Вотинов Г.Н., Перминов А.В. Физика

Подождите немного. Документ загружается.

Ðàäèîàêòèâíîå èçëó÷åíèå áûâàåò òðåõ òèïîâ: a-, b-, g-èçëó÷åíèå.

a-Èçëó÷åíèå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïîòîê ÿäåð ãåëèÿ

: çàðÿä a-÷àñòèöû

ðàâåí +2å, à ìàññà ïðèìåðíî 4 à. å. ì. a-×àñòèöà îòêëîíÿåòñÿ ýëåêòðè÷å

ñêèì è ìàãíèòíûì ïîëÿìè, îáëàäàåò âûñîêîé èîíèçèðóþùåé ñïîñîáíî

ñòüþ è ìàëîé ïðîíèêàþùåé ñïîñîáíîñòüþ (íàïðèìåð, ïîãëîùàåòñÿ ñëî

åì àëþìèíèÿ òîëùèíîé ïðèìåðíî 0,05 ìì).

b-Èçëó÷åíèå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïîòîê ýëåêòðîíîâ èëè ïîçèòðîíîâ.

b-×àñòèöà îòêëîíÿåòñÿ ýëåêòðè÷åñêèì è ìàãíèòíûì ïîëÿìè, åå èîíèçè

ðóþùàÿ ñïîñîáíîñòü çíà÷èòåëüíî ìåíüøå (ïðèìåðíî íà äâà ïîðÿäêà),

à ïðîíèêàþùàÿ ñïîñîáíîñòü ãîðàçäî áîëüøå, ÷åì ó a-÷àñòèö (ïîãëîùà

åòñÿ ñëîåì àëþìèíèÿ òîëùèíîé ïðèìåðíî 2 ìì).

g-Èçëó÷åíèå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êîðîòêîâîëíîâîå ýëåêòðîìàãíèò

íîå èçëó÷åíèå ñ ìàëîé äëèíîé âîëíû

< 10

–10

ì è âñëåäñòâèå ýòîãî ÿðêî

âûðàæåííûìè êîðïóñêóëÿðíûìè ñâîéñòâàìè, ò. å. ÿâëÿåòñÿ ïîòîêîì

g-êâàíòîâ (ôîòîíîâ); g-èçëó÷åíèå íå îòêëîíÿåòñÿ ýëåêòðè÷åñêèì è ìàã-

íèòíûì ïîëÿìè, îáëàäàåò îòíîñèòåëüíî ñëàáîé èîíèçèðóþùåé ñïîñîá-

íîñòüþ è î÷åíü áîëüøîé ïðîíèêàþùåé ñïîñîáíîñòüþ (íàïðèìåð, ïðîõî-

äèò ÷åðåç ñëîé ñâèíöà òîëùèíîé 5 ñì), ïðè ïðîõîæäåíèè ÷åðåç êðèñòàë-

ëû îáíàðóæèâàåò äèôðàêöèþ.

Òåîðèÿ ðàäèîàêòèâíîãî ðàñïàäà ñòðîèòñÿ íà ïðåäïîëîæåíèè î òîì,

÷òî ðàñïàä ÿâëÿåòñÿ ñïîíòàííûì ïðîöåññîì, ïîä÷èíÿþùèìñÿ çàêîíàì

ñòàòèñòèêè. Òàê êàê îòäåëüíûå ðàäèîàêòèâíûå ÿäðà ðàñïàäàþòñÿ íåçàâè-

ñèìî äðóã îò äðóãà, òî ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî ÷èñëî ÿäåð, ðàñïàâøèõñÿ

â ñðåäíåì çà èíòåðâàë âðåìåíè îò t äî t +dt, ïðîïîðöèîíàëüíî ïðîìå

æóòêó âðåìåíè dt è ÷èñëó N íåðàñïàâøèõñÿ ÿäåð ê ìîìåíòó âðåìåíè t:

dN = –lNdt,

ãäå l — ïîñòîÿííàÿ äëÿ äàííîãî ðàäèîàêòèâíîãî âåùåñòâà âåëè÷èíà, íà

çûâàåìàÿ ïîñòîÿííîé ðàäèîàêòèâíîãî ðàñïàäà; çíàê ìèíóñ óêàçûâàåò,

÷òî îáùåå ÷èñëî ðàäèîàêòèâíûõ ÿäåð â ïðîöåññå ðàñïàäà óìåíüøàåòñÿ,

ò. å. ïðèðàùåíèå ÷èñëà íåðàñïàâøèõñÿ ÿäåð dN < 0. Ðàçäåëèâ ïåðåìåí

íûå è èíòåãðèðóÿ, ïîëó÷èì çàêîí ðàäèîàêòèâíîãî ðàñïàäà:

, (5.17)

ãäå N — ÷èñëî íåðàñïàâøèõñÿ ÿäåð â ìîìåíò âðåìåíè t; N

— íà÷àëüíîå

÷èñëî íåðàñïàâøèõñÿ ÿäåð â ìîìåíò âðåìåíè t = 0. Çàêîí ðàäèîàêòèâíîãî

241

ðàñïàäà (5.17) êîíñòàòèðóåò, ÷òî ÷èñëî íåðàñïàâøèõñÿ ÿäåð óáûâàåò ñî

âðåìåíåì ïî ýêñïîíåíöèàëüíîìó çàêîíó.

×èñëî ðàñïàäîâ, ïðîèñõîäÿùèõ ñ ÿäðàìè âåùåñòâà â åäèíèöó âðåìå

íè, íàçûâàåòñÿ àêòèâíîñòüþ À èçîòîïà:

,[A] = Áê (áåêêåðåëü). (5.18)

Âíåñèñòåìíîé åäèíèöåé àêòèâíîñòè ÿâëÿåòñÿ îäèí êþðè (Êè):

1Êè=3,7·10

Áê.

