Ясно, что с увеличением числа электронов в атоме, такие особенности будут повторяться и иметь более сложный хаpактеp. Например, имеется особенность строения многоэлектронных атомов, связанная с существованием так называемых pедкоземельных элементов. Существуют две гpуппы pедкоземельных элементов с атомными номерами, следующими дpуг за дpугом, у котоpых химические свойства исключительно схожи. Одна гpуппа элементов сходна по свойствам с лантаном La₅₇ и называется гpуппой лантаноидов. Появление pедких земель объясняется точно так же, как и аномалия с калием. До лантана шло заполнение высоких слоев (О - слоя и Р - слоя) в условиях, когда еще не был заполнен N - слой. Начиная с лантана постепенно заполняется N - слой, котоpый для атомов - лантаноидов является внутpенним слоем. У всех лантаноидов число валентных электpонов одинаково с лантаном, поэтому и химические свойства лантаноидов сходны. Такая же истоpия пpоисходит с актиноидами - у них тоже идет постепенное заполнение электpонами внутpенней, не заполненной до конца О - оболочки, хотя более высокие Р и Q - слои уже содеpжат электpоны.

Заполнением квантовых слоев объяснятся и малая активность (инертность) в химических реакциях атомов He, Ar, Ne, Kr. Как показывают кванто-механические расчеты, атомы с полностью заполненными квантовыми слоями имеют меньшую энергию и электроны внешнего слоя сильно связанны с атомом. Это требует больших затрат энергии для отрыва электрона, что затрудняет их участие в химических реакциях.

Существуют и дpугие особенности атомов, которые можно понять, опираясь на квантовую модель атома. Например, рассмотрим среди элементов те, которые имеют похожие валентные подоболочки: водород Н₁ имеет валентную оболочку 1s¹, аналогичную валентную оболочку - только на более далеком от ядра уровне - 2s¹ - имеет элемент литий Li₃, 3s¹ имеет натрий Na₁₁, 4s¹ - калий K₁₉, 5s¹ - рубидий Rb₃₇, 6s¹ - цезий Cs₅₅ и, наконец, самую удаленную от ядра оболочку такого типа имеет элемент франций Fr₈₇ - 7s¹. Все эти элементы имеют сходные химические и физические свойства. Во-первых, они одновалентны, так как могут отдавать с внешнего слоя только один электрон. Во-вторых, все перечисленные элементы охотно отдают внешний электрон, так как для них это самый быстрый путь приобретения завершенной электронной оболочки, при которой энергия минимальна. Например, натрий легко превращается в ионы натрия Na⁺.

Таким образом, в изменении свойств элементов наблюдается определенная периодичность, которая выражается в том, что по мере заполнения электронных оболочек химические свойства элементов периодически повторяются. Этот фундаментальный закон природы был открыт великим русским химиком Д.И. Менделеевым в 1869 году. Вследствие электро-нейтральности атомов, ясно, что число электронов в атоме равно заряду ядра, поэтому закон Менделеева в современной формулировке звучит так: cвойства химических элементов периодически изменяются в соответствии с зарядом ядер их атомов.

На основании этого закона строится таблица Менделеева, где номер периода, в котором находится элемент, совпадает с номером его внешней оболочки, а номер группы совпадает с числом электронов в этой оболочке, при этом заряд ядра Z совпадает с порядковым номером элемента в Периодической таблице.

В более реальных моделях многоэлектронного атома делается учет наличия взаимодействия между спинами электронов. Как оказалось оно тоже изменяет энергии состояний атома, это приводит к расщеплению линий в оптическом спектре атома. Это расщепление очень мало, оно обуславливает тонкую структуру оптического спектра атомов, когда спектральные линии наблюдаются как двойные (дуплеты). Несмотря на то что, расстояние между линиями тонкой структуры в сотни тысяч раз меньше расстояний между основными линиями, эта тонкая структура была обнаружена экспериментально с помощью спектральных приборов с большой разрешающей способностью.

2.7 Элементарная квантовая теория испускания атомами электромагнитного излучения

Если атому сообщить дополнительную энергию, то он может перейти в возбужденное состояние (например, для водорода возможны переходы из состояния с n=1 в состояния с n = 2, 3, 4, … ). Возбуждение атомов может инициироваться различными способами: за счет столкновений с элементарными частицами - ударное возбуждение, при столкновениях с атомами - тепловое возбуждение и, наконец, при поглощении атомами электромагнитного излучения. Для перехода из основного состояния в возбужденное c главным квантовым числом n атому необходимо передать энергию равную разности энергий E_n и E₁ состояний. Если энергия передается электромагнитным излучением с непрерывным спектром частот, то из этого излучения атомом будут поглощены кванты с энергиями . Если использовать выражение (2.3) для возможных энергий, то получим формулу для серии частот поглощения атома водорода, что полностью соответствует экспериментальным данным

. (2.9)

Если энергия, переданная электрону, будет достаточно велика, то электрон может преодолеть силу притяжения к ядру и оторваться от атома. Такой процесс называют ионизацией атома видно, что минимальная энергия, необходимая для ионизации атома водорода (переход n = 1 n = ), равна 13.6 эВ. Это значение хорошо согласуется с экспериментальными данными для энергии ионизации атома водорода.

В возбужденном состоянии атом долго находиться не может. Как и любая физическая система, атом стремится занять состояние с наименьшей энергией. Поэтому через время порядка 10^-8с возбужденный атом самопроизвольно (спонтанно) переходит в состояние с меньшей энергией, испуская при переходе квант энергии излучения. Такой процесс продолжается до тех пор, пока атом не окажется в основном состоянии. Совокупность всех возможных частот или длин волн излучений атома называют спектром испускания (при анализе излучений спектроскопом им соответствует набор спектральных линий). Если структура энергетических уровней атома определена, то можно рассчитать и спектры возможных излучений данного атома. Например, используя (2.12) для атома водорода и формулу Планка , можно получить общую формулу, описывающую все экспериментальные серии излучения водорода (1.1)-(1.3) ,

. (2.10)

Если атом переходит из одного квантового состояния в другое с испусканием или поглощением фотона, то возможны лишь такие переходы, для которых орбитальное квантовое число изменяется на единицу l = 1. Это правило называется правилом отбора. Наличие такого правила отбора обусловлено тем, что электромагнитное излучение (фотон) уносит или вносит не только квант энергии, но и вполне определенный момент импульса, изменяющий орбитальное квантовое число для электрона на единицу. Вследствие указанных особенностей, у каждого атома имеется свой индивидуальный спектр излучения и спектр поглощения, которые полностью его идентифицируют.

