Физика

Радиоактивное излучение бывает трех типов: -, -, -излучение.-Излучение представляет собой поток ядер гелия 42 He: заряд -частицы

равен +2å, а масса примерно 4 а. е. м. -Частица отклоняется электриче- ским и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью (например, поглощается слоем алюминия толщиной примерно 0,05 мм).

-Излучение представляет собой поток электронов или позитронов.-Частица отклоняется электрическим и магнитным полями, ее ионизирующая способность значительно меньше (примерно на два порядка), а проникающая способность гораздо больше, чем у -частиц (поглощается слоем алюминия толщиной примерно 2 мм).

-Излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение с малой длиной волны 10–10 м и вследствие этого ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. является потоком-квантов (фотонов); -излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью (например, проходит через слой свинца толщиной 5 см), при прохождении через кристаллы обнаруживает дифракцию.

Теория радиоактивного распада строится на предположении о том, что распад является спонтанным процессом, подчиняющимся законам статистики. Так как отдельные радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга, то можно считать, что число ядер, распавшихся в среднем за интервал времени от t äî t + dt, пропорционально промежутку времени dt и числу N нераспавшихся ядер к моменту времени t:

dN = – Ndt,

где — постоянная для данного радиоактивного вещества величина, называемая постоянной радиоактивного распада; знак минус указывает, что общее число радиоактивных ядер в процессе распада уменьшается, т. е. приращение числа нераспавшихся ядер dN 0. Разделив переменные и интегрируя, получим закон радиоактивного распада:

ãäå N — число нераспавшихся ядер в момент времени t; N0 — начальное число нераспавшихся ядер в момент времени t = 0. Закон радиоактивного

241

распада (5.17) констатирует, что число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненциальному закону.

Число распадов, происходящих с ядрами вещества в единицу времени, называется активностью А изотопа:

1 Êè = 3,7 · 1010 Áê.

Интенсивность процесса радиоактивного распада характеризуют две величины: среднее время жизни радиоактивного ядра и период полурас-

ïàäàT1 . Можно показать, что среднее время жизни радиоактивного ядра

2

есть величина, обратная постоянной радиоактивного распада :

Период полураспада T1 — время, за которое исходное число радио-

2

активных ядер уменьшается вдвое. Согласно (5.17)

N 0 N 0 e T12 , 2

откуда

Периоды полураспада для естественно-радиоактивных элементов колеблются от десятимиллионных долей секунды до многих миллиардов лет.

С учетом (5.20) закон радиоактивного распада (5.17) можно представить в более удобном для практического применения виде:

Радиоактивный распад происходит в соответствии с правилами смещения, позволяющими установить, какое ядро возникает в результате распада данного материнского ядра.

-Распад есть самопроизвольный процесс испускания ядрами -час- тиц, в результате которого массовое число ядра A уменьшается на четыре, а зарядовое число Z уменьшается на два. Правило смещения:

242

ãäå AZ X — материнское ядро; Y — символ дочернего ядра; 42 He — ÿäðî

гелия ( -частица). Примером может служить распад изотопа урана с образованием тория:

23892 U 23490 Th 42 He.

Скорости, с которыми -частицы вылетают из распавшегося ядра, составляют порядка 107 ì/ñ.

-Распад есть самопроизвольный процесс, в котором нестабильное ядро AZ X превращается в ядро Z A1 X èëè Z A1 X. Конечным результатом

этого процесса является превращение в ядре нейтрона в протон или протона в нейтрон. Можно сказать, что -распад есть не внутриядерный, а внутринуклонный процесс. При нем, следовательно, происходят более глубокие изменения вещества, чем при -превращении. Требование выполнения законов сохранения энергии, импульса и момента импульса предполагает образование в процессе распада уникальной элементарной

~

частицы — нейтрино или антинейтрино . Гипотеза о ее существовании высказана В. Паули в 1932 г., а впервые обнаружена лишь в 1956 г.

