ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.11.2019
Просмотров: 18998
Скачиваний: 11
критична маса? 19, Розкажіть про утворення і застосування радіоактив-
них ізотонів. 20. Розкажіть про перспективи розвитку атомної енерге-
тики. 21. Яку біологічну дію чинять радіоактивні випромінювання на
живий організм?
Приклади розв'язування задач
Задача 1. Обчислити дефект маси та енергію зв'язку ядра ^ N .
Дано: 7 = 7;
А = 14.
Знайти:
Ат, Е
ж
Розв'язання. Дефект маси ядра визначають за формулою (25.4)
Ат - 7ж
р
+(Л -І)т
п
- М
л
.
Цю формулу доцільно перетворити так, щоб до неї входила маса
т
л
= М
я
+ 7ш
е
нейтрального атома, дефект маси якого визначається так:
Ат - 2т
и
+{Л~ Х)т
п
~ М
е?
де
т
н
-
маса нейтрального атома водню;
т
е
= 0,00055а, о. м. - маса елек-
трона.
Обчислення:
використавши табличні значення для ізотопу азоту , знайдемо
Ат = [7 • 1,00781 + (14 - 7)• 1,00867 -14,00304] а. о. м. - 0,186 • 10™
27
кг.
Енергія зв'язку ядра
£
зв
= Атс
2
= 0,186 • 10"
27
кг-9-Ю
16
м
2
/ с
2
= 1,67-КГ
11
Д ж - 1 0 4 , 3 МеВ.
Задача 2. Виділяється чи поглинається енергія під час ядерної реакції
іуСо П ~»27 СО + у?
Обчислити цю енергію.
Дано: А/,(|?Со) = 58,95182 а, о. м.; Л /
2
( $ С о ) = 59,95250 а. о. м.;
т
п
= 1,00893 а. о. м.
Знайти: Д
£
0
.
Розв'язання, Для обчислення енергії ядерної реакції
АЕ = Атс
2
треба
визначити дефект маси реакції
Ат.
Якщо
Ат
виражати в а. о. м., то
ДЕ = 931Діи[МеВ].
Дефект маси
Ат = [М
{
+ т
п
)- М.
Оскільки число електронів до і після реакції зберігається, то замість
значень мас ядер скористаємось значеннями мас нейтральних атомів:
Ат
= [(58,95182 +1,00893) -59,95250] а. о, м. = 0,00825 а. о, м.
Реакція відбувається з виділенням енергії, оскільки
Ат >
0.
Обчислення:
АЕ = 931 МеВ/а. о. м. • 0,00825 а. о. м. = 7,66 МеВ.
Задачі для самостійного розв'язування
1. Яка енергія виділяється при утворенні 1 г гелію з протонів і нейтронів?
2. Виділяється чи поглинається енергія під час реакції
2
Н Н ~>
—>2 Не +о п ? Яка ця енергія?
3. У процесі термоядерної взаємодії двох нейтронів можливі реакції
двох типів: з угворенням \ Не і утворенням ^Н. Визначити теплові
ефекти цих реакцій.
4. Якщо ядро атома
2
2 М§ опромінювати а-частинкою, то утворюються
новий елемент і нейтрон. Визначити: 1) який елемент утворюється внаслі-
док цієї реакції; 2) виділяється чи поглинається енергія під час цієї реакції?
5. Під час термоядерної реакції ^Н +о
п
виділяється енергія 6,25 МеВ.
Визначити масу спокою нейтрального атома
2
Н , якщо вважати, що
/и
(,
2
н
)=3,016049 а. о. м.;
т
п
= 1,00867 а. о. м.
6. Обчислити дефект маси, енергію зв'язку ядра атома і його питому
24 *
я
енергію
12
М§ .
7. Період піврозпаду радію дорівнює 1600 років. Чому дорівнює серед-
ній час життя ядра радію?
8. Під час бомбардування ядер бору У В протонами утворюється бери-
лій 4 Ве . Яке ядро утворюється ще в процесі цієї реакції?
9. Ізотоп брому зз Вг (3 -радіоактивний. Написати реакцію розпаду і ви-
значити, нуклід якого елемента утворюється під час цієї реакції.
