначен для регистрации траектории частиц и основан на закипании перегретой жидкости вблизи траектории частицы. Прибор состоит из стеклянной камеры, заполненной жидким водородом. Его объем бывает от до нескольких кубических метров. За изобретения пузырьковой камеры в 1960 году Глейзер получил Нобелевскую премию.

В первоначальном состоянии жидкость в камере находится при высоком давлении, поэтому несмотря на то, что температура жидкости будет выше температуры кипения при атмосферном давлении, она не кипит.

При пролете исследуемой частицы через камеру ионизируется молекула жидкости. Именно в это время с помощью расширяющего устройства давление жидкости резко понижается. Жидкость переходит в особо горячее состояние и кипит. В это время на ионах образуются маленькие газовые пузырьки. Поэтому весь путь частицы окружается пузырьками. Вскрыв камеру, можно наблюдать или фотографировать эти следы.

Преимущество пузырьковых камер относительно камеры Вильсона заключается в том, что рабочее вещество имеет большую плотность. В результате этого частицы сильно тормозятся и останавливаются, проходя относительно короткий путь. Поэтому с помощью пузырьковых камер можно исследовать частицы с очень высокими энергиями.

Сцинтилляционные счетчики. Принцип работы основан на наблюдении сцинтилляции - вспышек, происходящих при попадании на флуоресцентный экран быстрых частиц. Возникающая слабая световая вспышка превращается в электрические импульсы и после усиления регистрируется с помощью специальных аппаратур. В 1903 году -частица первый раз была зарегистрирована именно с помощью такого счетчика.

Камера Вильсона регистрирует частицу по ее следам (от англ. trek -след).

Камера создана в 1911 году английским физиком Ч. Вильсоном. Принцип работы основан на ионизации молекулы вещества в газообразном состоянии под воздействием быстро налетающих частиц.

Схема камеры Вильсона изображена на рис. 7.9. Объем рабочей камеры (1) заполнен газом, насыщенным парами воды или спирта. При резком движении поршня (2) вниз газ в объеме (1) расширяется и охлаждается. В результате газ переходит в перенасыщенное состояние. Частица, пролетающая через камеру, на своем пути создает ионы и при увеличении объема образуются капли из конденсированных газов. Таким образом, за частицей остается тонкий след в виде траектории. Этот след (трек) можно наблюдать или фотографировать.

Альфа-частица сильно ионизирует газ и поэтому в камере Вильсона оставляет толстый след (рис. 7.10). Бета-частица оставляет очень тонкий след. А гамма-излучения можно регистрировать с помощью фотоэлектронов, выбиваемых из молекул газа в камере Вильсона.
 

 

Метод фотоэмульсии. В 1927 году русский физик J1. Мысовский предложил простой метод регистрации следов заряженных частиц. При прохождении заряженных частиц через фотоэмульсию в ней возникает ионизация, создающая изображение. После проявления изображения, становятся видными следы заряженных частиц. Из-за того что эмульсия очень толстая, следы, оставленные в ней, будут очень короткими. Поэтому метод фотоэмульсии применяется для исследования реакций, возникающих под действием частиц, вылетающих из ускорителей высоких энергий и космических лучей.

Пример №3

Найдите скорость электрона, если радиус трека электрона, влетевшего в камеру Вильсона, равен 4 см, а индукция магнитного поля 8,5 мТл.

Дано Найти 

Решение:

Подставим данные :

Ответ:

Закон радиоактивного превращения

Французский физик А. Беккерель в 1896 году, изучая явление люминесценции в солях урана, столкнулся со странным явлением. Беккерель оставлял соли урана на фотопластинке, и когда вскрывал фотопластинку, наблюдал изображения соли на ней. Несколько раз повторяя свои опыты, Беккерель пришел к выводу, что соль урана испускает неизвестные лучи, которые легко проходят через тонкие слои металла, ионизирует воздух, создает явление люминесценции.

Эти лучи получили название радиоактивное излучение (от лат. radius - луч). Испускание радиоактивного излучения получило название радиоактивность.

