Основные положения квантовой механики. 4 page

Так как в ядрах отсутствуют электроны и позитроны, очевидно, что они возникают в результате процессов, происходящих внутри ядра с протонами и нейтронами. Такие реакции были экспериментально обнаружены при изучении излучений атомных реакторов, причем для их объяснения ученому Паули в 1931г. пришлось предположить о существовании новых частиц с малой массой и не имеющих заряда. Эти частицы должны очень слабо взаимодействовать с другими частицами и обладать большой проникающей способностью, поэтому они были обнаружены только в 1956г. и названы нейтрино (n) и антинейтрино (n^~). С помощью этих частиц три разновидности β – распада могут быть обусловлены следующими превращениями нуклонов в ядре:

распад,

распад, (3.8)

распад.

Наличие этих частиц позволяет объяснить наблюдаемое непрерывное распределение электронов по кинетической энергии и их произвольный импульс. Если бы не было нейтрино, то электроны имели бы строго определенный импульс, равный импульсу дочернего ядра, в реальности же, энергия и импульс распределяется между электроном и нейтрино в самых разных пропорциях, поэтому в экспериментах испускаемые электроны имеют достаточно произвольные импульс и энергию.

Наблюдать нейтрино очень сложно, так как они почти не взаимодействуют с другими частицами и, согласно теоретическим оценкам, нейтрино с энергией 1 МэВ могут пробегать без столкновения в воде порядка 1000км. Такие нейтрино свободно пронизывают Солнце и, тем более, Землю. Чтобы зарегистрировать процесс захвата нейтрино другими частицами, необходимо иметь огромные плотности их потока. Это стало возможным только после создания ядерных реакторов, в которых при ядерных реакциях возникают мощные потоков нейтрино.

Гамма-распад заключается в испускании возбужденным ядром гамма – квантов, энергия которых варьируется в пределах от 10КэВ до 5МэВ. Гамма-излучение - это не самостоятельный тип радиоактивности, оно сопровождает процессы α и β – распада. Существенно, что спектр испускаемых гамма – квантов дискретный. Это объясняется тем, что согласно оболочной модели, ядро имеет дискретные энергетические уровни возможных состояний и переход ядра из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией должен по квантовой механике сопровождаться испусканием кванта электромагнитного излучения. Вследствие дискретности энергий состояний, спектр излучаемых частот тоже должен быть дискретен.

3.6.Цепная ядерная реакция деления. @

Ядра обычно находятся в состоянии с наименьшей энергией, это состояние называется основным. При попадании частиц с большой кинетической энергией в ядро, оно переходит в возбужденное неустойчивое состояние и через некоторое время делится на два более устойчивых ядра. Явление деления тяжелых атомных ядер на два ядра было открыто Ганом и Штрассманом в 1939г. при изучении взаимодействия нейтронов различных энергий и ядер урана. В 1940 г. российские физики К.А.Петржак и Г.И. Флеров обнаружили самопроизвольное (спонтанное) деление ядер урана. При реакции деления выделяется очень большая энергия, она высвобождается в виде кинетической энергии двух ядер-осколков, а также вылетающих при этом нейтронов, электронов, нейтрино, гамма - квантов. Основная часть энергии деления приходится на энергию ядер-осколков.

Замечательным и чрезвычайно важным свойством реакции деления является то, что в результате деления образуется несколько вторичных нейтронов. Это обстоятельство позволяет создавать условия для поддержания стационарной или развивающейся во времени реакции деления ядер. Например, если один нейтрон вызывают реакцию деления одного ядра, то образующиеся в результате реакции три нейтрона могут вызвать деление других трех ядер, возникшие при этом уже девять нейтронов после следующей реакции создадут двадцать семь нейтронов и так далее. Число вторичных нейтронов различно для разных реакций и зависит как от энергии нейтрона, так и от свойств ядра. В результате серии таких реакций за короткое время может произойти множество актов деления ядер, такой процесс называют цепной реакцией (Рис.18).

Рис.18. Схема развития цепной реакции деления.

Освобождение нейтронов при делении ядер урана обнаружили в 1939 г. Ф. Жолио – Кюри, Х.Халбан и Л.Коварски. В результате деления ядра урана образуются, как правило, два ядра-осколка с различной массой. В среднем отношение масс легких и тяжелых осколков равно 2: 3. Массовые числа А ядер‑осколков меняются от 72 до 161, а их атомные номера от 30 до 65. Как правило, ядра-осколки имеют большой избыток нейтронов и поэтому неустойчивы относительно бета-распада. При делении одного ядра урана освобождается 2 или 3 нейтрона и выделяется около 200 МэВ энергии. Примерно 165 МэВ выделяется в виде кинетической энергии ядер–осколков, остальная энергия приходится на кинетическую энергию нейтроны и энергию гамма–квантов. При наличии в среде примесей некоторых элементов, нейтроны, освобождающиеся в реакции деления урана, могут попасть в ядра примеси и застрять там. Это может уменьшить скорость цепной реакции и даже прекратить ее.

