Реакции деления. Цепная реакция. Ядерная энергетика.
Отто Ган и Фриц Штрассман при бомбардировке ядра урана нейтронами обнаружили неизвестное ранее явление. Ядра урана, поглотив нейтрон, распадалось на две примерно равные части. Это было необычным, т.к. до этого наблюдали лишь отделение небольших осколков от ядра (протона/нейтрона/альфа-частицы).
Явление назвали делением ядра из-за сходства деления клетки в биологии. Появилась капельная модель ядра. Нейтрон, который поглощается ядром, передает дополнительную внутреннюю энергию ядру. Образуется промежуточное состояние (составное ядро), избыточная энергия этого ядра приводит к более интенсивному движению нуклонов, ядро приобретает форму гантельки. Короткодействующие (ядерные) силы ослабевают, т.к. расстояние между нуклонами увеличивается, а электростатическое отталкивание доминирует. В результате ядро расщепляется надвое. Деление сопровождается испусканием одного/двух нейтронов. Плюс это сопровождается выделением огромного количества энергии (т.к. масса материнского ядра намного больше суммарной массы получившихся ядер).
С практической очки зрения выделяющаяся в одном акте деления энергия ничтожно мала. Но если одновременно делится большое число ядер урана, то в макроскопических масштабах будет выделяться огромная энергия. Ряд физиков, включая и Ферми, поняли, что нейтроны, испускаемые в каждом акте делания, можно использовать для осуществления цепной реакции: один нейтрон первоначально вызывает деление одного ядра урана; два или три образовавшихся нейтрона вызовут дополнительные акты деления и так далее, так что процесс лавинообразно нарастает. Если бы практически удалость осуществить самоподдерживающуюся цепную реакцию, то можно было бы получать огромное количество энергии, выделяющейся в процессе деления. Ферми и его сотрудники в Чикагском университете доказали возможность такой реакции, построив в 1942 году первый ядерный реактор.
Механизм вынужденного деления ядер положен в основу работы уран-графитового ядерного реактора.
Гетерогенный реактор - ядерный реактор, в котором ядерное топливо конструктивно отделено от других элементов и материалов активной зоны. Топливо помещается в реактор в виде твэлов (тепловыделяющих элементов) (стержня, трубки или пластины), заключённых в герметичную оболочку из алюминия, циркония или нержавеющей стали. Наличие твэлов – признак гетерогенности реактора.
Теплоноситель – жидкое или газообразное вещество, применяемое для передачи тепловой энергии.
Замедлитель - вещество с малой атомной массой, служащее для замедления, образующихся при делении ядер нуклидов, нейтронов с высокой энергией (0,5-10 МэВ) до тепловых энергий (менее 1 эВ). В качестве замедлителя обычно используют графит или воду.
Регулирующие стержни – часть ядерного реактора, обеспечивающая частичное поглощение нейтронов в активной зоне для регулирования цепной реакции.
Ионизирующее излучение. Дозиметрия ионизирующих излучений.
Ионизирующее излучение – потоки фотонов и других элементарных частиц или атомных ядер, способные ионизировать вещество.
Самым известным детектором ионизирующего излучения является счётчик Гейгера -газоразрядный прибор, в котором ионизация газа излучением превращается в электрический ток между электродами.
Дозиметрия
Доза излучения — в физике, радиобиологии, медицине, радиационной безопасности — величина, используемая для оценки степени воздействия ионизирующего излучения на любые вещества, живые организмы и их ткани.
Экспозиционная доза — количественная мера, основанная на величине ионизации сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении, легко поддающаяся измерению.
Поглощённая доза — количественная мера, основанная на величине, поглощённой веществом энергии, дающей начало физико-химическим изменениям в облучаемом веществе и приводящим к определённому радиационному эффекту.
Эквивалентная доза — количественная мера, которая учитывает степень биологического воздействия различных видов ионизирующих излучений.
