- •Часть II
- •Эдс индукции
- •Взаимная индукция
- •Трансформатор
- •Явление самоиндукции
- •Лекция 2. (2 часа) Уравнения Максвелла
- •Теорема Гаусса для электрического поля
- •Теорема Гаусса для магнитного поля
- •Циркуляция вектора электрического поля
- •Циркуляция вектора магнитного поля
- •Ток смещения
- •Пружинный маятник (рис. 3)
- •Физический маятник (рис. 4)
- •Математический маятник (рис. 5)
- •Гармонический осциллятор при наличии сил сопротивления
- •Лекция 4.( 2часа) Вынужденные механические колебания. Упругие волны
- •Упругие волны
- •Уравнение бегущей волны
- •Принцип суперпозиции. Интерференция волн
- •1) Если колебания происходят в одинаковой фазе, т.Е. ( , (5)
- •Стоячие волны
- •Эффект Доплера
- •Затухающие электрические колебания
- •Лекция 6. (2 часа) Вынужденные электромагнитные колебания. Электромагнитные волны
- •Вынужденные электрические колебания
- •Резонансные явления в колебательном контуре. Резонанс напряжений и резонанс токов.
- •Электромагнитные волны.
- •Характеристики электромагнитной волны
- •Энергия, поток энергии электромагнитной волны
- •Лекция 7. (2 часа) Интерференция света
- •Когерентность и монохроматичность световых волн
- •Некоторые методы наблюдения интерференции света
- •Применение интерференции света
- •Лекция 8. ( 2 часа) Дифракция света
- •Принцип Гюйгенса — Френеля
- •Метод зон Френеля
- •Дифракция Френеля на круглом отверстии
- •Дифракция Френеля на диске
- •Дифракция Фраунгофера на одной щели
- •Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке
- •Дифракция на пространственной решетке
- •Лекция 9. (2 часа)
- •Дисперсия и поглощение света в веществе.
- •Поглощение света
- •Естественный и поляризованный свет
- •Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков
- •Двойное лучепреломление. Призма Николя
- •Искусственная оптическая анизотропия
- •Вращение плоскости поляризации
- •Лекция 10. (2 часа) Тепловое излучение
- •Понятие о равновесном тепловом излучении
- •Характеристики теплового излучения
- •Закон Кирхгофа
- •Законы излучения абсолютно черного тела
- •Квантовый характер излучения
- •Лекция 11. (2 часа) Фотоэлектрический эффект
- •Внешний фотоэффект
- •Внутренний фотоэффект
- •Вентильный фотоэффект
- •Корпускулярно-волновой дуализм
- •Лекция 12. (2 часа) Теория атома водорода по Бору
- •Закономерности линейчатых спектров водорода
- •Модель атома Томсона
- •Опыты Резерфорда
- •Планетарная модель атома Резерфорда
- •Постулаты Бора
- •Опыты Франка и Герца
- •Лекция 13. (2 часа) Элементы квантовой механики
- •Гипотеза Луи-де-Бройля
- •Корпускулярно-волновые свойства частиц
- •Соотношение неопределенностей
- •Электрон в электронно-лучевой трубке и в атоме
- •Длина волны де-Бройля покоящихся тел
- •Физический смысл волновой функции
- •Волновая функция заряженной частицы
- •Операторы импульса и энергии
- •Уравнение Шредингера
- •Лекция 14. (2 часа) Оптические квантовые генераторы
- •Спонтанные и вынужденные переходы, их вероятность
- •Инверсная населенность уровней
- •Лекция 15. (2 часа) Элементы зонной теории твердых тел
- •Лекция 16. (2 часа) Радиоактивность
- •Радиоактивность
- •Методы регистрации радиоактивного излучения
- •Правила радиоактивного смещения
- •Изотопы, изобары, изотоны, изомеры
- •Закон радиоактивного распада, активность
- •Атомное ядро
- •Ядерные силы
- •Современные представления о природе электромагнитных и ядерных сил
- •Туннельный эффект
- •Понятие об устойчивости ядра
- •Ядерные реакции и элементарные частицы
- •Ядерные реакции
- •Реакции с медленными частицами
- •Реакции с быстрыми нейтронами
- •Деление тяжелых ядер
- •Ядерное оружие и ядерная энергетика
- •Термоядерные реакции
- •Водородная бомба
- •Управляемые термоядерные реакции
- •Элементарные частицы Виды взаимодействий элементарных частиц
- •Систематика элементарных частиц
- •Частицы и античастицы
- •Законы сохранения
Ядерное оружие и ядерная энергетика
Т аким образом, если масса урана превысит критическую массу, то начнется цепная реакция с выделением большого количества энергии. Это обстоятельство используют для создания атомной бомбы (см. рис. 4).