3.7.Использования энергии ядерных цепных реакций. Атомная бомба. Ядерный реактор.@

В 1934 г. Жолио–Кюри высказал предположение о возможности использования энергии ядерных цепных реакций в практических целях. Практическое осуществление цепных реакций – не такая простая задача, как это выглядит на схеме. Нейтроны, освобождающиеся при делении ядер урана, способны вызвать деление лишь ядер изотопа урана с массовым числом 235, и для этого пригодны даже медленные (тепловые) нейтроны. Деление же ядер изотопа урана с массовым числом 238 не происходит, нейтроны просто захватываются этими ядрами. В природном уране на долю изотопа 238 приходится 99,3%, а на долю изотопа 235 приходится всего лишь 0,7%. Поэтому, осуществление цепной реакции деления связано с разделением природного урана и получением в чистом виде достаточно большого количества изотопа 235, что достаточно сложно и дорого.

Необходимым условием для осуществления цепной реакции является наличие достаточного количества урана, так как при малой массе урана большинство нейтронов пролетят и уйдут наружу, не попав ни в одно ядро. Минимальная масса урана, достаточная для осуществления цепной реакции, называется критической массой, для изотопа урана 235 она составляет примерно 50 кг, а радиус шара такой массы равен 8,5 см.

Для характеристики цепной реакции деления используется величина, называемая коэффициентом размножения нейтронов К. Этот коэффициент равен отношению числа нейтронов одного поколения к числу нейтронов предыдущего поколения, участвующих в реакции распада. Коэффициент размножения зависит от типа ядерной реакции, от наличия поглощающих нейтроны примесей, а также от конструкции устройства, где происходит реакция. Если К>1, число нейтронов в системе лавинообразно нарастает и происходит выделение большого количества энергии за малое время, то есть происходит ядерный взрыв, система в этом случае называется надкритической. Для стационарной цепной реакции деленияК=1, в этом случае число нейтронов, участвующих в реакции, не меняется и выделение энергии идет с постоянной скоростью. Такой режим реакции называется критическим, он используется в ядерных реакторах для длительного получения энергии. При К< 1 происходит уменьшение числа нейтронов, цепная ядерная реакция не происходит, система называется подкритической (это имеет место на месторождениях урана).

Простейший способ осуществления цепной реакции в уране – 235 заключается в следующем: изготавливают два куска урана в виде полушарий с массой несколько меньше критической. Цепная реакция в каждом из них в отдельности идти не может, но при соединении этих кусков мгновенно развивается цепная реакция и выделяется колоссальная энергия. Происходит атомный взрыв, температура окружающей среды резко увеличивается и все в области взрыва превращается в пар. Мощное световое и гамма-излучение сжигают все, что горит, на расстояниях нескольких километров. В добавление, вследствие кратковременности реакции, возникает мощная ударная волна перепада давления, разрушающая все на своем пути. Первые атомные бомбы были изготовлены в США в 1945г., взрывами этих бомб были уничтожены японские города Хиросима и Нагасаки. При взрыве бомбы с массой урана 1 кг, сброшенной на Хиросиму, была выделена энергия равная энергии взрыва примерно 20000 тонн тринитротолуола. Более мощным оружием является термоядерная бомба. В ней атомная бомба служит лишь «запалом», а основная энергия выделяется при осуществлении реакции термоядерного синтеза с превращением ядер водорода в ядра гелия.

Цепная реакция деления тяжелых ядер может использоваться и в мирных целях для получения электроэнергии. Впервые ядерная энергия была поставлена на службу людей в нашей стране, 27 июля 1954г. дала ток первая в мире атомная электростанция с ядерным реактором мощностью 5 МВт в г. Обнинске. Ядерный реактор - это техническая установка, в которой осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления тяжелых ядер. Для получения такой реакции, очевидно, необходимо создать такие условия, чтобы после каждой реакции распада ядра урана и после поглощения некоторых нейтронов примесями, оставался в среднем один нейтрон для продолжения дальнейших реакций распада, то есть необходимо непрерывно поддерживать критический режим реакции (К=1).

