Ядерные реакции. Законы сохранения

Ядерная реакция[18] происходит, когда данное ядро сталкивается с другим ядром или какой-нибудь частицей (например, γ-квантом или нейтроном) и в результате между ними происходит взаимодействие. Ядерной реакцией называется процесс, в котором происходит взаимодействие ядра с любой частицей или ядром, в результате которого образуются новые ядра или частицы. В результате ядерных реакций может происходить превращение одного химического элемента в другой. Такой процесс называют трансмутацией.

Рис. 14.11. Схема и общий вид циклотрона.

Примерами ядерных реакций являются:

(14.5.1)

(14.5.2)

(14.5.3)

В первой реакции нейтрон попадает в ядро азота, что приводит к образованию в конечном состоянии ядра углерода и протона. Во втором случае под действием альфа частиц ядро кислорода превращается в ядро углерода. А в третьем, под действием фотонов высоких энергий ядра лития распадаются на ядра гелия и трития.

Рис.14.12. Общий вид медицинского ускорителя.

Уравнения ядерных реакций иногда записывают в сокращенном виде; например, реакцию (14.5.1) записывают в виде . Символы химических элементов слева и справа от скобок указывают соответственно исходное и конечное ядра. Символы внутри скобок указывают налетающую или падающую (первый символ) и частицу, испускаемую в результате взаимодействия с ядром (второй символ).

В любой ядерной реакции сохраняются не только энергия и импульс. Если суммарная масса продуктов реакции меньше суммарной массы исходных частиц, то реакция сопровождается выделением энергии – в виде кинетической энергии испускаемых частиц. Если же суммарная масса продуктов реакции больше суммарной массы исходных частиц, то реакция требует подвода энергии. Такая реакция происходит при условии, что налетающая частица обладает большой кинетической энергией.

Исследование на ускорителях различных ядерных реакций показали, что во всех ядерных реакциях помимо энергии и импульса сохраняется момент количества движения:

. (14.5.4)

В них также сохраняется еще целый ряд квантовых характеристик ядра, например, число нуклонов (которое обозначают буквой В). Сохранение числа нуклонов до и после ядерной реакции получило название закона сохранения барионного числа:

(14.5.5)

или, другими словами изменение барионного числа в любой ядерной реакции равно нулю:

. (14.5.6)

Для всех известных в настоящее время ядерных реакций справедлив также закон сохранения электрического заряда Q:

, (14.5.7)

смысл которого заключается в том, что сумма электрических зарядов всех частиц до и после взаимодействия остается неизменной.

В ядерной физике и физике элементарных частиц действует закон, получивший название закона сохранения четности:

. (14.5.8)

Суть его заключается в том, что каждой частице, а также ядру или атому можно приписать некоторую характеристику, называемую четностью. Например, для нечетного состояния Р=(-1)¹, а для четного состояния Р=(-1)²= 1. Например, частица может иметь одинаковую скорость и двигаться вдоль одной прямой (то есть иметь одну и ту же энергию и импульс), но при этом она может двигаться к нам или от нас. Этот факт описывается уже другой характеристикой, указывающей направление движения частицы. По аналогии с ней состояния ядер описываются четностью.

Четность системы в начальном и конечном состоянии представляет собой произведение внутренних четностей каждой из частиц. Например, для реакции:

.

В результате ядерных реакций возникают различные каналы с образованием в конечном состоянии нейтронов, протонов, α-частиц и других ядер и частиц. Например, для фотоядерной реакции на ядре характерно наличие большого числа каналов, например:

Как уже отмечалось, в первой ядерной реакции, осуществленной Э.Резерфордом, впервые искусственным образом ядра одного химического элемента были превращены в другой элемент - кислород. В этой реакции было также установлено, что протон входит в состав ядра. Это видно, если к ней применить законы сохранения заряда и барионного числа:

(14.5.9) Q: 2 + 7 = 8 + 1

В: 4 + 14 = 17 + 1

Таким образом, в реакции (14.5.9) законы сохранения Q и будут выполняться лишь в случае образования в конечном состоянии частицы с Q=1 и В=1. А это и есть протон.

В 1930 году немецкие физики В.Боте и Г.Бекер в реакции

(14.5.10)

заметили нейтральное излучение, которое приняли за γ-излучение. Через два года английский физик Дж.Чедвик доказал, что эта частица имеет массу сравнимую с массой протона и назвал ее нейтроном, поскольку ее электрический заряд был равен нулю.

