Ядерный распад и синтез

Можно получать энергию как за счет управляемого распада ядер некоторых элементов, так и за счет слияния мелких ядер в более крупные в процессе так называемой реакции термоядерного синтеза

1900 ^ РАДИОАКТИВНЫЙ

1905, 1916

РАСПАД

ТЕОРИЯ

ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

И СИНТЕЗ

1917, ^ ЯДЕрНЫй распад 1934 _{И СИНТЕЗ}

ок. 1930 ^ АНТИЧАСТИЦЫ

1957 ^ КРИТЕРИЙ ЛОУСОНА

Согласно теории относительности, масса представляет собой особую форму энергии, о чем и свидетельствует известная формула Эйнштейна Е = ше². Из нее следует возможность преобразования массы в энергию и энергии в массу. И такие реакции на внутриатомном уровне вещества реально имеют место. В частности, часть массы атомного ядра может превращаться в энергию, и происходит это двумя путями. Во-первых, крупное ядро может распасться на несколько мелких — такой процесс называется реакцией распада. Во-вторых, несколько более мелких ядер могут объединиться в одно более крупное — это так называемая реакция синтеза. Реакции ядерного синтеза во Вселенной распространены очень широко — достаточно упомянуть, что именно из них черпают энергию звезды. Ядерный распад сегодня служит одним из основных источников энергии для человечества — он используется на атомных электростанциях. И при реакции распада, и при реакции синтеза совокупная масса продуктов реакции меньше совокупной массы реагентов. Эта-то разница в массе и преобразуется в энергию по формуле Е = ше².

Распад

В природе уран встречается в форме нескольких изотопов, один из которых — уран-235 (²³⁵и) — самопроизвольно распадается с выделением энергии. В частности, при попадании достаточно быстрого нейтрона в ядро атома ²³⁵и последнее распадается на два крупных куска и ряд мелких частиц, включая обычно два или три нейтрона. Однако, сложив массы крупных фрагментов и элементарных частиц, мы недосчитаемся определенной массы по сравнению с массой исходного ядра до его распада под воздействием удара нейтрона. Эта-то недостающая масса и выделяется в виде энергии, распределенной среди получившихся продуктов распада — прежде всего кинетической энергии (энергии движения). Стремительно движущиеся частицы разлетаются от места распада и сталкиваются с другими частицами вещества, разогревая их.

Они представляют собой стремительно разлетающиеся от места распада частицы, при этом далеко они не улетают, врезаясь в соседние атомы вещества и разогревая их. Таким образом, энергия, порождаемая ядерным распадом, преобразуется в теплоту окружающего вещества.

В уране, добываемом из природной урановой руды, изотопа урана-235 содержится всего 0,7% от общей массы урана — остальные 99,3% приходятся на долю относительно устойчивого (слаборадиоактивного) изотопа ²³⁸и, который просто поглощает свободные нейтроны, не распадаясь под их воздействием. Поэтому для использования урана в качестве топлива в ядерных реакторах его нужно предварительно обогатить — то есть довести содержание радиоактивного изотопа ²³⁵и до уровня не менее 5%.

После этого уран-235 в составе обогащенного природного урана в атомном реакторе распадается под воздействием бомбардировки нейтронами. В результате из одного ядра ²³⁵и выделяется в среднем 2,5 нового нейтрона, каждый из которых вызывает распад еще 2,5 ядра, и запускается так называемая цепная реакция. Условием для продолжения незатухающей реакции распада ура-на-235 является превышение числа выделяемых распадающимися ядрами нейтронов числа нейтронов, покидающих урановый конгломерат; в этом случае реакция продолжается с выделением энергии.

В атомной бомбе реакция носит умышленно неконтролируемый характер, в результате чего за доли секунды распадается огромное число ядер ²³⁵и и выделяется колоссальная по своей разрушительности взрывная энергия. В атомных реакторах, используемых в энергетике, реакцию распада необходимо строго контролировать с целью дозирования выделяемой энергии. Хорошим поглотителем нейтронов является кадмий — его-то обычно и используют для управления интенсивностью распада в реакторах АЭС. Кадмиевые стержни погружают в активную зону реактора до уровня, необходимого для снижения скорости выделения свободной энергии до технологически разумных пределов, а в случае падения энерговыделения ниже необходимого уровня частично выводят стержни из активной зоны реакции, после чего реакция распада интенсифицируется до необходимого уровня. Выделившаяся тепловая энергия затем в обычном порядке (посредством турбогенераторов) преобразуется в электрическую.

