Розовое пособие. Полное. На сайте

31

Спустя определенное время стержни извлекают. Количество образовавшегося в них плутония в 1,5 раза превосходит количество урана-235. Плутоний-239 можно использовать в качестве топлива в любых реакторах АЭС. Этот физический процесс, называемый воспроизводством топлива, позволит вовлечь в оборот атомной энергетики весь природный уран, включая основную его часть – изотоп уран-238 (99,3% от общей массы ископаемого урана). Этот изотоп в современных АЭС на тепловых нейтронах практически не участвует в производстве энергии. В результате производство энергии при существующих ресурсах урана и при минимальном воздействии на природу, можно было бы увеличить почти в 100 раз. В таком случае атомной энергии человечеству хватит на несколько тысячелетий.

Дополнительным преимуществом технологии быстрых реакторов с избыточным количеством вторичных нейтронов является возможность «выжигать» долгоживущие (с периодом распада до тысяч и сотен тысяч лет) радиоактивные продукты деления, превращая их в короткоживущие с периодом полураспада не более 200-300 лет. Такие преобразованные радиоактивные отходы могут быть надежно захоронены в специальных хранилищах без нарушения природного радиационного баланса Земли.

Первый опытно-промышленный энергетический реактор БН-350 был пущен в 1973 г. В 1980 г. на Белоярской АЭС в составе энергоблока №3 был введен в строй более мощный энергетический реактор БН-600, который продолжает надежно работать до настоящего времени, являясь самым крупным из действующих реакторов этого типа в мире. А в декабре 2015 года пущен в строй энергоблок №4 (БН-800).

Ядерное оружие

Ядерное оружие – взрывное устройство, в котором источником энергии является деление деления тяжёлых ядер. Устройства, использующие энергию, выделяющуюся при синтезе лёгких ядер, называются термоядерными.

Первое ядерное оружие было разработано в 1944 году, в рамках американского сверхсекретного «Манхеттенского проекта» под руководством Роберта Оппенгеймера. Первые две бомбы были сброшены американцами в августе 1945 года на японские города Хиросима и Нагасаки.

В основу ядерного оружия положена неуправляемая цепная реакция деления ядра. Бомбы на основе урана-235 стали первым ядерным оружием, ис-

32

пользованным человеком в боевых условиях. На данный момент создают более совершенные бомбы на основе других радиоактивных элементов с более низкой критической массой.

Термоядерная реакция

Термоядерная реакция – это реакция синтеза легких ядер в более тяжелые. Для ее осуществления необходимо, чтобы исходные нуклоны (протоны и нейтроны) или легкие ядра сблизились до расстояний, равных или меньших радиуса сферы действия ядерных сил притяжения (т.е. до расстояний ~ 10-15 м). Такому взаимному сближению ядер препятствуют кулоновские силы отталкивания, действующие между положительно заряженными ядрами. Для преодоления сил отталкивания необходимо нагреть вещество до сверхвысоких температур, при которых вещество превращается в плазму. Так как реакции синтеза легких ядер в более тяжелые может происходить только при очень высоких температурах, эти реакции называются термоядерными.

В термоядерных реакциях выделяется огромная энергия. Например, в реакции синтеза дейтерия с образованием гелия 21D + 21D → 32He +10n выделяется 3,2 МэВ энергии.

В реакции синтеза дейтерия с образованием трития 21D+21D→31T+11p выделяется 4,0 МэВ энергии.

При термоядерных реакциях выделяется значительно больше энергии,

чем при цепных ядерных реакциях. Например, при синтезе ядер гелия из ядер водорода на один нуклон выделяется энергия ~6 МэВ, в то время как при делении ядра урана-235 и на один нуклон выделяется энергия ~0,9 МэВ.

Самоподдерживающиеся термоядерные реакции происходят в недрах звезд (в том числе Солнца) и играют важнейшую роль в существовании и развитии Вселенной.

Если бы в земных условиях была возможность осуществлять легко управляемые термоядерные реакции, человечество получило бы практически неисчерпаемый источник энергии, так как запасы водорода на Земле огромны. Однако на пути осуществления энергетически выгодных управляемых термоядерных реакций стоят большие технические трудности. Прежде всего, необходимо создавать температуры порядка 108 К. Такие сверхвысокие температуры могут быть получены путем создания в плазме электрических разрядов большой мощности.

33

Этот метод используют в установках типа «Токамак», впервые созданных в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова. В таких установках плазму создают в тороидальной камере. Главная трудность заключается в том, чтобы удержать плазму внутри камеры в течение 0,1–1 с без ее контакта со стенками камеры, поскольку не существует материалов, способных выдерживать столь высокие температуры. Эту трудность удается частично преодолеть с помощью тороидального магнитного поля, в котором находится камера. Под действием магнитных сил плазма скручивается в шнур и как бы «висит» на линиях индукции магнитного поля, не касаясь стенок камеры.