Открытие нейтрона позволило в том же 1932 году советским физикам Д.Д. Иваненко и Е.Н. Гапону одновременно с немецким физиком Г. Гейзенбергом и итальянским физиком Э. Майорана предложить ныне общепризнанную протон – нейтронную модель строения ядра.

14.6. Превращение элементов [19]

Деление ядер. В 1938 г. немецкими учеными О. Ган и Ф. Штрассманн было обнаружено, что при бомбардировке урана медленными нейтронами возникают ядра, примерное вдвое более легкие, чем исходное ядро урана. Это было неожиданным фактом, поскольку казалось, что у нейтрона для «развала ядра» не должно хватать энергии. Реально происходило следующее. Ядро урана, поглотив нейтрон, распадалось на две примерно части, относящиеся по массе друг к другу как один к двум. Такое превращение выглядело весьма необычным, так как все известные ядерные реакции сопровождались вылетом из ядра лишь небольших осколков (например, п, р или a).

Новое явление было названо делением ядра. Процесс деления можно наглядно изобразить, представив ядро урана в виде капли жидкости. Согласно этой капельной модели ядра, нейтрон при поглощении ядром (рис.14.6а) передает ему дополнительную внутреннюю энергию. Образуется промежуточное состояние, или составное ядро . Избыточная энергия этого ядра (которое находится в возбужденном состоянии - рис.14.11а) приводит к более интенсивному движению отдельных нуклонов, в результате чего ядро приобретает удлиненную форму (рис.14.11б). Далее, короткодействующее ядерное взаимодействие нуклонов ослабевает из-за возросшего расстояния между ними, а электростатическое отталкивание ослабевает лишь незначительно и становится доминирующим. В результате ядро превращается в форму, напоминающую гантель (рис.14.11в), перешеек которой становится все тоньше, а затем ядро с атомным весом расщепляется надвое (рис.14.11г).

Образовавшиеся в результате этого процесса новые ядра с атомными весами и называются осколками деления, причем . Деление ядра сопровождается испусканием (обычно двух или трех) нейтронов.

В результате реакции деления высвобождается огромное количество энергии. С практической точки зрения выделяющаяся в одном акте деления энергия ничтожно мала. Но если одновременно делится значительное число ядер урана, то в макроскопических масштабах будет выделяться очень большая энергия. Ряд физиков поняли, что нейтроны, испускаемые в каждом акте деления, можно использовать для осуществления цепной реакции: один нейтрон первоначально вызывает деление одного ядра урана; два или три образовавшихся нейтрона вызовут дополнительные акты деления и т.д., так что процесс лавинообразно нарастает, как показано на рис.14.12. Поэтому лавинообразный рост числа делящихся ядер получил название цепной реакции.

a) б)

в) г)

Рис. 14.11. Этапы деления ядер.

Как оказалось, не все нейтроны, вылетевшие в результате распада, останутся в образце и приведут к делению новых ядер. Часть нейтронов покинет образец, и не будет участвовать в процессе деления ядер. Важно было достигнуть, чтобы в результате деления в образце оставалось в среднем больше одного нейтрона на одно делящееся ядро. Такие процессы получили название самоподдерживающейся цепной реакции. Если бы их удалось осуществить, то можно было бы получать количество энергии, выделяющейся в процессе деления во много раз превышающее все другие способы ее получения.

В урановой руде содержится 99.275% и 0.625% . Тепловыми нейтронами с энергией порядка 0.1 эВ можно вызвать деление ядер , а для деления ядер , как оказалось, требуется использовать быстрые нейтроны с энергией более 1 МэВ. Деление происходит в нескольких реакциях:

(14.6.1)

(14.6.2)

Рис. 14.12. Цепная реакция.

При делении всех ядер в 1 г урана выделяется столько же энергии, сколько выделяется при сжигании трех тонн угля. В каждом акте цепной реакции, состоящей из процессов (14.6.1) и (14.6.2), образуется 2-3 нейтрона (в среднем ~2.3 нейтрона). Среднее число нейтронов, которое образуется в цепной реакции, называют коэффициентом размножения нейтронов k. Для того, чтобы происходила цепная реакция достаточно, чтобы было k>1.

