Термоядерные реакции — это реакции синтеза (слияния) легких ядер при очень высокой температуре.
Чтобы такие ядра, например Гидрогена, слились, они должны сблизиться на расстояние около 10-15 м, то есть попасть в сферу действия ядер-ных сил. Этому сближению противодействует кулоновское отталкивание ядер, которое они могут преодолеть лишь тогда, когда будут иметь большую кинетическую энергию теплового движения.
Энергия, выделяющаяся при термоядерных реакциях в одном акте синтеза из расчета на один нуклон, больше выделенной в цепных реакциях деления ядер. Так, при слиянии тяжелого Гидрогена - Дейтерия с изотопом Гидрогена - Трития выделяется около 3,5 МэВ на один нуклон, тогда как при делении Урана на один нуклон выделяется энергия, равная приблизительно 1 МэВ.
Термоядерные реакции играют решающую роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и других звезд - термоядерного происхождения. По современным представлениям, на ранней стадии развития звезда состоит преимущественно из водорода. Температура внутри звезды настолько велика, что в ней происходят реакции слияния протонов и образуется Гелий. Потом от слияния ядер Гелия образуются более тяжелые элементы. Все эти реакции сопровождаются выделением энергии, благодаря которой звезды излучают свет на протяжении миллиардов лет. На Земле неуправляемая термоядерная реакция происходит при взрыве водородной бомбы.
Осуществление управляемых термоядерных реакций на Земле даст человечеству новый, практически неисчерпаемый источник энергии. Наиболее перспективна в этом отношении реакция слияния Дейтерия с Тритием:
В этой реакции выделяется энергия 17,6 МэВ на один нуклон. Поскольку Трития в природе нет, его надо получать в самом термоядерном реакторе из лития.
Согласно проекту ИТЕР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) в г. Кадараш (Франция) ведется строительство первого в мире международного экспериментального термоядерного реактора. Цель этого проекта - продемонстрировать научную и техническую возможность получения тепловой и электрической энергии на основе термоядерного синтеза. По прогнозам специалистов, через 30-40 лет может начаться эра промышленного использования термоядерной энергии.
Каждый раз, как только в физике делали какое-либо серьезное открытие, астрономы начинали «примерять» его к своим проблемам. Так, в конце XIX в. почти сразу после открытия Беккерелем явления радиоактивности была выдвинута гипотеза, что светимость Солнца поддерживается за счет распада ядер тяжелых химических элементов, например Радия (открыт в 1898 г.) или Урана.
Период полураспада Радия равен 1620 лет, а изотопа Урана
который на 99,27 % составляет природный Уран, — 4,51 млрд лет. Следовательно, например, радиевое Солнце высветило бы основную часть своей энергии всего за несколько тысяч лет, а урановое Солнце было бы существенно слабее современного.
К тому же урановое Солнце вспыхнуло бы как громадная ядерная бомба сразу во время своего образования (следует отметить, что цепные реакции и существование критической массы были выявлены значительно позже). И хотя в настоящее время известно, что в современном природном уране, содержащем всего 0,72 %
цепная реакция не возможна (в существующих ядерных реакторах она происходит только при условии использования замедлителей нейтронов). Но 5 млрд лет назад она обязательно бы началась,
поскольку период полураспада
составляет всего 713 млн лет, поэтому
его часть тогда была ~ 30 % (для цепной реакции достаточно 3 %).
Идея о термоядерном источнике звездной энергии за счет синтеза гелия из водорода имеет долгий и сложный путь становления, который можно датировать 1919 г., когда английский физик и химик Фрэнсис Астон сконструировал мас-спектрограф. При его помощи он нашел точные значения масс атомов Гидрогена и Гелия. Это один из примеров в науке, когда точность измерения имела решающее значение. Оказалось, что масса атома Гелия составляет 3,97 массы атома Гидрогена. Вполне естественно было предположить, что при определенной температуре четыре ядра атома Гидрогена могут объединяться в ядро атома Гелия.
Следует отметить, что термоядерное «горение» водорода отличается наивысшей эффективностью по сравнению с другими химическими элементами.
Синтез гелия из водорода как источник энергии звезд предложил в 1920 г. Артур Эддингтон — один из творцов теории внутреннего строения звезды. В книге «Звезды и атомы» он писал: «Точка зрения, по которой энергия звезды возникает при построении других элементов из водорода, имеет большое преимущество, ибо не существует сомнений относительно возможности этого процесса, тогда как мы не имеем доказательств того, что в природе может происходить аннигиляция материи... С моей точки зрения, существование гелия служит самым лучшим доказательством того, что гелий может образовываться». Правда, здесь Эддингтон ошибался. Сегодня общепризнанным является то, что существующее количество гелия
не могло образоваться в звездах, а возникло в результате первобытного нуклеосинтеза на ранних этапах эволюции нашей Вселенной.
