- •1. Развитие представлений о строении атомов
- •2. Корпускулярно-волновые свойства микрочастиц
- •3. Квантово-механическое описание процессов в микромире
- •4. Принципы дополнительности и соответствия
- •5. Виды взаимодействий
- •6. Фермионы и бозоны
- •7. Радиоактивность
- •8. Закон радиоактивного распада
- •9. Строение атомного ядра и свойства ядерных сил
- •10. Ядерные процессы
- •11. Элементарные частицы
- •12. Понятие о кварках
- •13. Частицы и античастицы
- •14. Концепция дальнодействия и близкодействия
- •15. Мария Склодовская-Кюри
- •Андронный коллайдер
- •17. Альберт Энштейн
- •Понятие структуры материи
- •3 Структурных уровня организации материи:
- •Развитие знаний о веществе
- •Периодическая система элементов
- •4. Изотопы и новые химические элементы
- •5. Распространённость химических элементов
- •6. Химические связи и многообразие химических систем
- •7. Строение кристаллических и аморфных тел
- •1. Структура и эволюция Вселенной
- •2. Закон Хаббла и концепция Большого взрыва
- •3. Реликтовое излучение и первичный нуклеосинтез
- •4. Эволюция галактик и звёзд
- •5. Синтез химических элементов в звёздах. Сверхновые, пульсары, квазары и чёрные дыры
- •6. Средства наблюдений объектов Вселенной
- •7. Проблема поиска внеземных цивилизаций
- •8. Солнечная система — часть Вселенной
- •9. Земля — планета Солнечной системы
- •10. Литосферные плиты и земная кора
- •11. Гидросфера и атмосфера
- •Зарождение живой материи
- •2. Строение и разновидности клеток
- •3. Биосинтез белков и роль ферментов
- •4. Носители генетической информации
- •5. Состав и структура молекул днк и рнк
- •6. Геном организма
- •7. Репликация днк, трансляция и транскрипция
- •8. Свойства генетического кода
- •9. Современные представления о зарождении жизни и основные этапы эволюции биосферы
- •1. Три уровня организации материального мира
- •2. Идея эволюции Ламарка и сущность эволюционной теории Дарвина
- •Роль мутаций, естественного отбора и факторов окружающей среды в происхождении и эволюции видов
- •4. Адаптация и взаимозависимость живых организмов
- •5. Популяции и биоценозы
- •6. Генная инженерия. Проблемы клонирования
- •7. Закон дивергенции
- •1. Человек и природа
- •2. Примеры сохранения природных ресурсов
- •3. Обновление энергосистем
- •4. Сохранение тепла и экономия электроэнергии
- •5. Экономия ресурсов в промышленности, строительстве и на транспорте
- •6. Экономичный автомобиль
- •7. Воздействие промышленности и автотранспорта на окружающую среду
- •8. Преобразование транспортных услуг
- •9. Экологические проблемы городов и особенности мегаполисов
- •10. Решение проблем загрязнения и утилизация отходов
- •11. Перспективные материалы, технологии и сохранение биосферы
- •12. Глобализация биосферных процессов
- •1. Космическое и внутрипланетарное воздействие на биосферу
- •2. Глобальные катастрофы и эволюция жизни
- •3. Биосфера и предотвращение экологической катастрофы
- •4. Природные катастрофы и климат
- •5. Парниковый эффект и кислотные осадки
- •6. Сохранение озонового слоя
- •7. Водные ресурсы и проблемы их сохранения
- •8. Потребление электроэнергии и среда нашего обитания
- •9. Радиоактивное воздействие на биосферу
- •10. Естественный радиационный фон
- •11. Воздействие излучений на живые организмы
- •12. Защита от облучения
- •43. Естественно-научные проблемы защиты окружающей среды
- •1. Самоорганизующиеся системы и их свойства
- •2. Механизмы самоорганизации
- •3. Самоорганизация в химических реакциях
- •4. Необходимые условия самоорганизации открытых систем
- •5. Неустойчивость сложных систем
- •6. Пороговый характер самоорганизации. Точка бифуркации
- •7. Синергетика как обобщённая теория поведения систем различной природы
- •8. Самоорганизация в живой природе и человеческом обществе
10. Ядерные процессы
Масса ядра определяется массой входящих в его состав нейтронов и протонов. Поскольку любое ядро состоит из Z протонов и N = А – Z нейтронов, где А– массовое число (число нуклонов в ядре), то, на первый взгляд, масса ядра должна просто равняться сумме масс протонов и нейтронов. Однако, как показывают результаты измерений, реальная масса всегда меньше такой суммы. Их разность получила название дефекта массы.
