1. Ядерные реакции
Ядерными реакциями называют изменения атомных ядер при взаимодействии их друг с другом или другими частицами.
Например, при бомбардировке азота α-частицами происходит ядерная реакция, уравнение которой имеет вид
147N + 42Не → 178O + 11p.
В записи этой реакции мы указываем зарядовое и массовое числа протона, чтобы подчеркнуть, что
в ядерных реакциях сохраняется суммарное зарядовое число и суммарное массовое число.
Суммарное зарядовое число сохраняется вследствие закона сохранения электрического заряда, а сохранение массового числа — следствие другого закона сохранения1), из которого следует, что в ядерних реакциях должно сохраняться число нуклонов.
1. Запишите уравнение ядерной реакции, в которой в результате бомбардировки ядра изотопа лития 73Li быстрыми протонами возникают две α-частицы.
2. Энергия связи атомных ядер
Поскольку между входящими в состав атомного ядра нуклонами действуют ядерные силы, являющиеся силами притяжения, для расщепления ядра на отдельные нуклоны необходимо совершить положительную работу, то есть сообщить ядру некоторую энергию.
Следовательно, суммарная энергия свободных нуклонов больше, чем их энергия, когда они находятся в составе ядра. Разность этих энергий называют энергией связи.
Энергию связи находят, используя уже известное вам соотношение между массой m и энергией покоя Ε0:
Е0 = mc2.
Перепишем эту формулу в виде
1) Речь идёт о законе сохранения барионного числа. Рассмотрение этого закона сохранения выходит за рамки нашего курса.
Из этой формулы следует, что из-за наличия энергии связи масса ядра Мя меньше суммы масс составляющих его нуклонов. Разность между суммой масс нуклонов и массой состоящего из этих нуклонов ядра называют дефектом массы ΔΜ:
ΔΜ = Zmp + Nmn - Мя.
Из приведённых формул следует, что
энергия связи ядра связана с дефектом массы соотношением
Eсв = ΔΜ • с2.
Массы ядер и нуклонов выражают обычно в атомных единицах массы (а. е. м.). Напомним, что атомная единица массы равна 1/12 массы атома изотопа углерода 126С и составляет 1,66 • 10-27 кг. Массы протона и нейтрона: mр = 1,00728 а. е. м., mn = 1,00866 а. е. м.
2. Найдите дефект массы ядра изотопа углерода 126С (в атомных единицах массы) и энергию связи этого ядра (в джоулях и в электронвольтах).
Удельной энергией связи ядра называют энергию связи, приходящуюся на один нуклон в этом ядре.
На рисунке 21.1 приведён полученный из опытов график зависимости удельной энергии связи ядра от его массового числа.
Рис. 21.1
3. У какого ядра удельная энергия связи самая большая?
4. У какого из лёгких ядер энергия связи существенно больше, чем у его «соседей» по таблице Менделеева?
3. Реакции синтеза и деления ядер
Энергия выделяется в тех ядерных реакциях, в результате которых удельная энергия связи ядер увеличивается. Энергетическим выходом ядерной реакции называют суммарную кинетическую энергию продуктов реакции при условии, что начальной кинетической энергией вступающих в реакцию ядер и частиц можно пренебречь.
Реакции синтеза
При взгляде на график, изображённый на рисунке 21.1, бросается в глаза пик, соответствующий ядру гелия 42Не. И действительно, удельная энергия связи ядра гелия намного превышает удельную энергию связи ядер изотопов водорода — дейтерия 21Н и трития 31Н. Поэтому, например, в реакции
21Н + 31Н → 42Не + 10n
удельная энергия связи значительно увеличивается, а это означает, что в этой реакции выделяется большая энергия.
Образование атомного ядра из менее массивных ядер называют реакцией синтеза1).