Солнечные, да и в целом звездные недра казались физикам 20-х годов XX в. слишком холодными, чтобы там могло происходить преобразование водорода в гелий.
Эддингтон считал, что физики должны продолжать исследование и тогда со временем поймут, как при сравнительно низких температурах водород может превращаться в гелий. Так и случилось. Эту проблему решили физики Роберт Аткинсон и Фридрих Хоутерманс. Они воспользовались предположениями Георгия Гамова о туннельном эффекте (в 1928 г.). Из новой физической теории - квантовой механики, которая как раз создавалась в те времена, следовало, что микрочастицы благодаря своим волновым свойствам могут проникать под потенциальные барьеры и просачиваться сквозь них.
Гамов решил проблему распада радиоактивных ядер, а Аткинсон и Хоутерманс, воспользовавшись этим, решили обратную задачу. В марте в 1929 г. они послали в редакцию немецкого журнала статью под названием «К вопросу о возможности синтеза элементов в недрах звезд». В этой статье они объяснили, что, хотя в рамках классической физики протоны могут сливаться друг с другом только при температурах в несколько десятков миллиардов кельвинов, туннельный эффект допускает вероятность такого процесса уже при относительно низких температурах, существующих в недрах звезд. Хоутерманс писал в своей книге «Ярче тысячи солнц» (в 1961 г.): «В тот же вечер, после того как мы закончили нашу статью, я пошел гулять с прелестной девушкой. Когда стемнело и одна за другой стали появляться звезды во всем их великолепии, моя спутница воскликнула: “Как прекрасно они сверкают! Не правда ли?”. Я выпятил грудь и произнес важно: “Со вчерашнего вечера я знаю, почему они сверкают”».
Судьба Хоутерманса связана с Украиной. Его, уже как выдающегося физика и немецкого коммуниста, в 1934 г. пригласили работать в Советский Союз. С 1935 по 1937 г. он был сотрудником Украинского физико-технического института (г. Харьков), где уже с 1932 г. работал Лев Ландау. В 1937 г. Хоутерманс был арестован НКВД как немецкий шпион. Его жестоко били и пытали многодневными конвейерными допросами, но он не потерял достоинства и не дал лживых свидетельств о своих коллегах. Можно считать, что ему посчастливилось — в 1940 г. его освободили и выслали из СССР как «нежелательного иностранца».
Следовательно, после статьи Аткинсона и Хоутерманса стало понятно, что источником энергии звезд все же могут быть термоядерные реакции. Но какие именно? По каким каналам? Конкретные ответы на эти вопросы появились лишь через 10 лет.
Первый ответ на эти вопросы нашли независимо друг от друга Карл Вайцзеккер в Германии и Ханс Бете в США. В 1938 г. они выявили первый цикл последовательной трансформации водорода в гелий, который мы сегодня называем карбоново-нитрогеновым. Другой вариант преобразования водорода в гелий известен в настоящее время как протон-про-тонный цикл, который предложили в том же 1938 г. Ханс Бете и Чарльз Критчфилд.
ВОПРОСЫ К ИЗУЧЕННОМУ
1. В чем заключается суть термоядерных реакций?
2. Какую энергию имеют Солнце и другие звезды?
3. Кто из ученых изучал процессы, происходящие на Солнце и других звездах?
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ
Решаем вместе
1. Что произойдет, если изолированный медный шарик покрыть полонием, излучающим а-частицы, и поместить его в вакуум?
Ответ: полоний, теряя положительный заряд, сообщает шарику отрицательный заряд.
2. Какой опыт объясняет рисунок 261?
Ответ: опыт Резерфорда доказывает, что
атом имеет планетарное строение.
3. Почему основное количество а-частиц свободно проходит сквозь золотую фольгу?
Ответ: потому что положительно заряженное ядро атома сконцентрировано в малом объеме и только отдельные а-час-тицы могут столкнуться с ядром.
Уровень А
182. Какие рассуждения дают основания утверждать, что положительный заряд атома сосредоточен в малом объеме и определяет массу атома?
183. Почему на мемориальной доске, установленной в колледже, где учился Резерфорд, написано: «Он соорудил себе памятник недосягаемый, который переживет столетия»?
