пособие по физике формат pdf / Глава 6. Атомная и ядерная физика

1	n
0
235
	92	U
E

Рис. 6.9

	145	Ba
	56

88	Kr
36
	1	n
	0

1		n
0

	1	n
	0

Имеющие огромную скорость разлетающиеся осколки тормозятся окружающей средой. Кинетическая энергия осколков превращается во внутреннюю тепловую энергию среды, которая нагревается.

Таким образом, деление ядер урана сопровождается выделением большого количества энергии.

При делении одного ядра урана образовавшиеся нейтроны могут вызвать деления других ядер урана, при этом число нейтронов нарастает лавинообразно (рис. 6.10).

Рис. 6.10

Отношение числа образовавшихся нейтронов в одном акте деления к числу таких нейтронов в предыдущем акте деления называется коэффициентом размножения нейтронов k. При k меньше единицы реакция затухает, т.к. число поглощённых нейтронов больше числа вновь образовавшихся. При k больше единицы почти мгновенно происходит взрыв. При коэффициенте размножения k = 1 идёт управляемая стационарная цепная реакция, которую получают в

230

специальном устройстве – ядерном реакторе. Первая управляемая цепная реакция была получена в США в 1942 году Э. Ферми1, а в 1946 году И.В. Курчатовым2 в СССР.

Управление ядерным реактором осуществляется с помощью специальных регулирующих графитовых стержней, вводимых в

активную зону реактора для поглощения избыточных нейтронов. С помощью них устанавливается режим протекания реакции при k = 1.

Цепная реакция сопровождается выделением большого количества энергии при мизерных затратах топлива: один грамм урана даёт 23 000 кВтч энергии, что эквивалентно трём тоннам сжигания угля. Используемый в качестве топлива для атомных реакторов химический элемент уран состоит в природе из двух изотопов: урана-

	235		238
235	92U	и урана – 238	92U .	В природе изотопы урана-235

составляют всего лишь 0,7% от всего запаса урана, однако именно они пригодны для проведения цепной реакции, т.к. активно делятся под влиянием медленных нейтронов.

Необходимым условием протекания цепной реакции является наличие достаточно большого количества урана-235, т.к. вероятность попадания нейтронов в ядра зависит от их числа. Минимальная масса вещества, при которой цепная реакция идёт с коэффициентом размножения k = 1, называется критической массой. Критическая масса для чистого урана-235 равна 50 кг, при наличии примесей она выше. При использовании замедлителя (тяжёлой воды и графита) и отражателей нейтронов (бериллия и гафита) критическая масса урана уменьшается и доходит до 0,250 кг.

Вопросы для самоконтроля

1.Напишите ядерную реакцию деления ядер урана-235.

2.Что называют коэффициентом размножения нейтронов?

3.Каковы условия протекания цепной реакции деления ядер?

4.Что такое критическая масса?

1Энрико Ферми (Enrico Fermi; 1901 - 1954) – выдающийся итало-американский физик, один из основоположников квантовой физики, член Национальной академии деи Линчеи (1935), иностранный член-корреспондент АН СССР (1929).

2Игорь Васильевич Курчатов (1902 1903 – 1960) – русский советский физик,

«отец» советской атомной бомбы. Основатель и первый директор Института атомной энергии с 1943 г. по 1960 г., главный научный руководитель атомной проблемы в СССР, один из основоположников использования ядерной энергии в мирных целях. Академик АН СССР (1943).

231

§6.7. Ядерные реакции синтеза

Сама по себе идея термоядерного синтеза кажется простой. Нужно заставить ядра сойтись на расстояние примерно в 10 миллиардных миллиметра и слиться, синтезироваться в одно ядро. В процессе слияния выделяется избыток энергии. Если ядерные реакции деления легче осуществить в тяжёлых ядрах, переполненных нейтронами, то для ядерных реакций синтеза, наоборот, более пригодны ядра элементов начала таблицы Менделеева. Легче всего эти реакции могут идти между ядрами изотопов водорода – дейтерия и трития. Но для этого нужны огромные скорости сталкивающихся частиц, чтобы преодолеть кулоновские силы отталкивания, т.е. нужно, ни много ни мало, нагреть смесь этих ядер до ста миллионов градусов Цельсия. А для реакции синтеза на чистом дейтерии и того больше – до миллиарда градусов!

В этом-то и состоит главная трудность. Нагреть вещество до таких температур – задача сама по себе фантастическая! Даже в недрах Солнца "прохладней" – не более двадцати миллионов градусов. При этом уже при нескольких тысячах градусов вещество становится плазмой – хаосом из электронов и ядер, которые с огромными скоростями мечутся и сталкиваются внутри камеры. И хаос этот становится активнее с ростом температуры. На Солнце этот хаос удерживает гигантская сила гравитации. А как его удержать на Земле? Коварство плазмы ещё и в том, что благодаря высокой теплопроводности она мгновенно отдает свою энергию стенкам камеры и остывает.

