Ядерная энергия
Ядерная энергия
Строение материи.
Вещество. Молекулы.
Чтобы понять процессы, протекающие в ядерном реакторе, при превращении
ядерной энергии в тепловую, нужно остановится на строении материи.
Подавляющие большинство веществ состоит из молекул, мельчайших частиц
которые сохраняют, все физические свойства вещества. Рассмотрим для примера
воду.
В стакане воды содержится огромное количество молекул, если из стакана
отлить половину, то это количество уменьшится вдвое, но вода останется
водой, все свойства воды как вещества сохранятся. Если отлить еще половину,
то количество молекул снова уменьшится вдвое, повторяя этот опыт можно
придти к ситуации, когда в стакане останется одна молекула, но и она
останется водой по своим свойствам. Эту оставшуюся молекулу можно разделить
на части, но эти части уже не будут водой, разложив молекулу воды, мы
получим атом кислорода, и два атома водорода, свойства которых значительно
отличаются от свойств молекулы воды.
В природе существует около 100 видов атомов, приведенных в таблице
Менделеева, из этих атомов образуется все многообразие существующих в
природе веществ.
Молекула вещества может состоять из нескольких разных атомов, из
нескольких одинаковых атомов. Некоторые вещества состоят просто из атомов.
Количество веществ состоящих из атомов ограничено таблицей Менделеева в
которой присутствуют чуть более сотни элементов. Все остальные вещества
состоят из молекул.
Атом.
Разделив молекулу воды, мы получили атом водорода. Что же из себя
представляет атом? Водород находится в самом начале таблице Менделеева,
схематично его атом можно изобразить так:
Модель атома водорода:
Положительно заряженное ядро, вокруг которого вращается отрицательно
заряженный электрон. Такая модель атома получила название планетарной, за
свое сходство с солнечной планетной системой. Если принять массу ядра
водорода за 1 то масса электрона [pic]1/1850, т.е. в 1850 раз меньше. Почти
вся масса сосредоточена в ядре. Планетарную модель можно применить к любому
атому. Например, для Бериллия, который в таблице Менделеева находится под
номером 4.
В ядерной физики удобно переменить новую единицу измерения для заряда
равную 1.6[pic]10-19 Кл тогда заряд электрона равен -1.
Модель атома бериллия:
Обобщая, можно сказать любой атом состоит из положительно заряженного
ядра, окруженного оболочкой из вращающихся вокруг него электронов. Ядра
разных химических элементов, отличаются зарядом. Заряд ядра химического
элемента соответствует его номеру в периодической таблице Менделеева. Если
мы, каким либо способом сможем изменить заряд ядра, то мы получим другой
химический элемента.
Ядро. Изотопы.
Попробуем заглянуть внутрь ядра. Сильно упрощая, все строение ядра
можно свести к двум основным частицам: нейтрону и протону.
Протон - наименьшая устойчивая частица, имеющая положительный заряд по
абсолютной величине равный заряду электрона.
Нейтрон - частица с массой приблизительно равной массе протона, не
имеющая электрического заряда.
Приведем характеристики этих частиц в сравнении с характеристиками
электрона:
|Частица |Масса , кг |Заряд, Кл (Электрон) |
|Протон |1.673[pic]10-|+1.6[pic]10-17 (+1) |
| |27 | |
|Нейтрон |1.675[pic]10-|0 |
| |27 | |
|Электрон |9.1[pic]10-31|-1.6[pic]10-17 (-1) |
Как было сказано выше, заряд ядра определяет вид химического элемента.
Рассмотрим два ядра, одно содержит 8 нейтронов и 4 протона, другое содержит
9 нейтронов и 4 протона. Эти два ядра обладают одинаковым зарядом, но
разной массой. Оба ядра являются ядрами одного химического элемента
бериллия, но представляют собой разные изотопы.
Определение: Изотопами химического элемента называется атомы и имеющие
одинаковый заряд ядра (число протонов), но разную массу (число нейтронов).
Для символической записи используются следующие обозначения:
Z - заряд ядра в электронах;
Z - число протонов в ядре
A - атомная масса ядра в атомных единицах массы (1 а.е.м =1.66[pic]10-
27 кг)
А - число протонов + число нейтронов;
Символично изотоп записывают в виде: [pic]
Два изотопа бериллия записываются 9Ве4 и 8Ве4. Поскольку заряд
определяется видом химического элемента, то число Z часто опускается.
Сокращенная запись двух изотопов бериллия: 9Ве и 8Ве.
Практически любой элемент имеет несколько изотопов. Даже водород, ядро
которого состоит из одного протона, имеет изотопы дейтерий, и тритий в
ядрах которых имеются, один и два нейтрона соответственно.
Атомы изотопов водорода:
Уран, который используется в качестве ядерного топлива, имеет заряд
ядра 92. В природе уран встречается в виде изотопов с массами 238 а.е.м и
235 а.е.м. причем доля последнего ( 235U ) составляет всего 0.714%, а
именно этот изотоп является топливом для большинства современных
энергетических реакторов.