Синтез

Термоядерный синтез — реакция прямо противоположная реакции распада по своей сути: более мелкие ядра объединяются в более крупные. Самая распространенная во Вселенной реакция вообще — это реакция термоядерного синтеза ядер гелия из ядер водорода: она непрерывно протекает в недрах практически всех видимых звезд. В чистом виде она выглядит так: четыре ядра водорода (протона) образуют атом гелия (2 протона + 2 нейтрона) с выделением ряда других частиц. Как и в случае реакции распада атомного ядра, совокупная масса образовавшихся частиц оказывается меньше массы исходного продукта (водорода) — она и выделяется в виде кинетической энергии частиц — продуктов реакции, за счет чего звезды и разогреваются.

В недрах звезд реакция термоядерного синтеза происходит не единовременно (когда сталкиваются 4 протона), а в три этапа. Сначала из двух протонов образуется ядро дейтерия (один протон и один нейтрон). Затем, после попадания в ядро дейтерия еще одного протона, образуется гелий-3 (два протона и один нейтрон) плюс другие частицы. И, наконец, два ядра гелия-3 сталкиваются, образуя гелий-4, два протона, а также другие частицы. Однако по

совокупности эта трехэтапная реакция дает чистый эффект образования из четырех протонов ядра гелия-4 с выделением энергии, уносимой быстрыми частицами, прежде всего фотонами (см. эволюция звезд).

Естественная реакция термоядерного синтеза происходит в звездах; искусственная — в водородной бомбе. Увы, человек до сих пор не сумел найти средств для того, чтобы направить термоядерный синтез в управляемое русло и научиться получать за счет него энергию для использования в мирных целях. Однако ученые не теряют надежды на достижение положительных результатов в области получения «мирной и дешевой» термоядерной энергии уже в обозримом будущем, для этого главное — научиться удерживать высокотемпературную плазму либо посредством лазерных лучей, либо посредством сверхмощных тороидальных электромагнитных полей (см. критерий лоусона).

	Древний мир-1599	1600-1649	1650-1699
Астрономия	XVI Принцип Коперника	1609, 1619 Законы Кеплера
взгляд в прошлое	Древний мир Самозарождение жизни		1683 Флогистон
Математика	V до н.э. Парадокс Зенона 1202 Числа Фибоначчи	1630 Великая теорема Ферма
Науки о жизни		1624 Эксперимент Ван Гельмонта	1663, 1839 Клеточная теория
Науки о Земле			1666 Закон последовательности напластования горных пород
разное	ок. XIV Бритва Оккама
Физика	Античность Агрегатные состояния вещества III до н.э. Закон Архимеда ок. 420 до н.э. Атомная теория строения вещества ок. 100 н.э. Закон отражения света 1537 Распределенное движение	1600 Магнетизм 1604, 1609 Уравнения равноускоренного движения 1621 Закон Снеллиуса	1650 Принцип Ферма 1659 Центробежная сила 1662 Закон Бойля—Мариотта 1668 Закон сохранения линейного импульса 1678 Закон Гука 1687 Закон всемирного тяготения Ньютона; Законы механики Ньютона 1690 Принцип Гюйгенса

