Физика атомного ядра

Первая ядерная реакция

42He + 147N --> 178C + 11H

была открыта в 1919 г. (Э. Резерфорд).

В другой реакции

42He + 94Be --> 126C + 10n,

исследованной Дж. Чедвиком в 1932 г., был впервые обнаружен нейтрон 10n. Именно открытие нейтрона положило начало современной ядерной физике и стало окончательным крушением электромагнитной картины мира, в которой предполагалось существование только трех фундаментальных частиц: электрона, протона и фотона.

После открытия нейтрона Д.Д. Иваненко и В. Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно - нейтронном строении ядра.

Одной из загадок нейтронов было то, что их не удавалось обнаружить в веществе в свободном состоянии. Впоследствии было выяснено, что причиной тому является их нестабильность. Каждый нейтрон вне ядра в течении нескольких минут самопроизвольно распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино вследствие т.н. слабого взаимодействия.

Ядерных реакций с этого времени осуществлено великое множество. Отметим лишь важнейшие типы:

(α, n) - реакции
(α, p) - реакции
(n, α) - реакции
(n, p) - реакции
(n, γ) - реакции

В результате ядерных реакций образовались все элементы Вселенной. Излучаемая энергия Солнца поддерживается азотно-углеродным синтезом гелия:

 

 

 

Модель. Ядерные реакции.

Масса частиц, из которых состоит гелий, в изолированном состоянии составляет: электроны (2∙0,00055) + протоны (2∙1,0076) + нейтроны (2∙1,0089) = 4,0341.

В компактном состоянии масса гелия-4 равна 4,0039. Это уменьшение в 0,0302 единицы массы называется дефектом массы; ее энергетический эквивалент в соответствии с уравнением Эйнштейна составляет

Эта огромная величина ядерной энергии связи и служит основой ядерной энергетики. На рис. 1 приведена зависимость энергии связи от атомного числа для различных элементов.

 

На рис. 1 видно, что максимум устойчивости приходится на массовое число ~50. Это означает, что ядра легких элементов при слиянии достигают большей устойчивости (ядерный синтез), а ядра тяжелых элементов подвержены радиоактивному распаду или ядерному делению на два (три) фрагмента.

Ядерное деление используется для создания ядерного оружия или ядерных реакторов, в которых ядерные реакции поддаются управлению и которые являются основой атомных электрических станций (АЭС).

Рисунок 2. Атомная бомба – самое страшное современное оружие.

Атомные бомбы, взорванные над Хиросимой и Нагасаки, состояли из двух докритических масс урана-235, которые при соединении превысили критическую массу. При этом поток нейтронов, взаимодействуя с ураном-235, образовал неустойчивый изотоп урана-236, способный к ядерному делению на осколочные ядра и выделению до трех нейтронов на атом.

В среднем при делении неустойчивого урана-236 образуются 2–4 нейтрона, что обеспечивает цепной механизм реакции ядерного деления. Такая ядерная реакция возможна с участием медленных (тепловых) нейтронов с энергией 5–10 эВ. Нейтроны с высокой энергией замедляются большой (критической) массой урана (в атомной бомбе) или специальными замедлителями (графит, тяжелая вода) и поглотителями нейтронов (бор, кадмий) в атомных реакторах. Это позволяет поддерживать скорость образования нейтронов в пределах, необходимых для выделения энергии, заданной конструкцией реактора.

Малое содержание природного изотопа урана-235 привело исследователей к необходимости использования других, более доступных делящихся ядер в реакторах-размножителях:

 

Изотопы и пригодны в качестве ядерного горючего.

Вторым направлением в ядерной энергетике является ядерный синтез, подобный происходящему на Солнце в азотно-углеродном цикле. Ядерный синтез предпочтителен по двум причинам: легкие изотопы более распространены, а продукты ядерного синтеза нерадиоактивны. Непреодолимым препятствием для мирного осуществления ядерного синтеза гелия по реакции

является ее высокая температура (десятки млн К).

Военный вариант этого синтеза был осуществлен в водородной бомбе, где необходимую начальную температуру создавал атомный взрыв:

Проблема получения термоядерной энергии несмотря на научные достижения далека от практической реализации.

