Квантові постулати Бора
|
Планетарна модель атома не могла пояснити, чому атом є стійкою частинкою. За законами класичної фізики, якщо електрон рухається по коловій орбіті, тобто прискорено, він повинен випромінювати енергію. У такому випадку енергія електрона зменшується, і він повинен впасти на ядро. Але цього не відбувається.
Пояснити стійкість електрону зміг датський фізик Нільс Бор.
Постулати Бора:
1. Атомна система може перебувати тільки в особливих стаціонарних, або квантових станах, кожному з яких відповідає певна енергія. У стаціонарному стані атом не випромінює.
2. При переході атома з одного стаціонарного стану в інший випромінюється або поглинається квант енергії.
Нескінченно довго атом може знаходитися лише в стаціонарному стані з мінімальним запасом енергії. Такий стан атома називають основним. Усі інші стани – збуджені.
З будь-якого збудженого стану атом може переходити в основний, цей перехід супроводжується випромінюванням фотонів.
Рухаючись по будь-якій дозволеній стаціонарній орбіті, електрон має визначений запас енергії.
Для наочності зображення енергетичних станів атома використовують енергетичні діаграми.
Експериментально постулати Бора були підтверджені в дослідах німецьких фізиків Джеймса Франка і Густава Герца.
5.У 1896 р. Французський фізик Беккерель помітив, що сполуки урану випромінюють невидимі промені, які призводять до почорніння фотопластинок.
Через два роки П'єр і Марія Кюрі з уранових руд виділили невідомий до цього хімічний елемент, який випромінював сильніші промені. Його назвали "радій" (променистий). З тих пір властивість речовин випромінювати промені подібно радію стали називати радіо¬активністю, а самі речовини радіоактивними.
Першим із людей випробував вплив радіаціїї Беккерель. Він на протязі 6 годин носив у кишені жилету скляну пробірку з радієм. Через 6 тижнів на шкірі у нього заявилась рана, яка довго не загоювалась.
Що ж таке іонізуюче випромінення?
Іонізуючим вважається випромінення, яке проходячи крізь речовину, чи через клітини живого організму, іонізують атоми або молекули середовища, створюючи іони - частинки, що несуть позитивні або негативні електричні заряди.
Властивість речовини самовільно перетворюватись в іншу, вилучаючи при цьому різні елементарні частинки, або фотони, називають радіоактивністю. Розрізняють природну і штучну радіоактивність.
В залежності від характеру взаємодії з речовинами, іонізуючі випромінення поділяються на дві великі групи: - випромінення заряджених альфа- і бета-частинок, електронів, протонів, іонів; - випромінення, що не має електричних зарядів - нейтронне, рентгенівське, гама-випромінення.
Кожний хіміічний елемент складається з атомів. Атоми різняться масами і розмірами. В центрі атома знаходиться ядро, що складається з протонів і нейтронів, навколо нього обертаються електрони. Число протонів елемента є його атомним номером та характеризує його хімічні властивості, а сума протонів і нейтронів в ядрі складає масове число елементів. Елементи з різними масовими числами, але з одним атомним номером, називають ізотопами.
Між протонами, що входять до складу ядра, діють епекричні сили відштовхування. А між всіма елементарними ядерними частинками (протонами і нейтронами) діють ядерні сили зчеплення, що зумовлюють стійкість ядра. Менш стійкі ядра, можуть перетворюватися у більш стійкі ядра інших хімічних елементів.
Енергія, яка звільнюється при ядерних перетвореннях, називається атомною, а точніше, внутрішньоядерною.
Відомо три шляхи звільнення атомної енергії: радіоактивний розпад ядер, поділ важких ядер і сполучення легких ядер атомів у більш важкі.
Радіоактивний розпад це перетворення нестійких ядер атомів у більш стійкі, що супроводжується виділенням внутріш¬ньої енергії - радіоактивним випромінюванням, тобто випусканням у навколишнє середовище альфа-, бета- і гамма-променів.