Энергия – одна из важнейших характеристик протекания любых физических процессов. В ядерной физике ее роль особенно велика, поскольку незыблемость закона сохранения энергии позволяет делать достаточно точные расчеты даже в тех случаях, когда многие детали явлений остаются неизвестными. Разорвать ядро на отдельные нуклоны можно, лишь введя в него извне каким-либо способом энергию не меньше той, что выделилась в процессе его образования. Это и есть полная энергия связи ядра. Уменьшение энергии системы при образовании ядра на какую-то величину должно неизбежно приводить к уменьшению общей массы. Такое изменение массы происходит при любых процессах, связанных с передачей энергии. Но в привычных для нас явлениях изменения массы относительно малы и незаметны. В ядерных же явлениях из-за большого значения ядерных сил изменение массы весьма значительно.
Если разделить величину «ушедшей» при образовании ядра энергии на полное число нуклонов, то получится средняя энергия связи, приходящаяся на один нуклон в ядре, или удельная энергия связи. Удельная энергия связи зависит от массового числа. Для большинства ядер значения средней удельной энергии связи оказываются примерно одинаковыми (исключение составляют легкие и тяжелые ядра). У каждого нуклона есть ограниченный запас возможностей взаимодействия, и если этот запас уже израсходован на связь с двумя-тремя соседними нуклонами, то остальные связи оказываются ослабленными даже на очень близких расстояниях.
Наиболее прочными являются ядра со средними массовыми числами. В легких ядрах все или почти все нуклоны лежат на поверхности ядра, и поэтому не в полной мере используют свои возможности взаимодействия, что несколько уменьшает удельную энергию связи. С ростом массового числа увеличивается доля нуклонов, лежащих внутри ядра, которые используют свои возможности полностью, поэтому значение удельной энергии связи постепенно увеличивается. При дальнейшем увеличении массового числа начинает все сильнее сказываться взаимное отталкивание электрических зарядов протонов, которое стремится разорвать ядро и поэтому уменьшает удельную энергию связи. Это приводит к тому, что все тяжелые ядра оказываются нестабильными.
Цепная реакция деления ядер урана была открыта в 1939 г.: выяснилось, что при попадании в ядро одного нейтрона оно делится на две-три части. При делении одного ядра освобождается около 200 МэВ энергии. На кинетическую энергию движения осколков уходит около 165 МэВ, остальное уносит гамма-излучение (часть электромагнитного излучения с очень малой длиной волны) – поток фотонов. Можно подсчитать, что при полном делении 1 кг урана выделится 80 000 млрд. Дж. Это в несколько миллионов раз больше, чем при сжигании 1 кг угля или нефти. Было бы удивительно такую энергию не использовать.
В 1939 г. было обнаружено, что при делении ядер урана, кроме осколков, вылетают также 2–3 свободных нейтрона. При благоприятных условиях они могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. Практическое осуществление ценных реакций затруднено некоторыми обстоятельствами. В частности, вторичные нейтроны способны вызывать деление лишь ядер изотопа урана с массовым числом 235, для разрушения же ядер изотопа урана-238 их энергия оказывается недостаточной. В природном уране содержится примерно 0,7% урана-235. Необходимое условие для осуществления цепной реакции – наличие достаточно большого количества урана-235, так как в образце малых размеров большинство нейтронов пролетает насквозь, не попав ни в одно ядро.
В связи с тем, что между атомными ядрами на малых расстояниях действуют ядерные силы притяжения, при сближении двух ядер возможно их слияние, т. е. синтез более тяжелого ядра. Чтобы ядра могли преодолеть электростатическое отталкивание и сблизиться, они должны обладать достаточной кинетической энергией. Соответственно проще всего осуществляется синтез легких ядер с малым электрическим зарядом. В природе реакции синтеза происходят в очень горячем веществе, например в недрах звезд, где при температуре порядка 14 млн. градусов (центр Солнца) энергия теплового движения некоторых частиц достаточна для преодоления отталкивания. Ядерный синтез, происходящий в разогретом веществе, называют термоядерным.
Особенность термоядерных реакций как источника энергии – очень большое ее выделение на единицу массы реагирующих веществ – в 10 млн. раз больше, чем в химических реакциях. Вступление в синтез 1 г изотопов водорода эквивалентно сгоранию 10 т бензина. Для осуществления управляемого ядерного синтеза требуется несколько условий. Во-первых, нужно нагреть термоядерное горючее до температуры, когда реакции синтеза могут происходить с заметной вероятностью. Во-вторых, необходимо, чтобы при синтезе выделялось больше энергии, чем ее затрачивается на нагрев вещества (или, еще лучше, чтобы рождающиеся быстрые частицы сами поддерживали требуемую температуру). Это возможно при условии хорошей изоляции.
Легче всего осуществить синтез между тяжелыми изотопами водорода – дейтерием и тритием.