Радиоактивность

 

1.Введения 

2.Радиоактивность 

3.Ядерные реакторы 

4.Инженерные аспекты  термоядерного реактора 

5.Ядерная реакция.  Ядерная енергетика.

6.Гамма-излучения 

7.Атомный реактор 

8.Принципы построения  атомной енергетики 

9.Ядерный синтез  завтра 

10 .Выивод 

11.Список литератури   

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

 

ВВЕДЕНИЕ: что изучает физика?

Физика - наука о  природе, изучающая простейшие и  вместе с тем наиболее общие закономерности природы, строение и законы движения материи. Физику относят к точным наукам. Ее понятия и законы составляют основу естествознания. Границы, разделяющие  физику и другие естественные науки, исторически условны. Принято считать, что в своей основе физика является наукой экспериментальной, поскольку  открытые ею законы основаны на установленных  опытным путем данных. Физические законы представляются в виде количественных соотношений, выраженных на языке математики. В целом физика разделяется на экспериментальную, имеющую дело с  проведением экспериментов с  целью установления новых фактов и проверки гипотез и известных  физических законов, и теоретическую, ориентированную на формулировку физических законов, объяснение на основе этих законов  природных явлений и предсказание новых явлений.

Структура физики сложна. В нее включаются различные дисциплины или разделы. В зависимости от изучаемых объектов выделяют физику элементарных частиц, физику ядра, физику атомов и молекул, физику газов и  жидкостей, физику плазмы, физику твердого тела. В зависимости от изучаемых  процессов или форм движения материи  выделяют механику материальных точек  и твердых тел, механику сплошных сред (включая акустику), термодинамику  и статистическую механику, электродинамику (включая оптику), теорию тяготения, квантовую механику и квантовую  теорию поля. В зависимости от ориентированности  на потребителя получаемого знания выделяют фундаментальную и прикладную физику. Принято выделять также учение о колебаниях и волнах, рассматривающее  механические, акустические, электрические  и оптические колебания и волны  под единым углом зрения. В основе физики лежат фундаментальные физические принципы и теории, которые охватывают все разделы физики и наиболее полно отражают суть физических явлений и процессов действительности.

От ранних цивилизаций, возникших на берегах Тигра, Евфрата  и Нила (Вавилон, Ассирия, Египет), не осталось никаких свидетельств о  достижениях в области физических знаний, за исключением овеществленных в архитектурных сооружениях, бытовых  и т.п. изделиях знаний. Возводя различного рода сооружения и изготавливая предметы быта, оружия и т.д., люди использовали определенные результаты многочисленных физических наблюдений, технических  опытов, их обобщений. Можно сказать, что существовали определенные эмпирические физические знания, но не было системы  физических знаний.

Физические представления  в Древнем Китае появились  также на основе различного рода технической  деятельности, в процессе которой  вырабатывались разнообразные технологические  рецепты. Естественно, что прежде всего  вырабатывались механические представления. Так, китайцы имели представления  о силе ( то, что заставляет двигаться), противодействии, (то, что останавливает  движение), рычаге, блоке, сравнении  весов (сопоставлении с эталоном). В области оптики китайцы имели  представление об образовании обратного  изображения в "camera obscura". Уже  в шестом веке до н.э. они знали  явления магнетизма - притяжения железа магнитом, на основе чего был создан компас. В области акустики им были известны законы гармонии, явления  резонанса. Но это были еще эмпирические представления, не имевшие теоретического объяснения.

В Древней Индии  основу натурфилософских представлений  составляют учение о пяти элементах - земле, воде, огне, воздухе и эфире. Существовала также догадка об атомном  строении вещества. Были разработаны  своеобразные представления о таких  свойствах материи, как тяжесть, текучесть, вязкость, упругость и  т.д., о движении и вызывающих его  причинах. К VI в. до н.э. эмпирические физические представления в некоторых областях обнаруживают тенденцию перехода в  своеобразные теоретические построения (в оптике, акустике).  