Èíòåíñèâíîñòü ïðîöåññà ðàäèîàêòèâíîãî ðàñïàäà õàðàêòåðèçóþò äâå

âåëè÷èíû: ñðåäíåå âðåìÿ æèçíè t ðàäèîàêòèâíîãî ÿäðà è ïåðèîä ïîëóðàñ

ïàäà

. Ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî ñðåäíåå âðåìÿ æèçíè t ðàäèîàêòèâíîãî ÿäðà

åñòü âåëè÷èíà, îáðàòíàÿ ïîñòîÿííîé ðàäèîàêòèâíîãî ðàñïàäà

. (5.19)

Ïåðèîä ïîëóðàñïàäà

— âðåìÿ, çà êîòîðîå èñõîäíîå ÷èñëî ðàäèî-

àêòèâíûõ ÿäåð óìåíüøàåòñÿ âäâîå. Ñîãëàñíî (5.17)

îòêóäà

0693

. (5.20)

Ïåðèîäû ïîëóðàñïàäà äëÿ åñòåñòâåííî-ðàäèîàêòèâíûõ ýëåìåíòîâ êî

ëåáëþòñÿ îò äåñÿòèìèëëèîííûõ äîëåé ñåêóíäû äî ìíîãèõ ìèëëèàðäîâ ëåò.

Ñ ó÷åòîì (5.20) çàêîí ðàäèîàêòèâíîãî ðàñïàäà (5.17) ìîæíî ïðåäñòà

âèòü â áîëåå óäîáíîì äëÿ ïðàêòè÷åñêîãî ïðèìåíåíèÿ âèäå:

. (5.21)

Ðàäèîàêòèâíûé ðàñïàä ïðîèñõîäèò â ñîîòâåòñòâèè ñ ïðàâèëàìè ñìå

ùåíèÿ, ïîçâîëÿþùèìè óñòàíîâèòü, êàêîå ÿäðî âîçíèêàåò â ðåçóëüòàòå

ðàñïàäà äàííîãî ìàòåðèíñêîãî ÿäðà.

a-Ðàñïàä åñòü ñàìîïðîèçâîëüíûé ïðîöåññ èñïóñêàíèÿ ÿäðàìè a-÷àñ

òèö, â ðåçóëüòàòå êîòîðîãî ìàññîâîå ÷èñëî ÿäðà A óìåíüøàåòñÿ íà ÷åòû

ðå, à çàðÿäîâîå ÷èñëî Z óìåíüøàåòñÿ íà äâà. Ïðàâèëî ñìåùåíèÿ:

242

XYHe

®+

, (5.22)

ãäå

— ìàòåðèíñêîå ÿäðî; Y — ñèìâîë äî÷åðíåãî ÿäðà;

— ÿäðî

ãåëèÿ (a-÷àñòèöà). Ïðèìåðîì ìîæåò ñëóæèòü ðàñïàä èçîòîïà óðàíà ñ îá

ðàçîâàíèåì òîðèÿ:

238

234

UThHe

®+

Ñêîðîñòè, ñ êîòîðûìè a-÷àñòèöû âûëåòàþò èç ðàñïàâøåãîñÿ ÿäðà,

ñîñòàâëÿþò ïîðÿäêà 10

ì/ñ.

b-Ðàñïàä åñòü ñàìîïðîèçâîëüíûé ïðîöåññ, â êîòîðîì íåñòàáèëüíîå

ÿäðî

ïðåâðàùàåòñÿ â ÿäðî

èëè

-1

. Êîíå÷íûì ðåçóëüòàòîì

ýòîãî ïðîöåññà ÿâëÿåòñÿ ïðåâðàùåíèå â ÿäðå íåéòðîíà â ïðîòîí èëè ïðî

òîíà â íåéòðîí. Ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî b-ðàñïàä åñòü íå âíóòðèÿäåðíûé,

à âíóòðèíóêëîííûé ïðîöåññ. Ïðè íåì, ñëåäîâàòåëüíî, ïðîèñõîäÿò áîëåå

ãëóáîêèå èçìåíåíèÿ âåùåñòâà, ÷åì ïðè a-ïðåâðàùåíèè. Òðåáîâàíèå âû-

ïîëíåíèÿ çàêîíîâ ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè, èìïóëüñà è ìîìåíòà èìïóëüñà

ïðåäïîëàãàåò îáðàçîâàíèå â ïðîöåññå ðàñïàäà óíèêàëüíîé ýëåìåíòàðíîé

÷àñòèöû — íåéòðèíî

èëè àíòèíåéòðèíî

. Ãèïîòåçà î åå ñóùåñòâîâà-

íèè âûñêàçàíà Â. Ïàóëè â 1932 ã., à âïåðâûå îáíàðóæåíà ëèøü â 1956 ã.

Ðàçëè÷àþò òðè âèäà b-ðàñïàäà:

1) ýëåêòðîííûé b

–

-ðàñïàä, â êîòîðîì ÿäðî èñïóñêàåò ýëåêòðîí, à ïî-

òîìó çàðÿäîâîå ÷èñëî Z óâåëè÷èâàåòñÿ íà åäèíèöó; íåéòðîí â ÿäðå ïðå-

âðàùàåòñÿ â ïðîòîí:

enpeXY®++Þ®++

-+-

; (5.23)

2) ïîçèòðîííûé b

-ðàñïàä, â êîòîðîì ÿäðî èñïóñêàåò ïîçèòðîí, à ïî

òîìó çàðÿäîâîå ÷èñëî Z óìåíüøàåòñÿ íà åäèíèöó; ïðîòîí â ÿäðå ïðåâðà

ùàåòñÿ â íåéòðîí:

epneXY®++Þ®++

-+ + +11

; (5.24)

3) ýëåêòðîííûé çàõâàò (e-çàõâàò), â êîòîðîì ÿäðî ïîãëîùàåò îäèí

èç ýëåêòðîíîâ ýëåêòðîííîé îáîëî÷êè, à ïîòîìó çàðÿäîâîå ÷èñëî Z óìåíü

øàåòñÿ íà åäèíèöó; ïðîòîí â ÿäðå ïðåâðàùàåòñÿ â íåéòðîí:

epenXY+® +Þ +®+

-- +-1

. (5.25)

Ðàñïàä ÿäåð îáû÷íî ñîïðîâîæäàåòñÿ âîçíèêíîâåíèåì g-ëó÷åé.