Экспозиционная доза
Величина заряда q ионов одного знака, образованных после полного торможения в сухом воздухе электронов и позитронов, освобождённых или порождённых фотонами, в расчёте на единицу массы воздуха:
Единица измерения в СИ — Кл/кг
Мощность экспозиционной дозы — доза, поглощаемая в единицу времени:
Единица измерения в СИ — А/кг
Поглощённая доза
Поглощённая доза — величина энергии W ионизирующего излучения, переданная веществу массы m:
Единица измерения в СИ — грей (1 Гр = 1 Дж/кг)
Недостаток — не отражает биологический эффект облучения.
Мощность поглощённой дозы — доза, поглощаемая в единицу времени:
Единица измерения в СИ — грей в секунду (1 Гр/с = 1 Вт/кг)
Эквивалентная доза
Эквивалентная доза H характеризует биологический эффект облучения организма ионизирующим излучением. Коэффициент качества K ионизирующего излучения — величина, которая показывает во сколько раз данное ионизирующее излучение сильнее повреждает ткани организма по сравнению с гамма-излучением.
Единица измерения — зиверт (Зв)
Мощность эквивалентной дозы — эквивалентная доза, поглощаемая в единицу времени:
Давление света. Опыты Лебедева. Объяснение светового давления в рамках волновой и квантовой теорий.
Гипотеза де Бройля. Волновая природа микрочастиц. Опыт Дэвиссона-Джермера. Корпускулярно-волновой дуализм.
Корпускулярно-волновой дуализм
Корпускулярные свойства:
1. Излучение абсолютно чёрных тел, равновесное тепловое излучение
- гипотеза Планка о существовании квантов энергии
2. Фотоэффект
3. Эффект Комптона – фотоны
4. Давление света
Волновые свойства:
1. Интерференция
2. Дифракция
3. Дисперсия
4. Поляризация
Принцип дополнительности Бора: для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два взаимоисключающих набора классических понятий, совокупность которых даёт исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных.
В 1924 г. Луи де Бройль (французский физик) пришел к выводу, что двойственность света должна быть распространена и на электроны. Гипотеза де Бройля заключалась в том, что электрон, корпускулярные свойства которого (энергия E и импульс p) изучаются давно, имеет еще и волновые свойства (частота v и длина волны λ), т.е. при определенных условиях ведет себя как волна.
Идея де Бройля состояла в том, что это соотношение имеет универсальный характер, справедливый для любых волновых процессов. Любой частице, обладающей импульсом р, соответствует волна, длина которой вычисляется по формуле де Бройля.
Опыт Дэвиссона и Джермера
Гипотеза: если электрон обладает волновыми свойствами, то дифракционный максимум должен наблюдаться при выполнении условия Вульфа-Брэгга:
Установка: установка включала в себя монокристалл никеля, сошлифованный под углом, и установленный на держателе. На плоскость шлифа направлялся перпендикулярно пучок монохроматических электронов. Скорость электронов определялась напряжением U на электронной пушке:
Коллектор
(детектор), соединённый с чувствительным
гальванометром, можно устанавливать
под любым углом относительно падающего
луча. По показаниям гальванометра
определялась интенсивность отражённого
от кристалла электронного пучка. Вся
установка находилась в вакууме. В опытах
измерялась интенсивность рассеянного
кристаллом электронного пучка в
зависимости от угла рассеяния
и от скорости электронов в пучке (разности
потенциалов).
Результаты:
Первый дифракционный максимум наблюдался под углом = 50о.
Импульс электрона связан с его кинетической энергией формулой
Из формулы де Бройля определяем длину волны электронов:
В то же время по формуле Брэгга-Вульфа для максимума первого порядка при дифракции на кристалле никеля с периодом решетки d = 0,091 нм получаем:
Оба результата хорошо совпадают, что подтверждает наличие волновых свойств у электронов.
Электроны в теории Бора движутся по круговым орбитам. Де Бройль им соответствует круговые стоячие волны, которые «замыкаются» на себя. Если длина волны такова, что не позволяет волне «замкнуться», то на круговой орбите происходит ослабляющая интерференция, и волна быстро затухает. Следовательно, возможны только те волны, у которых на круговой орбите укладывается целое число длин волн.