Резерфорд экспериментальным путем определил, что радиоактивные лучи не однородны, а состоит из нескольких видов излучений. При прохождении этих излучений в магнитном поле, направленном перпендикулярно к поверхности рисунка, они разделились на три части: - лучи. Первая из них - это поток ядер гелия, вторая - поток электронов, третья - поток (фотонов).

Естественная радиоактивность

Уран не единственный элемент, который имеет радиоактивное излучение. Всесторонне изучившие радиоактивность супруги Мария Складовская-Кюри и Пьер Кюри, выделили из урановой руды два радиоактивных элемента - полоний (Ро) и радий (Ra). Естественные радиоактивные элементы существуют повсюду. Их можно найти в воде, почве, клетках живых организмов, продуктах питания. Самые широко распространенные радиоактивные изотопы в природе - это изотопы и семейства изотопов урана и тория.

Особо следует отмстить, что радиоактивность абсолютно не зависит от того, находится ли изотоп в чистом виде или входит в соединение, в каком агрегатном состоянии он находится. Вместе с этим, на естественную радиоактивность не может оказать влияния ни давление, ни температура, ни электрическое поле, ни магнитное поле. Значит, делаем вывод, что радиоактивность зависит только от процессов, происходящих внутри ядра.

Естественной радиоактивностью называется превращение нестабильных изотопов атомных ядер в стабильные изотопы с испусканием разных частиц и выделением энергии.

Таким образом, радиоактивность является одним из источников, дающих информацию об атомных ядрах и о процессах, происходящих в них.

Закон радиоактивного распада

Превращение ядра в другое ядро, сопровождающееся радиоактивным излучением, называется радиоактивным распадом, или просто распадом. Ядро, которое подвергается распаду, называется материнским ядром, а новообразованное ядро - дочерним. Подчиняется ли этот распад какому-либо закону? Как показали многочисленные эксперименты, количество радиоактивных атомов в рассматриваемом объеме с течением времени уменьшается. В некоторых элементах это уменьшение происходит за минуты, даже за секунды, а в некоторых это может продолжаться миллиарды лет. В общем, распад ядра - случайное явление. Поэтому распад за данный промежуток времени того или иного ядра подчиняется законам статистики. Одной из основных характеристик радиоактивного элемента является статистическая вероятность распада ядра за единицу времени. Она записывается буквой и называется постоянной радиоактивного распада.

Если в начальный момент существуют радиоактивные атомы в количестве -  то количество оставшихся радиоактивных атомов, через время определяется по закону

Здесь: - основание натурального логарифма. Выражение (7-12) называется законом радиоактивного распада.

Период полураспада

Одной из величин, характеризующих интенсивность радиоактивного распада, является период полураспада. Периодом полураспада Т называется время, необходимое для уменьшения количества первоначальных ядер в среднем в два раза.

и согласно закону радиоактивного распада:

Из этой формулы получаем:

Для разных изотопов период полураспада меняется в большом интервале. Например, для урана Т=4,56 миллиарда лет, для изотопа полония -

Закон радиоактивного распада может выражаться и в следующей форме:

здесь: Т- период полураспада.

Активность

Активностью радиоактивного источника (А) называется количество распадов за 1 с:

Единица активности в системе СИ - беккерель (Бк): 1 Бк - это активность, при которой за 1 с происходит 1 распад ядра. 1 Бк=1 распад/ До сих пор в ядерной физике применяется внесистемная единица измерения активности кюри (К).

Семейства радиоактивных элементов

Все изотопы элементов с порядковым номером больше 83 являются радиоактивными. Естественные радиоактивные элементы обычно размещают на четырех рядах. Все остальные, кроме начального элемента, появляются в результате радиоактивного распада предыдущего.

Семейство урана заканчивается стабильным изотопом свинца Семейство тория - другим стабильным изотопом

свинца семейство актиния - стабильным изотопом свинца семейства нептуния - стабильным изотопом висмута

Пример №4

После скольких распадов уран превращается в висмут

Ядерные реакции и закон смещения

Ядерные реакции. Ядерные реакции - это превращение атомных ядер в другие атомные ядра, в результате взаимодействия их с элементарными частицами или друг с другом.