Ядерным топливом с использованием для деления ядер тепловых нейтронов служит или . Эти элементы позволили реализовать цепную ядерную реакцию, которая в дальнейшем использовалась для создания реакторов и ядерного оружия. Ядерное топливо получали в реакциях под действием нейтронов на тяжелых ядрах :

.[20](14.6.3)

В данной реакции в качестве ядерного топлива может быть использован плутоний и уран , ядра которых, при попадании в них теплового нейтрона распадаются с испусканием нейтронов. Уран , которого в природе очень много, для создания ядерной бомбы не подходит, поскольку он делится при попадании в него быстрых нейтронов.

Устройство, в котором осуществляется управляемая цепная реакция, называют реактором. Смысл этого прибора заключается в том, чтобы коэффициент размножения нейтронов удерживается вблизи единицы (k ~ 1.0). Немного уменьшая и увеличивая его вокруг единицы можно менять количество вырабатываемой энергии или останавливать развитие цепной реакции, опуская коэффициент размножения нейтронов ниже единицы.

Схема реактора представлена на рис.14.13. В реакторах используют ядерное топливо, которое получают в реакции (14.6.3). Поэтому нейтроны, возникающие в цепной реакции, замедляют в активной зоне до тепловых энергий.

Рис. 14.13. Реактор.

В ней располагаются стержни из ядерного топлива и регулирующие графитовые стержни для поглощения нейтронов. Вдвигая графитовые стержни в активную зону, повышают количество поглощенных нейтронов и, следовательно, уменьшают коэффициент их размножения k. Активная зона окружена отражателем нейтронов, что позволяет не терять нейтроны, возникающие в ядерном топливе. Помимо регулирующих стержней используются и аварийные стержни, позволяющие резко уменьшить коэффициент размножения нейтронов, а также другие способы снижения коэффициента k ниже единицы. Через активную зону проходит трубопровод с теплоносителем (например, водой). Во второй части реактора теплоноситель проходит через воду, нагревая ее до кипения. Образующийся пар далее вращает турбину, которая подключена к генератору электрического тока. Отработанный пар охлаждается в конденсаторе и возвращается во вторую часть реактора. Этот способ не отличается от получения электрической энергии в тепловой электростанции. Разница лишь в способе нагрева теплоносителя: в тепловой электростанции посредством сжигания угля, нефти или газа, в атомной электростанции – сжигания ядерного топлива.

Первый ядерный реактор был построен Ферми и его сотрудниками в 1942 году под стадионом Чикагского университета, а в Советском Союзе первый реактор был построен в 1954 году в Обнинске И.В. Курчатовым[21].

Ядерная бомба [22]. Помимо мирного использования энергии атома ее использовали и в военных целях. Впервые такие работы начали вести в Германии, но до конца войны немецкие ученые не смогли решить проблему создания ядерного оружия. Успешными такие исследования были в США. Они ставили своей целью запугать Советский Союз и уже в 1945 году сбросили созданную ими бомбу на японский город Хиросима. Мир узнал о страшной силе ядерного оружия. Однако приоритет США в этой области принадлежал недолго. Советский Союз взорвал атомную бомбу на одном из своих полигонов в 1949 году, что было существенно быстрее, чем предполагали в США. Установился ядерный паритет, который сохраняется и в настоящее время.

В основе действия ядерной бомбы лежит неуправляемая цепная реакция, возникающая при распаде тяжелых ядер. Конструкция одной из первых атомных бомб заключается в следующем. Во-первых, как уже отмечалось для ее создания необходимо использовать ядерное топливо уран или оружейный плутоний . Их выделение – высокотехнологичный дорогостоящий процесс. Для выделения, например, ядер создается газообразное соединение урана. При многократном пропускании его через пористый материал, удается выделить .

Оружейный плутоний получают облучением нейтронами в процессе (14.6.3).

Ядерное топливо, чтобы возникала цепная реакция, должно иметь некоторую критическую массу. В куске урана или плутония совсем не обязательно будет развиваться цепная реакция. Если кусок мал, то большая часть нейтронов, образовавшихся при делении ядер урана, покинет образец. Если масса образца в форме шара составит 47 кг, то количество нейтронов, оставшихся в образце, будет достаточно для начала цепной реакции. Минимальная масса ядерного вещества, необходимая для осуществления самоподдерживающейся цепной реакции, называется критической. При наличии замедлителя нейтронов, например, слоев из полиэтиленовых пленок и отражателя из бериллия вокруг образца критическая масса уменьшается до 242 г (урановый шарик диаметром 3 см).