184. Почему радиоактивные препараты хранят в толстостенных свинцовых контейнерах?
185. Чем обусловлено внутреннее облучение человека и какова его эквивалентная доза?
186. Чем обусловлено внешнее облучение человека и какова его эквивалентная доза?
187. Почему нейтроны, не вызывающие ионизации, отрицательно влияют на ткани человека?
188. Почему радиоактивные изотопы Йода-131 и Плутония-239 очень вредны для организма?
189. С помощью «меченых атомов» ученые установили, что средняя скорость движения воды от корней по стволу и к веткам растения равна 14 м/ч. Определите, за какое время после поливки вода достигнет верхушки яблони высотой 7 м.
190. Является ли телевизор источником радиоактивного излучения?
191. Какие радиоактивные вещества вы знаете?
192. Как защититься от действия ионизирующего излучения?
193. Почему свинец является самым лучшим веществом для защиты от радиации?
194. Как уменьшить чувствительность организма к радиации?
Уровень Б
195. В каких регионах Украины находятся самые большие залежи урановых руд? Каким способом добывают уран (рис. 262)?
196. Для чего врачи-рентгенологи во время работы пользуются рукавицами, фартуком и очками, которые содержат свинец?
197. Почему, работая в радиоактивно загрязненных зонах, необходимо надевать специальное снаряжение (рис. 263)?
198. Доза 1 Гр поглощенного излучения а-частиц оказывает на живой организм приблизительно такое же биологическое действие, как 20 Гр у-из-лучения. Определите коэффициент относительной биологической эффективности для а-частиц.
199. Во время работы атомного реактора в тепловыделяющих элементах накапливается значительное количество радиоактивных изотопов различных химических элементов. Среди них изотопы Йод-131, Йод-133, Йод-135. Периоды полураспада этих изотопов соответственно равны 8 сут., 20 ч, 7 ч. Во время аварии на Чернобыльской АЭС выброс этих изотопов составлял значительную часть от общего количества. Определите, какая часть каждого из изотопов Йода распалась до конца первого месяца после аварии на Чернобыльской АЭС.
200. Среди радиоактивных загрязнений, вызванных аварией на Чернобыльской АЭС, самые опасные - долгоживущие продукты деления -Стронций-90, Цезий-137. Рассчитайте время до момента, когда активность этих загрязнений уменьшится в 10 раз. Периоды полураспада их соответственно равны 28 и 30 лет.
ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА
Иваненко Дмитрий Дмитриевич (1904-1994) - доктор физико-математических наук, профессор Московского университета им. М.В. Ломоносова. Родился в Полтаве. Дед Дмитрия со стороны отца, как и многие из его рода, был священником. Отец издавал газету «Полтавский вестник». В 1920 г. Дмитрий окончил полтавскую гимназию, где за высокую эрудицию получил прозвище Профессор.
В 1920-1923 гг. работал учителем физики и математики в Полтавской трудовой школе. Одновременно учился в Полтавском педагогическом институте, который успешно окончил. Тогда же поступил в Харьковский университет, работая еще и в
Полтавской астрономической обсерватории. Со временем его перевели в Ленинградский университет, который окончил в 1927 г.
Возглавлял отдел теоретической физики в Украинском физико-техническом институте в Харькове, работал в Ленинградском физико-техническом институте, в научно-исследовательских учреждениях Томска и Свердловска. В 1940-1941 гг. был профессором, заведующим кафедрой теоретической физики Киевского университета. С 1943 г. - профессор Московского университета, с 1949 г. также работал в Институте истории естествознания и техники.
Основные направления научной деятельности: теоретическая физика, теория гравитации (тяготения), история физики. В конце февраля 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик на страницах английского журнала «Nature» сообщил об открытии третьей элементарной частицы - нейтрона, а уже в мае 1932 г. Иваненко выступил на страницах этого же журнала со статьей «Гипотеза о роли нейтронов», в которой впервые высказал мысль, что нейтрон наряду с протоном является структурным элементом ядра, и впервые сформулировал протонно-нейтронную модель ядра, в настоящее время общепризнанную.
За исследования по теории электрона, «светящегося» при быстром движении по окружности в магнитном поле, и современных проблем электродинамики, изложенных в монографии «Классическая теория поля» (1949) в 1950 г. вместе с И.Я. Померанчу-ком и А.А. Соколовым удостоен государственной премии.
Автор многочисленных научных работ, в частности «Квантовой теории поля» (1952).