Химия

1700-1749	1750-1799	1800-1819	1820-1839	1840-1859
1742, 1823 Парадокс Ольберса	1755 Гипотеза газопылевого облака 1766 Правило Тициуса—Боде 1783 Черные дыры
нач. XVIII Равновесие в природе		1809 Ламаркизм		ок. 1850 Социальный дарвинизм
1742 Проблема Гольдбаха				1822 Анализ Фурье
1729, сер. XX Суточные ритмы ок. 1730 Система классификации Линнея	1779, 1905 Фотосинтез 1798 Экспоненциальный рост			1852, 1878 Мимикрия 1859 Теория эволюции
	1783 Круговорот углерода в природе 1788 Униформизм кон. XVIII Цикл преобразования горной породы			1852 Кислотный дождь
1736 Закон сохранения момента импульса 1738 Уравнение Бернулли 1747 Закон сохранения электрического заряда	1761 Фазовые переходы 1785 Закон Кулона 1787 Закон Шарля 1798 Механическая теория теплоты	XIX Электрические свойства вещества ок. 1800 Тепловое расширение 1801 Закон Генри 1807 Интерференция 1813 Теорема Гаусса 1815 Закон Брюстера 1818 Дифракция	1820 Закон Ампера; Закон Био—Савара; Открытие Эрстеда 1824 Цикл и теорема Карно 1826 Закон Ома 1827 Броуновское движение 1831 Законы электромагнитной индукции Фарадея 1833 Правило Ленца 1834 Уравнение Клапейрона— Клаузиуса; Уравнение состояния идеального газа 1835 Эффект Кориолиса	1842 Термодинамика, первое начало; Эффект Доплера 1845 Законы Кирхгофа 1849 Молекулярнокинетическая теория 1850 Термодинамика, второе начало 1851 Предельная скорость падения 1859 Открытие Кирхгофа—Бунзена; Спектроскопия; Эффект Тиндаля
	кон. XVIII Проба на окрашивание пламени	1801 Закон Дальтона 1811 Закон Авогадро	1828 Синтез мочевины 1829 Закон Грэма 1834 Законы электролиза Фарадея	1854 Катализаторы и ферменты
	1860-1879	1880-1899	1900-1919
Астрономия		1887 Опыт Майкельсона—Морли	XX Эволюция звезд 1905-1913 Диаграмма Герцшпрунга—Рассела 1912 Зависимость период—светимость 1917 Космологическая постоянная
взгляд в прошлое	^^^^^^^^^^^^^^^^^	1896 Закон Копа 1899 Онтогенез повторяет филогенез XIX — нач. XX Витализм
Математика
Науки о жизни	1865 Законы Менделя 1873 Принцип мутуализма 1877 Микробная теория инфекционных заболеваний; Правило Алена; Симбиоз	ок. 1895 Теория сцепления-натяжения Х1Х-ХХ Биологические молекулы; Распространение нервных импульсов	ок. 1900 Территориальность у животных; Экологическая сукцессия 1908 Закон Харди—Вайнберга
Науки о Земле	1863 Парниковый эффект	1886 Круговорот азота в природе кон. XIX Круговорот воды в природе 1890, 1940-е Радиометрическое датирование	1910-е Циклы Миланковича
разное			1913 Объяснение Бора
Физика	1864 Спектр электромагнитного излучения; Уравнения Максвелла 1867 Демон Максвелла 1872 Постоянная Больцмана 1879 Закон Стефана— Больцмана; Эффект Холла	1883-84 Число Рейнольдса 1887 Ударные волны 1890 Постоянная Ридберга 1891 Принцип эквивалентности 1895 Закон Кюри; Точка Кюри 1896 Критерий Рэлея; Эффект Зеемана 1897 Открытие электрона; Элементарные частицы 1899 Фотоэлектрический эффект	1900 Излучение черного тела; Постоянная Планка; Радиоактивный распад; Электронная теория проводимости 1905 Термодинамика, третье начало 1905, 1916 Теория относительности 1911 Опыт Резерфорда 1912 Закон Брэгга 1913 Атом Бора; Опыт Милликена 1917, 1934 Ядерный распад и синтез
Химия	1860-е Периодическая система Менделеева 1868, 1895 Открытие гелия	1887 Кислоты и основания 1888 Принцип Ле Шателье 1892 Открытие аргона	1919 Правило октета
1920-1939	1940-1959	1960-1969	1970-1999	2000-
1929 Закон Хаббла	1940 Гипотеза гига-	1961 Антропный при-	1980-е Ранняя
1931 Предел	нтского столкновения	нцип; Формула Дрейка	Вселенная
Чандрасекара	1948 Большой взрыв		1981 Инфляционная
1933 Темная материя	1950 Парадокс Ферми		стадия расширения
			Вселенной
			1990-е Космический
			треугольник
	1948 Теория стацио-
	нарной вселенной
	сер. ХХ Триединый мозг
1931 Теорема Гёделя		1965 Закон Мура	1980-е Детерминисти-
о неполноте			ческий хаос
1920-е Дрейф генов	1947 Устойчивость мик-	1960-е Стволовые	1970-е Дифферен-	2000 Проект
1926 Отношения	робов к антибиотикам	клетки	циальное исполь-	«Геном
хищник—жертва	нач. 1950-х Белки	нач. 1960-х Родс-	зование ресурсов;	человека»
1928 Открытие	1950-е Зеленая	твенный отбор	Молекулярные часы
пенициллина	революция	1961 Генетический код	1976 Теорема о мар-
1934 Принцип конку-	1952 Эксперимент	1964 Коэволюция	гинальных значениях
рентного исключения	Херши—Чейз	сер. 1960-х Иммунная	1995 Клонирование
1937 Гликолиз и дыхание	1953 ДНК	система
	1954 Максимальная устойчивая добыча	1966 Теория оптималь- ного фуражирования
	1958 Центральная догма молекулярной биологии	1967 Теория равновесия Макартура—Уилсона
ок. 1930, 1980 Массовые вымирания	1953 Эксперимент Миллера—Юри	1960-е Тектоника плит	1979 Гипотеза Геи
	1985 Озоновая дыра
	1942 Три закона робототехники
	сер. 1940-х Закон Мёрфи
	1950 Тест Тьюринга
1921 Опыт Штерна—Герлаха	1957 Критерий Лоусона; Теория сверхпроводимости	1961 Кварки и восьме- ричный путь; Стандар- тная модель	1972 Квантовая хромодинамика	XXI (?) Универ- сальные теории
1922 Эффект Комптона	1980-е Скрытый принцип необратимости времени
1923 Принцип соответствия		1962 Эффект Джозефсона
1924 Квантовый тун- нельный эффект; При- нцип запрета Паули; Соот ношение де Бройля   -
	1964 Теорема Белла
	1968 Теория струн
1925Квантовая механика	ок. 1930 Античастицы	ок. 1920 Принцип Aufbau	1930-е Химические связи
1926 Полосная теория твердотельной проводимости; Уравнение Шрёдингера	Магнитные монополи 1934 Излучение Черенкова	кон. 1920-х Теория молекулярных орбиталей
1926Опыт Дэвиссона— Джермера; Принцип дополнительности; Принцип неопределенности Гейзенберга

