Ядерный реактор егэ

Всего: 37    1–20 | 21–37

Добавить в вариант

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

Всего: 37    1–20 | 21–37

Ядерные реакции. Ядерный реактор

Раздел ОГЭ по физике: 4.4. Ядерные реакции. Ядерный реактор. Термоядерный синтез

---

---

Превращение ядер одного элемента в ядра другого элемента происходит не только в процессе радиоактивного распада. Такое превращение может происходить при взаимодействии ядер элементов друг с другом или с такими частицами, как альфа-частицы, электроны, протоны, нейтроны. Превращение исходного атомного ядра при взаимодействии с какой-либо частицей в другое ядро, отличное от исходного, называют ядерной реакцией.

Силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в ядре, называются ядерными силами. Свойства ядерных сил:

1. зарядовая независимость – ядерное (сильное) взаимодействие между двумя протонами, двумя нейтронами или между протоном и нейтроном одинаково;
2. короткодействующий характер – ядерные силы быстро убывают с расстоянием; радиус их действия порядка 10^–15 м;
3. насыщаемость – ядерные силы могут удерживать друг возле друга в ядре ограниченное количество нуклонов; с ростом числа нуклонов ядра становятся менее стабильными.

Энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи.

Измерения показали, что масса покоя ядра М всегда меньше суммы масс покоя нуклонов (протонов и нейтронов), входящих в состав, на величину Δm, называемую дефектом массы: Δm = (Zm_p + Nm_n) – М.

Энергия связи атомного ядра Е_св равна произведению дефекта масс на квадрат скорости света: Е_св = Δmс².

Массу ядер удобно выражать в атомных единицах массы: 1 а.е.м. = 1,67 • 10^–27 кг.

Ядерными реакциями называются превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействиями с различными частицами или друг с другом. При записи ядерных реакций используются законы сохранения заряда и массового числа (числа нуклонов).

Например, осуществлена ядерная реакция , в результате которой получен изотоп натрия и некоторая частица, которую нужно определить. Находим сумму массовых чисел в левой части уравнения. Она равна 26. Вычитаем из этого числа массовое число изотопа натрия: 26 – 22 = 4. Следовательно, массовое число неизвестной частицы равно 4. Определяем зарядовое число: сумма зарядовых чисел в левой части равенства равна 13, следовательно, зарядовое число неизвестной частицы 13 – 11 = 2. Таким образом, массовое число образовавшейся в результате реакции частицы 4, а зарядовое число 2. Это — альфа-частица. Уравнение имеет вид: 

Термоядерный синтез

Термоядерный синтез — это разновидность ядерной реакции. В ходе ядерной реакции ядро атома взаимодействует либо с элементарной частицей, либо с ядром другого атома, за счет чего состав и строение ядра изменяются. Тяжелое атомное ядро может распасться на два-три более легких —  это реакция деления. Существует также реакция синтеза: это когда два легких атомных ядра сливаются в одно тяжелое.

В отличие от ядерного деления, которое может проходить как самопроизвольно, так и вынужденно, ядерный синтез невозможен без подвода внешней энергии. Как известно, притягиваются противоположности, но вот атомные ядра заряжены положительно —  поэтому они отталкиваются друг от друга. Эта ситуация называется кулоновским барьером. Чтобы преодолеть отталкивание, необходимо разогнать эти частицы до сумасшедших скоростей. Это можно осуществить при очень высокой температуре — порядка нескольких миллионов кельвинов. Именно такие реакции и называются термоядерными.

Естественным термоядерным реактором является звезда. В ней плазма удерживается под действием гравитации, а излучение поглощается — таким образом, ядро не остывает. На Земле же термоядерные реакции можно провести лишь в специальных установках (импульсные системы, квазистационарные системы, токамак, торсатрон).

В ходе ядерных и термоядерных реакций выделяется  огромное количество энергии, которую можно использовать в различных целях — можно создать мощнейшее оружие, а можно преобразовать ядерную энергию в электричество и снабдить им весь мир. Энергия распада ядра давно используется на атомных электростанциях. Но термоядерная энергетика выглядит перспективнее. При термоядерной реакции на каждый нуклон (так называются составляющие ядра, протоны и нейтроны) выделяется намного больше энергии, чем при ядерной реакции. К примеру, при делении ядра урана на один нуклон приходится 0,9 МэВ (мегаэлектронвольт), а при синтезе ядра гелия из ядер водорода выделяется энергия, равная 6 МэВ.

В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий (тяжёлый водород, обозначается символами D и ²H — стабильный изотоп водорода с атомной массой, равной 2) и тритий (сверхтяжёлый водород, обозначается символами T и ³H — радиоактивный изотоп водорода), а в более отдалённой перспективе гелий-3  и бор-11.

Курчатовский институт работает над реактором IGNITOR. Германия запустила термоядерный реактор-стелларатор Wendelstein 7-X. Наиболее известен международный проект токамака ИТЭР (ITER, Международный экспериментальный термоядерный реактор) в исследовательском центре Кадараш (Франция).

---

Конспект урока «Ядерные реакции. Ядерный реактор».

11Т Цепная ядерная реакция. Ядерный реактор. Термоядерная реакция. Элементарные частицы

Вариант 1 Часть 1

К каждому из заданий 1–8 даны 4 варианта ответа, из которых только один правильный, укажите его.

1. Ядерная реакция деления тяжелых ядер нейтронами, в результа­те которой число нейтронов возрастает и поэтому может возникнуть самоподдерживающийся процесс деления, называется

1) эндотермической реакцией 2) термоядерной реакцией

3) экзотермической реакцией 4) цепной ядерной реакцией

2. Ядерные реакторы на быстрых нейтронах называют реакторами размножителями. Что размножают такие реакторы?

1) нейтроны

2) разгоняют нейтроны до таких скоростей, при которых они мо­гут осуществлять цепные ядерные реакции, т.е. размножаться

3) ядерное горючее, получая на один килограмм израсходован­ного горючего более килограмма нового ядерного горючего

4) быстрые нейтроны при столкновении с медленными уско­ряют их, и общее число нейтронов, способных осуществлять цепную ядерную реакцию, увеличивается

3. Если масса продуктов ядерной реакции больше массы исходных частиц, то такая реакция

1) не может быть осуществлена в принципе

2) идет самопроизвольно

3) может быть реализована за счёт кинетической энергии ис­ходных частиц

4) ответ неоднозначен

4. Какие вещества из перечисленных ниже используются в качестве топлива АЭС?

А.уран Б.каменный уголь В.графит Г.кадмий

1) только А 2) только Б 3) А и Г 4) А, В и Г

5. В уране-235 может происходить цепная ядерная реакция. Выбе­рите правильное утверждение.

1) при цепной ядерной реакции деление ядра происходит в ре­зультате попадания в него протона

2) при цепной ядерной реакции деление ядра происходит в ре­зультате попадания в него нейтрона

3) в результате деления ядра образуются только электроны

4) нет правильного ответа

11Т Цепная ядерная реакция. Ядерный реактор. Термоядерная реакция. Элементарные частицы

Вариант 2 Часть 1

К каждому из заданий 1–8 даны 4 варианта ответа, из которых только один правильный, укажите его.

1. Реакция синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происхо­дящие при сверхвысоких температурах, называется

1) эндотермической реакцией

2) экзотермической реакцией

3) термоядерной реакцией

4) цепной ядерной реакцией

2. Какие из перечисленных ниже условий являются обязательными для осуществления цепной ядерной реакции деления ядер урана?

А. освобождение при каждом делении ядра двух-трех нейтронов

Б. наличие достаточно большого количества урана

В. высокая температура урана

1) только А 2) только Б 3) только В 4) А и Б

3. Регулирование скорости ядерного деления тяжелых атомов в ядерных реакторах АЭС осуществляется

1) за счет увеличения отпуска электроэнергии потребителям

2) за счет поглощения нейтронов при опускании стержней с поглотителями

3) за счет увеличения теплоотвода при увеличении скорости теплоносителя

4) за счет уменьшения массы ядерного топлива в активной зоне при вынимании стержней с топливом

4. Какие вещества из перечисленных ниже могут быть использова­ны в качестве теплоносителей?

А. жидкий натрий Б.вода

1) только А 2) только Б 3) А и Б 4) ни А, ни Б

5. В обогащенном уране происходит цепная ядерная реакция деле­ния. Выберите правильное утверждение.

1) ядра урана делятся на отдельные протоны и нейтроны

2) в результате деления ядра урана образуются два крупных «осколка» и несколько нейтронов

3) цепную ядерную реакцию вызывает γ– излучение

4) цепную ядерную реакцию вызывают быстрые протоны

6. При каком значении К (коэффициент размножения нейтронов)
идет цепная ядерная реакция в ядерном реакторе?

1) К 1 2) К1 3) К=1 4) К≥ 1

Вариант 1

6. При каком значении К (коэффициент размножения нейтронов) идёт цепная ядерная реакция в атомной бомбе?

1) К 1 2) К = 1 3)К

7. Какие вещества из перечисленных ниже могут быть использова­ны в ядерных реакторах в качестве замедлителя?

А.графит Б.кадмий В.тяжелая вода Г.бор

1)А и В 2)Б и Г 3)А и Б 4)В и Г

8. Протон состоит из

1) нейтрона, позитрона и нейтрино

2) мезонов

3) кварков

4) не имеет составных частей

Часть 2

В задании 9 требуется указать последовательность цифр, соответствующих правильному ответу.

9. Установите соответствие между ядерной реакцией и её видом.
Реакция Вид

А) → 1) реакция деления

Б) → 2) α – распад

В) → 3) β– распад

4) реакция синтеза

Часть 3

Задание 10 представляет собой задачу, полное решение которой необходимо записать.

10. При делении ядра урана-235 в результате захвата медленного нейтрона образуются ксенон-139 и стронций-94. Одновременно вы­деляются три нейтрона. Найдите энергию (в МэВ), освобождающу­юся при одном акте деления.

Вариант 2

7. Критическая масса определяется

A. замедлителем нейтронов Б. типом ядерного горючего

1) только А 2) только Б 3)АиБ 4) ни А, ни Б

8. При каких ядерных процессах возникает антинейтрино?

1) при α-распаде 3)при излучении γ-квантов

2) при β-распаде 4) при любых ядерных превращениях

Часть 2

В задании 9 требуется указать последовательность цифр,
соответствующих правильному ответу.

9.Установите соответствие между ядерной реакцией и ее видом.
Реакция Вид

A) → 1) реакция деления

Б) → 2) α-распад

B) → 3)β-распад

4) реакция синтеза
Часть 3

Задание 10 представляет собой задачу, полное решение которой необходимо записать.

10. При делении одного ядра урана-235 на два осколка выделяется около 200МэВ энергии. Сколько энергии (в Дж) освобождается при сжигании в ядерном реакторе 20г этого изотопа?

4

Содержание:

Ядерная физика:

В экспериментах Резерфорда по изучению рассеяния а-частиц было установлено, что атом состоит из положительно заряженного ядра и электронов.

В ядре, имеющем размер порядка

Атомной единицей массы (а. е. м.) называется

Для завершения построения модели атома необходимо было ответить на вопрос: обладает ли атомное ядро структурой, и если обладает, то какой?

Наличие в ядре положительно заряженных частиц — протонов было экспериментально доказано Резерфордом в 1919 г. Протон, обозначаемый латинской буквой р, представляет собой ядро атома водорода. Он обладает массой кг и положительным зарядом Кл, который по модулю равен заряду электрона.

В 1930 г. немецкие ученые Вальтер Боте и Г. Беккер, изучая реакции, происходящие при облучении бериллия а-частицами, обнаружили новое излучение, обладающее очень большой проникающей способностью, первоначально названное бериллиевыми лучами. В 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик провел эксперименты по изучению свойств этого излучения и установил, что бериллиевые лучи состоят из электрически нейтральных частиц. Эти частицы он назвал нейтронами (от английского слова neutron-нейтральный).

За открытие нейтрона Чедвик получил Нобелевскую премию по физике в 1935 г.

Нейтрон — еще одна частица наряду с электроном, протоном и фотоном. Эта частица обозначается латинской буквой n. Нейтрон имеет массу кг, почти совпадающую с массой протона, электрически нейтрален и поэтому не участвует в электростатических взаимодействиях с атомными ядрами и электронами. Вследствие этого нейтрон движется прямолинейно до тех пор, пока не столкнется с каким-либо атомным ядром. При столкновениях с тяжелыми атомами нейтрон почти не теряет энергию, как упругий мячик, отскакивающий от стены. При столкновении же с легкими атомами (водород, бериллий, углерод) нейтрон передает им часть своей энергии и начинает двигаться медленнее. Вещества, содержащие легкие атомы, называют замедлителями нейтронов. Наиболее эффективными замедлителями нейтронов являются вещества, содержащие водород (например, вода), вследствие того, что масса атома водорода близка к массе нейтрона. Со временем кинетическая энергия нейтрона становится такой же, как кинетическая энергия теплового движения частиц окружающей среды. Такие медленно движущиеся нейтроны называются тепловыми.

После открытия нейтрона в 1932 г. советский ученый Дмитрий Дмитриевич Иваненко и немецкий ученый Вернер Гейзенберг предложили протонно-ней-тронную модель строения ядра. По этой модели ядро состоит из частиц двух типов — протонов и нейтронов (рис. 114).

Согласно современным физическим представлениям, протон и нейтрон являются двумя разными состояниями одной и той же частицы — нуклона (от латинского слова nucleus — ядро). В нейтральном состоянии нуклон является нейтроном, а в заряженном состоянии — протоном.

Нуклоны имеют сложное строение, так как состоят из трех фундаментальных частиц, называемых кварками. Частицы, состоящие из трех кварков, называют барионами. Поэтому нуклоны относятся к классу барионов. Для них введен барионный заряд, обозначаемый буквой В. Необходимость введения барионного заряда обусловлена тем, что до сих пор не обнаружено ни одного явления, в котором не выполняется закон сохранения барионного заряда. Барионный заряд представляет собой безразмерное целое число. У всех барионов В = 1. У частиц, не являющихся барионами (электрон, фотон), В = 0.

Число протонов в ядре называется атомным номером и обозначается буквой Z. Общее число нуклонов называется массовым числом и обозначается буквой А. Число нейтронов в ядре N = A-Z. В настоящее время для химических элементов приняты обозначения (символ элемента), например

Нередко ядра, содержащие одно и то же число протонов, различаются числом нейтронов. Атомы, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов, называются изотопами (от греческих слов — одинаковый и — место) данного химического элемента. Например, хорошо известны изотопы водорода дейтерий и тритий которые содержат, соответственно, один и два нейтрона в ядре (рис. 115). Массы некоторых нейтральных атомов изотопов приведены в таблице 10.

Таблица 10

Массы нейтральных атомов изотопов некоторых химических элементов

Химические свойства элементов определяются не атомной массой, а числом электронов в электрически нейтральном атоме элемента и их распределением по энергетическим уровням. Действительно, атомные массы изотопов различаются, а их химические свойства одинаковы. Например, изотопы водорода и гелия имеют близкие по величине атомные массы, но принципиально разные химические свойства.

• В сельском хозяйстве изотопы применяются для изучения фотосинтеза и для исследования использования растениями фосфора, азота, калия и микроэлементов.
• В медицине они находят применение при диагностике заболеваний, радиоиммунном анализе и томографии.
• В биологии изотопы широко используются при исследовании процессов обмена веществ и биосинтеза.
• В экологии изотопы помогают исследовать перенос, накопление и распад различных загрязнителей в воздухе, воде и почве. С их помощью определяются причины и масштабы загрязнения окружающей среды.

В рамках протонно-нейтронной модели ядра возникает вопрос о его устойчивости. Между протонами действуют силы электростатического отталкивания огромной величины. Если считать расстояние между протонами м, то модуль силы отталкивания Н, что является очень большой силой для частицы массой порядка кг. Причина устойчивости ядра кроется в существовании внутри него, кроме сил электростатического отталкивания, еще и сил ядерного взаимодействия между нуклонами, отличающихся по своей природе от сил как электромагнитных, так и гравитационных. Взаимодействия между нуклонами называют сильными взаимодействиями. Соответствующие им ядерные силы обладают рядом отличительных свойств:

1. являются силами притяжения;
2. примерно на 2 порядка превосходят по величине кулоновские силы отталкивания в ядре;
3. проявляются на расстояниях порядка м, т. е. являются короткодействующими;
4. не зависят от электрического заряда взаимодействующих нуклонов;
5. обладают свойством насыщения, что означает, что находящиеся внутри ядра нуклоны могут взаимодействовать только со своими ближайшими соседями.

Модуль силы гравитационного взаимодействия между нуклонами порядка меньше модуля силы их электростатического взаимодействия!

Многочисленные эксперименты показали, что ядра имеют примерно сферическую форму, а объем ядра пропорционален массовому числу Л. Для оценки радиуса ядра можно использовать формулу

Определим плотность р ядерного вещества, для чего массу ядра, например, атома водорода (это масса протона) разделим на объем ядра . Расчеты дают:

Если бы можно было изготовить спичечную головку из такого вещества объемом несколько кубических миллиметров, то она имела бы массу около миллиона тонн. Это соответствует массе воды в кубическом резервуаре со стороной 100 м.

Можно показать, что все ядра имеют примерно одинаковую плотность. Используя формулу Эйнштейна, связывающую массу и энергию, , массу можно выразить в единицах энергии электронвольтах. Связь между различными единицами массы определяется следующими соотношениями:

Массы всех ядер, за исключением ядра водорода, меньше, чем сумма масс образующих их протонов и нейтронов в свободном состоянии. Величина этой разности масс характеризует степень связи нуклонов в данном ядре. Ее называют дефектом масс. Дефект масс — это разность между суммарной массой всех нуклонов ядра в свободном состоянии и массой ядра:

В соответствии с законом взаимосвязи массы и энергии {) дефекту масс соответствует некоторое изменение энергии . Следовательно, при образовании ядра выделяется энергия , а при его расщеплении такое же количество энергии поглощается. Эта энергия получила название энергии связи ядра.

Таким образом, под энергией связи атомного ядра понимается минимальная энергия, необходимая для расщепления ядра на отдельные нуклоны:

Поскольку в ядерной физике масса частиц выражается в атомных единицах массы (а. э. м.), энергия — в мегаэлектронвольтах (МэВ), выражение для энергии связи можно записать в виде:

Рассчитаем энергию связи нуклонов в ядре. Предположим, что ядро состоит из 4 протонов и 4 нейтронов (ядро бериллия ). Масса протона = 938,28 МэВ, масса нейтрона = 939,57 МэВ. Суммарная масса всех частиц составляет = 7511,4 МэВ, масса ядра бериллия — = 7454,7 МэВ. Отсюда дефект масс = 56,7 МэВ. Это и есть, согласно нашему определению, энергия связи атомного ядра. Эта энергия распределена между всеми 8 нуклонами ядра бериллия. Следовательно, на каждый приходится примерно 7 МэВ, что подтверждается экспериментальными данными. Отметим, что энергия связи притягивающихся частиц является отрицательной величиной.

Характеристикой устойчивости ядер служит удельная энергия связи ядра, т. е. энергия связи, приходящаяся на один нуклон. Она равна отношению энергии связи к массовому числу — Значит, чем больше значение , тем сильнее связан каждый нуклон в ядре, следовательно, тем устойчивее ядро. График зависимости удельной энергии связи от массовых чисел ядер (A) приведен на рисунке 116.

Видно, что кривая имеет пологий максимум в средней части. При этом (A) быстро возрастает от = 1 МэВ при А = 1 до = 8МэВ при А — 16. Максимум = 8,8 МэВ достигается при А = 60 (). Затем удельная энергия связи ядра постепенно уменьшается до = 7,6 МэВ для урана. Поэтому наиболее устойчивы ядра со средними значениями массовых чисел {15—60). Более легкие ядра имеют тенденцию к слиянию (реакции синтеза), а более тяжелые — к распаду (реакции деления).

Это означает, что реакции синтеза легких и деления тяжелых ядер являются энергетически выгодными, так как сопровождаются увеличением энергии связи. Следовательно, при таких реакциях будет происходить выделение энергии (см. рис. 116).

Ядерные силы действуют только между данным нуклоном и его непосредственными соседями. Вместе с тем между протонами в ядре действуют электростатические силы отталкивания. Для ядер с достаточно большими атомными номерами кулоновское отталкивание превышает ядерное притяжение. Таким образом, должен существовать предел, при котором добавление протонов уже не может образовать устойчивое ядро. Оказывается, что не существует устойчивых ядер с порядковым номером Z > 83.

Для стабильности ядра его масса должна быть меньше суммы масс составляющих его нуклонов. Действительно, устойчивые ядра с порядковыми номерами до Z = 20 имеют приблизительно одинаковое число протонов и нейтронов (ZN). При Z > 20 в устойчивых ядрах отношение числа нейтронов к числу протонов начинает возрастать. Чем больше нуклонов добавляется при образовании более массивных ядер, тем больше становится среднее расстояние между нуклонами. В результате электростатические силы отталкивания становятся больше ядерных сил притяжения, и создать массивное устойчивое ядро можно, только увеличивая опережающими темпами число нейтронов.

Белорусским ученым Владимиром Григорьевичем Барышевским сделаны два открытия. В 1964 г. им (совместно с М. И. Подгорецким) предсказано новое физическое явление — ядерная прецессия спина нейтрона, которое экспериментально наблюдалось в 1972 и 1973 гг. В 1965 г. им (совместно с В. Л. Любошицем) теоретически предсказано явление вращения плоскости поляризации гамма-квантов в веществе с поляризованными электронами. Оно экспериментально наблюдалось в Санкт-Петербургском институте ядерной физики и в Германии. Барышевским также предсказано явление вращения спина ультрарелятивистских частиц в изогнутых кристаллах (1979 г.), которое экспериментально подтверждено в 1990—1992 гг. в лаборатории им. Ферми (США).

Пример №1

Вычислите энергию, выделяющуюся при ядерной реакции:

Решение

Из периодической системы химических элементов Менделеева найдем массы частиц (в атомных единицах массы), вступивших в реакцию и полученных после нее: а. е. м. Масса частиц, вступивших в реакцию:

Масса частиц после реакции:

Дефект масс:

Энергия, выделившаяся в результате реакции:

Ответ:

Ядерные реакции. Энергетический выход ядерных реакций

Ядерной реакцией называется превращение атомных ядер, вызванное их взаимодействиями с какими-либо частицами или друг с другом. В большинстве реакций участвуют два ядра и две частицы; первая пара «ядро — частица» называется исходной, а вторая — конечной. Суммарный электрический и барионный заряды в ходе реакции должны сохраняться.

Символически ядерные реакции записываются в следующем виде:

А + а  В + b.

Здесь А — исходное ядро, а — бомбардирующая частица, В — конечное ядро, b — испускаемая частица. Для протонов и нейтронов в ядерной физике приняты соответственно символические обозначения: . Для осуществления ядерной реакции под действием положительно заряженной частицы необходимо, чтобы частица обладала кинетической энергией, достаточной для преодоления сил кулоновского отталкивания.

При малых энергиях бомбардирующих частиц согласно представлениям, развитым Бором, ядерные реакции происходят в два этапа.

На первом этапе ядро поглощает частицу и образуется составное ядро в возбужденном состоянии. Энергия поглощенной частицы распределяется между всеми нуклонами составного ядра. При этом энергия, приходящаяся на каждый нуклон, меньше удельной энергии связи.

На втором этапе вследствие обмена энергиями между нуклонами на одном (нескольких) из них может сконцентрироваться энергия, достаточная для преодоления действия ядерных сил и вылета из ядра. В результате исходное ядро превращается в конечное и испускаемую частицу. Промежуток времени от поглощения частицы исходным ядром до испускания частицы (время жизни ядра в возбужденном состоянии) составляет порядка с.

Исторически первой ядерной реакцией под действием а-частиц считается реакция, в результате которой Резерфордом был открыт протон:

где * означает составное ядро в возбужденном состоянии.

Нейтрон был открыт Чедвиком в реакции радиоактивного превращения ядер бериллия в изотоп углерода при бомбардировке а-частицами:

Одна из самых известных ядерных реакций — первое искусственное получение Фредериком и Ирен Жолио-Кюри в 1934 г. радиоактивного изотопа фосфора (рис. 117):

Далее изотоп фосфора превращается в изотоп кремния :

с испусканием позитрона (рис. 118). Эта частица имеет все свойства (массу, спин, заряд) электрона, но отличается знаком заряда.

Ядерные реакции бывают двух типов: эндотермические (с поглощением энергии) и экзотермические (с выделением энергии).

Если сумма масс исходного ядра и частиц, вступающих в реакцию, больше суммы масс конечного ядра и испускаемых частиц, то энергия выделяется, и наоборот.

Рассчитаем выход некоторой ядерной реакции А + а  В + b. Если сумма масс частиц до реакции , а после реакции — , то разность энергий конечного и исходного состояний частиц

Если < 0, то при данной реакции энергия выделяется, а если > О, то — поглощается. Энергия, высвобождающаяся при ядерной реакции, называется энергетическим выходом ядерной реакции.

Пример №2

Напишите ядерную реакцию, происходящую при бомбардировке бериллия а-частицами и сопровождающуюся испусканием нейтронов.

Решение

Для записи ядерных реакций необходимо знать законы сохранения массового числа и электрического заряда:

Массовое число вступивших в реакцию частиц равно массовому числу образовавшихся частиц:

Откуда A=12.

Суммарный электрический заряд частиц, вступивших в реакцию, равен суммарному заряду образовавшихся частиц:

4 + 2 = Z + 0.

Откуда Z = 6.

Из периодической системы химических элементов Менделеева находим, что искомым элементом является углерод  Можем записать реакцию:

Ответ:

Радиоактивность

Историю ядерной физики принято отсчитывать с 1896 г. Именно в этом году французский физик Антуан Анри Беккерель обнаружил, что соли урана обладают способностью засвечивать фотопластинку, испуская самопроизвольно какое-то излучение. Это новое явление получило название радиоактивности (от латинских слов radio — испускаю лучи, action — действенный).

Радиоактивность — явление самопроизвольного превращения ядер неустойчивого изотопа одного химического элемента в ядра изотопа другого элемента, сопровождающееся испусканием частиц или ядер или коротковолновым электромагнитным излучением.

