Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. Ч.3. Развернутый конспект лекций
.pdf
171
3. Какие числа и почему в ядерной физике называются «магическими»?
4. Выведите формулу закона радиоактивного распада. Покажите, как постоянная распада связана с периодом полураспада T
0,5
.
5. Какие виды радиоактивного распада Вам известны? Ответ
поясните примерами.
6. Чем обусловлено негативное влияние радиоактивного излу-
чения на биологические объекты?
7. Единицами измерения каких параметров в радиационной до-
зиметрии являются: а) беккерель; б) кулон на килограмм; в) грей;
г) зиверт?
8. Какова предельно допустимая доза радиоактивного облучения за год для людей, постоянно работающих с радиоактивными
веществами?
172
Fe
57
26
U
235
92
Pu
239
94
ЕСВ/А
1
2
0 57 А
Рис. 17.1
Лекция № 17
17.1.1 Принципиальные пути получения ядерной энергии
Протекание ядерных реакций – естественных, или вызывае-
мых искусственным образом, сопровождается выделением или
поглощением энергии. Ответ на вопрос, что происходит: выделение или поглощение, даёт анализ энергии связи исходных
ядер и ядер элементов – продуктов реакции. Если энергия связи
атомов – продуктов реакции больше, чем энергия связи исходных ядер (ядра), то в ходе такой реакции энергия выделяется.
В противном случае реакция идёт с поглощением энергии.
На рис. 17.1 приведён график зависимости удельной энер-
гии связи ЕСВ/A ядер атомов таблицы Менделеева от величины
массового числа А. Из графика следует принципиальная возможность двух способов получения ядерной энергии:
– при делении тяжелых ядер (1);
– при объединении лёгких ядер (2).
В ходе реакций обоих типов удельная энергия связи увеличивается: работа необходимая для разделения ядра на отдельные нуклоны возрастает, следовательно, часть энергии
нуклонов уходит в окружающую среду. Максимуму кривой на графике соответствует
изотоп железа
деление, и участие в реакциях
объединения сопряжено лишь
с затратами энергии.
Итак, первый путь получения ядерной энергии – реакции де-
ления ядер тяжелых элементов (
акции являются основой современной атомной энергетики.
17.1 Основы ядерной энергетики
: и его
17.1.2 Ядерные реакции деления
,
и др.). Такие ре-
173
U
235
92
n
1
0
Cs
140
55
Rb
94
37
n
1
0
N1,
N2
N2(r)
N1(r)
0 rКР r
Рис. 17.2
Особый интерес представляют цепные реакции, которые,
начавшись под влиянием внешнего воздействия, развиваются
дальше сами. Типичный пример подобной реакции – деление
урана, для начала которой ядру требуется поглотить один
нейтрон, но зато в ходе дальнейших превращений выделяются
два новых, способных инициировать деление следующих ядер.
В ходе данной реакции выделяется энергия, которая используется для нагрева теплоносителя – воды и превращения её в
горячий пар, вращающий турбины генераторов электрической
энергии. Впервые, однако, практическое воплощение эта реакция получила в атомной бомбе, сброшенной на Хиросиму.
Заметим, для того, чтобы реакция развивалась, необходимо,
чтобы выделяющиеся нейтроны не вылетали из зоны реакции,
а поглощались встречающимися на их пути новыми ядрами
урана. Если таких ядер мало, нейтроны просто вылетят из образца в окружающую среду (что и происходит в естественных
условиях в месторождениях радиоактивных элементов).
Итак, если образец – «кусок» урана – большой, то в нём
много атомов, реакция не успевает погаснуть и развивается
дальше, а если маленький – большая часть нейтронов будет
вылетать в окружающую среду, не успев поглотиться. Число
нейтронов N1 , успевающих принять участие в реакции, тем
выше, чем больше объём образца
(N1 r3, где r – его некоторый ха-
рактерный размер), а число
нейтронов N2, вылетающих из образца, не испытав соударения с
ядрами урана растёт пропорционально площади его поверхности
(N2 r2). Из графика на рис. 17.2
следует, что при малых r покидающих зону реакции нейтронов
больше числа участвующих в
ядерных превращениях. Но с ростом размеров образца (и, соответственно, – его массы) кривая N1(r)
2
. (17.1)
174
U
235
92
Pu
239
94
догоняет кривую N2(r), а при r rКР перегоняет её: начинается
область значений r, соответствующая протеканию цепных реакций.
