Лекция 23. Явление радиоактивности

Реакции деления.В 1938г немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили, что при бомбардировке урана нейтронами иногда возникают ядра приблизительно вдвое меньшие, чем исходное ядро урана. Это явление было названо делением ядра.

Оно представляет собой первую экспериментально наблюдаемую реакцию ядерных превращений. Примером может служить одна из возможных реакций деления ядра урана-235:

. (22.14)

Процесс деления ядер протекает очень быстро за время ~10^-12 с. Энергия, которая выделяется в процессе реакции типа (22.14), составляет примерно 200 МэВ на один акт деления ядра урана-235.

В общем случае реакцию деления ядра урана–235 можно записать в виде:

+нейтроны. (22.15)

Объяснить механизм реакции деления можно в рамках гидродинамической модели ядра. Согласно этой модели при поглощении нейтрона ядром урана оно переходит в возбужденное состояние (рис. 22.2).

Избыточная энергия, которую получает ядро вследствие поглощения нейтрона, вызывает более интенсивное движение нуклонов. В результате ядро деформируется, что приводит к ослаблению короткодействующего ядерного взаимодействия. Если энергия возбуждения ядра больше некоторой энергии, называемой энергией активации, то под влиянием электростатического отталкивания протонов ядро расщепляется на две части, с испусканием нейтронов деления. Если энергия возбуждения при поглощении нейтрона меньше энергии активации, то ядро не доходит до

критической стадии деления и, испустив - квант, возвращается в основное

состояние.

Рис. 22.2

Важной особенностью ядерной реакции деления является возможность реализовать на ее основе самоподдерживающуюся цепную ядерную реакцию. Это обусловлено тем, что при каждом акте деления выделяется в среднем больше одного нейтрона. Масса, заряд и кинетическая энергия осколков Х и У, образующихся в процессе реакции деления типа (22.15), различны. Эти осколки быстро тормозятся средой, вызывая ионизацию, нагревание и нарушение ее структуры. Использование кинетической энергии осколков деления за счет нагревания ими среды является основой превращения ядерной энергии в тепловую. Осколки деления ядра находятся после реакции в возбужденном состоянии и переходят в основное состояние путем испускания β - частиц и –квантов.

Управляемая ядерная реакция осуществляется в ядерном реакторе и сопровождается выделением энергии. Первый ядерный реактор был построенв 1942 г в США под руководством физика Э.Ферми. В СССР первый ядерный реактор создан в 1946 г под руководством И. В. Курчатова. Затем, после накопления опытов управления ядерными реакциями, начали строить атомные электростанции.

Реакция синтеза. Ядерным синтезом называется реакция слиянияпротонов и нейтронов или отдельных легких ядер, в результате которой образуется более тяжелое ядро. Простейшими ядерными реакциями синтеза являются:

, ΔQ = 3,26 МэВ; (22.16)

, ΔQ = 17,59 МэВ; (22.17)

, ΔQ = 11,31 МэВ. (22.18)

Расчеты показывают, что энергия, которая выделяется в процессе ядерных реакций синтеза в расчете на единицу массы, значительно превышает энергию, выделяющуюся в реакциях ядерного деления. В процессе реакции деления ядра урана–235 (22.14) выделяется примерно

200 МэВ, т.е. 200:235=0,85 МэВ на нуклон, а в процессе реакции синтеза (22.17) выделяется энергия примерно 17,5 МэВ, т.е.3,5 МэВ на нуклон (17,5:5=3,5 МэВ). Таким образом, в расчете на один нуклон ядра, участвующего вреакции деления, процесс синтеза примерно в 4 раза эффективнеепроцесса деления урана.

Большая скорость протекания этих реакций и относительно высокое энерговыделение делают равнокомпонентную смесь дейтерия и трития наиболее перспективной для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза. С управляемым термоядерным синтезом связаны надежды человечества на решение своих энергетических проблем. Ситуация заключается в том, что запасы урана, как сырья для атомных электростанций, на Земле ограничены. А вот дейтерий, содержащийся в воде океанов, представляет собой практически неисчерпаемый источник дешевого ядерного горючего. Несколько сложнее обстоит ситуация с тритием. Тритий радиоактивен (его период полураспада составляет 12,5 лет, реакция распада имеет вид: ), не встречается в природе. Следовательно, для обеспечения работы термоядерного реактора, использующего в качестве ядерного горючего тритий, должна быть предусмотрена возможность его воспроизводства.