 

3. Закон радиоактивного распада

Свойства радиактивного излучения были изучены вскоре после открытия Беккерелем радиоактивности в 1896 г. Оказалось, что существуют три различных вида ядерного излучения (альфа, бета и гамма). После многолетних исследований было обнаружено, что а- излучение состоит из ядер гелия 42He,     б- излучение - фотоны с очень высокой энергией, г- излучение, как правило, состоит из электронов.

Образец урана 238U испускает а-частицы по следующей схеме:

238U --> 234Th + 4He + 4,2МэВ.

Спустя 4,5·109лет половина ядер образца 238U распадётся.

Теория альфа-распада построена Г.А. Гамовым в 1928 г.

В случае бета-распада более тщательные исследования показали, что некоторые ядра вместо электронов испускают их античастицы - позитроны, кроме того, испускание электронов или позитронов всегда сопровождается излучением нейтрино или антинейтрино. (Нейтрино - это элементарная частица с электрическим зарядом равным нулю, полуцелым спином 1/2 и нулевой (или очень малой) массой покоя.

Первая теория бета-распада была построена Э. Ферми в 1931 г.

Кроме хорошо известных альфа, бета и гамма - распадов в 1940 г. советскими физиками Г.Н. Флеровым и К.А. Петржаком открыт четвертый тип распада: самопроизвольное деления ядер урана на две примерно равные части. В 1970 была обнаружена протонная радиоактивность: выброс протона из ядра. Еще один вид распада - двухпротонную и двухнейтронную радиоактивность, предсказан в 1960 г. советским физиком-теоретиком В.И. Гольданским. Экспериментально этот вид распада еще не обнаружен.

Радиоактивное излучение воздействует на вещество и, передавая веществу энергию, вызывает в нем электронное возбуждение, ионизацию и разрыв химических связей. Особенно опасно радиоактивное излучение для биологических объектов, поскольку оно может нарушить нормальное функционирование клеток, приводя к необратимым последствиям и даже к летальным исходам. Воздействие радиоактивного излучения на организм зависит от проникающей способности излучения. Из трех видов внешнего радиоактивного излучения наименьшей проникающей способностью обладает α-излучение, которое практически полностью поглощается кожным покровом. Бета-излучение способно проникать под кожный покров на глубину до 1 см. Попадание в организм носителей этих радиоактивных излучений весьма опасно. Наибольшую опасность представляет собой гамма-излучение, поскольку оно обладает весьма высокой проникающей способностью.

Большие надежды ученые возлагают на  реакцию управляемого термоядерного синтеза. Надежды на практическую реализацию управляемого термоядерного синтеза продолжают оставаться "умеренно оптимистическими" на протяжении более 40 лет.

Если бы удалось осуществить управляемые термоядерные реакции в промышленных условиях, то это дало бы доступ к практически неисчерпаемым источникам энергии и избавило бы человечество от угрозы энергетического кризиса. С другой стороны, если взорвутся те огромные запасы водородных бомб, которые накоплены (и продолжают накапливаться многими странами, несмотря на окончание т.н. холодной войны), то человечество и большая часть всего живого на Земле будет уничтожено.

 

4. http://www.college.ru/chemistry/course/design/images/Fwd_h.gifhttp://www.college.ru/chemistry/course/design/images/Bwd_h.gifИзмерение радиоактивности и радиационная защита

Степень облучения определяется энергией, переданной живой ткани. Единица поглощенной дозы в СИ называется грей (Гр): 1 Гр = 1Дж/кг. Значение дозы, от которой в течение 30 суток погибает 50% живых существ, обозначают LD50(30). Для человека эта величина равна 3 Гр.

Биологическая эффективность воздействия поглощенной дозы характеризуется эквивалентной дозой (ЭД),равной произведению D на коэффициент, зависящий от типа излучения и характера ткани. Единица ЭД - зиверт (Зв). Предельно допустимая средняя индивидуальная ЭД равна 350 мЗв: максимальное годовое облучение не должно превышать 5 мЗв, а мощность дозы - 0,6 мкЗв/час. Природный радиационный фон ~ 0,28 мЗв/год. Внесистемная единица - бэр: 1 Зв = 100 Бэр.

