книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

на ядра лития и гелия, разлетающиеся с большой скоростью: 5  10B + n

====> 3 7Li + 2 4He

Чем медленнее нейтроны (а их надо замедлять, например пара- фином), тем с большей эффективностью они захватываются ядрами и производят ядерные реакции.

Эффективность захвата нейтронов веществом зависит и от рода атомов.

Слабыми поглотителями нейтронов являются бериллий, тяжелая вода, углерод, висмут.

Сильными являются бор, кадмий,литий, хлор, серебро.

Сильное поглощение ядрами медленных нейтронов объясняется отсутствием сил электрического отталкивания (так как нейтрон ли- шен заряда) и существованием сил притяжения между ядрами и ней- тронами.Чем медленнее движется нейтрон,тем большее время нахо- дится он под действием сил притяжения со стороны ядра и тем легче захватывается им.

Захват ядрами нейтронов является одной из причин, почему ней- троны не существуют длительно в свободном виде.

Второй причиной является радиоактивность нейтрона. Свобод- ный нейтрон с течением времени превращается в протон, испуская при этом электрон и нейтрино. Период полураспада нейтрона — око- ло 15 мин.

Радиоактивные вещества, образующиеся в результате ядерных реакций, получили название «искусственно-радиоактивных» в от- личие от «естественно-радиоактивных» веществ, встречающихся в природных минерала (открытых Фредериком и Ирен Кюри, 1934 г). Искусственно-радиоактивные вещества могут образовываться при различных ядерных реакциях. Пластинка серебра после облучения медленными нейтронами не претерпеваетникаких видимых измене- ний, но становится радиоактивной и испускает β-частицы (электро- ны). Период полураспада радиоактивного серебра 2,3 мин. Ядерная

реакция: 47 107Ag + 0 1n ====> 47 108Ag + γ, где γ — это квант γ-излучения. Радиоактивный изотоп серебра 47 108Ag распадается и превращается в стабильный изотоп кадмия 48 108Cd с испусканием электрона и ней-

трино: 47 108Ag ===Т = 2,3 мин===> 48 108Cd + e- + 0 ν(нейтрино).

Изотоп серебра с массовым числом 108 а. е. м. из — за своей радио- активности в природе не встречается, фактически природное серебро это смесь изотопов с массовыми числами 107 и 109. Искусственная радиоактивность распространенное явление. Все три типа излучений испускаются также и искусственно-радиоактивными веществами, но им присущ так же и распад с испусканием позитронов — частиц, обладающих массой электрона, но несущих положительный заряд, равный одной элементарной единице заряда. Позитрон — фактиче-

310

ски антиэлектрон, противоположность электрона. При облучении алюминия α-частицами образуется радиоактивный изотоп фосфора

сиспусканием нейтрона. Полученный изотоп фосфора распадается

сиспусканием позитрона: 15 30P ===T = 2,5 мин===> 14 30Si + e+ + 0 ν, при этом продуктом распада является стабильный изотоп кремния.

Существование позитронов подтверждено с помощью камеры Вильсона. В ней γ-излучение образует выходящую из одной точки пару следов схожих со следом электрона,атак как магнитное поле по- ворачивает их в противоположные стороны, то одна из этих частиц является электроном, а вторая — позитроном. Кванты γ-излучения образуют пару электрон—позитрон при взаимодействии с электриче- ским полем одного из ядер вещества,само же ядро остаётся без изме- нений.Масса позитрона вточности равна массе электрона и составля- ет примерно 1/2000 массы протона.

Есть и обратный процесс. Электрон и позитрон, сблизившись под действием сил электрического притяжения, могут превратиться

вдва γ-кванта, которые разлетаются в противоположные стороны. Этот процесс получил название аннигиляции. Аннигиляция являет- ся причиной отсутствия на Земле позитронов. Каждый позитрон че-

рез ничтожное время после своего образования соединяется с одним из электронов среды, превращаясь в два γ-кванта.

Происходит взаимное превращение электромагнитного поля из- лучения (γ-кванты) и частиц вещества (электрона и позитрона), кото- рые являются взаимными противоположностями, переходящие друг

вдруга.