В ядерных реакциях выполняются законы сохранения: электрического заряда, количества нуклонов, энергии, импульса, момента импульса. Все реакции характеризуются выделяемыми или поглощаемыми энергиями. Реакции, происходящие с выделением энергии, называются экзотермическими, а реакции, происходящие с поглощением энергии, называются эндотермическими реакциями.

Виды ядерных реакций. Ядерные реакции, в зависимости от следующих признаков, разделяются на виды:

реакции, происходящие под воздействием нейтронов, гамма-квантов, заряженных частиц (протонов, дейтронов, альфа-частиц и т.д.), т.е. в зависимости от участвующих в них частицах;

реакции, в зависимости от энергии участвующих в реакции частиц, делятся на низкоэнергетические среднеэнергетические  и высокоэнергетические

В зависимости от вида участвующих ядер - реакции на легких ядрах (А<50); на средних ядрах (50 <А<100); на тяжелых ядрах (А>100).

По характеру ядерных превращений бывают реакции с выходом нейтрона, с выходом заряженных частиц; реакции с поглощением частиц.
 

Выделение энергии при реакции

Выделением энергии при ядерных реакциях называется разница энергии покоя ядра и частиц до реакции и после реакции. Также выделение энергии во время реакции равно разнице энергии до участия в реакции и кинетической энергии после реакции. Если кинетическая энергия ядра и частицы после реакции будет больше, чем до реакции, тогда реакция происходит с выделением энергии. В противном случае - с поглощением. Например,

Кинетическая энергия ядра гелия, полученная в результате реакции, больше на 7,3 МэВ, чем кинетическая энергия протона, который участвовал в реакции.

Теория Бора

По теории, предложенной Бором, ядерная реакция происходит в два этапа. На первом этапе ядро мишени А объединяется с направленной на него частицей и создает ядро С в новом возбужденном состоянии: На втором этапе возбужденное ядро С распадается на продукцию реакции: Таким образом, ядерная реакция происходит по следующей схеме:

Альфа-излучения

Нуклоны в атомном ядре постоянно находятся в движении и взаимно превращаются. Самая стабильная продукция, создаваемая внутри ядра, это продукт, состоящий из двух протонов и двух нейтронов. В происходящих внутриядерных распределениях энергии именно эта частица может взять на себя основную энергию ядра и в определенных условиях может покинут его в качестве а-частицы.

Превращение ядра в другое ядро путем испускания частицы называется альфа-излучением (распадом).

Если является материнским ядром, превращение этого ядра в другое ядро в результате излучения происходит по следующей схеме:

здесь:   знак дочернего ядра, - ядро атома гелия (частица),

- квант испускаемый возбужденным ядром

Из выражения (7-18) видно, что в результате альфа-излучения массовое число ядра уменьшается на 4 единицы, а заряд уменьшается на 2 элементарных положительных заряда. Иначе говоря, в результате альфа-излучения место химического элемента в периодической системе Менделеева смещается на две клетки влево. Эта ситуация называется правилом смещения. Оно является результатом законов сохранения электрического заряда и массового числа.

Бета-излучения

В ядре происходят и другие процессы, связанные со взаимным превращением нуклонов. Например, ядро может испускать поток электронов. Это называется (распадом).

Согласно правилу смещения, при бета-излучении массовое число ядер не меняется:

Как видно из этого выражения, при излучении химический элемент в периодической системе Менделеева смещается на одну клетку вправо.

Радиоактивные превращения

Как видно из вышеприведенных реакций, с их помощью один химический элемент может превращаться в другой и таким путем можно создать искусственные радиоактивные элементы. Такие реакции называются радиоактивными превращениями.

В общем, нет никакой разницы между искусственной и естественной радиоактивностью, так как свойства изотопа не зависят от метода происхождения и искусственный изотоп ничем не отличается от естественного.

