выхода (рис. 208). Это катод. Через прозрачное «окошко» свет проникает
внутрь колбы. В ее центре расположена проволочная петля или диск — анод,
который служит для улавливания фотоэлектронов. Анод присоединяют к
положительному полюсу батареи. Применяемые фотоэлементы реагируют на
видимый свет и даже на инфракрасные лучи.
При попадании света на катод фотоэлемента в цепи возникает электрический
ток, который включает или выключает то или иное реле. Комбинация
фотоэлемента с реле позволяет конструировать множество различных видящих
автоматов. Одним из них является автомат в метро. Он срабатывает (выдвигает
перегородку) при пересечении светового пучка, если предварительно не
опущена пятикопеечная монета.
Подобного рода автоматы могут предотвращать аварии. На заводе фотоэлемент
почти мгновенно останавливает мощный пресс, если рука человека оказывается
в опасной зоне.
При попадании света на фотоэлемент в цепи батареи G1 через резистор R идет
слабый ток. К концам резистора присоединены база и эмиттер транзистора.
Потенциал базы выше потенциала эмиттера, и ток в коллекторной цепи
транзистора отсутствует. Когда рука человека попадает в опасную зону, она
перекрывает световой поток, падающий на фотоэлемент. Переход эмиттер база
открывается для основных носителей, и через обмотку реле, включенного в
цепь коллектора, пойдет ток. Реле сработает, и контакты реле замкнут цепь
питания механизма, который остановит пресс.
С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, записанного
на кинопленке.
Кроме рассмотренного в этой главе фотоэффекта, называемого внешним
фотоэффектом, разнообразные применения находит внутренний фотоэффект в
полупроводниках. Это явление используется в фоторезисторах — приборах,
сопротивление которых зависит от освещенности. Кроме того, сконструированы
полупроводниковые фотоэлементы, непосредственно преобразующие световую
энергию в энергию электрического тока. Эти приборы сами могут служить
источниками тока. Их можно использовать для измерения освещенности,
например в фотоэкспонометрах. На том же принципе основано действие
солнечных батарей, устанавливаемых на всех космических кораблях.
Билет № 25
Состав атомного ядра. Эксперименты Резерфорда показали, что атомы имеют
очень малое ядро, вокруг которого вращаются электроны. По сравнению с
размерами ядра, размеры атомов огромны и, поскольку практически вся масса
атома заключена в его ядре, большая часть объёма атома фактически является
пустым пространством. Атомное ядро состоит из нейтронов и протонов.
Элементарные частицы, образующие ядра (нейтроны и протоны) — называются
нуклонами. Протон (ядро атома водорода) обладает положительным зарядом +е,
равным заряду электрона и имеет массу в 1836 раз больше массы электрона.
Нейтрон — злектрически нейтральная частица с массой примерно равной 1839
масс электрона.
Количество протонов Z в ядре нейтрального атома равно числу электронов в
его электронной оболочке и определяет его заряд, равный +Ze. Число Z
называется зарядовым числом и определяет порядковый номер химического
элемента периодической системы Менделеева. N — число нейтронов в ядре, А —
массовое число, равное суммарному количеству протонов Z и нейтронов N в
ядре. Ядро атома обозначается тем же символом, что и химический элемент,
снабжаясь двумя индексами (например, [pic]), из которых верхний обозначает
массовое, а нижний зарядовое число.
Изотопами называются ядра с одним и тем же зарядовым числом и различными
массовыми числами. Большинство химических элементов имеет несколько
изотопов. Они обладают одинаковыми химическими свойствами и занимают одно
место в таблице Менделеева. Например, водород имеет три изотопа: протий
([pic]), дейтерий ([pic]) и тритий ([pic]). У кислорода встречаются изотопы
с массовыми числами А = 16, 17, 18. В подавляющем большинстве случаев
изотопы одного и того же химического элемента обладают почти одинаковыми
физическими свойствами (исключение составляют, например, изотопы водорода)
Приближённо размеры ядра были определены в опытах Резерфорда по рассеянию
(-частиц. Наиболее точные результаты получаются при изучении рассеяния
быстрых электронов на ядрах. Оказалось, что ядра имеют примерно сферическую
форму и её радиус зависит от массового числа А по формуле[pic] м.
Энергия связи ядра. Атомные ядра, состоящие из положительно заряженных
протонов и нейтронов, представляют собой устойчивые образования несмотря на
то, что между протонами существует сильное отталкивание. Устойчивость ядер
свидетельствует, что между нуклонами в ядре действуют силы притяжения,
превосходящие силы электростатического отталкивания протонов. Их назвали
ядерными силами. Эти силы обладают рядом особенностей:
1) Они являются только силами притяжения и значительно сильнее
электростатического отталкивания протонов.