Свет (электромагнитное поле) совмещает со свойствами волны свойства потока частиц — фотонов. А у элементарных частиц веще- стваестьиволновыесвойства(волныдеБройля).Взаимноепревраще- ние электромагнитного поля излучения (γ-кванты) и частиц вещества (электрона и позитрона) указывает на их единство.Элементарные ча- стицы вещества и фотоны (кванты электромагнитного поля) —этодве противоположные формы материи, имеющие противоположные ка- чества одного рода: масса покоя вещественных частиц не равна нулю, тогда как масса покоя фотона равна нулю и скорость его движения строго равна скорости света.

При аннигиляции покоящихся электрона и позитрона их энергия покоя полностью превращается в электромагнитную энергию двух γ-квантов. Энергия покоя электрона равна энергии покоя позитрона: m0 . с 2, где m0 = 0,911 . 10–30 кг.

Энергия каждого из γ-квантов равна (h . ν). Из закона сохранения энергии m0 . с 2 = h . ν= 0,51 МэВ. Это энергия каждого из γ-квантов, ис- пускаемых при аннигиляции электрона и позитрона.Применяя закон Эйнштейна к процессам аннигиляции и образования пар, найдено,

311

что при образовании из γ-кванты пары электрон — позитрон её энер- гия (h . ν) превращается в энергию покоя m0 и кинетическую энергию

частиц Wк: h . ν= 2 m0. с 2 + Wк = 1,02 МэВ + Wк, где Wк — суммарная ки- нетическая энергия электрона и позитрона.

То есть,образование пар можетпроисходитьтолько поддействием γ-квантов с энергией больше 1,02 МэВ.

Массы атомных ядер всегда очень близки к целому числу атомных единиц массы,что указываетна их строение из частиц приблизитель- но единичной массы. Такими частицами являются протон и нейтрон. Хотя ядра (ядра радиоактивных изотопов) испускают электроны и по- зитроны, но в ядрах их нет. Например, радиоактивный изотоп меди 29 64 Cu излучают два рода частиц — позитроны и электроны. Часть атомных ядер такого вещества при распаде превращается в предыду- щий элемент периодической системы с испусканием позитрона, дру- гая часть ядер того же вещества превращается в следующий элемент

сиспусканием электрона.Одновременное существование позитронов

и электронов в объеме ядра невозможно из-за свойства этих частиц объединяться и превращаться в пару γ-квантов.

Впроцессе распада ядра, сопровождающегося вылетом одной из этих частиц, такие частицы образуются заново в результате теку- щих превращений внутри ядра: при вылете позитрона один из про- тонов превращается в нейтрон, а при вылете электрона, один из ней- тронов становится протоном. Так протон и нейтрон переходят друг в друга и являются едиными противоположностями, имеющие про- тивоположные качества одного рода: нейтрон радиоактивен (готовый распасться) становиться протоном,выпуская из себя электрон,в свою очередь протон, не являясь радиоактивным, становиться вновь ней- троном, выпуская из себя позитрон.

Массовое число протона и нейтрона равно единице,массовое число ядра равно полному числу частиц (и протонов и нейтронов) в составе ядра. Заряд же ядра, выраженный в элементарных единицах, равен, числу протонов в ядре. Тогда, согласно протонно-нейтронной модели атомногоядра(предложилД. Иваненко),атомноеядросмассовымчис- лом A и зарядом Z содержит в своем составе A всех частиц, в том числе

Z протонов и A–Z нейтронов. Например, ядро кислорода 8  16O состоит из 8 протонов и 16–8 нейтронов.

Атомным ядром водорода является протон,прибавляя к нему ней-

трон, получают дейтрон D — ядро тяжёлого водорода 1 2H. Прибавляя еще один нейтрон, образуется ядро ещё более тяжелого изотопа во-

дорода, называемого тритием T или 1 3H. Распадаясь с периодом по- лураспада около 12 лет,тритий испускает электроны.Образуется ядро

смассовым числом 3 и зарядом 2, то есть состоящее из двух прото- нов и одного нейтрона, а это легкий устойчивый изотоп гелия 2 3He,

312

содержащийся в очень малой пропорции в природном гелии. Ядро основного изотопа гелия α-частица образуется добавлением к лёгко- му изотопу гелия еще одного нейтрона — 2 2He, то есть оно содержит два протона и два нейтрона.