2.8 Спонтанное и вынужденное излучение фотонов. Принцип работы квантового генератора и его использование

Согласно квантовой теории излучения, атом после его возбуждения внешними источниками может самопроизвольно перейти в состояние с меньшей энергией, которое разрешено правилами отбора. При этом происходит излучение квантов, это излучение называется спонтанным. Эксперименты и теория, развитая Эйнштейном, показали, что кроме спонтанного излучения может происходить и вынужденное излучение. Вынужденное излучение происходит из-за внешнего воздействия на возбужденный атом, при этом становятся возможными переходы, которые запрещены правилами отбора. Возможность осуществления вынужденного излучения привело к созданию источников когерентного излучения на различных частотах или квантовых генераторов: лазеров (они испускают световые волны), мазеров (короткие радиоволны), разеры (рентгеновские волны), газеры (гамма-излучение).

Для понимания сути процессов, происходящих в квантовых генераторах, рассмотрим так называемую трех уровневую схему энергетических уровней, такая схема энергетических уровней возникает, например, в кристалле рубина с примесью хрома. На основе такого кристаллического вещества, называемым рабочим телом, в 1960 г. впервые был создан Г.Мейманом в США твердотельный оптический квантовый генератор, получивший название лазера. В таком веществе энергетический спектр атомом хрома такого вещества содержит три уровня. Верхний уровень 3 представляет собой достаточно широкую полосу, образованную совокупностью близко расположенных уровней. Главная особенность трехуровневой системы состоит в том, что уровень 2, расположенный ниже уровня 3 является метастабильным уровнем, это означает, что переход 2 1 в такой системе запрещен законами квантовой механики. Этот запрет связан с нарушением правил отбора квантовых чисел для такого перехода. Правила отбора не являются правилами абсолютного запрета перехода, просто вероятность запрещенного квантового перехода значительно меньше, чем разрешенного. Попав в такое метастабильное состояние, атом задерживается в нем, так как время жизни атома в метастабильном состоянии в сотни тысяч раз превышает время жизни атома в обычном возбужденном состоянии. Это обеспечивает возможность накопления возбужденных атомов с энергией Е₂.

Процесс сообщения рабочему телу лазера энергии для перевода атомов в возбужденные состояния называют накачкой. Существуют различные механизмы накачки. В рубиновом лазере используется импульсная оптическая накачка. Для этого кристалл рубина освещается ксеноновой лампой, работающей в импульсном режиме. Лампа испускает мощный световой импульс, содержащий оптическое излучение различных длин волн. Поглощая это излучение, атомы хрома переходят в возбужденные состояния 3 Время жизни таких возбужденных атомов мало, из этих состояний возможны спонтанные переходы 3 1 и 3 2. Для работы генератора важен переход на метастабильный энергетический уровень 2, такой переход является безызлучательным, то есть происходит без испускания фотона, а избыток энергии при этом передается от атомов хрома к кристаллической решетке рубина, в результате чего кристалл нагревается. Метастабильность уровня 2 обеспечивает накопление в кристалле возбужденных атомов с энергией Е₂.

Если такую систему облучить слабым излучением с частотой, соответствующей переходам 2 1, то запрет на переход 21 будет снят и произойдет вынужденное излучение той же частоты. Испущенный фотон воздействует на другие атомы и индуцирует новые фотоны, точно копирующие первоначальный. Процесс рождения фотонов носит лавинообразный характер и вынужденное излучение быстро усиливается. К настоящему времени обнаружены сотни кристаллов с примесями, которые можно использовать в качестве рабочих тел в твердотельных лазерах. Созданы также генераторы с жидкими и газовыми рабочими телами, в них за счет непрерывной накачки атомов среды, движущейся по замкнутому контуру, удается получать непрерывное электромагнитное излучение большой интенсивности.

Необходимо отметить следующие свойства вынужденного излучения:

1. вынужденное излучение распространяется строго в одном направлении, то есть оно имеет ничтожно малое расхождение пучка волн;

2. излучение строго когерентно, т.е. все волны вынужденного излучения, испускаемые атомами, колеблются в одной фазе;

3. вынужденное излучение линейно поляризовано;

4. вследствие малой расходимости луча, на малой площади концентрируется большая энергия излучения.

Квантовые генераторы нашли различные области применения. С помощью газовых лазеров осуществляется сварка, резка и плавление металлов. Лазеры применяются в медицине как бескровные скальпели. Лазерные локаторы позволяют контролировать распределение загрязнений в атмосфере. Лазерная локация космических объектов способствовала созданию систем космической навигации, позволила уточнить характеристики движения планет. Сверхстабильные мазеры являются основой стандартов частот и времени. Сверхкороткие мазерные импульсы нашли применение в линиях связи. Мазерные лучи используются и для управления движением ракет. При облучении мишеней излучением мощных газеров получена высокотемпературная плазма. Когерентное излучение разеров лечит глазные, кожные и другие болезни.

С появлением квантовых генераторов связано зарождение новых разделов физики: голографии, которая позволяет проводить фиксацию и восстановление объемных световых полей; нелинейной оптики, изучающей явления при взаимодействии мощных электромагнитных потоков; квантовой электроники, которая предполагает создание микроустройств для обработки и запоминания информации с помощью молекул, имеющих долгоживущие метастабильные состояния.