Однако плазма в магнитном поле очень неустойчива и плазменный шнур распадается прежде, чем удается нагреть плазму до нужной температуры. Пока удалось получать плазму с температурой 1,3 107 К и удерживать ее в течение 60–80 мс на установке «Токамак-10».

В настоящее время во многих странах мира ведутся интенсивные работы по осуществлению управляемой термоядерной реакции. Имеются обоснованные предположения, что эта проблема будет решена в течение ближайших 20 лет.

Термоядерное оружие

На Земле первая термоядерная реакция была осуществлена при взрыве водородной бомбы. Высокую температуру, необходимую для начала термоядерной реакции, в водородной бомбе получали в результате взрыва входящей в ее состав атомной бомбы, играющей роль детонатора. Термоядерные реакции, происходящие при взрывах водородных бомб, являются неуправляемыми.

Методические указания к решению задач

Задача 1. Определите число протонов, нейтронов и энергию связи ядра изотопа атома 2042Са. Масса ядра данного изотопа кальция mо = 41,9586 а.е.м.

Решение

Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов.

Число нуклонов (суммарное число протонов и нейтронов) приблизительно равно атомной массе вещества, выраженной в атомных единицах.

Число протонов (Р) равно порядковому номеру элемента в Периодической системе элементов и равно заряду ядра атома.

Число нейтронов (N) равно атомной массе вещества, выраженной в атомных единицах минус число протонов. В данном случае:

Надстрочный индекс элемента – число нуклонов (42);

34

Подстрочный индекс элемента – число протонов (Р = 20). Число нейтронов N = 42–20 = 22.

Масса протона mр = 1,0073 а.е.м. Масса нейтрона равна mn = 1,0087 а.е.м.

Исходя из числа протонов и нейтронов в ядре атома кальция, можно определить сумму масс протонов и нейтронов, содержащихся в ядре:

m p +mn = 1,0073×20 + 1,0087×22 = 20,1460 +22,1914 = 42,3374 а.е.м.

Но масса ядра данного изотопа кальция (mo) равна 41,9586 а.е.м.

Следовательно, Dm = (m p +mn) - mo = 42,3374 – 41,9586 = 0, 3788.

Протоны и нейтроны, слившись в ядре, обладают меньшей энергией, чем эти же частицы, разнесенные на большое расстояние. Разница в этих энергиях равна энергии связи. Ее можно вычислить из соотношения Эйнштейна: D Е =

Dmс2.

С учетом того, что 1 единица относительной атомной массы равняется 1/12 массы атома углерода (масса атома углерода равна 1,995×10-26 кг), можно записать:

DЕ = Dmс2 = 1,995 ×10−26 кг 0,3788 × (3 ×108 )2 = 5,6678 ×10−11 Дж 12

Или DЕ = 14,9625·10-11·Dm

Задача №2. Эта задача представлена различными вариантами, для решения которых необходимо знать следующие формулы:

1. Энергия электрона (Е) атома водорода определяется по формуле:

2

E = −13,60 Z , где Z – заряд ядра атома; n - номер энергетического уровня. n2

2. Уравнение де Бройля, выражающее взаимосвязь между скоростью

35

4. Энергия фотона равна: E = h ×ν , а также Е = mС2. 1 эВ = 1,6×10-16 Дж.

5. Импульс (Р) определяется по формуле Р = mu. Импульс световой час-

тицы Р = mС. После преобразований можно получить формулу: P = υE .

Задача №3. Закончить уравнение реакции радиоактивного распада

2453Cr ¾¾®α

Решение

Ядерные реакции – это превращения атомных ядер в результате их взаимодействия с элементарными частицами или друг с другом. При написании уравнений таких реакций соблюдаются законы сохранения массы и заряда. Это означает, что сумма масс и зарядов в левой части уравнения должны быть равны сумме масс и зарядов в правой части уравнения. Массы электронов, позитронов и фотонов не учитываются.

В данном случае имеет место α-распад. α-частица – ядро атома гелия 24 He . При испускании a-частицы ядро теряет два протона и два нейтрона, следовательно, заряд ядра уменьшается на 2, а массовое число на 4. Элемент смещается на 2 клетки к началу Периодической системы.

Поэтому решением этой задачи являются элементарные арифметические расчеты: 53 – 4 = 49, 24 – 2 = 22.

А порядковый номер 22 в Периодической системе принадлежит изотопу

титана. 2453Cr®24He+4922Ti

Далее приведены в качестве примеров другие варианта радиоактивного

При испускании электрона заряд ядра увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется. Элемент смещается на 1 клетку к концу Периодической системы.