Увеличивая число нейтронов и протонов в ядре, получают все су- ществующие атомные ядра.

Лёгкие ядра имеют равное их количество, поэтому они устойчивы и не радиоактивны.

В тяжелых ядрах имеется некоторый перевес в числе нейтронов. Например,в ядре свинца нейтронов примерно в полтора раза больше, чем протонов.

Соотношение чисел нейтронов и протонов, которое существу- ет в устойчивых ядрах (оно примерно равное), является наиболее выгодным, придающим ядру наибольшую прочность. Отступления от этого соотношения делают ядро неустойчивым. Если в ядре слиш- ком много нейтронов,то один из нейтронов превращается в протон. Ядро распадается с испусканием электрона, например, 4 10Be =====>

5  10Be + e- + 0 ν.

Если в ядре избыток протонов, то один из протонов превращается в нейтрон, испуская позитрон, например 6 10С =====> 5  10B + e+ + 0 ν.

Силы притяжения между протонами и нейтронами в ядре доста- точно велики и противодействуют мощным силам взаимного элек- тростатического отталкивания протонов, сближенных на расстояние порядка размеров ядра (10 -14 ÷ 10 -15 м). Эти силы получили название ядерных сил.Ядерные силы проявляются при захвате ядрами медлен- ных нейтронов, при ядерных реакциях и радиоактивности. Ядерная энергия — это энергия, запасенная в атомных ядрах и переходящая в другие виды энергии при ядерных превращениях (при радиоактив- ном распаде ядер и ядерных реакциях). Ядерная энергия проявляется при любых превращениях ядер. Различные формы энергии способны превращаться друг в друга, например, кинетическая энергия движу- щихся тел и потенциальная энергия тел в поле сил тяготения,энергия электромагнитных полей и внутренняя энергия тел.

Ядерная энергиятакже способна переходить в кинетическую энер- гиюиобратно,например,вядернойреакцииприоблучениибериллия α-частицами (4 9Be + 2 4He ====> 6 12C + n) кинетическая энергия про- дуктов реакции больше (на 5,7 МэВ) кинетической энергии исходных ядер. Имеет место превращение скрытой ядерной энергии в кинети- ческую энергию.

В ядерной реакции 7  14N + 2 4He = 8  17O + 1 1H кинетическая энергия кислорода и протона меньше (на 1,2 МэВ) кинетической энергии α-частицы, учитывая, что ядро азота в начальный момент покоилось. Кинетическая энергия перешла в ядерную энергию, так как запас

313

скрытой ядерной энергии в продуктах реакции больше, чем в исхо- дных ядрах.

Согласно закону сохранения энергии приращение кинетической энергии равно убыли внутренней энергии ядер. Убыль внутренней энергии в соответствии с законом Эйнштейна равна разности масс покоя исходных и конечных продуктов реакции, умноженной на ква- драт скорости света (c 2).

Для ядерной реакции α-частиц с бериллием эта разница составля- ет 5,7 МэВ.

Ядерная энергия имеет сходство с химической энергией — оба вида энергии проявляются в процессах превращения частиц. Хими- ческая энергия проявляется в процессах превращения молекул, тогда как ядерная энергия проявляется глубже — в процессах превращения атомных ядер.

Противоположность этих энергий заключается в масштабах сил, участвующих в реакциях.

Энергия химических реакций измеряется электронвольтами,энер- гия ядерных превращений — в миллионы раз больше.

Ядерныепревращения,вкоторыхзапасыскрытойядернойэнергии переходят в другие виды энергии, играют большую роль в Природе, например при переходе в тепло, как на нашей звезде по имени Солн- це. При радиоактивном распаде радиоактивные излучения превра- щаются в тепло. Радиоактивное тепло имеет важное геологическое значение и для поддержания положительной температуры на Земле. Радиоактивный распад урана, тория и калия в земной коре являет- ся источником энергии, который обеспечивает высокую температуру в недрах Земли.

Явление радиоактивного распада,сопровождающееся выделением тепла, является основой технического преимущества, применяемого в технике.

Значение естественной радиоактивности, как технического ис- точника энергии, ничтожно: все сколько-нибудь распространённые на Земле радиоактивные элементы распадаются очень медленно, и способов ускорить их распад пока не существует.