Минимальная масса mКР, при которой начинается цепная реакция, носит название критической массы. При работе атомного реактора на электростанции приходится всё время балансировать около начала цепной реакции: коэффициент размножения нейтронов K (отношение числа нейтронов «на выходе»
реакций в рабочей зоне реактора к числу нейтронов «на входе») должно быть больше единицы, но совсем ненамного
(K1,0065), иначе ситуация практически мгновенно выйдет
из-под контроля.
В боезарядах атомных бомб наличие критической массы используется напрямую: несколько частей ядерного заряда, имеющих массу меньше критической, размещены на некотором
отдалении друг от друга; цепная реакция не начинается. Достаточно свести эти части вместе (например, взрывом тротилового
детонатора), и общая масса заряда окажется больше критической: тут же начнётся цепная реакция (затравочные нейтроны
всегда найдутся), сопровождающаяся выходом большого количества энергии за короткое время. Характерно, что при взрыве
атомной бомбы большая часть урана не успевает распасться,
однако и без этого разрушительный эффект от неё оказывается
колоссальным.
Протекание цепных реакций возможно не только в
так, например, в военных целях часто используется изотоп плутония
(достаточно вспомнить, что вторая сброшенная на
Японию американская атомная бомба была плутониевой).
17.1.3 Ядерные реакции синтеза
Второй путь получения ядерной энергии - слияние ядер лёг-
ких элементов. В результате таких реакций синтезируются бо-
лее тяжёлые ядра, и также выделяется энергия, причём даже в
несколько раз больших количествах, чем при реакциях деления. Управляемые реакции синтеза – будущее ядерной энерге-
тики.
;
175
H
2
1
H
3
1
He
4
2
n
1
0
Типичный пример реакции синтеза:
. (17.2)
Здесь при объединении ядер дейтерия и трития рождаются
ядро атома гелия и свободный нейтрон, кроме того, в ходе реакции выделяется значительная энергия. Данная реакция лежит
в основе действия водородной бомбы.
Существенной трудностью для практического применения
таких реакций является необходимость создания для их протекания высоких давлений и температур. Дело в том, что сами
ядра одноимённо заряжены, и силы электростатического отталкивания не дают им сблизиться до расстояний, при которых
слияние окажется возможным. Повышая температуру (до
1млн. кельвин), можно заставить реакцию «зажечься»: ведь
известно, что повышение температуры газа означает увеличение кинетической энергии (а, значит, скорости движения его
атомов). Летящие с большой скоростью атомы не успевают
полностью затормозиться кулоновскими силами отталкивания,
и ядра, испытав соударения, слипаются. Из-за того, что для
«зажигания» реакций ядерного синтеза требуется высокая температура, эти реакции получили название термоядерных.
Выделяющаяся энергия оказывается много больше затраченной на начало реакции, однако, понятно, что температуру в
106К не выдержат никакие материалы, из которых можно было
бы создать стенки реактора. В водородной бомбе это неважно:
после достижения этой температуры (она становится такой при
взрыве запала – маленького атомного заряда) устройство сразу
разрушается: происходит термоядерный взрыв. Для того же,
чтобы создать управляемый термоядерный реактор, необходимо создать камеру, в которой нагретые до 106 К дейтерий и
тритий не касались бы её стенок. Помочь решить эту задачу
может магнитное поле и сила Лоренца, действующая в таком
поле на движущиеся заряды. Проблема, однако, является технически очень сложной, и поэтому в ближайшие десятилетия
термоядерная энергетика вряд ли выйдет на практически значимый уровень.
Реакция (17.2) – не единственная из тех, в ходе которых выделяется энергия, однако другие требуют температур еще
176
H
2
1
He
3
2
He
4
2
p
1
1
He
3
2
He
3
2
больших, чем 1 млн. кельвин. Но как ни трудно получить такую температуру, по-видимому, практический смысл всё же
будет иметь не реакция (17.2), а реакция вида
. (17.3)
И хотя для протекания такого процесса нужна температура
8 млн. кельвин, его преимущество заключается в том, что для
осуществления реакции не требуется тритий, которого в природе крайне мало, и, кроме того, который является нестабильным, период его полураспада Т
(время, за которое число ядер
0,5
уменьшается в два раза) для трития равен всего 12,3 года.