Амплитуда — максимальное отклонение волны от среднего положения — высота гребня или глубина впадины.

Атом — мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его химические свойства; ядро с электронами на орбиталях вокруг него.

Бактерия — простейший одноклеточный микроорганизм.

Биосфера — тонкая оболочка Земли, поддерживающая жизнь; включает поверхность, приповерхностную почву, гидросферу и атмосферу.

Бес — см. масса

вид — совокупность организмов, способных к скрещиванию и размножению.

вирус — микроорганизм, представляющий собой фрагмент ДНК или РНК в белковой оболочке.

Галактика — скопление звёзд, космической пыли, газа и тёмной материи. Подавляющая масса материи Вселенной приходится на галактики.

Гамма-лучи — электромагнитное излучение, характеризующееся сверхмалой длиной волны и сверхвысокой энергией.

Ген — фрагмент молекулы ДНК, кодирующий белок, который ферментирует определённую биохимическую реакцию в клетке; «единица наследственности».

Горная порода — см. минерал

Двойная звезда — система двух звезд, обращающихся по орбитам вокруг общего центра масс.

Длина волны — расстояние между гребнями волны.

ДНК — важнейшая биологическая молекула, содержащая гены, который передаются из поколения в поколение.

Единицы СИ — единицы Международной системы измерений (Système Internationale, SI), основанной на использовании метра в качестве единицы длины, килограмма в качестве единицы массы и секунды в качестве единицы времени.

Излучение — поток частиц или волн высоких энергий, испускаемых при радиоактивном распаде или, в обобщённом смысле, поток частиц или волн, испускаемых любым источником излучения.

Изотоп — ядра с одинаковым числом протонов, но различным числом нейтронов называются изотопами данного химического элемента.

Импульс — масса тела, умноженная на его векторную скорость.

Инерция — свойство материи оставаться в состоянии движения до тех пор, пока на нее не окажет воздействие внешняя сила.

Инфракрасное излучение — электромагнитные лучи с несколько большей, чем у видимого света, длиной волны.

Ион — атом или фрагмент молекулы (радикал) с положительным или отрицательным электрическим зарядом, полученным за счёт захвата или потери одного или нескольких электронов.

Ископаемое топливо — виды топлива, например уголь, нефть и природный газ, образовавшиеся в результате древних геологических процессов.

Кварк — один из видов элементарных частиц, из которых состоят другие элементарные частицы, такие как протоны и нейтроны.

Кинетическая энергия — энергия, связанная с движением.

Красное смещение — смещение наблюдаемой длины волны излучения (обычно света) в сторону длинноволновой (красной) части спектра при удалении источника излучения от наблюдателя.

Масса — мера сопротивления физического объекта ускорению, мера количества вещества в физическом объекте. Вес объекта — это сила, действующую на него в гравитационном поле.

Минерал — неорганическое вещество с упорядоченным строением кристаллической решетки. Горные породы представляют собой смесь минералов.

Молекула — не менее двух атомов, удерживаемых вместе химическими связями.

Моль — количество вещества, содержащее одно и то же число атомов, равное числу атомов в 12 г углерода.

Нейтрон — тяжелая элементарная частица с нулевым зарядом.

Оболочка — см. орбиталь

Орбиталь — область в атоме или молекуле, где могут находиться электроны. Вероятность нахождения электрона на той или иной орбитали определяется его волновой функцией. Оболочка — это совокупность электронных орбиталей.

Органическое соединение — химическое соединение, содержащее углерод, за исключением простейших соединений углерода — оксидов углерода и карбонатов; последние, наряду со всеми остальными химическими соединениями, условились относить к неорганическим соединениям.