Различают три вида -распада:

1) электронный –-распад, в котором ядро испускает электрон, а потому зарядовое число Z увеличивается на единицу; нейтрон в ядре превращается в протон:

2) позитронный +-распад, в котором ядро испускает позитрон, а потому зарядовое число Z уменьшается на единицу; протон в ядре превращается в нейтрон:

3) электронный захват (e-захват), в котором ядро поглощает один из электронов электронной оболочки, а потому зарядовое число Z уменьшается на единицу; протон в ядре превращается в нейтрон:

Распад ядер обычно сопровождается возникновением -лучей.

243

Правила смещения являются ничем иным, как следствием двух законов, выполняющихся при радиоактивных распадах: закона сохранения электрического заряда и закона сохранения массового числа: сумма зарядов (массовых чисел) возникающих ядер и частиц равна заряду (массовому числу) исходного ядра. Возникающие в результате радиоактивного распада ядра могут быть, в свою очередь, радиоактивными. Это приводит к возникновению цепочки или ряда радиоактивных превращений, заканчивающихся стабильным элементом. Совокупность элементов, образующих такую цепочку, называется радиоактивным семейством.

Ядерные реакции. Элементы ядерной энергетики

Ядерной реакцией называется процесс взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другим ядром, приводящий к преобразованию ядра (или ядер). Взаимодействие реагирующих частиц возникает при сближении их до расстояний порядка 10–15 м благодаря действию ядерных сил. При рассмотрении ядерных реакций (как и других процессов) используются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда и ряда других физических величин.

Наиболее распространенным видом ядерной реакции является взаимодействие легкой частицы à с ядром X, в результате которого образуется легкая частица b è ÿäðî Y:

где величина Q представляет собой энергию, выделяющуюся в результате реакции (ее, как и в химии, часто включают в уравнение самой реакции). Реакция называется экзотермической, åñëè Q 0 (с выделением энергии), и эндотермической, åñëè Q 0 (с поглощением энергии). Количество выделяющейся энергии называется энергией реакции. Она определяется разностью масс (выраженных в энергетических единицах) исходных и конечных частиц:

ãäå c — скорость света.

Уравнение реакции принято также записывать в сокращенном виде:

Õ (à, b) Y. (5.28)

244

В скобках указываются участвующие в реакции легкие частицы, сна- чала исходная, затем конечная. В качестве легких частиц à è b могут фигурировать нейтрон (n), протон (ð), дейтрон (d), -частица ( ) и -фотон ( ).

В 1936 г. Н. Бор установил, что реакции, вызываемые не очень быстрыми частицами, протекают в два этапа. Первый этап заключается в захвате приблизившейся к ядру X частицы à и в образовании промежуточ- ного ядра П, называемого составным ядром. Энергия, привнесенная частицей à (она слагается из кинетической энергии частицы и энергии ее связи с ядром), за очень короткое время перераспределяется между всеми нуклонами составного ядра, в результате чего это ядро оказывается в возбужденном состоянии. На втором этапе составное ядро испускает частицу b. Символически такое протекание реакции записывается следующим образом:

Если испущенная частица тождественна с захваченной (b % à), процесс (5.27) называют рассеянием. В случае, когда энергия частицы b равна энергии частицы à (Wb = Wà), рассеяние является упругим, в противном случае (т. е. при Wb Wà) — неупругим. Ядерная реакция имеет место, если частица b не тождественна с частицей à.

Ядерные реакции классифицируются:

1)по роду участвующих частиц: под действием нейтронов; под действием заряженных частиц (протонов, -частиц и др.); под действием-квантов;

2)по энергии вызывающих их частиц: малые энергии ~ 1 эВ (с ней-

тронами); средние энергии ~ 1 МэВ (с -квантами, -частицами); высокие энергии ~ 103 МэВ (рождение новых элементарных частиц);

3)по роду участвующих в них ядер: на легких ядрах (À 50); на средних ядрах (50 À 100); на тяжелых ядрах (À 100);

4)по характеру ядерных превращений: с испусканием нейтронов;

ñиспусканием заряженных частиц; реакции захвата (излучается -квант). Одним из двух принципиально возможных способов освобождения

ядерной энергии является деление тяжелых ядер. В 1939 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана. Продолжая исследования, начатые Ферми, они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части

245

периодической системы — радиоактивные изотопы бария (Z = 56), криптона (Z = 36) è äð.

