Измерение радиоактивности

Муниципальное образовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №22 с углубленным изучением предметов художественно-эстетического цикла

Научная работа по физике

на тему: РАДИОАКТИВНОСТЬ

Исполнитель: Боженкина Н.В.

ученица 9 класса «Б»

Руководитель: Мартос А.Х.

г. Нижний Новгород 2008-2009 г.

Содержание

Введение

Обнаружено новое явление

Исторический экскурс

Радиоактивность

2. Объяснение радиоактивности

3. Измерение радиоактивности

III. Ядерные реакции

IV. Использование ядерного топлива

V. Биологическое действие

VI. Содержание радиоактивных изотопов в воде

VII. Ядерные реакции внутри звезд

1. Строение атома

2. Немного истории

3. Термоядерные реакции

4. Протон - протонная реакция

5. Термоядерные реакции на более тяжелых металлах

Вывод

Список используемой литературы

Введение

С ростом населения Земли и быстрым развитием техники и промышленности человечество потребляет все больше энергии. При этом необходимо, чтобы она была безопасной, дешевой, а ее использование оказывало минимальное воздействие на окружающую среду.

Природные запасы нефти, газа и полезных ископаемых не бесконечны и человечество задумывается об источниках энергии будущего.

В недалеком прошлом большие надежды возлагались на атомные реакторы, в которых источником тепла служит реакция деления ядер тяжелых элементов. Но после нескольких серьезных аварий на атомных электростанциях количество противников атомной энергетики значительно увеличилось. Кроме того, до сих пор окончательно не решена проблема безопасного хранения радиоактивных отходов.

Эта проблема не возникает, если использовать не реакцию распада, а реакцию синтеза.

Во время II мировой войны лучшие умы Америки и Германии спешили создать мощнейшую бомбу, в которой использовалась бы энергия атома. И только потом человек узнал, как пользоваться ядерной энергией для получения электричества.

Чтобы понять причины происхождения этой энергии, нужно владеть полной информацией о явлении радиоактивности. Поэтому я выбрала тему для исследования в моем реферате - радиоактивность.

Обнаружено новое явление

Французский физик А. Беккерель 1 марта 1896г. обнаружил по почернению фотопластинки испускание солью урана невидимых лучей сильной пропускающей способности. Вскоре он выяснил, что свойством лучеиспускания обладает сам уран. Затем подобное качество было обнаружено и у тория. Радиоактивность (такое название получило открытое явление) оказывалась привилегией самых тяжелых элементов периодической системы Д.И.Менделеева. В 1898 г. французские ученые М.Склодовская-Кюри и П.Кюри выделили из уранового минерала два новых вещества, радиоактивных в гораздо более сильной степени, чем уран и торий. Так были открыты два неизвестных ранее радиоактивных элемента - полоний радий.

Ученые пришли к выводу, что радиоактивность представляет собой самопроизвольный процесс, происходящий в атомах радиоактивных элементов. Теперь это явление определяют как самопроизвольное превращение неустойчиво изотопа одного химического элемента; при этом происходит испускание электронов, протонов, нейтронов или ядер гелия (б-частиц).

Среди элементов, содержащихся в земной коре, радиоактивными являются все с порядковыми номерами более 83, т.е. расположенные в таблице Менделеева после висмута. У них нет вообще стабильных изотопов. Естественная радиоактивность обнаружена у отдельных изотопов других элементов. А технеций (Z = 43) и прометий (Z = 61), хотя и размещены в середине периодической системы, также не имеют не одного стабильного изотопа и были синтезированы искусственно. То же самое можно сказать про изотопы элементов от полония до протактиния (исключая торий). Их продолжительность жизни не велика, и то, что они и поныне встречаются на нашей планете, объясняется однозначно: это продукты последовательных радиоактивных превращений изотопов урана и тория.

Исторический экскурс

Резерфорд Эрнест (30.08.1871 - 19.10.1937) - английский физик, основоположник ядерной физики, член Лондонского королевского общества в 1903г. Президент в 1925 - 1930 гг.

Исследования посвящены радиоактивности, атомной и ядерной физике. Своими фундаментальными открытиями в этих областях заложил основы современного учения о радиоактивности и теории строения атома. В 1899 открыл альфа - и бета-лучи, в 1900 - ввел понятия периода полураспада. Вместе с Ф. Содди в 1902-1903 разработал теорию радиоактивного распада и установил закон радиоактивных превращений. В 1903 доказал, что альфа-лучи состоят из положительно заряженных частиц.

Предсказал существование трансурановых элементов. За исследования по превращению элементов и химии радиоактивных веществ Резерфорду в 1908 была присуждена Нобелевская премия по химии.