Гамма-излучения

Французский физик П. Виллар в 1900 году определил, что при облучении свинца -излучениями обнаруживается некоторое остаточное излучение. Это излучение под воздействием магнитного поля не отклоняется от направления своего движения. Его ионизационная способность малая, но проникающая способность намного больше, чем у рентгеновского излучения. Его назвали -излучением.

-излучения, как и рентгеновские излучения, являются электромагнитными волнами. Они отличаются друг от друга только своим происхождением и энергиями. Если рентгеновские излучения являются результатом возбуждения орбитальных электронов и торможения быстрых электронов, -излучения возникают в результате ядерных превращений.

В общем, ядро переходит в возбужденное состояние в результате радиоактивного распада или искусственного превращения ядер друг в друга. Когда ядро переходит из возбужденного состояния в основное, испускает -излучение. Его энергия может быть от нескольких килоэлектронвольт до нескольких миллионов электронвольт. При прохождении -излучения через вещество его интенсивность намного уменьшается. Причина этого - фотоэффект, комптон-эффект и появление электронно-позитронных пар.

Пример №5

Найдите неизвестный элемент X в следующей реакции.

Элементарные частицы

Элементарные частицы. Смысл слова «элементарный» означает «самый простой». Многие из известных на сегодняшний день частиц неправильно называть элементарными, но первоначально введенный термин используется до сих пор. В начальный период частицы, которые принимались за самую маленькую часть материи, считались самыми элементарными. Их сложное строение стало известно позже. В настоящее время известно более 300 элементарных частиц. Большинство из них нестабильные и постепенно превращаются в легкие частицы.

Электрон

Первой открытой элементарной частицей является электрон. Дж. Томсон при изучении свойств катодных лучей определил, что этот луч является потоком отрицательно заряженных частиц - электронов. Это случилось 29 апреля 1897 года, и этот день считается днем открытия первой элементарной частицы.

Фотон

В 1900 году М. Планк показал, что свет - это поток частиц, состоящий из квантов, называемых фотонами. Фотон не имеет электрического заряда, масса покоя равна нулю, фотон может существовать только при движении со скоростью, равной скорости света.

Протон

В 1919 году Э. Резерфорд в опытах по бомбардировке азота частицами открыл протон - ядро атома водорода. Величина его заряда равна заряду электрона, но при этом имеет положительный заряд. Его масса в 1836 раз больше, чем масса электрона.

К-мезоны

Начиная с 1950-ых годов, количество открываемых частиц начало резко увеличиваться. В эти ряды входят и К-мезоны. Их заряд может быть положительным, отрицательным или нейтральным и массой около 966-974

Гипероны

Следующая группа частиц называется гиперонами. Их масса находится в пределах от

Резонансы

В последние годы обнаружены частицы с очень маленькими периодами жизни, которых назвали резонансами. Прямой метод регистрации этих частиц отсутствует. Их появления можно только определить из продуктов распада.

Таким образом, элементарные частицы, изначально считавшие, что их количество очень мало и они являются самыми маленькими кирпичиками материи, в дальнейшем выяснилось, что их очень много и они сложны по строению.

Античастицы.

После открытия первой античастицы - позитрона (противоположная частица электрона) возник вопрос, нет ли других античастиц? В 1955 году в результате бомбардировки медной мишени протонами получили антипротон. В 1956 году открыт антинейтрон. В настоящее время установлено, что многие частицы имеют свои античастицы с равными массами и спинами, с противоположными зарядами.

Если античастицы электрона и протона отличаются знаками заряда, то нейтрон и антинейтрон отличается знаками собственных магнитных моментов. Физические свойства частиц и античастиц без зарядов, фотона, мезонов одинаковы.

После появление представления об античастицах у учащихся может возникнуть естественный вопрос: что произойдет, если встретятся частица и античастица? Ответ на этот вопрос найдете ниже.

Взаимное превращение вещества и поля

Встреча электрона со своей античастицей - позитроном приведет к превращению их в квант электромагнитного излучения и выделение энергии. Это явление называется аннигиляцией:

Не только при встрече электрона и позитрона, но и при встрече других частиц и античастиц происходит аннигиляция. Иначе говоря, они превращаются в кванты (фотоны) электромагнитного поля.