Альфа-промені - це потік позитивно заряджених ядер атомів гелію. З ядра, що зазнає радіоактивного розпаду, вони викидаються зі швидкістю до 20 000 км/с. У повітрі альфа-частинки проходять кілька сантиметрів, у рідких і твердих тілах набагато меньше (у металах до 0,01 мм). Одяг і навіть папір поглинає їх повністю.
Незважаючи на незначну проникаючу здатність альфа-частинок, цей вид випромінювання дуже небезпечний для живого організму, оскільки, потрапляючи в організм через органи дихання, з їжею чи водою, уражає тканини.
Бета-промені - це потік негативно заряджених елек¬тронів, що випускаються ядрами атомів. Бета-частинки викидають¬ся з ядра радіоактивного атома з різними швидкостями, швидкість деяких з них сягає швидкості світла. У повітрі вони проходять шлях у кілька метрів.
При бета-розпаді їх потік взаємодіє з ато¬мами оточуючої речовини. В результаті цієї взаємодії, як і при проходженні альфа-частинок, відбувається іонізація атомів.
Бета-частинки мають значно більшу проникаючу здатність, ніж аль¬фа-частинки, але вони можуть бути затримані підошвою взуття, вікон¬ним склом і металевими пластинами товщиною кілька міліметрів. У живих тканинах максимальний пробіг бета-частинок не перебільшує 1,5 см. Основна частина радіоактивних продуктів, які утворюються під час ядерного вибуху, є бета-активними.
Гамма-промені - це кванти енергії, які випромінюються ядрами атомів. Подібно до рентгенівських променів це короткохвильове електромагнітне випромінювання, що поширю¬ється зі швидкістю світла. У повітрі вони проходять сотні метрів.
Рентгенівське і гама-випромінення має найбільшу проникаючу властивість. Так, 2 см свинцю послаблюють дію променевої радіації лише у два рази. Іонізуюча здатність гамма-променів у сотні разів менша, ніж у бета-частинок. У повітрі на шляху в 1 см утворюється лише кілька пар іонів.
Радіоактивні речовини радіоактивні лише під час протікання ядерних перетворень. Потім вони втрачають свої властивості і перетворюються в стабільні не радіоактивні ізотопи. Одиницею вимірю¬вання швидкості радіоактивного розпаду є період на¬піврозпаду - час, за який половина атомів радіоактивної речовини розпадається. В кінці періоду напіврозпаду залишається 1/2 початкової радіоактивності, в кінці подвійного періоду - 1/4 і т.д. Речовина стає не радіоактивною після 10 періодів напіврозпаду.
Способу, за допо¬могою якого можна було б зупинити, уповільнити або припинити цей процес не існує. Ніщо не впливає на протікання радіоактивності.
Природний радіоактивний розпад відбувається поступово, тому кількість атомної енергії, що виділяється за одиницю часу, порівня¬но мала.
Усі іонізуючі випромінювання викликають іонізацію речовини, та тканин живих організмів. При іонізації під дією радіоактивних випромінювань електрично нейтральні атоми молекул розпадаються та пари негативно і позитивно заряджених іонів. Іонізація речовин супроводжується змінами їх фізико-хімічних властивостей, а для біологічноі тканини порушейням її життєдіяльності. Пошкодження кліттин живих органів залежить від виду і тривалості дії іонізуючого випромінення. Це зумовлює поняття - еквівалентної дози, яка вимірюється в берах Бер (біологічний еквівалент рентгену) що є мірою радіації.
Одиниця виміру мілібер - складає 1/1000 бер.
1 мілібер - доза за рік, що поглинається при перегляді кольорового телевізора. 5 мілібер - доза, що поглинається людиною при дальньому авіаперельоті. 100 мілібер - середньорічна доза, що поглинається при рентген-дослідженнях. 100 мілібер - доза, що поглинається за рік від природного радіаційного фону. 330 мілібер - середньорічна доза, що поглинається людиною. 10 000 мілібер - гранично допустиме аварійне (разове) опромінення населення. Більше 25 000 мілібер - доза, що викликає перші клінічні прояви променевої хвороби. 100 000 мілібер - нижній рівень розвитку легкого ступеня променевої хвороби. 200 000 мілібер - нижній рівень розвитку середнього ступеня променевої хвороби. 400 000 мілібер - нижній рівень розвитку тяжкого ступеня променевої хвороби.