Ядерный реактор состоит из активной зоны, окруженной защитным корпусом. Активная зона содержит ядерное топливо, находящаяся в металлических трубках, их называют тепловыделяющими элементами (ТВЭл), а также теплоноситель, который проходит вокруг и внутри ТВЭлов и воспринимает тепло ядерных реакций. Для управления ходом реакции и поддержании ее в критическом режиме в активной зоне находятся также стержни из веществ, которые могут сильно поглощать нейтроны (тяжелая вода, графит, бериллий и др.).

При делении ядер ТВЭлы сильно нагреваются, вода, используемая часто в качестве теплоносителя, получает тепло от ТВЭлов и нагревается до температуры около 300⁰С при давлении около 10⁷Па. С помощью насосов нагретая вода выводится из активной зоны реактора и проходит через теплообменник (это так называемый первый контур). В теплообменнике происходит нагрев воды второго контура до превращения ее в пар, который направляется на лопатки паровой турбины. Паровая турбина вращает ротор генератора тока, так кинетическая энергия ядер превращается в электроэнергию.

В качестве теплоносителя используют жидкие или газообразные вещества, которые не поглощают сильно нейтроны, чтобы не препятствовать развитию цепной реакции. Активная зона реактора обычно окружается отражателем, возвращающим часть нейронов в активную зону за счет многократного рассеяния. В ядерном реакторе происходит накопления продуктов деления, которые называются шлаками. Наличие шлаков приводит к потерям свободных нейтронов и усложняет управление работой реактора.

Ядерные реакторы разделяются на несколько групп: по средней энергии нейтронов - на быстрые, промежуточные и тепловые; по конструктивным особенностям активной зоны; по типу теплоносителя – на водяные, тяжеловодные, натриевые. Для производства электроэнергии сейчас применяются в основном реакторы на тепловых нейтронах: водяные реакторы с не кипящей или кипящей водой под давлением, уран-графитовые реакторы с кипящей водой или охлаждаемые углекислым газом. В будущем будут широко применяться реакторы на быстрых нейтронах, охлаждаемые жидкими металлами (натрий и др.), в которых реализуется режим воспроизводства топлива, т.е. когда при распаде ²³⁵U получается изотоп плутония ²³⁹Pu, тоже используемый в ядерных реакциях. На рисунке 19 представлена упрощенная схема ядерного реактора и схема получения электроэнергии.

Рис.19. Устройство ядерного реактора и схема получения электроэнергии на атомных электростанциях.

1- защитный корпус реактора, 2-активная зона с теплоносителем, 3-ТВЭлы с чистым ураном, 4-стержни для управления реакцией, 5-теплообменник, 6-первый контур для вывода энергии из активной зоны, 7- насос первого контура, 8-второй контур для превращения тепловой энергии в электроэнергию, 9-конденсатор для перевода пара в жидкое состояние, 10-паровая турбина, 11-электрогенератор.

3.8.Проблемы развития атомной энергетики. @

При использовании энергии ядер в мирных целях возникают определенные проблемы. Первая заключается в необходимости защиты людей, обслуживающих ядерные энергетические установки, от вредного действия гамма – излучения и потоков нейтронов, возникающих при осуществлении ядерной реакции в активной зоне реактора. Для обеспечения полной безопасности людей, работающих на атомной электростанции или на судах с ядерной энергетической установкой, ядерный реактор окружают толстым слоем материалов, хорошо поглощающих гамма-излучение и нейтроны. Вторая проблема связана с тем, что при работе реактора в его активной зоне накапливается большое количество радиоактивных шлаков, которые могут исказить нормальный режим работы и привести к выбросу шлаков из реактора. Например, после аварии на Три–Майл-Айленд (США) и на Чернобыльской АЭС произошло сильное радиоактивное заражение обширных территорий, с них пришлось эвакуировать сотни тысяч жителей и эти территории на несколько десятков лет выпали из хозяйственного оборота. Последствия этих катастроф будут сказываться еще в течение десятков и даже сотен лет, так как некоторые ядра шлаков (радионуклиды - стронций, плутоний и др.) имеют большие периоды полураспада. Третья проблема заключается в необходимости надежного захоронения радиоактивного шлака в специальных хранилищах, где они могут находится десятки и сотни лет, пока они не перестанут быть радиоактивными. Проникновение их в окружающую среду может оказать необратимое отрицательное воздействие на природу и людей.