Однако, ядерные реакции являются единственным из известных в астрономии источников, обладающих грандиозным запасом энер- гии, чтобы поддерживать лучеиспускание звезд в течение многих миллиардов лет — всего времени их существования. В недрах звезд господствуют температуры, измеряемые миллионами и десятками миллионов градусов. При таких температурах атомы почти полно- стьюионизованы,всёвеществонаходитсявсостоянииплазмы,тоесть представляет собой газ из электронов и «голых» атомных ядер,хаоти- чески движущихся с огромными скоростями. Скорости хаотического

314

движения так велики, что, несмотря на электрическое отталкивание заряженныхядер,междунимипроисходятстолкновения,приводящие

кядерным реакциям. При достаточно высокой начальной температу- ре звезды число реагирующих ядер будет очень велико. Приток осво- бождающейся ядерной энергии покроет потери энергии на световое излучение, поэтому звезда не будет остывать или нагреваться. Ядер- ная реакция, начавшись, обеспечивает условия для своего продолже- ния (то есть сама поддерживает высокую температуру среды). Ядер- ную реакцию, идущую за счёт высокой температуры среды, называют термоядерной. Она продолжается до тех пор, пока не истощится за- пас «ядерного горючего» (пока не будут использованы все способные

креакции друг с другом ядра).

Основным «ядерным горючим», способным обеспечивать звезды энергией в течение многих миллиардов лет, является водород.

Водород (главная составная часть звездного вещества) путем нескольких последовательных ядерных реакций способен превра- щаться в гелий. При этом выделяется энергия примерно 27 МэВ или 150 миллионов килокалорий (примерно 650 . 10 9 Дж) на 1 грамм во- дорода. Расход Солнцем водорода за 100 лет составляет лишь около одной миллиардной доли массы Солнца.

«Поджигаются» термоядерные реакции в звездах вследствие гра- витационного сжатия звездного вещества (в результате превращения потенциальной энергии тяготения во внутреннюю энергию веще- ства).

Способы получения огромных температур (миллионы граду- сов) необходимых для «поджигания» термоядерной реакции извест- ны, однако поддержание её длительное время осуществить техниче- ски пока очень сложно.

Предварительное ускорение частиц не даёт выигрыша энергии от ядерной реакции.

Путь к освоению ядерной энергии дало изучение свойств нейтро- нов. Возможность освоения ядерной энергии появилась с открытием новой ядерной реакции — реакции деления атомных ядер со зна- чительным выделением энергии (авторы О. Ган и Ф. Штрассман, 1939 г.).

Под действием нейтронов ядра урана делятся на два ядра (на два осколка)примернополовинноймассыизарядасиспусканиемнесколь- ких (двух-трех) нейтронов. Такой способностью делиться обладают ещё и некоторые элементы из числа последних элементов периоди- ческой системы Д. Д. Менделеева. Эти элементы, в том числе и уран, делятся не только под действием нейтронов, но и самопроизвольно, без внешних воздействий — спонтанно (установлено К. А. Петржаком и Г. Н. Флеровым, 1940 г.), однако процесс этот весьма редкий.

315

Водномграммеуранапроисходитвсеголишьоколо20спонтанных делений в час. Реакция деления происходит со значительным выде- лением энергии, так как благодаря взаимному электростатическому отталкиванию осколки деления разлетаются в противоположные сто- роны, приобретая огромную кинетическую энергию (около 160 МэВ) и интенсивно ионизируя атомы среды.

Существенным является то, что нейтроны, испущенные при деле- нии уранового ядра (так называемые вторичные нейтроны деления), способны вызывать деление новых ядер урана. Этот эффект позволил обратить внимание на принципиальную возможность осуществить цепную реакцию деления. То есть, однажды начавшись, реакция мо- жетпродолжатьсясамасобой,охватываявсебольшеечислоядеривы- деляя при этом всё больше энергии.

На практике осуществить цепную реакцию деления не просто. В массе природного урана цепная реакция не возникает из-за того, что большая часть вторичных нейтронов теряется, выходит из игры, не вызывая делений.