Схема атомной[23] (ядерной) бомбы представлена на рис.14.14. Шар из ядерного топлива делится на две части, каждая из которых меньше критической массы. В момент удара о землю одна часть ядерного топлива запалом, создающим обычный взрыв, выстреливается в другую. Образуется масса больше критической массы, в ней за микросекунды развивается цепная реакция и происходит ядерный взрыв.

Рис. 14.14. Схема атомной бомбы

Ядерный синтез. Масса любого стабильного ядра, как уже отмечалось выше, меньше суммы масс составляющих его протонов и нейтронов. Следовательно, если протоны и нейтроны привести в соприкосновение, чтобы образовалось ядро, то это будет сопровождаться уменьшением общей массы слившихся в ядро частиц. К примеру, два протона и два нейтрона, находящиеся в свободном (несвязанном) состоянии, будут весить больше, чем ядро гелия, состоящее из тех же двух протонов и двух нейтронов, но связанных ядерными силами в единое ядро. Уменьшение массы проявляется в выделении большого количества энергии. Образование ядер в процессе слияния отдельных протонов и нейтронов или легких ядер называется термоядерным синтезом.

Примером реакции, в которой синтезируются более тяжелые ядра, является:

(14.6.4)

Для осуществления такой реакции необходимо преодолеть кулоновское отталкивание между дейтерием и тритием. Поэтому сталкивающиеся ядра должны иметь большую кинетическую энергию, которая может быть достигнута при температурах порядка 10⁸ К. Такие реакции называют термоядерными. При сжигании 1 г тритий – дейтериевой смеси выделяется энергия в 4.5 раза большая, чем при сжигании 1 г урана. К тому же в результате термоядерного синтеза не образуются радиоактивные элементы, то есть термоядерный реактор безопасен с экологической точки зрения.

Поэтому физики с 1951 года занимаются перспективной задачей – осуществлением реакции управляемого термоядерного синтеза (УТС). Дейтерий или тяжелая вода содержится в обычной морской воде и составляет примерно 0.2%, а тритий легко получается из лития:

, (14.6.5)

запасы которого в природе то же велики.

В настоящее время проблема УТС не решена. Однако неуправляемый термоядерный синтез физики осуществлять научились. Сначала в СССР, а затем в США и ряде других стран была создана термоядерная бомба. Конструкция такой бомбы приведена на рис.14.15.

Рисунок 14.15. Водородная бомба.

Она состоит из ядерного запала (первая часть бомбы), который при взрыве создает высокую температуру, зажигая термоядерное горючее второй части бомбы (например, дейтерид лития LiD). Применение лития позволило отказаться от дорогого трития. В результате возникает неуправляемый термоядерный синтез. Под действием нейтронов из лития образуется тритий, который вступает в реакцию с дейтерием. Если запал и заряд окружить оболочкой из урана , то под действием быстрых нейтронов в ней также возникнет цепная реакция. Такая бомба имеет схему «деление – синтез – деление» и обладает очень высокой мощностью.

Согласно современным представлениям, все химические элементы в природе в природе первоначально образовались в ходе ядерного синтеза. Ныне установлено, что ядерный синтез происходит в недрах звезд, в том числе и нашего Солнца. Именно этот процесс и служит источником испускаемого ими мощного светового излучения.

Пример 14.7. Одним из современных примеров использования ядерной физики в медицине является позитрон – эмиссионный томограф (ПЭТ)[24]. Действие прибора основано на следующих основных физических идеях. Во-первых, на ускорителях осуществляется превращение химических элементов, то есть получают изотопы, испускающие позитроны. Во-вторых, используется их аннигиляция при взаимодействии с электронами. В-третьих, используются схемы совпадений, регистрирующие фотоны, одновременно попавшие в кристаллы.