2) Эти силы короткодействующие. Расстояние, на котором ещё действуют
ядерные силы, называют радиусом действия этих сил. Он равен примерно
[pic]м.
3) Ядерные силы являются зарядово независимыми. Это означает, что
взаимодействие двух нуклонов совсем не зависит от того, обладают или не
обладают они зарядом. Ядерные силы между двумя протонами, или двумя
нейтронами, или протоном и нейтроном одинаковы
4) для ядерных сил характерно насыщение, подобно насыщению сил
химической связи валентных электронов атомов в молекуле. Насыщение
проявляется в том, что нуклон взаимодействует не со всеми остальными
нуклонами ядра, а лишь с некоторыми ближайшими соседями.
Для изучения ядерных сил, казалось бы, надо знать их зависимость от
расстояния между нуклонами. Однако изучение связи между нуклонами может
быть проведено и энергетическими методами.
О прочности того или иного образования судят по тому, насколько легко или
трудно его разрушить: чем труднее его разрушить, тем оно прочнее. Но
разрушить ядро — это значит разорвать связи между его нуклонами. для
разрыва этих связей, т.е. для расщепления ядра на составляющие его нуклоны,
необходимо затратить определённую энергию, называемую энергией связи ядра.
Оценим энергию связи атомных ядер. Пусть масса покоя нуклонов, из которых
образуется ядро, равна [pic], Согласно специальной теории относительности,
ей соответствует энергия [pic], рассчитываемая по формуле [pic], где с —
скорость света в вакууме. После образования ядро обладает энергией [pic].
Здесь М— масса ядра. Измерения показывают, что масса покоя ядра всегда
меньше, чем масса покоя частиц в свободном состоянии, составляющих данное
ядро. Разность этих масс называют дефектом массы. Поэтому при образовании
ядра происходит выделение энергии [pic]. Из закона сохранения энергии можно
заключить, что такая же энергия должна быть затрачена на расщепление ядра
на протоны и нейтроны. Поэтому энергия связи [pic] равна [pic]. Если ядро с
массой М образовано из Z протонов с массой [pic] И из N = А - Z нейтронов
с массой [pic], то дефект массы равен [pic]
C учетом этого энергия связи находится по формуле:
[pic]
Об устойчивости ядер судят по средней энергии [pic] связи, приходящейся на
один нуклон ядра, которая называется удельной энергией связи. Она равна
[pic]
На рис.91.1 показана зависимость удельной энергии связи от массового числа
А. Видно, что самое большое значение удельной энергии связи имеют нуклоны
химических элементов, занимающих середину таблицы
Менделеева (30 <А <140). В них удельная энергия связи близка к 8,7 МэВ (1
МэВ 1,6*1О-13Дж). В то же время нуклоны самых лёгких и самых тяжёлых
элементов таблицы имеют меньшее значение удельной энергии связи. для ядер,
расположенных в конце таблицы Менделеева(например, для ypана),
[pic]приблизительно составляет 7,6 МэВ.
Ход зависимости удельной энергии связи, приведённый на рис. 91.1,
позволяет
понять механизм выделения ядерной энергии. Из общих соображений ясно, что
энергия будет выделяться при таких ядерных реакциях, при которых удельная
энергия связи продуктов реакции будет превышать удельную энергию исходных
ядер. Это условие может быть выполнено двумя способами: или делением
тяжёлых ядер на более лёгкие, лежащие в средней части таблицы Менделеева,
или синтезом лёгких ядер, находящихся в начале таблицы, в более тяжёлое
ядро. Например, если ядро изотопа урана-235 (у которого удельная энергия
связи7,6 МэВ) разделить на два ядра, близких по массовому числу к железу и
никелю (у которых удельная энергия связи около 8,75 МэВ), то выделится
избыток ядерной энергии, равный 8,75 — 7,6 =1,15 МэВ на каждый нуклон или
свыше 200 МэВ на каждое разделившееся ядро урана. При синтезе(соединении)
же двух изотопов водорода — дейтерия [pic], имеющих удельные энергии связи
1,11 МЭВ, в ядро гелия, у которого [pic] = 7,05 МэВ, выделяется энергия
7,05-1,11=6,94 Мэв.
Цепная реакция. Установлено, что при бомбардировке ядер урана нейтронами
происходит распад ядра на две примерно равные части. Отметим три важные
особенности таких реакций:
1. Легко делятся ядра одного из изотопов урана [pic]
2. В результате реакции деления высвобождается огромное количество
энергии. Это связано с тем, что масса ядра урана больше суммарной массы
осколков деления. Образующийся дефект массы и приводит к выделению энергии
в соответствии с формулой Эйнштейна [pic].