С этой целью рабочая зона реактора должна быть окружена слоем легкого изотопа лития, в которой будет идти реакция

(22.19)

В результате этой реакции образуется изотоп водорода тритий ().

В перспективе рассматривается возможность создания малорадиоактивного термоядерного реактора на смеси дейтерия и изотопа гелия , реакция синтеза имеет вид:

МэВ. (22.20)

В результате этой реакции из-за отсутствия нейтронов в продуктах синтеза биологическая опасность реактора может быть снижена на четыре-пять порядков величины как по сравнению с ядерными реакторами деления, так и с термоядерными реакторами, работающими на топливе из дейтерия и трития, также отпадает необходимость промышленной обработки радиоактивных материалов и их транспортировки, качественно упрощается захоронение радиоактивных отходов. Впрочем, перспективы создания в будущем экологически чистого термоядерного реактора на смеси дейтерия () c изотопом гелия () осложняются проблемой сырья: естественные запасы изотопа гелия на Земле незначительны. Поэтому возникает трудный вопрос получения исходного сырья, например, путем доставки его с Луны.Hлия ом дейтерия ия в будущем экологически чистого термоядерного

На пути реализации реакций синтеза в земных условиях возникает проблема электростатического отталкивания легких ядер при их сближении до расстояний, на которых начинают действовать ядерные силы притяжения, т.е. порядка 10^{-15 м, после чего процесс их слияния происходит за счет туннельного эффекта. Для преодоления потенциального барьера сталкивающимся легким ядрам должна быть сообщена энергия ≈10 кэВ, что соответствует температуре} T ≈10⁸ K и выше. Поэтому термоядерные реакции в природных условиях протекают лишь в недрах звезд. Для их осуществления в земных условиях необходим сильный разогрев вещества либо ядерным взрывом, либо мощным газовым разрядом, либо гигантским импульсом лазерного излучения или бомбардировкой интенсивным пучком частиц. Термоядерные реакции осуществлены пока только в испытательных взрывах термоядерных (водородных) бомб.

Основные требования, которым должен удовлетворять термоядерный реактор, как устройство для осуществления управляемого термоядерного синтеза, заключаются в следующем.

Во-первых, необходимо надежное удержание горячей плазмы (≈10⁸ K) в зоне реакции. Основополагающая идея, определившая на долгие годы пути решения этой проблемы, была высказана в середине 20-го столетия в СССР, США и Великобритании практически одновременно. Эта идея состоит в использовании магнитных полей для удержания и термоизоляции высокотемпературной плазмы.

Во-вторых, при работе на топливе, содержащем тритий, представляющий собой изотоп водорода с высокой радиоактивностью, будут возникать радиационные повреждения стенок камеры термоядерного реактора. По оценкам экспертов механическая стойкость первой стенки камеры вряд ли сможет превышать 5-6 лет. Это означает необходимость периодического полного демонтажа установки и последующей ее новой сборки с помощью дистанционно действующих роботов из-за исключительно высокой остаточной радиоактивности.

В-третьих, основное требование, которому должен удовлетворять термоядерный синтез, заключается в том, чтобы энерговыделение в результате термоядерных реакций с избытком компенсировало затраты энергии от внешних источников на поддержание самой реакции. Большой интерес представляют собой «чистые» термоядерные реакции,

не дающие нейтронов, (см. (22.20) и реакцию ниже:

. (22.21)

Контрольные вопросы:

1. Какие частицы образуют ядро атома цинка? Сколько их?

2. Атомное ядро «составили» из N свободных нуклонов (масса каждого нуклона равна m). Чему равны масса и удельная энергия связи этого ядра?

3. Чем отличаются изобары и изотопы?