Основним способом одержання великої кількості внутрішньо¬ядерної енергії є поділ ядер атомів важких елементів. При впливі нейтронів на ядра атомів урану або плутонію, відбу¬вається ядерна реакція - ядра цих атомів поділяються на частинки, які являють собою радіоактивні ядра нових, більш лег¬ких ніж уран, атомів.
Ланцюгова реакція поділу ядер важких атомів покладена в основу одержання внутріш¬ньоядерної енергії на АЕС.
Третій шлях одержання ядерної енергії заснований на викорис¬танні реакції сполучення (синтезу) легких ядер у більш важкі.
Термоядерні реакції покладені в основу водневої зброї, зарядом якої є важкий і надважкий водень (дейтерій і тритій). Відбувається термоядерна реакція за умови ядерної реакції (атомно¬го вибуху), і супроводжується дуже високою температурою.
Потужність ядерних боєприпасів характеризують кіль¬кістю енергії, яка виділяється під час вибуху. Цю енергію вимірю¬ють тротиловим еквівалентом.
Тротиловий еквівалент - це така маса тротилового заряду, енер¬гія при вибуху якого дорівнює енергії вибуху ядерного заряду. Тротиловий еквівалент вимірюють у тонах, кілотоннах (1 кт дорівнює 1000 т) і мегатоннах (1 Мт дорівнює 1 млн т). Наприклад, якщо ядерний заряд має тротилову потужність 20 кт - це означає, що він еквівалентний вибуху 20 000 т тротилу.
За характером реакції ядерна зброя є ядерна, термоядерна і комбінована.
В ядерних боєприпасах застосовується реакція поділу ядер важ¬ких елементів - урану-235, плутонію-239, урану-233, які легко поді¬ляються при захваті нейтронів.
Найменша кількість ядерного палива, в якій може проходити ланцюгова ядерна реакція, називається критичною масою.
Критична маса залежить від природи речовини, яка розщеплюється (уран, плутоній або суміші), від його щільності й ступеня чистоти, бо домішка захвачує нейтрони. Критична маса залежить та¬кож від матеріалу, який її оточує. Наприклад, оболонка природного урану при оточенні речовини, яка розщеплюється, є дуже добрим рефлектором, відбиваючи назад нейтрони, що виходять із речовини. При цьому маса, при якій стає можливою ланцюгова реакція, може бути зменшена у 2-3 рази. Так, критична маса для плутонію в ме¬талевій фазі дорівнює приблизно 11 кг, а при доброму рефлекторі вона може бути зменшена до 5 кг.
У термоядерній зброї застосовуються ядерні реакції, які відбува¬ються одна за одною: поділ ядер урану-235 або плутонію-239 і з'єднан¬ня ядер більш легких елементів у ядра атомів більш важких. Для здійснення реакції синтезу як термоядерне паливо застосовують ізото¬пи водню: важкий водень - дейтерій, надважкий - тритій і з'єднан¬ня дейтерію і літію - дейтерит літію.
Висока температура, необхідна для підтримання реакції синтезу ядер дейтерію і тритію, утворюється за рахунок реакції поділу ура¬ну-235 або плутонію-239. Звичайний ядерний заряд є запалом у термоядерному боєприпасі. Отже, термоядерний заряд ґрунтується на принципі "ділення - синтез".
У комбінованих боєприпасах застосовують три ядерних реакції, які проходять одна за одною: поділ ядер, з'єднання атомів легких елементів і знову поділ ядер, тобто дія заряду заснована на принципі "ділення - синтез - ділення".
Під час вибуху ядерного заряду температура підвищується до 10 млн градусів, а при термоядерному до кількох де¬сятків мільйонів градусів. Підземні ядерні вибухи характеризуються утворенням сейсміч¬них хвиль, руйнуванням підземних споруд.