В 1898 г. Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли новые радиоактивные химические элементы — радий и полоний. Вскоре были открыты и другие радиоактивные элементы. В 1903 г. Резерфорд и Содди выдвинули гипотезу, согласно которой радиоактивные излучения возникают при распаде атомных ядер. Исследования подтвердили эту гипотезу и доказали, что источником радиоактивности являются ядра.

Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри получили Нобелевскую премию по физике 1903 г. за исследование радиоактивности и открытие радия. Радий по латыни означает «испускающий луч», а полоний назвали в память о родине Марии Склодовской-Кюри — Польше.

В 1898 г. Резерфорд обнаружил, что по проникающей способности излучение можно разделить на три различных вида. Излучение одного вида не проходило
сквозь лист бумаги, второго — не проникало сквозь алюминиевую пластинку толщиной до 3 мм, а третьего — проходило сквозь слой свинца толщиной в несколько см (рис. 119).

Эти три вида излучения были названы  первыми тремя буквами греческого алфавита: -излучением. Впоследствии было обнаружено, что все виды излучения представляют собой известные частицы: а-излучение — это ядра атомов гелия (также обозначается ), р-излучение — электроны, -излучение — фотоны очень большой энергии. Радиоактивные излучения по-разному ведут себя в электрических (рис. 120, а) и магнитных (рис. 120, б) полях.

Наиболее загадочной была спонтанность излучений и присутствие в них а-частиц. Появление их можно было объяснить тем, что а-частицы выбрасываются из ядер урана, так как положительные заряды содержатся только в ядрах атомов.

При а-распаде начального (так называемого материнского) ядра   продуктом распада оказывается изотоп Y с атомным номером Z — 2 и массовым числом А-4:

 (1)

Особенности а-распада:

1. наблюдается для ядер с атомным номером Z > 83;
2. энергия а-частиц для различных ядер лежит в пределах (2—9) МэВ;
3. энергии и модули скорости испускаемых а-частиц в пучке практически одинаковы.

Примером а-распада является реакция в ходе которой получается радиоактивный радон (рис. 121).

При -распаде ядра образуется изотоп с атомным номером Z + 1 и таким же массовым числом, как у материнского ядра, и испускается электрон. Для электронов в ядерной физике принято обозначение . С учетом этого реакцию -распада можно записать следующим образом:

    (2)

Закономерности ядерных превращений (1) и (2) при а— и -распадах, установленные в 1913 г. английским ученым Фредериком Содди и польским ученым Казимежем Фаянсом, называются правилом смещения (сдвига).

Особенности -распада:

1. наблюдается при радиоактивном распаде ядер с большими и средними значениями массовых чисел;
2. модули скоростей электронов сильно различаются.

Пример -распада — испускание электрона изотопом стронция:

Согласно квантовой теории p-распада, разработанной в 1934 г. итальянским физиком Энрико Ферми, в момент распада ядра внутри него происходит превращение одного из нейтронов в протон, сопровождающееся возникновением еще двух частиц — электрона и частицы, зарядовое и массовое числа которой равны нулю. Эту частицу, по предложению Ферми, для того чтобы отличить ее от нейтрона, назвали неитрино, что в переводе с итальянского означает «неитрон-чик». Нейтрино обозначается греческой буквой v.

Существование нейтрино было предсказано Вольфгангом Паули на основании закона сохранения энергии в 1931 г.

Свойства нейтрино оказались удивительными. Из-за отсутствия электрического заряда и очень малой массы нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом, и поэтому экспериментально было обнаружено только в 1952—1956 гг. Фактически нейтрино ведет себя по отношению к любому веществу так, как будто вещества нет. Например, в свинце его проникающая способность составляет величину порядка м. Поэтому нейтрино свободно пронизывают космическое пространство, пролетая сквозь Землю, Солнце и другие небесные тела.

О фантастической проникающей способности нейтрино можно судить по такому примеру. Если бы железная плита имела толщину, равную расстоянию от Земли до Солнца, то она задержала бы лишь одно из ста миллионов нейтрино, образующихся в ядерных реакторах.

Реакция распада нейтрона имеет вид:

  (3)

где обозначено антинейтрино.

Эта реакция схематично изображена на рисунке 122.

Нейтрино, так же как и электрон, относят к классу лептонов. Для них введен лептонный заряд, обозначаемый L. Необходимость лептонного заряда обусловлена тем, что до сих пор не обнаружено ни одного явления, в котором не выполняется закон сохранения лептонного заряда. Лептонный заряд, так же как и барионный, представляет собой безразмерное целое число. У всех лептонов L= 1, а у частиц, не являющихся лептонами (например, нуклоны), L = 0.

Из закона сохранения лептонного заряда для реакции (3) следует:

0 = 0+1 +L.

Откуда находим

L = -1.

Таким образом, лептонный заряд нейтрино в данной реакции отрицателен. Поэтому, как следует из определения лептонов, в момент -распада ядра рождается не нейтрино, а антинейтрино (см. рис. 122).

В современной физике каждой частице соответствует своя античастица. Отличие между ними состоит в том, что у античастиц все заряды (электрический, барионный, лептонный) имеют противоположный знак, в то время как массы частиц и соответствующих им античастиц строго одинаковы.

Отметим, что свободный протон в отличие от нейтрона стабилен. Однако в ядре становится возможным превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино:

В отличие от а- и -распадов ядер испускание излучения не приводит к превращениям элементов:

Особенности излучения:

1. коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны
2. не имеет электрического заряда;
3. энергия находится в пределах от десятков килоэлектронвольт до нескольких мегаэлектронвольт.

Обычно излучение сопровождает радиоактивные превращения ядер при а- и -распадах. Конечные ядра (их называют дочерними) находятся в возбужденных состояниях и переходят затем в основные состояния, испуская -фотоны.

Для радиоактивного распада ядра необходимо, чтобы его масса превышала суммарную массу продуктов распада. Поэтому все радиоактивные распады происходят с выделением энергии, т. е. являются экзотермичными.

Неустойчивыми являются как ядра, у которых протонов намного больше, чем нейтронов, вследствие избытка энергии электростатического взаимодействия, так и ядра, у которых нейтронов намного больше, чем протонов.

Многие нестабильные изотопы встречаются в природе. Их радиоактивность называется естественной. Стабильных изотопов известно около 350, искусственных изотопов, получаемых на ускорителях и в реакторах, известно более тысячи. Их радиоактивность называется искусственной радиоактивностью.

В промышленности радиоактивные изотопы применяют для исследования коррозии и износа, для определения расхода различных материалов, скорости и длительности протекания технологических процессов. Гамма-излучение находит широкое применение в медицине. При диагностике заболеваний используют радиоактивный йод (0,3 МэВ). Для лечения злокачественных опухолей применяют излучение с энергией ~1,3 МэВ. Гамма-излучение естественного радиоактивного изотопа калия  служит для определения радиоактивности человеческого тела. В 1903 г. Беккерель получил Нобелевскую премию по физике в «знак признания выдающихся заслуг, выразившихся в открытии самопроизвольной радиации».

Закон радиоактивного распада

Большинство изотопов любого химического элемента превращается в более устойчивые изотопы путем радиоактивного распада. Каждый радиоактивный элемент распадается со своей, только ему присущей скоростью. При этом для каждого радиоактивного ядра существует характерное время, называемое периодом полураспада , спустя которое остается половина имевшихся ядер.

Таким образом, периодом полураспада  называется промежуток времени, за который распадается половина начального количества радиоактивных ядер. Другая половина ядер превращается в более устойчивые изотопы посредством распада.

Период полураспада не зависит от того, в каком состоянии находится вещество: твердом, жидком или газообразном. Кроме того, период полураспада не зависит от времени, места и условий, в которых находится радиоактивное вещество. Поэтому количество радиоактивных ядер «тогда» и «сейчас» непосредственно определяет промежуток времени прошедший с момента образования радиоактивного вещества.

Радиоактивный распад является процессом статистическим и справедлив только при достаточно большом количестве радиоактивных ядер. Вследствие этого невозможно точно предсказать, когда произойдет распад данного ядра. Однако можно оценить, сколько всего ядер распадется за данный промежуток времени.

Установим закон радиоактивного распада. Будем считать, что в начальный момент времени (t = 0) число радиоактивных ядер . Через промежуток времени, равный периоду полураспада, это число будет  еще через такой же промежуток времени —  Спустя промежуток времени, равный n периодам полураспада (t = n), радиоактивных ядер останется

 (1)

Это соотношение выражает закон радиоактивного распада, который формулируется следующим образом:

• число нераспавшихся радиоактивных ядер убывает с течением времени по закону, представленному соотношением (1).

Закон радиоактивного распада позволяет найти число нераспавшихся ядер в любой момент времени.

Приведем экспериментальные данные, которые показывают, что при малом количестве радиоактивных ядер это выражение неприменимо.

На рисунке 123 изображен график распада 47 ядер изотопа фермия , период полураспада которого = 3,5 ч. Из рисунка видно, что пока ядер было достаточно много — от 47 до 12, показательная функция хорошо описывала закон распада.

Однако при меньшем числе ядер, так как распад происходит совершенно случайным образом, истинная зависимость весьма отдаленно напоминает приведенный график.

Периоды полураспада некоторых радиоактивных изотопов веществ приведены в таблице 11.

Таблица 11

Периоды полураспада радиоактивных изотопов веществ

Впервые процесс радиоактивного распада для измерения промежутков времени был использован в 1904 г. Резерфордом. По отношению концентрации урана и его дочернего продукта распада (гелия) он определил возраст урановой породы. Эта работа положила начало ядерной геохронологии — определению возраста различных минералов Земли по радиоактивным долгоживущим веществам. В дальнейшем исследование процессов ядерного синтеза позволило перейти к ядерной космохронологии, т. е. к определению продолжительных промежутков времени, прошедших с момента образования элементов в масштабах Галактики и Вселенной. В основу ядерной космохронологии положена неизменность скорости радиоактивного распада.

В 1927 г. американский ученый Г. Блюмгарт, используя изотоп висмута , впервые определил скорость кровотока у людей.

В 1934 г. венгерский ученый Дьердь фон Хевеши, используя тяжелый изотоп водорода — дейтерий, впервые установил, что в организме человека вода полностью обновляется в течение 14 суток.

В 1946 г. американский физик Уиллард Фрэнк Либби разработал геохронологический метод определения возраста горных пород — по измерению содержания радиоактивного изотопа углерода. Идея метода заключалась в следующем: под действием нейтронов космического излучения некоторая часть азота, находящегося в атмосфере, превращается в радиоактивный изотоп углерода в соответствии с реакцией  МэВ. Период полураспада изотопа углерода ‘gC составляет примерно 5700 лет, однако общая концентрация в атмосфере Земли остается постоянной. Радиоактивный изотоп углерода , так же как и стабильный изотоп углерода , усваивается организмами, и на 1 кг углерода в органических соединениях приходится 5- атомов изотопа углерода . Когда организм погибает, количество атомов углерода уменьшается, и по скорости распада ядер можно определить возраст органических останков. Если в какой-то момент времени кусок окаменевшего дерева содержит 1,0• ядер углерода , то через 5700 лет он будет содержать только 0,50• ядер. В 1960 г. Либби был удостоен Нобелевской премии за разработку радиоуглеродного метода.

Деление тяжелых ядер. Цепные ядерные реакции

Открытие деления урана означало появление нового вида топлива — самой массы материи. Д. Юз

Особый тип ядерных реакций представляют реакции деления ядер элементов, расположенных в конце периодической системы химических элементов Менделеева. В результате таких реакций выделяется огромное количество энергии. Почему это происходит?

Обратимся к графику удельной энергии связи нуклонов, изображенному на рисунке 116. Для тяжелых ядер, например урана , удельная энергия связи, приходящаяся на нуклон, составляет примерно 7,6 МэВ. Напомним, что эта энергия связана с дефектом масс — суммарная масса свободных нуклонов больше массы ядра. Ядра химических элементов из середины периодической системы элементов Менделеева обладают максимальной удельной энергией связи — до 8,8 МэВ на нуклон. Поэтому энергия в ходе ядерной реакции, приводящей к появлению ядер с большей удельной энергией, должна выделяться.

Напрашивается вывод: если удастся расщепить тяжелые ядра на 2—3 более легких осколка, то удельная энергия, приходящаяся на каждый нуклон, уменьшится на величину порядка 1 МэВ. Число нуклонов в каждом ядре урана равно 235. Таким образом, реакция расщепления одного ядра приводит к выделению более 200 МэВ энергии. Даже учитывая всевозможные потери, это число несравнимо с энергией, выделяемой в химических реакциях окисления (горения топлива).

Выводы теоретиков нашли свое подтверждение в ходе многочисленных экспериментов в середине XX в. Основной вопрос заключался в том, как заставить ядро делиться. Бомбардировка а-частицами или протонами неэффективна ввиду их сильного отталкивания ядром. Электроны — слишком легкие «снаряды». Выбор пал на нейтроны. Они достаточно тяжелые (по сравнению с электронами) и в то же время электрически нейтральны. Вследствие этого нейтроны могут беспрепятственно подлетать к ядру-мишени, двигаясь со сколь угодно малой скоростью. Попав в сферу действия ядерных сил, нейтрон ускоряется и проникает в ядро.

Особенность изотопов урана , урана  и плутония  состоит в том, что они делятся тепловыми нейтронами. Хотя в принципе разделить можно любое ядро, а энергетически выгодным деление становится для всех элементов тяжелее серебра, но для этого их необходимо «сильно ударить». Например, ядро золота делится при энергии нейтронов 100 МэВ. Используемые в качестве сырья для получения искусственного горючего уран и торий начинают делиться при энергии нейтронов около 1 МэВ.

Наиболее вероятным является деление ядра на два осколка. Отношение их масс составляет примерно 3 : 2. Вероятность деления на три осколка составляет величину от вероятности деления на два. Реакции деления ядер обычно являются экзотермическими с выделением энергии ~ эВ в каждом акте реакции.

Условия протекания ядерной реакции деления урана :

1. скорость нейтронов должна быть достаточной, чтобы вызвать деление ядер;
2. должны отсутствовать примеси, поглощающие нейтроны;
3. необходимо иметь минимальное количество вещества для осуществления цепной реакции, называемое критической массой. Если масса образца недостаточна, то нейтроны пролетают через него, не попадая ни в одно ядро.

Критическая масса урана составляет примерно 50 кг. При плотности урана — радиус шара такой массы равен примерно 8,5 см.

Показательным примером роли критической массы является стандартная конструкция атомной бомбы. Ядерное горючее содержится в ней в виде отделенных друг от друга порций докритической массы. Обычный взрыв соединяет горючее в единый образец, масса которого превышает критическую. Ядерный взрыв следует через ничтожно малое время.

В 1938 г. немецкие физики Отто Ган, Фриц Штрассман, Лизе Мейтнер, Отто Фриш впервые осуществили реакцию деления урана нейтронами (рис. 124):

Отметим, что сама идея расщепления ядра была столь необычна, что ученый мир вначале не воспринял результаты их экспериментов. И только спустя некоторое время было осознано, что ядро урана распадается на два осколка.

В 1940 г. Георгий Николаевич Флеров и Константин Антонович Петржак обнаружили новый вид радиоактивных превращений — спонтанное деление ядер урана . В процессе деления образуются осколки — изотопы элементов середины периодической системы со значениями Z от 34 (изотоп селена ) до 67 (изотоп гольмия ).

Наглядно процесс деления можно изобразить, представив ядро в виде капли жидкости (рис. 125). Вследствие того, что ядерные силы действуют на расстояниях ~ м, нуклоны взаимодействуют только со своими ближайшими соседями. Вещество ядра практически несжимаемо. Между протонами в ядре, кроме ядерных сил, действуют, в отличие от нейтронов, еще и электростатические силы отталкивания. Вследствие этого протоны располагаются на периферии ядра. Так как ядро устойчиво, то ядерные силы и силы электростатического отталкивания в нем скомпенсированы. Поэтому ядро стремится принять шарообразную форму, аналогично капле жидкости в состоянии невесомости (рис. 125, а).

Согласно капельной модели нейтрон при поглощении ядром передает ему дополнительную энергию (как при нагревании капли жидкости), которая распределяется между всеми входящими в состав ядра нуклонами. Образуется новое промежуточное ядро, находящееся в возбужденном состоянии ()*.

Ядерная «жидкость» начинает совершать колебания, ядро приобретает удлиненную форму типа гантели (рис. 125, б, в, г). Ядерные силы уже не в состоянии удержать все нуклоны вместе. Вследствие электростатического отталкивания двух сгустков ядерной «жидкости» ядро расщепляется на части (рис. 125, д), которые называются осколками деления. Деление сопровождается испусканием нейтронов (рис. 124, e):

При делении ядра урана один нейтрон первоначально вызывает деление одного ядра. Два осколка деления, уже не связанные мощными, но короткодействующими ядерными силами, с большими скоростями разлетаются за счет электростатического отталкивания. Суммарная кинетическая энергия осколков (-170 МэВ) составляет основную долю всей энергии, освобождаемой при делении ядра (-200 МэВ).

Появление осколков — не единственный результат деления ядра. Первоначальное отношение числа нейтронов к числу протонов в ядре-осколке заметно больше значения этой величины для стабильных ядер сравнимой массы. При каждом акте деления ядра образуется 2—3 новых нейтрона, каждый

энергией в среднем 2 МэВ ( ). Образовавшиеся осколки являются

-радиоактивными. Поэтому после ряда их Р-распадов они превращаются в стабильные изотопы. Чаще всего дочернее ядро, образовавшееся после -распада, оказывается возбужденным и переходит в основное энергетическое состояние с испусканием кванта.

Вновь образованные два или три нейтрона вызовут дополнительные акты деления, так что процесс лавинообразно нарастает (рис. 126). Так запускается цепная реакция деления, неконтролируемое (неуправляемое) развитие которой приводит к высвобождению колоссального количества энергии за очень короткий промежуток времени. Подобные процессы происходят при ядерном взрыве (рис. 127).

Цепной реакцией деления называется самоподдерживающаяся реакция деления тяжелых ядер, непрерывно воспроизводящая нейтроны, которые делят новые ядра.

Характеристикой реакции деления является коэффициент размножения нейтронов k — отношение числа нейтронов в данном поколении к числу нейтронов предыдущего поколения. Если k = 1, то число нейтронов в реакторе все время остается неизменным. При k > 1 общее число нейтронов увеличивается со временем и возможно их неконтролируемое размножение, приводящее к взрыву. При k < 1 число нейтронов уменьшается, и реакция с течением времени прекращается.

С учетом всех возможных потерь коэффициент размножения должен быть больше единицы. Нейтроны могут поглощаться различными примесями, покидать область, в которой происходит реакция, терять свою энергию в результате большого числа актов рассеяния.

Цепная ядерная реакция впервые была осуществлена в США Энрико Ферми в 1942 г., в СССР — Игорем Васильевичем Курчатовым в 1946 г.

В ядерных реакциях выполняются законы сохранения энергии и импульса, электрического и барионного зарядов. Именно они позволяют предсказать возможные варианты ядерных превращений.

Называя энергию деления ядра атомной, мы совершаем двойную ошибку. Во-первых, делится не атом, а ядро, а во-вторых, выражение «атомная энергия» в буквальном смысле означает «энергия неделимого». Фредерик Содди в свое время предлагал взамен термин «томная энергия» («энергия делимого») на том основании, что слово tomic (делимый) устранит, по крайней мере, противоречие «деление неделимого». Однако термин «томная» энергия не прижился. Правильно ее называть ядерной энергией.

В 1921 г. Фредерику Содди была присуждена Нобелевская премия по химии «за вклад в химию радиоактивных веществ».

За выдающиеся теоретические и экспериментальные открытия в области ядерной физики Энрико Ферми в 1938 г. был удостоен Нобелевской премии по физике.

Ядерный реактор

Для управления цепной ядерной реакцией необходимо контролировать процесс размножения нейтронов.

При коэффициенте размножения k> 1,006 цепная ядерная реакция может принять неуправляемый характер, а при k= 1,01 практически мгновенно происходит ядерный взрыв.

Ядерный реактор — это устройство, в котором происходит управляемая ядерная реакция деления ядер тяжелых элементов под действием нейтронов. В ходе реакции освобождается энергия, которую можно использовать для производства электрической энергии.

Энергия, освобождаемая при цепной ядерной реакции деления, уносится осколками деления, нейтронами, у-квантами и электронами с сопровождающими их антинейтрино. В конечном итоге эта энергия переходит во внутреннюю энергию, которая выделяется как в самом реакторе, так и в окружающих его материалах (в бетонной защите и пр.).

Ядерный реактор имеет пять основных составных частей (рис. 128):

1)    Активная зона, содержащая ядерное горючее, которое находится в твелах — тепловыделяющих элементах. Они представляют собой очень длинные трубки, проходящие через всю активную зону реактора. Именно в твелах идет цепная реакция. Активная зона окружена отражателем нейтронов, возвращающим их внутрь активной зоны. Хорошим отражателем является бериллий.

В качестве ядерного горючего используются три вида радиоактивных изотопов: урана    и плутония .

2)    Замедлитель быстрых нейтронов (графит, тяжелая вода, бериллий, оксид бериллия, гидриды металлов, органические жидкости). Средняя энергия нейтронов, появляющихся в реакторе, около 2 МэВ. Если энергия нейтронов меньше 0,1 эВ, то их называют тепловыми, так как их скорости -близки к скорости теплового движения. Если энергия нейтронов больше 0,1 МэВ (их скорость), то нейтроны называют быстрыми. Промежуточная область энергий отведена промежуточным (резонансным) нейтронам. Замедлитель эффективно отбирает энергию от быстрых нейтронов, рождающихся в реакции деления (вспомните столкновение двух тел одинаковой массы). Нейтроны замедляются (отсюда и название вещества — замедлитель) до энергий порядка тысячных долей электрон-вольта.

3)    Система охлаждения — теплоноситель для отвода из активной зоны реактора выделяющейся в ней энергии (вода, газы, жидкий натрий). Вода нагревается стенками твелов до температуры 300 °С под давлением порядка 107 Па и выводится из активной зоны. Далее вода превращается в пар и направляется к паровым турбинам, которые применяются для генерации электрической энергии.

4)    Система регулирования предназначена для управления цепной реакцией. В системе регулирования используются кадмий, бор. Это так называемые поглотители — вещества, активно поглощающие нейтроны. Если стержни с поглотителем ввести в активную зону, то коэффициент размножения нейтронов уменьшается. И, наоборот, выведение стержней из активной зоны увеличивает коэффициент размножения. Так достигается управление реакцией. Обычно это делается автоматически. В нештатных ситуациях пре,дусмотрена ручная регулировка погружения стержней.

5)    Система безопасности — оболочка из бетона с железным наполнителем (для защиты окружающего пространства от ионизирующего излучения компонентов топлива и продуктов ядерной реакции).

Ядерные реакторы различаются по типу используемого ядерного горючего, замедлителя и теплоносителя.

Под действием медленных (тепловых) нейтронов делятся лишь достаточно редкие в природе изотопы урана , в то время как гораздо более распространенные изотопы урана    поглощают тепловые нейтроны без деления на осколки. При каждом акте деления урана выделяется в среднем Q= 170 МэВ в виде кинетической энергии разлетающихся осколков. Под действием тепловых нейтронов, кроме ядра урана , еще делятся ядра плутония  Отметим, что изотопы в природе не встречаются и они получаются искусственным путем.

Ядра изотопа урана делятся только под действием быстрых нейтронов. После захвата нейтрона они самопроизвольно превращаются в ядра изотопа плутония 

Полученный изотоп плутония является практически стабильным, так как его период полураспада = 24 400 лет. Изотоп плутония по способности к взаимодействию с нейтронами похож на изотоп урана . При захвате нейтрона ядро плутония делится и испускает 3 нейтрона, способных поддерживать развитие цепной реакции.

Под действием быстрых нейтронов ядро изотопа тория также самопроизвольно претерпевает цепочку распадов, превращаясь в ядро урана :

Уран  также является практически стабильным, так как его период полураспада = 162 ООО лет.

Таким образом, захват быстрых нейтронов изотопами урана и тория позволяет осуществлять воспроизводство ядерного горючего — изотопов плутония и урана .

Оба цикла — урано-плутониевый, в котором ядро урана  превращается в ядро плутония , и ториевый, в котором ядро тория превращается в ядро урана , — используются в реакторах на быстрых нейтронах. Ядерный реактор на быстрых нейтронах выполняет одновременно две функции — производство энергии и воспроизводство ядерного горючего. Именно поэтому он называется еще реактором-размножителем (бридером). Кроме того, в нем можно использовать в качестве горючего не только редкий в природе изотоп урана , но и гораздо более распространенный изотоп урана .

В связи с тем что запасы естественно делящихся изотопов ограничены, возможность осуществления процессов производства ядерного горючего плутония  в реакторах на быстрых нейтронах имеет принципиальный характер для будущего ядерной энергетики. Ядерные реакторы на тепловых нейтронах способны «сжечь» только (0,5- 1)% урана. Применение реактора-раз-множителя позволяет увеличить эффективность использования горючего в десятки раз.

Выработка электроэнергии, основанная на использовании управляемой ядерной реакции, производится на атомных электростанциях (АЭС).

Преимущества атомных электростанций:

1. не потребляют кислород и органическое топливо;
2. не загрязняют окружающую среду продуктами сгорания органического топлива.

Опасные факторы воздействия АЭС на окружающую среду:

1.  нарушение теплового баланса в окрестности АЭС;
2. радиоактивные отходы;
3. радиоактивное загрязнение местности;
4. опасность экологических катастроф.

Первая в мире атомная электростанция была построена в СССР в г. Обнинске и дала первый ток 27 июня 1954 г.

Всем известно о катастрофе, произошедшей на 4-м блоке Чернобыльской атомной станции в 1986 г. В результате нарушения технологических процессов произошло перегревание активной зоны. Последовавший за этим взрыв разрушил оболочку реактора. Большое количество радиоактивных веществ было выброшено в атмосферу. Кратковременному заражению короткоживущими изотопами подверглись огромные территории. Долговременное заражение сделало непригодным для проживания тысячи квадратных километров территории Беларуси, России и Украины, где выпали изотопы стронция (период полураспада порядка 30 лет!) и плутония (период полураспада — десятки тысяч лет).