4. Почему прочность ядер уменьшается при переходе к тяжелым элементам?

5. По каким признакам можно классифицировать ядерные реакции?

6. Под действием каких частиц (a-частиц, нейтронов) ядерные реакции более эффективны?

7. Что представляет собой реакция деления ядер? Приведите примеры.

8. Охарактеризуйте нейтроны деления. Какие они бывают?

9. В результате какой реакции происходит превращение ядер ²³⁸₉₂ U в ядра ²³⁹₉₄ Pu? Каковы ее пер­спективы?

10. Что можно сказать о характере цепной реакции деления, если: 1) k>1; 2) k=1; 3) k<1?.

11. Почему деление тяжелых ядер и синтез атомных ядер сопровождаются выделением большого количества энергии? При каких реакциях выделяется бóльшая энергия, приходящаяся на один нуклон?

Вопрос 1. Исторический очерк. (Второй вариант)

Ядерная физика — наука о строении, свойствах и превращениях атомного ядра — сравнительно молодая наука. Еще в конце XIX в. ничего не было известно об атомном ядре: атом считался мельчайшей неделимой частичкой вещества. Открытие в 1895 г. катодных и рентгеновских лучей и в 1896 г. естественной радиоактивности показало, что в устройстве атомов всех элементов есть что-то общее. Все они, например, содержат и при известных условиях могут испускать электроны е, а самые тяжелые из них обладают свойствами α -, β - и γ - радиоактивности.

В 1904 г. английский физик Томсон предложил первую модель атома, согласно которой атом представляет собой положительно заряженный шар размером 10^-10 м со взвешенными внутри него электронами. Эта модель казалась более или менее удовлетворительной до тех пор, пока в 1909 г. она не вступила в противоречие с результатами опытов по изучению рассеяния

а -частиц на тонких металлических фольгах. В этих опытах было обнаружено, что наряду с рассеянием на малые углы, которое соответствует расчетам кулоновского взаимодействия α -частиц с атомом типа атома Томсона, в некоторых случаях α -частицы испытывают рассеяние на очень большие углы (больше 90°). Для объяснения такого рассеяния модель Томсона абсолютно непригодна.

В 1911г. Резерфорд предложил новую модель атома, согласно которой атом представляет собой центральное положительно заряженное ядро очень малых размеров (примерно 10^-14 м) с распределенными вокруг него на относительно больших расстояниях (порядка 10^-10 м) электронами. Так как масса электронов очень мала, то вся масса атома практически сосредоточена в ядре.

Ядерная модель атома прекрасно объясняет результаты опытов по изучению рассеяния α -частиц и является крупным шагом вперед на пути к познанию строения материи. Год создания ядерной модели атома можно считать годом рождения ядерной физики. Однако ядерная модель имеет весьма существенный недостаток. Дело в том, что всякая модель, претендующая на сколько-нибудь правильное отображение устройства атома — устойчивой долгоживущеи системы, должна обладать свойством стабильности. Так, устойчивость модели Томсона обеспечивалась равновесием сил взаимного отталкивания электронов и притяжения их положительно заряженным шаром. Ядерная модель атома по своему устройству напоминает Солнечную систему. Как известно, устойчивость Солнечной системы обеспечивается равновесием гравитационных и

центробежных сил. Казалось бы, аналогичным образом должно обстоять дело и в ядерной модели атома, если предположить, что электроны вращаются вокруг ядра на таких расстояниях и с такими скоростями, что центробежные силы уравновешивают кулоновское притяжение ядра и не дают электронам упасть на него. Однако это заключение неверно, так как в соответствии с законами электродинамики всякий ускоренно движущийся заряд, в том числе и электрон, равномерно движущийся вокруг ядра по окружности, должен растрачивать свою энергию на излучение. В результате энергия системы будет уменьшаться, а электроны постепенно приближаться к ядру, пока не упадут на него. При этом частота обращения электронов вокруг ядра будет изменяться, а следовательно, должна изменяться и частота испускаемого атомом излучения. Легко видеть, что ядерная модель атома в таком виде противоречит двум очень существенным экспериментальным результатам: устойчивости атомов и дискретному характеру атомных спектров.