Чтобы произошла реакция синтеза, атомные ядра надо сблизить на очень малое расстояние, чтобы между ними начали действовать ядерные силы. А поскольку положительно заряженные ядра отталкиваются, сблизиться на малое расстояние они могут только при столкновении, когда движутся с большими скоростями, то есть обладают большой кинетической энергией. Отсюда следует, что температура среды, в которой могут происходить реакции синтеза, должна быть очень высокой, — расчёты и опыты показывают, что она составляет десятки миллионов градусов и выше. Поэтому реакции синтеза называют также термоядерными.
Именно термоядерные реакции являются источниками энергии звёзд, в том числе Солнца. Термоядерная реакция лежит в основе действия самого разрушающего оружия — водородной бомбы. В разных странах, в том числе и в России, активно исследуют возможность использования термоядерных реакций для выработки электроэнергии: это дало бы нам практически неисчерпаемый источник энергии.
1) От латинского «синтезис» — составление, соединение.
Реакции деления
Обратим внимание на то, что наибольшая энергия связи у ядер с массовыми числами от 50 до 60 (см. рис. 21.1). Следовательно, при расщеплении тяжёлых ядер элементов, находящихся ближе к концу таблицы Менделеева, на ядра элементов, находящихся в середине этой таблицы, удельная энергия связи ядра увеличивается, а это означает, что в таких ядерных реакциях происходит выделение энергии.
Расщепление ядра на менее массивные ядра называют реакцией деления.
Реакции деления лежат в основе действия атомной бомбы и ядерного реактора.
Самопроизвольное деление ядер урана первыми обнаружили на опыте советские физики К. Л. Петржак и Г. Н. Флёров.
Цепные реакции деления
Облучение ядер урана нейтронами вызывает деление ядер. При делении ядер испускаются новые нейтроны, которые попадают в другие ядра урана, вызывая их деление. Такую ядерную реакцию называют цепной ядерной реакцией. Схема цепной ядерной реакции изображена на рисунке 21.2.
Рис. 21.2
Если в результате цепной реакции число делящихся ядер урана лавинообразно возрастает, происходит взрыв. Именно так устроена атомная бомба.
К сожалению, атомную бомбу США применили дважды в 1945 году: японские города Хиросима и Нагасаки были полностью разрушены, а число человеческих жертв (включая погибших впоследствии от лучевой болезни) достигло миллиона.
4. Ядерный реактор
Если число делящихся в цепной реакции ядер со временем не изменяется, то реакция протекает стационарно, без взрыва. Такую реакцию называют управляемой, а устройство, в котором осуществляется управляемая реакция, называют ядерным реактором.
Первая атомная электростанция с ядерным реактором была построена в 1954 году в СССР под руководством И. В. Курчатова.
Опыт показывает, что для более эффективного осуществления цепной ядерной реакции необходимо замедлять нейтроны, образующиеся в результате деления ядер.
В качестве замедлителя нейтронов используют тяжёлую воду (в ней атомы водорода заменены атомами дейтерия), а также чистый графит. Обычную воду в качестве замедлителя нейтронов использовать нельзя, потому что она по только замедляет нейтроны, но и поглощает их.
Для стационарного протекания цепной реакции крайне важно сохранять строго постоянным число медленных нейтронов: если их число начнёт увеличиваться, то может произойти взрыв, а если оно начнёт уменьшаться, то реакция прекратится. Чтобы число медленных нейтронов оставалось постоянным, используют поглотители нейтронов — кадмий и бор.
И. В. Курчатов (1903-1960)
Крическая масса
Для ттиого чтобы нейтроны, образовавшиеся при делении ядер, вызвали новые реакции деления, они должны пройти в веществе достаточно большой путь. А это означает, что объём делящегося вещества, а следовательно, и его масса должны быть достаточно большими.
Наименьшую массу делящегося вещества, при которой может протекать цепная ядерная реакция, называют критической массой.