В 1908 вместе с Г.Гейгером сконструировал прибор для регистрации отдельных заряженных частиц и с его помощью окончательно доказал, что альфа-частицы являются дважды ионизированными атомами гелия. Изучая явление прохождения альфа-частиц через вещество, обнаружил в 1906 их рассеяние. Установил (1911) закон рассеяния альфа-частиц атомами различных элементов, что привело его в 1911 к открытию в атомах ядра плотного образования диаметром около 10^-12 см, заряженного положительно, и созданию новой модели атома - планетарной (модель атома Резерфорда).

Выдвинул идею об искусственном превращении атомных ядер, предсказал внутреннюю конверсию. Совместно с Э. Андраде в 1914 доказал идентичность рентгеновских спектров изотопов, чем окончательно подтвердил равенство порядковых номеров у изотопов данного элемента, наблюдал дифракцию гамма-лучей на кристалле, доказав их электромагнитную природу. В 1919 осуществил первую искусственную ядерную реакцию, превратив азот в кислород, заложив тем самым основы современной физики ядра, открыл протон. В 1920 предсказал существование нейтрона и дейтрона. С М. Олифантом экспериментально доказал справедливость закона взаимосвязи массы и энергии в ядерных реакциях, в 1934 осуществил реакцию синтеза дейтронов с образованием трития.

Член всех академий наук мира, в том числе иностранный член АН СССР.

Склодовская - Кюри Мария (7.11.1867 - 4.7.1934) - польский и французский физики и химик, один из основоположников учения о радиоактивности. Родилась в Варшаве. В 1891 - 1894 училась в Парижском университете и, окончив его, получила два диплома лиценциата - по физике и математике. В 1903 защитила в Парижском университете докторскую диссертацию. С 1906 - профессор и заведующая кафедрой Парижского университета, с 1914 - также директор Института радия.

Работы посвящены радиоактивности и её применению. В 1897 начала исследование радиоактивного излучения солей урана и пришла к выводу, что оно является свойством самих атомов урана. В 1898 независимо от Г. Шмидта доказала наличие радиоактивности у тория. Также заметила, что радиоактивность у некоторых металлов, содержащих уран и торий, намного интенсивнее, чем можно было ожидать. Предположила, что эти минералы (урановая смоляная руда, халколит и аутоний) содержат новый радиоактивный элемент, отличный от урана и тория. Поиски этого гипотетического радиоактивного элемента были проведены в урановой смолке совместно с П.Кюри. Используя разработанный ими метод обогащения активным веществом, они приходят к выводу, что в урановой смолке присутствуют два новых радиоактивных элемента. В результате совместной напряженной и кропотливой работы по переработке больших количеств урановой смолки с целью концентрации активного вещества, они в июле 1898 открывают один из этих элементов - полоний, в декабре второй - радий, в 1899 - наведенную радиоактивность.

В 1902 получила несколько дециграммов чистой соли радия, а в 1910 вместе с французским химиком А.Дебьерном - металлический радий. Определила атомный вес радия и его место в периодической таблице химических элементов. В 1903 за исследование явления радиоактивности супруги Кюри (совместно с А.Беккерелем) удостоены Нобелевской премии по физике, а в 1911 М.Склодовской-Кюри за получение радия в металлическом состоянии присуждена Нобелевская премия по химии.

Испытала много элементов на радиоактивность, исследовала их свойства, разработала основы количественных методов радиоактивных измерений, изучала наведенную радиоактивность, установила влияние радиоактивного излучения на живую клетку, первая использовала радиоактивность (эманация радия) в медицине, ввела термин «радиоактивность» и т.д. В годы первой мировой войны организовала 220 передвижных и стационарных рентгеновских установок для рентгено- и радиологического обслуживания госпиталей Франции. Умерла от лейкемии.

Член многих академий наук и научных обществ, в частности иностранный член АН СССР. Медали Г. Дэви, Э.Грессона.

Кюри Пьер (15.05.1859 - 19.04.1906) - французский физик, один из основателей учения о радиоактивности, член Парижской АН. Родился в Париже.

Исследования посвящены физике кристаллов, магнетизму, радиоактивности. С 1897 года научные интересы сосредотачиваются на изучении радиоактивности, где он вместе с М.Склодовской-Кюри сделал ряд выдающихся открытий. В 1898 они открыли новые радиоактивные элементы - полоний и радий, 1899 - наведенную радиоактивность и установили сложный характер радиоактивного излучения и его свойства. В 1901 Кюри обнаружил биологическое действие радиоактивного излучения, в 1903 открыл количественный закон снижения радиоактивности, введя понятие полураспада, и показал его независимость от внешних условий. Исходя из этого, предложил использовать период полураспада как эталон времени для установления абсолютного возраста земных пород. В том же году вместе с А.Лабордом обнаружил самопроизвольное явление тепла солями радия, что явилось первым наглядным свидетельством существования атомной энергии. Выдвинул гипотезу радиоактивного распада.