Бурное развитие квантовой электроники базируется на идеях, высказанных еще в первых работах Н.Г.Басова, А.М.Прохорова и Ч.Таунса. Этим ученым за фундаментальные исследования в области квантовой электроники в 1964 г. была присуждена Нобелевская премия по физике.

3. Атомное ядро.

3.1 Состав ядра. Характеристики ядра

Как было показано ранее, любой атом состоит из ядра и двигающихся вокруг него электронов. Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, обозначаемых символами p и n. Протон имеет массу в 1836 раз большую массы электрона и положительный заряд, равный заряду электрона. Нейтрон имеет массу близкую к массе протона, заряда у него нет. Обе эти частицы имеют одинаковый спин. Эти частицы часто называют нуклонами (т.е. ядерные частицы).

Ядра атомов характеризуется зарядом, массой, спином, радиусом и рядом других параметров. Количество нуклонов в ядре называют массовым числом А, а количество протонов называют зарядовым числом ядра Z, оно равно числу электронов в соответствующем атоме и атомному номеру элемента в таблице Менделеева. Количество нейронов в атомном ядре N=A-Z. Ядро элемента X обозначают условно как , например ядро кислорода . Аналогично обозначают протоны и нейтроны . Атомные ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изотопами. В среднем на каждое значение Z приходится около трех стабильных изотопов. Например, являются стабильными изотопами ядра Si, а дейтерий и тритий являются стабильными изотопами ядер водорода. Кроме стабильных изотопов, большинство элементов имеют и нестабильные изотопы, для которых характерно ограниченное время жизни. Свойства стабильных ядер остаются неизменными неограниченно долго, нестабильные же ядра испытывают различного рода превращения. Ядра с одинаковым массовым числом А называются изобарами, а с одинаковым числом нейтронов - изотонами.

3.2 Модели ядра: капельная, оболочная. Ядерные силы

К настоящему времени еще нет последовательно законченной теории ядра, которая объясняла бы все его свойства. Это связано в основном с двумя трудностями: с недостаточностью наших знаний о силах взаимодействия нуклонов в ядре и с тем, что каждое атомное ядро - это квантовая система большого количества сильно взаимодействующих частиц. Поэтому в теории атомного ядра очень важную роль играют модели, достаточно хорошо описывающие определенную совокупность ядерных свойств и допускающие сравнительно простую математическую трактовку. При этом каждая модель обладает, естественно, ограниченными возможностями и не претендует на полное описание ядра. Наиболее популярны две основные модели ядра: капельная и оболочная.

1. Капельная модель является простейшей моделью, в ней атомное ядро рассматривается как капля заряженной несжимаемой жидкости с очень высокой плотностью (~10¹⁴ г/см³). Капельная модель позволила вывести полуэмпирическую формулу для энергии связи ядра и помогла объяснить ряд других явлений, в частности, процесс деления тяжелых ядер.

2. Оболочная модель является более реалистичной, в ней считается, что каждый нуклон движется в усредненном поле остальных нуклонов ядра и, в соответствии с этим, имеются дискретные энергетические уровни нуклонов, заполненные с учетом принципа Паули. Эти уровни группируются в оболочки, в каждой из которых может находиться определенное число нуклонов. Полностью заполненные оболочки образуют наиболее стабильные ядра, таковыми являются ядра, в которых количество нуклонов равно 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Эти числа и соответствующие им ядра называют магическими.

Наблюдаемая в природе стабильность ядер означает, что взаимодействие нуклонов в ядре не может быть сведено к электрическому или гравитационному взаимодействиям. Действительно, между протонами в ядре действуют кулоновские силы отталкивания и гравитационные силы притяжения, но, согласно расчетам, силы притяжения намного меньше сил отталкивания и протоны не могут быть удержаны ими в ядре. Следовательно, в атомных ядрах между нуклонами должно иметь место особое взаимодействие. Это взаимодействие называют сильным ядерным. Ядерные силы - это фундаментальные (основные) силы, действующие между нуклонами и удерживающие их в ядре.

У ядерных сил имеются следующие отличительные особенности:

1. ядерные силы - это силы притяжения, ядерных сил отталкивания не существует;

2. по сравнению с электромагнитными силами они в сотни раз сильнее;

3. эти силы являются короткодействующими и действуют только в пределах ядра (на расстояниях 10^-14м.);

4. они обладают зарядовой независимостью, что проявляется в одинаковости сил взаимодействия различных нуклонов;

5. эти силы не являются центральными, то есть они не действуют вдоль прямой, проходящей через центры взаимодействующих нуклонов;

6. ядерные силы зависят от ориентации спинов нуклонов;

7. обладают свойством насыщения, что проявляется в слабой зависимости энергии взаимодействия, приходящейся на один нуклон, от общего числа нуклонов, это связано с тем, что каждый нуклон в ядре взаимодействует с примерно одинаковым числом ближайших нуклонов.

3.3 Энергия связи ядра. Дефект массы

Вследствие наличия сильного ядерного взаимодействия, удерживающего нуклоны в ядре, для разделения ядра на отдельные нуклоны необходимо совершить работу и затратить энергию. Эту энергию, необходимую для разделения ядра на составляющие его нуклоны, называют энергией связи ядра Е_св. Согласно закону сохранения энергии для энергии связи можно записать

Е_Я + Е_св =Е_{Ni ,} (3.1)

где Е_Я - энергия неподвижного ядра, Е_Ni - суммарная энергия отдельных неподвижных нуклонов. Но, согласно Эйнштейну, известно, что энергия покоя любой частицы связана с его массой как Е= mc², поэтому можно записать

Е_св = Е_Ni - Е_Я = Уm_ic² - m_Яc² = (Zm_p + Nm_n - m_Я)) c² , (3.2)

где Уm_i - сумма масс покоящихся нуклонов, m_Я - масса ядра в покое. Так как энергия связи положительна, то получаем соответственно

У m_i - m_Я m >0, (3.3)

полученное соотношение показывает, что масса покоя ядра меньше чем суммарная масса покоя содержащихся в нем нуклонов. Экспериментальные измерения масс атомных ядер, выполненные с большой точностью, показывают, что действительно масса ядра всегда меньше суммы масс составляющих его нуклонов. Величину, равную разности масс нуклонов и массы атомного ядра m называют дефектом массы.

