Цепная ядерная реакция – это процесс деления тяжелых ядер, при котором деление воспроизводится снова и снова. Пределы деления атома: Согласно принципам квантовой механики, есть нижний предел, достигнутый в элементарных частицах, таких как кварки или лептоны.
Что такое ядерное деление и как оно происходит
В результате появляется пара более лёгких в сумме элементов осколков деления , чем исходные. На очередном этапе взаимодействия число вовлекаемых в процесс ядер может превышать их численность на прежнем этапе, тогда их количество растёт лавинообразно. Если их численность на каждом этапе удерживается на одном уровне, цепная ядерная реакция называется управляемой. Лавинообразное появление новых ядер в уране возможно только для изотопа 235U. Впервые о явлении заговорили в 1934 благодаря работам Жолио-Кюри. Они, в 1939 году, вместе с Коварски провели бомбардировку урана и, кроме осколков деления, обнаружили высвобождение 2-3 нейтронов. При попадании в другие ядра последние снова делятся с выделением уже 6-9 элементарных частиц.
В процессе исследований и экспериментов Ферми, супруги Кюри, Штрассман, Фриш, Ган установили: попавший в ядро 235U нейтрон делит его в два-три раза.
Можно повысить энерговыделение взрыва, формируя нейтронный импульс специальной формы. Она задается специальными элементами в блоке нейтронной трубки.
Поздние поколения нейтронных источников имеют свои особенности конструкции, но их работа строится на тех же принципах: выдача нейтронного потока нужной интенсивности, длительности и формы, с точной привязкой во времени. Система предохранения и взведения Даже обычный снаряд допустим, автоматической авиационной пушки не готов к взрыву ни на складе, ни в ленте на борту, ни в стволе пушки, ни сразу после выхода из ствола. В процессе выстрела и полета во взрывателе снаряда снимается целый ряд предохранений, последнее уже через пару сотен метров от дула.
Это называется дальним взведением, и исключает взрыв снаряда на борту, в стволе и вблизи самолета. Для ядерного боеприпаса это тем более важно. Он не готов к взрыву ни при эксплуатации, ни сразу после отделения от носителя.
Ядерный заряд не даст атомного взрыва в любой нештатной ситуации. Даже если его уронить с высоты на скалы, сунуть в доменную печь, обстрелять из любого оружия, обложить взрывчаткой и взорвать, или близко сработает другой ядерный заряд. Карпенко Взрывобезопасность заряда обеспечивает система предохранения и взведения.
Она исключает случайный или преждевременный подрыв заряда, взрыв из-за ложных данных, несанкционированных действий и любых нештатных причин. Она же переводит заряд в стадии все большей готовности к взрыву перед его срабатыванием. И эта система также входит в состав блока автоматики.
Ядерный заряд полностью готов взорваться только непосредственно перед взрывом Для предохранения и взведения заряда в блоке автоматики используются комплексы различных коммутационных устройств. Это электромагнитные реле разных типов и электромагнитные выключатели. Они образуют сложные электрические цепи с возможностью их включения и отключения.
Кроме коммутационных, есть другие устройства, входящие в широкий спектр электромеханических приборов автоматики. Не все они размещены в самом блоке автоматики. У человека глаза и осязательные рецепторы находятся на поверхности тела.
А вкусовые и слуховые рецепторы, будучи внутри тела, соединены с внешней средой каналами: ротовой полостью или слуховым каналом. Мышечные рецепторы не контактируют со средой. Данные от всех рецепторов поступают в мозг, где обрабатываются с принятием решений на их основе.
Очень похоже работает и система взведения. В блок автоматики, мозг ядерного заряда, стекаются данные от многих приборов и датчиков. Обрабатывая их, система взведения реализует алгоритмы повышения готовности заряда к взрыву.
Так, чековые или концевые выключатели находятся на поверхности носителя ядерного заряда. Размыкаются контакты, выдергиваются чеки, и в блок автоматики поступает сигнал об отделении носителя от стартового сооружения, самолета-носителя, самоходной установки или подлодки. Другие приборы связаны со средой, в которой движется носитель, и измеряют ее параметры.
Если это крылатая или баллистическая ракета, используются манометрические, барометрические или аэродинамические датчики. Первые выдают сигнал при достижении заданной разности наружного статического давления и давления в специальной емкости в приборе, сообщая о достижении заданного перепада высоты. Вторые реагируют на значение наружного статического воздушного давления.
Третьи срабатывают при заданной разнице статического и полного давления, создаваемого напором встречного воздуха при заданной скорости носителя.