Для устранения противоречия датский ученый Н. Бор в 1913 г. предложил новую — квантовую теорию атомных процессов. Бор постулировал существование в атоме стационарных электронных орбит с определенным моментом импульса L, кратным постоянной Планка (ћ = 1,05 • 10^-34 Дж·с):

L = m _e vr=nћ,

где m _е — масса электрона; v — скорость электрона; r — радиус орбиты; n — целое число.

Каждая орбита расположена на вполне определенном расстоянии

(r _n = n ² ћ ²/ Zm _e e ²) от ядра (Z — заряд ядра) и характеризует строго определенное энергетическое состояние атома: Е _n= - (Z ² e ⁴ m _e/2 ћ ²)(1/ n ²). Орбита с самым малым радиусом соответствует наименьшему значению энергии и называется K -орбитой, за ней следуют L -орбита, M -орбита и т. д. При движении электронов по этим орбитам атом находится в устойчивом состоянии. Испускание и поглощение атомом излучения происходят только при переходе электрона с одной орбиты на другую, причем частота излучения ν однозначно связана с разностью энергий участвующих в переходе состояний:

ΔE = hν,

где h = 2 πћ.

Простые вычисления на основе этих предположений позволили Бору теоретически получить спектральные закономерности и постоянную Ридберга.

Впоследствии теорию усовершенствовали: было учтено движение ядра вокруг общего центра масс, круговые орбиты были заменены эллиптическими с определенными положениями их плоскости. Все это привело к лучшему пониманию оптических спектров и, в частности, позволило объяснить простой (нормальный) эффект Зеемана.

Высказав свои знаменитые постулаты, Н. Бор сделал чрезвычайно смелый шаг. Он отказался от привычных классических представлений, и это привело к правильному описанию внутриатомных процессов. Однако в самой основе теории Бора оставалась трудность. Было неясно, почему при описании атома можно и нужно отказываться от классических представлений.

Эта трудность была преодолена только в 1926 г., после того как Гейзенберг и Шредингер предложили совершенно новый подход к описанию микромира, получивший название квантовой механики. Согласно квантовой механике при рассмотрении движения электронов и других микрочастиц нельзя говорить об их траектории, так как нельзя одновременно точно знать положение и скорость частицы.

Вместо старой модели атома была предложена новая, в которой положение электрона в атоме в данный момент времени определяется не точно, а с некоторой вероятностью. Эта вероятность задается волновой функцией, являющейся решением волнового уравнения. Квантовая механика не только подтвердила все результаты теории Бора, но и объяснила, почему атом не излучает в стационарном состоянии, а также позволила подсчитать интенсивности спектральных линий. Кроме того, квантовая механика дала объяснение совершенно непонятному с точки зрения классической физики явлению дифракции электронов.

В дальнейшем с помощью квантовой механики стали описывать также и ядерные процессы. Например, в 1928 г. Гамовым и др. была построена квантовомеханическая теория α -распада.

В 1919 г. было сделано два крупных открытия. Астон построил масс-спектрограф, с помощью которого впервые были точно измерены массы атомов и открыты изотопы. Резерфорд, продолжая опыты с α -частицами, открыл расщепление атомного ядра азота, сопровождающееся вылетом из него положительно заряженной частицы с зарядом + e и массой, равной массе ядра атома легкого изотопа водорода (которая равна 1836,1 m _e). Опыт был повторен на других веществах, и почти во всех случаях оказалось, что при бомбардировке быстрыми α -частицами ядра этих веществ испускают ядра водорода. Тем самым было доказано, что в составе ядер содержатся простейшие водородные ядра, которые стали называть протонами р.