 

РАДИОАКТИВНОСТЬ

Явление радиоактивности, или спонтанного распада ядер, была открыта французским физиком  А. Беккерелем в 1896 г. Он обнаружил, что  уран и его соединения испускают  лучи или частицы, проникающие сквозь непрозрачные тела и способные засвечивать  фотопластинку, Беккерель установил, что интенсивность излучения  пропорциональна только концентрации урана и не зависит от внешних  условий (температура, давление) и от того, находится ли уран в каких-либо химических соединениях.

Английскими физиками Э. Резерфордом и Ф. Содди было доказано, что во всех радиоактивных  процессах происходят взаимные превращения  атомных ядер химических элементов. Изучение свойств излучения, сопровождающего  эти процессы в магнитном и  электрическом полях, показало, что  оно разделяется на a -частицы (ядра гелия), b - частцы (электроны) и g - лучи (электромагнитное излучение с очень малой длиной волны ).

Атомное ядро, испускающее g -кванты, a -, b - или другие частицы, называется радиоактивным ядром . В природе существует 272 стабильных атомных ядра. Все остальные ядра радиоактивны и называются радиоизотопами .

Альфа-распад.

Энергия связи ядра характеризует его устойчивость к распаду на составные части. Если энергия связи ядра меньше энергии  связи продуктов его распада, то это означает, что ядро может  самопроизвольно (спонтанно) распадаться. При альфа-распаде альфа-частицы  уносят почти всю энергию и  только 2 % ее приходится на вторичное  ядро. При альфа-распаде массовое число изменяется на 4 единицы, а  атомный номер на две единицы.

Начальная энергия  альфа-частицы составляет 4-10 МэВ. Поскольку  альфа-частицы имеют большую массу  и заряд, длина их свободного пробега  в воздухе невелика. Так, например, длина свободного пробега в воздухе  альфа-частиц, испускаемых ядром  урана, равна 2,7 см, а испускаемых  радием, - 3,3 см.

Бета-распад.

Это процесс превращения  атомного ядра в другое ядро с изменением порядкового номера без изменения  массового числа. Различают три  типа b -распада: электронный, позитронный  и захват орбитального электрона  атомным ядром. тип Последний  распада принято также называть К -захватом, поскольку при этом наиболее вероятно поглощение электрона с ближайшей к ядру К оболочки. Поглощение электронов с L и М оболочек также возможно, но менее вероятно. Период полураспада b -активных ядер изменяется в очень широких пределах.

Число бета-активных ядер, известных в настоящее время, составляет около полутора тысяч, но только 20 из них являются естественными  бета-радиоактивными изотопами. Все  остальные получены искусственным  путем.

Непрерывное распределение  по кинетической энергии испускаемых  при распаде электронов объясняется  тем обстоятельством, что наряду с электроном испускается и антинейтрино. Если бы не было антинейтрино, то электроны  имели бы строго определенный импульс, равный импульсу остаточного ядра. Резкий обрыв спектра наблюдается  при значении кинетической энергии, равной энергии бета-распада. При этом кинетические энергии ядра и антинейтрино равны нулю и электрон уносит всю энергию, выделяющихся при реакции.

При электронном  распаде остаточное ядро имеет порядковый номер на единицу больше исходного  при сохранении массового числа. Это означает, что в остаточном ядре число протонов увеличилось  на единицу, а число нейтронов, наоборот, стало меньше: N=A-(Z+1).

Позитронный бета-распад.

При позитронном  распаде сохраняется полное число  нуклонов, но в конечном ядре на один нейтрон больше, чем в исходном. Таким образом, позитронный распад может быть интерпретирован как  реакция превращения внутри ядра одного протона в нейтрон с  испусканием позитрона и нейтрино.

Электронный захват.

К электронному захвату относится процесс поглощения атомом одного из орбитальных электронов своего атома. Поскольку наиболее вероятен захват электрона с орбиты, наиболее близко расположенных к ядру, то с наибольшей вероятность поглощаются электроны К -оболочки . Поэтому этот процесс называется также К -захватом.

С гораздо меньшей  вероятностью происходит захват электронов с L -, M -оболочек. После захвата электрона с К -оболочки происходит ряд переходов электронов с орбиты на орбиту, образуется новое атомное состояние испускается рентгеновский квант.