Зачастую величайшие открытия появлялись просто потому, что именно таким образом формула становилась удобной для вычислений как, например, квант Макса Планка. Еще в начале эры фотографии ученые знали: урановые соли засвечивают светочувствительную пленку, но они не подозревали, что в основе этого явления лежит деление ядер. Поэтому радиоактивность изучали, чтобы понять природу распада ядра. Очевидно, что излучение порождались квантовыми переходами, но было не до конца ясно, какими именно. Чета Кюри добывала чистые радий и полоний, обрабатывая практически вручную урановую руду, чтобы получить ответ на этот вопрос. Заряд радиоактивного излучения Резерфорд много сделал для изучения строения атома и внес вклад и в исследование того, как происходит деление ядра атома. Ученый поместил излучение, выделяющееся радиоактивным элементом, в магнитное поле и получил потрясающий результат. Оказалось, что радиация состоит из трех компонентов: одна была нейтральной, а две другие — положительно и отрицательно заряженными. Изучение деления ядра началось с определения его составляющих.
Было доказано, что ядро может делиться, отдавать часть своего положительного заряда. Строение ядра Позже выяснилось, что атомное ядро состоит не только из положительно заряженных частиц протонов, но и нейтральных частиц нейтронов. Все вместе они называются нуклонами от английского «nucleus», ядро. Однако, ученые вновь натолкнулись на проблему: масса ядра то есть количество нуклонов не всегда соответствовала его заряду. Более сложные элементы могут иметь гораздо большее количество разных масс при одном и том же заряде. Такие вариации атомов называются изотопами. Причем некоторые изотопы оказались вполне устойчивыми, другие же быстро распадались, так как для них было характерно деление ядер. Какому принципу отвечало количество нуклонов устойчивости ядер? Почему добавление всего лишь одного нейтрона к тяжелому и вполне стабильному ядру приводило к его расколу, к выделению радиоактивности? Как ни странно, ответ на этот важный вопрос до сих пор не найден.
Опытным путем выяснилось, что определенным количествам протонов и нейтронов соответствуют устойчивые конфигурации атомных ядер. Эти числа даже называют магическими и назвали их так взрослые ученые, ядерные физики. Таким образом, деление ядер зависит от их массы, то есть от количества входящих в них нуклонов. Капля, оболочка, кристалл Определить фактор, который отвечает за устойчивость ядра, на данный момент не удалось. Существует множество теорий модели строения атома. Три самые знаменитые и разработанные зачастую противоречат друг другу в разных вопросах. Согласно первой, ядро — это капля специальной ядерной жидкости. Как и для воды, для него характерны текучесть, поверхностное натяжение, слияние и распад. В оболочечной модели в ядре тоже существуют некие уровни энергии, которые заполняются нуклонами. Третья утверждает, что ядро — среда, которая способна преломлять особые волны дебройлевские , при этом коэффициент преломления — это потенциальная энергия.
Однако ни одна модель пока не смогла в полной мере описать, почему при определенной критической массе именно этого химического элемента, начинается расщепление ядра. Каким бывает распад Радиоактивность, как уже было сказано выше, была обнаружена в веществах, которые можно найти в природе: уране, полонии, радии. Например, только что добытый, чистый уран радиоактивен. Процесс расщепления в данном случае будет спонтанным. Без каких-либо внешних воздействий определенное количество атомов урана испустит альфа-частицы, самопроизвольно преобразуясь в торий.
Много ли энергии можно слупить с одного атома.
А чтобы он таким получился, атом должен быть не какой попало. Просто так распадаются многие атомы радиоактивность. При этом энергия выделяется, но крайне немного.
§ 228. Применения незатухающей цепной реакции деления. Атомная и водородная бомбы
атом стоковые видео и кадры b-roll. Тридцать третий выпуск посвящен делению атома. В этом видеоролике рассказывается о процессе деления атома, его последствиях и значении для науки и техники. Это возможно благодаря тому, что разделенный таким образом атом продолжает оставаться единым целым на квантовом уровне из-за того, что части атома запутаны на квантовом уровне.
§ 228. Применения незатухающей цепной реакции деления. Атомная и водородная бомбы
Как устроен атом? Атом состоит из плотного ядра положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, которое окружено облаком отрицательно заряженных электронов. В таблице Менделеева первое место занимает легкий газ водород, его порядковый номер 1. Ядро атома водорода называется «протон», что в переводе с древнегреческого означает «первый, основной».
Вокруг ядра атома водорода движется один электрон. Зная порядковый номер любого химического элемента в периодической системе Менделеева, можно представить себе строение атомов. Следовательно, в ядре атома кислорода восемь протонов, а на электронных оболочках находится восемь электронов.
Его атомная масса равна 16. Протонов у кислорода восемь, значит, и нейтронов у него восемь. В таблице Менделеева мы видим, что каждый элемент существует в единичном экземпляре.
Может ли быть несколько вариантов кислорода или углерода? Да, есть такое понятие, как изотопы. Если добавить еще один нейтрон, получим атомную массу 17.
В природе такие разновидности кислорода встречаются редко, но люди научились их получать. Изотопы 17 и 18 менее стабильны, чем изотоп 16, а в таблице указаны лишь самые стабильные химические элементы. Изотопы углерода часто используют в медицине.
Их часто используют в медицине для диагностики и лечения заболеваний небольшими дозами радиоактивного излучения, которое не приносит вреда.