Пионером в области ядерных исследований в Украине был Харьковский физико-технический институт. В 1932 г. впервые было осуществлено расщепление ядра атома Лития быстрыми протонами на две а-частицы (К.Д. Синельников, А.И. Лейпунский, А.К. Вальтер, Г.Д. Латишев). В 1939 г. в Харькове построен первый электростатический ускоритель заряженных частиц на 2,5 МэВ, с помощью которого Синельников и Вальтер исследовали поглощение быстрых электронов веществом. Весомый вклад в развитие ядерной физики и ядерной энергетики сделал Александр Ильич Лейпунский.
Он получил в 1934 г. первое косвенное подтверждение гипотезы нейтрино, исследуя импульсы отдачи ядер во время а-распада. В 1935-1939 гг. под руководством Лейпунс-кого исследовано взаимодействие нейтронов с различными веществами - водой, парафином, железом и никелем (Г.О. Голобородько, Л.В. Розенкевич, Д.В. Тимощук).
У входа в УФТИ. Харьков, 30-е годы. Слева направо: 1-й ряд-Л.В. Шубников, А.И. Лейпунский, Л.Д. Ландау, П.Л. Капица; 2-й ряд - Б.М. Финкельштейн,
О.М. Трапезникова, К.Д. Синельников, Ю.Н. Рябинин
В Киеве ядерные исследования начались в 1944 г. под руководством Лейпунского. С 1946 г. этими исследованиями в Институте физики АН УССР руководил Митрофан Васильевич Пасечник. Ученые изучали взаимодействия ядер с нейтронами радон-бериллиевого источника в 100 мКи.
В 1960 г. в Украине к ряду действующих установок введен экспериментальный ядер-ный реактор ВВР-М с тепловой мощностью 10 МВт. С целью ускорения протонов построен электростатический генератор в сжатом газе на энергию 2,5 МэВ для протонов.
В.И. Стрижак, М.Д. Борисов с коллективом разработали низковольтные генераторы протонов. С 1953 г. в Институте физики АН УССР действовал циклотрон У-120, на котором можно ускорять протоны, ядра Дейтерия и а-частицы до энергий соответственно 6,8; 13,6 и 27,2 МэВ. Исследования на ядерном реакторе дали важные сведения о взаимодействии нейтронов с разными веществами, необходимыми для выбора конструкционных материалов при строительстве промышленных атомных электростанций.
На ядерном реакторе ученые исследуют влияние нейтронов и у-лучей на различные материалы, растения, микробы и другие биологические объекты. В 1964 г. был создан электростатический генератор на 5 МэВ. На базе ядерных отделов Института физики в 1970 г. в Академии наук Украины образован Институт ядерных исследований. В 1977 г. здесь был введен в эксплуатацию изохронный циклотрон У-240.
Наряду с экспериментальными проводились широкие теоретические исследования по ядерной физике. Первой по теории ядра была работа Льва Давидовича Ландау (1937), посвященная статистической теории ядер, которую он выполнил в Харьковском физико-техническом институте. Большое значение для развития ядерной физики имели работы одного из основателей Харьковской школы физиков-теорети-ков, руководителя отдела теоретической физики Украинского физико-технического института (теперь - Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»), академика НАН Украины (1964), Александра Ильича Ахиезера, в частности его монография «Некоторые вопросы теории атомного ядра» (в соавторстве с И.Я. Померанчуком).
ПРОВЕРЬТЕ СВОИ ЗНАНИЯ
Контрольные вопросы
1. Какое научное значение имели опыты Резерфорда?
2. Почему модель атома назвали «планетарной»?
3. Что такое радиоактивность и какие существуют ее виды?
4. Какие радиоактивные вещества вы знаете? Как они используются?
5. Назовите величины для определения дозы облучения. Чем они отличаются?
6. Назовите основные единицы доз облучения. Покажите связь между ними.
7. Каким образом может поразить организм человека радиоактивное излучение?
8. Одинаково ли реагируют органы человека на радиоактивное излучение? Докажите это.
9. Какие радиоактивные вещества наиболее опасны при ядерных катастрофах?
10. За счет какого вида энергии вырабатывают электрическую энергию на АЭС?
11. Почему атомные реакторы размещают за массивными железобетонными стенами и другими защитными сооружениями?
12. Каковы перспективы развития ядерной энергетики в Украине?
Что я знаю и умею делать
Я знаю, какие опыты выполнил Резерфорд.
1. Почему в своих опытах Резерфорд использовал именно золотую фольгу?
2. Почему в своих опытах Резерфорд использовал а-частицы, а не электроны?
Я знаю, что такое радиоактивность.
3. Какие частицы имеют большую энергию: а- или р-частицы?