Гамма-распад.

Стабильные ядра находятся в состоянии, отвечающем наименьшей энергии. Это состояние  называется основным. Однако путем  облучения атомных ядер различными частицами или высокоэнергитическими  протонами им можно передать определенную энергию и, следовательно, перевести  в состояния, отвечающие большей  энергии. Переходя через некоторое  время из возбужденного состояния  в основное, атомное ядро может  испустить или частицу, если энергия  возбуждения достаточно высока, или  высокоэнергетическое электромагнитное излучение - гамма-квант.

Поскольку возбужденное ядро находится в дискретных энергетических состояниях, то и гамма-излучение  характеризуется линейчатым спектром.  

  

  

  

 

Ядерные реакторы .

При делении тяжелых  ядер образуется несколько свободных  нейтронов. Это позволяет организовать так называемую цепную реакцию деления, когда нейтроны, распространяясь  в среде, содержащей тяжелые элементы, могут вызвать их деление с  испусканием новых свободных  нейтронов. Если среда такова, что  число вновь рождающихся нейтронов  увеличивается, то процесс деления  лавинообразно нарастает. В случае, когда число нейтронов при  последующих делениях уменьшается, цепная ядерная реакция затухает.

Для получения стационарной цепной ядерной реакции, очевидно, необходимо создать такие условия, чтобы  каждое ядро, поглотившее нейтрон, при  делении выделяло в среднем один нейтрон, идущий на деление второго  тяжелого ядра.

Ядерным реактором называется устройство, в котором осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления некоторых тяжелых ядер.

Цепная ядерная  реакция в реакторе может осуществляться только при определенном количестве делящихся ядер, которые могут, делиться при любой энергии нейтронов. Из делящихся материалов важнейшим  является изотоп ²³⁵ U, доля которого в естественном уране составляет всего 0,714 %.

Хотя ²³⁸ U и делится нейтронами, энергия которых превышает 1,2 МэВ, однако само поддерживающаяся цепная реакция на быстрых нейтронах в естественном уране не возможна из-за высокой вероятности не упругого взаимодействия ядер ²³⁸ U с быстрыми нейтронами. При этом энергия нейтронов становится ниже пороговой энергии деления ядер ²³⁸ U.

Использование замедлителя  приводит к уменьшению резонансного поглощения в ²³⁸ U, так как нейтрон может пройти область резонансных энергий в результате столкновения с ядрами замедлителя и поглотиться ядрами ²³⁵ U, ²³⁹ Pu, ²³³ U, сечение деления которых существенно увеличивается с уменьшением энергии нейтронов. В качестве замедлителей используют материалы с малым массовым числом и небольшим сечением поглощения (вода, графит, бериллий и др.).

Для характеристики цепной реакции деления используется величина, называемая коэффициентом  размножения К. Это отношение  числа нейтронов определенного  поколения к числу нейтронов  предыдущего поколения. Для стационарной цепной реакции деления К=1. Размножающаяся система (реактор), в которой К=1, называется критической. Если К >1, число нейтронов в системе увеличивается, и она в этом случае называется над критической. При К < 1 происходит уменьшение числа нейтронов, и система называется под критической. В стационарном состоянии реактора число вновь образующихся нейтронов равно числу нейтронов, покидающих реактор (нейтроны утечки) и поглощающихся в его пределах. В критическом реакторе присутствуют нейтроны всех энергий. Они образуют так называемый энергетический спектр нейтронов, который характеризует число нейтронов различных энергий в единице объема в любой точке реактора. Средняя энергия спектра нейтронов определяется долей замедлителя, делящихся ядер (ядра горючего) и других материалов, которые входят в состав активной зоны реактора. Если большая часть делений происходит при поглощении тепловых нейтронов, то такой реактор называется реактором на тепловых нейтронах. Энергия нейтронов в такой системе не превышает 0.2 эВ. Если большая часть делений в реакторе происходит при поглощении быстрых нейтронов, такой реактор называется реактором на быстрых нейтронах.