За исследования радиоактивности и открытие радия П.Кюри и М.Склодовская-Кюри в 1903 были удостоены Нобелевской премии.

Медаль Г.Дэви в 1903. В честь Пьера и Марии Кюри назван искусственный химический элемент - кюрий.

Беккерель Антуан Анри (15.12.1852 - 25.08.1908) - французский физик, член Парижской АН, президент в 1908. Сын А.Э.Беккереля. Родился в Париже. Окончил Политехническую школу в Париже. С 1876 - лектор этой школы, с 1895 - профессор.

Основные работы посвящены оптике и радиоактивности. В 1896, изучая действие различных люминесцирующих веществ на фотопластинку, в частности солей урана, открыл неизвестное излучение, присущее самой урановой соли и ничего общего не имеющее с люминесцирующим излучением. Это явление самопроизвольного излучения солями урана лучей особой природы было названо радиоактивностью. За открытие явления естественной радиоактивности урана Беккерель в 1903 году удостоен Нобелевской премии. Пропуская бета-лучи через пересекающиеся электрическое и магнитное поля, первый измерил отношение заряда к массе бета-частиц и установил, что оно такого же порядка, как и для частиц катодных лучей. Обнаружил в 1901 физиологическое действие радиоактивного излучения, а также его способность ионизировать газ.

Радиоактивность

Способность атомов некоторых естественных и искусственных химических элементов самопроизвольно (спонтанно) излучать б -, в - частицы и г - кванты, превращаясь в атомы другого химического элемента, называется радиоактивностью.

б - лучи - поток ядер атомов гелия (⁴₂He) - тяжелые положительно заряженные частицы с массой m = 4а.е.м. и зарядом q 2е со скоростью около 10⁷ м/с.

в - лучи - поток быстрых электронов, обладающих скоростью от 10⁸ м/с до 0,999с.

г - лучи - электромагнитные волны с длиной волны от 10^-10 - 10^-18м. г - лучи не отклоняются электрическими и магнитными полями.

Затем было установлено, что бета-лучи тождественны электронам, а альфа-лучи представляют собой ядра атомов гелия. Что касается гамма-лучей, то, как оказалось, они обладают свойствами, аналогичными свойствам света, с той разницей, что и частота значительно больше частоты видимого света.

Радиоактивность - ядерное явление. Альфа - и бета-лучи испускаются при самопроизвольном распаде ядер, а гамма-лучи возникают при перераспределении нейтронов и протонов внутри ядра (без его «распада»).

Измерение радиоактивности

Дозой поглощенного излучения называют величину, равную отношению энергии ДW излучения, поглощённой облучаемым телом, к его массе:

D = ^ДW

За единицу дозы поглощенного излучения в Международной системе единиц принят грэй (Гр):

1 Гр = 1 Дж

Экспозиционной дозой излучения называют величину, равную отношению суммарного заряда, образованного излучением ионов, к массе тела:

ЭДИ = ^Q

1 ЭДИ = 1 Кл/кг

На практике чаще используется внесистемная единица - рентген и ее дольные единицы:

1 Р = 2,58 ^. 10^-4 Кл/кг

Для оценки действия излучения на живые организмы введена специальная величина - эквивалентная доза. Эквивалентной дозой поглощенного излучения называют величину, равную произведению поглощенной дозы на коэффициент биологической эффективности:

Д_экв = КОБЭ ^. Д.

В Международной системе единиц за единицу эквивалентной дозы принят 1 зиверт (Зв). На практике для измерения эквивалентной дозы поглощенного излучения часто используют внесистемную единицу бэр (биологический эквивалент рентгена):

1 Зв = 100 бэр.

Альфа - и бета-распады сопровождаются превращением ядра, гамма-распад является следствием внутреннего переустройства ядра. Возбужденное ядро О¹⁶, существовавшее до того, как произошел гамма-распад, обозначается О^16*.



Ядро	Тип распада	Период полураспада
Торий (Th232) Плутоний (Pu239) Уран (U229) Углерод (C14) Кобальт (Co60) Медь (Cu66) Криптон (Kr94)	б б б в в в в	1,4 . 1016 лет 100 лет 58 мин 5568 лет 5,3 года 5 мин 1,4 с

Поскольку в результате испускания б- и в -частиц материнские ядра испытывают превращения, не приведет ли это постепенно к полному исчезновению материнского вещества? В действительности этого не происходит. Процессы радиоактивного распада подчиняются следующему закону. Если вначале имеется некоторое количество радиоактивного вещества, то после определенного интервала времени характерного для данного изотопа (этот интервал называется периодом полураспада вещества и обозначается ?), половина вещества распадается, а другая половина останется. По прошествии следующего интервала времени ? останется четверть первоначального количества вещества и т.д.