В настоящее время в мире хранится более четверти миллиона тонн высокорадиоактивных отходов, ожидающих захоронения или переработки. Это плохо? Хотя хранящиеся ядерные отходы не обязательно представляют непосредственную угрозу, если они хорошо локализованы, вопросы долгосрочного обращения и возможности неправильного обращения и несчастных случаев делают хранение растущей кучи ядерных отходов спорным вопросом. Углерод также является одним из видов отходов. Хотя процесс деления и преобразования ядерной энергии в электричество относительно свободен от выбросов углерода, общий бюджет углерода, связанный с добычей и переработкой руды, необходимой для деления, и строительством конкретной электростанции, не равен нулю. В течение всего срока службы новая атомная электростанция может выбрасывать в атмосферу примерно 4 г CO2 на каждый киловатт-час произведенной электроэнергии. По некоторым оценкам, этот показатель значительно выше - от 10 до 130 граммов CO2 в отдельных случаях. Таким образом, замена угольных электростанций на атомные позволит ежегодно экономить миллионы тонн СО2, не говоря уже о твердых частицах и других загрязняющих веществах. По тем же причинам экологически чистые возобновляемые источники энергии, такие как ветряные турбины и солнечные батареи, также не имеют нулевых выбросов в силу их производства и установки.
Углеродный след солнечных и ветряных электростанций более или менее сопоставим с нижним пределом для атомной энергетики. В целом, атомная энергетика в лучшем случае не содержит столько же углерода, сколько солнечная и ветровая, хотя и связана с непопулярной проблемой отходов. Риск Прошло более трех десятилетий с тех пор, как советская Украина дала миру представление о том, как может выглядеть наихудший сценарий ядерной аварии. Чернобыльская АЭС, расплавившаяся во время технических испытаний в 1986 году, превратилась в радиоактивные руины на фоне отравленного радиоактивными осадками ландшафта. В 2011 году после землетрясения на японской АЭС "Фукусима" также произошла авария. Подобные разрушительные события достаточно редки для того, чтобы о них можно было писать в шокирующих заголовках. Однако, по некоторым оценкам, такие аварии могут происходить раз в 10-20 лет, что чревато распространением радиоактивных веществ на сотни и даже тысячи километров. Насколько это может быть опасно?
Обсудить Квантовая запутанность - явление, когда две частицы имеют одно и то же состояние, положение и тд. При этом изменение одной частицы мгновенно изменит состояние ее партнера, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга. Несмотря на кажущуюся невозможность, квантовая запутанность постоянно демонстрировалась в экспериментах на протяжении десятилетий, и ученые использовали ее причудливую природу для быстрой передачи данных на большие расстояния.
Спектры отличают способами их получения. Нагревая тела, их можно заставить испускать лучи, относящихся к различным областям излучения в зависимости от температуры нагрева. Спектры, полученные нагревом тел, называются спектрами испускания. Они бывают сплошными, линейчатыми и полосатыми. Есть другой способ получения спектра. Пропускают пары газов твердого тела через прозрачные тела. При этом прозрачное тело поглощает часть проходящего через него излучения, спектр, полученный таким способом, называется спектром поглощения. Спектры поглощения могут быть линейчатыми или полосатыми. Спектры различают по роду их источников. Поэтому спектры бывают атомными, молекулярными, а также бывают спектры газов твердых тел.
1.2.2. Деление атомных ядер
Первый блок автоматики БА4 с импульсным нейтронным инициированием, серийное производство 1955 год. Духова Внешне блок автоматики выглядел небольшой бочкой в ранних конструкциях, позже как большая кастрюля или коробка, и может иметь разный вид, размеры и массу. Первые блоки автоматики весили почти центнер; позже вес снизился до 30 килограммов и продолжил уменьшаться вместе с габаритами. Применяются и унифицированные блоки автоматики, и специально созданные под конкретный заряд. Работа любого блока автоматики строится на двух базовых принципах: надежность движения к взрыву и контроль над процессом Эти два принципа реализуются в виде действий, этапов и алгоритмов, выполняемых подсистемами блока автоматики. Они поддерживают много уровней предохранения, переводят заряд в состояния все большей готовности к взрыву, вырабатывают главную команду на подрыв и производят сложный взрыв заряда. Система подрыва и нейтронного инициирования Как мы говорили, подрыв заряда начинается с перевода ядерной сборки в сверхкритическое состояние. Оно достигается ростом компактности ядерного материала: совмещением разделенных частей делящегося вещества в один блок, либо переводом тонкого полого эллипсоида переменной толщины в компактное тело, как в боеголовке W-88.