В 1932 г. английский физик Чедвик открыл нейтрон, его масса m _n= 1838,6 m _е. Таким образом, масса нейтрона больше массы протона на величину 2,5 m _е. В соответствии с известным соотношением, связывающим массу и энергию, каждому значению массы m в килограммах соответствует энергия E = mс ² в джоулях, где с = 3•10⁸ м/с—скорость света. Для неподвижной покоящейся частицы эта энергия минимальна, она называется энергией покоя. Так как энергия покоя нейтрона больше суммы энергий покоя протона и электрона, то энергетически возможен распад нейтрона на протон и электрон. Такой распад был обнаружен в 1950 г. советскими физиками П. Е. Спиваком и А. Н. Сосновским, канадским физиком Робсоном и американским физиком Снеллом.

Таким образом, нейтрон является примером нестабильной элементарной частицы. Современное значение его периода полураспада равно около 10 мин. Измерения спина и магнитного момента показали, что нейтрон, так же как протон и электрон, имеет спин, равный ћ /2, а магнитный момент нейтрона отрицателен и примерно в 10³ раз меньше магнитного момента электрона (μ _n= -1,91 μ _B).

Вскоре после открытия нейтрона Е. Н. Гапон и Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг высказали гипотезу о протон-нейтронном строении ядра, которая полностью разрешила трудности протон-электронной модели и в настоящее время является общепринятой. По этой модели все ядра состоят из двух видов элементарных частиц, называемых нуклонами,—протонов и нейтронов. Различные ядра (а их в настоящее время.известно, включая полученные искусственно, около двух тыcяч) отличаются числом составляющих их нейтронов и протонов. Для β -стабильных ядер существует вполне определенное соотношение между количествами содержащихся в них протонов и нейтронов.

В легких ядрах содержится равное или примерно равное число протонов Z и нейтронов (А — Z). Такие ядра являются β -стабильными. В тяжелых ядрах число нейтронов приблизительно в 1,5 раза больше, чем протонов.

Ядра, имеющие избыток нейтронов, являются β -радиоактивными, они

испускают электрон, а ядра, имеющие избыток протонов,— позитрон, т. е. электрон с положительным зарядом.

Существование позитрона было предсказано Дираком в 1928 г. В 1932 г. Андерсон обнаружил позитрон, изучая космические лучи.

В 1931 г. Паули теоретически предсказал существование еще одной частицы — нейтрино v. Это нейтральная частица со спином ћ /2 и массой, много меньшей массы электрона (или равной нулю). Необходимость существования такой частицы вытекает из энергетического рассмотрения процесса β -распада. Она должна испускаться одновременно с электроном

(или позитроном), чтобы выполнялись законы сохранения энергии и момента имрульса. По этой же причине распад нейтрона также сопровождается испусканием нейтрино v (точнее говоря, антинейтрино ), и, следовательно, его можно изобразить схемой:

.

Ввиду особых свойств (Z =0, m =0, μ =0) нейтрино чрезвычайно трудно наблюдать, поэтому очень долго физики располагали лишь косвенными доказательствами существования этой частицы. Прямой опыт по регистрации нейтрино был поставлен только в 1953 г. Рейнесом и Коуэном.

Число различных ядер—стабильных и радиоактивных—весьма велико и продолжает расти в результате получения новых изотопов известных элементов и синтеза новых

элементов. Так, например, в 1976 г. в СССР был синтезирован элемент с Z =107, а затем с Z =108, в 1982 г. в ФРГ—с Z =109, в 1987 г. в СССР—с Z = 110, и сейчас ведется работа по синтезу элементов, имеющих еще большие заряды ядер Z.

Открытие нейтрона и изучение его взаимодействия с веществом привели к одному из величайших достижений ядерной физики. В 1938 г. Ган и Штрассман обнаружили, что при облучении урана нейтронами его ядро делится на две примерно равные по массе части (осколки деления). В дальнейшем было показано, что процесс деления сопровождается испусканием вторичных нейтронов и освобождением большого количества энергии. Вторичные нейтроны в принципе можно использовать для повторения процесса деления на новых ядрах урана с испусканием новых нейтронов и т. д., благодаря чему создается возможность получить цепную реакцию, сопровождающуюся выделением огромного количества энергии.

Первый ядерный реактор был запущен в США под руководством Э. Ферми в декабре 1942 г. Через 4 года в СССР аналогичная проблема была независимо решена заново: в 1946 г. в Москве под руководством И. В. Курчатова был запущен первый на материке Европы и Азии ядерный реактор.

