Лекция 7. Строение вещества. Радиоактивность. Ядерная энергия.

Радиоактивность, открытая А. Беккерелем, - это способность ядер атомов тяжелых химических элементов (начиная с 83 номера таблицы Д. И.Менделеева, т.е. расположенных после висмута) к распаду с выделением энергии и образованием ядер других химических элементов. Э. Резерфорд экспериментально доказал, что излучение, испускаемое радиоактивными элементами, неоднородно: одна группа лучей отклонялась к отрицательно заряженной пластине (их Резерфорд назвал альфа – лучами, очень скоро было установлено, что это поток положительно заряженных ядер атомов гелия). Другая часть лучей отклонялась к положительно заряженной пластине (бета – лучи, оказавшиеся потоком электронов). Превращения элементов, сопровождающиеся испусканием альфа- и бета - лучей, были названы соответственно альфа - и бета – распадом. Лучи, не отклоняющиеся в магнитном поле, Резерфорд назвал гамма – лучами, они оказались самым высокоэнергетическим (и коротковолновым) видом из всех известных в природе разновидностей электромагнитного излучения. В 1940 г. советские ученые Г.Н.Флеров и К.А. Петржак обнаружили спонтанное деление ядер, сопровождающееся испусканием гамма - излучения и не приводящее к превращению элементов. Оно характерно только для самых тяжелых ядер, начиная с тория. Все сказанное выше относится к естественной радиоактивности.

В 1934 г. французские ученые супруги Ирен и Фредерик Жолио – Кюри (будущие лауреаты Нобелевской премии, дочь и зять М. и П. Кюри) открыли искусственную радиоактивность, которая позволила получать не существующие в природе радиоактивные изотопы, а также новые

химические элементы, которых нет в природе. Все химические элементы, стоящие в таблице Д. И. Менделеева после урана, получены методом искусственной радиоактивности, т.е. путем бомбардировки известных химических элементов альфа - частицами или нейтронами.

Цепные ядерные реакции.

Эти реакции были открыты в 1939 г. итальянским ученым Э. Ферми, бежавшим в США от итальянского фашизма. Выяснилось, что при попадании в ядро одного нейтрона оно делится на две – три части, при этом выделяется огромная энергия. При делении ядер урана-235, кроме осколков, вылетают два – три свободных нейтрона, которые при благоприятных условиях могут попасть на другие ядра урана и вызвать их деление.

Незадолго до смерти великий экспериментатор Э. Резерфорд написал в одной из статей : «Вряд ли когда - либо работы по ядерной физике смогут найти практическое применение». Даже гении иногда ошибаются. Через несколько лет, в 1942 г. заработал первый, построенный Э. Ферми в США, ядерный реактор. Это была основа для будущих атомных электростанций, атомных ледоколов и подводных лодок. Но работы по ядерной физике принесли человечеству не только пользу. Полным ходом сначала в США и Германии, а затем в Советском Союзе начались разработки, связанные с ядерным оружием. В США эти работы возглавил бежавший из фашистской Германии Р. Оппенгеймер, в СССР -И. В. Курчатов. Есть сведения о том, что немецкие ученые, оставшиеся в фашистской Германии, во главе с В. Гайзенбергом саботировали создание ядерного оружия в Германии, направив технические разработки по тупиковому пути. В 1945 США сбросили ядерные бомбы над городами Хиросимой и Нагасаки. По существу, это было первое испытание ядерного оружия, никакой стратегической необходимости в этих бомбардировках не было. Вскоре (в 1949 г.) ядерная бомба появилась в СССР, в 1953 г. в нашей стране была создана и испытана первая термоядерная бомба. Мир вступил в эпоху гонки ядерных вооружений, что грозило не только тотальной гибелью человечества и вообще всего живого, но также создало серьезные экологические проблемы захоронения ядерных отходов. Кроме того, человечество еще не научилось грамотно работать с ядерной энергией. Трагическим примером этого является Чернобыльская катастрофа – самая крупная техногенная авария ХХ века. Тем не менее, за АЭС, несомненно, стоит будущее, поскольку запасы углеводородов на Земле кончаются ( об этом будет сказано позже), а запасы радиоактивных элементов в недрах достаточно велики.

Чем же опасна радиоактивность для живых организмов? Прежде всего, огромной энергией, разрушающей эритроциты (красные кровяные клетки), в результате чего развивается лейкемия; кроме того, уничтожаются половые клетки, что приводит к бесплодию. Наконец, радиоактивное излучение вызывает неконтролируемый рост клеток, т.е. раковые опухоли.