Или сближением атомов ядерного материала с ростом его плотности, через обжатие взрывом имплозией , с подрывом наружных блоков взрывчатки. Их детонация запускается сразу в нескольких местах от 2 до 32 в разных схемах взрывателями, срабатывающими в высокой степени синхронно. Для запуска детонаторов подается высоковольтный импульс тока через систему кабелей. Почему высоковольтный? Детонаторы не должны реагировать на статическое электричество и наводки в кабелях. Поэтому у специальных детонаторов имплозионной системы нет чувствительного инициирующего взрывчатого вещества азида свинца , запускающего детонацию вторичного взрывчатого вещества, для выхода ее фронта из взрывателя в блок основной взрывчатки. Отсутствие инициирующего вещества делает спецдетонатор намного безопаснее, но требует для срабатывания на порядок большей энергии.
Она и доставляется мощным высоковольтным импульсом тока, равномерно распределяемого между детонаторами. Малогабаритный блок автоматики БА40 массой 12,6 кг. Духова Его выдает генератор подрывного импульса тока — сложное устройство из многих элементов. Это специальные высоковольтные конденсаторы очень большой емкости, коммутирующие импульсные разрядники, мощный транзистор и высоковольтный выпрямительный столб, дополняемые высоковольтными соединительными элементами. Помимо компактности, в силу быстроты и большой мощности импульса возникает требование малоиндуктивности к генератору и его элементам, выполняемое специальными конструктивными и техническими решениями. После выдачи подрывного импульса тока включается электрическая линия задержки. Она откладывает выдачу импульса нейтронов до нужного момента времени, когда ядерный материал в ходе имплозии перейдет в сверхкритическое состояние с заданной величиной эффективного коэффициента размножения нейтронов.
Самые первые импульсные нейтронные источники были неуправляемыми и представляли собой маленький шарик в центре ядерной сборки. Он содержал разделенные преградой полоний и бериллий. Их ядерная реакция для выхода нейтронов запускалась механическим смешением при имплозии, без выбора момента срабатывания. Применение внешних импульсных нейтронных источников упростило ядерную часть заряда, но главное — ощутимо повысило эффективность деления ядерного материала. Уже первые внешние импульсные нейтронные источники были управляемыми и создавали импульс нужной интенсивности и длительности в оптимальный момент времени. Это увеличило выделение энергии взрыва более чем в полтора раза, что наглядно характеризует роль блока автоматики и его возможности. Первые поколения внешних импульсных нейтронных источников были однокаскадным линейным ускорителем.
Он разгонял ионы ядра дейтерия электромагнитным полем до энергии 120 килоэлектронвольт, с запасом обеспечивая преодоление кулоновского отталкивания и энергию начала реакции 100 килоэлектронвольт. Так создается мощный нейтронный поток — нейтронный импульс из десятков триллионов нейтронов и больше, поступающих в сверхкритическую ядерную сборку за короткое время. Технически это вакуумная трубка, где источником ядер дейтерия служит взрывающаяся от нагрева проволочка, содержащая дейтерий. Поэтому устройство назвали нейтронной трубкой.
Нейтрон становится протоном, а протон - нейтроном. Что нам могут дать элементарные частицы? Главной целью для вкладывания денег в столь масштабную идею - это экспериментально рассмотреть стандартную модель , а в последствии найти её отклонения.
Стандартная модель описывает три из четырёх фундаментальных взаимодействия: сильное, слабое и электромагнетизм. Сильное взаимодействие наблюдается в ядрах атомов. Слабое определяет механизм бета-распада. Электромагнетизм определяет взаимодействие заряженных объектов. Завершение стандартной модели связано с открытием бозона Хиггса, ведь без него все частицы не имели бы массы. Без бозона Хиггса не было понятно и отсутствие массы у фотона и глюона, но присутствие её у переносчиков слабого взаимодействия. Теперь же дело за объединением стандартной модели и гравитации, описанной в общей теории относительности Эйнштейном, введении в физику антиматерии, а в последствии и переходу к "новой физике".
Материал оболочки должен слабо поглощать нейтроны и обладать приемлемыми механическими, гидравлическими и теплопроводящими характеристиками. Тепловыделяющие элементы — это обычно таблетки спеченного оксида урана в трубках из алюминия, циркония или нержавеющей стали; таблетки сплавов урана с цирконием, молибденом и алюминием, покрытые цирконием или алюминием в случае алюминиевого сплава ; таблетки графита с диспергированным карбидом урана, покрытые непроницаемым графитом. Все эти твэлы находят свое применение, но для водо-водяных реакторов наиболее предпочтительны таблетки оксида урана в трубках из нержавеющей стали. Диоксид урана не вступает в реакцию с водой, отличается высокой радиационной стойкостью и характеризуется высокой температурой плавления. Для высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов, по-видимому, весьма подходят графитовые топливные элементы, но у них имеется серьезный недостаток — за счет диффузии или из-за дефектов в графите через их оболочку могут проникать газообразные продукты деления.