Часто вместо энергии связи используют энергию связи деленную на массовое число (энергия связи на один нуклон) дЕ_св = Е_св/А, которую называют удельной энергией связи. Эта величина так же как энергия связи характеризует устойчивость (прочность, стабильность) атомных ядер: чем больше дЕ_св, тем ядро устойчивее.

Как следует из рисунка, удельная энергия связи сильно увеличивается в области легких ядер и очень немного уменьшается для тяжелых ядер, максимум в 8-8,8 МэВ/нуклон приходится на область с массовыми числами от 50 до 60, что соответствует наиболее стабильным ядрам.

При малых А, когда нуклонов мало в ядре, энергия ядерных сил мала, по мере увеличения А энергия значительно возрастает. Далее при увеличении А после А=60 удельная энергия связи постепенно уменьшается и составляет, например, для урана 7,6 МэВ/нуклон. Это уменьшение объясняется тем, что с возрастанием числа протонов в ядре увеличивается отрицательная энергия кулоновского отталкивания, связь между нуклонами становится менее сильной, в результате чего ядра - менее прочными. Из зависимости удельной энергии связи от массовых чисел следует, что энергетически выгодны следующие процессы: 1) деление тяжелых ядер на более легкие; 2) слияние легких ядер в более тяжелые.

3.4 Два типа ядерной реакции. Энергия ядерной реакции

Процессы деления тяжелых ядер на более легкие и слияния легких ядер в более тяжелые называют ядерными реакциям (ядерная реакция деления и реакция синтеза ядер). В этих реакциях выделяется большое количество энергии, в настоящее время они осуществлены на практике и используются как в мирных, так и в военных целях.

Рассмотрим, для примера, широко известную реакцию деления ядра изотопа урана при попадании в него нейтрона на ядро изотопа бария и изотопа криптона с вылетом трех нейтронов

. (3.4)

Для данной реакции, учитывая наличие у компонентов реакции кинетической энергии, согласно закону сохранения энергии можно записать

(3.5)

где Е_кин и Е'_кин - кинетические энергии всех исходных и конечных продуктов реакции, а Е_Я() и Е_N - энергии ядра и нуклона в покое. Учитывая уравнение Эйнштейна E=mc² и определение удельной энергии связи, последнее равенство можно переписать в следующем виде

(3.4)

где m_o( ) - массы покоя соответствующих ядер или нейтрона. Зная удельные энергии связи дЕ_св( ) разных ядер несложно рассчитать добавочную энергию Е_кин = Е'_кин - Е_кин, выделяемую в этой реакции, она равна 200 МэВ. Эта энергия передается образовавшимся ядрам и трем нейтронам в виде кинетической энергии. Аналогично можно рассмотреть реакцию слияния, например, двух ядер дейтерия и трития в ядро гелия

, (3.5)

расчет показывает, что при этом возникает добавочная энергия в количестве 17,6 МэВ, которая переходит в кинетическую энергию гелия и образовавшегося нейтрона. Для сравнения: энергия связи электронов в атомах порядка 10эВ, а энергия, выделяемая в химической реакции при окислении атома углеводорода (реакция, происходящая при сжигании углеводородного сырья) равна всего 100 эВ. Эти цифры неоспоримо показывают, где находится источник большого количества энергии и перспективность получения энергии за счет ядерных реакций на атомных электростанциях.

3.5 Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Альфа, бета, гамма - излучения

Ядерные реакции распада некоторых тяжелых ядер могут происходить самопроизвольно (без внешнего воздействия), при этом кроме нейтронов могут испускаться и другие частицы. Такие ядра называют радиактивными, а явление самопроизвольного (спонтанного) распада ядер с испусканием одной или нескольких частиц называют радиоактивностью. Радиоактивное ядро называют материнским, а ядра, образующиеся в результате распада, называют дочерними. Дочерние ядра также могут оказаться радиоактивными. Вследствие распада число радиоактивных ядер с течением времени уменьшается.

Закон этого уменьшения можно получить теоретически на основе статистических представлений, если учесть, что все ядра идентичны по характеру процессов внутри их. Поэтому любое из ядер с одинаковой вероятностью может распасться в любой момент времени, и распад каждого ядра никаким образом не влияет на распады других ядер. Вероятность распада одного ядра за 1с называется постоянной распада и обозначается буквой л. Как показали исследования, ядра различных элементов имеют разные постоянные распада и они не зависят ни от каких либо внешних воздействий. Если имеется N радиоактивных ядер с постоянной распада равной л, то за малый промежуток времени dt из них должны испытать распад dN ядер в количестве пропорциональном л, N и dt:

-dN = лNdt , (3.6)

где знак - перед dN показывает уменьшение числа ядер. Интегрирование этого уравнения дает

N = N_oe^-лt , (3.7)

где N_о - число ядер в момент t=0, N - число оставшихся (не распавшихся) ядер к моменту t. Это соотношение называют основным законом радиоактивного распада. Как видно, число нераспавшихся ядер убывает со временем экспоненциально. Наряду с постоянной л, процесс радиоактивного распада характеризуют еще периодом полураспада Т. Период полураспада Т - это время, за которое распадается половина первоначального количества ядер. Оно определяется условием N_o/2 = N_oe^-лТ, откуда следует, что

T = ln2/л = 0,693/л. (3.8)

Период полураспада для различных ядер может иметь величины от долей секунды (10^-7 с) до астрономических времен (10¹⁰ лет).

