47. Реакции синтеза. Условия их осуществления Управляемый термоядерный синтез.

Для получения ядерной энергии можно использовать реакцию синтеза легких ядер. Например, при реакции синтеза ядер дейтерия и трития в ядро гелия выделяется энергия, равная 17,5 МэВ:

²₁Н + ³₁Н  ⁴₂Не + ¹₀n

Простой расчет показывает, что если такой реакции подвергнуть все ядра, содержащиеся в 1 кг дейтерия и трития, то выделится колоссальное количество ядерной энергии , причем эта энергия в несколько раз больше энергии, выделяющейся при делении 1 кг ²³⁵U.

Для объединения двух ядер в одно они должны, преодолевая силы кулоновского отталкивания, сблизиться на расстояние порядка 10^-13см. После этого дальнейшее движение совершат ядерные силы. Следовательно, сближающиеся ядра должны обладать достаточно большой кинетической энергией для совершения работы против кулоновских сил отталкивания. В этом состоит необходимое условие реакции синтеза. Как показывают расчеты, для осуществления реакции синтеза дейтерия и трития в гелий их ядра должны обладать Е_кин=0,01 МэВ. Поэтому, в принципе, синтез гелия может осуществляться путем обстрела ядер трития ядрами дейтерия, ускоренными до энергии порядка 0,01 МэВ. Однако практически этот способ оказался неэкономным, так как мала вероятность столкновения частиц ввиду их малого размера.

Реакция синтеза станет эффективной в том случае, если в смеси дейтерия с тритием все ядра будут обладать Е_кин=0,01 МэВ. Этого можно достигнуть путем нагревания смеси дейтерия и трития до такой температуры, при которой средняя кинетическая энергия теплового движения смеси приблизится к 0,01 МэВ. Используя формулу для кинетической энергии теплового движения частиц Т=0,5кТ можно показать, что такая температура измеряется десятками миллионов ^оС. В связи с этим эта реакция получила название термоядерная реакция.

При столь высокой температуре термоядерное горючее является плазмой, т.е. газом, состоящим из электронов и ядер, лишенных электронных оболочек. В земных условиях столь высокие температуры создаются только во взрывающейся атомной бомбе. Поэтому пока что освоена термоядерная реакция взрывного типа, которая реализуется в водородной бомбе.

Осуществление управляемой термоядерной реакции встречается с очень большими трудностями. Чтобы создать термоядерный реактор, необходимо обеспечить регулируемый нагрев плазмы до 10млн ^оС. Кроме того, необходимо полностью устранить соприкосновение плазмы со стенками какого бы то ни было вещественного.

В настоящее время плазму создают с помощью луча лазера и удерживают в определенной области пространства с помощью магнитного поля. Удалось осуществить управляемый термоядерный синтез, длящийся около 2 мин.

48. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада.

Радиоактивность возникает при превращении неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого, а также при взаимных превращениях одних элементарных частиц в другие и сопровождается испусканием микрочастиц. Явление радиоактивности связано с изменениями в ядре атома.

Радиоактивность, наблюдаемую у существующих в природе неустойчивых изотопов, называют естественной. Она была открыта в 1896г. французским физиком А. Беккерелем, который обнаружил, что соли урана испускают невидимые лучи, способные вызвать люминесценцию, проникать через непрозрачные вещества, ионизировать газы, засвечивая фотографические пластинки. Исследования П. Кюри, М. Склодовской-Кюри, Э. Резерфорда показали, что естественная радиоактивность свойственна не только урану, но и некоторым тяжелым химическим элементам, например актинию, торию, полонию, радию и всем другим, начиная с порядкового номера 83. Такие элементы называют радиоактивными, а их излучение — радиоактивным. Радиоактивное излучение состоит из альфа-, бета- и гамма-лучей.

Действие рассмотренных ионизирующих излучений на биологические объекты оценивается дозой и мощностью дозы облучения. Отношение энергии излучения Е к массе облучаемого вещества m называют дозой облучения — D = Е/m, Дж/кг. Эту единицу измерения поглощенной дозы облучения называют «грей», Дж/кг = Гр. Применяются внесистемная единица измерения дозы облучения рентген — 1 Р = 10^-2 Гр и ее биологический эквивалент 1 бэр — доза любого вида ионизирующего излучения, производящая такое же биологическое действие, как и доза рентгеновского или γ-излучения в 1 Р (1 бэр = 10^-2 Гр). Норма дозы облучения для человека — 10^-5 Р/ч = 10^-7 Гр/ч.

Мощность дозы излучения равна отношению дозы излучения ко времени облучения N = D/τ, Вт/кг = Гр/с. Вредное влияние радиоактивных излучений связано с возбуждением и ионизацией атомов живых клеток организма. Следствием этого является изменение и разложение хромосом, распухание ядер клеток, нарушение проницаемости клеточных мембран и, наконец, разрушение клеток организма.

Процесс радиоактивного распада химического элемента проходит ряд промежуточных стадий, образуя цепочку радиоактивных элементов, заканчивающуюся стабильным элементом. Такую цепочку элементов называют радиоактивным семейством, которых на сегодня известно три;

Естественное самопроизвольное радиоактивное превращение ядер называется радиоактивным распадом. Атомное ядро, испытывающее радиоактивный распад, называют материнским, возникающее ядро — дочерним. Процесс радиоактивного распада является спонтанным и ведет к постепенному уменьшению числа атомов радиоактивного элемента. Число ядер dN, распадающихся за время dt, пропорционально постоянной распада λ, с^-1, и числу N нераспавшихся ядер к моменту начала интервала времени dt:

(1)

где знак «минус» указывает на уменьшение числа ядер радиоактивного элемента со временем, конкретно определяемое постоянной распада.

Разделим переменные в уравнении (1): dN/N = - λdt и, интегрируя при следующих граничных условиях: в момент времени t = 0 имеется начальное число нераспавшихся ядер N_o; в момент времени t число нераспавшихся ядер уменьшилось до N:

получим закон радиоактивного распада, согласно которому число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненте:

Интенсивность радиоактивного распада характеризуют периодом полураспада Т, средним временем жизни τ радиоактивного ядра и активностью «а» нуклида (общее название атомных ядер). Период полураспада Т равен времени, в течение которого число нераспавшихся ядер уменьшается вдвое: N_о/2 = N_oe^-λt Откуда λT = in2 и

Периоды полураспада для естественных радиоактивных элементов характеризуют скорость их распада и колеблются от 10^-7с до миллиардов лет.

Среднее время жизни τ радиоактивного элемента обратно постоянной радиоактивного распада и приблизительно в полтора раза больше периода полураспада:

Активность нуклида радиоактивного элемента оценивается числом dN ядерных распадов за время dt: . В СИ единицей активности является беккерель. Бк — активность нуклида, при которой за 1 с происходит 1 акт распада. Используется также внесистемная единица активности нуклида — кюри: 1 Ки = 3,7 • 10¹⁰ Бк.