Органические теплоносители несовместимы с циркониевыми твэлами и поэтому требуют применения алюминиевых сплавов. Перспективы реакторов с органическими теплоносителями зависят от того, будут ли созданы алюминиевые сплавы или изделия порошковой металлургии, которые обладали бы прочностью при рабочих температурах и теплопроводностью, необходимыми для применения ребер, повышающих перенос тепла к теплоносителю. Поскольку теплообмен между топливом и органическим теплоносителем за счет теплопроводности мал, желательно использовать поверхностное кипение для увеличения теплопередачи. С поверхностным кипением будут связаны новые проблемы, но они должны быть решены, если использование органических теплоносителей окажется выгодным. В большинстве обычных реакторов в качестве теплоносителя используется вода, либо под давлением, либо кипящая.
Реактор с водой под давлением. В таких реакторах замедлителем и теплоносителем служит вода. Нагретая вода перекачивается под давлением в теплообменник, где тепло передается воде второго контура, в котором вырабатывается пар, вращающий турбину. Кипящий реактор. В таком реакторе кипение воды происходит непосредственно в активной зоне реактора и образующийся пар поступает в турбину.
В большинстве кипящих реакторов вода используется и как замедлитель, но иногда применяется графитовый замедлитель. Реактор с жидкометаллическим охлаждением. В таком реакторе для переноса теплоты, выделяющейся в процессе деления в реакторе, используется жидкий металл, циркулирующий по трубам. Почти во всех реакторах этого типа теплоносителем служит натрий. Пар, образующийся на другой стороны труб первого контура, подается на обычную турбину.
В реакторе с жидкометаллическим охлаждением могут использоваться нейтроны со сравнительно высокой энергией реактор на быстрых нейтронах либо нейтроны, замедленные в графите или оксиде бериллия. В качестве реакторов-размножителей более предпочтительны реакторы на быстрых нейтронах с жидкометаллическим охлаждением, поскольку в этом случае отсутствуют потери нейтронов, связанные с замедлением. Газоохлаждаемый реактор. В таком реакторе теплота, выделяющаяся в процессе деления, переносится в парогенератор газом — диоксидом углерода или гелием. Замедлителем нейтронов обычно служит графит.
Газоохлаждаемый реактор может работать при гораздо более высоких температурах, нежели реактор с жидким теплоносителем, а потому пригоден для системы промышленного теплоснабжения и для электростанций с высоким кпд. Небольшие газоохлаждаемые реакторы отличаются повышенной безопасностью в работе, в частности отсутствием риска расплавления реактора.
Протактиний Цепочка распада актиния. Альфа-распад сдвигает два элемента вниз; бета-распад сдвигает один элемент вверх. Содди и Казимир Фаянс независимо друг от друга наблюдали в 1913 году, что альфа-распад заставил атомы сместиться В результате реорганизации периодической таблицы радий был помещен в группу II, актиний в группе вернула его в исходное положение в периодической таблице , в то время как потеря двух бета-частиц вернула его в исходное положение. Содди предсказал, что этот неизвестный элемент, на котором он назван после Дмитрий Менделеев , как «экатанталий», будет тем, что он назвал III, торий в группе IV и уран в группе VI. Вскоре Фаянс и Освальд Гельмут Геринг известру его как проду кт распа да бета-испу скающего продукта тория. Основываясь на законе радиоактивного вытеснения Фаянса и Содди , это был изотоп недостающего элемента, который они назвали «бревиум» в честь его короткого периода полураспада. Однако это был бета-излучатель и поэтому не мог быть материнским изотопом актиния. Это должен быть другой изотоп.
Отто Хан окончил Марбургский университет по специальности химик-органик, но работал исследователем после докторской степени в Университетском колледже Лондона под руководством сэра Уильяма Рамзи и Резерфорд в Университета Макгилла , где он изучал радиоактивные изотопы. В 1906 году он вернулся в Германию, где стал ассистентом Эмиля Фишера в Берлинском университете. В МакГилл он использовал систему сотрудничать с физиком, поэтому он объединился с Лиз Мейтнер , которая получила докторскую степень в Венском университете в 1906 году, переехала в Берлин для изучения физики у Макса Планка в Университета Фридриха Вильгельма. Мейтнер нашла Хана, который был ее ровесником, менее устрашающим, чем старшие и более выдающиеся коллеги. Хан и Мейтнер переехали в недавно созданный Институт химии кайзера Вильгельма в 1913 году и к 1920 году стали руководителями своих собственных лабораторий там со своими студентами, исследовательскими программами и оборудованием. Новые лаборатории открывали новые возможности, поскольку были загрязнены радиоактивными веществами, чтобы исследовать слабо радиоактивные вещества. Они разработали новую технику отделения тантала от урановой обманки, которая, как они надеялись, ускорит выделение нового изотопа. Хан был в немецкую армию, а Мейтнер добровольцем рентгенологом в госпиталях австрийской армии. Она вернулась в Институт кайзера Вильгельма в октябре 1916 года, когда были призваны не только Хан, но и большинство студентов, лаборантов и техников. Поэтому Мейтнер пришлось делать все сама, и Хан, когда он вернулся домой в отпуск, лишь ненадолго помогал.