Одним из видов ядерных реакций являются реакции синтеза легких ядер, эффективно протекающие при сверхвысоких температурах порядка К и самоподдерживающиеся за счет значительного выделения в них энергии. Такие реакции названы термоядерными. Причина выделения энергии та же, что и в случае реакций деления — удельная энергия связи продуктов реакции выше, чем у исходных материалов. Энергетический выход реакции синтеза в расчете на один нуклон примерно в три раза выше, чем при делении. Неуправляемые термоядерные реакции реализованы в водородных (термоядерных) бомбах.

Для управления реакциями синтеза необходимо создать термоядерный реактор. Наиболее вероятна реализация реактора, использующего следующие ядерные реакции синтеза:

Наиболее доступной из реакций синтеза (по области необходимых температур) является реакция между ядрами дейтерия и трития. При этом на один нуклон выделяется 3,5 МэВ, а при реакциях деления — 1 МэВ. Для практического управления термоядерными реакциями важнейшим является создание таких условий, при которых высокотемпературная плазма с помощью магнитных полей устойчиво удерживается в состоянии теплоизоляции. Для этой цели применяются магнитные камеры. Основными видами потерь являются теплота, уходящая через стенки реактора, и тормозное излучение в плазме.

К преимуществам реакций синтеза можно отнести отсутствие проблемы захоронения радиоактивных отходов, высокий выход энергии, экологическую безопасность реактора.

В 2005 г. было принято решение о строительстве Международного экспериментального термоядерного реактора в г. Карадаш (Франция).

Осуществить управляемую термоядерную реакцию пока не удалось. Отметим, что термоядерная реакция происходит в Солнце и других звездах. Основным источником энергии Солнца являются реакции, приводящие к превращению четырех протонов в ядро гелия с выделением энергии 26,72 МэВ:

На Земле в настоящее время удалось осуществить лишь неуправляемую термоядерную реакцию синтеза в водородной бомбе. Сначала в водородной бомбе взрывается находящаяся внутри нее атомная бомба. В результате происходит резкий рост температуры до 10—20 млн К, возникает поток нейтронов и электромагнитного излучения. Нейтроны вступают в реакцию с

I изотопом лития, находящимся в бомбе, в результате которой обращается тритий:

Повышение температуры до необходимого значения вместе с образовавшимся тритием приводят к термоядерной реакции:

Основная часть энергии уносится быстрыми нейтронами (70 %) и ядрами атомов гелия (20 %).

Исследование механизмов ядерного синтеза и распространенности различных ядер дает возможность заглянуть в далекое прошлое, когда «рождались» химические элементы. Изучение радиоактивности, открытие деления и синтеза ядер показали, что на ранних стадиях Вселенная состояла только из самых легких элементов — водорода и гелия, а все более тяжелые элементы образовались в результате ядерных реакций в звездах и при взрывах звезд.

Ионизирующие излучения и их биологическое действие

Заряженные частицы, рентгеновское и излучение, распространяясь в веществе, взаимодействуют с его атомами. За счет своей кинетической энергии частицы излучения могут ионизировать атомы, выбивая из них электроны. Часто одна частица в состоянии ионизировать несколько атомов. Поэтому процесс распространения излучения в веществе сопровождается его сильной ионизацией. Таким образом, ионизирующими называют излучения, взаимодействие которых с веществом приводит к ионизации его атомов и молекул.

Основу биологического действия ионизирующих излучений на живые ткани составляют химические процессы, происходящие в их клетках при поглощении излучений. Ионизация атомов и молекул тканей вещества приводит к повреждению клеток и изменению структуры тканей. Часть атомов и молекул переходит в возбужденное состояние и, возвращаясь в невозбужденное состояние, отдает излишек энергии в виде ультрафиолетового излучения. Под воздействием этого излучения в тканях происходят биохимические реакции, обусловленные образованием новых молекул, чуждых нормальной клетке. В результате нарушается клеточное деление и образование новых клеток. В свою очередь это приводит к хромосомным перестройкам и возникновению мутаций, вызывающих изменения в генах клетки. Таким образом, биологическое действие ионизирующих излучений сказывается не только на данном организме, но и на последующих поколениях.

Повреждение живого организма, вызванное действием ионизирующих излучений, называется лучевой болезнью. Опасность этой болезни усугубляется наличием скрытого периода, т. е. ее симптомы проявляются только через некоторый промежуток времени. Симптомами лучевой болезни являются тошнота, рвота, общая слабость, повышенная температура, выпадение волос, кровоизлияние.

Беккерель первым столкнулся с воздействием радиоактивного излучения на ! ткани живого организма. Он положил пробирку с радием в карман и получил ожог кожи.

Разные виды ионизирующих излучений обладают различной проникающей способностью, поэтому их биологическое действие на живые организмы неодинаково. Например, а-частицы не способны проникнуть через слой кожи. Поэтому они не представляют опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества, испускающие а-частицы, не попадут внутрь организма с пищей, воздухом или через открытую рану, р-излучение обладает большей проникающей способностью: оно проникает в ткани организма на 1—2 см. Проникающая способность излучения очень велика, и задержать его может только достаточно толстая свинцовая или бетонная плита. Чем больше энергии передает излучение тканям живого организма, тем больше в них будет повреждений.

Основную часть облучения население земного шара получает от естественных источников ионизирующих излучений: космических лучей, естественной радиоактивности горных пород и почвы, попадающих в пишу радиоактивных изотопов. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи. В этом случае говорят о внешнем облучении. В то же время они могут находиться в пище, воде, воздухе и попасть внутрь организма. Такое облучение называют внутренним.

Основными источниками внутреннего облучения являются:

1. естественный изотоп углерода содержащийся во всех тканях человеческого организма;
2. естественный радиоактивный изотоп калия  содержащийся в мягких тканях (преимущественно в мышцах);
3. долгоживущий изотоп радия и его короткоживущий изотоп  концентрирующиеся в костных тканях;
4. радон , торий и продукты их распада, вдыхаемые с воздухом и концентрирующиеся в органах дыхания человека.

Кроме того, источники различных ионизирующих излучений избирательно концентрируются в отдельных органах (йод — в щитовидной железе; стронций — в костях; уран — в почках) и подвергают их повышенному облучению.

Основы дозиметрии и радиационной безопасности. Использование ионизирующих излучений

Дозиметрия — область ядерной физики, изучающая действия ионизирующего излучения на вещество.

Количество энергии, переданной организму ионизирующим излучением, называется дозой. Для разработки мер по радиационной безопасности используют понятие коллективной дозы — суммарной дозы, полученной группой людей, подвергшейся (или которой предстоит подвергнуться) облучению.

Энергия излучения W, поглощенная единицей массы m облучаемого тела (тканями организма), называется поглощенной дозой D:

где W — энергия, поглощенная телом (органом, тканью), m — его масса.

В СИ единицей поглощенной дозы является Грей (Гр). I Гр = 1 .

Поглощенная доза излучения равна 1 Гр, если 1 кг вещества поглотил 1 Дж энергии ионизирующего излучения.

Однако эта величина не учитывает того, что при одинаковой поглощенной дозе а-излучение гораздо опаснее р- и у излучений. Для учета этого фактора дозу излучения следует умножить на коэффициент wR, учитывающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма. Он называется взвешивающим коэффициентом излучения. Значения  для различных видов ионизирующих излучений приведены в таблице 12.

Таблица 12

Взвешивающие коэффициенты для различных типов ионизирующих излучений
 

Тип и энергия излучения	Взвешивающий коэффициент ()
Фотоны любых энергий	1
-излучение (электроны любых энергий)	1
Протоны	5
Нейтроны с энергией меньше 10 кэВ	5
Нейтроны с энергией от 10 кэВ до 100 кэВ	10
Нейтроны с энергией от 100 кэВ до 2 МэВ	20
Нейтроны с энергией от 2 МэВ до 20 МэВ	10
Нейтроны с энергией больше 20 МэВ	5
а-частицы и тяжелые ионы	20

Эквивалентная доза Н — это поглощенная доза, умноженная на взвешивающий коэффициент излучения:

В СИ единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв). 1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой поглощенная доза равна 1 Гр и взвешивающий коэффициент равен единице.

Некоторые источники ионизирущих излучений и дозы облучения, получаемые от них, приведены в таблице 13.

Необходимо учитывать также, что одни части тела более чувствительны к облучению, чем другие. Поэтому для определения доз облучения органов и тканей организма используют дополнительные взвешивающие коэффициенты . Например, костная ткань и щитовидная железа имеют коэффициент = 0,03, легкие и красный костный мозг — — 0,12, молочная железа —-0,15.

Таблица 13

Источники ионизирующих излучений и их доля в общем объеме

Источник	Относительная доля, %	Доза облучения,
Естественное фоновое облучение	52	1
Рентгеновские лучи и другие источники	43	0,8
Урановые рудники и другие источники технического происхождения	2	0,04
Радиоактивные осадки после испытаний ядерного оружия	3	0,06
Атомные электростанции	0,14	0,003
Телевизоры, компьютеры и т. д.	0,02	0,0004

При умножении эквивалентной дозы на соответствующие коэффициенты и суммировании по всем органам и тканям получают эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения организма.

На практике широко используются внесистемные единицы:

• рад — единица поглощенной дозы излучения:

1 рад =0,01 Гр;

• бэр (биологический эквивалент рад) — единица эквивалентной дозы: 1 бэр =

Если просуммировать индивидуальные эффективные эквивалентные дозы, полученные группой людей, то получится коллективная эффективная эквивалентная доза. Она измеряется в человеко-зивертах (чел-Зв).

Поскольку многие нуклиды распадаются очень медленно и останутся радиоактивными и в отдаленном будущем, то многие поколения людей получат определенную дозу облучения от какого-либо источника за все время его дальнейшего существования. Эту дозу называют ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозой.

Облучению от естественных источников подвергается любой житель Земли.

Естественный фон составляет около 1,3  на человека. Несмотря на это одни люди получают большую дозу, а другие — меньшую. Это зависит от места проживания, образа жизни. Использование газа для приготовления пищи, герметизация помещений, полеты на самолетах, применение некоторых строительных материалов — все это увеличивает уровень облучения за счет естественных источников. В среднем земные источники ионизирующих излучений обеспечивают более  годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением за счет внутреннего облучения. Остальную часть естественного облучения вносят космические лучи путем внешнего облучения.

Радиационный фон, создаваемый космическими лучами, дает меньше половины внешнего облучения, получаемого населением от естественных источников радиации. Люди, живущие на уровне моря, получают в среднем из-за космических лучей эффективную эквивалентную дозу около 300 . Для людей, живущих выше 2 км над уровнем моря, эта величина в несколько раз больше. При подъеме с высоты 4 км до высоты 12 км уровень облучения за счет космических лучей возрастает примерно в 25 раз.

В среднем примерно эффективной эквивалентной дозы облучения, которую человек получает от естественных источников радиации, поступают от радиоактивных веществ, попавших в организм с водой, пищей и воздухом.

Нуклиды свинца и полония концентрируются в рыбе и моллюсках, поэтому люди, потребляющие много рыбы и других даров моря, могут получить относительно высокие дозы облучения.

Наиболее значительным из всех естественных источников ионизирующих излучений является невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ радон и его дочерние продукты. Именно они ответственны примерно за годовой индивидуальной эффективной дозы облучения, получаемой населением от земных источников радиации.

Главный источник радона — это почва, в которой он постоянно образуется. Но наибольшую опасность представляет попадание паров воды с высоким содержанием радона в легкие вместе с вдыхаемым воздухом, что чаще всего происходит в ванной комнате.

Концентрация радона в ванной комнате примерно в 3 раза выше, чем на кухне, и приблизительно в 40 раз выше, чем в жилых комнатах.

Индивидуальные дозы, получаемые разными людьми от искусственных источников радиации, сильно различаются. Основной вклад вносят медицинские процедуры и методы лечения, связанные с применением ионизирующих излучений. Они используются в медицине как в диагностических целях, так и для лечения. Одним из самых распространенных медицинских приборов является рентгеновский аппарат. Согласно данным по развитым странам на каждую 1000 жителей приходится от 300 до 900 обследований в год, не считая рентгенологических обследований зубов и массовой флюорографии.

Самым современным способом рентгенодиагностики стала компьютерная томография. Ее применение позволило уменьшить дозы облучения в десятки раз. Применение современного флюорогрофа (пульмоскана) позволяет в 10 раз уменьшить получаемую в результате обследования дозу — 0,03 Зв.

Если доза облучения достаточно велика, облученный человек погибнет. Доза облучения порядка 100 Гр вызывает настолько серьезные поражения центральной нервной системы, что смерть наступает в течение нескольких часов или дней.

Доза облучения от 10 Гр до 50 Гр приводит к кровоизлияниям в желудочно-кишечном тракте и летальному исходу через одну-две недели.

При меньших дозах, например 3—5 Гр, при облучении всего тела умрет примерно половина всех облученных из-за разрушения клеток красного костного мозга — главного компонента кровеносной системы организма.

Наиболее чувствительными к поражению ионизирующими излучениями являются кроветворные органы, а наиболее опасными являются дозы, полученные в течение очень малого промежутка времени. Красный костный мозг и другие элементы кроветворной системы теряют способность нормально функционировать при дозах 0,5 — I Гр.

Хрусталик является наиболее уязвимой для радиации частью глаза. Помутневшие участки могут образоваться при дозах облучения 2 Гр и меньше.

К действию ионизирующих излучений крайне чувствительны дети. Чем меньше возраст ребенка, тем сильнее подавляется излучением рост его костей. Суммарной дозы порядка ЮГр, полученной в течение нескольких недель при ежедневном облучении, бывает достаточно, чтобы вызвать аномалии развития скелета.

В Республике Беларусь с 19 апреля 2000 г. введены следующие Нормы радиационной безопасности. Основным пределом доз для населения является эффективная доза, равная 1 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 5 мЗв в год или эффективная доза за период жизни (70 лет) — 70 мЗв. Эквивалентные дозы за год: в хрусталике глаза — 15 мЗв; в коже, кистях и стопах — 50 мЗв.

Защита от излучений:

1. удаление на большое расстояние от источника;
2. ограниченное время пребывания на загрязненной местности;
3. применение веществ, эффективно поглощающих ионизирующие излучения (свинец, бор, кадмий);
4. дозиметрический контроль окружающей местности и продуктов питания;
5. применение веществ, ослабляющих воздействие ионизирующих излучений на организм.

Широкое применение находят ионизирующие излучения в науке и технике. В результате взаимодействия частиц высоких энергий с исследуемым веществом образуются радиоактивные нуклиды. При переходе их в стабильное состояние испускается у-излучение. По виду спектров и интенсивности спектральных линий определяют химический состав вещества и концентрации содержащихся в нем элементов. Для этого метода характерны универсальность методики, быстрота измерения и очень высокая чувствительность. Она достигает величины порядка .

Радиоактивационный метод анализа широко применяется в геологоразведке, особенно при исследовании руд, содержащих редкие и драгоценные металлы. В технике благодаря высокой чувствительности им исследуют скорость износа металлических деталей. Например, так исследуют износ железнодорожных рельсов.

Применение ионизирующих излучений в медицине, биологии, сельском хозяйстве основано на том, что при взаимодействии ионизирующего излучения с живой материей нарушаются межмолекулярные связи. В результате живая клетка либо разрушается, либо теряет способность к воспроизводству. Именно на этом основаны лучевая терапия, стерилизация, обеззараживание отходов.

Лучевая терапия — один из основных методов борьбы с онкологическими заболеваниями. Ее цель заключается в подавлении жизнедеятельности больных клеток с помощью излучений. Основной прогресс этой области связан с переходом к источникам все более высокой энергии (ЗОМэВ и более).

Радионуклиды (изотопы йода, технеция, ксенона, таллия) широко используются в медицинской диагностике.

Радиационная обработка пищевых продуктов обычно преследует одну из двух целей: стерилизацию (или пастеризацию) пищи, позволяющую долго хранить ее в герметичной упаковке, или задержку процессов естественного развития. Например, замедление прорастания картофеля.

При облучении зерна погибают вредные насекомые и их личинки.

По правилам МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии) предельная доза облучения составляет 5  дня населения и 0,05 . для людей вредных профессий (не считая фонового излучения). Основным источником естественного радиационного фона являются радиоактивные вещества в поверхностном слое земной коры, главным образом . Неравномерность их распределения в минералах и изменчивость состава почв приводят к тому, что доза естественного облучения сильно изменяется от места к месту. Так, например, в Лондоне доза естественного облучения равна 0,67 , тогда как в английском городе Абердине — 1,06 .

В Бразилии некоторые районы вблизи Рио-де-Жанейро характеризуются уровнем облучения 20 .

Внимание! Знак, предупреждающий о радиационной опасности, изображен на рисунке 129.

Элементарные частицы и античастицы

Элементарные частицы — первичные, неразложимые далее частицы, которые нельзя считать соединением других частиц, существующих в свободном состоянии. В настоящее время этот термин употребляется для наименования большой группы частиц, не являющихся атомами или атомными ядрами (исключение — протон).

Все элементарные частицы способны взаимодействовать друг с другом. Для всех элементарных частиц характерна способность испускаться и поглощаться (рождаться и уничтожаться) при взаимодействии с другими частицами. Например, нейтрон не состоит из протона, электрона и антинейтрино, а протон — из нейтрона, позитрона и нейтрино, но они могут в них превращаться.

В основу современной классификации элементарных частиц положены типы фундаментальных взаимодействий, в которых они участвуют (табл. 14).

Таблица 14

Относительная интенсивность фундаментальных взаимодействий и соответствующие им кванты

Взаимодействие	Относительная интенсивность	Квант поля
Гравитационное		Гравитон
Электромагнитное		Фотон
Сильное	1	Глюон (мезон)
Слабое

Механизм всех взаимодействий — обменный, т. е. взаимодействие между двумя частицами осуществляется в результате их обмена промежуточной частицей — переносчиком взаимодействия.

Гравитационное взаимодействие проявляется в виде сил всемирного тяготения между всеми телами. Квант гравитационного поля — гравитон (безмассовая частица со спином 2) (рис. 130, а). В настоящее время экспериментально он не обнаружен.

Электромагнитное взаимодействие характерно для всех частиц, обладающих электрическим зарядом. Квант электромагнитного поля — фотон (-квант). Фотоны не только осуществляют электромагнитное взаимодействие, но и наблюдаются в качестве свободных частиц (рис. 130, б).

Сильное взаимодействие (радиус действия м) свойственно адронам (от греческого слова — большой, сильный). Квантом сильного взаимодействия являются мезоны (от греческого слова — средний). В современной теории сильного взаимодействия — квантовой хромодинамике, частицы, переносящие сильное (цветовое) взаимодействие, получили название глюоны (рис. 130, в).

Слабое взаимодействие (радиус действия ~ м) характерно для элементарных частиц — лептонов (от греческого слова Хептод — тонкий, легкий). К ним относятся электрон  электронное нейтрино мюон , мюонное нейтрино  таон , таонное нейтрино и их античастицы. Квантом слабого поля являются частицы (рис. 130, г).

Все заряженные частицы существуют парами. Это так называемый принцип зарядового сопряжения. Оказывается у всех частиц имеются античастицы. У частиц и античастиц все характеристики одинаковы, но заряды (магнитные моменты) противоположны по знаку. Исключение составляют фотон, -мезон, -мезон — истинно нейтральные частицы, т. е. частицы, полностью совпадающие со своими античастицами.

Существование первой античастицы — позитрона (по-латыни positus — положительный) предсказал Поль Дирак в 1928 г. В 1932 г. Карл Андерсон обнаружил позитрон, исследуя космические лучи в камере Вильсона.

Обычно при столкновении медленно движущихся электрона и позитрона они аннигилируют (исчезают), а на их месте возникают два фотона (рис. 131, а)

Для образования этой пары их суммарная энергия должна быть не меньше полной энергии покоя электрона и позитрона, т. е.

С учетом того, что массы электрона и позитрона равны ( = 0,00055 а. е. м.), для их образования необходима энергия 1,02 МэВ. Именно такой энергии фотоны и наблюдаются при аннигиляции электронно-позитронных пар.

Возможен и обратный процесс рождения электронно-позитронной пары в поле ядра за счет энергии фотона:

Этот процесс схематично изображен на рисунке 131, б.

Образование при аннигиляции именно двух (редко трех) фотонов является следствием закона сохранения импульса. Фотоны обладают импульсом, модуль

которого . При медленно движущихся электроне и позитроне образовавшиеся фотоны должны разлетаться в противоположных направлениях так, чтобы их суммарный импульс оказался равным нулю, а энергия каждого 0,51 МэВ.

Общее число частиц с античастицами превышает 350. Из них 30 стабильные со временем жизни не менее с и более 200 — короткоживущие, со временем жизни с. Время жизни зависит от природы взаимодействия. Если распад обусловлен сильным взаимодействием, то время жизни частицы оказывается очень малым ( с), и исторически они были названы резонансами. При распаде, обусловленном слабым взаимодействием, время жизни частицы с и больше, при электромагнитном взаимодействии — с.

Самый многочисленный класс элементарных частиц — адроны. Они делятся на два класса:

• с нулевым спином — мезоны (с целым спином — бозоны);
• с полуцелым спином — барионы (фермионы).

Все сильно взаимодействующие частицы — мезоны и барионы — состоят из субчастиц, называемые кварками. Кварки обнаружены внутри протонов и нейтронов, но не найдены в свободном состоянии. Они имеют заряд .

Барионы состоят из трех кварков, мезоны — из двух. Таким образом, адроны не являются истинно элементарными частицами, так как состоят из субчастиц — кварков. Кварки в адронах взаимодействуют посредством глюонов (электрически нейтральных частиц).

Есть шесть типов («ароматов») кварков — u, d, s, с, Ь, t, каждый из которых существует в трех «цветовых» видах — «зеленом», «синем», «красном».

В настоящее время известно 36 кварков и антикварков, 8 глюонов, 12 пептонов и фотон, т. е. число элементарных частиц равно 57.

Название «кварк» было заимствовано М. Гелл-Маном из книги Джеймса Джойса «Поминки по Финнигану». По-немецки «кварк» — «творог», но в романе это слово означает нечто двусмысленное и таинственное. Этот термин применяется, возможно, потому, что соответствует таинственной роли кварков в физике.

Итоги:

Ядерная физика изучает атомные ядра. Протон и нейтрон являются двумя разными состояниями одной и той же частицы — нуклона.

Число протонов в ядре называется атомным номером и обозначается буквой Z. Общее число нуклонов называется массовым числом и обозначается буквой А. Число нейтронов в ядре N = A-Z.

Ядерные силы — близкодействующие силы притяжения, которые действуют только между данным нуклоном и его непосредственными соседями.

Под энергией связи атомных ядер понимается энергия, необходимая для расщепления ядра на отдельные нуклоны:

Мерой энергии связи является дефект масс — разность между суммарной массой всех нуклонов ядра в свободном состоянии и массой ядра:

Ядерными реакциями называют процессы изменения атомных ядер, вызванные их взаимодействиями с элементарными частицами или друг с другом. В большинстве реакций участвуют два ядра и две частицы; первая пара ядро — частица называется исходной, а вторая — конечной.

Энергия, освобождающаяся при ядерной реакции, т. е. разность энергий покоя ядер и частиц до и после взаимодействия, называется энергетическим выходом ядерной реакции.

Радиоактивность — явление самопроизвольного превращения ядер неустойчивого изотопа одного химического элемента в ядра изотопа другого элемента. Это явление сопровождается испусканием частиц или ядер или коротковолновым электромагнитным излучением.

Радиоактивный распад ядер сопровождается испусканием а- и -частиц и -излучения.

При а-распаде продуктом распада оказывается изотоп с числом протонов Z-2 с испусканием а-частицы:

При -распаде образуется изотоп с атомным номером Z+ 1:

Испускание -излучения не приводит к превращениям элементов:

Закон радиоактивного распада:

Цепной реакцией называется процесс, в котором определенная реакция вызывает последующие реакции такого же типа.

Критической массой называется минимальная масса ядерного горючего, необходимая для поддержания цепной реакции.

Ядерным реактором называется устройство, в котором может происходить самоподдерживающаяся ядерная цепная реакция деления ядер тяжелых элементов под действием нейтронов.

Элементарные частицы — первичные, неразложимые далее частицы, которые нельзя считать соединением других частиц, существующих в свободном состоянии. Основными характеристиками элементарных частиц являются их энергия, масса, заряд.

Для всех элементарных частиц характерна способность испускаться и поглощаться (рождаться и уничтожаться) при взаимодействии с другими частицами. Различают четыре типа фундаментальных взаимодействий:

• гравитационное;
• электромагнитное;
• сильное;
• слабое.

Механизм всех взаимодействий — обменный, т. е. взаимодействие между двумя частицами осуществляется в результате их обмена промежуточной частицей — переносчиком взаимодействия.

Сильное взаимодействие ( м) свойственно адронам.

Частицы, переносящие сильное (цветовое) взаимодействие, получили название глюоны.

Слабое взаимодействие ( м) характерно для истинно элементарных частиц — лептонов.

Каждой частице соответствует своя античастица.

Общее число элементарных частиц с античастицами превышает 350.

Есть шесть типов («ароматов») кварков — u, d, s, с, b, t, каждый из которых существует в трех «цветовых» видах — «зеленом», «синем», «красном».

В настоящее время известно 36 кварков и антикварков, 8 глюонов, 12 лептонов и фотон, т. е. число элементарных частиц равно 57.

В микромире выполняются фундаментальные законы сохранения энергии, импульса и электрического, барионного и лептонного зарядов.

Протонно-нейтронная модель строения ядра атома. Энергия связи ядра атома

В экспериментах Э. Резерфорда по изучению рассеивания -частиц веществом было установлено, что в центральной части атома находится положительно заряженное ядро, имеющее размер порядка  в котором сосредоточено 99,96% массы атома (рис. 145).

Для завершения построения модели атома необходимо было ответить на вопрос: обладает ли атомное ядро структурой, и если обладает, то какой?

