Вопрос 36. Радиоактивность. Альфа- бета- гамма- излучения атомных ядер. Закон радиактивного распада.

Явление радиоактивности было обнаружено А. Беккерелœем в 1896 ᴦ. Изучая свойства солей урана, он случайно обнаружил самопроизвольное испускание ими излучения, способного проходить сквозь непрозрачные для видимого света вещества. Излучение свойственно не только урану, но и многим другим тяжелым элементам.

Обнаруженное излучение было названо радиоактивным излучением, а само явле­ние – испускание радиоактивного излучения – радиоактивностью. В результате радиоактивного излучения ядра атомов одного химического элемента превращаются в ядра атомов другого элемента. Вокруг нового ядра формируется соответствующая ему электронная оболочка, образуется новый атом.

В результате опытов по отклонению радиоактивного излучения в электрическом и магнитном полях и опытов по поглощению излучения в веществе были установлены три вида излучения.

1. Альфа-излучение. Отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью (к примеру, погло­щаются слоем алюминия толщиной примерно 0,05 мм). Экспериментально было установлено что a-излучение представляет собой поток ядер гелия ; заряд a-частицы равен +2е, а масса приблизительно равна 4 а.е.м.

Альфа-радиоактивными являются почти исключительно ядра атомов элементов с порядковым номером Z >82. Запись реакции a-распада:

, (20.1)

где – обозначение исходного, так называемого материнского ядра, – обозначение конечного, так называемого дочернего ядра, – ядро гелия.

2. Бета-излучение. Отклоняется электрическим и магнитным полями; его ионизирующая способность значительно меньше (примерно на два порядка), а проникающая способность гораздо больше (поглощается слоем алюминия толщиной примерно 2 мм), чем у a -частиц. b -излучение представляет собой поток быстрых электронов.

Ниже приведена запись реакции b - распада ядра:

- b ‾-распад, (20.2)

где – символическое обозначение электрона (заряд электрона равен –1, массовое число равно нулю), - электронное антинœейтрино (заряд равен нулю, массовое число равно нулю). Такой вид распада получил название b ‾-распада. В дальнейшем экспериментально для ядер, не встречающихся в природе и полученных в лаборатории в результате ядерных реакций, был обнаружен еще один вид b - распада ядра, который принято называть b + - распадом:

где – символическое обозначение позитрона (заряд равен +1, массовое число равно нулю), - электронное нейтрино (заряд равен нулю, массовое число равно нулю). Позитрон (экспериментально обнаружен в 1932 году), электронное нейтрино и электронное антинœейтрино (экспериментально обнаружены в 1956 году) – элементарные частицы. Следует заметить, что существование названных элементарных частиц сначала было предсказано теоретически.

3. Гамма-излучение. Не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает от­носительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей спо­собностью (к примеру, проходит через слой свинца толщиной 5 см). g-Излучение представляет собой корот­коволновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны l <10^-10 м.

Закон радиоактивного распада

Устойчивость ядер уменьшается по мере увеличения общего числа нуклонов. Она зависит также от соотношения числа нейтронов и протонов.

Процесс последовательных ядерных превращений, как правило, заканчивается образованием стабильных ядер.

Радиоактивные превращения подчиняются закону радиоактивного распада:

N = N₀ • e ^{λ t},

где N, N₀ – число атомов, нераспавшихся на моменты времени t и t₀;

λ – постоянная радиоактивного распада.

Величина λ имеет свое индивидуальное значение для каждого вида радионуклида. Она характеризует скорость распада, т.е. показывает, какое количество ядер распадается в единицу времени.

Согласно уравнения закона радиоактивного распада, его кривая является экспонентой.

Вопрос 37. Реакция деления ядер. Цепная реакция деления. Реакция синтеза атомных ядер. Понятие о ядерной энергетике.