Использование ядерного топлива

В этом реакторе вода под высоким давлением прокачивается по первичному контуру для передачи тепла от реактора к четырем парогенераторам. В них тепло поглощается и идет на кипячение воды (из отдельного источника). Образующийся пар вращает лопасти турбин. Турбины связаны с генераторами, вырабатывающими электрический ток.

В атомной бомбе процесс деления ядра происходит крайне быстро - с мгновенным выбросом энергии. Та же реакция в реакторах АЭС протекает медленно и со строго контролируемой скоростью. В результате полученное топливо превращает воду в пар, который приводит в действие турбины электрических генераторов.

Существуют всего несколько элементов, в которых возможно деление ядер по цепному механизму и которые могут служить ядерным топливом. Их атомы должны иметь относительно большие и нестабильные ядра. Одним из наиболее широко применяемых элементов на АЭС является уран-235, ядро, которого состоит из 92 протонов и 143 нейтронов. В результате ядерной реакции кусок урана выделяет энергии в 2 млн. раз больше, чем образуется при сгорании такого же о весу куска угля.

В атомной бомбе применяется обычное взрывчатое вещество, при детонации которого происходит соединение двух кусков ядерного топлива, каждый массой меньше критической величины. Но общая их масса превышает критическую, и потому быстро развивается цепная реакция, приводящая к ядерному взрыву.

Большинство современных ядерных реакторов известны как тепловые, поскольку в них быстрые нейтроны замедляются до тепловой скорости. В качестве замедлителя в них применяются графит, состоящий из чистого углерода, тяжелая вода, которая содержит стабильный изотоп водорода дейтерий вместо обычного водорода, и легкая, т.е. обычная вода.

Биологическое действие радиации на организм человека

Человек непрерывно подвергается действию радиоактивного излучения. Источником этого излучения являются: космические тела; недра Земли, содержащие радиоактивные вещества; здания, в которых мы живем (в граните, в кирпичах и железобетоне имеются радиоактивные вещества); рентгеновские аппараты; телевизионные приемники; даже в нашем теле содержится примерно 0,01 г радиоактивного калия К, который распадается со скоростью 4000 делений в секунду.

В течение года каждый человек получает примерно дозу около 400-500 мбэр, которая распределяется следующим образом:

- космическое и земное излучение примерно 150 мбэр;

- излучение, полученное при рентгеноскопии, около 140 мбэр;

- излучение, полученное при просмотре телевизионных передач, около 100 мбэр;

- прочие виды около 80 мбэр.

Это средние дозы поглощаемого излучения в год. Но такая доза не оказывает какого-либо отклонения здоровья. Дело в том, что человек как биологический объект сформировался в условиях непрерывного облучения и наш организм привык к таким дозам. По данным Международной комиссии по радиологической защите, опасными являются дозы, превышающие 35 бэр в год.

В таблице приведены значения КОБЭ для основных типов излучения. КОБЭ относительная биологическая эффективность или коэффициент качества излучения.

Вид излучения	КОБЭ
Рентгеновское и г - излучение в - частицы (электроны) Тепловые (медленные) нейтроны Быстрые нейтроны Протоны б -частицы	1 1 3 10 10 10

Действие ядерных излучений на человека зависит не только от поглощенной дозы излучения и её КОБЭ, но и от времени, в течение которого эта доза была получена. Одинаковые дозы, полученные человеком за короткое время и на протяжении длительного времени, оказывают разное воздействие на организм. В таблице дан характер действия на организм человека разных доз радиоактивного излучения.



Доза, Р	Действие на человека
0-25	Отсутствие явных признаков
25-50	Возможное изменение состава крови
50-100	Изменение состава крови
100-200	Возможна потеря трудоспособности
200-400	Нетрудоспособность. Возможна смерть.
400-600	Смертность 50 %
600	Смертельная доза

Первичным действием излучения на организм является повреждение молекул. Оно в ряде случаев ведет к гибели клеток. Ядра клеток гораздо чувствительнее цитоплазмы. Ядерное излучение нарушает способность клеток к делению. Для нарушения функций деления клеток достаточна такая ничтожная доля излучения, которая, будучи переведена в теплоту, вызвала бы нагревание клетки лишь на тысячную долю градуса.

У человека наиболее чувствительны к облучению кроветворные органы (костный мозг, селезенка, лимфатические железы), эпителий половых желез и слизистой оболочки кишечника.

При очень больших дозах облучения смерть наступает в результате поражения кишечника. При больших дозах - в результате разрушения производящих кровь клеток костного мозга (лейкемия). При дозах меньше смертельной происходят многочисленные изменения в организме: раннее старение организма, падение его сопротивления к инфекционным заболеваниям, возможно появление раковых опухолей. Любое, даже незначительное облучение может вызвать необратимые генетические изменения хромосом, что приводит к тяжелым наследственным болезням и уродству потомства. Даже при небольших дозах радиоактивные излучения вызывают малокровие, лучевые ожоги, трудно заживающие язвы, выпадение волос, тяжелые поражения глаз, десен, горла и т.п.