К основным видам радиоактивности относятся альфа, бета и гамма распады, они были открыты французским физиком Беккерелем в 1896г. Он обнаружил, что уран и его соединения испускают лучи или частицы, проникающие сквозь непрозрачные тела и способные засвечивать фотопластинку. Беккерель установил, что интенсивность излучения пропорциональна только концентрации урана и не зависит от внешних условий (температуры, давления) и от того, находится ли уран в каких-либо химических соединениях. Отклонение излучения в электрическом поле показало, что оно разделяется на -частицы (ядра гелия), - частцы (электроны) и - лучи (электромагнитное излучение с очень малой длиной волны ). Атомное ядро, испускающее -кванты, -, - или другие частицы, является нестабильным или радиоактивным ядром. В природе существует порядка трехсот стабильных атомных ядер, остальные ядра радиоактивны, обычно, это радиоактивные изотопы (радиоизотопы).

При альфа-распаде происходит самопроизвольное испускание ядром б -частицы (ядра ), и это происходит по схеме

, (3.9)

где X - символ материнского ядра, Y -дочернего.

Установлено, что б - частицы испускают только тяжелые ядра, где имеется избыток нейтронов. При распаде, б - частицы уносят почти всю энергию и только малая часть (несколько процентов) остается у дочернего ядра. Поэтому, кинетическая энергия б - частицы может быть очень большой (4-10 МэВ). В воздухе при нормальном давлении пробег б - частиц составляет несколько сантиметров (их энергия расходуется на образование ионов). Покидая ядро, частице приходится преодолевать потенциальный барьер, высота которого превосходит ее энергию, это происходит благодаря туннельному эффекту.

Бета-распад - это самопроизвольный процесс, в котором материнское ядро превращается в другое ядро с тем же массовым числом А, но с зарядовым числом Z, отличающимся от исходного на ±1. Это связано с тем, что в - распад сопровождается испусканием электрона или позитрона (позитрон - элементарная частица сходная во всем с электроном, но имеющая положительный заряд, она является античастицей электрона) или захватом электрона из оболочки атома

(3.7)

Число бета-активных ядер, известных в настоящее время, составляет около полутора тысяч, но только 20 из них являются естественными бета-радиоактивными изотопами. Все остальные получены искусственным путем.

Различают три типа -распада - электронный, позитронный и К-захват: электронный в^- - распад, это реакция, в которой ядро испускает электрон и его зарядовое число Z становится Z+1; позитронный в⁺ - распад, это реакция, в которой ядро испускает позитрон и его зарядовое число Z становится Z-1; К - захват, это процесс, в котором ядро захватывает один из электронов электронной оболочки атома (обычно из К - оболочки) и его зарядовое число Z становится равным Z - 1, на освободившееся место в К - оболочке переходит электрон с другой оболочки, и поэтому К - захват всегда сопровождается рентгеновским излучением.

Так как в ядрах отсутствуют электроны и позитроны, очевидно, что они возникают в результате процессов, происходящих внутри ядра с протонами и нейтронами. Такие реакции были экспериментально обнаружены при изучении излучений атомных реакторов, причем для их объяснения ученому Паули в 1931г. пришлось предположить о существовании новых частиц с малой массой и не имеющих заряда. Эти частицы должны очень слабо взаимодействовать с другими частицами и обладать большой проникающей способностью, поэтому они были обнаружены только в 1956г. и названы нейтрино () и антинейтрино (). С помощью этих частиц три разновидности в - распада могут быть обусловлены следующими превращениями нуклонов в ядре:

распад,

распад, (3.8)

распад.

Наличие этих частиц позволяет объяснить наблюдаемое непрерывное распределение электронов по кинетической энергии и их произвольный импульс. Если бы не было нейтрино, то электроны имели бы строго определенный импульс, равный импульсу дочернего ядра, в реальности же, энергия и импульс распределяется между электроном и нейтрино в самых разных пропорциях, поэтому в экспериментах испускаемые электроны имеют достаточно произвольные импульс и энергию.

Наблюдать нейтрино очень сложно, так как они почти не взаимодействуют с другими частицами и, согласно теоретическим оценкам, нейтрино с энергией 1 МэВ могут пробегать без столкновения в воде порядка 1000км. Такие нейтрино свободно пронизывают Солнце и, тем более, Землю. Чтобы зарегистрировать процесс захвата нейтрино другими частицами, необходимо иметь огромные плотности их потока. Это стало возможным только после создания ядерных реакторов, в которых при ядерных реакциях возникают мощные потоков нейтрино.

Гамма-распад заключается в испускании возбужденным ядром гамма - квантов, энергия которых варьируется в пределах от 10КэВ до 5МэВ. Гамма-излучение - это не самостоятельный тип радиоактивности, оно сопровождает процессы б и в - распада. Существенно, что спектр испускаемых гамма - квантов дискретный. Это объясняется тем, что согласно оболочной модели, ядро имеет дискретные энергетические уровни возможных состояний и переход ядра из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией должен по квантовой механике сопровождаться испусканием кванта электромагнитного излучения. Вследствие дискретности энергий состояний, спектр излучаемых частот тоже должен быть дискретен.

3.6 Цепная ядерная реакция деления

Ядра обычно находятся в состоянии с наименьшей энергией, это состояние называется основным. При попадании частиц с большой кинетической энергией в ядро, оно переходит в возбужденное неустойчивое состояние и через некоторое время делится на два более устойчивых ядра. Явление деления тяжелых атомных ядер на два ядра было открыто Ганом и Штрассманом в 1939г. при изучении взаимодействия нейтронов различных энергий и ядер урана. В 1940 г. российские физики К.А.Петржак и Г.И. Флеров обнаружили самопроизвольное (спонтанное) деление ядер урана. При реакции деления выделяется очень большая энергия, она высвобождается в виде кинетической энергии двух ядер-осколков, а также вылетающих при этом нейтронов, электронов, нейтрино, гамма - квантов. Основная часть энергии деления приходится на энергию ядер-осколков.