Не следует думать что, нейтроны и протоны являются неделимыми
частицами, на самом деле они имеют сложный состав. Рассмотрение состава
протонов и нейтронов выходит за рамки данного учебного пособия. Не следует
также думать также, что эти частицы постоянны во времени, в настоящие время
известно множество процессов (реакций) превращений этих частиц, например:
протон, захватывая электрон, превращается в нейтрон. Глубокие знания этих
процессов не являются обязательными для понимания основных принципов работы
ядерного реактора, поэтому мы постараемся не углубляться в физику частиц.
Свойства изотопов. Радиоактивный распад.
Из общих соображений ясно, что свойства изотопов должны, каким-то
образом отличатся, в связи с различным составом ядра. Так как химические
свойства у них практически одинаковы, отличие следует искать в каких то
других свойствах, напрямую зависящих от состава ядра. Нейтроны и протоны, в
ядре, находятся в постоянном движении, таким образом можно говорить о
энергии этого движения или энергии ядра. Если посмотреть на ядро 238U то в
его состав входят 92 протона и 146 нейтронов, все эти частицы, находясь в
постоянном движении, образуют как бы каплю подвижной жидкости (капельная
модель ядра). По аналогии с каплей жидкости: если каким то образом подвести
энергию (нагреть каплю), то из ней могут испарится молекулы. В случае яра,
при избытке энергии, из него могут вылететь, частицы. Такие процессы
впервые были обнаружены в начале века. Беккерель и Кюри установили, что
некоторые вещества, (уран, торий, радий и др.) самопроизвольно испускают
энергию в окружающие пространство.
После изучения этих процессов были сделаны выводы о том, что некоторые
ядра в природе обладают излишком энергии, находятся в ?возбужденном¦
состоянии и могут самопроизвольно сбрасывать часть энергии. Сброс энергии
возможен путем радиоактивного распада или излучения.
Определение: Радиоактивный распад - это самопроизвольное превращение
одного изотопа в другой (возможно даже в изотоп другого элемента)
сопровождающийся сбросом энергии ядра в окружающие пространство.
Существует несколько видов радиоактивного распада приведем основные:
Альфа-распад.
При альфа распаде излишек энергии из ядра уносится с альфа-частицей,
которая представляет собой ядро гелия. Другими словами из капли ядра
вылетает частица, состоящая из двух протонов и двух нейтронов (ядро гелия).
Энергия оставшегося ядра меньше чем исходного. Причем поскольку улетают два
протона то заряд ядра уменьшается на 2 и мы получаем другой химический
элемент.
Например:
[pic]
При альфа распаде урана образуется торий, ядро которого тоже обладает
излишком энергии (находится в возбужденном состоянии), и может в свою
очередь претерпеть распад, результатом которого снова будет возбужденное
ядро и т.д. Образуется цепочка распадов, в конце который, мы получим
устойчивый изотоп, например: в нашем случае возможен свинец [pic].
Бета распад.
Бета распад бывает трех видов:
[pic]- распад - из ядра вылетает электрон и антинейтрино, при этом
нейтрон превращается в протон.
Заряд ядра увеличивается на единицу и изотоп превращается в изотоп
другого элемента, следующего в таблице Менделеева.
[pic]- распад - из ядра вылетает позитрон и нейтрино, при этом протон
превращается в нейтрон.
Заряд уменьшается на единицу - получается изотоп элемента стоящего
перед исходным в таблице Менделеева.
К- захват - протон захватывает ближайший к ядру электрон и превращается
в нейтрон, при этом ядро испускает нейтрино и квант энергии.
Заряд уменьшается на единицу - получается изотоп элемента стоящего
перед исходным в таблице Менделеева.
Гамма излучение.
Гамма квант представляет собой электромагнитное излучение с большой
частотой, обладающие большой энергией. Излишняя энергия ядра может быть
сброшена путем испускания одного или нескольких гамма квантов, это и
называется гамма излучением.
Интересной особенностью радиоактивного распада является то, что в
настоящее время не известно не одного способа, с помощью которого можно
ускорить или замелить этот процесс.
Закон радиоактивного распада
Отношение числа радиоактивных ядер [dN(t) = N(t)-N(t+dt)],
распадающихся за единицу времени, к общему числу радиоактивных ядер,
имеющихся в данный момент времени [N(t)], постоянно:
[pic]- постоянная радиоактивного распада
Каждый изотоп обладает своим значением постоянной радиоактивного
распада.
Если известно количество ядер изотопа в начальный момент времени N0, и
постоянная распада этих ядер [pic], то для любого момента времени t можно
определить количество ядер, по формуле:
[pic]
Графически закон можно представить на графике, где по оси У отложено
количество ядер, а по оси X - время.
[pic]
Для каждого изотопа существует свое время полураспада.
Определение: Период полураспада - это время в течении которого
распадается половина исходного количества ядер.
Период полураспада для одних изотопов составляет тысячные доли секунды,
для других тысячи и миллиарды лет, последние представляют собой главную
проблему современной ядерной энергетики. Образовавшиеся в процессе работы
реактора эти изотопы остаются радиоактивными в течении столетий и
представляют опасность для окружающей среды и человека.
В заключении нужно сказать, что количество энергии, выделившееся в