Как защититься от радиоактивного заражения? Во-первых, обращаться с радиоактивными веществами имеют право только специально обученные для этого люди, прошедшие соответствующую подготовку. Транспортировать эти вещества следует только в свинцовых контейнерах, а работать с ними - в специально предназначенных для этого костюмах.

Степень поражения живого организма зависит от дозы облучения, т.е. отношения радиоактивной энергии, попавшей на живой организм, к его массе. Соответственно, при одинаковых величинах энергии, чем больше масса, тем меньше опасность гибели организма.

Таким образом, открытие и исследование явления радиоактивности принесло человечеству не только несомненную пользу - познавательную и практическую (АЭС), но нанесло и очевидный вред в виде создания ядерного оружия и последующего радиоактивного загрязнения окружающей среды.

Контрольные вопросы:

Что такое радиоактивность ?

Кто является отцом ядерной физики ?

Почему радиоактивность опасна для живых организмов ?

Литература :

4, 7, 16, 21__

ЛЕКЦИЯ 8. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ А.ЭЙНШТЕЙНА (МЕГАМИР)

Как уже было сказано в разделе о микромире, новая физика родилась на рубеже Х1Х и ХХ веков, поскольку классическая наука не могла объяснить результаты ряда экспериментов, проведенных в Х1Х веке. Из стремления объяснить рентгеновское излучение и радиоактивность возникли квантовая механика и ядерная физика. Теория относительности А. Эйнштейна выросла из попытки объяснить результаты опыта американского физика А. Майкельсона по определению скорости света относительно неподвижного эфира, существование которого предположил Дж. Максвелл. Результаты опыта Майкельсона, за которые он получил Нобелевскую премию, были неожиданными : оказалось, что скорость света не зависит от скорости источника, что она является мировой константой и постоянна во всех инерциальных системах отсчета и что ее нельзя превысить. т. е. скорость света – это максимальная скорость передачи сигнала. В итоге эти результаты показали, что эфира не существует. Результаты опыта Майкельсона стали первым из «китов», на которых основывается специальная теория относительности. Вторым «китом» стал принцип относительности Г. Галилея, который А. Эйнштейн переформулировал так : все инерциальные системы отсчета эквивалентны друг другу в отношении постановки в них любых физических экспериментов, и ни одна из них не имеет преимуществ перед другими (относительно которой эфир был бы неподвижен).

А. Эйнштейн был величайшим теоретиком, и при работе над теорией относительности он использовал прием мысленного эксперимента. Описание «корабля Эйнштейна». Результатом логических рассуждений и математических выкладок явилась смена парадигм: Эйнштейн пришел к выводу, что при больших скоростях, соизмеримых со скоростью света (а это скорости мегамира, объектами которого являются звезды, галактики и Вселенная), не работает парадигма Ньютона об абсолютности и независимости пространства и времени. Отсюда следовало, что пространство и время взаимосвязаны, и время является четвертой координатой, т.е. пространство как минимум четырехмерно. Из этого вытекало три следствия:

1)при больших скоростях, соизмеримых со скоростью света, расстояние сокращается, отрезок укорачивается и при скорости света ( если бы она оказалась достижимой), стягивается в точку;

2) при больших скоростях время замедляется (пример Эйнштейна «парадокс близнецов») ;

3) масса тела не зависит от скорости тела. Отсюда следует, что никакое тело с массой, отличной от нуля, нельзя разогнать до скорости света, т.к. для этого потребуется бесконечная энергия. Далее А. Эйнштейн нашел связь между массой и энергией : масса тела есть мера содержащейся в нем энергии. Так появилась знаменитая формула Е = mc2 , где Е – энергия покоя частицы, m - его масса покоя, с - скорость света.

Экспериментальное подтверждение специальной теории относительности пришло из микромира. Выяснилось, что при опытах с элементарными частицами, которые в специальных ускорителях разгоняют до очень больших скоростей, для хорошего согласия экспериментальных и расчетных данных следует учитывать эффект возрастания массы, так называемые релятивистские поправки к массе. Сказанное свидетельствует о том, что специальная теория относительности описывает не только мегамир, но также и микромир. В макромире же скорости слишком низки, а массы слишком велики, чтобы экспериментально наблюдать релятивистские эффекты.