Правда, и изотопа гелия
на Земле очень мало, зато, судя
по всему, его относительно много в лунном грунте, куда он
попадал в течение миллиардов лет вместе с потоками других
частиц, испускаемых при ядерных реакциях на Солнце. Конеч-
но, пока говорить о промышленной добыче изотопа гелия
на Луне еще очень рано, но о перспективах такой добычи пра-
вительства промышленно развитых стран задумываются уже
сейчас.
В целом следует ясно понимать, что дальнейшее развитие
техники и человечества в целом связано с повышением потребления энергии. Отыскание энергетических ресурсов – важнейшая задача не только будущих поколений, но и поколения нынешнего. В этом смысле ядерная энергетика пока не имеет
конкурентов, поскольку другие способы получения энергии
либо оказываются связанными с использованием не возобновляющихся ресурсов (нефти, газа, угля), либо не позволяют получать её в достаточных количествах (ветряные двигатели,
геотермальные и приливные станции, фотоэлементы). Воды же
(а в природной воде среди атомов водорода дейтерия содержится около 0,016 % массовых) на нашей планете такое количество, которое могло бы решить проблему снабжения горючим термоядерных электростанций практически на неограниченное время.
В заключение приведём таблицу 17.1, позволяющую сравнить затраты энергии на добычу 1 кг топлива разной природы с
энергией, выделяющейся при использовании 1 кг этого топлива.
177
Уголь
Уран
He
3
2
(с учётом энергозатрат
на доставку с Луны)
Добыча
25 МДж
2,4106 МДж
Выделение
380 МДж
600106 МДж
Выигрыш
16 раз
20 раз
250 раз
Таблица 17.1
17.2 Элементарные частицы
Элементарными следует называть частицы, не имеющие
внутренней структуры. Так, в древности элементарной частицей считали атом, затем наука выяснила, что атом имеет сложную структуру: состоит из ядра и электронов, еще позже было
обнаружено, что и само ядро состоит из более мелких частиц –
протонов и нейтронов. Во второй половине ХХ века число открытых частиц, которые относили к элементарным, с учётом
античастиц превысило 350, причём было не ясно, существует
ли предел этому количеству.
Созданная к концу ХХ века новая теория, которая получила
название квантовой хромодинамики, позволила сделать следующий шаг в классификации элементарных частиц. Из общего
числа в отдельную группу были выделены самые лёгкие частицы лептоны (от греческого слова «лептос» – лёгкий). Особенностями этих частиц является то, что они, во-первых, не участвуют в сильном взаимодействии (см. далее) и, во-вторых, действительно не имеют внутренней структуры. Все остальные
более тяжёлые частицы – адроны – имеют внутреннюю структуру: состоят из элементарных частиц, которые называются
кварки. Из трёх кварков состоят адроны, которые относятся к
классу барионов (это – самые тяжёлые из адронов, к ним относятся, в частности, протоны и нейтроны). К другому классу
относятся мезоны (их массы имеют средние, промежуточные
значения между массами барионов и лептонов); каждый мезон
состоит из двух кварков.
178
ЛЕПТОНЫ
(лептос – лёгкий):
e (электрон)
е (электронное
нейтрино)
(мюон)
(мюонное нейтрино)
-лептон
(таонное нейтрино)
АДРОНЫ
а) БАРИОНЫ
(бариос – тяжелый):
нуклоны (нейтрон и
протон), гипероны
(более 100 типов) и
др.
б) МЕЗОНЫ
(мезос – средний):
пионы (+-, --, 0мезоны); D-, F-, -,
… - мезоны; каоны
(К-мезоны) и др.
+ АНТИЧАСТИЦЫ
+ АНТИЧАСТИЦЫ
Все адроны «построены» из кварков
шести типов: u, d; s, c; t, b
+ АНТИЧАСТИЦЫ (АНТИКВАРКИ)
Заряд в
отн. ед.