К декабрю 1917 года ей действительно удалось доказать, что это отсутствующий изотоп. Она представила свои результаты для публикации в марте 1918 года. Хотя Фаянс и Геринг были первыми, кто представил этот элемент, представлен самым распространенным изотопом, а бревиум - нет. Фаянс согласился с тем, чтобы Мейтнер назвал элемент протактиний и присвоил ему химический символ Па. В июне 1918 года Содди и Джон Крэнстон объявили, что они извлекли образец изотопа, но в отличие от Мейтнер не смогла описать его характеристики. Они признали приоритет Мейтнер и согласились с названием. Связь с ураном оставалась загадкой, поскольку ни один из известных изотопов урана не распался на протактиний. Он оставался нераскрытым, пока уран-235 не был обнаружен в 1929 году. Трансмутация Ирен Кюри и Фредерик Жолио в их парижской лаборатории в 1935 году. Патрик Блэкетт смог осуществить ядерную трансмутацию азот в кислороде в 1925 году, используя альфа-частицы, направленный на азот.
В атомных ядерных реакциях первая реакция следующая:. Полностью искусственная ядерная реакция и ядерная трансмутация были осуществлены в апреле 1932 года Эрнестом Уолтоном и Джоном Кокрофтом , которые использовали искусственно ускоренные протоны против лития , чтобы разрушить это ядро. Этот подвиг был широко известен как «расщепление атома», но не был ядерным делением ; поскольку это не было инициирования процесса внутреннего процесса радиоактивного распада. Всего за несколько недель до подвига Кокрофта и Уолтона другой ученый из Кавендишской лаборатории , Джеймс Чедвик , открыл нейтрон , используя гениальное устройство, сделанное из сургуч , посредством реакции бериллия с альфа-части:. Они отметили, что радиоактивность сохраняется после прекращения нейтронной эмиссии. Они не только открыли новую форму радиоактивного распада в виде излучения позитронов , они превратили один элемент в неизвестный до сих пор радиоактивный изотоп другого, тем самым вызвав радиоактивность там, где ее раньше не было. Радиохимия теперь больше не ограничивалась определенными тяжелыми элементами, а распространялась на всю таблицу Менделеева. Разетти посетил лабораторию Мейтнер в 1931 году, а затем в 1932 году, после открытия Чедвиком нейтрона. Мейтнер показал ему, как приготовить полоний-бериллиевый источник нейтронов. По возвращении в Рим Разетти построил счетчики Гейгера и камеру Вильсона , смоделированную по образцу Мейтнер.
Ферми изначально намеревался использовать полоний в качестве источника альфа-частиц, как это сделали Чедвик и Кюри.
Понятие радиоактивности. Виды распада
Какому принципу отвечало количество нуклонов устойчивости ядер? Почему добавление всего лишь одного нейтрона к тяжелому и вполне стабильному ядру приводило к его расколу, к выделению радиоактивности? Как ни странно, ответ на этот важный вопрос до сих пор не найден. Опытным путем выяснилось, что определенным количествам протонов и нейтронов соответствуют устойчивые конфигурации атомных ядер. Эти числа даже называют магическими и назвали их так взрослые ученые, ядерные физики. Таким образом, деление ядер зависит от их массы, то есть от количества входящих в них нуклонов. Капля, оболочка, кристалл Определить фактор, который отвечает за устойчивость ядра, на данный момент не удалось.
Существует множество теорий модели строения атома. Три самые знаменитые и разработанные зачастую противоречат друг другу в разных вопросах. Согласно первой, ядро — это капля специальной ядерной жидкости. Как и для воды, для него характерны текучесть, поверхностное натяжение, слияние и распад. В оболочечной модели в ядре тоже существуют некие уровни энергии, которые заполняются нуклонами. Третья утверждает, что ядро — среда, которая способна преломлять особые волны дебройлевские , при этом коэффициент преломления — это потенциальная энергия.
Однако ни одна модель пока не смогла в полной мере описать, почему при определенной критической массе именно этого химического элемента, начинается расщепление ядра. Каким бывает распад Радиоактивность, как уже было сказано выше, была обнаружена в веществах, которые можно найти в природе: уране, полонии, радии. Например, только что добытый, чистый уран радиоактивен. Процесс расщепления в данном случае будет спонтанным. Без каких-либо внешних воздействий определенное количество атомов урана испустит альфа-частицы, самопроизвольно преобразуясь в торий. Есть показатель, который называется периодом полураспада.
Он показывает, за какой промежуток времени от начального числа части останется примерно половина. Для каждого радиоактивного элемента период полураспада свой — от долей секунды для калифорния до сотен тысяч лет для урана и цезия. Но существует и вынужденная радиоактивность. Если ядра атомов бомбардировать протонами или альфа-частицами ядрами гелия с высокой кинетической энергией, то они могут «расколоться». Механизм превращения, конечно, отличается от того, как разбивается любимая мамина ваза. Однако некая аналогия прослеживается.