Физические механизмы в ПЭТ выглядят следующим образом. При распаде радиоактивные изотопы испускают позитрон, который проходит в окружающих тканях расстояние, равное 1-3 мм, теряя энергию при соударении с молекулами и атомами биологической ткани. В момент остановки позитрон, взаимодействуя с электроном, аннигилирует, как показано в (14.3.8), превращаясь в два фотона с энергией 0.511 МэВ, которые разлетаются в противоположные стороны. Эти фотоны регистрируются кристаллами – сцинтилляционными счетчиками. При попадании фотонов в кристаллы, называемые сцинтилляторами, происходит вспышка света, которая регистрируется фотодиодами, а затем сигнал усиливается схемой умножения. Среди всех вспышек специальными электронными схемами отбираются те пары фотонов, сигналы от которых поступили одновременно (такие схемы получили название схем совпадений). Схема ПЭТ-томографа представлена на рис.14.16. Детектор состоит из большого количества сцинтилляционных кристаллов, среди которых каждые два противоположно расположенных кристалла попарно включены в схему совпадений.

Радиоактивные изотопы вводятся в тело человека. В ПЭТ применяются позитрон - излучающие изотопы некоторых элементов периодической системы, которые в результате -распада испускают позитроны: С¹¹ (его время полураспада T½= 20,4 мин.), N¹³ (T½=9,96 мин.), O¹⁵ (T½=2,03 мин.) и F¹⁸ (T½=109,8 мин.). Оптимальными характеристиками для использования в ПЭТ обладает радиоактивный изотоп F¹⁸: наибольшим периодом полураспада и наименьшей энергией излучения. С одной стороны, период полураспада изотопа F¹⁸ позволяет получать ПЭТ-изображения высокой контрастности при низкой дозовой нагрузке на пациентов. С другой стороны низкая энергия позитронов, испускаемых ядрами F¹⁸, обеспечивает высокое пространственное разрешение ПЭТ-изображений. Пространственное разрешение определяется пробегом позитронов в биологической ткани до момента их аннигиляции с электроном. Чем меньше энергия позитронов, тем меньше их пробег, и, следовательно, лучше пространственное разрешение. Однако наличие скорости у части позитронов в момент их аннигиляции приводит к отклонению угла разлета фотонов от 180⁰ и несколько увеличивает неопределенность в расположении точки аннигиляции.

Период полураспада F¹⁸ достаточно велик, что позволяет обеспечить возможность транспортировки радиофармпрепаратов (РФП)[25], изготовленных на его основе, из централизованного места производства в клиники и институты, имеющие ПЭТ-сканеры, а также расширить временные границы ПЭТ-исследований и синтеза радиофармпрепаратов.

В медицине ПЭТ широко используется для диагностики различных заболеваний, особенно неврологических, онкологических и сердечно-сосудистых. ПЭТ позволяет осуществлять раннюю диагностику различных, прежде всего онкологических заболеваний до появления структурных изменений, что существенно улучшает прогноз и качество лечения.

Следующие три примера относятся к так называемой стереотаксической хирургии. Ее цель – это подведение к мишени значительной дозы, позволяющей в одном сеансе фактически «выжечь опухоль». К таким установкам относятся гамма- и кибер – нож.

Пример 14.8. Гамма-нож[26] - это медицинская установка, работающая на основе направленного, концентрированного γ- излучения. В основе действия этой установки лежат следующие физические принципы. Используется искусственный радиоактивный изотоп Со⁶⁰, который получают в реакторах, а затем из него создают радиоактивные источники. Физики разработали способ, позволяющий получить тонкие радиоактивные пучки фотонов, которые в гамма – ноже прецизионно направляются в одну точку.

Рис.14.16. Схема ПЭТ-томографа.

Достоинство установки гамма-нож заключается в том, что 201 пучок от радиоактивных источников Со⁶⁰ направляется в одну точку. Накапливаемая в мишени доза во много раз превышает дозу на поверхности тела человека. Подводимая к опухоли доза (до 10 Гр), приводит к ее гибели. При этом здоровые ткани получают незначительную дозу облучения. Точность наведения пучков γ- излучения достигает 0.3 мм. Общий вид установки гамма-нож представлен на рис. 14.17.

Внутри шлема, представленного на рис.14.17, обеспечивается неподвижность головы пациента, и фотоны высоких энергий, выходящие из радиоактивных источников и проходящие через каналы шлема, изоцентрически сходятся на пространстве мишени. Выбор набора лучей для облучения осуществляется с учетом минимизации облучения структур головного мозга, не переносящих высоких доз облучения. Гамма-нож позволяет лечить сосудистые новообразования, опухоли, в основном, головного мозга, включая метастазы, без хирургического вмешательства и длительного многонедельного облучения. Достаточно одного амбулаторного лечения, чтобы существенно улучшить состояние пациента и вернуть его к полноценной жизни. Пока применение этого метода ограничено размером опухоли - она не должна превышать трех сантиметров.