В этом случае слово «аннигиляция», выбрано не очень правильно. Так как слово «аннигиляция» в латинском языке означает «исчезновение». На самом деле при встрече частицы и античастицы никакого исчезновения не происходит. Все законы сохранения выполняются полностью. Материя переходит из материальной формы в форму квантов электромагнитного поля.

При прохождении близко к ядру кванта с энергией больше, чем сумма энергии покоя электрона и позитрона могут превратиться в электронно-позитронную пару:

Появление электронно-позитронных пар и их аннигиляция показывают, что две формы материи (материя и поле) превращаются друг в друга.

Виды взаимодействия элементарных частиц

По современным представлениям в природе существуют четыре вида фундаментальных взаимодействий - сильные, электромагнитные, слабые и гравитационные взаимодействия. Для осуществления каждого из этих взаимодействий имеются свои частицы и соответствующие поля. Адроны участвуют во всех видах фундаментальных взаимодействий. В этот класс входят барионы и мезоны. Барионы имеют +1 барионного заряда, их античастицы имеют -1 барионного заряда. Барионный заряд мезонов равен нулю. Спины барионов имеют половину числа, а мезоны - целое число. Нуклоны и тяжелые частицы, разделяющиеся на нуклоны, тоже входят в барионы. К барионам, имеющим большую массу, чем нуклон, относятся гипероны.

Лептоны - участвуют во всех трех взаимодействиях, кроме сильного взаимодействия. Лептоны («leptos» от греч. - легкий) - электроны, позитроны, мезоны и нейтрино. Лептоны имеют +1 заряд лептона, а античастицы имеют -1 заряд лептона.

Фотоны - частицы, участвующие в гравитационных и электромагнитных взаимодействиях.

Гравитоны - частицы, считающиеся, что участвуют только в гравитационных взаимодействиях. Хотя в последних экспериментах удастся регистрировать гравитационные волны, до конца не доказано существование гравитонов.

Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти превращения являются основными стимулами их существования.

В 1964 году американские физики М. Гел-Ман и Дж. Свейг предсказали существование элементарных частиц, называемых кварками.

По их мнению, адроны состоят из кварков. На сегодняшний день имеются результаты экспериментов, доказывающих существование кварков.

Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях. Всего кварков шесть. Они обозначаются латинскими буквами и разделяются на три семейства: (u,d), (c,s), (t,b). Каждый из шести кварков отличается своим «запахом», и они делятся на три цвета - желтый, синий и красный. Сначала приняли u, d, s кварков. Затем к ним присоединились «очарованный» с (charm), «красивый» b (bеautn), и «действительные» t (truth) кварки. Электрический заряд и, с, t кварков равен +2/3 части заряда электрона, остальные равны - 1/3 части. Антикварки соответственно имеют противоположные электрические заряды. Спины кварков даются в h единицах. Величина кварка не больше т.е. кварк меньше протона в 1000 раз. Бомбардировка протона электронами с энергией  МэВ показала, что заряды внутри протона расположены в трех местах: как

Нейтрон тоже состоит из одного    кварков.

Мезоны состоят из кварков и антикварков. Например, - мезон состоит как Здесь: - античастица кварка.

Кварковое построение нуклонов

Нуклон    Заряд электрона    Состав    Электрический заряд кварков  

Согласно современным теориям существует семь основных частиц, из которых можно получить остальные. Это: кварк, антикварк, глюон, гравитон и три хигсона.

Существует теории, что лептоны и кварки состоят из еще более мелких частиц.

В настоящее время основное внимание ученых обращено на «Стандартную модель» элементарных частиц. Особенно с объявлением информации об открытии 4 июля 2012 года Хиггс Бозона интерес к этой модели значительно возрос.

В «Стандартной модели» объединены только три: сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, четвертое - гравитационное взаимодействия не рассматривается.

Пример №6

Элементарная частица     мезон распалась на два кванта. Если масса покоя этой частицы равна 264,3 массы электрона, найдите частоту излучения.