Наличие в ядре положительно заряженных частиц — протонов — было экспериментально доказано Э. Резерфордом в 1919 г., а в 1925 г. П. Блэккет впервые получил фотографии следа протона в камере Вильсона. Протон, обозначаемый латинской буквой  представляет собой ядро атома водорода. Он обладает массой  кг и элементарным зарядом 

В 1930 г. немецкие ученые Вальтер Боте и Ганс Беккер, изучая реакции, происходящие при облучении бериллия -частицами, обнаружили новое излучение, обладающее очень большой проникающей способностью, первоначально названное бериллиевыми лучами. В 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик провел эксперименты по изучению свойств этого излучения и установил, что бериллиевые лучи состоят из электрически нейтральных частиц с массой, сравнимой с массой протона. Эти частицы он назвал нейтронами (от англ. neutral — нейтральный).

Нейтрон — еще одна частица наряду с электроном, протоном и фотоном. Эта частица обозначается латинской буквой  Нейтрон имеет массу  почти совпадающую с массой протона, электрически нейтрален и поэтому не участвует в электростатических взаимодействиях с атомными ядрами и электронами. Вследствие этого нейтрон движется в веществе, прямолинейно до тех пор, пока не столкнется с каким-либо атомным ядром. При столкновениях с тяжелыми атомами нейтрон почти не теряет энергию, как упругий мячик, отскакивающий от стены. При столкновении же с легкими атомами (водород, бериллий, углерод) нейтрон передает им часть своей энергии и начинает двигаться медленнее. Вещества, содержащие легкие атомы, называют замедлителями нейтронов. Наиболее эффективными замедлителями нейтронов являются вещества, содержащие водород (например, вода), вследствие того, что масса атома водорода близка к массе нейтрона. Со временем кинетическая энергия нейтрона становится такой же, как кинетическая энергия теплового движения частиц окружающей среды. Такие относительно медленно движущиеся нейтроны называются тепловыми.

Нейтроны устойчивы только в составе стабильных ядер. В свободном состоянии, т. е. находящийся вне ядра, нейтрон является нестабильной частицей. Его время жизни 

 Дж. Чедвик за открытие нейтрона получил Нобелевскую премию по физике W в 1935 г.

После открытия нейтронов в 1932 г. советский физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко и немецкий физик Вернер Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель строения ядра. Согласно этой модели ядро состоит из частиц двух типов — протонов и нейтронов (рис. 146).

В соответствии с современными физическими представлениями протон и нейтрон являются двумя разными зарядовыми состояниями одной и той же частицы — нуклона (от лат. nucleus — ядро). В состоянии без электрического заряда  нуклон является нейтроном, а в состоянии с положительным электрическим зарядом  — протоном.

Число протонов в ядре называется зарядовым числом и обозначается буквой  Зарядовое число совпадает с порядковым номером химического элемента в периодической системе элементов Менделеева. Общее число нуклонов называется массовым числом и обозначается буквой  Протон и нейтрон имеют массовое число  а электрон —  Число нейтронов в ядре равно 

Для характеристики ядра достаточно знать зарядовое  и массовое  числа. Для обозначения атомного ядра применяется такой же символ, как для соответствующего химического элемента. Внизу символа ставится зарядовое число ядра  а вверху — массовое число  Например, запись  обозначает ядро углерода, содержащего 12 нуклонов, 6 из которых протоны, а 6 других — нейтроны.

Атом с определенными значениями зарядового числа  и массового числа  называется нуклидом.

В ядрах одного химического элемента всегда содержится одно и то же количество протонов, а число нейтронов может быть различным. Например, в ядрах углерода число протонов всегда 6, а число нейтронов может быть 5, 6, 7, 8, 9 или 10.

Атомы, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов, называются изотопами (от греч.  (изос) — одинаковый и  (топос) — место) данного химического элемента. Например, хорошо известны изотопы водорода — дейтерий  и тритий  которые содержат, соответственно, один и два нейтрона в ядре (рис. 147).

Массы некоторых нуклидов приведены в таблице 10.

Химические свойства элементов определяются не атомной массой, а зарядовым числом ядра, т. е. числом электронов в электрически нейтральном атоме элемента и их распределением по энергетическим уровням. Действительно, атомные массы изотопов различаются, а их химические свойства одинаковы. Например, нуклиды водорода  и гелия  имеют близкие по величине атомные, массы, но принципиально разные химические свойства.

В биологии изотопы применяются для изучения фотосинтеза, для исследования использования растениями фосфора, азота, калия и микроэлементов, а также процессов обмена веществ и биосинтеза; в медицине — при диагностике заболеваний, для радиоиммунного анализа и томографии; в экологии — для исследования переноса, накопления и распада различных загрязнителей в воздухе, воде, и почве.

В рамках протонно-нейтронной модели ядра возникает вопрос о его устойчивости. Действительно, между протонами, находящимися в ядре, действуют силы электростатического отталкивания огромной величины. Если считать расстояние между протонами  то модуль силы отталкивания  что является очень большой силой для частицы массой порядка  кг.

Чем же объясняется устойчивость ядра, если внутри его действуют такие, огромные силы кулоновского отталкивания между протонами?

Причина устойчивости ядра кроется в существовании, кроме сил электростатического отталкивания между протонами (нуклонами), ядерных сил притяжения между нуклонами. Ядерные силы отличаются по своей природе как от сил электромагнитных, так и сил гравитационных. Они обусловлены неизвестным ранее видом взаимодействия между нуклонами, который называют сильным взаимодействием.

Для характеристики сильных взаимодействий вводится квантовое число — барионный заряд, обозначаемый латинской буквой В. Барионный заряд — одна из внутренних характеристик элементарных частиц. Необходимость введения барионного заряда обусловлена тем, что до сих пор не обнаружено ни одного явления, в котором не выполняется закон сохранения барионного заряда. Этот заряд отличен от нуля для барионов и равен нулю для всех остальных частиц. Барионный заряд представляет собой безразмерное целое число. У всех барионов  Барионный заряд системы частиц равен алгебраической сумме зарядов составляющих его частиц. В частности, барионный заряд атомных ядер равен их массовому числу. Нуклоны относят к классу барионов, и их барионный заряд  У частиц, не являющихся барионами (например, электрон, фотон), 

Ядерные силы обладают рядом отличительных свойств:

1. являются силами притяжения;
2. на расстояниях порядка размера ядра примерно в 100 раз превосходят по величине кулоновские силы отталкивания в ядре;
3. проявляются только на расстояниях между частицами порядка размера ядра  т.е. являются короткодействующими силами; на расстояниях, больших  они не проявляются;
4. не зависят от электрического заряда взаимодействующих нуклонов (ядерные силы между двумя протонами, нейтронами или протоном и нейтроном одинаковы); это свойство называется зарядовой независимостью
5. обладают свойством насыщения; это означает, что находящиеся внутри ядра нуклоны могут взаимодействовать только со своими ближайшими соседями;
6. не являются центральными, т. е. они не направлены по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.

Многочисленные эксперименты показали, что ядра имеют примерно сферическую форму, а объем ядра пропорционален массовому числу  Согласно экспериментальным данным, радиус ядра возрастает в зависимости от массового числа в соответствии с формулой:

Так как размеры протона и нейтрона примерно одинаковы (будем считать их жесткими шариками массой  то объем ядра будет пропорционален массовому числу  ядра. Поскольку объем шара  то плотность ядерного вещества оценим как

Следовательно, все ядра имеют плотность порядка  а один кубический сантиметр ядерного вещества имеет массу 180 млн т.

Если бы можно было изготовить спичечную головку из ядерного вещества объемом несколько кубических миллиметров, то она имела бы массу около миллиона тонн. Это соответствует массе воды в кубическом резервуаре со стороной 100 м.

Для удобства вычислений массы в ядерной физике выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), а энергии — в электронвольтах (эВ). Используя формулу Эйнштейна для энергии покоя  можно выразить массу и в единицах энергии — электронвольтах:  Например, в атомных единицах массы масса электрона  а. е. м., масса протона  а. е. м., масса нейтрона  а. е. м., а в энергетических единицах —  

Связь между различными единицами массы определяется следующими соотношениями:

Энергия связи электрона с ядром атома водорода в основном состоянии равна 13,6 эВ. Это означает, что для ионизации атома водорода требуется совершить работу, равную 13,6 эВ.

А какая энергия необходима для разрушения ядра?

Для удаления нуклона (протона или нейтрона) из ядра необходимо совершить работу против ядерных сил притяжения между нуклонами. Вследствие этого энергия системы «удаленный нуклон — оставшееся ядро» возрастет на величину, равную работе внешних сил.

В соответствии с формулой Эйнштейна в виде  найдем минимальную энергию, необходимую для расщепления ядра на отдельные нуклоны, которая называется энергией связи ядра.

Если массу выражать в атомных единицах массы, а энергию связи в электронвольтах, то выражение (1) можно записать в виде:

Обратите внимание на тот факт, что обычно в таблицах приводятся массы атомов, а не массы ядер. Поскольку при таком подходе учитываются и массы электронов, то для вычисления энергии связи ядра в этом случае пользуются формулой:

где  — масса атома водорода, а  — масса атома.

Для того чтобы получить формулу (2), в соотношении (1) необходимо прибавить и вычесть  и пренебречь энергией связи электронов в атоме, тогда:

Отметим, что так как  больше массы протона  на величину массы электрона  то первое слагаемое включает в себя массу  электронов. Но поскольку’ масса  атома отличается от массы ядра на массу  электронов, то вычисления по формулам (1) и (2) приводят к одинаковым результатам.

Эксперименты показывают, что в связи с устойчивостью ядер для расщепления ядра на отдельные частицы необходимо совершить внешнюю работу, равную энергии связи  данного ядра. При таком процессе энергия поглощается, поскольку энергия системы увеличивается. Соответственно, при образовании ядра (обратный процесс) такое же количество энергии выделяется. Однако согласно формуле Эйнштейна в виде  изменение энергии связано с изменением массы. Следовательно, масса. ядра должна быть меньше суммы масс отдельных нуклонов, образующих его, на величину

Таким образом, массы всех ядер (за исключением ядра водорода) меньше, чем сумма масс образующих их протонов и нейтронов в свободном состоянии. Величина этой разности масс характеризует степень связанности нуклонов в данном ядре. Ее называют дефектом (недостатком) масс.

Дефект масс — это разность между суммарной массой всех нуклонов ядра в свободном состоянии и массой ядра:

Рассчитаем энергию связи нуклонов в ядре. Предположим, что ядро состоит из 4 протонов и 4 нейтронов (ядро бериллия  Масса протона  нейтрона —  Суммарная масса всех частиц составляет  Масса ядра  Отсюда дефект масс  Это и будет согласно определению энергия связи ядра бериллия. Эта энергия распределена между всеми 8 нуклонами ядра бериллия. Следовательно, на каждый нуклон приходится примерно 7 МэВ, что подтверждается экспериментальными данными.

Более удобной характеристикой прочности (связанности) ядер является удельная энергия связи  ядра, т. е. энергия связи, приходящаяся на один нуклон.

Она равна отношению энергии связи к массовому числу:  Соответственно, чем больше значение  тем сильнее связан каждый нуклон в ядре, следовательно, тем прочнее ядро. График зависимости удельной энергии связи от массовых чисел ядер  приведен на рисунке 148.

Из графика видно, что кривая имеет пологий максимум в средней части. При этом  быстро возрастает при малых значениях от  до  Максимум удельной энергии связи ядра  достигается при  Затем удельная энергия связи ядра постепенно уменьшается до значения  для урана. Поэтому наиболее прочны ядра со средними значениями массовых чисел (15—60).

Таким образом, при смещении ядер к центральной части графика удельная энергия связи увеличивается, следовательно, любые ядерные реакции, приводящие к такому смещению, являются энергетически выгодными (сопровождаются

выделением энергии). Из рисунка 148 следует, что подобное смещение возможно при реакциях синтеза (объединения) легких ядер в области изменения  примерно  и при реакциях деления тяжелых ядер в области изменения  примерно  При этом реакции синтеза должны идти мощнее, поскольку подъем графика происходит круче, чем последующее уменьшение удельной энергии связи.

Пример №3

Вычислите энергию, выделяющуюся при ядерной реакции:

Решение

Массы частиц (в атомных единицах массы), вступивших в реакцию, и после нее:  а. е. м. Масса частиц, вступивших в реакцию:

Масса частиц после реакции:

Дефект масс:

 Энергия, выделяющаяся в результате реакции:

Ответ: 

Ядерные реакции. Законы сохранения в ядерных реакциях. Энергетический выход ядерных реакций

Ядерными реакциями называются превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействиями с какими-либо частицами или друг с другом. Для осуществления ядерных реакций необходимо сближение частиц на расстояние действия ядерных сил.

В любой ядерной реакции выполняются законы сохранения энергии, импульса, заряда, массы. Так как все ядра и заряженные частицы, участвующие в реакциях, имеют электрический заряд, кратный или равный элементарному, то как следствие закона сохранения электрического заряда говорят о законе сохранения зарядового числа. Закон сохранения массовых чисел следует из закона сохранения барионного заряда.

Сумма зарядовых и массовых чисел ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядовых и массовых чисел ядер и частиц, получающихся в результате peaкции.

Действие законов сохранения ограничивает возможные варианты ядерных реакций и позволяет предсказать возможные пути (механизмы) ядерных превращений.

Символически ядерные реакции записываются в следующем виде:

Здесь  — исходное ядро,  — бомбардирующая частица,  — конечное ядро,  — испускаемая частица. Для протонов и нейтронов в ядерной физике приняты следующие символические обозначения:  Для осуществления ядерной реакции под действием положительно заряженной частицы необходимо, чтобы частица обладала кинетической энергией, достаточной для преодоления сил кулоновского отталкивания. Нейтроны, в отличие от заряженных частиц, не обладают электрическим зарядом и поэтому могут проникать в атомные ядра при сколь угодно малой кинетической энергии. Это позволяет использовать их особенно эффективно.

В большинстве ядерных реакций, которые называют прямыми ядерными взаимодействиями, участвуют два ядра и две частицы; первая пара «ядро — частица» называется исходной, а вторая — конечной. В таких реакциях энергия, вносимая в ядро, передается преимущественно одному или небольшой группе нуклонов. Время протекания прямой ядерной реакции определяется временем пролета  частицы через область пространства, занимаемого ядром. Такой механизм реакции является основным при больших энергиях бомбардирующих частиц.

При малых энергиях бомбардирующих частиц наряду с прямыми ядерными реакциями в соответствии с представлениями, развитыми впервые Н. Бором, осуществляются также реакции, происходящие в два этапа, с образованием составного ядра (рис. 149):

На первом этапе ядро поглощает (захватывает) частицу и образуется составное ядро в возбужденном состоянии. Энергия поглощенной частицы распределяется между всеми нуклонами составного ядра, причем энергия, приходящаяся на каждый нуклон, меньше удельной энергии связи. На втором этапе вследствие обмена энергией между нуклонами на одном или нескольких из них может сконцентрироваться энергия, достаточная для преодоления ядерных сил и вылета из составного ядра. В результате составное ядро превращается в конечное и вылетающую частицу или -квант и освобождается от избытка энергии. Промежуток времени от поглощения частицы исходным ядром до испускания частицы (время жизни ядра в возбужденном состоянии) составляет величину порядка  т. е. намного больше времени пролета частицы через область пространства, занимаемого ядром.

Исторически первой ядерной реакцией под действием -частиц считается реакция, в результате которой в 1919 г. Э. Резерфордом был открыт протон:

 где  означает составное ядро в возбужденном состоянии.

Нейтрон был открыт Дж. Чедвнком в 1932 г. в реакции радиоактивного превращения ядер бериллия в изотоп углерода при бомбардировке -частицами:

Как одну из самых известных ядерных реакций отметим еще первое искусственное получение Фредериком и Ирен Жолио-Кюри в 1934 г. радиоактивного изотопа фосфора в ходе ядерной реакции (рис. 150):

Далее изотоп  превращается в изотоп 

с испусканием позитрона  (рис. 151). Эта частица имеет все свойства (массу, спин, заряд) электрона, но отличается знаком заряда.

Ядерные реакции бывают двух типов: эндотермические (с поглощением энергии) и экзотермические (с выделением энергии).

Если сумма масс исходного ядра и частиц, вступающих в реакцию, больше суммы масс конечного ядра и испускаемых частиц, то энергия выделяется, и наоборот.

Рассчитаем энергетический выход некоторой ядерной реакции  Если сумма масс частиц до реакции  а после реакции —  то разность энергий конечного и исходного состояний частиц:

Если  то при данной реакции энергия выделяется, а если  то поглощается. Энергия, высвобождающаяся при ядерной реакции, называется энергетическим выходом ядерной реакции. Подчеркнем, что энергетический выход различных ядерных реакций может достигать сотен мегаэлектронвольт, что в миллионы раз превышает энергетический выход при химических реакциях.

Таким образом, ядерные реакции классифицируются по следующим признакам:

1. по роду участвующих в них частиц (нейтронов, заряженных частиц, излучений);
2. по энергии вызывающих их частиц (малых энергиях (порядка эВ), средних энергиях (МэВ), высоких энергиях (100—1000 МэВ));
3. по роду участвующих в них ядер (легких, средних, тяжелых);
4. по характеру происходящих ядерных превращений (с испусканием нейтронов, заряженных частиц, излучения).

Пример №4

Напишите ядерную реакцию, происходящую при бомбардировке бериллия а-частицами и сопровождающуюся испусканием нейтронов.

Решение

Для записи ядерных реакций необходимо знать законы сохранения массового и зарядового чисел:

Сумма массовых чисел вступивших в реакцию частиц равна сумме массовых чисел образовавшихся частиц:

Отсюда 

Сумма зарядовых чисел частиц, вступивших в реакцию, равна сумме зарядовых чисел образовавшихся частиц:

Отсюда 

Из периодической системы химических элементов Менделеева находим, что искомым элементом является углерод 

Ответ: 

Радиоактивность

Историю ядерной физики принято отсчитывать с 1896 г. Именно в этом году французский физик Антуан Анри Беккерель обнаружил, что соли урана обладают способностью засвечивать фотопластинку, испуская самопроизвольно какое-то излучение. Это новое явление получило название радиоактивности (от лат. radio — испускаю лучи, action — действенный).

Радиоактивность — явление самопроизвольного превращения ядер, сопровождающееся испусканием частиц или ядер или коротковолновым электромагнитным излучением.

В 1898 г. Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли новые радиоактивные химические элементы — радий  и полоний  Вскоре были открыты и другие радиоактивные элементы. В 1903 г. Э. Резерфорд и Ф. Содгда обнаружили, что явление радиоактивности сопровождается превращением одного химического элемента в другой с выделением энергии, которая уносится излучением.

Радий по-латыни означает «испускающий лучи», а полоний назвали в память о родине Марии Склодовской-Кюри — Польше.

В 1898 г. Э. Резерфорд обнаружил, что по проникающей способности излучения можно разделить на три различных вида. Излучение одного вида -частицы) не проходило даже сквозь лист бумаги, второго -частицы) — не проникало уже через алюминиевую пластинку толщиной более 3 мм, а третьего -частицы) — проходило даже сквозь слой свинца толщиной в несколько сантиметров (рис. 152).

Эти три вида излучения были названы согласно первым трем буквам греческого алфавита: -излучением. Впоследствии было обнаружено, что все эти виды излучения представляют собой известные частицы: -излучение — это ядра атомов гелия  (также обозначается  -излучение — электроны, -излучение — фотоны очень большой энергии. Радиоактивные излучения по-разному ведут себя в электрических и магнитных полях (рис. 153).

При —распаде начального (так называемого материнского) ядра  продуктом распада оказывается изотоп  с числом протонов  и массовым числом 

Особенности -распада:

1. наблюдается для природных ядер с  а нестабильные изотопы и при  так как энергетически выгодно становится испускание -частиц;
2. энергия -частиц, вылетающих из различных ядер, находится в основном в пределах 4—9 МэВ;
3. вылетающие -частицы имеют дискретный спектр значений энергии (при распаде данного ядра испускается -частица с определенной энергией).

Примером -распада является реакция  получается радиоактивный радон (рис. 154).

При  —распаде ядра  образуется нуклид с атомным номером  и таким же массовым числом, как у материнского ядра, и испускается электрон. Для

электронов в ядерной физике принято обозначение  С учетом этого реакцию  -распада можно записать следующим образом:

где  — неизвестная в то время частица, зарядовое и массовое числа которой равны нулю.

Поскольку в ядерных превращениях элементы «смещаются» по таблице Менделеева, то закономерности ядерных превращений (1) и (2), установленные в 1913 г. английским ученым Фредериком Содди и польским ученым Казимежем Фаянсом, называются правилами смещения (сдвига).

Особенности  -распада:

• 1) наблюдается при радиоактивном распаде ядер с любыми значениями массовых чисел;
• 2) вылетающие электроны имеют непрерывный спектр значений энергии от 

Пример -распада — излучение электрона нуклидом стронция:

При -распаде ядра, состоящего из нейтронов и протонов, испускаются электроны. Возникает закономерный вопрос: откуда они берутся? И что это за частица 

Согласно квантовой теории -распада, разработанной в 1934 г. итальянским физиком Энрико Ферми, в момент распада ядра внутри него происходит превращение одного из нейтронов в протон, сопровождающееся в соответствии с законами сохранения электрического заряда и энергии возникновением еще двух частиц — электрона и частицы, зарядовое и массовое числа которой равны нулю. Эту частицу, по предложению Ферми, назвали нейтрино, что в переводе с итальянского означает «нейтрончик». Нейтрино обозначается греческой буквой  Именно испускание нейтрино вместе с электроном приводит к тому, что электрон при -распаде может иметь любую энергию от 

Существование нейтрино было предсказано В. Паули на основании закона сохранения энергии в 1931 г. Экспериментально нейтрино было зарегистрировано в 1956 г. в лаборатории Лос-Аламос (США) американскими физиками Ф. Райнесом и К. Коуном.

Свойства нейтрино оказались удивительными. Из-за отсутствия электрического заряда и очень малой массы нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом, и поэтому оно было экспериментально обнаружено только в 1952—1956 гг.

Фактически в любом веществе нейтрино ведет себя так, как будто вещества нет. Например, в свинце средняя длина пробега между взаимодействиями (проникающая способность) составляет величину порядка  Поэтому нейтрино свободно пронизывает космическое пространство, пролетая сквозь Землю, Солнце и другие небесные тела.

О фантастической проникающей способности нейтрино можно судить по такому примеру. Если бы железная плита имела толщину равную расстоянию от Земли до Солнца, то она задержала бы лишь одно из ста миллионов нейтрино, образующихся в ядерных реакторах.

Реакция распада нейтрона имеет вид:

где  обозначено антинейтрино.

Эта реакция схематично изображена на рисунке 155.

Ученым при исследовании особенностей -распада, а также свойств нейтрино (антинейтрино) впервые пришлось иметь дело с еще одним видом фундаментального взаимодействия — слабым взаимодействием. Оно проявляется при взаимопревращениях элементарных частиц. Для характеристики слабых взаимодействий вводится квантовое число — лептонный заряд, обозначаемый латинской буквой  Необходимость введения лептонного заряда обусловлена тем, что до сих пор не обнаружено ни одного явления, в котором не выполняется закон сохранения лептонного заряда. Лептонный заряд так же, как и барионный, представляет собой безразмерное целое число. У всех лептонов  а у частиц, не являющихся лептонами (например, нуклоны),  Нейтрино так же, как и электрон, относят к классу лептонов.

Из закона сохранения лептойного заряда для реакции (3) следует:

Откуда находим:

Таким образом, лептонный заряд нейтрино в данной реакции отрицателен. Следовательно, в момент распада ядра рождается не нейтрино, а антинейтрино (см. рис. 155).

В современной физике каждой частице соответствует своя античастица. Отличие между ними состоит в том, что у античастиц все заряды (электрический, барионный, лептонный) имеют противоположный по отношению к частице знак, в то время как массы частиц и соответствующих им античастиц строго одинаковы.

Отметим, что свободный протон, в отличие от нейтрона, стабилен. Однако в ядре становится возможным -превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино:

Испускание —излучения в отличие от -распадов ядер, не приводит к превращениям элементов:

Свойства -излучения:

1. коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны — 
2. не имеет электрического заряда;
3. спектр -излучения непрерывный; энергия излучения находится в пределах от десятков килоэлектронвольт до нескольких мегаэлектронвольт.

Обычно -излучение сопровождает радиоактивные превращения ядер при — и -распадах. Полученные при ядерных реакциях конечные ядра (их называют дочерними) оказываются в возбужденных состояниях и переходят затем в основные состояния, испуская кванты -излучения.

Все радиоактивные распады происходят с выделением энергии, т. е. являются экзотермичными, так как масса радиоактивного ядра превышает суммарную массу ядер продуктов распада.

Неустойчивыми являются как ядра, у которых протонов намного больше, чем нейтронов, так и ядра, у которых число нейтронов намного больше числа протонов.

Многие нестабильные изотопы встречаются в природе. Их радиоактивность называется естественной радиоактивностью. Стабильных изотопов известно около 270, искусственных изотопов, получаемых на ускорителях и реакторах, — около 3000. Их радиоактивность называется искусственной радиоактивностью.

Основной способ получения радиоактивных изотопов — бомбардировка стабильных изотопов частицами высокой энергии. Для этой цели используют пучки протонов или электронов, разгоняемых в ускорителях, или нейтроны, получаемые в атомных реакторах.

Гамма-излучение находит широкое применение в медицине как в диагностических целях, так и для лечения. При диагностике заболеваний используют радиоактивный йод  Для лечения злокачественных опухолей применяют -излучение с энергией  Гамма-излучение естественного радиоактивного изотопа калия  служит для определения радиоактивности человеческого тела.

В 1903 г. А. Беккерель получил Нобелевскую премию по физике в «знак признания выдающихся заслуг, выразившихся в открытии самопроизвольной радиации». В 1903 г. Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри получили Нобелевскую премию по физике за исследование радиоактивности и открытие радия.