243

Ïðàâèëà ñìåùåíèÿ ÿâëÿþòñÿ íè÷åì èíûì, êàê ñëåäñòâèåì äâóõ çàêî

íîâ, âûïîëíÿþùèõñÿ ïðè ðàäèîàêòèâíûõ ðàñïàäàõ: çàêîíà ñîõðàíåíèÿ

ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà è çàêîíà ñîõðàíåíèÿ ìàññîâîãî ÷èñëà: ñóììà çàðÿ

äîâ (ìàññîâûõ ÷èñåë) âîçíèêàþùèõ ÿäåð è ÷àñòèö ðàâíà çàðÿäó (ìàññîâî

ìó ÷èñëó) èñõîäíîãî ÿäðà. Âîçíèêàþùèå â ðåçóëüòàòå ðàäèîàêòèâíîãî

ðàñïàäà ÿäðà ìîãóò áûòü, â ñâîþ î÷åðåäü, ðàäèîàêòèâíûìè. Ýòî ïðèâî

äèò ê âîçíèêíîâåíèþ öåïî÷êè èëè ðÿäà ðàäèîàêòèâíûõ ïðåâðàùåíèé, çà

êàí÷èâàþùèõñÿ ñòàáèëüíûì ýëåìåíòîì. Ñîâîêóïíîñòü ýëåìåíòîâ, îáðà

çóþùèõ òàêóþ öåïî÷êó, íàçûâàåòñÿ ðàäèîàêòèâíûì ñåìåéñòâîì.

ßäåðíûå ðåàêöèè. Ýëåìåíòû ÿäåðíîé ýíåðãåòèêè

ßäåðíîé ðåàêöèåé íàçûâàåòñÿ ïðîöåññ âçàèìîäåéñòâèÿ àòîìíîãî ÿä

ðà ñ ýëåìåíòàðíîé ÷àñòèöåé èëè ñ äðóãèì ÿäðîì, ïðèâîäÿùèé ê ïðåîáðà

çîâàíèþ ÿäðà (èëè ÿäåð). Âçàèìîäåéñòâèå ðåàãèðóþùèõ ÷àñòèö âîçíèêà

åò ïðè ñáëèæåíèè èõ äî ðàññòîÿíèé ïîðÿäêà 10

–15

ì áëàãîäàðÿ äåéñòâèþ

ÿäåðíûõ ñèë. Ïðè ðàññìîòðåíèè ÿäåðíûõ ðåàêöèé (êàê è äðóãèõ ïðîöåñ-

ñîâ) èñïîëüçóþòñÿ çàêîíû ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè, èìïóëüñà, ìîìåíòà èì-

ïóëüñà, ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà è ðÿäà äðóãèõ ôèçè÷åñêèõ âåëè÷èí.

Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûì âèäîì ÿäåðíîé ðåàêöèè ÿâëÿåòñÿ âçàè-

ìîäåéñòâèå ëåãêîé ÷àñòèöû à ñ ÿäðîì X, â ðåçóëüòàòå êîòîðîãî îáðàçóåò-

ñÿ ëåãêàÿ ÷àñòèöà b è ÿäðî Y:

Õ+à ® Y+b + Q, (5.26)

ãäå âåëè÷èíà Q ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ýíåðãèþ, âûäåëÿþùóþñÿ â ðåçóëüòà-

òå ðåàêöèè (åå, êàê è â õèìèè, ÷àñòî âêëþ÷àþò â óðàâíåíèå ñàìîé ðåàê

öèè). Ðåàêöèÿ íàçûâàåòñÿ ýêçîòåðìè÷åñêîé, åñëè Q > 0 (ñ âûäåëåíèåì

ýíåðãèè), è ýíäîòåðìè÷åñêîé, åñëè Q < 0 (ñ ïîãëîùåíèåì ýíåðãèè). Êî

ëè÷åñòâî âûäåëÿþùåéñÿ ýíåðãèè íàçûâàåòñÿ ýíåðãèåé ðåàêöèè. Îíà îï

ðåäåëÿåòñÿ ðàçíîñòüþ ìàññ (âûðàæåííûõ â ýíåðãåòè÷åñêèõ åäèíèöàõ)

èñõîäíûõ è êîíå÷íûõ ÷àñòèö:

Qm mc

åå

íà÷ êîí 2

, (5.27)

ãäå c — ñêîðîñòü ñâåòà.

Óðàâíåíèå ðåàêöèè ïðèíÿòî òàêæå çàïèñûâàòü â ñîêðàùåííîì âèäå:

Õ(à, b) Y. (5.28)

244

Â ñêîáêàõ óêàçûâàþòñÿ ó÷àñòâóþùèå â ðåàêöèè ëåãêèå ÷àñòèöû, ñíà

÷àëà èñõîäíàÿ, çàòåì êîíå÷íàÿ. Â êà÷åñòâå ëåãêèõ ÷àñòèö à è b ìîãóò ôèãó

ðèðîâàòü íåéòðîí (n), ïðîòîí (ð), äåéòðîí (d), a-÷àñòèöà (a)èg-ôîòîí (g).