Энергия атома Пока что мы не ответили на вопрос практического характера: откуда при делении ядра берется энергия. Для начала надо пояснить, что при образовании ядра действуют особые ядерные силы, которые называются сильным взаимодействием. Так как ядро состоит из множества положительных протонов, остается вопрос, как они держатся вместе, ведь электростатические силы должны достаточно сильно отталкивать их друг от друга. Ответ одновременно и прост, и нет: ядро держится за счет очень быстрого обмена между нуклонами особыми частицами — пи-мезонами. Эта связь живет невероятно мало. Как только прекращается обмен пи-мезонами, ядро распадается.
Также точно известно, что масса ядра меньше суммы всех составляющих его нуклонов. Этот феномен получил название дефекта масс. Фактически недостающая масса — это энергия, которая затрачивается на поддержание целостности ядра.
При этом из конкретного изотопа урана-238 образуется торий-234, затем радий-230, радон-226 и т. Скорость альфа-частицы при вылете из ядра от 12 до 20 тыс. Бета-распад Бета-распад — наиболее распространённый вид радиоактивного распада и вообще радиоактивных превращений , особенно среди искусственных радионуклидов. У каждого химического элемента есть, по крайней мере, один бета-активный, то есть подверженный бета-распаду изотоп.
Кроме К-40, значимыми естественными бета-активными радионуклидами являются также и все продукты распада урана и тория, то есть все элементы от таллия до урана. Бета-распад включает в себя такие виды радиоактивных превращений, как: бета-минус распад; бета-плюс распад; К-захват электронный захват. Бета-минус распад — это испускание из ядра бета-минус частицы — электрона, который образовался в результате самопроизвольного превращения одного из нейтронов в протон и электрон. При этом бета-частица со скоростью до 270 тыс. И так как протонов в ядре стало на один больше, то ядро данного элемента превращается в ядро соседнего элемента справа — с большим номером. Бета минус распад При бета-минус распаде радиоактивный калий-40 превращается в стабильный кальций-40 стоящий в соседней клетке справа. А радиоактивный кальций-47 — в стоящий справа от него скандий-47 тоже радиоактивный , который, в свою очередь, также путём бета-минус распада превращается в стабильный титан-47.
Бета-плюс распад — испускание из ядра бета-плюс частицы — позитрона положительно заряженного «электрона» , который образовался в результате самопроизвольного превращения одного из протонов в нейтрон и позитрон. В результате этого так как протонов стало меньше данный элемент превращается в соседний слева в таблице Менделеева. Бета распад Например, при бета-плюс распаде радиоактивный изотоп магния магний-23 превращается в стабильный изотоп натрия стоящего слева — натрий-23, а радиоактивный изотоп европия — европий-150 превращается в стабильный изотоп самария — самарий-150. Нейтронный распад Нейтронный распад — испускание из ядра атома нейтрона. Характерен для нуклидов искусственного происхождения. При испускании нейтрона один изотоп данного химического элемента превращается в другой, с меньшим весом. Так, например, при нейтронном распаде радиоактивный изотоп лития — литий-9 превращается в литий-8, радиоактивный гелий-5 — в стабильный гелий-4.
Нейтронный распад Если стабильный изотоп йода — йод-127 облучать гамма-квантами, то он становится радиоактивным, выбрасывает нейтрон и превращается в другой, тоже радиоактивный изотоп — йод-126. Это пример искусственного нейтронного распада. Например, торий-234, образующийся при альфа-распаде урана-238 превращается в протактиний-234, который в свою очередь снова в уран, но уже в другой изотоп — уран-234. Заканчиваются же все эти альфа и бета-минус переходы образованием стабильного свинца-206. А уран-234 альфа-распадом — опять в торий торий-230. Далее торий-230 путём альфа-распада — в радий-226, радий — в радон. Деление ядер атомов Это самопроизвольное, или под действием нейтронов, раскалывание ядра атома на 2 примерно равные части, на два «осколка».
При делении вылетают 2-3 лишних нейтрона и выделяется избыток энергии в виде гамма-квантов, гораздо больший, чем при радиоактивном распаде. Если на один акт радиоактивного распада обычно приходится один гамма-квант, то на 1 акт деления приходится 8 -10 гамма-квантов! Кроме того, разлетающиеся осколки обладают большой кинетической энергией скоростью , которая переходит в тепловую. Вылетевшие нейтроны могут вызвать деление двух-трёх аналогичных ядер, если те окажутся поблизости и если нейтроны попадут в них. Таким образом, появляется возможность осуществления разветвляющейся, ускоряющейся цепной реакции деления ядер атомов с выделением огромного количества энергии. Цепная реакция деления Если позволить цепной реакции развиваться бесконтрольно, то произойдёт атомный ядерный взрыв. Цепная реакция Если цепную реакцию держать под контролем, управлять её развитием, не давать ускоряться и постоянно отводить выделяющуюся энергию тепло , то эту энергию «атомную энергию» можно использовать для получения электроэнергии.