Закон радиоактивного распада

Большинство изотопов любого химического элемента превращается в более устойчивые изотопы путем радиоактивного распада. Каждый радиоактивный элемент распадается со своей, присущей только ему «скоростью». При этом для каждого радиоактивного ядра существует характерное время, называемое периодом полураспада  спустя которое в исходном состоянии остается половина имевшихся ядер. Таким образом, периодом полураспада  называется промежуток времени, за который распадается половина начального количества  радиоактивных ядер. При этом распавшиеся ядра превращаются в ядра других, более устойчивых изотопов.

Отметим, что период полураспада не зависит от того, в каком состоянии находится вещество: твердом, жидком или газообразном. Кроме того, период полураспада не зависит от времени, места и условий, в которых находится радиоактивное вещество. Поэтому количество радиоактивных ядер «тогда»  и «сейчас»  зависит только от промежутка времени  прошедшего с момента начала регистрации процесса распада ядер.

Невозможно точно предсказать, когда произойдет распад данного ядра. Однако можно оценить среднее число ядер, которые распадутся за данный промежуток времени. Таким образом, радиоактивный распад является процессом статистическим и справедлив только при достаточно большом количестве радиоактивных ядер.

Для нахождения закона радиоактивного распада будем считать, что в начальный момент времени  число радиоактивных ядер  Через промежуток времени, равный периоду полураспада, это число будет  еще через такой же промежуток времени —  Спустя промежуток времени, равный  периодам полураспада  радиоактивных ядер останется:

Это соотношение выражает закон радиоактивного распада, который можно сформулировать следующим образом:

• число нераспавшихся радиоактивных ядер убывает с течением времени по закону, представленному соотношением (1).

Закон радиоактивного распада позволяет найти число нераспавшихся ядер в любой момент времени. Подчеркнем, что полученное выражение хорошо описывает распад радиоактивных ядер только тогда, когда их количество достаточно велико.

Приведем экспериментальные результаты, которые показывают, что при малом количестве радиоактивных ядер это выражение неприменимо. На рисунке. 156 изображен график распада 47 ядер изотопа фермия  период полураспада которого  Из рисунка видно, что пока ядер было достаточно много — от 47 до 12, показательная функция хорошо описывала закон распада. Однако при меньшем числе ядер истинная зависимость существенно отличается от показательной функции. Периоды полураспада некоторых радиоактивных изотопов веществ приведены в таблице 11.

 Впервые процесс радиоактивного распада для измерения промежутков времени был использован в 1904 г. Э. Резерфордом. По отношению концентрации урана и его дочернего продукта распада (гелия) он определил возраст урановой породы. Эта работа положила начало ядерной геохронологии — определению возраста различных минералов Земли по радиоактивным долгоживущим веществам. В дальнейшем исследование процессов ядерного синтеза позволило перейти к ядерной космохронологии, т. е. к определению продолжительных промежутков времени, прошедших с момента образования элементов в масштабах Галактики и Вселенной. В основу ядерной космохронологии положена неизменность скорости радиоактивного распада.

В 1921 г. Ф. Содди была присуждена Нобелевская премия по химии «за вклад в химию радиоактивных веществ».

Деление тяжелых ядер. Цепные ядерные реакции

Особый тип ядерных реакций представляют ядерные реакции деления элементов, расположенных в конце периодической системы химических элементов. В результате таких реакций выделяется огромное количество энергии. Почему это происходит? Обратимся к графику удельной энергии связи нуклонов, изображенному на рисунке 148. Для тяжелых ядер, например таких, как  удельная энергия связи, приходящаяся на нуклон, составляет примерно 7,6 МэВ. Напомним, что эта энергия связана с дефектом масс — суммарная масса свободных нуклонов больше, чем масса ядра. Ядра химических элементов из середины периодической системы элементов Менделеева обладают максимальной удельной энергией связи — до 8,8 МэВ на нуклон. Таким образом, при расщеплении тяжелого ядра на 2—3 более легких осколка энергия связи, приходящаяся на каждый нуклон, увеличится на величину порядка 1 МэВ. Согласно закону сохранения энергии такое же количество энергии выделится при делении ядра. Следовательно, в ходе ядерной реакции, приводящей к появлению ядер с большей удельной энергией связи, должна выделяться энергия. Число нуклонов в каждом ядре урана равно 235. Значит, реакция расщепления одного ядра приводит к выделению более 200 МэВ энергии. Даже учитывая всевозможные потери, это число несравнимо с энергией  выделяемой в химических реакциях окисления (горения топлива).

Выводы теоретиков нашли свое подтверждение в ходе многочисленных экспериментов в середине XX в. Основной вопрос заключался в том, как заставить ядро делиться. Бомбардировка -частицами или протонами неэффективна ввиду их сильного отталкивания ядром. Поскольку электроны представляют собой слишком легкие «снаряды», то выбор пал на нейтроны. Они достаточно тяжелые (по сравнению с электронами) и в то же время электрически нейтральны. Вследствие этого нейтроны могут беспрепятственно подлетать к ядру-мишени, двигаясь со сколь угодно малой скоростью. Попав в сферу действия ядерных сил притяжения, нейтрон проникает в ядро.

В 1938 г. немецкие радиохимики Отто Ган, Фриц Штрассман, Лизе Мейтнер, Отто Фриш впервые осуществили реакцию деления  нейтронами:

Отметим, что сама идея расщепления ядра была столь необычна, что ученый мир вначале не воспринял результаты их экспериментов. И только спустя некоторое время было осознано, что ядро урана распадается на два осколка. Данная реакция изображена на рисунке 157.

В 1940 г. советские физики Георгий Николаевич Флеров и Константин Антонович Петржак обнаружили новый вид радиоактивных превращений — спонтанное деление ядер урана  В процессе деления образуются осколки — изотопы элементов середины периодической системы со значениями  от 34 (изотопы селена  до 67 (изотопы гольмия 

Новое явление было названо делением ядра из-за сходства с делением клетки в биологии. Наиболее вероятным является деление ядра на два осколка. Отношение их масс составляет примерно  Вероятность деления на три осколка составляет величину  от вероятности деления на два. Реакции деления ядер обычно являются экзотермическими с выделением энергии  в каждом акте реакции.

Наглядно процесс деления можно изобразить, представив ядро в виде капли заряженной жидкости. Вследствие того, что ядерные силы являются короткодействующими, они действуют только на расстояниях порядка  Поэтому нуклоны взаимодействуют только со своими ближайшими соседями. Вещество ядра практически несжимаемо. Между протонами в ядре, кроме ядерных сил притяжения, действуют, в отличие от нейтронов, еще и электростатические силы отталкивания. Так как ядро устойчиво, то ядерные силы и силы электростатического отталкивания в нем скомпенсированы. Поэтому ядро стремится принять шарообразную форму, аналогично капле жидкости в состоянии невесомости (рис. 158, а).

Согласно капельной модели нейтрон при поглощении ядром передает ему дополнительную энергию (подобно нагреву капли жидкости), которая распределяется между всеми входящими в состав ядра нуклонами. Образуется новое промежуточное ядро, находящееся в возбужденном состоянии 

Ядерная «жидкость» начинает совершать колебания, ядро приобретает удлиненную форму типа гантели (рис. 158, б, в, г). Ядерные силы уже не в состоянии удержать все нуклоны вместе. Вследствие электростатического отталкивания двух сгустков ядерной «жидкости» ядро расщепляется на части (рис. 158, д), которые называются осколками деления. Деление сопровождается испусканием нейтронов (рис. 158, е).

При делении ядра урана один нейтрон первоначально вызывает деление одного ядра. Два осколка деления, уже не связанные мощными, но короткодействующими ядерными силами, с большими скоростями разлетаются за счет электростатического отталкивания. Суммарная кинетическая энергия осколков  составляет основную долю всей энергии, освобождаемой при делении ядра 

Появление осколков не единственный результат деления ядра. Начальное отношение числа нейтронов к числу протонов в ядре-осколке заметно больше значения этой величины для стабильных ядер сравнимой массы.

При каждом акте деления ядра образуется 2—3 новых нейтрона, каждый с энергией в среднем  Образовавшиеся осколки являются  -радиоактивными. Поэтому после ряда их -распадов они превращаются в стабильные изотопы. Чаще всего дочернее ядро, образовавшееся после  распада, оказывается возбужденным и переходит в основное энергетическое состояние с испусканием -кванта.

Используемые в качестве сырья для получения искусственного горючего уран  и торий  начинают делиться при энергии нейтронов около 1 МэВ. Особенность изотопов  состоит в том, что они делятся под действием медленных нейтронов.

 В принципе можно разделить любое ядро, но энергетически выгодным деление становится для всех элементов тяжелее серебра. Для этого их необходимо «сильно ударить». Например, ядро золота делится при энергии нейтронов 

Поскольку деление ядер вызывают нейтроны, а в результате деления опять рождаются нейтроны, то при определенных условиях процесс, начавшись однажды с одного нейтрона, может принять характер цепной реакции: за одним делением последуют другие и т. д.

Ядерная реакция деления, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой же реакции, называется цепной.

Какие же условия необходимы для цепных ядерных реакций?

1. Число вторичных нейтронов 
2. Энергия нейтронов, выделяющихся при делении, должна быть достаточной, чтобы вызвать деление ядер.
3. Должны отсутствовать примеси, поглощающие нейтроны.
4. Необходимо иметь минимальное количество вещества, чтобы нейтроны успели возбудить ядро до выхода из области деления ядер.

Минимальная масса вещества, необходимая для осуществления цепной реакции, называется критической массой. Если масса образца недостаточна, то нейтроны деления пролетают через него практически без возбуждения новых ядер. Наименьшие размеры и массу имеет вещество сферической формы, так как для него отношение площади поверхности к объему минимально. Радиус сферы должен быть больше длины пробега нейтрона до соударения с ядром. Тогда критическую массу урана  можно оценить, и она составляет примерно 48 кг. При плотности урана  радиус шара такой массы равен примерно 8,5 см.

Для изотопа плутония  критическая масса составляет уже 17 кг, что соответствует шару радиусом 6,0 см.

Цепная ядерная реакция впервые была осуществлена в США Энрико Фер-ми в 1942 г., в СССР — под руководством Игоря Васильевича Курчатова I в 1946 г.

Вновь образованные при ядерной реакции деления два или три нейтрона вызовут дополнительные акты деления, так что процесс лавинообразно нарастает (рис. 159). Так запускается цепная реакция деления, неконтролируемое (неуправляемое) развитие которой приводит к освобождению колоссального количества энергии за очень короткий промежуток времени. Подобные процессы происходят при ядерном взрыве (рис. 160).

Количественной характеристикой цепной реакции деления является коэффициент размножения нейтронов:

где  — число нейтронов в данном поколении,  — число нейтронов в предыдущем поколении. Если коэффициент размножения  то число нейтронов в нем все время остается неизменным. При  общее число нейтронов в реакторе увеличивается со временем и возможно их неконтролируемое размножение, приводящее к взрыву. При  число нейтронов уменьшается, и реакция с течением времени прекращается.

Нейтроны могут поглощаться различными примесями, покидать область, в которой происходит реакция, терять свою энергию в результате большого числа актов рассеяния. С учетом всех возможных потерь коэффициент размножения k должен быть больше единицы.

Цепная ядерная реакция будет самоподдерживающейся, если количество нейтронов в каждом следующем поколении не уменьшается.

В ядерных реакциях выполняются законы сохранения энергии и импульса, электрического и барионного зарядов. Именно они позволяют предсказать возможные пути ядерных превращений.

Называя энергию, выделяющуюся при делении ядра, атомной, мы допускаем двойную неточность. Во-первых, делится не атом, а ядро, а во-вторых, выражение «атомная энергия» в буквальном смысле означает «энергия неделимого». Ф. Содди предлагал взамен термин «томная энергия» («энергия делимого») на том основании, что слово «tomic» (делимый) устранит, по крайней мере, противоречие «деление неделимого». Однако «томная» энергия не прижилась, а так и осталась «а-томной». Правильно ее называть ядерной энергией. За выдающиеся теоретические и экспериментальные открытия в области ядерной физики Энрико Ферми в 1938 г. был удостоен Нобелевской премии по физике.

Ядерный реактор

Цепная реакция может быть управляемой и неуправляемой (ядерный взрыв). Для управления цепной реакцией необходимо очень точно контролировать процесс размножения нейтронов (рис. 161), делая его таким, чтобы число нейтронов в процессе реакции оставалось практически неизменным.

При коэффициенте размножения  цепная ядерная реакция может принять неуправляемый характер, а при  мгновенно происходит ядерный взрыв.

Ядерный реактор — это устройство, в котором происходит управляемая цепная ядерная реакция деления ядер тяжелых элементов под действием нейтронов. В ходе реакции освобождается энергия, которую можно использовать для производства электрической энергии.

Энергия, освобождаемая при делении ядра, уносится осколками деления, нейтронами, -квантами и электронами с сопровождающими их антинейтрино. В конечном итоге вся энергия деления ядра, около 200 МэВ, переходит во внутреннюю энергию, которая выделяется как в самом реакторе, так и в окружающих его материалах (в бетонной защите и пр.).

Ядерный реактор имеет пять основных составных частей, изображенных на рисунке 162.

Рис. 162. Схема ядерного реактора: 1 — активная зона с твэлами; 2 — замедлитель (тяжелая вода); 3 — система теплоотвода; 4 — стержни управления реакцией; 5 — защитный корпус

1. Активная зона, которая содержит ядерное горючее, находящееся в специальных тепловыделяющих элементах, или твэлах, (по первым буквам словосочетания). Твэлы представляют собой очень длинные трубки, проходящие через всю активную зону реактора. Именно в них вдет цепная реакция. Активная зона окружена отражателем нейтронов, возвращающим их внутрь активной зоны для продолжения реакции. Хорошим отражателем нейтронов является бериллий.

В качестве ядерного горючего используется три вида радиоактивных изотопов: урана  и плутония 

2. Замедлитель быстрых нейтронов (графит, тяжелая вода, бериллий, оксид бериллия, гидриды металлов, органические жидкости). Средняя энергия нейтронов, появляющихся в реакторе, около 2 МэВ. Если энергия нейтронов меньше 0,1 эВ, то их называют тепловыми, так как их скорости близки к скорости теплового движения, модуль которой  Если энергия нейтронов больше 0,1 МэВ, а модуль их скорости порядка  то нейтроны называют быстрыми. Промежуточная область энергий отведена промежуточным (резонансным) нейтронам. Замедлитель эффективно отбирает энергию у быстрых нейтронов, рождающихся в реакции деления. (Вспомните столкновение двух тел одинаковой массы.) Нейтроны замедляются (отсюда и название вещества — замедлитель) до энергий порядка долей электронвольта.

Под действием медленных (тепловых) нейтронов делятся лишь достаточно редкие в природе изотопы урана  в то время как гораздо более распространенные изотопы  поглощают тепловые нейтроны без деления на осколки. При каждом акте деления  выделяется в среднем  в виде кинетической энергии разлетающихся осколков. Делящиеся под действием тепловых нейтронов изотопы  в природе не встречаются и получаются искусственным путем.

В реакторах на быстрых нейтронах используются урано-плутониевый цикл, в котором ядро  превращается в ядро  и ториевый цикл, в котором ядро  превращается в ядро 

Ядра изотопов  могут делиться только под действием быстрых нейтронов. Однако основной реакцией при взаимодействии с нейтронами является захват нейтрона, после которого они самопроизвольно превращаются в ядра изотопов 

Полугенные изотопы  являются практически стабильными, так как их период полураспада  лет. Плутоний  по способности к взаимодействию с нейтронами похож на изотопы урана  При захвате нейтрона ядро плутония делится и испускает в среднем 3 нейтрона, которые способны поддерживать развитее цепной реакции.

Под действием быстрых нейтронов ядра изотопов тория  также самопроизвольно претерпевают цепочку распадов, превращаясь в ядра изотопов 

Изотопы урана  также являются практически стабильными, так как их период полураспада  лет, но они делятся тепловыми нейтронами.

Таким образом, захват быстрых нейтронов изотопами  позволяет осуществлять воспроизводство ядерного горючего 

Ядерный реактор на быстрых нейтронах выполняет одновременно две функции — производство энергии и воспроизводство ядерного горючего. Именно поэтому он называется еще реактором-размножителем (бридером). Кроме того, в нем можно использовать в качестве горючего не только редкие в природе изотопы урана  но и гораздо более распространенные изотопы урана 

В связи с тем что запасы естественно делящихся радиоактивных изотопов ограничены, возможность осуществления процессов производства ядерного горючего  в реакторах на быстрых нейтронах имеет принципиальный характер для будущего ядерной энергетики. Помимо того, ядерные реакторы на тепловых нейтронах способны «сжечь» только 0,5—1 % урана. Применение ре-актора-размножителя позволяет увеличить эффективность использования горючего в десятки раз.

3. Система охлаждения — теплоноситель (для отвода из активной зоны реактора выделяющейся в ней энергии) — вода, газы, жидкий натрий. Вода нагревается стенками твэлов до температуры  и под давлением порядка  (100 атм) выводится из активной зоны. Далее вода превращается в пар и направляется к паровым турбинам для генерации электрической энергии.

4. Система регулирования — устройство для обеспечения возможности управления цепной реакцией. В системе регулирования используются кадмий, бор. Это так называемые поглотители — вещества, активно поглощающие нейтроны. Если стержни с поглотителем ввести в активную зону, то коэффициент размножения нейтронов уменьшается. И наоборот, выведение стержней из активной зоны увеличивает коэффициент размножения. Этим и достигается управление реакцией. Обычно это делается автоматически. В случае внештатных ситуаций предусмотрена ручная регулировка погружения стержней.

5. Система безопасности — оболочка из бетона с железным наполнителем (для защиты окружающего пространства от ионизирующего излучения компонентов топлива и продуктов ядерной реакции).

Ядерные реакторы различаются по типу используемого ядерного горючего, замедлителя и теплоносителя.

Выработка электроэнергии, основанная на использовании управляемой ядерной реакции, производится на атомных электростанциях (АЭС) (рис. 163).

Преимущества атомных электростанций:

1. не потребляют кислород и органическое топливо;
2. отсутствует загрязнение окружающей среды золой, серой и другими продуктами сгорания органического топлива.

Опасные факторы воздействия АЭС на окружающую среду:

1. нарушение теплового баланса в окрестностях АЭС;
2. радиоактивные отходы;
3. радиоактивное загрязнение местности;
4. опасность экологических катастроф.

Первая в мире атомная электростанция была построена в СССР в г. Обнинске и дала ток 27 июня 1954 г.

Всем известно о катастрофе, произошедшей на 4-м блоке Чернобыльской атомной станции в апреле 1986 г. В результате нарушения технологических процессов произошло перегревание активной зоны. Последующий за этим взрыв разрушил оболочку реактора. Большое количество радиоактивных веществ было выброшено в атмосферу. Кратковременному заражению короткоживущими изотопами подверглись огромные территории. Долговременное заражение сделало невозможными для проживания тысячи квадратных километров территории Беларуси, России и Украины, где выпали наиболее опасные изотопы стронция  (период полураспада 27,7 года) и цезия  (период полураспада около 30 лет). Изотопы концентрируются в костных тканях и костном мозге — органе кроветворения, что приводит к тяжелейшему заболеванию — лейкемии. А изотопы  которые накапливаются в мягких тканях организма, испускают -излучение, наносящее значительные повреждения организму.

Реакции ядерного синтеза

Несмотря на то что атомные электростанции экологически более чистые по сравнению с тепловыми электростанциями и потребляют значительно меньше топлива, у атомной энергетики есть существенные недостатки. Во-первых, радиоактивные элементы (уран и торий) составляют около  по массе в земной коре и их добыча все усложняется. Во-вторых, что делать с растущим количеством радиоактивных отходов?

Эти недостатки можно устранить, если для получения энергии использовать не реакции деления тяжелых ядер, а реакции синтеза легких ядер. Эти реакции эффективно протекают при сверхвысоких температурах порядка  и самоподдерживаются за счет значительного выделения в них энергии. Такие реакции названы термоядерными. Причина выделения энергии та же, что и в случае реакций деления, — удельная энергия связи продуктов реакции выше, чем исходных материалов.

Энергия покоя двух легких ядер больше, чем образованного из них результирующего ядра. Так как результирующее ядро имеет меньшую массу, то при его образовании должна высвобождаться энергия 

Простейшим примером термоядерной реакции является преобразование дейтерия  в гелий 

Массовое число ядра дейтерия  массовое число ядра гелия  В результате реакции синтеза дефект масс:

Это составляет 0,63 % общей массы ядер водорода. В то время как при делении урана дефект масс составляет 0,056 %. Следовательно, для одной и той же массы вещества при ядерном синтезе выделяется примерно в 10 раз больше энергии, чем при делении ядра. Если бы этот процесс удалось использовать для производства энергии, то он оказался бы в 10 раз эффективнее процесса деления урана.

Основное преимущество использования ядерного синтеза для получения энергии заключается, прежде всего, в количестве запасов топлива. Для человечества было бы очень удобно, если бы для реакции синтеза требовались наиболее часто встречающиеся изотопы водорода  но для реакции синтеза их необходимо нагреть до огромной температуры. Дейтерий  вступает в реакцию синтеза при более низкой температуре, чем изотопы водорода  а тритий  — еще при более низкой температуре. Но так как тритий  нестабилен, то в качестве основного ядерного топлива остается лишь дейтерий 

В Мировом океане из 7000 атомов водорода только один является дейтерием  Следовательно, с учетом мировых запасов воды можем найти, что запасы дейтерия составляют 80 000  В результате реакции синтеза водорода, который содержится в 1 л вод Мирового океана, выделяется столько же энергии, сколько выделяется при сгорании 300 л бензина. Значит, из дейтерия, содержащегося в океане, можно получить столько энергии, сколько выделяется при сгорании бензина, объем которого многократно превышает объем Мирового океана, т. е. запасы дейтерия практически неисчерпаемы. Кроме того, при реакциях синтеза не образуются радиоактивные отходы.

Однако серьезным препятствием на пути к получению энергии является электростатическое отталкивание ядер дейтерия. При комнатной температуре оно не позволяет ядрам сблизиться до расстояний, на которых сказываются короткодействующие ядерные силы притяжения. Для преодоления сил отталкивания необходимо нагреть дейтерий  до очень высокой температуры порядка  при которой возможны реакции синтеза. Это является существенным препятствием для широкого применения реакций ядерного синтеза в энергетике. Термоядерная реакция происходит на Солнце и на других звездах. Благодаря огромным массам и размерам в них оптимально решается проблема гравитационного удержания и термоизоляции вещества, представляющего собой плазму.

Основным источником энергии Солнца являются реакции, приводящие к превращению четырех протонов в ядро гелия  с выделением 26,72 МэВ энергии:

В природных условиях такие реакции протекают лишь в недрах звезд, а для осуществления их на Земле необходимо сильно разогреть вещество либо ядерным взрывом, либо мощным газовым разрядом, либо гигантским импульсом лазерного излучения, либо бомбардировкой интенсивным пучком частиц.

Для управления реакциями синтеза необходимо создать термоядерный реактор. Более вероятным является осуществление такого реактора на следующих ядерных реакциях синтеза:

Наиболее доступной из реакций синтеза (по области необходимых температур) и энергетически выгодной является реакция (1) между ядрами дейтерия и трития. При этом на один нуклон выделяется 3,5 МэВ, а при реакциях деления — 1 МэВ. Для того чтобы дейтерий мог проникнуть к ядру трития, ему необходимо иметь энергию порядка 1 МэВ. Рассчитаем температуру, при которой частица может иметь такую энергию.

Средняя кинетическая энергия частицы в газе  тогда:

При такой температуре вещества почти каждое столкновение частиц приводило бы к ядерной реакции, однако на Земле такие условия недостижимы.

В проблеме термоядерного синтеза есть еще один вопрос: где взять тритий? Тритий, не встречающийся в природе, может быть получен в самом термоядерном реакторе, если использовать мощные потоки нейтронов:

Сейчас тритий получают с помощью нейтронов ядерного уранового реактора. Дейтерий присутствует в природном водороде, и его можно получить, разделяя изотопы водорода. Запасы дейтерия в мировом океане огромны, на многие тысячи лет хватит также запасов лития, необходимого для производства другого изотопа — трития.

Для практического управления термоядерными реакциями важнейшим является создание таких условий, при которых высокотемпературная плазма с помощью магнитных полей устойчиво удерживается в состоянии теплоизоляции. Для этой цели применяются магнитные камеры. Основными видами потерь являются теплота, уходящая через стенки реактора, и тормозное излучение в плазме.

К преимуществам использования реакций синтеза для получения энергии относятся:

1. высокий выход энергии;
2. экологическая безопасность реактора;
3. отсутствие проблемы захоронения радиоактивных отходов.

Осуществить управляемую термоядерную реакцию в промышленных масштабах, т. е. добиться энергетического выхода, превышающего затраты, пока не удалось.

На Земле удалось осуществить в настоящее время лишь неуправляемую термоядерную реакцию синтеза при взрыве водородной бомбы. Следует заметить, что сначала в водородной бомбе взрывается находящаяся внутри нее атомная бомба. В результате происходит резкий рост температуры до  возникает поток нейтронов и электромагнитного излучения. Нейтроны вступают в реакцию с изотопами литая, находящимися в бомбе, с образованием трития:

Повышение температуры до необходимого значения вместе с образовавшимся тритием приводит к термоядерной реакции:

Основная часть энергии (70 %) уносится быстрыми нейтронами и ядрами атомов гелия (20 %).

Исследование механизмов ядерного синтеза и распространенности различных ядер дает возможность заглянуть в далекое прошлое, когда «рождались» химические элементы. Изучение радиоактивности, открытие деления и синтеза ядер показали, что на ранних стадиях Вселенная состояла только из самых легких элементов — водорода и гелия, а все более тяжелые элементы образовались в результате ядерных реакций на звездах и при взрывах звезд.

В 2005 г. было принято решение о постройке Международного экспериментального термоядерного реактора в г. Карадаш (Франция), запуск которого намечен на 2018 г.