Â 1936 ã. Í. Áîð óñòàíîâèë, ÷òî ðåàêöèè, âûçûâàåìûå íå î÷åíü áûñò

ðûìè ÷àñòèöàìè, ïðîòåêàþò â äâà ýòàïà. Ïåðâûé ýòàï çàêëþ÷àåòñÿ â çà

õâàòå ïðèáëèçèâøåéñÿ ê ÿäðó X ÷àñòèöû à è â îáðàçîâàíèè ïðîìåæóòî÷

íîãî ÿäðà Ï, íàçûâàåìîãî ñîñòàâíûì ÿäðîì. Ýíåðãèÿ, ïðèâíåñåííàÿ ÷àñ

òèöåé à (îíà ñëàãàåòñÿ èç êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè ÷àñòèöû è ýíåðãèè åå

ñâÿçè ñ ÿäðîì), çà î÷åíü êîðîòêîå âðåìÿ ïåðåðàñïðåäåëÿåòñÿ ìåæäó âñå

ìè íóêëîíàìè ñîñòàâíîãî ÿäðà, â ðåçóëüòàòå ÷åãî ýòî ÿäðî îêàçûâàåòñÿ

â âîçáóæäåííîì ñîñòîÿíèè. Íà âòîðîì ýòàïå ñîñòàâíîå ÿäðî èñïóñêàåò

÷àñòèöó b. Ñèìâîëè÷åñêè òàêîå ïðîòåêàíèå ðåàêöèè çàïèñûâàåòñÿ ñëå

äóþùèì îáðàçîì:

Õ+à ® Ï ® Y+b. (5.29)

Åñëè èñïóùåííàÿ ÷àñòèöà òîæäåñòâåííà ñ çàõâà÷åííîé (b º à), ïðî-

öåññ (5.27) íàçûâàþò ðàññåÿíèåì. Â ñëó÷àå, êîãäà ýíåðãèÿ ÷àñòèöû b ðàâ-

íà ýíåðãèè ÷àñòèöû à (W

= W

), ðàññåÿíèå ÿâëÿåòñÿ óïðóãèì, â ïðîòèâ-

íîì ñëó÷àå (ò. å. ïðè W

¹ W

)—íåóïðóãèì. ßäåðíàÿ ðåàêöèÿ èìååò ìå-

ñòî, åñëè ÷àñòèöà b íå òîæäåñòâåííà ñ ÷àñòèöåé à.

ßäåðíûå ðåàêöèè êëàññèôèöèðóþòñÿ:

1) ïî ðîäó ó÷àñòâóþùèõ ÷àñòèö: ïîä äåéñòâèåì íåéòðîíîâ; ïîä äåé-

ñòâèåì çàðÿæåííûõ ÷àñòèö (ïðîòîíîâ, a-÷àñòèö è äð.); ïîä äåéñòâèåì

g-êâàíòîâ;

2) ïî ýíåðãèè âûçûâàþùèõ èõ ÷àñòèö: ìàëûå ýíåðãèè ~ 1 ýÂ (ñ íåé

òðîíàìè); ñðåäíèå ýíåðãèè ~ 1 ÌýÂ (ñ g-êâàíòàìè, a-÷àñòèöàìè); âûñî

êèå ýíåðãèè ~ 10

ÌýÂ (ðîæäåíèå íîâûõ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö);

3) ïî ðîäó ó÷àñòâóþùèõ â íèõ ÿäåð: íà ëåãêèõ ÿäðàõ (À < 50); íà

ñðåäíèõ ÿäðàõ (50 < À < 100); íà òÿæåëûõ ÿäðàõ (À > 100);

4) ïî õàðàêòåðó ÿäåðíûõ ïðåâðàùåíèé: ñ èñïóñêàíèåì íåéòðîíîâ;

ñ èñïóñêàíèåì çàðÿæåííûõ ÷àñòèö; ðåàêöèè çàõâàòà (èçëó÷àåòñÿ g-êâàíò).

Îäíèì èç äâóõ ïðèíöèïèàëüíî âîçìîæíûõ ñïîñîáîâ îñâîáîæäåíèÿ

ÿäåðíîé ýíåðãèè ÿâëÿåòñÿ äåëåíèå òÿæåëûõ ÿäåð. Â 1939 ã. íåìåöêèìè

ó÷åíûìè Î. Ãàíîì è Ô. Øòðàññìàíîì áûëî îòêðûòî äåëåíèå ÿäåð óðàíà.

Ïðîäîëæàÿ èññëåäîâàíèÿ, íà÷àòûå Ôåðìè, îíè óñòàíîâèëè, ÷òî ïðè áîì

áàðäèðîâêå óðàíà íåéòðîíàìè âîçíèêàþò ýëåìåíòû ñðåäíåé ÷àñòè

245

ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû — ðàäèîàêòèâíûå èçîòîïû áàðèÿ (Z = 56), êðèï

òîíà (Z = 36) è äð.

Óðàí âñòðå÷àåòñÿ â ïðèðîäå â âèäå äâóõ èçîòîïîâ:

238

(99,3 %) è

235

(0,7 %). Ïðè áîìáàðäèðîâêå íåéòðîíàìè ÿäðà îáîèõ èçîòîïîâ ìîãóò ðàñ

ùåïëÿòüñÿ íà äâà îñêîëêà. Ïðè ýòîì ðåàêöèÿ äåëåíèÿ

235

íàèáîëåå èí

òåíñèâíî èäåò íà ìåäëåííûõ (òåïëîâûõ) íåéòðîíàõ, â òî âðåìÿ êàê ÿäðà

238

âñòóïàþò â ðåàêöèþ äåëåíèÿ òîëüêî ñ áûñòðûìè íåéòðîíàìè

ñ ýíåðãèåé ïîðÿäêà 1 ÌýÂ.