Это осуществляется в атомных реакторах, на атомных электростанциях. Периоды полураспада у всех радионуклидов разные — от долей секунды короткоживущие радионуклиды до миллиардов лет долгоживущие. Активность — это количество актов распада в общем случае актов радиоактивных, ядерных превращений в единицу времени как правило, в секунду.
Энергия, высвобождаемая при этом разделении ядерных частиц, использовалась в качестве источника энергии с середины 20 века. Хотя процесс производства энергии не приводит к выбросу таких вредных парниковых газов, как сжигание ископаемого топлива, опасения по поводу риска расплавления, долговременных опасных отходов и затрат означают, что атомное будущее, о котором многие мечтали в прошлом, может быть труднодостижимо. Как ядерное деление используется для получения ядерной энергии? Эксперименты 1930-х годов, связанные с бомбардировкой атомов ядерными частицами, привели к моделям деления, обещавшим, что значительное количество энергии может быть высвобождено из правильных изотопов тяжелых элементов, таких как уран. Теория предсказывала, что уран-235 гораздо чаще подвергается делению по сравнению с другими изотопами, особенно если нейтроны, ударяющие по его ядру, движутся с относительно низкой скоростью.
Высвобождение дополнительных нейтронов в процессе деления может привести к распаду других соседних атомов U-235. Чтобы произошла эта цепная реакция, должна быть относительно высокая плотность сжатого урана-235, что называется «критической массой» материала. К концу 1930-х годов физики разработали методы замедления нейтронов, достаточные для захвата и обогащения смесей изотопов урана из природных ресурсов для образования критической массы урана-235. Они также придумали способ контролировать цепную реакцию, гарантируя, что экспоненциальное производство нейтронов не выйдет из-под контроля, и в этом случае процесс может стать взрывоопасным. В течение следующего десятилетия технологические достижения в делении ядер будут применяться для производства новых классов сверхоружия. Только после Второй мировой войны инженеры снова обратили внимание на возможность применения процесса ядерного деления для непрерывного производства тепла для выработки электроэнергии. Подобно тому, как пар, полученный при сжигании ископаемого топлива в котле, вращает турбину, соединенную с электрогенератором, пар из «атомного котла» также можно использовать для выработки электроэнергии. Достижения в области технологий со временем продолжали повышать эффективность и безопасность, в некоторых случаях отказываясь от замедлителей, замедляющих нейтроны, позволяя делящемуся материалу захватывать «более быстрые» частицы.
Сегодня в мире насчитывается около 440 действующих атомных электростанций, из них почти 100 только в Соединенных Штатах. В совокупности эти станции производят около 10 процентов электроэнергии в мире, что на 7 процентов меньше, чем в 1993 году. В эпоху, когда производство примерно 60 процентов электроэнергии в мире приводит к выбросу парниковых газов со скоростью, угрожающей катастрофическим глобальным потеплением, атомная энергетика представляет собой сравнительно более чистую альтернативу. Но есть затраты, способные ограничить то, сколько мы должны использовать ядерную энергию для спасения от климатического кризиса.
Квантовое преимущество описывается как 1 использование квантовой суперпозиции и 2 квантовой запутанности. Смотрим, что такое квантовая суперпозиция.
Квантовая суперпозиция — это постулат, математическое допущение, не требующее доказательств, костыль, призванный помочь решить задачу определения состояния кванта в условиях принципиальной невозможности его измерить без изменения состояния кванта. На самом же деле квантовая суперпозиция кванту не нужна — он просто пребывает в каждый момент времени в каком-то своем конкретном состоянии, которое человек измерить не может и потому говорит о вероятностном состоянии кванта в какой-то момент. Поскольку в реальности квантовой суперпозиции не существует, никакого квантового преимущества она обеспечить не может, коль скоро именно ее описывают как один из столпов такого преимущества. Смотрим, что такое квантовая запутанность. Начнем с того, как возникает квантовая запутанность. Возникает она таким образом, что каким-то способом нам для понимания не важно, каким , кванты разделяют на группы по какому-то основанию.
ГЛАВА 4 Открытие деления
уДачные советы. 03:00. уДачные советы. 03:00. Ядерное деление — это реакция, в ходе которой ядро атома расщепляется на два или более меньших ядра, при этом происходит высвобождение энергии. Ядро атома, если это не водород, состоит из набора протонов и нейтронов. Новости, полученные от Гана, были равносильны атомному взрыву в мозгу Лизы Мейтнер.
Самое правильное деление атома
Именно осколки деления и составляют большую часть радиационного загрязнения территории при аварии после разрушения и выброса при взрыве ТВЭЛов. Передавая при столкновениях с атомами среды топливной композиции свою кинетическую энергию, осколки деления тем самым повышают температуру в ней. это процесс, при котором атом распадается на два, образуя два атома меньшего размера и огромное количество энергии. Ядро атома, если это не водород, состоит из набора протонов и нейтронов.