Ионизирующие излучения. Элементы дозиметрии

Заряженные частицы, рентгеновское и -излучение, распространяясь в веществе, взаимодействуют с его атомами. За счет своей энергии частицы излучения могут ионизировать атомы, выбивая из них электроны. Часто одна частица в состоянии ионизировать несколько атомов, поэтому процесс распространения такого излучения через вещество сопровождается его сильной ионизацией. Вследствие этого ионизирующими называют такие излучения, взаимодействие которых с веществом приводит к ионизации его атомов и молекул (рис. 164).

Основу биологического действия ионизирующих излучений на живые ткани составляют химические процессы, происходящие в их клетках при поглощении ими излучений.

Ионизация атомов и молекул тканей вещества приводит к повреждению клеток и изменению структуры тканей. Часть атомов и молекул переходит в возбужденное состояние и, возвращаясь в невозбужденное состояние, отдает излишек энергии в виде ультрафиолетового излучения. Под воздействием этого излучения в тканях происходят биохимические реакции, обусловленные образованием новых молекул, чуждых нормальной клетке. В результате нарушается клеточное деление и образование новых клеток. В свою очередь это приводит к хромосомным перестройкам и возникновению мутаций, приводящих к изменениям в генах клетки. Таким образом, биологическое действие ионизирующих излучений сказывается не только на данном организме, но и на последующих поколениях.

Повреждения живого организма, вызванные действием ионизирующих излучений, называются лучевой болезнью. Опасность этой болезни усугубляется наличием скрытого периода, т. е. ее симптомы проявляются только через некоторый промежуток времени. Симптомами лучевой болезни являются тошнота, рвота, общая слабость, повышенная температура, выпадение волос, кровоизлияние.

 Беккерель первым столкнулся с «результатами» воздействия радиоактивного излучения на ткани живого организма. Он положил пробирку с радием в карман и получил серьезный ожог кожи.

Разные виды ионизирующих излучений обладают различной проникающей способностью (см. рис. 152). Биологическое действие разных видов излучения на живые организмы неодинаково. Например, -частицы не способны проникнуть через наружный слой кожи. Поэтому они не представляют опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества, испускающие -частицы, не попадут внутрь организма с пищей, вдыхаемым воздухом, на слизистую оболочку или через открытую рану. -Излучение обладает большей проникающей способностью: оно проникает в ткани организма на 1 —2 см. Проникающая способность -излучения настолько велика, что задержать его может только достаточно толстая свинцовая или бетонная плита. Чем больше энергии передает излучение тканям живого организма, тем больше в них будет повреждений.

Основную часть облучения население земного шара получает от естественных источников ионизирующих излучений: космических лучей, естественной радиоактивности горных пород и почвы, попадающих в пишу радиоактивных изотопов. Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи. В этом случае говорят о внешнем облучении. В то же время они могут находиться в пище, воде, воздухе и попасть внутрь организма. Такой способ облучения называют внутренним.

Основными источниками внутреннего фонового облучения человеческого организма являются:

1. естественные изотопы углерода  содержащиеся во всех тканях человеческого организма;
2. естественные радиоактивные изотопы калия  содержащиеся в мягких тканях (преимущественно в мышцах);
3. долгоживущие изотопы радия  и его короткоживущие изотопы  откладывающиеся в костных тканях;
4. радон  торий  и их дочерние продукты распада, вдыхаемые с воздухом и откладывающиеся в дыхательных органах человека.

Кроме того, источники ионизирующих излучений избирательно концентрируются в отдельных органах (йод — в щитовидной железе, стронций — в костях, уран — в почках) и подвергают их повышенному облучению.

Очень важно уметь определять результат действия ионизирующего излучения на вещество, мерой которого является доза. Этим занимается дозиметрия.

Количество энергии, переданной организму ионизирующим излучением, называется дозой (от греч.  (доза) — доля, порция). Существуют различные виды доз в зависимости от вида излучения, вида органа или ткани, подвергшихся облучению.

Энергия излучения  поглощенная единицей массы  облучаемого тела (тканями организма), называется поглощенной дозой 

где  — энергия, поглощенная телом (органом, тканью),  — его масса.

В СИ единицей поглощенной дозы является 1 грей (1 Гр). 

Поглощенная доза излучения равна 1 Гр, если веществом массой I кг поглощено ионизирующее излучение, энергия которого равна 1 Дж.

Поглощенная доза расходуется на нагревание вещества и на его физические и химические превращения. Величина дозы зависит от вида излучения, энергии его частиц, плотности их потока и от состава облучаемого вещества. При одинаковой поглощенной дозе -излучение гораздо опаснее -излучений. Для учета этого фактора дозу излучения следует умножить на коэффициент  учитывающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма. Он называется взвешивающим коэффициентом излучения.

Значения  для различных видов ионизирующих излучений приведены в таблице 12.

Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой. Эквивалентная доза  — это поглощенная доза, умноженная на взвешивающий коэффициент излучения:

В СИ единицей эквивалентной дозы является 1 зиверт (1 Зв).

1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой поглощенная доза равна 1 Гр и взвешивающий коэффициент равен единице.

Необходимо учитывать также, что одни части тела более чувствительны к облучению, чем другие. Поэтому дозы облучения органов и тканей организма необходимо учитывать с разными взвешивающими коэффициентами  Например, костная ткань и щитовидная железа имеют коэффициент  легкие и красный костный мозг —  молочная железа — 

При умножении эквивалентной дозы на соответствующие коэффициенты и суммировании по всем органам и тканям получают эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма.

На практике широко используются внесистемные единицы:

Облучению от естественных источников подвергается любой житель Земли. Естественный фон составляет около 1,3 мЗв в год на человека. Однако одни получают большую дозу, а другие — меньшую. Это зависит от места проживания, образа жизни. Использование газа для приготовления пищи, герметизация помещений, полеты на самолетах, применение некоторых строительных материалов — все это увеличивает уровень облучения за счет естественных источников. В среднем земные источники ионизирующих излучений обеспечивают более  годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением, в основном за счет внутреннего облучения. Остальную часть естественного облучения вносят космические лучи путем внешнего облучения.

Радиационный фон, создаваемый космическими лучами, дает меньше половины внешнего облучения, получаемого населением от естественных источников радиации. Люди, живущие на уровне моря, получают в среднем из-за космического излучения эффективную эквивалентную дозу около 300 мкЗв в год. Для людей, живущих выше 2 км над уровнем моря, эта величина в несколько раз больше. При подъеме с высоты 4 км до высоты 12 км уровень облучения за счет космических лучей возрастает примерно в 25 раз.

При перелете Нью-Йорк — Париж пассажир реактивного самолета получает дозу около 50 мкЗв. Всего за счет использования воздушного транспорта человечество получает в год коллективную эффективную эквивалентную дозу около 2000 чел.-Зв.

В среднем примерно  эффективной эквивалентной дозы облучения, которую человек получает от естественных источников радиации, поступает от радиоактивных веществ, попавших в организм с водой, пищей и воздухом.

Наиболее значительным из всех естественных источников ионизирующих излучений является невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ радон и его дочерние продукты. Именно они ответственны примерно за  годовой индивидуальной эффективной дозы облучения, получаемой населением от земных источников ионизирующих излучений (рис. 165). Главный источник радона — это почва, в которой он постоянно образуется. Основной вклад в индивидуальные дозы, получаемые людьми от искусственных источников радиации, вносят методы лечения, связанные с применением ионизирующих излучений. Они используются в медицине как в диагностических целях, так и для лечения. Одним из самых распространенных медицинских приборов является рентгеновский аппарат. Значительным достижением рентгенодиагностики стала компьютерная томография. Ее применение позволило уменьшить дозы облучения в десятки раз.

Если доза облучения достаточно велика, облученный человек погибнет. Доза облучения порядка 100 Гр вызывает настолько серьезные поражения центральной нервной системы, что смерть наступает в течение нескольких часов или дней. Наиболее чувствительными к поражению ионизирующими излучениями являются кроветворные органы, а наиболее опасными являются дозы, полученные в течение очень малого промежутка времени. Красный костный мозг и другие элементы кроветворной системы теряют способность нормально функционировать при дозах 0,5— 1 Гр.

Для защиты от ионизирующих излучений, по возможности, нужно использовать следующие способы:

1. удаление на большое расстояние от источника;
2. ограничение времени пребывания на загрязненной местности;
3. применение защитных веществ (свинец, бор, кадмий), эффективно поглощающих ионизирующие излучения;
4. применение веществ, ослабляющих воздействие ионизирующих излучений на организм;
5. дозиметрический контроль окружающей местности и продуктов питания. Широкое применение находят ионизирующие излучения в науке и технике.

В результате взаимодействия частиц высоких энергий с исследуемым веществом образуются радиоактивные нуклиды. При переходе их в стабильное состояние испускается -излучение. По виду -спектров и интенсивности спектральных линий определяют химический состав вещества и концентрации содержащихся в нем элементов. Для этого метода характерны универсальность методики, быстрота измерения и очень высокая чувствительность. Она достигает величины порядка 

Радиоактивационный метод анализа широко применяется в геологоразведке, особенно при исследовании руд, содержащих редкие и драгоценные металлы. В технике благодаря высокой чувствительности им исследуют скорость износа металлических деталей, например исследование износа железнодорожных рельсов.

Радионуклиды (изотопы йода, технеция, ксенона, таллия) широко используются в медицинской диагностике.

В качестве приборов для измерения дозы или ее мощности используются дозиметры, способные регистрировать ионизирующие излучения. Шкалы приборов специально проградуированы в единицах дозы либо в единицах мощности дозы.

Внимание! Знак, предупреждающий о радиационной опасности, изображен на рисунке 166.

По правилам МАГАТЭ (Международное Агентство по Атомной Энергии), предельная доза облучения составляет 5 мЗв в год для населения и 0,05 Зв в год для людей вредных профессий (не считая фонового излучения). В Республике Беларусь с 19 апреля 2000 г. введены следующие Нормы радиационной безопасности. Основным пределом доз для населения является эффективная доза, равная 1 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 5 мЗв в год, или эффективная доза за период жизни (70 лет) — 70 мЗв. Эквивалентные дозы за год: в хрусталике глаза — 15 мЗв; в коже, кистях и стопах — 50 мЗв.

Элементарные частицы и их взаимодействия

 Каждый электрон характеризуется собственным механическим моментом движения, который называется спином (от англ. spin — вращать).

Элементарные частицы — первичные, неразложимые далее частицы, которые нельзя считать соединением других частиц, существующих в свободном состоянии.

Элементарные частицы способны взаимодействовать друг с другом. Для всех элементарных частиц характерна способность возникать и поглощаться (рождаться и уничтожаться) при взаимодействии с другими частицами. Например, хотя нейтрон и не состоит из протона, электрона и антинейтрино, но он может превращаться в указанные частицы при взаимодействиях.

Общими характеристиками всех элементарных частиц является масса, время жизни, электрический заряд и спин.

Первоначально классификация элементарных частиц осуществлялась по их массе, что и получило отражение в названиях типов частиц (лептоны — легкие, мезоны — средние, барионы — тяжелые).

Электрические заряды элементарных частиц являются кратными величине элементарного электрического заряда.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы).

Стабильными в пределах точности современных измерений являются электрон, протон, фотон и нейтрино.

К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся за счет электромагнитного и слабого взаимодействий. Их время жизни 

Резонансами (нестабильными частицами) называются элементарные частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия. Их время жизни 

Спин элементарных частиц является целым или полуцелым кратным постоянной Планка 

В основу современной классификации элементарных частиц положены типы фундаментальных взаимодействий, в которых они участвуют (табл. 13).

Из четырех фундаментальных взаимодействий лишь гравитационное является универсальным. Электромагнитные силы оказывают влияние главным образом на частицы, обладающие электрическим зарядом. В слабых взаимодействиях участвуют все частицы, за исключением фотонов. Сильное взаимодействие — самое избирательное. Оно служит основой для разделения элементарных частиц на две обширные группы — группу адронов (от греч.  (адрос) — большой, сильный), которые участвуют в сильных взаимодействиях, и группу лептонов (от греч.  (лептос) — тонкий, легкий), которые не участвуют в сильном взаимодействии.

Внутри этих групп частицы классифицируются по системе квантовых чисел.

Механизм всех взаимодействий — обменный, т. е. взаимодействие между двумя частицами осуществляется в результате их обмена промежуточной частицей — переносчиком взаимодействия.

Гравитационное взаимодействие проявляется в виде сил тяготения между всеми частицами (рис. 167, а). Квант гравитационного поля до настоящего времени экспериментально не обнаружен.

Электромагнитное взаимодействие характерно для всех частиц, обладающих электрическим зарядом. Квант электромагнитного поля — фотон -квант). Фотоны не только осуществляют электромагнитное взаимодействие, но и наблюдаются в качестве свободных частиц (рис. 167, б).

Сильное взаимодействие свойственно адронам. Это самый многочисленный класс элементарных частиц. Характерный масштаб массы адронов задается 

массой протона  Наименьшую массу среди адронов имеет -мезон  наибольшую — -мезон 

Адроны делятся на два класса:

• с целым спином — мезоны (бозоны);
• с полу целым спином — фермионы (барионы).

Среди элементарных частиц выделяют фундаментальные и составные. К фундаментальным элементарным частицам относятся лепгоны и кварки, а к составным — барионы и мезоны. Кварки обнаружены внутри протонов и нейтронов, но не существуют в свободном состоянии. Они имеют заряд или   и являются составными частями адронов. Барионы состоят

из трех различных кварков, мезоны — из кварка и антикварка. Кварки в адронах взаимодействуют посредством глюонов. Объяснение кварковой структуры составных частиц возможно только при наличии у кварка цветового заряда.

В современной теории сильного взаимодействия — квантовой хромодинамике — частицы, переносящие сильное взаимодействие, получили название глюоны (от англ. glue — клей) (рис. 167, в). Глюоны являются электрически нейтральными частицами с нулевой массой покоя и переносят сильное взаимодействие между кварками. Они не существуют в свободном виде, а проявляются только в процессах рождения и уничтожения барионов и мезонов.

Кварки и глюоны обладают особым квантовым числом — цветом (цветовым зарядом). Есть шесть типов («ароматов») кварков —  каждый из которых существует в трех «цветовых» видах — «зеленом», «синем», «красном». Глюоны имеют 8 цветов. Обмен глюонами между кварками меняет цвет кварка. Составные частицы не несут цветового заряда, т. е. являются бесцветными.

Бозоном сильного взаимодействия являются мезоны (от греч.  — средний).

К неучаствующим в сильном взаимодействии лептонам относятся электрон  электронное нейтрино  мюон  мюонное нейтрино  таон  таонное нейтрино  и их античастицы. Массы лептонов составляют (исключение -лептон). Для выделения лептонов как группы элементарных частиц им приписывают лептонный заряд.

Слабое взаимодействие характерно для всех элементарных частиц. Переносчиками слабого взаимодействия между лептонами и кварками являются тяжелые бозоны  (рис. 167, г).

В соответствии с действующими в микромире законами сохранения (энергии, импульса, электрического, барионного, лептонного зарядов) возникновение античастиц происходит только в парах с частицами. Поэтому все заряженные частицы существуют парами. Это так называемый принцип зарядового сопряжения. Оказалось, что у всех частиц имеются античастицы. Все характеристики частиц и античастиц одинаковы, но заряды (магнитные моменты) противоположны по знаку. Исключение — фотон, -мезон, -мезон — истинно нейтральные частицы, т. е. полностью совпадающие со своими античастицами.

Существование первой античастицы — позитрона (от лат. positus — положительный) предсказал Поль Дирак в 1928 г. В 1932 г. К. Андерсон обнаружил позитрон, исследуя космические излучения.

При столкновении медленно движущихся электрона и позитрона они аннигилируют (от лаг. nihil — ничто) и возникают обычно два фотона (рис. 168, а)

Образование при аннигиляции именно двух (редко трех) фотонов является следствием закона сохранения импульса. Фотоны обладают импульсом, модуль  которого  При медленно движущихся электроне и позитроне образовавшиеся фотоны должны разлетаться в противоположных направлениях так, чтобы их суммарный импульс оказался равным нулю, а энергия каждого из фотонов 

Возможен и обратный процесс рождения электронно-позитронной пары в поле ядра за счет энергии фотонов:

Схематическое изображение такого процесса показано на рисунке 168, б.

Для образования электронно-позитронной пары энергия фотона должна быть не меньше полной энергии покоя электрона и позитрона, т. е.

С учетом того, что массы электрона и позитрона одинаковы (т_е  а. е. м.), для их образования необходима энергия 

Общее число элементарных частиц с античастицами около 500. Из них 30 — относительно стабильные, со временем жизни не менее  и более 400 — короткоживущие, со временем жизни  Время жизни элементарной частицы зависит от природы (интенсивности) взаимодействия. Так, самый быстрый распад обусловлен сильным взаимодействием — время жизни частицы оказывается настолько малым  что для подобных частиц исторически сложилось название резонансы. А при медленных распадах, обусловленных слабым взаимодействием, время жизни частиц   и более. При распадах под воздействием электромагнитных взаимодействий время жизни частиц занимает промежуточное положение — 

В настоящее время сложилась общепринятая теория наиболее общих типов элементарных частиц и их взаимодействий, которая называется стандартной моделью (рис. 169).

Стандартная модель элементарных частиц — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Экспериментальное подтверждение существования промежуточных векторных бозонов в середине 1980-х годов и подтверждение существования бозона Хиггса в 2012 г. завершило экспериментальное обнаружение предсказываемых стандартной моделью элементарных частиц.

П. В. Хиггс (английский физик-теоретик) известен благодаря предложенному им в 1960-х гг. механизму спонтанного нарушения электрослабой симметрии, объясняющему происхождение массы элементарных частиц, в частности масс векторных -бозонов.

Бозон Хиггса — элементарная частица или элементарный бозон, который обладает нулевым спином. В рамках стандартной модели именно бозон Хиггса «отвечает» за наличие массы у элементарных частиц.

Бозон Хиггса первоначально был предсказан в 19(34 г. теоретически. 4 июля 2012 г. сообщалось, что на обоих основных детекторах Большого адронного коллайдера наблюдалась новая частица. 14 марта 2013 г. было подтверждено, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса.

Согласно стандартной модели существуют два основных вида фундаментальных элементарных частиц: фермионы и бозоны. Фермионы являются элементарными «кирпичиками» окружающего нас вещества, а бозоны — переносчиками взаимодействий между фермионами.

Фундаментальная частица — бесструктурная элементарная частица, которую до настоящего времени не удалось описать как составную. В настоящее время данный термин применяется для 6 лептонов (электрон, мюон, тay-лептон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино) и 6 кварков  Все эти частицы являются фермионами со спином  и естественным образом

организуются в три поколения (см. рис. 169). Вместе с античастицами фермионы составляют набор из 24 фундаментальных частиц в совокупности с калибровочными бозонами (частицами-переносчиками фундаментальных взаимодействий).

Между фундаментальными фермионами действуют три типа сил — электромагнитные, слабые и сильные. Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях; заряженные лептоны (электрон, мюон, тау-леп-тон) — в слабых и электромагнитных; нейтрино — только в слабых взаимодействиях. Сильное взаимодействие связывает кварки в адроны — составные частицы, состоящие из кварков в разных комбинациях.

Взаимодействие частиц, имеющих электрический заряд, происходит путем обмена фотонами — квантами электромагнитного поля. Сильное взаимодействие осуществляется за счет обмена глюонами — переносчиками сильного взаимодействия. Переносчиками слабого взаимодействия являются — бозоны.

Название «кварк» было заимствовано М. Гелл-Маном из книги Джеймса Джойса «Поминки по Финнигану». По-немецки «кварк» — «творог», но в романе это слово означает нечто двусмысленное и таинственное. Скорее всего этот термин прижился потому, что соответствует «таинственной» роли кварков в физике.

Ускорители заряженных частиц

Для получения пучков заряженных частиц с энергией, достаточной для проникновения в любое атомное ядро, созданы ускорители заряженных частиц, в которых ядра атомов или электроны с помощью электрических и магнитных полей разгоняются до энергий от десятков мегаэлектронвольт до сотен гигаэлектронвольт.

Простейший способ получения таких высокоэнергетических частиц состоит в ускорении их с помощью электрических полей высоких и сверхвысоких напряжений.

По форме траекторий движения частиц ускорители делятся на линейные и циклические. В линейных ускорителях траектории движения частиц близки к прямым линиям, в циклических они являются окружностями или спиралями.

По типу ускоряемых частиц различают электронные ускорители, протонные и ускорители ионов.

Многообразие существующих типов ускорителей можно разделить на четыре группы: ускорители прямого действия, линейные ускорители, циклические ускорители и ускорители на встречных пучках.

Наиболее просты по принципу работы ускорители прямого действия. В них частицы разгоняются в постоянном электрическом поле. В данном случае не удается достичь энергий выше 10 МэВ, поскольку при дальнейшем повышении напряжения между электродами возникает электрический пробой.

В линейном ускорителе частицы движутся по прямой линии, последовательно проходя через систему трубчатых электродов, называемых трубками дрейфа, на которые подается переменное напряжение (рис. 170). Внутри трубок поля нет, там частица движется равномерно.

Частица ускоряется тогда, когда она попадает в промежуток межау соседними трубками дрейфа, который называют ускоряющим промежутком. Для ускорения частицы необходимо, чтобы время пролета частицы от одного промежутка к другому равнялось половине периода  переменного напряжения, т. е. длина -трубки должна быть  где  — модуль скорости частицы в трубке. Для уменьшения длины ускорителя трубки дрейфа должны быть как можно более короткими, для этого приходится увеличивать частоту ускоряющего поля. В протонных ускорителях используют частоты 200—300 МГц, а в электронных — еще большие. Большинство существующих линейных ускорителей позволяют достигать энергии электронов до 10 ГэВ. В ускорителе в г. Стэнфорде (США), длина которого 3 км, достигнута энергия 20 ГэВ.

 Самый крупный из построенных протонных линейных ускорителей работает в г. Лос-Аламосе (США). Он ускоряет протоны до энергии 800 МэВ при силе тока в пучке около 1 мА.

Простейшим представителем и родоначальником циклических ускорителей является циклотрон (рис. 171, а).

В циклотроне используется независимость частоты обращения частиц в магнитном поле от их энергии. Частицы движутся по траекториям, представляющим собой раскручивающиеся спирали, многократно возвращаясь к одним и тем же ускоряющим узлам. Для искривления траектории частицы применяют однородное магнитное поле  перпендикулярное направлению движения частиц. В зазор между полюсами электромагнита помещают вакуумную камеру, внутри которой находятся электроды  (дуанты), напоминающие по форме половинки полого плоского цилиндра (рис. 171, б).

Пока частица движется внутри дуанта, модуль ее скорости постоянен. Когда частица массой  и зарядом  проходит промежуток между дуантами, она испытывает действие электрического поля и ускоряется. Поэтому во второй дуант частица попадет, имея уже большую скорость, и движется по окружности большего радиуса  Поскольку время движения частицы  внутри дуанта не зависит от радиуса траектории, то период изменения высокочастотного напряжения, подаваемого на дуанты, удобно подобрать равным

В этом случае частицы будут ускоряться всякий раз, попадая в промежуток между дуантами. В конце они попадают либо на мишень, установленную внутри циклотрона, либо выводятся из него и направляются на внешнюю мишень 2 (см. рис. 171, б).

Максимальную энергию частиц можно рассчитать по формуле:

где  определяется радиусом дуанта.

Первый циклотрон был построен в 1932 г. в Калифорнийском университете в г. Беркли (США) Э. Лоуренсом.

Циклотроны применяют для ускорения протонов и ионов. Они позволяют достичь энергий в несколько десятков мегаэлектронвольт.

Типичный циклотрон средней величины  при ускорении ионов водорода  позволяет достичь их максимальной энергии 

Для ускорения тяжелых частиц до предельно больших скоростей используют синхрофазотроны — кольцевые ускорители, у которых в процессе ускорения в строгом соответствии друг с другом меняются одновременно и модуль индукции магнитного поля, и частота ускоряющего напряжения. Это позволяет при росте энергии частиц сохранять постоянным радиус их орбиты и достичь больших энергий. Например, на синхрофазотроне в г. Серпухов (Россия) энергии протонов достигают значения 76 ГэВ.

В обычных ускорителях пучок ускоренных частиц направляют на неподвижную мишень. При этом основная часть их энергии переходит в кинетическую энергию движения частиц — мишеней.

В ускорителе на встречных пучках используют взаимодействие движущихся навстречу друг другу частиц в пучках 1 и 2 (рис. 172). Это позволяет в области пересечения пучков 3 достичь такой энергии их взаимодействия, которая эквивалентна энергии нескольких тысяч гигаэлектронвольт в обычном ускорителе. Данный факт позволяет эффективно использовать подобные ускорители для исследования внутренней структуры частиц и динамики их превращений.

Развитие ускорителей вдет как по пути увеличения энергии ускоренных частиц, так и по пути улучшения характеристик ускоренного пучка.

Пробный запуск самого большого в мире ускорителя элементарных частиц — большого адронного коллайдера (БАК) — состоялся 10 сентября 2008 г., официальное открытие — 21 октября 2008 г. Большой адронный коллайдер (БАК) — это устройство для концентрации энергии в очень малой области пространства (рис. 173). Энергии частиц в БАКе измеряются в тераэлектронволыпах.

БАК, длина окружности которого 27 км, установлен в туннеле, находящемся на глубине от 50 до 150 м от поверхности земли. Он расположен между горой Юра во Франции и Женевским озером в Швейцарии. Туннель был построен в 1980 г. для предыдущего большого ускорителя — большого электрон-по-зитронного коллайдера.

В БАКе сталкиваются пучки одинаковых частиц — протонов или ионов свинца. Пучки создаются в существующем циклическом ускорителе и вводятся в БАК, где они движутся по окружности и могут делать до миллиона оборотов. На каждом круге пучки получают дополнительную энергию. Два сталкивающихся протона будут иметь общую энергию 14 ТэВ. Эта энергия в 10 раз больше, чем в настоящее время достигается в протон-антипротонном коллай-дере в национальной лаборатории Ферми в США.

Без ускорителей не было бы возможности изучать фундаментальные свойства и взаимодействие элементарных частиц. Большинство элементарных частиц было открыто с помощью ускорителей частик высоких энергий.