10. Маса дейтрона дорівнює 2,01356 а. о. м. Знайти енергію зв'язку.
ГЛАВА 2 6
ТЕРМОЯДЕРНИЙ СИНТЕЗ. ЕВОЛЮЦІЯ ЗІР
§ 282. Термоядерний синтез
Термоядерний синтез
Як
було зазначено (§ 247), ядерна енергія може вивільнятися
не тільки в процесі поділу важких ядер, а й при злитті (синтезі) легких ядер
у важчі. Ці реакції можуть відбуватися при температурі 10
7
к 1 вище.
611
За нормальних умов ядра не можуть зливатися тому, що позитивно за-
ряджені ядра зазнають величезних сил кулонівського відштовхування. Під
час синтезу легких ядер завдання зводиться до того, щоб зблизити ядра на
такі відстані, при яких дія ядерних сил притягання перевищувала б куло-
нівські сили відштовхування. Щоб атомні ядра злилися, треба збільшити їх
рухливість, тобто збільшити кінетичну енергію. Цього досягають, підви-
щуючи температуру. За рахунок одержаної теплової енергії збільшується
рухливість ядер, і вони можуть підійти одне до одного на такі близькі від-
стані, що під дією ядерних сил зчеплення зіллються в нове, складніше ядро.
Баланс енергії
Внаслідок злиття легких ядер вивільняється енергія, оскільки
нове ядро має велику питому енергію зв'язку. Якщо при поділі важкого
ядра урану виділяється енергія порядку 1 МеВ на нуклон, то при синтезі
дейтерію і тритію утворюється ядро гелію:
\ Н +!
2
Н Не +1)
п
(17,6 МеВ). (26.1)
Ядро дейтерію має енергію зв'язку 2,2 МеВ, ядро тритію - 8,5 МеВ, а
гелію - 28,3 МеВ; отже, в процесі реакції виділяється енергія
28,3 МеВ - ( 2 , 2 + 8,5) МеВ = 17,6 МеВ, що в перерахунку на один нуклон
дає 17,6/5 « 3,52 МеВ, тобто майже в чотири рази перевищує ефект реак-
ції поділу. Оскільки реакція злиття легких атомних ядер у важчі відбува-
ється при дуже високих температурах (10
7
К і вище), то такі реакції на-
звали
термоядерними.
Наведену вище реакцію (26.1) злиття ядер дейтерію і тритію покладе-
но в основу створення водневої бомби. Запалом у такій бомбі є атомна
бомба, під час вибуху якої виникає температура порядку 10' К, достатня
для перебігу реакції синтезу (яка в цьому разі є некерованою).
§ 263. Проблема термоядерної енергетики
Некеровані термоядерні реакції відбуваються під час вибухів
водневих бомб, внаслідок чого вивільняється величезна кількість ядерної
енергії. Оволодіти керованою термоядерною реакцією - означає добути
найбагатше і найдешевше джерело енергії. Розв'язання проблеми керова-
ної термоядерної реакції позбавить людство від турбот про джерела енер-
гії; у цьому разі ядерним пальним буде вода морів і океанів. Але цю енер-
гію можна добути лише після того, як будуть розв'язані проблеми нагрі-
612
вання до величезних температур безлічі легких ядер і утримання їх у та-
кому етані протягом помітних проміжків часу. Над проблемою оволодін-
ня керованими термоядерними реакціями працюють у різних напрямах
практично в усіх розвинутих країнах світу.
Для керування реакцією синтезу водневих ядер і створення керованих
термоядерних реакторів опрацьовують методи створення дуже великих тем-
ператур у водневій плазмі. Останнім часом за допомогою потужного лазер-
ного випромінювання, сфокусованого в малому обсязі середовища, вдалося
добути надвисокі температури («10
8
К) і спричинити термоядерну реакцію.
Основна складність добування керованої реакції в тому, щоб забезпе-
чити повну ізоляцію плазми від стінок установки, в якій вона розміщена.
Якщо плазма стикається із стінками установки, вона перестає існувати.
Отже, плазма має бути оточена вакуумом. Щоб ізолювати її від стінок
установкрі, застосовують
магнітну теплоізоляцію.