Îñíîâíîé èíòåðåñ äëÿ ÿäåðíîé ýíåðãåòèêè ïðåäñòàâëÿåò ðåàêöèÿ äå

ëåíèÿ ÿäðà

235

. Òèïè÷íàÿ ðåàêöèÿ äåëåíèÿ ýòîãî ÿäðà ñîïðîâîæäàåòñÿ

èñïóñêàíèåì âòîðè÷íûõ íåéòðîíîâ:

235

139

3UBaKr+® + +nn

. (5.30)

Ýíåðãèÿ, âûäåëÿþùàÿñÿ ïðè äåëåíèè îäíîãî ÿäðà óðàíà, îãðîìíà —

ïîðÿäêà 200 ÌýÂ, ÷òî ñîñòàâëÿåò 0,9 ÌýÂ/íóêëîí. Ïðè ïîëíîì äåëåíèè

âñåõ ÿäåð, ñîäåðæàùèõñÿ â 1 ã óðàíà, âûäåëÿåòñÿ òàêàÿ æå ýíåðãèÿ, êàê

è ïðè ñãîðàíèè 3 ò óãëÿ èëè 2,5 ò íåôòè.

Ïðè äåëåíèè ÿäðà óðàíà-235, êîòîðîå âûçâàíî ñòîëêíîâåíèåì ñ íåé-

òðîíîì, îñâîáîæäàåòñÿ 2–3 íåéòðîíà. Ïðè áëàãîïðèÿòíûõ óñëîâèÿõ ýòè

íåéòðîíû ìîãóò ïîïàñòü â äðóãèå ÿäðà óðàíà è âûçâàòü èõ äåëåíèå.

Íà ýòîì ýòàïå ïîÿâÿòñÿ óæå îò 4 äî 9 íåéòðîíîâ, ñïîñîáíûõ âûçâàòü íî-

âûå ðàñïàäû ÿäåð óðàíà è ò. ä. Òàêîé ëàâèíîîáðàçíûé ïðîöåññ íàçûâàåò-

ñÿ öåïíîé ðåàêöèåé.

Öåïíàÿ ðåàêöèÿ â óðàíå ñ ïîâûøåííûì ñîäåðæàíèåì óðàíà-235 ìî

æåò ðàçâèâàòüñÿ òîëüêî òîãäà, êîãäà ìàññà óðàíà ïðåâîñõîäèò òàê íàçû

âàåìóþ êðèòè÷åñêóþ ìàññó. Äëÿ ÷èñòîãî óðàíà-235 êðèòè÷åñêàÿ ìàññà

ñîñòàâëÿåò îêîëî 50 êã. Êðèòè÷åñêóþ ìàññó óðàíà ìîæíî âî ìíîãî ðàç

óìåíüøèòü, åñëè èñïîëüçîâàòü òàê íàçûâàåìûå çàìåäëèòåëè íåéòðîíîâ.

Íàèëó÷øèìè çàìåäëèòåëÿìè íåéòðîíîâ ÿâëÿþòñÿ òÿæåëàÿ âîäà D

ãðàôèò, ÿäðà êîòîðîãî íå ïîãëîùàþò íåéòðîíîâ. Ïðè óïðóãîì âçàèìî

äåéñòâèè ñ ÿäðàìè äåéòåðèÿ èëè óãëåðîäà íåéòðîíû çàìåäëÿþòñÿ äî òåï

ëîâûõ ñêîðîñòåé.

Ïðèìåíåíèå çàìåäëèòåëåé íåéòðîíîâ è ñïåöèàëüíîé îáîëî÷êè èç áå

ðèëëèÿ, êîòîðàÿ îòðàæàåò íåéòðîíû, ïîçâîëÿåò ñíèçèòü êðèòè÷åñêóþ ìàññó.

Óñòðîéñòâî, â êîòîðîì ïîääåðæèâàåòñÿ óïðàâëÿåìàÿ ðåàêöèÿ äåëå

íèÿ ÿäåð, íàçûâàåòñÿ ÿäåðíûì (èëè àòîìíûì) ðåàêòîðîì (ðèñ. 5.9).

246

Ïåðâûé ÿäåðíûé ðåàêòîð áûë ïîñòðîåí â 1942 ã. â ÑØÀ ïîä ðóêîâî-

äñòâîì Ý. Ôåðìè. Â íàøåé ñòðàíå ïåðâûé ðåàêòîð áûë ïîñòðîåí â 1946 ã.

ïîä ðóêîâîäñòâîì È. Â. Êóð÷àòîâà, ïåðâàÿ â ìèðå àòîìíàÿ ýëåêòðîñòàí-

öèÿ íà ìåäëåííûõ íåéòðîíàõ — â Îáíèíñêå â 1954 ã. ìîùíîñòüþ 5 ÌÂò.

Òîïëèâîì ÿâëÿåòñÿ îáîãàùåííàÿ ñìåñü èçîòîïîâ óðàíà ñ ïîâûøåííûì

ñîäåðæàíèåì óðàíà-235 (äî 3 %).

Â àêòèâíóþ çîíó ââîäÿòñÿ ðåãóëèðóþùèå ñòåðæíè, ñîäåðæàùèå

êàäìèé èëè áîð, êîòîðûå èíòåíñèâíî ïîãëîùàþò íåéòðîíû. Ââåäåíèå

ñòåðæíåé â àêòèâíóþ çîíó ïîçâîëÿåò óïðàâëÿòü ñêîðîñòüþ öåïíîé ðå

àêöèè.