Несмотря на ряд опасностей, связанных с работой реакторов, ядерная энергетика бурно развивается во всем мире главным образом из-за того, что возможности дальнейшего развития гидроэнергетики близки к полному исчерпанию, а также быстро убывают запасы углеводородного горючего. Масштаб добычи и расходования ископаемых энергоресурсов, металлов, потребления воды, воздуха для производства необходимого человечеству количества энергии огромен, а запасы ресурсов, увы, ограничены. Особенно остро стоит проблема быстрого исчерпания запасов органических природных энергоресурсов. Легко оценить, что органические ископаемые ресурсы, даже если учесть вероятное замедление темпов роста энергопотребления, будут в значительной мере израсходованы в будущем веке. Открытие деления тяжелых ядер при захвате нейтронов, сделавшее наш век атомным, прибавило к запасам энергетического ископаемого топлива существенный клад ядерного горючего. Запасы урана в земной коре оцениваются огромной цифрой 10¹⁴ тонн. Однако основная масса этого богатства находится в рассеянном состоянии - в гранитах, базальтах, воде; в водах мирового океана количество урана достигает 4×10⁹ тонн. Богатых месторождений урана, где добыча была бы недорога, известно сравнительно немного, поэтому массу ресурсов урана, которую можно добыть при современной технологии и при умеренных ценах, оценивают в 10⁸ тонн. Ежегодные потребности в уране составляют, по современным оценкам, 10⁴ тонн естественного урана.

Что касается экологической безопасности, необходимо отметить, что при сжигании угля и нефти, ежегодно образуется до 400 млн.т. сернистого газа и окислов азота, т.е. около 70 кг вредных веществ на каждого жителя земли в год. Использование атомной энергетики снимает остроту этой проблемы, так как 1 кг природного урана заменяет 20 т угля и при этом степень ее влияния на окружающую среду очень мала. Атомные электростанции не загрязняют атмосферу дымом и пылью, не требуют создания крупных водохранилищ, занимающих большие площади плодородных земель. Атомная энергетика не потребляет кислорода и имеет ничтожное количество выбросов при нормальной эксплуатации. Если атомная энергетика заменит обычную энергетику, то возможности возникновения "парника" с тяжелыми экологическими последствиями глобального потепления будут устранены.

Чрезвычайно важным обстоятельством является также тот факт, что атомная энергетика не создаст особых транспортных проблем, поскольку требует ничтожных транспортных расходов, что освобождает от бремени постоянных перевозок огромных количеств органического топлива.

Очевидно, что без ядерной энергетики человечеству не обойтись. Поэтому в настоящее время проводятся интенсивные исследования с целью повышения безопасности реакторов, усиления средств защиты, в частности от ошибочных действий персонала, наряду с этим прорабатывается идея создания реакторов с внутренне присущей им безопасностью.

3.9.Управляемая реакция термоядерного синтеза.@

Возможное решение множества проблем, связанных с производством безопасной и неограниченной по количеству ядерной энергии, заключается в использовании ядерной реакции синтеза. Из графика рис. 17 для удельной энергии связи ядер видно, что энергия может освобождается не только в реакциях деления тяжелых ядер, но и при соединении легких атомных ядер. Для соединения одноименно заряженных протонов необходимо преодолеть кулоновские силы отталкивания. Это возможно при достаточно больших скоростях столкновения частиц, т.е. при температуре порядка 10⁷ – 10⁸ К. Необходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в недрах Солнца и звезд. На земле термоядерная реакция синтеза осуществляется при термоядерных взрывах. Синтез гелия из легкого изотопа водорода происходит при температуре около 10⁸ К, а для синтеза гелия из тяжелых изотопов водорода, дейтерия и трития требуется нагревание плазмы примерно до 5∙10⁷ К. Возможные реакции:

.

При синтезе 1 г гелия из дейтерия и трития выделяется энергия 4,2 10¹¹ Дж. Такая энергия выделяется при сжигании 10 т дизельного топлива. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы, кроме того, на Луне обнаружены большие запасы изотопа гелия, который тоже может быть использован в подобных реакциях, поэтому использование энергии термоядерного синтеза в мирных целях является одной из важнейших задач современной науки и техники. Управляемую термоядерную реакцию синтеза гелия из тяжелых изотопов водорода предполагается осуществить, нагревая исходное вещество в состоянии плазмы путем пропускания через нее электрического тока. Для удержания нагретой плазмы от соприкосновения со стенками камеры А.Д.Сахаров и И.Е.Тамм предложили использовать магнитные поля особой конфигурации. На экспериментальной установке «Токамак» российским физикам удалось нагреть плазму до температуры 1,3·10⁷ К.

Второй возможный путь – нагревание водорода с помощью лазерного излучения. Для этого пучки от нескольких мощных лазеров должны быть сфокусированы на стеклянном шарике, внутри которого заключена смесь тяжелых изотопов дейтерия и трития. В экспериментах на лазерных установках уже получена плазма с температурой в несколько десятков миллионов градусов Кельвина.