Пример. 23993 Np→−01e+23994 Pu

Позитронный распад. β+ частица это позитрон, обладает массой и зарядом равным электрону, но противоположным по знаку 10 е+ .

При позитронном распаде число протонов в ядре уменьшается на 1, а массовое число не изменяется. Элемент смещается на 1 клетку к началу Перио-

36

дической системы.

Пример. 2755Co→01e+2655Fe

К-захват. Электронный захват. Ядро захватывает электрон с ближайшего К- слоя. В ядре уменьшается число протонов, заряд уменьшается на 1, а массовое число остается прежним. Элемент смещается на 1 клетку к началу Периодической системы элементов Менделеева.

Задача №4. Запишите электронную формулу атома.

Решение

Электронная формула химического элемента показывает расположение электронов на энергетических уровнях атома данного элемента. В формуле отражено число энергетических уровней, подуровней, атомных орбиталей, заполнение электронами атомных орбиталей. Электронная формула характеризует расположение элемента в Периодической системе, отражает число электронов в атоме элемента. Гипотетическая электронная формула элементов выглядит так:

Электроны заполняют энергетические уровни в соответствии с принци-

пом Паули, правилом Гунда и принципом наименьшей энергии.

Теоретические вопросы к проверочной работе

1.Какие открытия в физике конца XIX в. непосредственно указывали на то, что атом сам состоит из каких-то частиц?

2.Почему опыты по рассеянию α - частиц привели Резерфорда к выводу, что атом в основном пустой?

3.Почему с точки зрения классической механики атом Резерфорда был неустойчивым?

4.Как Бор объяснил устойчивость атома Резерфорда?

5.Что привело физиков к пониманию необходимости разработки новой теории – квантовой механики?

6.На каких положениях квантовой механики базируется современная модель строения атома?

7.Как описывает состояние электрона современная модель строения атома (волновая функция, квадрат волновой функции, атомная орбиталь).

8.Квантовые числа, описывающие состояние электрона в атоме.

9.Принципы и правила, определяющие расположение электронов в электронной оболочке атома.

10.Модель строения атомного ядра.

11.Какая реакция протекает при распаде урана-235?

12.Работа в области осуществления на земле термоядерной реакции.

37

13.Для чего проводится процесс обогащения урана при производстве ядерного топлива?

14.Каким образом ускоряют в реакторе атомной электростанции распад урана-235?

15.Как управляют ядерной реакций, протекающей в реакторе атомной электростанции?

16.Как работает реактор на быстрых нейтронах? В чем его преимущество по сравнению с реакторами, работающими на уране-235?

ТЕМА 3. ЭЛЕМЕНТЫ СОВРЕМЕННОЙ АСТРОНОМИЧЕСКОЙ

ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА

Солнечная система

Общая характеристика Солнечной системы

В Солнечную систему входят 8 планет, 159 спутников планет, астероиды, кометы, метеориты и т.п. Устойчивость Солнечной системы обеспечивается гравитационным притяжением Солнца, масса которого в 750 раз больше массы всех остальных тел Солнечной системы.

Планеты делятся на две группы: земную (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Плутон был открыт в 1930 г., но из-за удаленности от Земли ученые не могли вычислить размеры этой планеты. Считали, что она по массе приближается к массе Земли. Но оказалось, что это далеко не так. Плутон меньше нашего спутника Луны. Хотя вокруг этой «планеты» обращаются свои спутники. В конечном итоге Международный Астрономический Союз в 2006 г. принял решение – Плутон больше не считать планетой Солнечной системы. Плутон – просто огромная ледяная глыба на периферии Солнечной системы, где было открыто еще несколько таких глыб.

Группы планет различаются по массе, химическому составу, скорости вращения и количеству спутников. Все планеты вращаются вокруг своих осей. 7 планет вращаются в направлении их обращения вокруг Солнца. Уран вращается как бы «лежа на боку», а Венера – в обратном направлении и очень медленно. Планеты земной группы имеют относительно небольшие размеры и состоят из плотного вещества. Планеты-гиганты массивнее. Они состоят из легкого вещества и имеют малую плотность. У планет-гигантов нет твердой или жидкой поверхности, и атмосфера является продолжением их недр.

Ядра всех планет находятся в раскаленном состоянии.

38

Солнце и планеты имеют форму сферы, немного сплюснутой вращением. Планеты хотя и кажутся похожими на звезды, в действительности гораздо меньше последних и темнее. Они видны потому, что отражают солнечный свет, который кажется очень ярким потому, что планеты гораздо ближе к Земле, чем звезды.

Тела, входящие в состав Солнечной системы

Земля

Основные характеристики

Среднее расстояние от Солнца – 150 млн. км. Скорость движения вокруг Солнца – 30 км/с. Орбита эллиптическая, почти круговая.

Диаметр – 12742 км.