В настоящее время атомная энергия широко применяется в народном хозяйстве. Задачей ближайших лет является освоение еще более мощных ресурсов энергии, заключенных не в тяжелых, а в легких ядрах водорода, дейтерия, трития и др. В отличие от тяжелых ядер, для которых энергетически выгоден процесс деления, легкие ядра устроены так, что энергетически выгоден процесс их слияния, во время которого выделяется энергия синтеза. Изучение реакций синтеза легких ядер уже привело к вполне определенному результату: доказано, что при некоторых специальных условиях энергию синтеза (так называемую термоядерную энергию) можно высвободить в мгновенном процессе (во время взрыва водородной бомбы).

Гораздо более трудная задача осуществления управляемой реакции синтеза легких ядер пока еще не решена. Однако широкий размах теоретических и экспериментальных исследований этого вопроса и состояние проблемы на сегодняшний день позволяют утверждать, что она будет решена еще в пределах двадцатого столетия или в начале двадцать первого.

Очень важное направление ядерной физики родилось в самом начале 30-х годов. В 1932 г Кокрофт и Уолтон впервые наблюдали расщепление ядер лития под действием искусственно ускоренных частиц (протонов). С этого времени в руках физиков появилось мощное средство преобразования атомного ядра. Дальнейшее развитие техники позволило ускорять электроны, дейтроны, α -частицы, а затем и ионы более тяжелых элементов, таких, как азот, кислород, неон, титан, хром и др.

Развитие ускорительной техники позволило физикам взяться за решение труднейшей задачи ядерной физики—изучение проблемы ядерных сил. Существование стабильных ядер, состоящих из нейтронов и протонов, говорит о том, что кроме кулоновского отталкивания протонов должны существовать мощные ядерные силы притяжения между любой парой нуклонов. Сведения о взаимодействии двух нуклонов можно получить, изучая рассеяние одного из них на другом. Такие эксперименты проводились при разных энергиях протонов и нейтронов. Опыты с нейтронами и протонами сравнительно небольших энергий показали, что радиус действия ядерных сил чрезвычайно мал и по порядку равен 10^-15 м, что имеет место принцип зарядовой независимости ядерных сил.

Казалось естественным считать, что механизм обмена зарядами заключается в передаче некоторых частиц—квантов ядерного поля от одного нуклона к другому. Именно такая гипотеза была предложена в 1934 г. для объяснения природы ядерных сил советским физиком И. Е. Таммом. Однако, как показал сам Тамм, известные в то время легкие частицы— электрон и нейтрино—не могли быть квантами поля ядерных сил. В 1935 г. японский физик Юкава предположил, что малый радиус действия ядерных сил и других их свойств обусловлен обменным взаимодействием нуклонов с заряженными или нейтральными частицами с массой 200—300 m _е. Для того чтобы эти частицы могли выполнять роль ядерных квантов, переносчиков ядерных сил, они должны обладать свойством ядерной активности, т. е. интенсивно рождаться в нуклон-нуклонных соударениях и сильно поглощаться ядрами. В 1938 г. при изучении состава космических лучей был открыт мюон—частица с массой 207 m _е. Однако изучение его свойств показало, что он является ядерно-пассивной частицей и поэтому не может быть ядерным квантом. В 1947 г. были открыты более тяжелые частицы—π-мезоны. Позже выяснилось, что они встречаются в виде π⁺-, π^- и π°-мезонов, масса их 273 m _е, спин равен нулю, время жизни около 10^-16 с и что они очень сильно взаимодействуют с веществом. Впоследствии π -мезоны в больших количествах стали получать искусственно на ускорителях, что позволило изучать их взаимодействие с ядрами и нуклонами при разных энергиях. Результаты этих исследований говорят в пользу того, что π -мезоны действительно являются квантами ядерных сил, действующих между нуклонами.

Время жизни π°-мезона около 10 ^-16 с, а масса равна примерно 264 m _е.

Вопросы:

Дата добавления: 2014-11-06