Важной особенностью рассматриваемой ядерной реакции является то, что
при делении ядра урана выделяется 2 или З нейтрона. Физики поняли, что
нейтроны, испускаемые в каждом акте деления, можно использовать для
осуществления цепной реакции: один нейтрон делит одно ядро урана, два или
три образовавшихся нейтрона вызовут дополнительные деления и таким образом
процесс лавинообразно нарастает, как показано на рис. 95.1. для трёх
нейтронов.
При практическом осуществлении цепной ядерной реакции приходится решать
ряд сложных проблем, из которых рассмотрим три:
а) Легко делятся ядра изотопа урана-235, а его содержится в природном
уране лишь 0,7%, остальное — изотоп урана-238. Поэтому приходится решать
проблему увеличения процентного содержания (“обогащения”) урана изотопом-
235. Это и составляло основную проблему в процессе создания атомной бомбы и
реакторов.
б) Оказалось, что ядра урана делятся медленными нейтронами, а при
делении выделяются быстрые нейтроны. Появляется задача уменьшить
кинетическую энергию нейтронов(замедлить нейтроны), т.е. создать
замедлитель. Такими замедлителями являются тяжёлая вода 1)20 и графит.
в) Третья проблема состоит в том, что часть нейтронов вылетает из массы
урана, не успев вызвать дальнейшее деление. Поэтому для того, чтобы цепная
реакция проходила, масса Рис. 95.1 урана должна превышать некоторое
значение называемое критической массой, которая составляет несколько
килограмм.
Ядерная цепная реакция осуществляется в атомной бомбе и в атомных
реакторах. для осуществления взрыва атомной бомбы необходимо сблизить две
массы с суммарной массой равной критической. При взрыве атомной бомбы
выделяется огромное количество энергии и возникает интенсивная радиация
вследствие того, что образовавшиеся осколки ядер являются радиоактивными.
После взрыва образуется радиоактивное облако, которое после выпадения на
землю загрязняет окружающую среду. Ядерную реакцию, происходящую в атомной
бомбе, называют неуправляемой. Управляемая реакция осуществляется в ядерных
реакторах, используемых на атомных электростанциях (АЭС).
Атомные электростанции. Если в атомной бомбе происходит неуправляемая
цепная реакция, то в созданных ядерных реакторах она носит управляемый
характер. Суть управляемой реакции заключается в том, что создаются
условия, когда на каждый процесс деления ядра урана-235 или плутония
приходится в среднем о—,. только один нейтрон, вызывающий новый акт
деления, другие же образовавшиеся нейтроны вылетают из системы или
поглощаются атомными ядрами других веществ (рис. 95.2). Таким образом,
скорость выделения энергии будет поддерживаться одинаковой. Сердцем атомной
электростанции является ядерный реактор 1 (рис. 95.3). В качестве горючего
используются ураи-235 и плутоюiй-239. Для управления потоком нейтронов в
атомных реакторах применяются управляющие стержни 3, содержащие кадмий или
бор, которые хорошо поглощают нейтроны. Эти стержни вводят в активную зону
реактора 2 (топливо — замедлитель). Когда стержни полностью погружены в
реактор, они поглощают столько нейтронов, что цепная реакция в реакторе не
идёт. При выведении стержней увеличивается число нейтронов в реакторе и
начинается реакция. В качестве замедлителя нейтронов (а именно такие
нейтроны вызывают деление ядер урана-235) используют графит или тяжелую
воду. для обеспечения безопасности работающего персонала от радиоактивных
излучений реактор помещают в защитную оболочку 4. Необходимо отметить, что
для получения самоподдерживающейся цепной реакции, как и в атомной бомбе,
масса топлива должна быть не меньше критической. Критическая масса зависит
от вида горючего и составляет несколько килограмм. Энергия, выделяемая
реактором (1) в виде тепла, снимается теплоносителем (вода, жидкий натрий),
циркулирующим в замкнутом контуре (5). Циркуляция обеспечивается насосом
(б). В теплообменнике (7) теплоноситель отдаёт тепло воде, превращая её в
пар, который вращает паровую турбину (8). Турбина соединена с
электрогенератором (9), вырабатывающим электроэнергию. Из паровой турбины
пар поступает в конденсатор 10. Происходит его конденсация в воду, которая
поступает в теплообменник. Охлаждение пара в конденсаторе осуществляется
водой из искусственно созданного водоёма (11)..
5. Условия термоядерной реакции. Ядерные реакции, в которых из лёгких ядер
образуются более тяжёлые ядра, называются реакциями термоядерного синтеза
(термоядерными реакциями). При синтезе суммарная масса исходных ядер,
превышает массу образовавшегося ядра, в результате выделяется энергия.
Например, ядра дейтерия D ([pic]) при слиянии образуют ядро гелия [pic].