Медленные нейтроны (обладающие малой скоростью) эффективны для возбуждения ядерных реакций, поскольку они относительно долго могут находиться вблизи атомного ядра, а поэтому вероятность захвата нейтрона ядром очень большая. Тяжелое компаунд-ядро, возбужденное при резонансном захвате нейтрона, может разделиться на две приблизительно равные части (реакция деления тяжелых ядер). Образовавшиеся части называются осколками деления. Неустойчивость тяжелых ядер обусловлена взаимным отталкиванием большого числа протонов, находящихся в ядрах. В основу теории деления атомных ядер положена капельная модель ядра. Ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаемой жидкости (Рис. 38.1а) с плотностью, равной ядерной, и подчиняющейся законам квантовой механики. При захвате нейтрона устойчивость такой заряженной капли нарушается, ядро приходит в колебания — попеременно то вытягивается, то сжимается. Вероятность деления ядер определяется энергией активации — минимальной энергией, необходимой для осуществления реакции деления ядра.                                                                                   При энергиях возбуждения меньших чем энергия активации деления, деформация ядра-капли не доходит до критической (б), ядро не делится и возвращается в основное энергетическое состояние, испустив γ — квант. При энергиях возбуждения больше энергии активации деления деформация капли достигает критического значения (в) образуется и удлиняется "перетяжка" в капле (г) и наступает деление (д).

Критическим параметром деления называется параметр . Ядра с параметром деления большим критического совершенно неустойчивы относительно деления. Осколки деления в момент своего образования обладают избытком нейтронов, поскольку для средних ядер число протонов приблизительно равно числу нейтронов (N Z ≈1), а для тяжелых ядер число нейтронов значительно превышает число протонов (N Z ≈1,6). Избыточные нейтроны, испускаемые осколками, называются нейтронами деления. В среднем на каждый акт деления приходится 2,5 испущенных нейтрона. Большинство из них испускается практически мгновенно (t ≤10−14 с) — мгновенные нейтроны, а часть (~ 0,7%) спустя некоторое время после деления (0,05 c ≤ t ≤ 60 c) — запаздывающие нейтроны. Каждый из мгновенных нейтронов, возникших в реакции деления, взаимодействуя с соседними ядрами делящегося вещества, вызывает в них реакцию деления. При этом идет лавинообразное нарастание числа актов деления — начинается цепная реакция деления — ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции.

Условием возникновения цепной реакции является наличие размножающихся нейтронов. Коэффициентом размножения нейтронов k называется отношение числа нейтронов, возникающих в некотором звене реакции, к числу таких нейтронов в предшествующем звене. Необходимое условие развития цепной реакции: k >1. Такая реакция называются развивающаяся реакция. При k =1 идет самоподдерживающаяся реакция. При k <1 идет затухающая реакция. Часть вторичных нейтронов не участвует в поддержании цепной реакции — захватывается неделящимися примесями, выходит из зоны реакции без захвата ядром, теряет энергию в процессах неупругого рассеяния и т. д. Поэтому коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, а для данного изотопа — от его количества, а также размеров и формы активной зоны — пространства, где происходит цепная реакция. Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществление цепной реакции, называется критическими размерами.

Вопрос 37. Реакция деления ядер. Цепная реакция деления. Реакция синтеза атомных ядер. Понятие о ядерной энергетике. 2.

Минимальная масса делящегося вещества, находящегося в системе критических размеров, необходимая для осуществления цепной реакции, называется критической массой.   Цепные реакции делятся на управляемые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы — пример неуправляемой реакции. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах

Колоссальным источником энергии может служить реакция синтеза атомных ядер — образование из легких ядер более тяже­лых. Удельная энергия связи ядер резко увеличивается при переходе от ядер тяжелого водорода (дей­терия ²₁Н и трития ³₁Н) к литию ⁶₃Li и осо­бенно к гелию ⁴₂He, т. е. реакции синтеза легких ядер в более тяжелые должны со­провождаться выделением большого коли­чества энергии, что действительно под­тверждается расчетами. В качестве при­меров рассмотрим реакции синтеза:

²₁Н+²₁Н³₁H+¹₁p (Q =4,0 МэВ), ²₁Н +²₁Н³₂He+¹₀n (Q =3,3 МэВ),

²₁Н+³₁H⁴₂He+¹₀n (Q =17,6 МэВ),

(268.1)

⁶₃Li+²₁H⁴₂He+⁴₂He (Q =22,4 МэВ),

где Q — энерговыделение.

 

Реакции синтеза атомных ядер обла­дают той особенностью, что в них энергия, выделяемая на один нуклон, значительно больше, чем в реакциях деления тяжелых ядер. В самом деле, если при делении ядра ²³⁸₉₂U выделяется энергия примерно 200 МэВ, что составляет на один нуклон примерно 0,84 МэВ, то в реакции (268.1)

 

3,5 МэВ.