Ядерные излучения опасны еще и тем, что даже их большие дозы не воспринимаются органами чувств человека. Поэтому при работе с радиоактивными препаратами необходимо проявлять осторожность и строго следовать предписаниям служебных инструкций.

Содержание радиоактивных изотопов в воде

Изотоп	Водоем (источник)	Концентрация, М Бк/л
Калий-40, К-40	Реки Озера Океаны	285 480 8800-11 840
Радий 226, Ra-226	Река Миссисипи, США Река Темза, Великобритания Вода из водопровода, Россия Вода из водопровода, Австрия Источник Кюри, США шт. Колорадо Горячий источник Шимпанье, Япония Чехия, г. Якимов Пятигорск, радоновые минеральные воды Исти-Су №18, Закавказье, радиевые минеральные воды Мацеста, радоново-радиевые минеральные воды	37-111 0,37 37 222 11 000 000 25 900 000 18 500 000 110 13 700 2200
Природный уран	Большое соленое озеро, США Вода южных рек, Россия Вода северных рек, Россия Высыхающие непроточные озера Дон, Россия Волга, Россия Обь, Россия	5 50 0,002-0,2 до 40 000 2-3 0,15-1,1 1

Ядерные реакции внутри звезд

Всё что нас окружает, - горные породы, и минералы, вещества в атмосфере и морях, клетки растений и животных, газовые туманности и звёзды во Вселенной во всём их многообразии - всё это состоит из 92 элементарных кирпичиков - химических элементов. Это было установлено наукой 19-го столетия, которая тем самым упростила картину окружающего мира. Как показывают опыты, существует 3 основных типа элементарных частиц, из которых состоят атомы: электроны, протоны и нейтроны. Например, ядро водорода состоит из протона, а вокруг него вращается электрон.

Строение атома

Протон - это положительно заряженная частица, масса которой ? 1,672 ^. 10 кг.

Электрон - это отрицательно заряженная частица. Его масса на три порядка меньше массы протона, а заряд электрона равен заряду протона. Таким образом, атом в целом нейтрален. Электрон удерживается в атоме кулоновскими силами взаимодействия и поэтому его удерживает ядро. В следующем элементе - гелии, ядро состоит иначе, в нём есть ещё одна новая частица (точнее две) - нейтрон. Нейтрон - это частица не имеющего заряда (нейтральная). Как мы дальше выясним, она необходима в ядре для связи протонов в ядре, т. к. протоны стремятся оттолкнуться друг от друга. Целиком ядро гелия представлено двумя протонами и двумя нейтронами, а вокруг ядра вращаются два электрона. Все атомы и ядра состоят из определенного количества протонов и нейтронов. Сколько протонов находится в ядре, столько же электронов обращается вокруг ядра в электронных оболочках. Поэтому положительный заряд протонов ядра в точности компенсируется отрицательным зарядом электронов. Собственно говоря, дело обстоит ещё проще. Если быть более точным, то атомы состоят не из трёх типов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов, а всего из двух. В атомных ядрах нейтрон может превратиться в протон и электрон, испустив последний за пределы ядра (т. к. при распаде нейтрона энергия избытка масс нейтрона над протоном и электроном переходит в кинетическую энергию и распределяется между двумя последними частицами). Последний процесс физики называют b- распад.

Так как при b- распаде в ядре количество протонов увеличивается на 1, а следственно и заряд, то порядковый номер ядра увеличивается и оно становится уже ядром нового элемента. Кстати, именно таким образом были синтезированы многие последние элементы таблицы Менделеева. Но возвратимся к нашему нейтрону. Если каким-то образом, в ходе эксперимента будет получен свободный нейтрон, то он нестабилен и через 17,3 минут распадается по выше указанному правилу.

Поэтому можно считать, что окружающий нас мир во всём своём многообразии построен только из протонов и электронов. Интересно заметить, что химическое свойство атома определяет заряд ядра. Это объясняется, прежде всего, тем, что электроны в атоме образуют электронные оболочки согласно заряду ядра, а именно они (оболочки) и определяют химические связи в молекулах. Поэтому ядра с разным массовым числом, но с одинаковым зарядом ядра называются изотопами, т. к. они имеют одинаковые химические, но разные физические свойства. Так, например, кроме обычного водорода существует так называемый тяжёлый водород. В ядре этого изотопа кроме одного протона есть ещё и один нейтрон. Такой изотоп называется дейтерием. Он в небольшом количестве встречается в природе.