Расчёты показывают, что два грамма дейтерия выделяют 1013 Дж энергии.
Особенно благоприятными по ряду причин оказались условия синтеза ядер
тяжёлых изотопов водорода — дейтерия и трития: [pic]Для того чтобы
произошла термоядерная реакция надо положительно- заряженные ядра сблизить
настоль малые расстояния, чтобы между ними возникли ядерные силы, для
преодоления кулоновского отталкивания ядер, нужно сообщить им огромную
энергию, нагреть вещество до температуры 107 К. В водородной бомбе, в
которой осуществляется написанная выше реакция, высокая температура
достигается за счёт взрыва атомной бомбы, при ко тором получается
температура 10 млн, град. Взрыв водородной бомбы представляет собой не
управляемую термоядерную реакцию: энергия выделяется в огромном количестве
в одно мгновение и е~ можно использовать только для разрушения. Однако
человечеству необходима управляемая термоядерная реакция, т.е. реакция, в
ходе которой энергию можно было бы отбирать в нужном количестве в нужное
время. Такая реакция очень выгодна, поскольку запасов дейтерия и трития
хватит практически на неограниченное время, тогда как запасы источников
энергии, которыми пользуемся в настоящее время (нефть, газ, уголь)
ограничены.
Условие, необходимое для протекании термоядерной реакции, было
сформулировано физиком Лоусоном (критерий Лоусона). Оно записывается
как[pic]для реакции [pic] [pic]для реакции [pic], где n — концентрация
частиц, т.е. число частиц в одном см3,(— время их удержания вместе в
секундах. Эти соотношения отражают необходимость сохранения высокой
плотности частиц при упомянутой высокой температуре (порядка нескольких
десятков миллионов градусов) в течение определённого времени. Из этого
соотношения, кстати, видно, что реакция синтеза ядра гелия из дейтерия и
трития более выгодна, чем из двух ядер дейтерия, поскольку накладываемые
требования в первом случае менее жесткие.
Реакция термоядерного синтеза не взрывного характера осуществлена природой
на Солнце и звёздах, где достигается температура в миллионы градусов. При
таких высоких температурах возникает особое состояние вещества — плазма.
Высокотемпературная плазма представляет собой сильно ионизированный газ, в
котором ядра и электроны существуют независимо друг от друга. Степень
ионизации плазмы очень велика, благодаря чему плазма является хорошим
проводником.
Таким образом, для осуществлены управляемой термоядерной реакции нужно
создать высокотемпературную плазму, которую надо ещё удержать? Частицы,
обладая колоссальной кинетической энергией, стремятся сразу же разлететься,
а в природе нет такого материала, который бы выдерживал миллионы градусов.
Для удержания плазмы физики предположили два пути решения этой задачи.
Первый путь заключается в удержании плазмы с помощью магнитного поля. Если
на газо-разрядную трубку наложить магнитное поле, совпадающее по
направлению с электрическим полем, то в такой трубке возникает плазменный
шнур. Заряженные частицы плазмы под действием силы Лоренца будут описывать
спиральные траектории вокруг магнитных силовых линий. Чем сильнее магнитное
поле, тем меньше радиус плазменного шара. Сила, которая действует на ток
заряженных частиц, со стороны магнитного поля и есть причина образования
шнура, не соприкасающегося со стенами газоразрядной трубки; плазма, как бы
висит в вакууме. Наибольший успех достигнут на установках, получивших
название токамак, разработанных в СССР. В этих установках удалось разогреть
плазму до 60 миллионов градусов и добиться слияния ядер дейтерия и трития.
Пока не удаётся удержать плазму длительное время, но исследования в этом
направлении продолжаются. Второе направление — это создание управляемого
термоядерного синтеза с помощью лазерного излучения. Самые мощные лазеры
могут разогреть вещество с помощью короткого импульса до температуры 50
млн, град. Поэтому появилась возможность осуществить термоядерную реакцию в
виде микровзрыва, даже без использования удерживающего плазму магнитного
поля, так как реакция протекает быстро и дейтерий с тритием не успевают
разлететься. В этом случае технически реакция осуществляется воздействием
мощного лазерного импульса на твёрдую замороженную таблетку из дейтерия и
трития. Такие эксперименты уже осуществлены и термоядерная реакция
проходила. Однако число прореагировавших ядер мало и технически воплотить
эту идею пока не удаётся.
-----------------------
1 - ядерный реактор; 2 — горючее с замедлителем; З - управляющие стержни;
4 — защитная оболочка; 5 — замкнутый контур; б - насос; 7- теплообменник; 8
- паровая турбина; 9 - электрогенератор; 10 - конденсатор; 11 -
искусственный водоём
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14