Природный уран 238 (92 238U) легко поглощает нейтроны подобно серебру, превращаясь в искусственно-радиоактивный изотоп 92 239 U. Деление же урана 92 238U можно осуществитьито струдом поддействи- ем быстрых нейтронов.

Наиболее пригоднымдля осуществления цепной реакции является изотоп урана 235, который содержится в природном уране в количе- стве 0,7 %. Делится он легко под действием нейтронов любой энер- гии и быстрых и медленных, и тем проще, чем меньше энергия ней- тронов. Единственное ограничение заключается в том, что в чистом уране 235 цепная реакция деления возможна только при условии до- статочной его массы. В уране 235 малой массы реакция деления об- рывается из-за вылета вторичных нейтронов за пределы вещества. Размеры атомных ядер урана очень малы и нейтрон проходит в ве- ществе значительный путь (измеряемый сантиметрами), прежде чем случайно натолкнется на ядро. Если размеры тела из урана малы, то вероятность столкновения с ядром вещества мала, а вероятность выхода наружу велика. Поэтому почти все вторичные нейтроны де- ления вылетают через внешнюю поверхность тела, не вызывая новых делений. Из тела больших размеров вылетают наружу главным обра- зом нейтроны, образовавшиеся в поверхностном слое. Нейтроны, об- разовавшиеся внутри тела, имеют перед собой достаточную толщину вещества урана и в большинстве своем вызывают новые деления для осуществления цепной реакции. Чем больше масса урана, тем мень- шую долю объёма составляет поверхностный слой, из которого теря- ется нейтроны, и тем благоприятнее условия для развития цепной реакции.

316

Наименьшая масса, начиная с которой возможна незатухающая цепная реакция деления в уране 235,называется критической массой. Увеличение массы урана 235 обеспечивает бурное развитие реакции деления (начало дают спонтанные деления), а уменьшение его массы ниже критической обеспечивает затухание реакции. Таким способом возможно управление процессом цепного деления урана, если рас- полагать достаточной массой чистого урана 235. Извлечение столь редкого изотопа урана из массы природного урана явилось одним из тех способов, при помощи которых цепная реакция деления была осуществлена на практике.

Наряду с этим цепная реакция была достигнута и другим спосо- бом, не требующим сложного и дорогостоящего разделения изотопов урана. Способ более сложен в принципе, но более прост в осущест- влении. В основу его положено явление замедления быстрых вторич- ных нейтронов деления до скоростей теплового движения. Если за- медлить нейтроны деления и предотвратить поглощение их ураном 238, то цепная реакция становится возможной и в этом природном уране, где урана 235 содержится 0,7 %.

На практике такого результата доби- ваются, помещая тонкие стержни из при- родного урана (в виде редкой решетки) в замедлитель (рисунок справа). В каче- стве замедлителей используют вещества, обладающие малой атомной массой и яв- ляющие слабыми поглотителями нейтро- нов. В качестве хороших замедлителей применяют графит, тяжелую воду, берил- лий (все слабые поглотители нейтронов).

Стержни сравнительно тонкие, и быстрые вторичные нейтро- ны вылетают из них почти все в замедлитель (рисунок слева). Сами стержни расположены в ре- шетке довольно редко и выле- тевший нейтрон до попадания в новый стержень испытает много соударений с ядрами за- медлителя и, в результате, за- медляется до скорости теплово- годвижения.Затем,попаввновь в урановый стержень, нейтрон может быть легко поглощён ураном 235 и вызвать новое де- ление, поддерживая тем самым

начавшую реакцию.

317

Реакция осуществлена впервые группой Э. Ферми, 1942 г., США

ив СССР группой И. В. Курчатова, 1946 г.

Спомощью цепной реакции деления можно расщеплять уран в значительных количествах и получать громадное количество тепло- вой энергии. В зависимости от условий цепная реакция может разви- ваться в спокойном регулируемом режиме, либо представлять собой взрывной процесс.

Первый режим развивается до требуемой мощности при условии, когда масса реагирующей системы лишь слегка превышает критиче- скую массу, и, чтобы погасить развитие реакции, достаточно умень- шить массу ниже критической. Таким способом достигается контроль

иуправление цепной реакцией, что позволяет использовать её в про- мышленности и энергетике.