Однако количество изотопов для данного вещества ограниченно. Это связанно с тем, что протоны и нейтроны в ядре создаю свою своеобразную структуру, т. е. существуют некоторые подуровни, которые заполняются нуклонами (нуклоны - это протоны и нейтроны, т. е. те которые в ядре) и, если количество некоторых (протонов или нейтронов) больше критического значения, то ядро претерпевает ядерную реакцию. Более тяжёлые элементы, такие как железо, имеют в ядре 26 протонов и 30 нейтронов. Как видно нейтронов больше, чем протонов. Всё дело в том, что 26 положительно заряженных частиц за счёт кулоновского отталкивания стремятся разлететься в разные стороны, а их удерживает так называемые ядерные силы.

Эти силы обуславливаются взаимными превращениями нуклонов в ядре. Нейтрон, в ядре, испускает новую частицу - p -мезон и превращается в протон, а протон захватывает эту частицу, превращаясь в нейтрон. Так происходит взаимопереход одних частиц в другие и ядро не распадается. В лёгких ядрах силы отталкивания не очень велики и на каждый протон хватает по одному нейтрону, а в более тяжёлых элементах, для стабильного ядра нужен избыток нейтронов. Классическая теория не может описать теорию строения ядра, т. к. частицы микромира не подчиняются законам Ньютона. Это, прежде всего, связано с исключительным свойством материи, о чём гласит один из законов квантовой механики - энергия принимает дискретные значения. Так же трудность состоит в том, что частицу микромира невозможно описать как материальную точку. Об этом гласит уравнение Шрёдингера. Т. е. можно лишь с некоторой вероятностью предсказать в какой точке пространства находится исследуемый объект, имея скорость, заключённую в некоторый интервал скоростей.

Немного истории

В 1926 г. Эддингтон опубликовал свою книгу "The Internal Constitution of the Stars" ("Внутреннее строение звёзд"). В этой книге были блестяще изложены представления того времени о физических основах процессов, происходивших в звёздах. Сам Эддингтон внёс существенный вклад в формирование этих представлений. Ещё до него в принципе было ясно, как функционируют звёзды. Однако не было точно известно, откуда берётся энергия, которая поддерживает излучение звёзд. Уже тогда было понятно, что богатое водородом звёздное вещество может быть идеальным источником энергии. Учёные знали, что при превращении водорода в гелий освобождается столько энергии, что Солнце и другие звёзды могут светить миллиарды лет.

Таким образом, было ясно, что если разобраться, в каких условиях идёт слияние атомов водорода, то был бы найден великолепный источник энергии звёзд. Однако наука тех лет была ещё очень далека от того, чтобы осуществить превращение водорода в гелий в экспериментальных условиях. Астрофизикам того времени оставалось только верить, что звёзды представляют собой гигантские ядерные реакторы. Действительно, нельзя было бы представить никакого другого процесса, который мог бы обеспечить энергией Солнца в течение миллиардов лет. Наиболее последовательно это мнение выразил Эддингтон. Он исходил из многочисленных и многократно повторённых измерений светимости звёзд, которые проводили астрономы-наблюдатели. К сожалению, физики того времени считали, что атомные ядра в звёздах не могут реагировать друг с другом. Эддингтон уже тогда смог рассчитать, какая температура должна наблюдаться в недрах Солнца. По его расчётам она должна составлять примерно 40 миллионов градусов.

Такая температура, на первый взгляд очень высокой, но ядерщики считали, что её недостаточно для протекания ядерных реакций. При этой температуре атомы во внутренних областях солнца перемещаются относительно друг друга со скоростями около 1000 километров в секунду. При таких высоких температурах атомы водорода уже теряют свои электроны, протоны уже свободно перемещаются в пространстве. Представим себе, что два протона налетают друг на друга и, в следствия взаимодействия, взаимно отталкиваются. При скоростях 1000 километров в секунду протоны могут приблизиться на очень малое расстояние, но под действием силы электрического отталкивания они разлетятся, прежде чем смогут объединиться в одно ядро. Как показали расчёты, только при температуре свыше 10 миллиардов градусов частицы движутся с такими скоростями, что, несмотря на силы электрического отталкивания, они могут приблизиться друг другу и слиться. Солнце с температурой 40 миллионов градусов казалось физикам слишком холодным, чтобы в его недрах могло происходить превращение водорода в гелий.

Однако Эддингтон был убеждён, что только ядерная энергия может поддерживать излучение звезд, и оказался прав. Ядерные реакции, протекающие в звездах при сверхвысоких температурах, имеют ряд особенностей. В обычных условиях заряженная частица, обладающая достаточной энергией для того, чтобы произошла ядерная реакция, двигаясь в среде, быстро теряет свою энергию на возбуждение и ионизацию атомов среды. Потеряв энергию, заряженная частица не в состоянии преодолеть кулоновский барьер. Поэтому даже для достаточно энергичных заряженных частиц эффективность ядерного взаимодействия оказывается низкой из-за потерь энергии на ионизацию. При высоких температурах звездная материя ионизована и поэтому потери энергии на ионизацию и возбуждение атомов отсутствуют. Следующая особенность протекания реакций в звездах обусловлена распределением ядер по скоростям.