4. Какие вещества используют для защиты от радиоактивного излучения?
Я умею определять период полураспада атомных ядер.
5. По таблице определите период полураспада ядер Урана-235.
Я умею пользоваться дозиметрами.
6. Какие приборы изображены на рисунке 264? Для чего их используют?
7. Можно ли с помощью дозиметра измерить эквивалентную дозу у-излучения?
Я знаю, как человек защищает свой организм от радиационного излучения.
8. Почему в стекло для радиационных камер добавляют свинец?
9. Какими химическими элементами более всего загрязнена Чернобыльская зона?
Я знаю строение атома.
10. На рисунке 265 представлены образцы металлического натрия и жидкого хлора. Какое вещество образуется при их соединении?
11. Почему атом может терять электрон или захватывать его? Что при этом образуется?
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ
Вариант 1
1. Какое из излучений отклоняется в магнитном поле?
А у-излучение
Б поток протонов В поток нейтронов Г световые лучи
2. Сколько протонов Z и нейтронов N в ядре изотопа Оксигена 80?
AZ = 8, Л/=17 Б Z = 8, Л/ = 9 BZ=17,A/ = 8 rZ = 8,/V = 8
3. Какое из перечисленных излучений имеет наибольшую проникающую способность?
А р-излучение Б а-излучение В у-излучение Г рентгеновское излучение
4. Каков порядковый номер в периодической системе элемента, образовавшегося в результате а-распада ядра элемента с порядковым номером Z?
A Z + 2 Б Z-2 В Z-4 VZ- 1
5. К какому типу относится реакция
А ядерная реакция Б термоядерная реакция В управляемая ядерная реакция Г цепная реакция
6. Каков период полураспада Йода-131?
А 6 суток Б 18 суток В 8 суток Г 80 суток
7. Какой физический фактор влияет на значение активности радиоактивного препарата?
А температура Б масса В давление Г электрическое поле
8. Чем отличаются изотопы определенного химического элемента?
А числом протонов в ядре
Б химическими свойствами В числом электронов в оболочке Г числом нейтронов в ядре
9. Какой материал является наилучшим для защиты от рентгеновского и у-излучения?
А древесина Б свинец В железо Г бетон
10. На каких электростанциях используют ядерное топливо?
АВЭС Б ГЭС В АЭС Г ГРЭС
11. Какой прибор применяют для измерения дозы радиоактивного излучения?
А вольтметр Б амперметр В дозиметр Г ваттметр
12. Каким пищевым продуктом следует обогатить свой рацион, чтобы предупредить накопление в организме стронция?
А салом Б хлебом В сыром Г сахаром
Вариант 2
1. Какие частицы использовал в своих опытах Резерфорд?
А нейтроны Б электроны В протоны Г ядра Гелия
2. Какие из частиц, движущихся в магнитном поле, им не отклоняются?
А электроны Б нейтроны В протоны Г никакие
13
3. Сколько протонов Z и нейтронов N в ядре изотопа Карбона 8С?
AZ = 6, Л/=13 Б Z = 6, Л/ = 7 BZ=13, Л/ = 6 VZ = 6,N = 6
4. Каков период полураспада Стронция-90?
А 24 года Б 24 суток В 240 суток Г 240 лет
5. Каков порядковый номер в периодической системе элемента, образовавшегося в результате (3-распада ядра элемента с порядковым номером Z?
A Z + 1 BZ-0 В Z-2 TZ-1
6. К какому виду относится реакция
А ядерная реакция Б термоядерная реакция В управляемая ядерная реакция Г цепная реакция
7. От какого из перечисленных факторов зависит активность радиоактивного препарата?
А период полураспада Б магнитное поле В давление Г температура
8. Какой из перечисленных изотопов не может быть горючим в реакторах на медленных нейтронах?
9. В каких регионах Украины расположены самые большие залежи урановых руд?
А в западных областях
Б в Днепропетровской и Кировоградской областях В в Донецкой и Луганской областях Гнив одном из регионов
10. Какое из перечисленных веществ является самым лучшим замедлителем быстрых нейтронов?
А золото Б ртуть В вода Г железо
11. Какой из перечисленных источников ионизирующей радиации является искусственным?
А космические лучи
Б отходы тепловых и атомных электростанций В гранитные породы Г радиоактивный радон
12. Каким пищевым продуктом следует обогатить свой рацион, чтобы предупредить накопление в организме цезия?
А салом Б хлебом В изюмом Г сахаром
Это материал учебника Физика 9 класс Сиротюк