Пример 14.9. Еще более современной является установка для лучевой терапии, действующая на основе ускорителей электронов, и получившая название кибер - нож [27].

Рис.14.17. Схема облучения на установке гамма-нож.

Она содержит два основных элемента: легкий линейный ускоритель, мобильная контролируемая компьютером роботизированная рука, имеющая 6 степеней свободы, позволяющая облучать мишень с 1200 возможных позиций для облучения. Энергия ускорителя, на котором базируется установка, составляет порядка 4 - 6 МэВ. Точность попадания пучка в мишень достигает 0.5 мм. Пример такой системы представлен на рис. 14.18.

Рис.14.18. Система кибер – нож включает в себя: 1 – камеру Synchrony, 2 - линейный ускоритель, 2 - 3 – манипулятор, 4 - роботизированную систему подводки пучка, 5 - детекторы изображения, 6,7 - рентгеновскую систему нацеливания.

Основное достоинство кибер – ножа в том, что после определения положения опухоли и метастазов, каждый из объектов с высокой точностью облучается с многих направлений в одном сеансе. Это оказывается возможным благодаря размещению легкого ускорителя на манипуляторе – руке робота. Кибер – нож позволяет излечивать большое количество локализаций в теле человека. В России установка такого класса действует пока одна[28].

Лечение на таких комплексах в мире проводилось 23 тысяч пациентов, причем значительная часть из них практически считались безнадежными. Курс лечения составлял порядка одного часа. После одного или нескольких сеансов состояние больных, улучшалось, а через некоторое время больные возвращались к нормальной жизни.

Пример 14.10. Последние несколько годы физики и медики разрабатывают установки, позволяющие совмещать два или три метода томографии или методы лучевой терапии одновременно с методами диагностики. Так активно развивается метод, получивший название томотерапии, то есть лучевой терапии под контролем компьютерной томографии. Он одновременно объединяет в себе возможности диагностики компьютерного томографа и радиохирургического уничтожения онкологических очагов пучками тормозных фотонов из ускорителя электронов. На ней, как и на других установках стереотаксической радиохирургии, в одном сеансе могут быть подавлены множественные патологические очаги.

Суть установки заключается в том, что вместо источника рентгеновского излучения, применяемого в компьютерном томографе, используется небольшой ускоритель электронов.

Методика томотерапии основана на послойном облучении из ускорителя веерным пучком тормозного излучения, который проходя сквозь тело пациента, регистрируется детекторами как в компьютерном томографе. По их данным строится компьютерная томограмма исследуемого объекта. Для получения объемной картины ускоритель движется по спирали вокруг пациента. Одновременно пучок фотонов подводит к объекту значительную дозу, осуществляя терапевтическую функцию. В этом случае в процессе облучения по томограмме можно корректировать процесс лучевой терапии в динамике. Установка, действующая на описанном принципе, представлена на рис.14.19.

Рис.14.19. Методика томотерапии.

Контрольные вопросы к лекции №14:

1. Как устроено атомное ядро?

2. Какие исследования привели к открытию атомного ядра?

3. Что такое изотопы? Приведите примеры.

4. Что вы знаете об энергии связи ядра?

5. Что такое сильные взаимодействии? Сравните их с другими видами сил в природе.

6. Что такое радиоактивность? Как она была открыта?

7. Какие виды радиоактивности Вы знаете? Расскажите об их свойствах.

8. Напишите закон радиоактивного распада и объясните его значение в физике и практическом использовании.

9. Что Вы знаете о радиоактивном датировании? Какая ядерная реакция используется дл этой цели.

10. Объясните, что такое ускоритель элементарных частиц? Какие ускорители вы знаете?

11. Как работает линейный ускоритель и циклотрон? Какие частицы в них можно ускорять?

12. Какие ускорители применяются в медицине? Сравните их достоинства и возможности.

13. Что такое ядерная реакция? Приведите примеры.

14. Какие законы сохранения действуют в ядерных реакциях?

15. Что вы можете рассказать о делении ядер?

16. Приведите примеры превращения ядер. Роль этого открытия в развитии цивилизации и науки.

17. Как работает атомный реактор? Какие законы физики используются в основе принципов работы реактора?

18. Опишите принцип действия атомной и водородной бомбы.