Ускорители относительно невысоких энергий широко применяются в медицине и технике — для лечения онкологических заболеваний, производства радиоактивных изотопов, улучшения свойств полимерных материалов.

Совершенствование ускорителей преобразует не только физику, но также технику и технологию. Современные производство и медицину невозможно представить без таких ускорителей, как ускорители для модификации свойств материалов (резина, полиэтилен и т. д.), ускорители для стерилизации (пищевая промышленность, животноводство, медицина), ускорители для наработки радиоактивных изотопов и для облучения больных (диагностика, терапия).

Для прикладных целей не нужно ускорять частицы до сверхвысоких энергий. Энергии электронов обычно не превышают 10 МэВ. Для производства радионуклидов нужны протоны или дейтроны с энергией до 70 МэВ, а в лучевой терапии используются электроны с энергией до 50 МэВ и протоны, ускоренные до 200—250 МэВ.

Ускорители широко применяются для внедрения (имплантации) примесных ионов в полупроводниковой микроэлектронике, причем глубина внедрения ионов зависит от их энергии.

Активно используются заряженные частицы в медицине. В кардиологии с их помощью устанавливают проходимость кровеносных сосудов, питающих сердечную мышцу. В онкологии воздействие пучков заряженных частиц применяют для разрыва межмолекулярных связей, в результате чего живая раковая клетка либо разрушается, либо теряет способность к воспроизводству. Поэтому лучевая терапия — один из важных методов борьбы с онкологическими заболеваниями.

Итоги:

Ядерная физика изучает атомные ядра. Протон и нейтрон являются двумя разными состояниями одной и той же частицы — нуклона.

Число протонов в ядре называется атомным номером и обозначается буквой  Общее число нуклонов называется массовым числом и обозначается буквой  Число нейтронов в ядре 

Ядерные силы — короткодействующие силы притяжения действуют только между данным нуклоном и его непосредственными соседями.

Под энергией связи атомных ядер понимается энергия, необходимая для разделения ядра на отдельные нуклоны:

Дефект масс — разность между суммарной массой всех нуклонов ядра в свободном состоянии и массой ядра:

Характеристикой прочности (связанности) ядер служит удельная энергия связи  ядра, т. е. энергия связи, приходящаяся на один нуклон:

Ядерными реакциями называют процессы изменения атомных ядер, вызванные их взаимодействиями с элементарными частицами или друг с другом. Энергия, освобождающаяся при ядерной реакции, т. е. разность энергий покоя ядер и частиц до и после взаимодействия, называется энергетическим выходом ядерной реакции.

Радиоактивность — явление самопроизвольного превращения ядер, сопровождающееся испусканием частиц или ядер или коротковолновым электромагнитным излучением.

Радиоактивный распад ядер сопровождается испусканием -частиц и -излучения.

При -распаде продуктом распада оказываются изотопы с числом протонов  с испусканием -частицы:

При  -распаде образуются изотопы с атомным номером 

Испускание -излучения не приводит к превращениям элементов:

Закон радиоактивного распада:

Цепной реакцией называется процесс, в котором продукты определенной реакции вызывают последующие реакции такого же типа.

Критической массой называется минимальная масса ядерного горючего, необходимая для поддержания цепной реакции.

Ядерным реактором называется устройство, в котором может происходить самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция деления ядер тяжелых элементов под действием нейтронов.

Одним из видов ядерных реакций являются реакции синтеза легких ядер, эффективно протекающие при сверхвысоких температурах порядка  и самоподдерживающиеся за счет значительного выделения в них энергии. Такие реакции названы термоядерными.

Ионизирующими называют излучения, взаимодействие которых с веществом приводит к ионизации его атомов и молекул.

Количество энергии, переданной организму ионизирующим излучением, называется дозой.

Приборы для регистрации ионизирующих излучений называют детекторами.

Элементарные частицы — первичные, неразложимые далее частицы, которые нельзя считать соединением других частиц, существующих в свободном состоянии. Основными характеристиками элементарных частиц являются их масса, электрический заряд, время жизни, спин.

Для всех элементарных частиц характерна способность испускаться и поглощаться (рождаться и уничтожаться) при взаимодействии с другими частицами. Различают четыре типа фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое.

Механизм всех взаимодействий — обменный, т. е. взаимодействие между двумя частицами осуществляется в результате их обмена промежуточной частицей — переносчиком взаимодействия.

Электромагнитное взаимодействие характерно для всех частиц, обладающих электрическим зарядом. Квант электромагнитного поля — фотон.

Сильное взаимодействие (на расстояниях порядка  свойственно адронам. Частицы, переносящие сильное взаимодействие, получили название глюоны.

Слабое взаимодействие (на расстояниях порядка  характерно для любых элементарных частиц. Переносчиками слабого взаимодействия между лептонами и кварками являются тяжелые (векторные) бозоны 

Каждой элементарной частице соответствует своя античастица.

Общее число элементарных частиц с античастицами около 500.

В настоящее время известно 36 кварков и антикварков, 8 глюонов, 12 лептонов  -частицы и фотон, т. е. число фундаментальных элементарных частиц оказывается равным 60.

В микромире выполняются фундаментальные законы сохранения энергии, импульса и электрического, барионного и лептонного зарядов.

Ядерные силы и энергия связи атомных ядер

Нуклоны в ядре удерживаются в связанном состоянии благодаря ядерным силам, являющимся проявлением одного из четырех фундаментальных взаимодействий — сильного взаимодействия. По своей природе они краткодействующие (r ~ 10^-15 м), но очень интенсивные. В самом ядре они приблизительно в 100 раз сильнее кулоновского взаимодействия двух протонов и в 10³⁸ раз превышают силу их гравитационного взаимодействия. Однако за пределами атомного ядра они настолько малы, что их действием можно пренебречь.

Ядерные силы действуют между всеми нуклонами, независимо от наличия у них электрического заряда. Благодаря этому в атомном ядре удерживаются электрически нейтральные нейтроны и не разлетаются одноименно заряженные протоны. Экспериментальные исследования сил ядерного взаимодействия протон-притонных, прогон-нейтронных и нейтрон-нейтронных пар показали, что во всех этих случаях они одинаковые и не зависят от вида нуклона.

Ядерные силы — краткодействующие, поскольку проявляют себя на расстояниях в пределах размеров атомного ядра (~ 10^-15 м).

В 1935 г. японский физик X. Юкава высказал предположение, что природа ядерных сил проявляется в обменном их характере. Т. е. наличие ядерных сил обусловливает частица ненулевой массы, которой обмениваются нуклоны между собой во время их взаимодействия в ядре.

Позднее, в 1947 г. такая частица была экспериментально обнаружена и названа пи-мезоном. Было выявлено, что в зависимости от типа взаимодействующей пары нуклонов (протон-протон, нейтроп-нейтрон, протон-нейтрон, нейтрон- протон) существует три вида пи-мезонов — положительный  (π+), отрицательный (π^—) и нейтральный (π⁰). Два первых имеют массу покоя, равную 274 массам электрона m_е, приблизительно эквивалентную 140 МэВ: масса покоя нейтрального пи-мезона равна 264 m_е, что соответствует приблизительно 135 МэВ.    

• Пи-мезоны иногда называют пионами.
• Пи-мезоны — это кванты ядерного поля, подобно фотонам, которые являются квантами электромагнитного поля.

Пи-мезоны не являются частицами, входящими в состав протонов и нейтронов. Они лишь проявляют себя в ядерном взаимодействии как обменные частицы, благодаря которым осуществляется сильное взаимодействие в атомном ядре.

Сильное взаимодействие является причиной объединения нуклонов в атомное ядро. Связанное состояние нуклонов в ядре характеризуется энергией связи, необходимой для того, чтобы удерживать протоны и нейтроны в таком состоянии.

Энергия связи — это та минимальная энергия, которую необходимо израсходовать, чтобы разъединить ядро на отдельные нуклоны, которые его составляют.

Если сравнить массу атомных ядер с суммой масс нуклонов, составляющих его по отдельности, то выяснится, что они отличаются между собой: масса ядра всегда меньше суммарной массы свободных нуклонов. Т. е. сели сложить массу всех Z протонов и N нейтронов, входящих в состав ядра, и сравнить ее с массой самого ядра m_я, то возникнет дефект масс ∆m:
∆m = Zm_р + Nm_n — m_я .

Точные измерения масс атомных ядер показали, что 
m_я < Zm_р =  Nm_n

Причина его возникновения состоит в том, что для образования ядра из отдельных свободных протонов и нейтронов необходимо выполнить работу, которая расходуется на их объединение. Она равна энергии связи, которая, учитывая формулу взаимосвязи массы и энергии, характеризуется дефектом масс ∆m:
E_cв = ∆mc² = (Zm_p + Nm_n — m_a)c².

Отношение называется удельной энергией связи.

Естественно, что энергия связи ядер у разных атомов неодинакова. Если воспользоваться понятием удельной энергии связи, т. е. разделить ее на количество нуклонов в ядре, то можно убедиться в существовании определенной ее зависимости от массового числа А (рис. 5.15).

Puc. 5.15. Зависимость удельной энергии связи нуклонов в ядре от массового числа А

Как видно из графика, сначала кривая резко возрастает и достигает максимума у изотопов химических элементов с массовым числом от 50 до 60 (Феррум и близкие к нему элементы). Далее, с возрастанием массового числа, кривая начинает плавно снижаться, достигая значения 7,6     
у Урана . Данный вид кривой обусловлен закономерностями заполнения ядерных оболочек протонами и нейтронами согласно принципу Паули. Однако оболочечная модель ядра не смогла объяснить закономерности образования всех элементов Периодической системы Д.И. Менделеева. В частности, опа оказалась беспомощной в отношении тяжелых элементов трансурановой группы и далее, где существенно проявляются силы кулоновского взаимодействия протонов.

Радиоактивность. Закон радиоактивного распада

Изучение свойств различных изотопов показало, что в природе существуют стабильные и нестабильные ядра химических элементов. Данное их качество обусловлено значением энергии связи ядер и соотношением у них числа протонов и нейтронов. Например, среди изотопов легких элементов стабильными являются те, что имеют приблизительно одинаковое количество протонов и нейтронов.

Если в ядре преобладают протоны, то на его стабильность влияет также энергия кулоновского взаимодействия.

Ядра тяжелых элементов, как правило, нестабильны, поскольку у них значительно преобладают нейтроны, а их излишек ведет к возрастанию энергии ядра (ведь m_n > m_p), которую оно пытается высвободить. Поэтому ядра отдельных изотопов могут самопроизвольно превращаться в другие химические элементы в результате излучения микрочастиц либо путем деления на более устойчивые образования. Такая их способность к самопроизвольным преобразованиям называется радиоактивностью.

Радиоактивность — от лат. radio — излучаю, activus -деятельный.

Радиоактивность бывает естественной, которая наблюдается при обычных условиях в природе, и искусственной, когда радиоактивные превращения происходят в результате внешнего воздействия, например при бомбардировке ядер стабильных изотопов протонами, нейтронами, другими частицами или ядрами химических элементов. C физической точки зрения принципиального отличия между ними не существует — механизм радиоактивных превращений у них одинаковый.

Обозначения микрочастиц:

Естественную радиоактивность солей урана впервые наблюдал А. Беккерель, а затем изучали М. Склодовская-Кюри и П. Кюри. Искусственную радиоактивность впервые получили в 1934 г. французские физики Фредерик и Ирен Жолио-Кюри. Они облучали альфа-частицами ядра изотопа алюминия , в результате чего получили нестабильный изотоп Фосфора , который вследствие радиоактивного превращения испускал элементарную частицу, названную позитроном 

Позитрон — это элементарная частица, имеющая массу электрона и равный ему заряд, но противоположный по знаку.

Наиболее распространенными радиоактивными превращениями являются альфа распад, бета-распад и спонтанное деление ядер.

Альфа-распад — это превращение нестабильного изотопа в иной химический элемент, сопровождающееся испусканием альфа частицы. Например, к результате альфа-распада происходит превращение радия в радон:

Во время альфа-распада ядра его зарядовое число Z уменьшается на 2, а массовое число А — на 4, т. е. при образовании HOHOix) элемента Y выполняется правило смещения. Энергия, выделяемая за счет альфа-распада, распределяется между альфа-частицей и ядром созданного нового элемента. Данное превращение может сопровождаться также гамма-излучением.

Бета-распад — это превращение нейтрона в протон или протона в нейтрон, которое происходит в ядре и сопровождается образованием нового химического элемента. Существует две разновидности бета — pacпада:
1)    β -распад, в результате которого высвобождается позитрон и образуется ядро элемента, количество протопоп которого на 1 больше. Например:
Простейшим видом -распада является распад свободного нейтрона, сопровождаемый испусканием элементарной частицы, названной антинейтрино:

2)    β -распад, в результате которого высвобождается позитрон и образуется ядро элемента, количество протонов которого па 1 меньше. Например:

Микрочастицу, которая сопровождает β-распад с высвобождением позитрона, назвали нейтрино (обозначается ). Существует также антинейтрино (обозначается ), которая сопровождает электронный β -распад.

У тяжелых элементов при определенных условиях может произойти спонтанное деление ядер на несколько более легких ядер-осколков. Впервые данный вид радиоактивности выявили у ядер Урана , которые без какого-либо внешнего вмешательства делятся на более стойкие изотопы, как правило, средней части Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Например, ядро Урана может разделиться на два неодинаковых осколка — ядро Бария (Z = 56) и ядро Криптона (Z = 36), которые разлетаются в разные стороны, обладая значительной кинетической энергией.

Самопроизвольное деление ядер Урана открыли в 1940 г. русские ученые Г.М. Флеров и К.А. Петржак.

Поскольку радиоактивные ядра все время распадаются, то их количество постоянно изменяется. Время жизни радиоактивных изо топов характеризуется периодом полураспада Т. Это такое время, за которое количество ядер ряд ноя к тинного изотопа уменьшается в 2 раза (рис. 5.16). Объясним физический смысл данной величины детальнее. Если в начальный момент времени (t = 0) было N₀ радиоактивных ядер, то за период полураспада T их количество уменьшится в 2 раза и будет равно —; еще через такое же время T их уже будет  и т. д.
Т. е. за n периодов полураспада  останется только N ядер:

Данное математическое выражение отражает закон радиоактивного распада.

Период полураспада Урана 2 равен 4,5 млрд лет, Радия — 1600 лет, Полония — лишь 3 мин.

Радиоактивные вещества отличаются между собой периодом полураспада: одни из них распадаются быстрее, другие — медленнее. Поэтому период полураспада T характеризует такое свойство как активность радионуклида. Данная величина указывает на интенсивность радиоактивных превращений, т. е. на количество радиоактивных распадов атомных ядер, происходящих за 1 с. Oнa прямо пропорциональна числу атомных ядер и обратно пропорциональна периоду полураспада, если он значительно больше времени наблюдения:

Величина називается постоянной распада радиолуклида, а обратная ей величина является временем жизни радионуклида. Она показывает, на протяжении какого времени количество ядер радионуклида уменьшится в 1,44 раза.

Активность радионуклида А в СИ измеряется в беккерелях (Бк). 1 беккерель равен активности такого радионуклида, у которого за 1 с происходит один распад. На практике иногда используют также единицу активности, которая называется кюри (Ки):
1 Ки = 3,700 ∙ 10¹⁰ Бк.

Виды радиоактивного излучения. Дозиметрия

Открытие А. Беккерелем радиоактивного излучения солями Урана дало толчок разносторонним исследованиям данного явления другими учеными. В частности, сначала экспериментально выяснили его составляющие.

Различные радиоактивные элементы помещали в контейнер К с узкой щелью (рис. 5.17). За контейнером на пути лучей помещали фотопластинку Ф, при помощи которой можно было фиксировать их распространение. На выходе из контейнера создавали сильное магнитное поле, линии индукции которого были перпендикулярны к направлению распространения радиоактивных лучей.

Рис. 5.17. Альфа-, бета-гамма лучи

Опытным путем было установлено, что в магнитном поле пучок радиоактивного излучения от разных источников распространяется неодинаково. В одних случаях радиоактивные лучи под действием магнитного поля отклоняются н разные стороны и на разные расстояния. В других — они распространяются прямолинейно, без отклонения. На основе данных опытных фактов можно сделать вывод, что существуют разные виды радиоактивного излучения: два из них являются потоком частиц, имеющих противоположные электрические заряды, а один — электрически нейтрален.

Выяснено, что радиоактивное излучение, которое несет положительный заряд и меньше всего отклоняется в магнитном поле, фактически является потоком альфа-частиц, т. е. ядер атома Гелия . Его назвали альфа-излучением.

 Альфа-, бета- и гамма-лучи представляют собой разновидность радиоактивного излучения.

Те лучи, которые в магнитном поле отклоняются в разные стороны, но на одинаковое расстояние, являются потоком электронов и позитронов. Их назвали бета-лучами. Электрически нейтральное налучение, которое распространяется в  магнитном поле прямолинейно, без отклонений, названо гамма-лучами. Оно представляет собой электромагнитное излучение коротковолнового диапазона с длиной волны λ < 10^-10 м.

Каждый из видов радиоактивного излучения отличается своими свойствами, в частности ионизационной и проникающей способностью, влияет на среду, в которой они распространяются. Проникая в вещество, они взаимодействуют с электронными оболочками и ядрами атомов, возбуждая их либо вызывая диссоциацию молекул, ядерные реакции, искусственную радиоактивность.

В воздухе альфа-частица с энергией 4 МэВ имеет длину пробега 2,5 см; бета-частица с энергией 2 МэВ имеет длину пробега в алюминии лишь 3,5 мм.

Альфа- и бета-частицы имеют малую длину пробега в веществе, поскольку во время их столкновений с электронными оболочками атомов они практически не отклоняются и теряют значительную часть своей энергии. Даже плотная ткань одежды почти полностью поглощает бета-излучение и совсем не пропускает альфа-лучи. Однако за счет своей энергии они легко возбуждают атомы вещества и поэтому очень опасны при проникновении в человеческий организм — легкие, желудок, на кожу.

Гамма-излучение, несущее квант энергии 0,5 МэВ, ослабляется в 10 раз слоем воды толщиной 24 см, бетона -12 см, свинца -1.3 см.

Гамма-лучи, взаимодействуя с электронными оболочками атома, способствуют образованию быстрых электронов, которые ионизируют окружающую среду. Они имеют большую проникающую способность и поэтому являются наиболее опасными для человеческою организма.

C целью определения влияния любого вида излучения на вещество применяют дозиметрические величины. Отношение энергии, которая передается веществу ионизирующим излучением, к массе данного вещества называется поглощенной дозой излучения:

Поглощенная доза излучения в СИ измеряется в грэях (Гр): 1 Гр — это такая доза излучения, которая сообщает 1 кг вещества энергию ионизирующего излучения 1 Дж:

Существует внесистемная единица поглощенной дозы излучения — рад: 1 рад = 0,01 Гр.

Поглощенная доза излучения имеет свойство накапливаться со временем: при одинаковых условиях она тем больше, чем больше время облучения. Поэтому в дозиметрии используют также понятие мощность дозы, т. е. отношение ее к единице времени:

Интенсивность радиоактивного излучения оценивают также по его ионизирующей способности, поскольку физическое воздействие любого излучения на среду прежде всего связано с ионизацией атомов и молекул вещества. Данная характеристика называется экспозиционной дозой. В СИ она 
в кулонах на килограмм : 1 равен экспозиционной дозе излучения, при воздействии которого в сухом атмосферном воздухе массой 1 кг создаются ионы, суммарный электрический заряд которых каждого знака равен 1 Кл.

Нa практике продолжают также использовать внесистемную единицу экспозиционной дозы рентген (P): 1 P 2,58 • 10^-4 Кл/кг.

При дозе 1 P в одном кубическом сантиметре сухого воздуха при нормальных условиях образуется 2,08 • 10⁹ пар ионов.

Биологическое действие различных видов радиоактивного излучения на живые организмы неодинаковое даже при равной поглощенной дозе. Поэтому для оценивания радиоактивной опасности следует также учитывать вид ионизирующего излучения и его мощность. В дозиметрии принято их сравнивать с рентгеновским или гамма-излучением, вводя единицу, которая получила название биологического эквивалента рентгена (сокращенно бэр). В зависимости от вида излучения вводят коэффициент биологической эффективности, значение которого определяют экспериментально, учитывая энергию частиц.

Для рентгеновского и гамма-излучений: 1 бэр = 1 рад = 0,01 Гр.

Влияние радиоактивного излучения на живые организмы вызвано не столько значением энергии, передаваемой веществу, сколько его ионизирующим воздействием на живые клетки. В результате ионизации в них происходят биологические изменения, вызванные образованием новых радикалов, которыми не  обладают обычные клетки. Поэтому нарушается функция ее деления, которое может вызвать раковое перерождение клетки.

Смертельной для человеческого организма считается доза, эквивалентная 6 Гр гамма-излучения или 600 бэрам. При этом необходимо учитывать время, в течение которого данная доза получена, а также качественные параметры излучения (вид излучения, энергию частиц и т. д.). Данная доза будет меньше, если облучение кратковременное и действует на весь человеческий организм.

Для населения предельно допустимой дозой систематического облучения принята эквивалентная доза 0,5 бэр в час.

Вместе с тем такая доза, полученная на протяжении всей жизни, считается неопасной, поскольку не ведет к ощутимым изменениям организма. Ведь благодаря естественному радиационному фону (космические лучи, радиоактивные изотопы земной коры, радоновое излучение в атмосфере, промышленные радиоактивные загрязнения и т. д.) все живое на планете Земля постоянно находится под действием радиоактивного излучения. Например, радиационный фон в Украине характеризуется мощностью излучения от 0,1 до 0,3 мР/ч.

Следует отмстить, что влияние радиоактивного излучения па живые организмы приводит не только к негативным последствиям. В малых дозах его применяют при лечении на микробиологическом уровне, в агротехнологиях выращивания растений и животных, когда благодаря облучению вызывают мутацию генов, в медицинской диагностике и т. п. Более того, опыты по выращиванию растений в условиях ограниченной радиации показали, что их развитие замедляется и продуктивность снижается. Т. е. на Земле под действием естественного радиационного фона происходила эволюция живой природы таким образом, что отсутствие радиации негативно отражается па развитии организмов.

Измерение характеристик радиоактивного излучения производят при помощи дозиметрических приборов — дозиметров. Основным их конструктивным элементом (рис. 5.18) являются устройства для регистрации ионизирующего излучения детекторы. Чаще всего с этой целью используют ионизационные детекторы (ионизационные камеры, счетчики Гейгера и т. д.). Это, как правило, цилиндрические конденсаторы, заполненные воздухом или газом, на электроды которых подано напряжение. Частица, попадая в пространство между обкладками конденсатора, ионизирует находящийся там газ, в результате чего в цепи возникает импульс тока. В цепь детектора 1 включен измерительный прибор 2, фиксирующий интенсивность ионизирующего излучения по силе тока. Шкала дозиметра градуируется таким образом, чтобы преобразовать значение силы тока в соответствующие дозиметрические величины — активность радионуклида, экспозиционную или эквивалентную дозу излучения, мощность дозы и т. п.

Ядерные реакции. Деление ядер Урана

Одним из наиболее удивительных следствий ядер-ной физики стало превращение атомных ядер одних элементов в другие в результате взаимодействия с микрочастицами либо между собой. Данное явление получило название ядерной реакции, Впервые его наблюдал Э. Резерфорд в 1919 г. во время бомбардирования альфа-частицами ядер Лзота. Однако особое значение оно приобрело позже, когда выяснилась возможность использования ядерных реакций в энергетике.

Исторически первая ядерная реакция:

В отличие от радиоактивного распада, который протекает самопроизвольно, ядерные реакции происходят в результате  внешнего воздействия, например бомбардирования ядер микрочастицами. Ядерная реакция может произойти лишь при определенных условиях — при сближении частиц на расстояние действия ядерных сил (10^-15 м) и преодолении ими энергетических барьеров. Для положительно заряженных частиц необходимо преодолеть также силы отталкивания кулоновского взаимодействия; незаряженные частицы могут проникнуть в ядро, имея незначительную кинетическую энергию.

В результате ядерной реакции образуется новое ядро — продукт реакции, а также излучаются частицы и гамма-кванты.

Механизм ядерных реакций состоит в поглощении частицы ядром, в результате которого оно возбуждается. Сначала происходит перераспределение переданной ядру энергии между всеми нуклонами. Такое ядро становится неустойчивым и со временем распадается. Может случиться так, что один из нуклонов либо их группа вследствие перераспределения приобретает энергию, большую энергии связи ядра. Тогда становится возможным выброс данного нуклона или их группы из ядра, т. е. ядерная реакция сопровождается испусканием либо протона, либо нейтрона, либо альфа-частицы.

Во время ядерных реакций выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, зарядового числа, которые определяют конечные продукты реакции и ее энергетический выход. Они происходят с поглощением или выделением энергии, в миллионы раз превышающей энергетические последствия химических реакций.

Момент импульса атомных ядер отображается квантовым числом, которое имеет название спин.

Энергетически выгодными являются реакции, в результате которых энергия выделяется. Энергетический выход таких реакций вычисляется как разность энергий ядер и частиц до реакции и после нее: если она положительная, то энергия выделяется.

Во время ядерных реакций может произойти слияние ядер (реакция синтеза) .либо их деление. Реакция синтеза легких ядер называется термоядерной реакцией. Чтобы произошла перестройка легких ядер вследствие их парных столкновений, необходимо преодолеть кулоновское отталкивание между ними и сблизить их на расстояние действия ядерных сил. Поэтому термоядерные реакции требуют высоких энергий взаимодействующих ядер либо высоких температур (10⁸ К и выше). В обычных земных условиях достичь таких температур можно лишь при помощи ядерного взрыва (такая реакция будет неуправляемой) или в мощном импульсе лазерного из- лучения (управляемая термоядерная реакция синтеза).