Àêòèâíàÿ çîíà îõëàæäàåòñÿ ñ ïîìîùüþ ïðîêà÷èâàåìîãî òåïëîíîñè

òåëÿ, â êà÷åñòâå êîòîðîãî ìîæåò ïðèìåíÿòüñÿ âîäà èëè ìåòàëë ñ íèçêîé

òåìïåðàòóðîé ïëàâëåíèÿ (íàïðèìåð, íàòðèé, èìåþùèé òåìïåðàòóðó

ïëàâëåíèÿ 98 °C). Â ïàðîãåíåðàòîðå òåïëîíîñèòåëü ïåðåäàåò òåïëîâóþ

ýíåðãèþ âîäå, ïðåâðàùàÿ åå â ïàð âûñîêîãî äàâëåíèÿ. Ïàð íàïðàâëÿåòñÿ

â òóðáèíó, ñîåäèíåííóþ ñ ýëåêòðîãåíåðàòîðîì. Èç òóðáèíû ïàð ïîñòóïà

åò â êîíäåíñàòîð. Âî èçáåæàíèå óòå÷êè ðàäèàöèè êîíòóðû òåïëîíîñèòå

ëÿ I è ïàðîãåíåðàòîðà II ðàáîòàþò ïî çàìêíóòûì öèêëàì.

Òóðáèíà àòîìíîé ýëåêòðîñòàíöèè ÿâëÿåòñÿ òåïëîâîé ìàøèíîé

c ÊÏÄ ~ 30 %. Îñòàëüíàÿ ýíåðãèÿ óíîñèòñÿ âîäîé, îõëàæäàþùåé êîí

247

Ðèñ. 5.9

äåíñàòîð. Ýòî ïðèâîäèò ê ëîêàëüíîìó ïåðåãðåâó åñòåñòâåííûõ âîäîåìîâ

è ïîñëåäóþùåìó âîçíèêíîâåíèþ ýêîëîãè÷åñêèõ ïðîáëåì.

Îäíàêî ãëàâíàÿ ïðîáëåìà ñîñòîèò â îáåñïå÷åíèè ïîëíîé ðàäèàöèîííîé

áåçîïàñíîñòè. Ïîñëå àâàðèé íà íåêîòîðûõ ÀÝÑ, â ÷àñòíîñòè íà ÀÝÑ â Ïåí

ñèëüâàíèè (ÑØÀ, 1979 ã.) è íà ×åðíîáûëüñêîé ÀÝÑ (ÑÑÑÐ, 1986 ã.), ïðî

áëåìà áåçîïàñíîñòè ÿäåðíîé ýíåðãåòèêè ñòàëà îñîáåííî îñòðîé.

Íàðÿäó ñ ÿäåðíûì ðåàêòîðîì íà ìåäëåííûõ íåéòðîíàõ áîëüøîé

ïðàêòè÷åñêèé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿþò ðåàêòîðû, ðàáîòàþùèå íà áûñò

ðûõ íåéòðîíàõ. Â òàêèõ ðåàêòîðàõ ÿäåðíûì ãîðþ÷èì ÿâëÿåòñÿ îáîãà

ùåííàÿ ñìåñü, ñîäåðæàùàÿ íå ìåíåå 15 % èçîòîïà

235

. Ïðåèìóùåñòâî

ðåàêòîðîâ íà áûñòðûõ íåéòðîíàõ ñîñòîèò â òîì, ÷òî ïðè èõ ðàáîòå ÿäðà

óðàíà-238, ïîãëîùàÿ íåéòðîíû, ïîñðåäñòâîì äâóõ ïîñëåäîâàòåëüíûõ

b-ðàñïàäîâ ïðåâðàùàþòñÿ â ÿäðà ïëóòîíèÿ, êîòîðûå çàòåì ìîæíî èñ

ïîëüçîâàòü â êà÷åñòâå ÿäåðíîãî òîïëèâà: íà 1 êã óðàíà-235 ïîëó÷àåòñÿ äî

1,5 êã ïëóòîíèÿ.

Ïåðâàÿ àòîìíàÿ ñòàíöèÿ íà áûñòðûõ íåéòðîíàõ ìîùíîñòüþ 350 ÌÂò

ïîñòðîåíà â ã. Øåâ÷åíêî íà áåðåãó Êàñïèéñêîãî ìîðÿ. Íîâîâîðîíåæñêàÿ

ÀÝÑ èìååò ìîùíîñòü 1500 ÌÂò.

Âòîðîé ïóòü îñâîáîæäåíèÿ ÿäåðíîé ýíåðãèè ñâÿçàí ñ ðåàêöèÿìè

ñèíòåçà, äàþùèìè íàèáîëüøóþ ýíåðãèþ íà åäèíèöó ìàññû. Ïðè ñëèÿ-

íèè ëåãêèõ ÿäåð äåéòåðèÿ è òðèòèÿ è îáðàçîâàíèè íîâîãî ÿäðà âûäåëÿåò-

ñÿ áîëüøîå êîëè÷åñòâî ýíåðãèè:

HH He+® ++nQ

, (5.31)

ãäå Q = 17,6 ÌýÂ = 3,5 ÌýÂ/íóêëîí.

Êîëè÷åñòâî äåéòåðèÿ â ñòàêàíå ïðîñòîé âîäû ýêâèâàëåíòíî 60 ë áåí

çèíà. Êîëè÷åñòâî äåéòåðèÿ â îêåàíñêîé âîäå 4 · 10

ò, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò

ýíåðãèè 10

ÌÂò·ãîä.

Ðåàêöèè ñëèÿíèÿ ëåãêèõ ÿäåð íàçûâàþòñÿ òåðìîÿäåðíûìè ðåàêöèÿ

ìè, òàê êàê îíè ìîãóò ïðîòåêàòü òîëüêî ïðè î÷åíü âûñîêèõ òåìïåðàòó

ðàõ: 10

–10

Ê. Ïðè òàêîé òåìïåðàòóðå âåùåñòâî íàõîäèòñÿ â ïîëíîñòüþ

èîíèçèðîâàííîì ñîñòîÿíèè, êîòîðîå íàçûâàåòñÿ ïëàçìîé.