Дано:  Найти:

Решение: по закону сохранения энергии 

Ответ: 

Физические основы атомной энергетики

Деления тяжелых ядер. Возможности деления тяжелых ядер можно объяснить на основе приведенного на рисунке 7.12 графика зависимости удельной энергии связи от массового числа. Как видно из этого графика, удельная энергия связи тяжелых ядер меньше на 1 МэВ, чем удельная энергия связи элементов, расположенных в средней части таблицы Менделеева. Значит, если тяжелые ядра превращаются в средние ядра, тогда на каждый нуклон выделяется энергия 1 МэВ.

Если делится ядро с количеством 200 нуклонов, тогда выделяется энергия около 200 МэВ, и основная часть этой энергии (165 МэВ) превращается в кинетическую энергию осколков ядра.

Деление ядра урана

В 1938-1939 годах немецкие физики О. Ган и Ф. Штрассман определили, что ядро урана при бомбардировке нейтронами делится на две (иногда на три) части и при этом выделяется большое количество энергии. При этом делении появляются средние элементы периодической системы: барий, лантан и другие.

Результаты экспериментов трактовались следующим образом. Ядро урана при поглощении нейтрона переходит в возбужденное состояние и делится на две части. Причина этого - сила кулоновского отталкивания между протонами больше, чем сила притяжения. Осколки ядра положительно заряжены, они отталкиваются под действием кулоновской силы и разлетаются с большой скоростью. Одновременно из ядра урана вылетают 2-3 вторичных нейтрона. Как показали эксперименты, основная часть вторичных нейтронов отделяется от вылетающих возбужденных осколков.

Продукты деления бывают разнообразными. Их может быть около 200 видов. Вероятность появления ядер с массовыми числами от 95 до 139 будет максимальным. Вероятность деления на равные массы очень маленькая и может происходить в редких случаях. Чаще всего происходит реакции деления следующего вида:

В дальнейших исследованиях стало ясно, что под воздействием нейтронов ядра других элементов тоже могут расщепляться. Это:  и другие.

Непрерывная цепная реакция

Из вышесказанного следует, что при делении каждого ядра урана, кроме осколков деления, вылетают 2-3 нейтрона. В свою очередь эти нейтроны могут поглощаться другими ядрами урана и привести к их расщеплению. В результате этого появится 4-9 нейтронов и, расщепляясь, столько же ядер. Это будет причиной появления нейтронов от 8 до 27. Таким образом, образуется процесс, увеличивающий расщепление (рис. 7.12). Этот процесс называется непрерывной цепной реакцией.

Цепная реакция является экзотермической реакцией, т.е. реакция происходит с выделением энергии в большом количестве. Выше сказано, что при делении одного ядра урана выделится энергия 200 МэВ. Теперь вычислим, сколько энергии выделится при делении 1 кг урана (в 1 кг уране содержится

Такая энергия может выделятся при горении 1800 тонн бензина или 2500 тонн каменного угля. Именно выделение такого большого количества энергии послужило мотивом исследования возможности использования цепной реакции (в мирных и военных целях). Осуществление цепной реакции урана - это сложный процесс. Причиной этого является то, что в природе существует два изотопа:   в процентах дается доля данного изотопа в природном уране). Цепная реакция происходит только в изотопе Урана-235.

Поэтому из урановой руды отделяют нужный изотоп, и цепная реакция осуществляется в специальных ядерных реакторах. На сегодняшний день эта сложная задача успешно решена.

Коэффициент размножения нейтронов

Для протекания цепной реакции имеет важное значения участие вторичных нейтронов в последующих реакциях деления ядра. Поэтому вводится понятие коэффициент размножения нейтронов:

здесь: - количество нейтронов, приводящих к делению ядра на этапе i, количество нейтронов, приводящих к делению ядра на предыдущем этапе.

Коэффициент размножения показывает не только количество нейтронов, но и количество делящихся ядер. Если тогда реакция быстро гаснет.

Если цепная реакция продолжается с постоянной интенсивностью, называемой критической.

Если цепная реакция лавинообразно растет и приводит к ядерному взрыву.