3.10.Свойства и характеристики радиоактивных излучений. @

Частицы, возникающие при радиоактивном распаде, попадая в вещество, сталкиваются с электронами атомов. В результате такого взаимодействия атом получает дополнительную энергию, при этом электрон переходит на один из удаленных от ядра энергетических уровней или совсем покидает атом. В первом случае происходит возбуждение атома и дальнейшее излучение рентгеновского излучения, во втором – ионизация атома. За счет этого энергия частицы уменьшается, она тормозится в веществе и останавливается. Длина пробега частицы зависит от ее заряда, массы, начальной энергии, а также от свойств среды, в которой частица движется. Пробег увеличивается с возрастанием начальной энергии, медленно движущиеся частицы взаимодействуют с атомами более эффективно и быстрее растрачивают имеющуюся у них энергию.

Проникающую способность частиц обычно характеризуют минимальной толщиной слоя вещества, полностью их останавливающего. Например, от потока бета частиц с энергией 2МэВ, полностью защищает слой алюминия толщиной 3,5 мм. Альфа – частицы обладают большими размерами, чем бета – частицы, поэтому они чаще сталкиваются с атомами и быстрее теряют свою энергию, пробеги альфа – частиц в веществе очень малы. Например, у альфа‑частицы с энергией 4 МэВ длина пробега в воздухе примерно 2,5см, в воде или в мягких тканях животных и человека – сотые доли миллиметра. Благодаря небольшой проникающей способности альфа- и бета-излучения обычно не представляют большой опасности при внешнем облучении. Плотная одежда может поглотить значительную часть бета – частиц и совсем не пропускает альфа – частицы. Однако при попадании радиоактивных веществ внутрь человеческого организма с пищей, водой и воздухом, альфа- и бета-излучения могут причинить человеку серьезный вред.

Кроме альфа- и бета-излучения, сильное воздействие оказывают нейтроны, которые, вследствие отсутствия у них электрического заряда, при движении в веществе не взаимодействуют с электронными оболочками атомов и проникают глубоко в вещество. При прямом столкновении нейтронов с ядрами атомов они могут выбивать заряженные частицы, которые ионизируют и возбуждают атомы среды.

Гамма–кванты взаимодействуют в основном с электронными оболочками атомов, передавая часть своей энергии электронам, в результате чего наблюдаются явление фотоэффекта, эффект Комптона. Возникающие быстрые электроны производят ионизацию атомов среды. Пути пробега гамма–квантов и нейтронов в воздухе измеряются сотнями метров, в твердом веществе – десятками сантиметров и даже метрами. Потоки гамма–квантов и нейтронов – наиболее проникающие виды ионизирующих излучений, поэтому при внешнем облучении они представляют для человека наибольшую опасность.

Проникающая способность радиоактивного излучения увеличивается с ростом энергии и уменьшается с увеличением плотности вещества. В таблице приведены в качестве примера значения толщины слоев воды, бетона и свинца, ослабляющих потоки гамма – излучения различной энергии в десять раз.

Таблица проникающей способности гамма – излучения

Универсальной мерой воздействия любого вида излучения на вещество является поглощенная доза излучения, равная отношению энергии, переданной ионизирующим излучением веществу, к массе вещества D=E/m. За единицу поглощенной дозы в Си принят грей (Гр). 1Гр равен поглощенной дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1кг передается энергия ионизирующего излучения 1Дж: 1Гр=1Дж/1кг.

Физические воздействие любого ионизирующего излучения на вещество связано прежде всего с ионизацией атомов и молекул. Количественной мерой воздействия ионизирующего излучения служит экспозиционная доза, которая характеризует ионизирующее действие излучения на воздух. Экспозиционная доза равна отношению электрического заряда ионов одного знака, возникающих в сухом воздухе при его облучении фотонами, к массе воздуха X=q/M. В Си единицей экспозиционной дозы является кулон на килограмм (Кл/кг). Часто употребляется внесистемная единица экспозиционной дозы – рентген (Р): 1Р=2,58·10^-4 Кл/кг.

При экспозиционной дозе 1Р в 1см³ сухого воздуха при нормальном давлении образуется около 2·10⁹ пар ионов. Такая доза накапливается за 1м от радиоактивного препарата радия массой 1г. При облучении мягких тканей человеческого организма рентгеновским или гамма–излучением, экспозиционной дозе 1Р соответствует поглощенная доза 8,8 мГр.

3.11.Биологическое действие ионизирующих излучений.@