Замечательным и чрезвычайно важным свойством реакции деления является то, что в результате деления образуется несколько вторичных нейтронов. Это обстоятельство позволяет создавать условия для поддержания стационарной или развивающейся во времени реакции деления ядер. Например, если один нейтрон вызывают реакцию деления одного ядра, то образующиеся в результате реакции три нейтрона могут вызвать деление других трех ядер, возникшие при этом уже девять нейтронов после следующей реакции создадут двадцать семь нейтронов и так далее. Число вторичных нейтронов различно для разных реакций и зависит как от энергии нейтрона, так и от свойств ядра. В результате серии таких реакций за короткое время может произойти множество актов деления ядер, такой процесс называют цепной реакцией

Освобождение нейтронов при делении ядер урана обнаружили в 1939 г. Ф. Жолио - Кюри, Х.Халбан и Л.Коварски. В результате деления ядра урана образуются, как правило, два ядра-осколка с различной массой. В среднем отношение масс легких и тяжелых осколков равно 2 : 3. Массовые числа А ядер_осколков меняются от 72 до 161, а их атомные номера от 30 до 65. Как правило, ядра-осколки имеют большой избыток нейтронов и поэтому неустойчивы относительно бета-распада. При делении одного ядра урана освобождается 2 или 3 нейтрона и выделяется около 200 МэВ энергии. Примерно 165 МэВ выделяется в виде кинетической энергии ядер-осколков, остальная энергия приходится на кинетическую энергию нейтроны и энергию гамма-квантов. При наличии в среде примесей некоторых элементов, нейтроны, освобождающиеся в реакции деления урана, могут попасть в ядра примеси и застрять там. Это может уменьшить скорость цепной реакции и даже прекратить ее.

3.7 Использования энергии ядерных цепных реакций. Атомная бомба. Ядерный реактор

В 1934 г. Жолио-Кюри высказал предположение о возможности использования энергии ядерных цепных реакций в практических целях. Практическое осуществление цепных реакций - не такая простая задача, как это выглядит на схеме. Нейтроны, освобождающиеся при делении ядер урана, способны вызвать деление лишь ядер изотопа урана с массовым числом 235, и для этого пригодны даже медленные (тепловые) нейтроны. Деление же ядер изотопа урана с массовым числом 238 не происходит, нейтроны просто захватываются этими ядрами. В природном уране на долю изотопа 238 приходится 99,3%, а на долю изотопа 235 приходится всего лишь 0,7%. Поэтому, осуществление цепной реакции деления связано с разделением природного урана и получением в чистом виде достаточно большого количества изотопа 235, что достаточно сложно и дорого.

Необходимым условием для осуществления цепной реакции является наличие достаточного количества урана, так как при малой массе урана большинство нейтронов пролетят и уйдут наружу, не попав ни в одно ядро. Минимальная масса урана, достаточная для осуществления цепной реакции, называется критической массой, для изотопа урана 235 она составляет примерно 50 кг, а радиус шара такой массы равен 8,5 см.

Для характеристики цепной реакции деления используется величина, называемая коэффициентом размножения нейтронов К. Этот коэффициент равен отношению числа нейтронов одного поколения к числу нейтронов предыдущего поколения, участвующих в реакции распада. Коэффициент размножения зависит от типа ядерной реакции, от наличия поглощающих нейтроны примесей, а также от конструкции устройства, где происходит реакция. Если К>1, число нейтронов в системе лавинообразно нарастает и происходит выделение большого количества энергии за малое время, то есть происходит ядерный взрыв, система в этом случае называется надкритической. Для стационарной цепной реакции деления К=1, в этом случае число нейтронов, участвующих в реакции, не меняется и выделение энергии идет с постоянной скоростью. Такой режим реакции называется критическим, он используется в ядерных реакторах для длительного получения энергии. При К< 1 происходит уменьшение числа нейтронов, цепная ядерная реакция не происходит, система называется подкритической (это имеет место на месторождениях урана).

Простейший способ осуществления цепной реакции в уране - 235 заключается в следующем: изготавливают два куска урана в виде полушарий с массой несколько меньше критической. Цепная реакция в каждом из них в отдельности идти не может, но при соединении этих кусков мгновенно развивается цепная реакция и выделяется колоссальная энергия. Происходит атомный взрыв, температура окружающей среды резко увеличивается и все в области взрыва превращается в пар. Мощное световое и гамма-излучение сжигают все, что горит, на расстояниях нескольких километров. В добавление, вследствие кратковременности реакции, возникает мощная ударная волна перепада давления, разрушающая все на своем пути. Первые атомные бомбы были изготовлены в США в 1945г., взрывами этих бомб были уничтожены японские города Хиросима и Нагасаки. При взрыве бомбы с массой урана 1 кг, сброшенной на Хиросиму, была выделена энергия равная энергии взрыва примерно 20000 тонн тринитротолуола. Более мощным оружием является термоядерная бомба. В ней атомная бомба служит лишь «запалом», а основная энергия выделяется при осуществлении реакции термоядерного синтеза с превращением ядер водорода в ядра гелия.

Цепная реакция деления тяжелых ядер может использоваться и в мирных целях для получения электроэнергии. Впервые ядерная энергия была поставлена на службу людей в нашей стране, 27 июля 1954г. дала ток первая в мире атомная электростанция с ядерным реактором мощностью 5 МВт в г. Обнинске. Ядерный реактор - это техническая установка, в которой осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления тяжелых ядер. Для получения такой реакции, очевидно, необходимо создать такие условия, чтобы после каждой реакции распада ядра урана и после поглощения некоторых нейтронов примесями, оставался в среднем один нейтрон для продолжения дальнейших реакций распада, то есть необходимо непрерывно поддерживать критический режим реакции (К=1).

Ядерный реактор состоит из активной зоны, окруженной защитным корпусом. Активная зона содержит ядерное топливо, находящаяся в металлических трубках, их называют тепловыделяющими элементами (ТВЭл), а также теплоноситель, который проходит вокруг и внутри ТВЭлов и воспринимает тепло ядерных реакций. Для управления ходом реакции и поддержании ее в критическом режиме в активной зоне находятся также стержни из веществ, которые могут сильно поглощать нейтроны (тяжелая вода, графит, бериллий и др.).