19. Дайте определение цепной реакции и ядерного синтеза.

20. Расскажите, что вы знаете о ПЭТ-томографах. Какие физические идеи лежат в основе ПЭТ?

21. Что такое гамма нож? Перечислите достижения физики, используемые для создания этой установки.

22. Объясните принцип действия и преимущества кибер – ножа. Какие физические идеи лежат в его основе?

[1] Исторически развитию ядерной физики предшествовало большое количество исследований в области физики атома. До открытия ядра исследования вещества привело к открытию проникающих излучений: Ю.Плюккером в 1859 году были открыты катодные лучи, В.Рентгеном в 1895 году - рентгеновские лучи, в 1896 году А.Беккерелем – радиоактивность, а в 1897 г. Д.Томсоном был открыт электрон.

Открытие радиоактивности можно считать зарождением ядерной физики, поскольку обнаруженные лучи, как оказалось позднее, испускались не атомом, а ядром. В 1899 году Э.Резерфордом были открыты частицы, составляющие радиоактивные лучи. Так лучи, испускаемые образцом урана, помещенного в магнитное поле состояли из положительно заряженных α-частиц и отрицательно заряженных β-частиц, а в 1900 году П.Виллард открыл третью компоненту радиоактивных лучей - γ-лучи.

[2] Протон -нейтронная модель атомного ядра предложена в 1932 году советским физиком, профессором физического факультета МГУ Д.Д.Иваненко. Несколько позже такую же работу опубликовал В.Гейзенберг.

[3] В 1911 году независимо друг от друга Фаянс и Содди установили, что при радиоактивном распаде происходят превращения элементов. Например, атом при испускании альфа – частицы превращается в атом. Ими же было установлено, что при некоторых цепочках распадов могут возникать одни и те же элементы с разными массами, которые они и назвали изотопами.

[4] Антуан Беккерель – французский физик, (1852 – 1908) из семьи физиков. За открытие явления естественной радиоактивности урана в 1903 году был удостоен Нобелевской премии. Беккерель в 1901 году обнаружил физиологическое действие радиоактивного излучения, а также его способность ионизировать газ.

[5] Мари́я Склодо́вская-Кюри́ (1867 —1934) — известный физик и химик польского происхождения. Дважды лауреат Нобелевской премии: по физике (1903) и химии (1911). Основала институты Кюри в Париже и в Варшаве. Жена Пьера Кюри, вместе с ним занималась исследованием радиоактивности. Совместно с мужем открыла элементы радий (от лат. radium — излучающий) и полоний. Умерла от лучевой болезни.

[6] Это понятие ввела ученица А.Беккереля Мария Кюри.

[7] Аннигиляция предсказана в 1930 английским физиком П. Дираком. В 1932 американский Физик К. Андерсон экспериментально доказал существование позитронов в космических лучах. В 1933 Ирен и Фредерик Жолио-Кюри с помощью Вильсона камеры, помещенной в магнитное поле, наблюдали рождение электрон-позитронных пар гамма-квантами от радиоактивного источника. В том же году были надёжно зарегистрированы случаи аннигиляции пар электрон-позитрон.

[8] Физиками позднее было установлено, что при аннигиляции электрона и позитрона с вероятностью 1% может образовываться и три фотона:.

[9] В медицине в настоящее время используется около 12000 ускорителей, причем в США – около 5200. У нас в стране в лучевой терапии и диагностике, а также ядерной медицине используется около 125 ускорителей.

[10] Одним из первых ускорителей - был каскадный генератор, разработанный в Швейцарии Грейнахером в 1920 году. Такой же ускоритель был создан английскими физиками Дж. Кокрофтом и Э. Уолтоном из лаборатории Резерфорда в 1929 году. В 1932 году они осуществили первую ядерную реакцию на созданном ими ускорителе: искусственно ускоренными частицами - протонами с энергией 700 КэВ было расщеплено ядро лития на две альфа частицы. Эту дату можно считать началом истории ускорителей.

[11] 1 МэВ=1000КэВ=10⁶эВ =10^-3 ГэВ= 10^-6 ТэВ.

[12] Первые идеи об использовании резонансного подхода к ускорению частиц были высказаны шведским физиком Изингом в 1924 году. Резонансный принцип ускорения был также предложен Видероэ для линейных ускорителей, а в 1928 году им был построен первый линейный ускоритель. С целью уменьшения размеров ускорителя в 1929 году Лоуренс предложил модель кольцевого резонансного ускорителя - циклотрона.