Если звезда имеет температуру около 10⁷ K, то средняя энергия ядер

Е_ср = 3/2 kT ~ 1 кэВ

мала по сравнению с высотой кулоновского барьера даже для самых легких ядер (~ 10³ кэВ). Однако, в системе, находящейся в термодинамическом равновесии, имеются ядра, энергия которых значительно превосходит Е_ср (число их можно оценить, исходя из распределения Максвелла). Это, наряду с эффектом квантовомеханического туннелирования для основной части ядер, имеющих энергию ниже высоты кулоновского барьера, приводит к тому, что реакции в звездах могут протекать при значительно более низких температурах.

Термоядерные реакции

В 1939 г. известный американский физик Бете дал количественную теорию ядерных источников звёздной энергии. Что же это за реакции? Как уже и упоминалось, это термоядерные реакции. Как известно, звёзды по большей части состоят из водорода, (правда есть и исключения) поэтому вероятность столкновения двух протонов очень велика. При столкновении протона с другим протоном (или другим ядром) он может притянуться к ядру за счёт ядерных сил. Ядерные силы действуют на расстояниях порядка размеров самого ядра (т. е. 10 м). Для того чтобы приблизится к ядру на столь малое расстояние, протону необходимо преодолеть весьма значительную силу электростатического отталкивания («кулоновский барьер»). Ведь ядро тоже заряжено положительно.

Простые расчеты показывают, что энергия соответствующая этому переходу - 1000 кэВ. Между тем независимые оценки показывают, что в Солнце протоны имеют энергию около 1 кэВ, т. е. в 1000 раз меньшую. Протонов с нужной энергией в недрах звёзд практически не будет. Казалось бы, при такой ситуации никаких ядерных реакций там происходить не может. Но это не так. Дело в том, что согласно законам квантовой механики протоны, энергия которых даже незначительно меньше 1000 кэВ, всё же, с некоторой небольшой вероятностью, могут попасть в ядро. Эта вероятность быстро уменьшается с уменьшением энергии протона, Но она не равна нулю.

В то же время число протонов по мере приближения их энергии к средней тепловой будет стремительно расти. Поэтому должна существовать такая «компромиссная» энергия протонов, при которой малая вероятность их проникновения в ядро «компенсируется» их большим количеством. Оказывается, что в условиях звёздных недр эта энергия близка к 20 кэВ. Только приблизительно одна стомиллионная доля протонов имеют такую энергию. И всё же этого оказывается как раз достаточно, чтобы ядерные реакции происходили с такой скоростью, что выделяющаяся энергия точно соответствовала бы светимости звёзд.

Если сталкиваются более тяжелые ядра, у которых заряды значительно больше элементарного заряда протона, кулоновские силы отталкивания существенно увеличиваются, и ядра при Т 10К уже не имеют практически никакой возможности проникнуть друг в друга. Только при значительно более высоких температурах, которые в некоторых случаях реализуются внутри звёзд, возможны ядерные реакции на тяжёлых элементах. Как уже и указывалось, сущность ядерных реакций внутри Солнца и звёзд состоит в том, что через ряд промежуточных этапов четыре ядра водорода (протоны) объединяются в одно ядро гелия ( - частицы), причём избыточная масса выделяется в виде энергии, нагревающей среду, в которой происходит реакции. Рассмотрим более подробно эти реакции.

Протон - протонная реакция

Эта реакция начинается с таких столкновений между протонами, в результате которых получается ядро тяжёлого водорода - дейтерия. Даже в условиях звёздных недр это происходит очень редко. Как правило, столкновения между протонами являются упругими: после столкновения частицы просто разлетаются в разные стороны. Для того чтобы в результате столкновения два протона слились в одно ядро дейтерия, необходимо, чтобы при таком столкновении выполнялись два независимых условия.

Во-первых, надо, что у одного из сталкивающихся протонов кинетическая энергия раз в двадцать превосходила бы энергию тепловых движений при температуре звёздных недр. Как уже говорилось выше, только одна стомиллионная часть протонов имеет такую относительно высокую энергию, необходимую для преодоления «кулоновского барьера». Во-вторых, необходимо чтобы за время столкновения один из двух протонов успел бы превратиться в нейтрон, испустив позитрон и нейтрино. Ибо только протон с нейтроном могут образовать ядро дейтерия. Заметим, что длительность столкновения всего лишь около 10 секунды (оно порядка классического радиуса протона, поделённого на его скорость). Если всё это учесть, то получится, что каждый протон имеет реальные шансы превратиться таким способом в дейтерий только раз в течение несколько миллиардов лет. Но так как протонов в недрах звёзд достаточно много, такие реакции, и притом в нужном количестве, будут иметь место. По-другому складывается судьба вновь образовавшихся ядер дейтерия. Они «жадно», всего за несколько секунд, «заглатывают» какой-нибудь близкий протон, превращаясь в изотоп He. После этого изотоп гелия будет взаимодействовать с подобным себе ядром, в результате чего образуется ядро «обыкновенного» гелия и два протона. Так как концентрация изотопа He чрезвычайна, мала, то это произойдёт через несколько миллионов лет. Далее представлена последовательность этих реакций и выделяющаяся при них энергия.