Первая термоядерная реакция была осуществлена в 1932 г. на быстрых протонах:

В естественных условиях термоядерные реакции синтеза происходят в недрах звезд и являются основным источником их энергии. Например, у Солнца основным является превращение четырех протонов в ядро Гелия, сопровождаемое выделением энергии свыше 26 МэВ за один цикл:

Ядерную реакцию деления атомных ядер впервые осуществили в 1939 г. немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрасмап. Они выяснили, что при бомбардировке ядер Урана нейтронами те делятся на дна приблизительно равных осколка (рис. 5.19). При каждом таком делении высвобождается 2-3 нейтрона и приблизительно 200 МэВ энергии. Ф. Жолио-Кюри предположил, что благодаря потоку высвободившихся нейтронов ядерная реакция деления ядер Урана может развиваться как цепная.

Pиc. 5.19. Реакция деления ядер Урана

Для того чтобы цепная реакция развивалась, необходимо поддерживать неизменным поток нейтронов и создавать условия, при которых они проникают в ядра Урана. C этой целью требуется определенная масса Урана, помещенная в ограниченное пространство. Тогда нейтроны не смогут пролетать мимо ядер, будут проникать в них, вызывая дальнейшее деление.

Минимальная масса, при которой цепная реакция будет протекать самопроизвольно, называется критической массой.

Для Урана-235 критическая масса равна приблизительно 50 кг. Радиус сферы такой массы равен около 8,5 см.

Осуществление цепной реакции деления ядер Урана — достаточно сложный процесс. Ведь медленные нейтроны, высвобождаемые в процессе ядерной реакции, могут вызывать деление только ядер Урана ; для деления ядер  нужны быстрые нейтроны с энергией свыше 1 МэВ. Поскольку добываемый уран состоит ил двух изотопов — 99,3 % Урана-238 и 0,7 % Урана-235, то для поддержания цепной ядерной реакции необходимо удовлетворить хотя бы двум условиям достичь критической массы и обеспечить, чтобы число высвободившихся нейтронов было достаточным для поддержания реакции, а их поток не уменьшался со временем.

Трансурановые элементы — это химические элементы, находящиеся в Периодической таблице Д.И. Менделеева после Урана (Z>92).

Медленные нейтроны пс вызывают деления ядер . Однако их захват данным изотопом ведет к образованию трансурановых элементов. Сначала возникает короткоживущий (T_0,5 = 23 мин) радиоактивный изотоп , который в результате бета-распада образует новый элемент — Нептуний:

В свою очередь неустойчивый изотоп Нептуния (рис. 5.20) превращается и относительно стабильный Плутоний (T_0,5 = 24 000 лет):

Рис. 5.20. Превращение Урана-238 в Плутоний-239

Ядерная реакция получения Плутония в настоящее время широко используется к современных ядерных реакторах-размножителях.

Ядерный реактор. Ядерная энергетика и экологическая безопасность

Человечество сделало существенный шаг вперед, когда смогло укротить ядерную энергию. В 1942 г. под руководством Э. Ферми в США был построен первый ядерный реактор, благодаря которому цепная реакция деления ядер Урана стала управляемой. Это послужило толчком к бурному развитию атомной (ядерной) энергетики. 

Ядерный реактор состоит из активной зоны, где собственно и происходит ядерная реакция, отражателей и замедлителей нейтронов, защитного кожуха. Для получения электроэнергии на атомных электростанциях ядерный реактор объединяют с парогенератором» турбиной и электрическим генератором (рис. 5.21). R основу принципа действия атомной электростанции положено использование выделяемой в результате ядер-ной реакции энергии для производства электрической энергии.

Рис. 5.21. Схема атомной электростанции

Первый в Европе ядерный реактор был построен в 1946 г. под руководством И.В. Курчатова в Обнинске (Россия).

В активную зону реактора загружают ядерное топливо -обогащенный Уран-235 в виде тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) и вещество, замедляющее нейтроны (графит или так называемую тяжелую воду), поскольку ядра изотопа Урана-235 лучше захватывают медленные нейтроны.

Чтобы цепная реакция была управляемой, необходимо регулировать количество нейтроне к н активной зоне. C этой целью в нее вводят регулирующие стержни из металла, хорошо поглощающего нейтроны (Кадмий или Бор). Изменяя глубину их введения, можно влиять па поток нейтронов, следовательно, управлять протеканием цепной реакции.

Мощность ядерного реактора, равная 1 МВт, соответствует такой цепной реакции, в результате которой за 1 с происходит 3 ∙ 10¹⁶ актов деления ядер.

Энергия, выделяемая в результате деления ядер Урана, при помощи теплоносителя передается парогенератору. Выработанный им водяной нар направляется на лопасти паровой турбины, к которой присоединен электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию. Таким образом, в результате нескольких преобразований энергия, выделяемая за счет деления атомных ядер, превращается в электрическую. Благодаря электросетям она поступает потребителям.

Ядерные реакторы являются основой атомных электростанций (АЭС). В настоящее время в мире насчитывается свыше 1000 ядерных энергетических установок. Атомная энергетика считается экономически самой выгодной и высокотехнологичной. Она использует последние достижения науки и техники, современные автоматизированные системы управления технологическими процессами при помощи ЭВМ. Поэтому она требует высокой квалификации работающих специалистов. В процессе эксплуатации АЭС возникает необходимость но внедрении широкого спектра средств контроля и радиационной безопасности, поскольку последствия пренебрежения ими могут стать катастрофическими. 26 апреля 1986 г. в результате нарушения технологического цикла работы ядерного реактора на Чернобыльской АЭС произошла авария: цепная реакция деления вышла из-под контроля, произошел 239 взрыв. Устранение последствий катастрофы унесло множество жизней людей, а ее экологические последствия ощущаются до сих пор.

C 2001 г. Чернобыльская АЭС не работает, ее вывели из эксплуатации, но продолжаются работы по консервации разрушенного блока, строительству над ним защитного укрытия.

Элементарные частицы

C давних времен ученые пытались найти наименьшие «кирпичики» материи, при помощи которых можно понять иерархическую структуру строения вещества. Сначала у древних греков (Демокрит, Эпикур) такими неделимыми частицами считались атомы, из которых, по их убеждениям, состоят все тела. В начале XIX в. данное понятие конкретизировали химики, которые считали атомы наименьшими частицами вещества, определяющими его химические свойства (Я. Берцелиус, Дж. Дальтон, А. Авогадро).

История физики отображает сложный путь развития взгядов на строение материального мира, поиск элементарных частиц, из которых он состоит.

В конце XIX в., после открытия электрона (Дж. Томсон) и исследования явления радиоактивности (А. Беккерель, М. Скло-довская-Кюри, ГТ. Кюри), ученые подвергли сомнению элемен тарность IiTOiMti и предположили, что он также имеет сложное строение. В начале XX в. Э. Резерфорд подтвердил это экспериментально и предложил ядерную модель атома, которая считает ядро также сложным образованием. В 1919 г. он открыл протон — нуклон, имеющий положительный заряд. Другая частица нейтрон, входящая в состав ядра, была открыта в 1932 г. Дж. Чедвиком.

Для объяснения обменного характера сильного взаимодействия нуклонов в ядре X. Юкава в 1935 г. выдвинул гипотезу о существовании пи-мезонов, которые были обнаружены в 1947 г. в космических лучах (С. Пауэл). Немного раньше, в  1932 г. в составе космического излучения была обнаружена  первая античастица позитрон (К. Андерсон). В целом, исследования космического излучения и 40-50-х годах XX в., которые выявили множество новых микрочастиц, побудило ученых иначе посмотреть на проблему их элементарности. Согласно современным представлениям — это не просто первоначальные неделимые частицы, составляющие вещество, а специфические объекты, которым кроме всего прочего присуще слабое взаимодействие как особый вид фундаментального взаимодействия.

В настоящее время известно более 350 элементарных частиц и их количество продолжает расти.

По своей интенсивности слабое взаимодействие во много раз меньше сильного и электромагнитного взаимодействия. Однако оно значительно сильнее гравитационного притяжения, поскольку массы элементарных частиц очень малы и радиус их взаимодействия равен лишь 10^-18 м.

По сравнению с другими видами фундаментальных взаимодействий слабое взаимодействие вызывает процессы, которые протекают медленнее (приблизительно 10^-10 с).

Все элементарные частицы обладают малыми размерами (у большинства из них ~ 10^-15 м) и незначительными массами. Это обусловливает квантовую специфику их поведения — они подчиняются квантовым закономерностям. Они образуются (излучаются) или исчезают (поглощаются) в результате взаимодействия.

Общими характеристиками элементарных частиц является их масса m, электрический заряд q, спин j и время жизни τ. Отдельные из них характеризуются также особыми величинами, например, лептонный заряд, барионный заряд и т. п. Как правило, их отображают в относительных единицах, кратных определенным значениям, например, массе или электрическому заряду электрона, постоянной Планка или др.

Массу элементарных частиц выражают в электрон-вольтах  либо числом, кратным массе электрона m; электрический заряд — в единицах, кратных заряду электрона е; спин — кратный значению постоянной Планка ħ.

Таким образом, каждая элементарная частица обладает набором дискретных квантовых чисел, которые однозначно определяют ее специфические свойства. На их основе элементарные частицы можно определенным образом классифицироватъ (см. таблицу на форзаце).

В зависимости от присущего им типа взаимодействия нее элементарные частицы, кроме фотона, делятся на две основные группы: адроны, участвующие во всех типах взаимодействий -гравитационном, электромагнитном, сильном и слабом, и лептоны , которые характеризуют только сильное взаимодействие.

По времени жизни элементарные частицы делят на стабильные (фотон, электрон, протон, нейтрино, нейтрон как относительно стабильный), квазистабильные (τ > 10^-20 с), которые распадаются вследствие электромагнитного или слабого взаимодействия, и нестабильные (τ <10^-20 с), которые распадаются благодаря сильному взаимодействию.

В физике имеют место и другие классификации элементарных частиц. В частности, по знаку заряда их можно разделить на частицы и античастицы (электрон-позитрон, нейтрино-антинейтрино); по значению спинового квантового числа, которое может быть целым или полуцелым, адроны делятся на бозоны и барионы. Бозоны с нулевым спином называют мезонами. Данную классификацию можно продолжить, основываясь на различных квантовых числах.

В последние годы исследование элементарных частиц высоких энергий (~10 ГэВ) с помощью ускорителей показало, что лептоны не имеют какой-либо структуры. Т. е. это действительно элементарные частицы. Вместе с тем адроны проявили свойства, указывающие на то, что они имеют некоторую структуру и состоят из нескольких более элементарных частиц. В 1964 г. американские ученые М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг независимо друг от друга предложили кварковую модель адронов. Они считали, что все адроны можно представить как комбинацию трех кварков (для барионов) либо кварка и антикварка (для мезонов). Первым трем кваркам были присвоены имена: u, d, s.

Названия кварков происходят от английских слов up — вверх, down — вниз, strange — удивительный, charm — очарование, beauty — привлекательный, красивый, truth — истина.

Позже выяснилось, что построить все разнообразие элементарных частиц с помощью трех кварков не удается, и поэтому их набор дополнили еще тремя — с, b, t. Совокупность из шести кварков и их антикварков позволяет раскрыть сложную структуру всех известных сегодня адронов.

Таким образом, исследования элементарных частиц и объяснение механизмов их превращения в результате слабого взаимодействия позволяют целостно представить современную физическую картину мира на основе четырех фундаментальных взаимодействий. Вместе с тем попытки их объединения в  единую физическую теорию (так называемое «Большое объединение»), которая бы смогла дать целостное толкование законов физического мира, не увенчались успехом, хотя отдельные сдвиги в данном направлении имеются. Например, в конце XX в. была создана единая теория электромагнитного и слабого (алектрослабого) взаимодействия. Квантовое описание гравитационного взаимодействия на основе гипотетических частиц -гравитонов приближает ученых к целостному пониманию картины мира как единой физической сущности природы.

Основы единой физической картины мира. Современная естественнонаучная картина мира

Физика, являясь центральной наукой о природе, дает человеку знания об окружающем его мире, позволяя тем самым, с одной стороны, решать проблемы цивилизации, а с другой стороны, беречь нашу планету для будущих поколений. Как объединить накопленные знания? Что сегодня должен знать каждый образованный человек о физических явлениях?

В курсе физики вы познакомились с различными видами взаимодействий тел и объектов в природе, определяющих не только разнообразие физических явлений окружающего нас мира, но и направление эволюции Вселенной. Физика — наука о природе, однако каждый ее раздел подробно рассматривает физические явления только с одной стороны, выделяя те или иные свойства материи по определенному признаку. Познание законов природы исторически также шло в основном на базе того или иного физического подхода.

По мере накопления знаний человечество стремилось соединить все разрозненные факты и законы в рамках обобщенной научной картины мира. Под картиной мира понимают совокупность теорий, законов и принципов, описывающих окружающий нас мир.

Первая, механическая картина мира была основана на классической механике И. Ньютона. В основе построения этой картины мира лежало объяснение причин и установление закономерностей механического движения небесных тел, а также макро- и метасистем (Земля, Луна, Солнце, Солнечная система, Галактика). В качестве первопричины механического движения рассматривалось гравитационное взаимодействие между телами, бесконечно быстро передаваемое на любые расстояния во Вселенной.

Напомним, что на основании силовых или энергетических представлений можно установить законы движения различных объектов: от атомов и молекул до планет и звезд. Важнейшую роль играют принципы инерции и относительности, введенные в механику Г. Галилеем.

На основе механической картины мира в XVIII — XIX вв. были разработаны земная, небесная и молекулярная механики. Однако в то же время в физике накапливалось значительное количество экспериментальных данных, противоречащих идеям атомизма (дискретности строения вещества), которые лежали в ее фундаменте.

Изучение электрических и магнитных взаимодействий существенно изменило представления о материи и привело к появлению электромагнитной картины мира. В ее основе лежали представления о мире, в котором все явления описываются с помощью сил (гравитационных и электромагнитных). Основной вклад в создание электродинамики внесли Ш. Кулон (электростатические взаимодействия), А. Вольта (источник постоянного тока), А. Ампер (магнитные поля и токи), М. Фарадей (электромагнитная индукция), Дж. Максвелл (теория электромагнетизма), Г. Герц (открытие электромагнитных волн) и Г. Лоренц (классическая электронная теория строения вещества).

М. Фарадей пришел к мысли о необходимости замены дискретных (корпускулярных) представлений о материи непрерывными (континуальными). Материя по Фарадею представлялась как непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами. Дж. Максвелл создал математическую теорию электромагнитного поля. На основании этой теории он сделал вывод, что распространение электромагнитного возмущения происходит с конечной скоростью в виде электромагнитных волн. Новая картина мира сменила и принципы передачи взаимодействия: они передаются посредством поля непрерывно от точки к точке и с конечной скоростью. Как следует из электромагнитной картины мира, внутреннее строение вещества определяется действием электромагнитных сил.

Фактическим завершением формирования электромагнитной картины мира стала специальная теория относительности А. Эйнштейна. Он дополнил законы электродинамики идеей относительности как пространства, так и времени.

Однако на рубеже XIX — XX в. обнаружился ряд теоретических проблем и экспериментальных фактов, которые не находили объяснения в рамках электромагнитной картины мира: радиоактивность, тепловое излучение, атомные спектры, устойчивость атомов.

Первые радикальные шаги в создании квантово-полевой картины мира были сделаны в начале XX в.: квантование излучения в процессах испускания, поглощения и распространения (М. Иланк, А. Эйнштейн); стационарные состояния электронов в атоме (Н. Бор); совершенно фантастическая для своего времени идея корпускулярно-волнового дуализма (Л. де Бройль) и, наконец, создание квантовой механики (Э. Шредингер, В. Гейзенберг, II. Дирак, В. Паули).

Изучение строения атомного ядра (Э. Резерфорд, II. Кюри и М. Склодовская-Кюри, Дж. Чедвик) привело к становлению физики атомного ядра и элементарных частиц. Были открыты принципиально новые типы взаимодействий, свойственные только микромиру субатомных частиц, — сильное и слабое. Энергия ядерных реакций была поставлена на службу людям (Э. Ферми, И. Курчатов).

Особенностью современной физической картины мира является ее вероятностный характер, который выражается в виде статистических законов. Здесь, в отличие от механической картины мира, нет «жесткой определенности будущего». Случайность событий выступает как объективное свойство материи. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле, переход которого из одного состояния в другое и приводит к появлению частиц.

Отметим две закономерности, присущие развитию физики как таковой. Первая выражена принципом соответствия: частные теории, справедливость которых экспериментально подтверждена, с появлением более общих теорий сохраняют свое значение как частный или предельный случай. Примером может служить специальная теория относительности, выводы которой при малых скоростях соответствуют выводам механики Ньютона.

Вторая закономерность — интеграция, или взаимопроникновение разделов физики. Например, развитие физики элементарных частиц и ее слияние с астрономией привели к становлению астрофизики, занимающейся закономерностями эволюции звезд и Вселенной.

Квантово-полевая картина мира по мере накопления новых научных фактов и появления новых научных гипотез продолжает развиваться.

Таким образом, под естественнонаучной картиной мира понимают совокупное современное знание об окружающем нас мире, накопленное естественными науками: физикой, математикой, химией, биологией. Физическая картина мира является составной частью естественнонаучной картины мира.

Физическая картина мира не исчерпывается представлениями о структурном строении материи. Она проявляется также и в законах движения частиц, и в законах их взаимодействия.

Несмотря на удивительное разнообразие взаимодействий объектов в окружающем нас мире (частиц, тел, галактик), в природе, по современным данным, присутствуют лишь четыре типа фундаментальных взаимодействий. Они различаются по интенсивности и радиусу действия. Именно эти фундаментальные взаимодействия и являются главными «действующими лицами и исполнителями» в построении современной физической картины мира.

Самое слабое из взаимодействий — гравитационное взаимодействие. Оно примерно в раз слабее ядерного. Это взаимодействие описывается законом всемирного тяготения, который был открыт И. Ньютоном в 1687 г. Гравитационные силы действуют между любыми телами, в том числе и между элементарными частицами, однако решающую роль они играют лишь у астрономических объектов, имеющих огромные массы.

В электромагнитном взаимодействии участвуют любые электрически заряженные частицы и тела, а его «переносчиком» (квантом электромагнитного поля) являются фотоны. Электромагнитные силы обеспечивают возможность стабильного существования атомов, молекул, определяют механические свойства твердых тел, жидкостей и газов.

Сильное взаимодействие проявляется при взаимодействиях адронов. В отличие от гравитационного и электромагнитного взаимодействий, которые можно отнести к дальнодействующим, т. е. действующим на расстояниях, характерных для макромира, сильное взаимодействие является короткодействующим, так как оно проявляется на расстояниях не более размеров ядра . Однако на этих расстояниях сильное взаимодействие значительно интенсивнее электромагнитного и тем более гравитационного, за что и получило свое название. Образно сильное взаимодействие можно назвать «богатырем с короткими руками». Сильные взаимодействия между нуклонами в ядрах атомов обеспечивают устойчивость ядер различных атомов. Согласно современным представлениям сильное взаимодействие переносится квантами нового типа — глюонами, которые подобно фотонам являются безмассовыми частицами.

В слабом взаимодействии участвуют любые элементарные частицы, кроме фотонов. Радиус действия слабых сил определяется характерным размером элементарных частиц . Это взаимодействие сильнее гравитационного, но значительно слабее электромагнитного и сильного взаимодействий. Слабые взаимодействия проявляются при распадах одних элементарных частиц, в результате чего появляются другие элементарные частицы. Таким образом, слабое взаимодействие определяет стабильность элементарных частиц и играет решающую роль при их взаимопревращениях. Оно осуществляется посредством обмена достаточно массивными частицами — векторными бозонами , массы которых составляют около 80 масс протона. Бозоны были экспериментально открыты в 1983 г.

Все многообразие окружающих нас взаимодействий, согласно современной квантово-полевой картине мира, сводится к взаимодействию двух групп квантовых объектов, первую из которых составляют участники фундаментальных взаимодействий, а вторую — их переносчики.

К участникам взаимодействий относятся лептоны и кварки, которые и являются первичным «строительным материалом» для создания всего материального многообразия в природе. Обмен частицами-переносчиками (гравитон, фотон, глюоны и векторные бозоны) позволяет частицам-участникам осуществлять четыре типа фундаментальных взаимодействий, к которым сводятся все наблюдаемые взаимодействия в природе. Образно можно представить себе окружающий мир как царство «кишащих и взаимодействующих друг с другом» фундаментальных частиц.

На следующем уровне более сложной организации материи располагаются элементарные частицы, составленные из фундаментальных, общее число которых, согласно современным данным, более 500. Далее следуют ядра, состоящие из нуклонов, общее число которых соответствует числу химических элементов и их изотопов — 2000. На следующем этаже организации материи появляются атомы, составленные из ядер и лептонов, количество которых соответствует количеству ядер.

Атомы, взаимодействуя между собой, образуют молекулы, общее число которых оценивается примерно в 10 млн и постоянно возрастает за счет синтеза новых соединений. Молекулы образуют различные вещества, вещества — тела, тела — астрономические объекты, астрономические объекты — Вселенную.

В настоящее время актуальной является проблема объединения различных типов фундаментальных взаимодействий в рамках одной теории. Обнадеживающим успехом на этом пути стало объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в единое электрослабое взаимодействие (рис. 174). На повестке дня — построение теории большого объединения, включающей в себя электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия.

Рис. 174. Элементарные частицы и теории взаимодействий

Еще более грандиозна идея объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий, включая гравитацию, в рамках теории суперобъединения. Эта теория может быть создана на основе новейшей физической теории «суперструн», разработанной американскими физиками М. Грином и Дж. Шварцем, объединяющей все фундаментальные взаимодействия при сверхвысоких энергиях.

Помимо построения современной физической картины мира, которая является составной частью современной естественнонаучной картины мира, физика сформулировала ряд принципов, которые являются общими для любого научного исследования, т. е. они могут считаться философскими принципами. Сюда следует отнести принцип причинности, принцип относительности, принцип сохранения, принцип инвариантности, принцип дополнительности, принцип соответствия и некоторые другие.

Современная естественнонаучная картина мира в соответствии с принципом дополнительности базируется на новейших достижениях естественных наук. Соответственно, можно сказать, что современная физическая картина мира является фрагментом естественнонаучной картины мира.

Итоги:

Различают четыре типа фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое.

В микромире выполняются фундаментальные законы сохранения энергии, импульса, электрического, барионного и лептонного зарядов.

Электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлением единого электрослабого взаимодействия.

В настоящее время актуальна проблема построения теории большого (великого) объединения, которая могла бы описать все типы существующих взаимодействий.

Проявления законов сохранения в тепловых, электромагнитных, ядерных явлениях

Закон сохранения энергии для тепловых процессов. Закон сохранения энергии утверждает, что количество энергии при любом ее превращении остается неизменным. Но стремление к равновесию значит, что у событий есть определенный ход: тепло передается от нагретых тел к холодным; не может мяч, который лежит на столе, самостоятельно начать двигаться, не может тело нагреться, если ему не передать определенного количества теплоты.

Закон сохранения энергии для тепловых процессов можно сформулировать следующим образом: невозможно перевести теплоту от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах.

Изучая разные механические и тепловые процессы, можно сделать вывод, что главный фундаментальный закон физики — это закон сохранения энергии. Во время всех явлений, происходящих в природе, энергия не возникает и не исчезает, она только переходит из одного вида в другой, количественно оставаясь неизменной.

Представления о частицах заряда дают основания утверждать, что заряд сохраняется. Когда тела заряжаются путем трения, то заряженные частицы переносятся от одного тела к другому. Тот заряд, который приобретает одно тело, другое тело теряет. Когда пластины электрических весов заряжаются от батареи гальванических элементов, последняя переносит заряд от одной пластины к другой. Заряды пластин равны и противоположны по знаку.

При некоторых очень необычных обстоятельствах можно «создавать» заряженные частицы, но мы увидим, что они всегда образуются парами, и заряд одной частицы равен по значению и противоположен по знаку заряду другой. Иногда природа сама «создает» заряженные частицы, например нейтрон превращается в протон и электрон. Полный заряд равен нулю до и после превращения.

Опыты и имеющиеся данные наблюдений показывают, что полное количество заряда никогда не изменяется. Подобно закону сохранения энергии, сохранение заряда является законом природы, который распространяется на все известные вам явления.

Следовательно, при электризации тел выполняется фундаментальный закон природы, который называют законом сохранения электрического заряда. Данный закон выполняется только для электрически изолированных, или замкнутых, систем, которые не обмениваются электрическими зарядами с телами или частицами, невходящими в эти системы.

В замкнутой системе заряженных тел алгебраичная сумма зарядов остается постоянной.

Если отдельные заряды обозначить через то

Из данного закона также следует, что при взаимодействии заряженных тел не может возникнуть или исчезнуть заряд только одного знака. Возникновение положительного электрического заряда всегда сопровождается появлением такого же по модулю отрицательного электрического заряда.

Закон сохранения заряда установил в 1750 г. американский ученый и выдающийся политический деятель Бенджамин Франклин. Он также впервые ввел понятие о положительных и отрицательных электрических зарядах, обозначив их знаками «+» и «-».

Одним из основных законов природы является закон сохранения массы и энергии:

суммарные масса и энергия, вступившие в реакцию, равняются суммарной массе и энергии продуктов реакции.

Это универсальный закон, но, его разделяют на два: в химии — закон сохранения массы, в физике — закон сохранения энергии.

Закон сохранения массы: масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.

Данный закон не является точным, ведь он не учитывает изменение массы при выделении или поглощении энергии. Однако при химических процессах изменение массы настолько мало, что им просто пренебрегают.

Закон сохранения и преобразования энергии: энергия не создается из ничего и никуда не исчезает, а только превращается из одного вида в другой в эквивалентных количествах.

Зависимость между массой и энергией математически выразил Эйнштейн:

Изменение массы ощутимо только при ядерных реакциях, при которых выделяется большое количество энергии.

С точки зрения атомно-молекулярной теории закон сохранения массы объясняется следующим образом: в ходе химических реакций атомы не исчезают и не появляются, а происходит их перегруппировка.

Лекции по предметам:

1. Физика
2. Атомная физика
3. Квантовая физика
4. Молекулярная физика

Что такое ядерный реактор?..

Похожие материалы

К сожалению, похожего ничего не нашлось!

Комментарии

Всего комментариев: 0