книги из ГПНТБ / Бордовский Г.А. Физика учеб. пособие для студентов фак. естествознания пед. ин-тов

t s c r ig 5"ln w f * Возраст геологических пород можно определять по содержанию 9 2 U 238 и Т*Д»

§ 7 .3 . Деление и синтез ядер

Огромный интерес, проявляемый к ядерной физике, связан прежде всего с тем, что атомное ядро является поистине неис - черпаемым источником энергии, в миллионы раз более эффектив - нын, нежели другие ранее известные источники. Внутриядерная энергия выделяется при делении и синтезе ядер.

7 .3 .1 . Далѳние ядер. Цепная реакция

Деление ядер урана было обнаружено в 1939 году О.Ганом и Ф.Штрассманом и сразу же объяснено 0 .Фришем и Л.Мейтер. Оно заключается в том, что при бомбардировке ядер ggv ^ нейтро­

у исходного ядра. Это означает, что реакция деления урана

сопровождается выделением огромной* энергии. Легко подсчитать,

ми, а также новыми ядрами и нейтронами, которые приобретают огромные скорости.

Практический интерес представляет случай самоподдерживающейся реакции деления.'Такая реакция действительно имеет ме­ сто, поскольку каждый нейтрон, выделившийся при делении одно­ го ядра урана, в принципе, может вызвать деление другого ядра

- 202 -

и т .д . Число актов деления возрастает лавинообразно - возни - кает денная реакция, схематически этот процесс представлен на рис.7 .9 . Цепная реакция иокет быть управляемой и неуправляѳ - мой. Неуправляемая реакция осуществляется при взрыве атомной бомбы. В связи с тем, что многие нейтроны покидают делящееся вещество прежде, чем встретятся с ядрами урана, для получения атомного взрыва нужно иметь достаточно большое количество де­ лящегося вещества (достичь критической массы) с тем, чтобы

. максимально возможное число нейтронов провэаимодейство-

ции. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных ре - акторах, являющихся основной частью энергетических атомных установок (атомных электростанций, двигателей подводных атом­ ных лодок и д р .).

Наиболее благоприятно деление ядер y2U 239 происходит

имеет период полураспада 24100 лет, т .ѳ . достаточно стабилен.

Облучение y^fy239, как и y g U 239, медленными нейтронами вызы-

- 203 -

ваѳт цепную реакцию. Следовательно, плутоний является хорошим ядерныы топливом. В оольшинстве ядерных реакторов использует­

Впервые ядерные реакции для мирных целей были использо -

7 .3 .2 . Термоядерный синтез

Термоядерный синтез заключается в образовании тяжелых ядер путем слияния ядер легких элементов. Примером может слу жить реакция образования гелия ^ e ^ :

тором уже проявляются силы ядѳрного взаимодействия. На таком

расстоянии потенциальная энергия кулоновского отталкивания

лизине средней кинетической энергии теплового движения частиц соответствует температура ~ ІО9 °К !!! По современным оценкам даже внутри Солнца температура достигает лишь 2*І07 °К. Одна­

ко из распределения Максвелла (см .рис.3 .9 ) следует, ’что неко­

торая часть частиц движется с гораздо большими скоростями,чем средняя. Поэтому в недрах Солнца и других звезд термоядерный синтез гелия из водорода достаточно легко осуществим. В земных условиях температура в несколько миллионов градусов Кельвина

возникает лишь при взрыве атомной бомбы, поэтому в настоящее время термоядерный синтез осуществляется лишь в виДе термо - ядѳрного взрыва, ичевидно, что взрыву водородной бомбы пред - шествует взрыв атомной бомбы.

- 204 -

Из рис.7.1 следует, что различие в энергии связи между легкими и средними по массе ядрами гораздо больше, чем между средними и тяжелыми ядрами, поэтому при термоядерном синтезе выделяется энергии в десятки раз больше, чем при делении ядер урана, т .е . термоядерный синтез является еще более эффѳктив - ным источником энергии. Весьма важная задача получения управ­ ляемой термоядерной реакции еще полностью не решена, хотя в этом направлении и достигнуты большие успехи. С решением дан­ ной проблемы откроется практически неисчерпаемый источник энергии, поскольку 1/5000 часть всех атомов водорода, содѳр - жащихся в обычной морской воде, является изотопом jH2 и может участвовать в следующих реакциях:

Видно, что при трансформации четырех ядер дейтерия в два ядра гелия 2^®^ выделяется около 43 миллионов электрон-вольт энергии.