При делении ядер ТВЭлы сильно нагреваются, вода, используемая часто в качестве теплоносителя, получает тепло от ТВЭлов и нагревается до температуры около 300⁰С при давлении около 10⁷Па. С помощью насосов нагретая вода выводится из активной зоны реактора и проходит через теплообменник (это так называемый первый контур). В теплообменнике происходит нагрев воды второго контура до превращения ее в пар, который направляется на лопатки паровой турбины. Паровая турбина вращает ротор генератора тока, так кинетическая энергия ядер превращается в электроэнергию.

В качестве теплоносителя используют жидкие или газообразные вещества, которые не поглощают сильно нейтроны, чтобы не препятствовать развитию цепной реакции. Активная зона реактора обычно окружается отражателем, возвращающим часть нейронов в активную зону за счет многократного рассеяния. В ядерном реакторе происходит накопления продуктов деления, которые называются шлаками. Наличие шлаков приводит к потерям свободных нейтронов и усложняет управление работой реактора.

Ядерные реакторы разделяются на несколько групп: по средней энергии нейтронов - на быстрые, промежуточные и тепловые; по конструктивным особенностям активной зоны; по типу теплоносителя - на водяные, тяжеловодные, натриевые. Для производства электроэнергии сейчас применяются в основном реакторы на тепловых нейтронах: водяные реакторы с не кипящей или кипящей водой под давлением, уран-графитовые реакторы с кипящей водой или охлаждаемые углекислым газом. В будущем будут широко применяться реакторы на быстрых нейтронах, охлаждаемые жидкими металлами (натрий и др.), в которых реализуется режим воспроизводства топлива, т.е. когда при распаде ²³⁵U получается изотоп плутония ²³⁹Pu, тоже используемый в ядерных реакциях.

3.8 Проблемы развития атомной энергетики

При использовании энергии ядер в мирных целях возникают определенные проблемы. Первая заключается в необходимости защиты людей, обслуживающих ядерные энергетические установки, от вредного действия гамма - излучения и потоков нейтронов, возникающих при осуществлении ядерной реакции в активной зоне реактора. Для обеспечения полной безопасности людей, работающих на атомной электростанции или на судах с ядерной энергетической установкой, ядерный реактор окружают толстым слоем материалов, хорошо поглощающих гамма-излучение и нейтроны. Вторая проблема связана с тем, что при работе реактора в его активной зоне накапливается большое количество радиоактивных шлаков, которые могут исказить нормальный режим работы и привести к выбросу шлаков из реактора. Например, после аварии на Три-Майл-Айленд (США) и на Чернобыльской АЭС произошло сильное радиоактивное заражение обширных территорий, с них пришлось эвакуировать сотни тысяч жителей и эти территории на несколько десятков лет выпали из хозяйственного оборота. Последствия этих катастроф будут сказываться еще в течение десятков и даже сотен лет, так как некоторые ядра шлаков (радионуклиды - стронций, плутоний и др.) имеют большие периоды полураспада. Третья проблема заключается в необходимости надежного захоронения радиоактивного шлака в специальных хранилищах, где они могут находится десятки и сотни лет, пока они не перестанут быть радиоактивными. Проникновение их в окружающую среду может оказать необратимое отрицательное воздействие на природу и людей.

Несмотря на ряд опасностей, связанных с работой реакторов, ядерная энергетика бурно развивается во всем мире главным образом из-за того, что возможности дальнейшего развития гидроэнергетики близки к полному исчерпанию, а также быстро убывают запасы углеводородного горючего. Масштаб добычи и расходования ископаемых энергоресурсов, металлов, потребления воды, воздуха для производства необходимого человечеству количества энергии огромен, а запасы ресурсов, увы, ограничены. Особенно остро стоит проблема быстрого исчерпания запасов органических природных энергоресурсов. Легко оценить, что органические ископаемые ресурсы, даже если учесть вероятное замедление темпов роста энергопотребления, будут в значительной мере израсходованы в будущем веке. Открытие деления тяжелых ядер при захвате нейтронов, сделавшее наш век атомным, прибавило к запасам энергетического ископаемого топлива существенный клад ядерного горючего. Запасы урана в земной коре оцениваются огромной цифрой 10¹⁴ тонн. Однако основная масса этого богатства находится в рассеянном состоянии - в гранитах, базальтах, воде; в водах мирового океана количество урана достигает 410⁹ тонн. Богатых месторождений урана, где добыча была бы недорога, известно сравнительно немного, поэтому массу ресурсов урана, которую можно добыть при современной технологии и при умеренных ценах, оценивают в 10⁸ тонн. Ежегодные потребности в уране составляют, по современным оценкам, 10⁴ тонн естественного урана.

Что касается экологической безопасности, необходимо отметить, что при сжигании угля и нефти, ежегодно образуется до 400 млн.т. сернистого газа и окислов азота, т.е. около 70 кг вредных веществ на каждого жителя земли в год. Использование атомной энергетики снимает остроту этой проблемы, так как 1 кг природного урана заменяет 20 т угля и при этом степень ее влияния на окружающую среду очень мала. Атомные электростанции не загрязняют атмосферу дымом и пылью, не требуют создания крупных водохранилищ, занимающих большие площади плодородных земель. Атомная энергетика не потребляет кислорода и имеет ничтожное количество выбросов при нормальной эксплуатации. Если атомная энергетика заменит обычную энергетику, то возможности возникновения "парника" с тяжелыми экологическими последствиями глобального потепления будут устранены.

Чрезвычайно важным обстоятельством является также тот факт, что атомная энергетика не создаст особых транспортных проблем, поскольку требует ничтожных транспортных расходов, что освобождает от бремени постоянных перевозок огромных количеств органического топлива.

Очевидно, что без ядерной энергетики человечеству не обойтись. Поэтому в настоящее время проводятся интенсивные исследования с целью повышения безопасности реакторов, усиления средств защиты, в частности от ошибочных действий персонала, наряду с этим прорабатывается идея создания реакторов с внутренне присущей им безопасностью.