Две полукритические массы или находятся на безопасном расстоянии друг от друга. Прочность оболочки рассчитана на взрыв обычной бомбы и не разрушается при этом. При взрыве обычной бомбы происходит очень быстрое сближение полукритических масс , их результирующая масса превышает критическую и начинается цепная реакция.
Высвобождается огромная энергия при цепной реакции деления. Температура продуктов взрыва превышает миллион градусов. Весь заряд мгновенно испаряется, и большая часть ядерного горючего разлетается в стороны, не претерпев деления.
Для расчета условия протекания цепной реакции предварительно сделаем следующие обозначения.
‑ число нейтронов к моменту времени в объеме .
- число нейтронов, выбрасываемых разделившимся ядром, причем - число новых нейтронов, - один нейтрон, возбудивший данное ядро.
- время от возникновения до поглощения нейтрона.
- число вновь образующихся нейтронов за единицу времени.
- часть пропавших нейтронов (примеси, продукты деления, вылет за активный объем) от числа вновь образовавшихся.
- число пропавших нейтронов в единицу времени в данном объеме.
- концентрация нейтронов.
- поверхность урана.
- скорость нейтронов.
- число вылетевших нейтронов. Это условие обычно преобразовывают следующим образом , где ‑ размер массы урана.
Используя введенные обозначения, запишем простое условие ‑ скорость изменения числа нейтронов во времени ( ) равна числу вновь образовавшихся нейтронов за единицу времени ( ) минус число пропавших нейтронов в единицу времени ( ) и минус число вылетевших нейтронов в единицу времени ( ):
Преобразуем полученное уравнение:
где
Решением этого дифференциального уравнения является функция вида
Как следует из решения, все зависит от знака .
Если , т.е. если , то ничего не поможет ‑ число нейтронов будет уменьшаться, реакция затухнет.
Если же , то все зависит от величины . В этом случае выражение для коэффициента затухания запишем в виде:
Таким образом, мы получили выражение для критической массы делящегося ядерного горючего.
Итак, если , число нейтронов растет по экспоненциальному закону и сколько ни мало их будет в начале, все равно произойдет цепная ‑ неуправляемая ядерная реакция - атомный взрыв.
Если же величину мы сможем менять достаточно медленно и плавно, то становится возможным осуществление управляемой цепной реакции.
В природной руде урана, как мы отмечали, существует преобладание изотопа ( ) над изотопом , которого в руде всего . делится медленными нейтронами, а только быстрыми нейтронами, с энергией . В то время как даже при температуре энергия нейтронов будет равна всего .
В природном уране появившиеся в результате деления ядер нейтроны гасят свою скорость в результате столкновения с ядрами (без захвата) и, достигнув энергии порядка , резонансно поглощаются ядрами . Поэтому в природном уране реакция деления не идет.
В так называемых ядерных реакторах, для получения управляемой цепной реакции, управляют коэффициентом затухания .
Первую атомную бомбу взорвали США в 1945 г. Поэтому первые атомные котлы начали строить в США приблизительно в 1942 – 1944 годах. Атомный котел служит для получения ядерного горючего - плутония. Дело в том, что экономически выгоднее получать плутоний для использования в плутониевых бомбах, чем производить химическое разделение изотопов и .
Затем появились исследовательские реакторы для получения потока быстрых нейтронов. И только затем появились энергетические атомные реакторы, служащие, например, для получения электрической энергии.
Первая атомная электростанция в СССР была пущена в 1954 г. Потом появились мобильные атомные электростанции. Далее появились атомные двигатели на транспорте - атомный ледокол «Ленин».
Потом появились атомные электростанции, непосредственно преобразующие атомную энергию в электрическую, путем использования полупроводников.
Кроме того, необходимо отметить применение так называемых «меченых атомов» в технике, в сельском хозяйстве, медицине и т.д.