Оценим на примере реакции синтеза ядер дейтерия ²₁H температуру ее протека­ния. Для соединения ядер дейтерия их надо сблизить до расстояния 2•10^-15 м, равного радиусу действия ядерных сил, преодолевая при этом потенциальную энергию отталкивания е²/(4₀r)0,7 МэВ. Так как на долю каждого сталкивающегося ядра приходится поло­вина указанной энергии, то средней энер­гии теплового движения, равной 0,35 МэВ, соответствует температура, приблизительно равная 2,6•10⁹ К. Следо­вательно, реакция синтеза ядер дейтерия может происходить лишь при температуре, на два порядка превышающей температу­ру центральных областей Солнца (при­мерно 1,3•10⁷ К).

Однако оказывается, что для протека­ния реакции синтеза атомных ядер до­статочно температуры порядка 10' К. Это связано с двумя факторами: 1) при темпе­ратурах, характерных для реакций синте­за атомных ядер, любое вещество нахо­дится в состоянии плазмы, распределение частиц которой подчиняется закону Мак­свелла; поэтому всегда имеется некоторое число ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение: 2) синтез ядер может происходить вследствие тун­нельного эффекта (см. §221).

Реакции синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящие при сверхвысоких температурах (примерно 10⁷ К и выше), называются термоядерны­ми реакциями.

Термоядерные реакции являются, по-видимому, одним из источников энергии Солнца и звезд. В принципе высказаны два предположения о возможных спосо­бах протекания термоядерных реакций на Солнце:

1) протонно-протонный, или водород­ный, цикл, характерный для температур (примерно 10⁷ К):

2) углеродно-азотный, или углерод­ный, цикл, характерный для более высоких температур (примерно 2•10⁷ К):

 

Вопрос 37. Реакция деления ядер. Цепная реакция деления. Реакция синтеза атомных ядер. Понятие о ядерной энергетике. 3

 

В результате этого цикла четыре протона превращаются в ядро гелия и выделяется энергия, равная 26,7 МэВ. Ядра же угле­рода, число которых остается неизменным, участвуют в реакции в роли катализатора.

Термоядерные реакции дают наиболь­ший выход энергии на единицу массы «го­рючего», чем любые другие превращения, в том числе и деление тяжелых ядер. На­пример, количество дейтерия в стакане простой воды энергетически эквивалентно примерно 60 л бензина. Поэтому заманчи­ва перспектива осуществления термоядер­ных реакций искусственным путем.

Впервые искусственная термоядерная реакция осуществлена в СССР (1953), а затем (через полгода) в США в виде взрыва водородной (термоядерной) бом­бы, являющегося неуправляемой реак­цией. Взрывчатым веществом, в котором происходила реакция (268.1), является смесь дейтерия и трития, а запалом — «обычная» атомная бомба, при взрыве ко­торой возникает необходимая для протекания термоядерной реакции темпе­ратура.

Особый интерес представляет осуще­ствление управляемой термоядерной ре­акции, для обеспечения которой необходи­мо создание и поддерживание в ограни­ченном объеме температуры порядка 10⁸ К. Так как при данной температу­ре термоядерное рабочее вещество пред­ставляет собой полностью ионизованную плазму (см. § 108), возникает проблема ее эффективной термоизоляции от стенок ра­бочего объема. На данном этапе развития считается, что основной путь в этом на­правлении — это удержание плазмы в ог­раниченном объеме сильными магнитными полями специальной формы.

1 с. Однако следует отметить, что до осуще­ствления критерия Лоусона — условия, необ­ходимого для начала самоподдерживающейся термоядерной реакции,— еще остается значи­тельный «путь»: примерно 20 раз по n(про­изведение плотности частиц на время удержа­ния плазмы) и примерно 10 раз по температуре. Результаты, полученные на Т-10, вместе с ре­зультатами, ожидаемыми на создаваемых уста­новках (например, Т-20), по мере решения раз­ного рода инженерно-технологических проблем служат базой для создания термоядерного ре­актора «Токамака».

 

Управляемый термоядерный синтез откры­вает человечеству доступ к неисчерпаемой «кла­довой» ядерной энергии, заключенной в легких элементах. Наиболее заманчивой в этом смысле является возможность извлечения энергии из дейтерия, содержащегося в обычной воде. В са­мом деле, количество дейтерия в океанской воде составляет примерно 4•10¹³ т, чему соответству­ет энергетический запас 10¹⁷ МВт•год. Другими словами, эти ресурсы неограниченны. Остается только надеяться, что решение этих проблем — дело недалекого будущего