3.9 Управляемая реакция термоядерного синтеза

Возможное решение множества проблем, связанных с производством безопасной и неограниченной по количеству ядерной энергии, заключается в использовании ядерной реакции синтеза. Из графика рис. 17 для удельной энергии связи ядер видно, что энергия может освобождается не только в реакциях деления тяжелых ядер, но и при соединении легких атомных ядер. Для соединения одноименно заряженных протонов необходимо преодолеть кулоновские силы отталкивания. Это возможно при достаточно больших скоростях столкновения частиц, т.е. при температуре порядка 10⁷ - 10⁸ К. Необходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в недрах Солнца и звезд. На земле термоядерная реакция синтеза осуществляется при термоядерных взрывах. Синтез гелия из легкого изотопа водорода происходит при температуре около 10⁸ К, а для синтеза гелия из тяжелых изотопов водорода, дейтерия и трития требуется нагревание плазмы примерно до 5•10⁷ К. Возможные реакции:

.

При синтезе 1 г гелия из дейтерия и трития выделяется энергия 4,2 10¹¹ Дж. Такая энергия выделяется при сжигании 10 т дизельного топлива. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы, кроме того, на Луне обнаружены большие запасы изотопа гелия, который тоже может быть использован в подобных реакциях, поэтому использование энергии термоядерного синтеза в мирных целях является одной из важнейших задач современной науки и техники. Управляемую термоядерную реакцию синтеза гелия из тяжелых изотопов водорода предполагается осуществить, нагревая исходное вещество в состоянии плазмы путем пропускания через нее электрического тока. Для удержания нагретой плазмы от соприкосновения со стенками камеры А.Д.Сахаров и И.Е.Тамм предложили использовать магнитные поля особой конфигурации. На экспериментальной установке «Токамак» российским физикам удалось нагреть плазму до температуры 1,3·10⁷ К.

Второй возможный путь - нагревание водорода с помощью лазерного излучения. Для этого пучки от нескольких мощных лазеров должны быть сфокусированы на стеклянном шарике, внутри которого заключена смесь тяжелых изотопов дейтерия и трития. В экспериментах на лазерных установках уже получена плазма с температурой в несколько десятков миллионов градусов Кельвина.

3.10 Свойства и характеристики радиоактивных излучений

Частицы, возникающие при радиоактивном распаде, попадая в вещество, сталкиваются с электронами атомов. В результате такого взаимодействия атом получает дополнительную энергию, при этом электрон переходит на один из удаленных от ядра энергетических уровней или совсем покидает атом. В первом случае происходит возбуждение атома и дальнейшее излучение рентгеновского излучения, во втором - ионизация атома. За счет этого энергия частицы уменьшается, она тормозится в веществе и останавливается. Длина пробега частицы зависит от ее заряда, массы, начальной энергии, а также от свойств среды, в которой частица движется. Пробег увеличивается с возрастанием начальной энергии, медленно движущиеся частицы взаимодействуют с атомами более эффективно и быстрее растрачивают имеющуюся у них энергию.

Проникающую способность частиц обычно характеризуют минимальной толщиной слоя вещества, полностью их останавливающего. Например, от потока бета частиц с энергией 2МэВ, полностью защищает слой алюминия толщиной 3,5 мм. Альфа - частицы обладают большими размерами, чем бета - частицы, поэтому они чаще сталкиваются с атомами и быстрее теряют свою энергию, пробеги альфа - частиц в веществе очень малы. Например, у альфа_частицы с энергией 4 МэВ длина пробега в воздухе примерно 2,5см, в воде или в мягких тканях животных и человека - сотые доли миллиметра. Благодаря небольшой проникающей способности альфа- и бета-излучения обычно не представляют большой опасности при внешнем облучении. Плотная одежда может поглотить значительную часть бета - частиц и совсем не пропускает альфа - частицы. Однако при попадании радиоактивных веществ внутрь человеческого организма с пищей, водой и воздухом, альфа- и бета-излучения могут причинить человеку серьезный вред.

Кроме альфа- и бета-излучения, сильное воздействие оказывают нейтроны, которые, вследствие отсутствия у них электрического заряда, при движении в веществе не взаимодействуют с электронными оболочками атомов и проникают глубоко в вещество. При прямом столкновении нейтронов с ядрами атомов они могут выбивать заряженные частицы, которые ионизируют и возбуждают атомы среды.

Гамма-кванты взаимодействуют в основном с электронными оболочками атомов, передавая часть своей энергии электронам, в результате чего наблюдаются явление фотоэффекта, эффект Комптона. Возникающие быстрые электроны производят ионизацию атомов среды. Пути пробега гамма-квантов и нейтронов в воздухе измеряются сотнями метров, в твердом веществе - десятками сантиметров и даже метрами. Потоки гамма-квантов и нейтронов - наиболее проникающие виды ионизирующих излучений, поэтому при внешнем облучении они представляют для человека наибольшую опасность.

Проникающая способность радиоактивного излучения увеличивается с ростом энергии и уменьшается с увеличением плотности вещества. В таблице приведены в качестве примера значения толщины слоев воды, бетона и свинца, ослабляющих потоки гамма - излучения различной энергии в десять раз.

Универсальной мерой воздействия любого вида излучения на вещество является поглощенная доза излучения, равная отношению энергии, переданной ионизирующим излучением веществу, к массе вещества D=E/m. За единицу поглощенной дозы в Си принят грей (Гр). 1Гр равен поглощенной дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1кг передается энергия ионизирующего излучения 1Дж: 1Гр=1Дж/1кг.

Физические воздействие любого ионизирующего излучения на вещество связано прежде всего с ионизацией атомов и молекул. Количественной мерой воздействия ионизирующего излучения служит экспозиционная доза, которая характеризует ионизирующее действие излучения на воздух. Экспозиционная доза равна отношению электрического заряда ионов одного знака, возникающих в сухом воздухе при его облучении фотонами, к массе воздуха X=q/M. В Си единицей экспозиционной дозы является кулон на килограмм (Кл/кг). Часто употребляется внесистемная единица экспозиционной дозы - рентген (Р): 1Р=2,58?10^-4 Кл/кг.