Температура поверхности – от –89 до 58оС. Число спутников – 1.

Наклон оси – 23 о4¢.

Средняя плотность – 5,5 ×103 кг¤м3 Возраст Земли как космического тела – около 4,5 млрд. лет.

Луна

Основные характеристики

Радиус в 4 разе меньше радиуса Земли. Масса в 81 раз меньше массы Земли. Возраст – 3,5-4,5 млрд. лет.

Строго говоря, по эллиптической орбите вокруг Солнца движется общий центр масс системы Земля – Луна, находящийся внутри Земли.

Планеты земной группы

Меркурий, Венера, Земля, Марс имеют твердые поверхности, небольшие размеры и массы, средняя плотность их в несколько раз больше плотности воды. Меркурий не имеет атмосферы, атмосфера Венеры и Марса в основном состоят из углекислого газа. На поверхности Венеры и Меркурия воды нет. На Марсе вода должна быть в виде тонкого слоя льда.

39

Планеты-гиганты

Планеты-гиганты Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун имеют сходные черты, к которым относятся:

очень большие размеры и массы; очень быстрое вращение вокруг своих осей;

вследствие отдаленности от Солнца имеют всегда низкие температуры; большое число спутников; отсутствие твердых поверхностей; малая плотность;

состоят в основном из водорода и гелия; в числе спутников имеют кольца, которые представляют собой частицы и

глыбы, движущиеся по своим орбитам.

Астероиды

Астероиды – малые планеты. Между орбитами Марса и Юпитера находится целый пояс астероидов. Астероиды движутся вокруг Солнца в ту же сторону, что и большие планеты. Самый большой астероид – Церера – имеет диаметр 1000 км. Масса астероидов мала, и поэтому они не могут удержать атмосферу. Предполагается, что за планетой Плутон также расположен пояс астероидов.

Метеориты

При столкновении астероидов возможно их дробление. Большинство выпавших на Землю каменных и железных метеоритов – обломки астероидов. При движении таких обломков в земной атмосфере возникает мощная ударная волна. Происходит ионизация воздуха, на Земле образуются кратеры.

Кометы

Кометы – хвостатые звезды, движутся вокруг Солнца. Ежегодно астрономы обнаруживают 6-8 комет. Некоторые из них периодические, они в очередной раз возвращаются к Солнцу. Неоднократно приближалась к Солнцу, например, комета Галлея, период ее обращения – 76 лет. Орбиты комет – сильно вытянутые эллипсы. В перигелии кометы близко подходят к Солнцу, в афелии могут уйти за пределы орбиты Плутона.

Основные части кометы: голова, ядро, хвост. Ядро – центральное сгущение, в котором сосредоточено вещество кометы. Обычно оно состоит из за-

40

мерзших газов: аммиака, метана, углекислого газа, циана и др., а также пылинок: металлических и каменных частиц всех размеров. Когда комета приближается к Солнцу, ядро прогревается, из него выделяются газы и пыль, которые окутывают ядро и образуют голову и хвост кометы. Хвост кометы состоит из очень разреженного вещества. Ядро, голова и хвост кометы светятся отраженным солнечным светом. На хвосты комет действует сила тяготения Солнца и сила отталкивания, которые создают потоки заряженных частиц, испускаемых Солнцем (солнечный ветер). От соотношения сил притяжения и отталкивания зависит траектория движения частиц, а следовательно, и форма кометных хвостов.

Метеоры

Метеоры – падающие звезды. Метеор – это явление вспышки небольшого по размерам космического тела, вторгшегося со скоростью 11-73 км¤с в земную атмосферу.

Болиды – большие метеоры.

Солнце

Солнце вращается со скоростью 2 км¤с вокруг своей оси в направлении движения планет вокруг него.

Скорость движения Солнца вокруг центра Галактики – 220 км¤с, Солнце совершает один оборот вокруг центра Галактики за 250 млн. лет. Этот период может быть назван галактическим годом.

Швейцарский астроном Якоб Эмден первым предположил, что Солнце целиком состоит из газа. Солнце относится к звездам второго поколения, так как в его состав, как и в состав и планет, вошел газ, побывавший в недрах более старых звезд.

Земля получает от Солнца энергию, которая характеризуется солнечной постоянной (СП). СП определяют экспериментально. Максимальное излучение Солнца приходится на длину волны, соответствующей желтому цвету. Поэтому Солнце для нас желтое.

Температура на поверхности Солнца – 5700 К, в центре – 15 млн. К. На поверхности Солнца газ состоит из нейтральных атомов. Но уже на небольшой глубине от поверхности температура настолько высокая, что атомы распадаются, образуя плазму.

Химический состав Солнца определяют, изучая спектры. На Солнце обнаружено более 70 элементов. Из них водорода » 70%, гелия » 28%, на долю