Ïåðâàÿ òåðìîÿäåðíàÿ ðåàêöèÿ â ÑÑÑÐ îñóùåñòâëåíà â 1953 ã., ÷åðåç

ïîëãîäà — â ÑØÀ. Óïðàâëÿåìûå òåðìîÿäåðíûå ðåàêöèè äàäóò ÷åëîâå

÷åñòâó íîâûé ýêîëîãè÷åñêè ÷èñòûé è ïðàêòè÷åñêè íåèñ÷åðïàåìûé

èñòî÷íèê ýíåðãèè. Îäíàêî ïîëó÷åíèå ñâåðõâûñîêèõ òåìïåðàòóð è óäåð

æàíèå ïëàçìû, íàãðåòîé äî ìèëëèàðäà ãðàäóñîâ, ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé

248

òðóäíåéøóþ íàó÷íî-òåõíè÷åñêóþ çàäà÷ó íà ïóòè îñóùåñòâëåíèÿ óïðàâ

ëÿåìîãî òåðìîÿäåðíîãî ñèíòåçà.

Íà äàííîì ýòàïå ðàçâèòèÿ íàóêè è òåõíèêè óäàëîñü îñóùåñòâèòü

òîëüêî íåóïðàâëÿåìóþ ðåàêöèþ ñèíòåçà â âîäîðîäíîé áîìáå. Âûñîêàÿ

òåìïåðàòóðà, íåîáõîäèìàÿ äëÿ ÿäåðíîãî ñèíòåçà, äîñòèãàåòñÿ çäåñü ñ ïî

ìîùüþ âçðûâà îáû÷íîé óðàíîâîé èëè ïëóòîíèåâîé áîìáû.

Ó÷åíûå ðÿäà ñòðàí íàñòîé÷èâî ðàáîòàþò íàä èçûñêàíèåì ñïîñîáîâ

îñóùåñòâëåíèÿ óïðàâëÿåìîãî òåðìîÿäåðíîãî ñèíòåçà. Â íàñòîÿùåå âðå

ìÿ â ðàìêàõ ìåæäóíàðîäíîãî ïðîåêòà âî Ôðàíöèè ñòðîèòñÿ ýêñïåðèìåí

òàëüíûé òåðìîÿäåðíûé ðåàêòîð.

5.4. Ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû

Â íà÷àëå 30-õ ãã. ÕÕ â. ôèçèêà íàøëà ïðèåìëåìîå îïèñàíèå ñòðîå

íèÿ âåùåñòâà íà îñíîâå ÷åòûðåõ òèïîâ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö — ïðîòî-

íîâ, íåéòðîíîâ, ýëåêòðîíîâ è ôîòîíîâ. Äîáàâëåíèå ïÿòîé ÷àñòèöû —

íåéòðèíî — ïîçâîëèëî îáúÿñíèòü òàêæå ïðîöåññû ðàäèîàêòèâíîãî ðàñ-

ïàäà. Êàçàëîñü, ÷òî íàçâàííûå ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû ÿâëÿþòñÿ ïåðâî-

êèðïè÷èêàìè ìèðîçäàíèÿ.

Íî ýòà êàæóùàÿñÿ ïðîñòîòà âñêîðå èñ÷åçëà — áûë îáíàðóæåí ïîçè-

òðîí, ïðåäñêàçàííûé Äèðàêîì. Â 1936 ã. ñðåäè ïðîäóêòîâ âçàèìîäåéñò-

âèÿ êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé ñ âåùåñòâîì áûë îòêðûò ïåðâûé ìåçîí. Ïîñëå

ýòîãî óäàëîñü íàáëþäàòü ìåçîíû èíîé ïðèðîäû, à òàêæå äðóãèå íåîáû÷-

íûå ÷àñòèöû. Ýòè ÷àñòèöû ðîæäàëèñü ïîä äåéñòâèåì êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé

äîâîëüíî ðåäêî. Îäíàêî ïîñëå òîãî, êàê áûëè ïîñòðîåíû óñêîðèòåëè, ïî-

çâîëÿþùèå ïîëó÷àòü ÷àñòèöû áîëüøèõ ýíåðãèé, óäàëîñü îòêðûòü áîëåå

300 íîâûõ ÷àñòèö.

×òî æå òîãäà ïîíèìàòü ïîä ñëîâîì «ýëåìåíòàðíàÿ»? «Ýëåìåíòàð

íàÿ» — ëîãè÷åñêèé àíòèïîä «ñëîæíîé». Ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû — çíà

÷èò ïåðâè÷íûå, äàëåå íåðàçëîæèìûå ÷àñòèöû, èç êîòîðûõ ñîñòîèò âñÿ

ìàòåðèÿ. Ê ñîðîêîâûì ãîäàì XX â. áûë èçâåñòåí óæå ðÿä ïðåâðàùåíèé

«ýëåìåíòàðíûõ» ÷àñòèö. ×èñëî ÷àñòèö ïðîäîëæàåò ðàñòè. Áîëüøàÿ èõ

÷àñòü íåñòàáèëüíà. Ñðåäè äåñÿòêîâ èçâåñòíûõ ìèêðî÷àñòèö âñåãî íå

ñêîëüêî óñòîé÷èâûõ, íåñïîñîáíûõ ê ñàìîïðîèçâîëüíûì ïðåâðàùåíèÿì.

Íå ÿâëÿåòñÿ ëè óñòîé÷èâîñòü ïî îòíîøåíèþ ê ñàìîïðîèçâîëüíûì ïðå

âðàùåíèÿì ïðèçíàêîì ýëåìåíòàðíîñòè?

