Главные этапы в развитии теории света (стр. 22 )

, 10.5

где - постоянная распада, основная характеристика данного ядра. Знак минус говорит о том, что общее число ядер в процессе распада уменьшается.

Разделив переменные и интегрируя, получим

. 10.6

Учитывая, что в начальный момент времени число радиоактивных ядер равно , то и тогда закон радиоактивного распада будет иметь вид

. 10.7

Определим время, в течение которого распадается половина из имеющихся ядер

. 10.8

Период полураспада основная характеристика радиоактивного элемента и может принимать самые различные значения ( 4,5 млрд лет для урана до десятых и сотых долей секунды и меньше).

Радиоактивный распад происходит в соответствии с так называемые правилами смещения:

- распад. ;

- распад. ;

в процессе - излучения ядро переходит из возбужденного состояния в основное и поэтому оно не испытывает превращений.

4.10.4. - распад. Нейтрино.

Как мы уже указывали в процессе - распада из ядра выбрасывается электрон. При разработке теории - распада пришлось преодолеть целый ряд трудностей.

Одно из первых состояло в том, что электроны, выбрасываемые из ядра, имеют непрерывный спектр, начиная от нуля до некоторого максимального значения. Но как ядра, имеющие определенную энергию до и после распада, могут выбрасывать электроны с различными значениями энергии.

Н. Бор даже попытался обосновать нарушение закона сохранения энергии в процессе радиоактивного распада.

Вторая трудность состояла в том, что необходимо было обосновать происхождение электронов, выбрасываемых из ядра. Предположение о том, что электрон вылетает из атома, не состоятельно, ибо при этом должно возникать оптическое излучение, что не подтверждается экспериментально.

Третья трудность состояла в том, что в процессе - распада не сохраняется спин. В процессе - распада число нуклонов в ядре не меняется и естественно не должен изменяться и спин ядра. Но электрон имеет спин и при вылете электрона спин ядра должен измениться на эту величину, что не наблюдается на опыте.

В 1931 году, чтобы разрешить указанные трудности, Паули выдвинул гипотезу, согласно которой одновременно с выбросом электрона из ядра выбрасывается еще одна частица – не имеющая заряда со спином равным и реакция - распада имеет вид

. 10.9

Эту частицу Паули предложить назвать нейтрино (нейтрончик). Выдвинутая гипотеза позволила разработать стройную теорию - распада. Экспериментально нейтрино было обнаружено лишь 26 лет спустя (1956 г.) в потоках частиц возникающих при работе атомного реактора.

Нейтрино не имеет электрического заряда и массы покоя поэтому слабо взаимодействует с веществом. Ионизирующая способность нейтрино столь мала, что один акт ионизации воздуха может произойти на пути в 500 км. Нейтрино не участвует в сильном взаимодействии и поэтому абсолютно свободно может пройти через земных шаров поставленных друг на друга.

Поэтому экспериментальное обнаружение нейтрино представляло собой довольно сложную экспериментальную задачу. Неслучайно, что Паули в письме к Дираку писал о том, что сегодня я ввел частицу, которую никто и никогда не обнаружит.

Так как число нуклонов в ядре не меняется, то ответ на вопрос о происхождении электрона может быть лишь один. В ядре один из нейтронов превращается в протон по схеме

. 10.10

Данная реакция возможна, так как масса покоя нейтрона больше массы покоя протона.

Но если превращение испытывает нейтрон в атоме (связанный нейтрон), то должен наблюдаться и распад свободных нейтронов. В 1950 году в потоках нейтронов, возникающих в ядерных реакторах, было обнаружен радиоактивный распад нейтронов, что и подтвердило данную теорию. Изучение нейтрино, приходящих на Землю из космоса, позволяет судить о процессах протекающих в космосе. Для этого строят так называемые нейтринные телескопы, которые, как правило, располагают глубоко под Землей.

5.10.4. Ядерные реакции и их основные типы.

Процесс превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами или друг с другом называется ядерной реакцией.

В любой ядерной реакции выполняются основные законы (закон сохранения заряда, массового числа, импульса).