Как метко заметил известный советский физик профессор Д. Франк-Каменский, нагреть в замкнутом сосуде плазму до миллионов градусов – это то же самое, что вскипятить воду в стакане... изо льда!

Итак, главная задача – нагреть плазму до нужной температуры и не давать ей коснуться стенок сосуда столько времени, сколько нужно для того, чтобы успело прореагировать достаточное количество ядер дейтерия и трития, и произошла реакция с выделением огромной энергии. Такие реакции называют термоядерными:

3H 2H 4He 1n,				2H 2H 4He .
1	1	2	0	1	1	2

Выделяемая энергия на один нуклон при термоядерной реакции примерно в пять раз больше, чем при ядерной реакции деления.

Проблема получения высокотемпературной плазмы в водородной бомбе решается просто. Смесь дейтерия и трития помещают в общей оболочке с атомной бомбой. При взрыве атомной бомбы температура повышается до нескольких десятков миллионов

232

градусов и возникает развивающаяся самоподдерживающаяся термоядерная реакция превращения легких ядер в ядра гелия. В СССР

испытание такой бомбы было проведено в 1953 году.

А вот с созданием управляемой термоядерной реакцией большие проблемы. Решению этой задачи и служит идея, которая наилучшим образом работает в установках "Токамак". Это слово образовано из первых слогов названия установки "ТОроидальная КАмера с МАгнитным полем". Первые подобные установки были изобретены советскими физиками под руководством Л. А. Арцимовича1 и М. А. Леонтовича2 (рис. 6.11).

Рис. 6.11. Принципиальная схема установки «Токамак»

Работы, проводимые по созданию управляемой термоядерной реакции, в случае успеха могут полностью решить энергетическую проблему, поскольку запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы.

1Лев Андреевич Арцимович (1909 – 1973) – советский физик, академик АН СССР

(1953). Сталинская премия 1-й степени (1953). Ленинская премия (1958). Герой Социалистического Труда (1969). Государственная премия СССР (1971).

2Михаил Александрович Леонтович (1903 – 1981), советский физик-теоретик.

233

Вопросы для самоконтроля

1.В чём состоит главная идея термоядерного синтеза?

2.Какие ядра более пригодны для реакции ядерного синтеза?

3.Напишите термоядерные реакции, которые протекают в высокотемпературной плазме из смеси ядер дейтерия и трития.

4.Что представляет собой водородная бомба? Возможно ли использование энергии ядерного синтеза в мирных целях?

§6.8. Элементарные частицы

К элементарным частицам относятся фотон, электрон, протон, нейтрон и др. (всего около 400 открытых ныне частиц). Размеры элементарных частиц меньше 10-15м, масса для большинства из них меньше массы нейтрона (1.67·10-27кг). Одним из наиболее характерных свойств элементарных частиц является их взаимопревращаемость. Вне ядра нейтрон является нестабильной частицей, время существования которой менее пятнадцати минут с

периодом	полураспада	T 613,9 0,6с.						Нейтрон		распадается	на
протон, электрон и электронное антинейтрино:
		1		1	0		~		.	(6.15)
		0	n p		1	e		e
				1
Новые частицы нейтрино и антинейтрино были обнаружены при
изучении	бета-распада	нейтрона.			Нейтрино не					имеет заряда	и
(возможно) массы.
Установлено, что		у всех		частиц имеются свои античастицы.

Антиэлектрон (позитрон) отличается от электрона знаком заряда. Электрически нейтральные частицы, например нейтрон и антинейтрон, отличаются знаками собственного момента импульса и магнитного момента. При столкновении частицы с античастицей происходит их исчезновение (аннигиляция) с выделением двух или (значительно реже) трёх фотонов. Например, аннигиляция электрона с позитроном представляет собой такую реакцию:

0e 0e . (6.16)

1 1

Есть особый вид частиц, совпадающих со своими античастицами, например фотон.

Все элементарные частицы делят на три группы: фотоны (сюда входит только одна частица – фотон), лептоны (группа из шести

легких частиц (электрон 0e, электронное нейтрино , мюон ,

1 e

234

мюонное нейтрино		,	тау-лептон
			0
соответствующих им античастиц:
			1

e,

	и	тау-нейтрино
~				~		~
e ,				, ,		и

) и шести

), адроны

(большая группа тяжёлых частиц, включающая протон и нейтрон). Все лептоны имеют спин ½ и не участвуют в сильном

взаимодействии. Из заряжённых лептонов стабильным является только самый лёгкий из них – электрон (и его античастица – позитрон). Более тяжёлые лептоны распадаются на более лёгкие.