[13] Все типы высоковольтных ускорителей также являются линейными, поскольку траектория движения частиц в них близка к прямой линии.

[14] Фазотроны первыми из ускорителей стали применяться в лучевой терапии тяжелыми заряженными частицами (протонами или ионами). В настоящее время для лучевой терапии разрабатываются проекты протонной лучевой терапии на базе изохронных циклотронов.

[15] На электронных синхротронах получают синхротронное излучение, которое в последние годы широко используется в медицине.

[16] 1 ГэВ=10⁹эВ.

[17] По некоторым оценкам их число составляет около тридцати восьми тысяч. Из них в промышленности работает более 62% ускорителей. Вообще – то рентгеновская трубка, которых в мире миллионы, также представляет собой низкоэнергетический ускоритель. К ускорителям относятся и электронные микроскопы различных типов.

[18] Первая искусственная ядерная реакция под действием α-частиц была осуществлена на азоте Э.Резерфордом в 1919 году.Причем она свидетельствовала о наличии протонов внутри ядра. Первый эксперимент на ускорителях был выполнен в 1932 году на каскадном ускорителе, построенном Кокрофтом и Уолтоном в Кембридже. Протонами с энергией 380 кэВ было расщеплено ядро лития на две α-частицы:

[19] В 1934 году Ирен и Фредерик Жолио – Кюри при бомбардировке α-частицами алюминия впервые синтезировали искусственный радиоактивный фосфор ³⁰Р. Превращение элементов является основой ядерной медицины. На ускорителях в различных реакциях получают радиоактивные элементы с разным временем жизни и способами распада. Эти радиоактивные вещества широко используются для терапии и диагностики в различных областях медицины, например, в онкологии и кардиологии.

[20] В верхней части дроби указывается тип радиоактивного распада, например, -распад, а в нижней – время полураспада ядер с испусканием частиц (электронов).

[21] В настоящее время в нашей стране идет активное строительство новых атомных станций. К тому же заключены контракты о строительстве атомных станций в разных странах мира, например, в Индии, Болгарии, Иране.

[22] Несмотря на то, что основа бомбы – процессы выделения энергии атомных ядер, в повседневной жизни ядерную бомбу называют «атомной бомбой».

[23] Часто ядерную бомбу называют атомной, хотя в ней используется энергия деления ядер, а не атомов.

[24] Первое применение радиоизотопа I¹³¹ для диагностики заболеваний щитовидной железы относится к концу 1930-х гг. Ранние разработки устройств визуализации в 1950-х годах представляли собой сканеры с двухкоординатным сканированием и сцинтилляционные камеры. В клинической практике эти типы устройств стали широко использоваться к середине 60-х годов прошлого века. Именно с этого периода камера Энгера (или гамма-камера) становится одним из основных технических средств визуализации с помощью изотопов.

[25] Эти вещества называются радиофармпрепараты (РФП) и предназначены для наблюдения и оценки физиологических функций отдельных внутренних органов. Характер распределений РФП в организме определяется способами его введения, а также такими факторами, как величина кровотока объема циркулирующей крови и наличием того или иного метаболического процесса.

[26] Она была разработана шведским нейрохирургом Ларсом Лекселем в 1950 году. Источником γ- излучения является радиоактивный препарат Со⁶⁰ с периодом полураспада 5.2 года и энергией 1.25 МэВ. Первая установка «Гамма-нож» была запущена в 1968 году. Сейчас она прочно вошла в арсенал нейрохирургических методик лечения различных внутричерепных патологических образований. В настоящее время во всем мире функционирует свыше 200 радиохирургических центров, оснащенных данной установкой, а в нашей стране работает только один такой центр.

[27] Система кибер - нож была создана в 1992 году в Стенфордском университете под руководством Д.Адлера. В мире в2012 году действует 268 таких установок, причем большая часть таких установок действует в США и Японии. В России их четыре и несколько устанавливается.

[28] В московском государственном университете приступили к разработке нового поколения кибер – ножа с вариацией энергии электронов. Новая установка создается на базе компактного разрезного микротрона, разработанного в НИИЯФ МГУ, а также конструируемого в НИИ механики робота-манипулятора.

Дата добавления: 2014-01-06