Второй режим развивается, когда масса системы значительно пре- вышаеткритическую массу.Реакция после её начала нарастаетсо ско- ростью взрыва не поддающемуся контролю, при этом стремительное выделение энергии полностью разрушает реагирующую систему. Та- кая реакция нашла применение в военном деле,поставивший земной мир на грань самоуничтожения.

Особенно быстрое развитие реакции деления протекает в чистом уране 235, которая легко инициируется быстрыми (не замедленны- ми) нейтронами, поэтому значительное превышение критической массы этого урана представляет мощнейшую взрывчатку. Ей начиня- ют снаряды, бомбы и боевые части ракет.

Энергия взрыва уранового заряда в сотни тысяч раз превышает обычной тротиловой взрывчатки, взятой в том же количестве. Мощ- ность взрыва урановой взрывчатки измеряется в тротиловом эквива- ленте,то есть,тем количеством тротиловой взрывчатки необходимой для получения равной мощности взрыва.Чтобы боеприпас не пришёл в действие преждевременно, например, при хранении, урановый за- ряд разделяется на несколько разнесённых друг отдруга частей с мас- сой, меньшей критической. Для производства взрыва достаточно все эти части быстро сложить в одно целое.

Температура в момент взрыва уранового заряда подскакивает до миллионов градусов, что может вызвать вспышку термоядерной реакции, если взрыв протекает в соответствующей среде, к которой относят тяжёлый водород (дейтерий), сверхтяжёлый водород (три- тий),литий и смеси этих веществ.

Система, состоящая из атомного заряда и вещества, в котором инициируется при взрыве мощная термоядерная реакция, полу- чила название термоядерной или водородной бомбы. Сила взрыва водородной бомбы в сотни раз превосходит силу взрыва атомной бомбы.

318

В атомной бомбе масса каждой части взрывчатки должна быть меньше критической массы, чтобы исключить преждевременное раз- витие цепной реакции, поэтому общее количество уранового бое- припаса ограничено. У водородной бомбы этого ограничения нет — дейтерий, тритий и их смеси самопроизвольно не взрываются и их количество ограничено лишь размерами самой бомбы пригодной к транспортировке средствами её доставки.

При взрыве атомной и водородной бомбы в добавление к эффек- там, характерным для любого мощного взрыва, образуется большое количество радиоактивных веществ, испускается много нейтронов и γ-излучение. Излучения этих веществ делают район взрыва опас- ным для жизни в течение некоторого времени после взрыва, кроме того, радиоактивные продукты взрыва разносятся потоками воздуха на тысячи километров от места взрыва. Чтобы установить факт взры- ва атомной или водородной бомбы, достаточно с помощью счётчи- ка излучений измерить радиоактивность воздуха (она повышенная в сравнении с обычной его радиоактивностью). Подземные ядерные взрывы в военных или мирных целях контролируются сейсмически- ми приборами.

Если спокойный регулируемый режим цепной реакцией деления имеет практическое применение (для получения тепловой и электри- ческой энергии),то осуществлениетакого же режима протеканиятер- моядерной реакции находиться в стадии экспериментальных иссле- дований на различных установках (построено около 300) во многих странах мира (прежде всего в РФ, США, Японии, Франции).

Освоениетермоядерной реакциидля получения энергии в перспек- тиве даст неограниченные технические преимущества, обусловленные практически безграничными запасами вещества для этой реакции,на- пример,дейтерия в составе воды,которой на Земле океаны.Запасыде- лящихся веществ на Земле ограничены, не смотря на то, что созданы технологии по регенерации отработанного ядерноготоплива.

Термоядерные реакции в звездах «поджигаются» посредством гравитационного сжатия звёздного вещества (в основном водорода) по достижению температуры в миллионы, десятки миллионов граду- сов. Основным термоядерным «котлом» звезды является её внутрен- нее ядро сжатое и удерживаемое от расширения силами тяготения, которые ни чем неуничтожимы. Воспроизвести полностью подобное на Земле не представляется возможным, если даже нацелиться на ис- пользование ядра планеты,но начальные условия вполнедостижимы, хотя и другими средствами.

Для возбуждения термоядерной реакции ядерное «горючее» нуж- но нагреть, как и на звёздах, до температуры порядка десяти мил- лионов градусов. При таких температурах любое вещество переходит

319