Найперспективнішою
термоядерною установкою є "Токамак" (тороїд, камера, магніт). Принцип
дії цієї установки описано в гл. 14.
На закінчення зазначимо, що температура, густина плазми і час її
утримання, досягнуті тепер, поки що не досить великі для здійснення син-
тезу безлічі легких ядер. Тепер на установці "Токамак-15" в Інституті
атомної енергії ім. І. В. Курчатова добуто плазму з температурою близько
10
6
К і часом її утримання близько 80 мс.
§ 264. Будова Сонця і зір
Сонце - це не тільки джерело життя на Землі, а й найближча
до нас зоря, вивчення будови якої дасть можливість зробити висновок
про процеси, які відбуваються на його побратимах - зорях.
В основному Сонце складається з тих
самих хімічних елементів, що й Земля.
Серед цих елементів понад 80 % - атоми
водню і 18 % - атоми гелію.
Термоядерні
реакції -
основне джерело сонячної енергії -
відбуваються в ядрі Сонця (рис. 26.1). Ра-
діус ядра становить приблизно 1/3 радіуса
Сонця, температура ядра перевищує 10 МК
(10 000 000 К), і воно перебуває в плаз-
мовому стані. До ядра прилягає область
променистого перенесення енергії
, що має
товщину порядку 1/3 радіуса Сонця. Вище
розміщена
конвективна зона
, вона сягає
приблизно на 200 тис. км. Температура кон-
+Ю
7
км
перенесення зона
енергії далро\ у^зона
пінюданням \ / ядерних
Центр реакцій
Сонця
Рис. 26.1
613
вективної зони значно нижча. Ця зона переходить у зовнішні шари Сон-
ця -
атмосферу.
Сонячна атмосфера складається з кількох різних шарів.
Найглибший з них -
фотосфера.
Товщина фотосфери порядку 200 -300 км.
У сонячній атмосфері над фотосферою температура підвищується і в
хромосфері Сонця - шарі розжарених газів завтовшки 10-20 тис. км -
досягає кількох тисяч кельвінів, а в короні - найбільш розрідженій, зов-
нішній оболонці Сонця - понад 1 МК.
Хромосферу і сонячну корону можна спостерігати під час повного со-
нячного затемнення. Хоча найбільш зовнішні шари сонячної атмосфери
мають температуру 1 МК, їх випромінювання становить мізерну частку
загальної енергії, яку випромінює Сонце. Час від часу в сонячній атмос-
фері утворюються активні області - сонячні плями, які спостерігаються у
фотосфері. З одинадцятирічним періодом число плям і площі, які вони
займають, змінюються. Періодичність сонячної активності, очевидно,
пов'язана із складними взаємодіями іонізованої речовини Сонця і його
магнітного поля. Енергія, яку випромінює Сонце, в основному визнача-
ється випромінюванням фотосфери, що має температуру порядку 6000 К,
тому цю температуру приписують Сонцю в цілому.
Сонце - одна з численних зір Всесвіту.
Вивчаючи Сонце, ми пізнаємо процеси, які відбуваються в інших зорях.
§ 265. Енергія Сонця і зір
Фізичну природу зір ще не добре вивчено, щоб можна було
певно говорити про те, як виникають зорі, як виникло Сонце і яка доля зір.
Цілком можливо, одо з часом у деяких місцях простору міжзоряний
пил і газ згущуються в тіла великих розмірів. Наступне стискання таких
тіл призводить до їх розігрівання і світіння, до перетворення в зорі. Коли
температура всередині них підніметься досить високо, там має розпочатись
перетворення водню у важчі хімічні елементи, що супроводиться тривалим
і величезним виділенням енергії. У такому стані зорі можуть перебувати
принаймні десятки мільярдів років (як, наприклад, наше Сонце).
Ядра зір як природний термоядерний реактор
Реакції синтезу відбуваються в надрах зір, у тому числі і на-
шого Сонця. Сонце і сонцеподібні зорі складаються в основному з вод-
ню до 80 % і гелію до 20 %. Температура в їх надрах досягає 10
7
-10
8
К.
При такій температурі всі атоми повністю іонізовані і є плазмою. Сонце
і зорі - це ніби величезні самопідтримуючі термоядерні реактори. Най-
614