Для урана 23592U критическая масса равна примерно 50 кг, однако её можно значительно уменьшить — например, с помощью бериллиевой оболочки, которая отражает вылетающие из делящегося вещества нейтроны обратно внутрь этого вещества.
Принцип действия атомной электростанции
Рассмотрим устройство атомной электростанции с ядерным реактором на медленных нейтронах, схематически изображённое на рисунке 21.3.
Рис. 21.3
1 — Активная зона реактора. Здесь находится ядерное топливо и замедлитель.
2 — Отражатель нейтронов.
3 — Защитная оболочка из железобетона.
4 — Регулирующие стержни из вещества, поглощающего нейтроны.
5 — Теплоноситель, переносящий тепло из активной зоны реактора в парогенератор.
6 — Парогенератор: здесь вода превращается в пар под высоким давлением.
7 — Турбина, соединённая с индукционным генератором.
8 — Конденсатор: здесь отработанный пар конденсируется в воду, которая снова поступает в парогенератор.
9 — Индукционный генератор.
5. Ядерная энергетика
Для работы атомной электростанции требуется во много раз меньший объём топлива, чем для работы тепловой электростанции такой же мощности. Запасов ядерного топлива должно хватить человечеству на несколько столетий.
Атомная электростанция загрязняет окружающую среду меньше, чем тепловая. Но, к сожалению, имели место аварии на атомных электростанциях с выбросом радиоактивных веществ в окружающую среду. Учёные и инженеры ищут все возможности исключить такие аварии в дальнейшем.
Влияние радиации на живые организмы
Опасность радиоактивного излучения для живых организмов заключается в том, что потоки частиц высокой энергии вызывают ионизацию атомов (поэтому радиоактивное излучение называют иногда ионизирующим). Вследствие ионизации атомов нарушается сложная согласованная работа биологических молекул и жизнедеятельность клеток. При длительном и интенсивном воздействии радиоактивного излучения на живой организм возникает лучевая болезнь.
Основной величиной, характеризующей воздействие радиоактивного излучения на организм, является поглощённая доза излучения D. Она равна отношению поглощённой телом энергии излучения к массе тела. Единица поглощённой дозы излучения — грей (Гр):
Поскольку различные виды излучения оказывают разное воздействие на живые существа, для оценки воздействия излучения используют эквивалентную (биологическую) дозу. Она измеряется в зивертах (Зв) и численно равна поглощённой дозе в греях, умноженной на коэффициент, различный для разных видов радиации.
Существует естественный радиационный фон, не представляющий опасности для человека. Он составляет около 2 мГр в год на человека.
Для людей, по роду своей работы связанных с радиоактивным излучением, предельно допустимая доза составляет 50 мГр/год.
Уровень радиации измеряют различными приборами, например счетчиками Гейгера, о которых мы расскажем в следующем параграфе.
ЧТО МЫ УЗНАЛИ
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ1)
5. Какой частице соответствует X в уравнении ядерной реакции 42Не + 73Li → 105В + X?
6. Какой частице соответствует X в уравнении ядерной реакции 147N + 42Не → 178О + X?
7. Уравнение ядерной реакции имеет вид 2210Νe + 24294Pu → Χ + 410n. Укажите порядковый номер неизвестного элемента в таблице Менделеева.
8. Запишите уравнение ядерной реакции, описывающее бомбардировку ядер алюминия 2713Αl нейтронами, если в результате ядерной реакции образуются α-частица и изотоп некоторого химического элемента.
9. При поглощении ядра дейтерия ядро бериллия 94Βe превращается в ядро бора 105В. Запишите уравнение ядерной реакции и определите, какая частица вылетает при этой реакции.
1) В заданиях к этому параграфу буквой X обозначено ядро или частица, вид которых требуется определить.
10. Допишите уравнения ядерных реакций:
11. Ядро урана 23592U после поглощения нейтрона делится на два ядра: цезий 14055Cs и рубидий 9437Rb. Сколько нейтронов выделяется в такой ядерной реакции деления?