Важную роль в объяснении механизма ядерных реакций имело предположение Бора о том, что большинство ядерных реакций происходит в две стадии

. 10.11

На первом этапе образуется промежуточное ядро, которое является радиоактивным и на втором этапе оно испытывает распад. Например, первая реакция, наблюдаемая Резерфордом, протекает по схеме

. 10.12

Наиболее интересными с этой точки зрения оказались реакции с участием нейтронов. Для того, чтобы заряженная частица проникла в ядро она должна иметь весьма большую энергию, так как она испытывает кулоновское отталкивание. И поэтому необходимо дорогостоящие ускорители заряженных частиц.

Нейтрон не имеет электрического заряда и поэтому не участвует в электромагнитном взаимодействии и поэтому может свободно проникать в ядро. Более того, оказалось, что наиболее эффективными оказываются именно медленные нейтроны, так как они могут относительно долго находиться вблизи ядра.

Ядерные реакции с участием нейтронов не только сыграли огромную роль в развитии физики, но и привели к появлению новых источников энергии.

При облучении нейтронами урана было установлено, что в уране образуются элементы средней части таблицы элементов Менделеева – барий и лантан. Трудами многих ученых (Ферми, Ганн, Штрассман, Мейтнер, Курчатов, Петржак и др.) было доказано, что появление этих элементов связано с делением ядер урана под действием медленных нейтронов.

Замечательной особенностью данной реакции является тот факт, что в процессе деления ядер урана выделяется несколько (2 – 3) нейтрона, которые в свою очередь могут вызвать деление других ядер. Это связано с тем, что осколки, образующиеся при делении, оказываются пересыщенными нейтронами и выбрасывают их.

Наличие нейтронов, образующихся в процессе деления, приводит к тому, что реакция деления может поддерживать сама себя и поэтому называется цепной реакцией деления.

Протекание цепной реакции определяется коэффициентом размножения нейтронов, который определяется как отношение числа нейтронов до деления к числу нейтронов после деления.

На величину коэффициента размножения влияет ряд факторов:

- деление ядер урана, приводит к увеличению коэффициента размножения;

- захват нейтронов без деления:

- вылет нейтронов за пределы вещества, приводит к тому, что цепная реакция деления может возникнуть только в том случае, если масса урана превышает некоторую критическую массу;

- захват нейтронов продуктами деления.

При значениях реакция идет в управляемом режиме, при происходит взрыв.

Впервые управляемая цепная реакция была осуществлена в США в 1942 году (Э. Ферми), а в СССР в 1946 году ().

При делении одного ядра урана выделяется энергия порядка 200 МэВ. Поэтому управляемая цепная реакция используется для получения электроэнергии.

Любопытно, что еще в 1956 году Н. Бор предупреждал, что мир погибнет не от атомной войны, а от мирного применения атомной энергии.

В настоящее время особое внимание уделяется реакторам размножителям (бридерам) в которых при сжигании вырабатывается вторичное топливо, по следующей схеме. При поглощении быстрого нейтрона ядро испытывает превращение

. 10.13

Ядро (не существующее в природе) испытывает - распад по схеме

. 10.14

Ядро также радиоактивно и распадается по схеме

. 10.15

имеет сравнительно большой период полураспада (24000 лет) и может делиться под действием медленных нейтронов. При сжигании 1 кг можно получить до 1,5 кг плутония.

Неиссякаемым источником энергии может стать реакция синтеза атомных ядер – термоядерные реакции. Поскольку ядра имеют положительный заряд, то испытывают кулоновское отталкивание. Для того, чтобы два ядра сблизились на расстояние на котором начинают действовать ядерные силы () они должны двигаться с огромной скоростью, поэтому эти реакции могут идти только при огромных температурах и называются термоядерными реакциями. Примеры таких реакций

. 10.16

Эти реакции обладают тем свойством, что в них энергия, выделяющаяся на одну частицу гораздо больше, чем в реакции деления (3,5 Мэв против 0,9 Мэв при делении). Особенностью данных реакций является и отсутствие радиоактивных отходов, которые в огромных количествах образуются в атомных реакторах.

В настоящее время термоядерные реакции могут осуществляться только в неуправляемом режиме (водородная бомба).