Например, отрицательный мюон			имеет период жизни менее двух

микросекунд и распадается на электрон, электронное антинейтрино и

мюонное нейтрино: 0 ~ Тау-лептон с периодом

1e e .

жизни 10-13с может распадаться не только на лептоны, но и на лёгкие адроны.

Адроны – это группа элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию. В настоящее время имеются весьма основательные соображения в пользу предположения, что адроны состоят из небольшого числа истинно элементарных частиц – кварков,

обладающих дробным электрическим зарядом, кратным дроби

	e	.
	3

Кварки представляются точечными частицами вплоть до масштаба 0.5·10-19м. По Р. Якобсону название кварк происходит от немецкого quark, имеющего два значения: 1) творог, 2) чепуха. В немецкий язык это слово пришло из польского – twarog, а то, в свою очередь, из русского – творог. Всего существует шесть типов (ароматов) кварков u, d, c, s,t,b в трёх различных состояниях, и у каждого кварка есть свой антикварк. Сильное взаимодействие между кварками, удерживающее их в области размером менее 10-15м, достигается за счёт обмена глюонами (англ. glue – клей) – безмассовыми электрически нейтральными частицами.

По современным данным в природе всего существует 57 истинно элементарных частиц, из которых 36 кварков, 8 глюонов, 12 лептонов и один фотон. Все остальные частицы являются их комбинациями. В частности, протон и нейтрон – комбинации из первого поколения кварков: аромата d (down – нижний) с зарядом

		e	и аромата u		(up – верхний) с зарядом	2e
		3				3
	будет			представлять собой комбинацию

. При этом протон 1 p 1

udu с суммарным

235

электрическим зарядом

	2e		e		2e	e,
	3		3		3

равным заряду протона, а

нейтрон

1

n

–

комбинацию

udd

с суммарным

электрическим

0

зарядом

2e

e

e

0.

Тогда

бета-распад нейтрона

(6.16) можно

3

3

3

рассматривать, как превращение аромата d

в u :

d u

0

~

.

1

e

e

Вопросы для самоконтроля

1.Напишите реакцию бета-распада нейтрона.

2.Назовите основные три группы элементарных частиц.

3.Назовите отличительные черты лептонов от адронов.

4.Что такое кварки? Назовите их типы и свойства.

5.Какие частицы можно считать истинно элементарными?

6.За счёт чего осуществляется сильное взаимодействие между кварками?

§6.9. Фундаментальные взаимодействия

Когда была выяснена атомарная структура вещества, стало понятно, что все разнообразие наблюдаемых в природе сил (сила натяжения нити, сила сжатия пружины, сила столкновения тел, сила трения, сила сопротивления воздуха, сила взрыва) есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку основной вид межатомного взаимодействия имеет электромагнитный характер, то и сами эти силы – суть различные проявления электромагнитного взаимодействия. Из всех сил, рассмотренных в классической механике, исключение составляет только сила тяжести, причиной которой является гравитационное взаимодействие между телами,

обладающими массой. В ядерной физике рассматриваются силы совсем иной природы – сильного и слабого взаимодействия.

В 1930-е годы физики обнаружили, что ядра атомов состоят из нуклонов (протонов и нейтронов). Стало понятно, что ни электромагнитные, ни гравитационные взаимодействия не могут объяснить, что удерживает нуклоны в ядре. Это привело к предположению существования нового фундаментального взаимодействия: сильного взаимодействия. Однако в дальнейшем оказалось, что и этого недостаточно, чтобы объяснить некоторые

236

явления в микромире. В частности, было непонятно, что заставляет распадаться свободный нейтрон. Тогда было постулировано существование слабого взаимодействия, и этого оказалось достаточно для описания всех до сих пор наблюдавшихся явлений в микромире.

Живому существу для устойчивости необходимы четыре ноги. Может быть, и природе для равновесия необходимы четыре силы. Эти силы задают все взаимодействия и все законы. Тяготение (гравитационное взаимодействие) в ответе за структуру космоса. Электромагнитное взаимодействие объясняет природу всех других сил, рассматриваемых в классической механике. Сильное взаимодействие, в отличие от первых двух, является короткодействующим и проявляется на расстояниях не более 10-15м, оно отвечает за сохранение атомных ядер и тяжёлых частиц (адронов). А слабое взаимодействие ответственно за их распад и действует ещё на более коротких расстояниях – порядка 10-18м. С помощью слабого взаимодействия был объяснён бета-распад нейтрона (6.16). Несмотря на название, слабые силы играют очень важную роль в природных явлениях. Благодаря им, существует Солнце и другие звёзды.