Осмос — процесс проникновения атомов в растворе через мембрану.

Относительная атомная масса (атомный вес) — средняя масса атомов (включая все изотопы) химического элемента в том виде, в котором оно встречается в природе; измеряется в единицах 1/12 атомной массы углерода.

Пищевая цепь — цепь биологических видов, в которой каждый вид питается представителями низшего звена и служит пищей для представителей высшего по отношению к нему звена.

Плазма — агрегатное состояние вещества, в котором электроны отделены от атомного

ядра.

Потенциальная энергия — энергия, которой обладает тело, находящееся в гравитационном поле.

Пропорция — одна величина пропорциональна другой, если при ее возрастании вторая величина возрастает в то же число раз. Если же при возрастании первой величины вторая убывает в то же число раз, говорят об обратной пропорции.

Простое число — натуральное число, делящееся без остатка только на единицу и само себя

Пространство-время — четырёхмерное пространство, в котором время рассматривается в качестве дополнительного четвёртого измерения к трем пространственным измерениям.

Протон — тяжёлая элементарная частица с единичным положительным зарядом.

Протонное (атомное) число — число протонов (и, соответственно, положительных зарядов) в ядре атома.

Радиоволны — длинноволновое электромагнитное излучение.

Разложение — химическая реакция, приводящая к делению тяжелых молекул на несколько лёгких.

Реакция (химическая) — преобразование одного или нескольких химических веществ в одно или несколько других химических веществ.

Рентгеновские лучи — коротковолновое электромагнитное излучение.

Сверхновая — продукт катастрофического взрыва догоревшей звезды, при котором всё её вещество выбрасывается в межзвездное пространство в виде химических элементов.

Световой год — расстояние, которое проходит свет за один год. Это НЕ мера времени.

Сила — воздействие, приводящее к изменению состояния движения физического тела

Скорость — расстояние, покрываемое телом за единицу времени. Векторная скорость — это скорость с учетом направления движения тела.

Спектр — обычно спектр электромагнитного излучения: весь диапазон электромагнитного излучения от гамма-лучей до радиоволн.

Углеводороды — органические вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода и водорода; например, бензин.

Ультрафиолетовое излучение — электромагнитное излучение с несколько меньшей, чем у видимого света, длиной волны.

Ускоритель — экспериментальная установка для разгона элементарных частиц до сверхвысоких, часто близких к скорости света (субсветовых) скоростей. Столкновения между частицами на субсветовых скоростях помогают раскрывать их свойства.

Фаза (волны) — мера синхронизации волны с другой волной того же типа.

Фотон — частица света или иного электромагнитного излучения.

Частота — число пиков (или впадин) волны, проходящих через фиксированную точку в единицу времени.

Экосистема — совокупность всего живого, обитающего в конкретной местности, вместе со средой обитания.

Электрон — лёгкая элементарная частица с единичным отрицательным зарядом.

В атомах электроны размещаются на орбиталях вокруг ядра.

Элемент (химический) — вещество, не поддающееся дальнейшему химическому разложению.

Элементарные частицы — фундаментальные субатомные частицы, из которых состоят все остальные частицы физического мира. Различают два класса элементарных частиц: кварки и лептоны (к которым относится, в частности, электрон).

Энергетический уровень — энергия каждого из группы электронов, находящихся на определённой орбитали атомного ядра.

Ядро (атома) — центральная часть атома, состоящая из протонов и (как правило) нейтронов.

Ядро (клетки) — элемент структуры высокоразвитых биологических клеток, содержащий ДНК клетки.

Джеймс Трефил

200 ЗАКОНОВ МИРОЗДАНИЯ

Издатель Н. Ушакова Оформление обложки А. Песнин Технический редактор В. Ерофеев Верстка С. Чорненький Корректор М. Журавлева Подписано в печать??.??.06. Формат 70x100 7₁₆ Тираж?000 экз. Заказ №.

Общероссийский классификатор продукции ОК-005-93, том 2; 953000 — книги, брошюры Гигиеническое заключение № 77.99.02.953.Д.006738.10.05 от 18.10.2005 г. ЗАО «Издательский Дом ГЕЛЕОС» 115093, Москва, Партийный переулок, 1 Тел.: (495) 785-0239. Тел./факс: (495) 951-8972 www.geleos.ru Издательская лицензия № 065489 от 31 декабря 1997 г. ЗАО «Читатель» 115093, Москва, Партийный переулок, 1

Тел.: (495) 785-0239. Тел./факс: (495) 951-8972

www.e-puzzle.ru