Уран встречается в природе в виде двух изотопов: 23892 U (99,3 %) è 23592 U (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления 23592 U наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра 23892 U вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ.

Основной интерес для ядерной энергетики представляет реакция деления ядра 23592 U. Типичная реакция деления этого ядра сопровождается испусканием вторичных нейтронов:

Энергия, выделяющаяся при делении одного ядра урана, огромна — порядка 200 МэВ, что составляет 0,9 МэВ/нуклон. При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.

При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2–3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией.

Цепная реакция в уране с повышенным содержанием урана-235 может развиваться только тогда, когда масса урана превосходит так называемую критическую массу. Для чистого урана-235 критическая масса составляет около 50 кг. Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Наилучшими замедлителями нейтронов являются тяжелая вода D2O, графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей.

Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу.

Устройство, в котором поддерживается управляемая реакция деления ядер, называется ядерным (èëè атомным) реактором (ðèñ. 5.9).

246

Ðèñ. 5.9

Первый ядерный реактор был построен в 1942 г. в США под руководством Э. Ферми. В нашей стране первый реактор был построен в 1946 г. под руководством И. В. Курчатова, первая в мире атомная электростанция на медленных нейтронах — в Обнинске в 1954 г. мощностью 5 МВт. Топливом является обогащенная смесь изотопов урана с повышенным содержанием урана-235 (до 3 %).

В активную зону вводятся регулирующие стержни, содержащие кадмий или бор, которые интенсивно поглощают нейтроны. Введение стержней в активную зону позволяет управлять скоростью цепной реакции.

Активная зона охлаждается с помощью прокачиваемого теплоносителя, в качестве которого может применяться вода или металл с низкой температурой плавления (например, натрий, имеющий температуру плавления 98 °C). В парогенераторе теплоноситель передает тепловую энергию воде, превращая ее в пар высокого давления. Пар направляется в турбину, соединенную с электрогенератором. Из турбины пар поступает в конденсатор. Во избежание утечки радиации контуры теплоносителя I и парогенератора II работают по замкнутым циклам.

Турбина атомной электростанции является тепловой машиной c КПД ~ 30 %. Остальная энергия уносится водой, охлаждающей кон-

247

денсатор. Это приводит к локальному перегреву естественных водоемов и последующему возникновению экологических проблем.

Однако главная проблема состоит в обеспечении полной радиационной безопасности. После аварий на некоторых АЭС, в частности на АЭС в Пенсильвании (США, 1979 г.) и на Чернобыльской АЭС (СССР, 1986 г.), проблема безопасности ядерной энергетики стала особенно острой.

Наряду с ядерным реактором на медленных нейтронах большой практический интерес представляют реакторы, работающие на быстрых нейтронах. В таких реакторах ядерным горючим является обогащенная смесь, содержащая не менее 15 % изотопа 23592 U. Преимущество

реакторов на быстрых нейтронах состоит в том, что при их работе ядра урана-238, поглощая нейтроны, посредством двух последовательных-распадов превращаются в ядра плутония, которые затем можно использовать в качестве ядерного топлива: на 1 кг урана-235 получается до 1,5 кг плутония.

Первая атомная станция на быстрых нейтронах мощностью 350 МВт построена в г. Шевченко на берегу Каспийского моря. Нововоронежская АЭС имеет мощность 1500 МВт.

Второй путь освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза, дающими наибольшую энергию на единицу массы. При слиянии легких ядер дейтерия и трития и образовании нового ядра выделяется большое количество энергии:

ãäå Q = 17,6 МэВ = 3,5 МэВ/нуклон.

Количество дейтерия в стакане простой воды эквивалентно 60 л бензина. Количество дейтерия в океанской воде 4 · 1013 т, что соответствует энергии 1017 ÌÂò·ãîä.

Реакции слияния легких ядер называются термоядерными реакциями, так как они могут протекать только при очень высоких температурах: 108–109 К. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой.

Первая термоядерная реакция в СССР осуществлена в 1953 г., через полгода — в США. Управляемые термоядерные реакции дадут челове- честву новый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии. Однако получение сверхвысоких температур и удержание плазмы, нагретой до миллиарда градусов, представляет собой

248

труднейшую научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза.