§ 7 .4 . Влияние радиактивных излучений на биологические системы

7 .4 .1 . Ионизирующая способность рэдиактивного излучения

Выше было показано, что радиактивноѳ излучение не одно - родно по своему составу. Оно может содержать заряженные час -

нако в основе биологического действия любого компонента радиактивного излучения лежит элементарный акт взаимодействия ча­ стицы с атомами вещества, в результате которого происходит возбуждение электронной оболочки атома или его ионизация. Ио-

- 205 -

низирующая спосооность зависит от заряда, массы и скорости

частицы. Тяжелые заряженные частицы (ядра, - частицы) дви­

жутся сравнительно медленно*/ и на своем пути производят наи­

дых телах могут проникать лишь на доли миниметра. Проникающая

способность соответственно в 100-200 раз больше. Также велика проникающая способность быстрых нейтронов, поскольку непосред­ ственно с электронами они практически не взаимодействуют. Ней­

Дозой излучения называется количество энергии, получен - ное веществом в результате прохождения через него радиактив -

ного излучения.

Для оценки биологического воздействия радиактивного из - лучения используют единицу дозы I рад - дозу, при которой в I

активного излучения, различные частицы оказывают различное би­ ологическое воздействие. Поэтому для оценки поражающего дей - ствия излучения на биологическую систему необходимо дозу в радах умножить на соответствующий коэффициент, называемый от­ носительной биологической эффективностью (ОБЭ):

только от дозы, но и от быстроты, с которой это излучение пог­ лощалось. Для учета этого обстоятельства вводится понятие мощ­ ности дозы

d P

d t

которая численно равна д о зе, полученной в единицу времени. При постоянной мощности дозы или при малом времени облучения, по­ лучена организмом доза

например, средняя мощность дозы радиактивного излучения от ес­ тественных источников (космическое излучение, радиактивные горные породы и т .п .) составляет I рад/год. Следовательно, за 70 лет жизни человек получает около 7 рад.

7 .4 .3 .Действие радиактивного излучения на клетку

Легко убедиться, что первичные процессы ионизации не вы­

зывают значительных нарушений в тканях. В самом деле, даже

происходит разрыв связей внутри сложных органических молекул. Коротко коснемся некоторых вопросов строения клетки. В

общих чертах, клетка состоит из оболочки (мембраны) и заклю - ченной в ней протоплазмы, в которой находится множество орга-

рушение молекул ДНК и РНК, что приводит к разрушению аппарата наследственности клетки, аппарата, регулирующие, все процессы, протекающие в ней. В конечном итоге это вызывает гибель клет­ ки. Показательно, что при облучении ядра дозой в сотни бэр клетка погибает, но если защитить ядро от облучения, то клет­ ка остается жить и при дозе в десятки тысяч оэр.

Во-вторых, при ионизации молекулы воды, содержащиеся в

- 208 -

клетке, образуют активные радикалы НС^ и перекись водорода Н2О2 , которые разрушают молзкулы белка, ДНК и РНК. Кроне того

излучение может ухудшить проницаемость плазматической мембра­ ны и тем самым ухудшить энергообмен.

В-третьих, даже очень малые дозы облучения оказывают ге ­ нетическое действие. Небольшие мутации в наследственном аппа­ рате могут и не повлечь за собой гибели клетки, но они пере -

поколение. Например, подсчитано, что если средняя доза, кото­ рую получает человек от естественного радиактивного фона воз­ растет всего лишь на I бэр , то в следующем поколении возможно

организм погибает через несколько минут, так как разрушается очень большое число молекул, составляющих ткани.

б) Доза от 3000 до 10000 бэр вызывает смерть через нес -

колько часов из-за прекращения обмена веществ.

в) При дозе в 3000 бэр прекращается нормальное обновлѳ -

ние клеток, поэтому организм тоже погибает.

г) При меньших дозах возникает лучевая болезнь различной

степени тяжести. Смертельной дозой принято считать такую дозу, при которой через 30 дней погибает более 50% оолученных орга­ низмов. Для человека эта величина составляет 500 бэр.

Как было показано выше, человек в течение жизни получает от естественных источников около 7 бэр. Международная комис -

В заключенію отметим, что не все ткани одинаково воспри­ имчивы к радиактивному излучению. Чем оыстрее делятся и обно­