Эти четыре силы правят миром, как четыре древнеиндийские стихии – земля, вода, воздух, огонь. И они, как и эти стихии, зависимы друг от друга. В веке были предприняты попытки создания общей теории, объединяющей все четыре фундаментальных взаимодействия в единую теорию. Однако ни одной полностью удовлетворительной модели выдвинуто не было. Это, в частности, связано с тем, что общая теория относительности Эйнштейна, которая легла в основу модели гравитации и теория электромагнетизма различны по своей сути. Тяготение описывается искривлением пространства-времени, и в этом смысле гравитационное поле нематериально, в то время как электромагнитное поле является материей.

В 1967 году была создана теория электромагнитного и слабого взаимодействия, объединившая электромагнетизм и слабые взаимодействия. Позднее в 1973 году была предложена теория сильного взаимодействия (квантовая хромодинамика). На их основе была построена Стандартная Модель элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабые и сильное взаимодействия.

Экспериментальная проверка Стандартной Модели заключается в обнаружении предсказанных ею частиц и их свойств. В настоящий момент открыты все элементарные частицы Стандартной Модели, за

исключением	бозона	иггса, хотя по предварительным данным такое
открытие по	мнению большинства физиков уже состоялось на
Большом адронном		коллайдере (LHC) в 9 часов по
		237

среднеевропейскому времени 4 июля 2012 года.	Дело в том, что
«поймать» эту частицу чрезвычайно трудно. Бозон	иггса, согласно

теоретическим прикидкам, живет лишь чуть дольше 10–21 секунд, в среднем пролетая до распада на более легкие частицы дистанцию,

составляющую менее одной сотой расстояния между соседними атомами – поряка 10–12 м.

Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: общей теорией относительности и Стандартной Моделью. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания квантовой теории гравитации.

Вопросы для самоконтроля

1.К какому виду взаимодействий относится сила тяжести?

2.Назовите все виды фундаментальных взаимодействий.

3.Что такое слабое взаимодействие? Что это взаимодействие обеспечивает?

4.Как называется модель, представляющая собой единую теорию электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий?

§6.10. Радиационная защита от ионизирующих излучений

Радиоактивное излучение, представляющее пучок из α-, β-, γ- лучей, несёт в себе серьёзную угрозу здоровью.

Эти три вида излучения очень сильно отличаются друг от друга по проникающей способности, т.е. по тому, насколько интенсивно они поглощаются различными веществами. Наименьшей проникающей способностью обладают α-лучи. Слой бумаги толщиной около 0,1мм для них уже непрозрачен. Если прикрыть отверстие в свинцовой пластинке листочком бумаги, то на фотопластинке не обнаружится пятна, соответствующего α-излучению (рис. 6.7).

Гораздо меньше поглощаются при прохождении через вещество β-лучи. Алюминиевая пластинка полностью их задерживает только при толщине в несколько миллиметров. Наибольшей проникающей способностью обладают γ-лучи.

Как и в случае рентгеновских лучей, интенсивность поглощения γ-лучей увеличивается с ростом атомного номера веществапоглотителя. Но и слой свинца толщиной в 1см не является для них непреодолимой преградой. При прохождении через такую пластину их интенсивность убывает лишь вдвое.

238

С увеличением толщины слоя противорадиационной защиты количество пропущенной радиации падает экспоненциально. Так, если слой половинного ослабления слежавшегося грунта составляет 9.1см, то насыпь толщиной 91см (типичная насыпь над противорадиационным убежищем) уменьшит количество радиации в 210, или 1024 раза.

Радиационная защита – комплекс мероприятий, направленный на защиту живых организмов от ионизирующего излучения, а также, изыскание способов ослабления поражающего действия ионизирующих излучений; одно из направлений радиобиологии.

С целью личной безопасности следует пользоваться индивидуальными дозиметрами. В них разряд конденсатора происходит в зависимости от числа частиц, пролетевших между его пластинами.

Единицей измерения активности источника радиации является число распадов за одну секунду. Два источника одинаковой активности могут представлять различную опасность.

Заряд всех ионов одного знака, образующийся в 1кг вещества,

называется экспозиционной дозой излучения. Она измеряется в Кл/кг.

Международная комиссия по радиоактивной защите установила для персонала АЭС предельную за год дозу 0,0013Кл/кг (5 рентген).

Поглощённая доза излучения равна отношению энергии,

переданной ионизирующим излучением веществу, к массе вещества. Единица измерения в СИ грей (Гр). 1Гр = 1Дж/кг. При облучении мягких тканей человека γ-лучами экспозиционной дозе 1 рентген соответствует 8,8мГр.

Вопросы для самоконтроля

1.Что представляет собой радиационное излучение?

2.Как можно защититься от α-, β-, γ-лучей?

3.Что является мерой активности источника радиации?

4.Что такое экспозиционная доза радиации?

5.Что такое поглощённая доза радиации?

6.В каких единицах в СИ измеряется экспозиционная доза радиации?

7.В каких единицах в СИ измеряется поглощённая доза радиации?

239