ßäðî äåéòåðèÿ (äåéòðîí) ñîñòîèò èç ïðîòîíà è íåéòðîíà. Êàê ÷àñòè

öà äåéòðîí ñîâåðøåííî óñòîé÷èâ. Â òî æå âðåìÿ ñîñòàâíàÿ ÷àñòü äåéòðî

249

íà, íåéòðîí, b-ðàäèîàêòèâåí, ò. å. íåóñòîé÷èâ. Ýòîò ïðèìåð ïîêàçûâàåò,

÷òî ïîíÿòèÿ óñòîé÷èâîñòè è ýëåìåíòàðíîñòè — íå òîæäåñòâåííû. Â ñî

âðåìåííîé ôèçèêå òåðìèí «Ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû» îáû÷íî óïîòðåá

ëÿåòñÿ äëÿ íàèìåíîâàíèÿ áîëüøîé ãðóïïû ìåëü÷àéøèõ ÷àñòèö ìàòåðèè

(êîòîðûå íå ÿâëÿþòñÿ àòîìàìè èëè àòîìíûìè ÿäðàìè).

Âñå ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû îáëàäàþò èñêëþ÷èòåëüíî ìàëûìè ìàññàìè

è ðàçìåðàìè. Ó áîëüøèíñòâà èç íèõ ìàññà ñîîòâåòñòâóåò ìàññå ïðîòîíà —

1,6 · 10

-27

êã (çàìåòíî ìåíüøå ëèøü ìàññà ýëåêòðîíà 0,9 · 10

-30

êã). Ìèêðî

ñêîïè÷åñêèå ðàçìåðû è ìàññû ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö îáóñëîâëèâàþò êâàí

òîâûå çàêîíîìåðíîñòè èõ ïîâåäåíèÿ. Íàèáîëåå âàæíîå êâàíòîâîå ñâîéñòâî

âñåõ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö — ñïîñîáíîñòü ðîæäàòüñÿ è óíè÷òîæàòüñÿ (èñ

ïóñêàòüñÿ è ïîãëîùàòüñÿ) ïðè âçàèìîäåéñòâèè ñ äðóãèìè ÷àñòèöàìè.

Èçâåñòíû ÷åòûðå òèïà ðàçëè÷íûõ ïî ñâîåé ïðèðîäå âçàèìîäåéñòâèé

ìåæäó ÷àñòèöàìè: ãðàâèòàöèîííîå, ýëåêòðîìàãíèòíîå, ñèëüíîå è ñëàáîå.

Êàêîâû îñîáåííîñòè ÷åòûðåõ ïåðå÷èñëåííûõ âèäîâ âçàèìîäåéñòâèÿ?

Íàèáîëåå ñèëüíûì ÿâëÿåòñÿ âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó ÿäåðíûìè ÷àñ-

òèöàìè («ÿäåðíûå ñèëû»), ïîýòîìó åãî ïðèíÿòî íàçûâàòü ñèëüíûì. Óæå

îòìå÷àëîñü, ÷òî ÿäåðíûå ñèëû äåéñòâóþò ëèøü ïðè âåñüìà ìàëûõ ðàñ-

ñòîÿíèÿõ ìåæäó ÷àñòèöàìè: ðàäèóñ äåéñòâèÿ ïîðÿäêà 10

–15

ì.

Ñëåäóþùèì ïî âåëè÷èíå ÿâëÿåòñÿ ýëåêòðîìàãíèòíîå âçàèìîäåéñò-

âèå. Îíî ìåíüøå ñèëüíîãî íà äâà ïîðÿäêà. Íî ñ ðàññòîÿíèåì îíî ìåíÿåò-

ñÿ ìåäëåííåå, êàê 1/r

, òàê ÷òî ðàäèóñ äåéñòâèÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ñèë

áåñêîíå÷åí.

Äàëåå ñëåäóåò ñëàáîå âçàèìîäåéñòâèå, îáóñëîâëåííîå ó÷àñòèåì

â ðåàêöèÿõ íåéòðèíî. Ïî ïîðÿäêó âåëè÷èíû ýòî âçàèìîäåéñòâèå ìåíüøå

ñèëüíîãî â 10

ðàç. Ïî-âèäèìîìó, ðàäèóñ äåéñòâèÿ çäåñü òàêîé æå, êàê

è â ñëó÷àå ñèëüíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ.

Ñàìîå ìàëîå èç èçâåñòíûõ âçàèìîäåéñòâèé — ãðàâèòàöèîííîå. Îíî

ìåíüøå ñèëüíîãî íà 39 ïîðÿäêîâ — â 10

ðàç! Ñ ðàññòîÿíèåì ãðàâèòàöè

îííûå ñèëû óáûâàþò ñòîëü æå ìåäëåííî, êàê è ýëåêòðîìàãíèòíûå, òàê

÷òî èõ ðàäèóñ äåéñòâèÿ òàêæå áåñêîíå÷åí.

Â êîñìîñå îñíîâíàÿ ðîëü ïðèíàäëåæèò ãðàâèòàöèîííûì âçàèìîäåéñò

âèÿì, òàê êàê ðàäèóñ äåéñòâèÿ ñèëüíûõ è ñëàáûõ âçàèìîäåéñòâèé íè÷òî

æåí. Ýëåêòðîìàãíèòíûå âçàèìîäåéñòâèÿ èãðàþò îãðàíè÷åííóþ ðîëü ïî

òîìó, ÷òî ýëåêòðè÷åñêèå çàðÿäû ïðîòèâîïîëîæíûõ çíàêîâ ñòðåìÿòñÿ ê îá

ðàçîâàíèþ íåéòðàëüíûõ ñèñòåì. Ãðàâèòàöèîííûå ñèëû — âñåãäà ñèëû

ïðèòÿæåíèÿ. Èõ íåëüçÿ ñêîìïåíñèðîâàòü ñèëîé îáðàòíîãî çíàêà, îò íèõ

íåëüçÿ ýêðàíèðîâàòüñÿ. Îòñþäà — èõ äîìèíèðóþùàÿ ðîëü â êîñìîñå.

250