Другая единица - рентген - связана с оценкой числа ионов, образующихся в результате облучения. При поглощении в биологической ткани 1 Бэр = 1 рентген

Активность источника радиоактивности измеряется в кюри (Ku); активность в 1 Ku соответствует 3,7∙1010 ядерных распадов, которые происходят в 1 г радия за 1 с. Поскольку радиационное воздействие зависит не только от активности источника, но также от энергии и проникающей способности излучения, то для измерения дозы излучения используют еще две единицы – рад и бэр*). Рад – аббревиатура английского radiation absorbed dose (поглощенная доза излучения) – соответствует поглощению 1 кг вещества энергии излучения 0,01 Дж. Поскольку разные виды излучения неодинаково воздействуют на организм, то действие излучения оценивают в бэрах (биологический эквивалент рентгена), представляющих собой произведение поглощенной дозы излучения (в радах) на коэффициент качества излучения (КК):

*) Еще одна единица – рентген, по сути, соответствует раду.

эквивалентная доза излучения (в бэрах) = поглощенная доза излучения (в радах)∙КК.

КК принят равным единице для бета- и γ-лучей и десяти для альфа-лучей.

В среднем ежегодно на человека приходится 0,1–0,2 бэр фонового излучения Земли и космических лучей. В зависимости от места жительства это фоновое излучение может заметно меняться. Как уже упоминалось, наиболее опасными оказываются источники внутреннего облучения, основными из которых являются 14C, 90Sr, 90Y и 137Cs, а наиболее вредным – 90Sr, поскольку заметная его часть концентрируется в скелете и медленно выводится из организма.

Использование радиоактивных материалов требует определенной системы радиационной защиты персонала и населения. Проблема усугубляется тем, что радиоактивные материалы и радиоактивные отходы невозможно ликвидировать, их необходимо складировать. Особые трудности создают жидкие радиоактивные отходы, образующиеся при обработке судовых ядерных двигателей и переработке ядерного горючего. До сих пор экологические службы не признали надежным ни один из разработанных способов длительного хранения радиоактивных отходов, включая наиболее перспективное складирование в виде стеклообразных и керамических блоков в специально оборудованных подземных хранилищах.

Работать с радиоактивными препаратами можно только в специально оборудованных радиохимических лаборатория

Необходимость защиты окружающей среды от опасных техногенных воздействий промышленности на экосистемы

Характерные антропогенные радиационные воздействия на окружающую среду -

• загрязнение атмосферы и территорий продуктами ядерных взрывов при испытаниях ядерного оружия в 60-тые годы,
• отравление воздушного бассейна выбросами пыли, загрязнение территорий шлаками, содержащими радиоактивные вещества при сжигании ископаемых топлив в котлах электростанций,
• загрязнение территорий при авариях на атомных станциях и предприятиях.

Более локальные, но не менее неприятные последствия - гибель озер, рек из-за неочищенных радиоактивных сбросов промышленных предприятий.

Значительную опасность для живых существ, для популяций организмов в экосистемах представляют аварии на предприятиях химической, атомной промышленности, при транспортировании опасных и вредных веществ. Известные аварии на химическом заводе в Бхопале (Индия), на 4-ом блоке Чернобыльской АЭС, аварии с нефтеналивными судами, да и результаты скоротечной войны в Персидском заливе показывают масштабы экологических бедствий современного общества. Очевидно, что необходим радикальный пересмотр наших отношений с природой, нужны решительные шаги по защите окружающей среды, в частности многократное усиление мер воздействия нормативных рычагов на хозяйственную практику. Совершенно недопустимо, чтобы установленные нормативами предельные концентрации вредных веществ в воздухе, воде реально превышались в сотни раз. Нужно сделать невыгодным или даже разорительным пренебрежение к охране окружающей среды. Право людей на чистый воздух, чистые реки и озера должно не только декларироваться, но и реально обеспечиваться всеми доступными для государства средствами.