H + H D + + + 1,44 МэВ (десятки миллиардов лет);

D + H He + + 5,49 MэВ (несколько секунд);

2He He + 2H + 12,85 MэВ (несколько млн. лет).

или в виде схемы:

1. Сначала два протона из атомов водорода (красные кружки) соединяются, образуя ядро дейтерия (фиолетовый кружок).

2. Затем к ядру дейтерия присоединяется еще один протон, при этом возникает ядро гелия-3 (светло-зеленый кружок). Во время этого процесса высвобождается большое количество энергии.



3. И, наконец, два ядра гелия-3 объединяются в одно ядро гелия-4 (темно-зеленый кружок). Два лишних протона отбрасываются и затем вовлекаются в тот же самый процесс с самого начала.

Термоядерные реакции на более тяжёлых элементах

Мы рассмотрели реакции на сравнительно лёгких элементах, которые протекают соответственно при сравнительно низких температурах. Однако представим на минуту, что всё вокруг состоит из свободных протонов электронов, а температура этих частиц достаточно велика. Астроном наверняка догадался бы, что это схоже с условиями после «Большого взрыва». Так вот, указанная выше протонная цепочка, является первой цепочкой превращения протонов в целые ядра. И именно с помощью этих реакции получились первые ядра гелия. Далее температура вселенной понижалась, и интенсивность ядерных превращений становилось меньше. А как же получилось всё то многообразие веществ в природе, спросите вы? Дело в том, что после «большого взрыва» происходили разные превращения, даже немыслимые, но то количество тяжёлых элементов, которое мы сейчас наблюдаем, не могло образоваться сразу. Дальнейшие реакции происходили уже внутри звёзд. Но при высоких энергиях. Уже при T = 100 миллионов градусов начинается важная реакция

С + He O + n,

Где буквой n обозначен протон. Её значение не столько в том, что при этом освобождается энергия, сколько в том, что появившийся протон может «прилипнуть» к любому другому ядру и тем самым увеличить его атомная масса - таким путём могут быть последовательно образованны все более тяжёлые элементы (-распад). В стационарных звездах тяжелые элементы могут образовываться при последовательном присоединении ядер гелия:

C + He O + g; N+He F + g;

O+ He Ne + g; Ne +He Mg + g и т. д.

Ne и Mg образуются только в звёздах с массой, большей 30М. Если в недрах звёзд достигается очень высокая температура, то там возможно выделение энергии и в реакциях между тяжелыми элементами.

Вывод

В рассмотренных выше примерах было рассказано о радиоактивности и о реакциях, при которых излучается радиация. Явление радиоактивности заинтересовало ученых еще в конце XIX века. Но только сейчас они получили достаточно информации об этом явлении, чтобы составить общую характеристику радиоактивности.

Мы узнали, что ядерные реакции могут быть как естественными, так и искусственно проводимыми с помощью человека.

Человек, создал ядерные реакторы для получения энергии искусственным путем, которая потом используется в виде топлива для различных мощных аппаратов. Но при нарушении работы ядерного реактора увеличивается уровень радиации, что оказывает непоправимый вред здоровью живых организмов.

Естественные ядерные реакции проходят на звездах. Это могут быть термоядерные реакции и протонные реакции. При этих реакциях выделяется очень большое количество энергии.

В скором будущем человечество сможет полететь на соседние планеты и космическому кораблю будет необходим источник большой энергии, коим является термоядерная реакция. Но все это в будущем, а сейчас остается только следить за термоядерными реакциями на Солнце, и предсказывать поведение последних в зависимости от разных условий.

Список используемой литературы

· «Энциклопедический словарь юного физика», Изд. «Педагогика»;

· Кл. Э. Суорц, «Необыкновенная физика обыкновенных явлений. Том 2.», Изд. «Наука»;

· Дж. Б. Мэрион, «Физика и физический мир», Изд. «Мир»;

· Ю. А. Храмов, Биографический справочник «Физики», Изд. «Наука»;

· Энциклопедия окружающего мира «Астрономия», Изд. «Росмэн»;

· Ш. А. Горбушин, «Азбука физики», Изд. «Удмуртия»;

· Энциклопедия «Древо познания», Изд. «Маршалл Кавендиш»;