Название и масса частиц (в массах электрона)
Первое поколение
Второе поколение
Третье поколение
кварки
3
2
u–кварк (up)
≈ 20me
c– кварк (charm)
≈ 3000me
t– кварк (truth)
≈ 175000me
3
1
d– кварк (down)
≈ 20me
s– кварк (strange)
≈ 300me
b– кварк (bottom)
≈ 10000me
лептоны
1
e (электрон)
me
μ (мюон)
207 me
τ (тау-лептон)
3500me
0
νe – электронное
нейтрино
< 0,00004me
νμ – мюонное
нейтрино
< 0,4me
ντ – таонное
нейтрино
< 0,70me
С открытием кваркового уровня построения материи классификация известных науке элементарных частиц стала выглядеть следующим образом (см. таблицу 17.2).
Таблица 17.2
Любопытно, что кварки и лептоны (которые, как мы уже
сказали, сами являются фундаментальными частицами) образуют три взаимосвязанных «поколения» (см. таблицу 17.3):
если происходит какое-то взаимодействие, то в нём принимают
участие члены только одного поколения.
Таблица 17.3
179
p
1
1
По современным представлениям важнейшую роль в формировании окружающего мира играют частицы первого поколения: из u- и d- кварков состоят протоны, нейтроны и многие
другие элементарные частицы; их взаимодействие с электро-
нами позволяет получить весь набор атомов, из которых «построен» мир. Так, очевидно, возникновение протона (электри-
ческий заряд 1 заряд электрона) обусловлено появлением
комбинации кварков (uud); нейтрон (электрический заряд равен нулю), – это комбинация (udd)*.
Частицам первого поколения обязано своим существованием всё разнообразие атомов таблицы Менделеева. Частицы
второго поколения на формирование Вселенной оказывают
значительно меньшее влияние, хотя и здесь можно привести
примеры их «вклада» в создание окружающей действительности. Куда труднее сказать, зачем нужны члены третьего семейства: известен ряд процессов, в которых они участвуют, однако
до сих пор не понятно, что заметно изменилось бы в мире, если
бы этого поколения не существовало вовсе. Более того, частицы первого поколения стабильны, в то время как время жизни
*
Согласно основным положениям квантовой механики, два
кварка, входящие в состав одной квантово-механической системы
не могут одновременно иметь одинаковые волновые функции ψ.
Это означает, например, что u- кварки, которые входят в состав
протона, должны отличаться друг от друга каким-то добавочным,
не учитывавшимся нами ранее параметром. В квантовой хромодинамике этот параметр получил название цвет (собственно говоря, и само название этой теории связано с данным предположением: по-гречески слово хромос означает цвет). Всего возможных
цветов у кварков может быть три: «красный», «зелёный» и «синий». В барион кварки объединяются таким образом, чтобы в нём
была представлена комбинация всех трёх цветов (такая комбинация называется «белым цветом»). Так, например, строение протона можно представить в виде
(uкрuзdс),
где индексы кр, з и с означают названия цветов: красный, зелёный
и синий.
180
частиц второго и третьего поколений ограничено: они распадаются за 10
12
10
6
с. Любопытно: теория утверждает, что
таких поколений должно быть три и только три, так что
ожидать обнаружения четвёртого типа кварков и лептонов
не приходится.
17.3 Типы фундаментальных взаимодействий
Движение – важнейший атрибут материи, без которого невозможно ее существование. Но любые формы движения есть
проявление глубинных свойств материи – так называемых
фундаментальных взаимодействий: гравитационного, элек-
тромагнитного, сильного и слабого; попытки поиска какоголибо еще, «пятого» типа взаимодействий предпринимались
неоднократно, но успеха не принесли.
Перечисленные классы фундаментальных взаимодействий
составляют основу так называемой Стандартной модели описания мира. При этом в фундамент понимания природы взаимодействия заложены две модели: полевая и квантовомехани-
ческая.
Согласно полевой модели объект обладает определённым
свойством возмущать окружающее пространство таким образом, что это возмущение действует на другие подобные объекты. С лёгкой руки М. Фарадея это возмущение получило название «поле».
Согласно квантовомеханической модели взаимодействующие объекты непрерывно обмениваются виртуальными частицами, получившими название «переносчики взаимодействия».
17.3.1 Гравитационное взаимодействие
Данное взаимодействие – самое слабое из всех четырёх. В
макромире оно проявляет себя тем сильнее, чем крупнее массы
взаимодействующих тел, а в микромире оно теряется на фоне
других сил (хотя им обладают все элементарные частицы): так,
например, сила электростатического отталкивания электронов
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]