Ядерный реактор

Для человечества важное значение имеет не осуществление цепной реакции, а управление этим процессом для использования выделяемой энергии. Устройство, дающее возможность осуществления и управления цепной реакцией деления тяжелых ядер, называется ядерным реактором.

Первый ядерный реактор построен в 1942 году под руководством Э. Ферми при Чикагском Университете.

В качестве топлива использован Уран-235 с 5% обогащением естественного урана. Схема реактора приводится на рис. 7.13.

Цепную реакцию в ядре Урана-235 можно осуществить только с помощью тепловых нейтронов (нейтроны с энергиями от 0,005 до 0,5 эВ называются тепловыми нейтронами). Энергия нейтронов, возникающих при делении ядра, составляет около 2 МэВ. Поэтому для обеспечения цепной реакции нужно замедлить вторичные нейтроны до энергии тепловых нейтронов. Для этой цели применяют специальные вещества, так называемые замедлители. Замедлитель должен замедлить нейтроны, но не поглощать их. В целях замедления можно использовать тяжелую воду, простую воду, графит и бериллий. В связи с тем, что получать тяжелую воду очень сложно, обычно в реакторах используют обычную воду или графит.

Активная зона реактора, которая усиливает цепную реакцию, состоит из графитового цилиндра.

Управление ядерным реактором

Ядерное топливо (уран) вводится в активную зону реактора с помощью стержней, в промежутке которых размещен замедлитель нейтронов. В процессе цепной реакции в активной зоне температура поднимается до 800-900° К. Для вывода тепла из активной зоны реактора, помещают теплоноситель. Например, таким теплоносителем может быть тяжелая или обычная вода. Управление цепной реакцией осуществляется с помощью стержня, изготовленного из бора или кадмия, которые хорошо поглощают тепловые нейтроны. Развитие цепной реакции приводит к непрерывному росту количества делящихся ядер, т.е. к увеличению мощности реактора. Чтобы цепная реакция не приобрела характер лавины, коэффициент размножения нейтронов необходимо поддерживать равным единице. Это осуществляется с помощью управляющих стержней. При выводе управляющих стержней из активной зоны реактора будет когда стержни полностью введены в активную зону, то будет С помощью стержней в любое время можно приостановить развитие цепной реакции.

Критическая масса

Для протекания самоподдерживающей цепной реакции объем активной зоны не должен быть меньше определенного критического значения. Самый маленький объем активной зоны, позволяющий осуществить цепную реакцию, называется критическим объемом. Масса топлива, расположенная в критическом объеме, называется критической массой.

Минимальное значение массы урана, необходимое для происхождения самопроизвольной цепной реакции, называется критической массой.

В зависимости от конструкции устройства и типа топлива критическая масса может быть от нескольких сотен граммов до нескольких десяток тонн.

Для урана    критическая масса составляет 50 кг. Из урана такой массы можно изготовить шар радиусом 9 см.

Защита ядерного реактора

В цепной реакции образуются осколки ядер, которые являются источниками нейтронов,излучения. Иначе говоря, реактор урана - это источник разных излучений. Особо опасными являются нейтроны и излучения, имеющие большую проникающую способность. Поэтому важное значение имеет организация защиты работающих на реакторе сотрудников. Для этих целей используют воду толщиной 1 м, бетон до 3 м толщиной и толстые стены из чугуна.

Удобства атомной энергетики

Человечество всегда стремилось получать дешевый и удобный источник энергии. Создание ядерных реакторов дало возможность использования ядерной энергии в промышленности, т.е. для нужд людей. Запасов ядерного топлива в природе в сотни раз больше, чем запасов химического топлива. Производство электрической энергии на атомных электростанциях (АЭС) имеет несколько преимуществ. Во-первых, себестоимость производства электроэнергии будет ниже, во-вторых, в течение нескольких сотен лет человечество не будет знать проблемы с энергетикой. Следует отмстить, что АЭС занимает небольшую площадь. Первая АЭС в мире запущена в 1954 году в городе Обнинске. После этого построены многочисленные АЭС, которые благополучно функционируют до сих пор.