На данном этапе развития науки и техники удалось осуществить только неуправляемую реакцию синтеза в водородной бомбе. Высокая температура, необходимая для ядерного синтеза, достигается здесь с помощью взрыва обычной урановой или плутониевой бомбы.

Ученые ряда стран настойчиво работают над изысканием способов осуществления управляемого термоядерного синтеза. В настоящее время в рамках международного проекта во Франции строится экспериментальный термоядерный реактор.

5.4.Элементарные частицы

Âначале 30-х гг. ХХ в. физика нашла приемлемое описание строения вещества на основе четырех типов элементарных частиц — протонов, нейтронов, электронов и фотонов. Добавление пятой частицы — нейтрино — позволило объяснить также процессы радиоактивного распада. Казалось, что названные элементарные частицы являются первокирпичиками мироздания.

Но эта кажущаяся простота вскоре исчезла — был обнаружен позитрон, предсказанный Дираком. В 1936 г. среди продуктов взаимодействия космических лучей с веществом был открыт первый мезон. После этого удалось наблюдать мезоны иной природы, а также другие необыч- ные частицы. Эти частицы рождались под действием космических лучей довольно редко. Однако после того, как были построены ускорители, позволяющие получать частицы больших энергий, удалось открыть более 300 новых частиц.

Что же тогда понимать под словом «элементарная»? «Элементарная» — логический антипод «сложной». Элементарные частицы — зна- чит первичные, далее неразложимые частицы, из которых состоит вся материя. К сороковым годам XX в. был известен уже ряд превращений «элементарных» частиц. Число частиц продолжает расти. Большая их часть нестабильна. Среди десятков известных микрочастиц всего несколько устойчивых, неспособных к самопроизвольным превращениям. Не является ли устойчивость по отношению к самопроизвольным превращениям признаком элементарности?

Ядро дейтерия (дейтрон) состоит из протона и нейтрона. Как частица дейтрон совершенно устойчив. В то же время составная часть дейтро-

249

на, нейтрон, -радиоактивен, т. е. неустойчив. Этот пример показывает, что понятия устойчивости и элементарности — не тождественны. В современной физике термин «Элементарные частицы» обычно употребляется для наименования большой группы мельчайших частиц материи (которые не являются атомами или атомными ядрами).

Все элементарные частицы обладают исключительно малыми массами

èразмерами. У большинства из них масса соответствует массе протона — 1,6 · 10 27 кг (заметно меньше лишь масса электрона 0,9 · 10 30 кг). Микроскопические размеры и массы элементарных частиц обусловливают квантовые закономерности их поведения. Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц — способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами.

Известны четыре типа различных по своей природе взаимодействий между частицами: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Каковы особенности четырех перечисленных видов взаимодействия?

Наиболее сильным является взаимодействие между ядерными частицами («ядерные силы»), поэтому его принято называть сильным. Óæå

отмечалось, что ядерные силы действуют лишь при весьма малых расстояниях между частицами: радиус действия порядка 10–15 ì.

Следующим по величине является электромагнитное взаимодейст-

вие. Оно меньше сильного на два порядка. Но с расстоянием оно меняется медленнее, как 1/r2, так что радиус действия электромагнитных сил бесконечен.

Далее следует слабое взаимодействие, обусловленное участием

в реакциях нейтрино. По порядку величины это взаимодействие меньше сильного в 1014 раз. По-видимому, радиус действия здесь такой же, как

èв случае сильного взаимодействия.

Самое малое из известных взаимодействий — гравитационное. Оно меньше сильного на 39 порядков — в 1039 раз! С расстоянием гравитационные силы убывают столь же медленно, как и электромагнитные, так что их радиус действия также бесконечен.

В космосе основная роль принадлежит гравитационным взаимодействиям, так как радиус действия сильных и слабых взаимодействий ничтожен. Электромагнитные взаимодействия играют ограниченную роль потому, что электрические заряды противоположных знаков стремятся к образованию нейтральных систем. Гравитационные силы — всегда силы притяжения. Их нельзя скомпенсировать силой обратного знака, от них нельзя экранироваться. Отсюда — их доминирующая роль в космосе.

250