Сайт викладача фізики

 

 

Розділ 5. Фізика атома та атомного ядра.

§45. З історії наукових поглядів на загальний устрій атома.

§46. Природна радіоактивність.

§47. Будова атомного ядра. Ізотопи.

§48. Ядерні сили.

§49. Енергія зв’язку атомного ядра. Термоядерні реакції.

Енергія Сонця і зірок.

§50. Ядерні реакції поділу. Їх військове та цивільне

застосування.

§51. Радіація: джерела, дози, ризики.

 

Розділ 5.  Фізика атома та атомного ядра.

 

Вивчаючи фізику, ми постійно наголошували і наводили безліч доказів того, що Природа, це єдиний цілісний організм в якому все взаємопов’язано та взаємообумовлено. Що фізика, це наука, яка є об’єктивним відображенням Природи викладеним у вигляді системи достовірних знань. Одним з проявів цієї системності є та послідовність в якій ми вивчали фізику: механіка – молекулярна фізика – електродинаміка – фізика атома та атомного ядра. Така послідовність є цілком обгрунтованою та закономірною. Закономірною бодай тому, що дозволяє поступово розширюючи наші уявлення про загальний устрій речовини, а відповідно і навколишнього світу, створювати цілісну систему знань. І в цьому сенсі розділ «Фізика атома та атомного ядра» є певним завершальним етапом формування наукової картини загального устрою Всесвіту. Щоправда ця картина, то лише гранично спрощене і максимально стисле відображення тієї фантастичної реальності яка називається Природою. Втім, у вас ще буде можливість значно розширити та поглибити ваші знання про цю фантастичну реальність.

Мал.185. В процесі вивчення фізики ми поступово розширювали наші уявлення про загальний устрій речовини, а відповідно і навколишнього світу.

 

§45. З історії наукових поглядів на загальний устрій атома.

 

Про те, що всі речовини складаються з надзвичайно дрібненьких, неподільних частинок, давньогрецькі філософи говорили та писали ще за 500 років до нашої ери. Ці частинки вони називали «атомами» тобто «неподільними» (грец. atomos – неподільний). Власне такими неподільними, атоми вважалися до початку двадцятого століття. Лише в 1897 році відбулася подія, яка кардинально змінила історію атома. В цьому році, англійський фізик Джозеф Томсон (1856–1940) на основі аналізу багатьох експериментальних фактів, безумовно довів, що до складу будь якої речовини, а отже і до складу її атомів, входять дрібненькі, негативно заряджені частинки, які отримали назву електрони. Іншими словами, в 1897 було відкрито першу елементарну частинку – електрон (m=9,1·10^–31кг; q₀=e= –1,6·10^–19Кл). При цьому стало ясно, що атом має певний внутрішній устрій. З’ясовуючи цей устрій, доречно сказати про те, а що ж власне знали вчені про атоми на початок 20-го століття. А знали вони наступне:

1. Атоми – частинки електронейтральні, однак такі, що за певних умов можуть перетворюватись на позитивно чи негативно заряджені іони;

2. Атоми – частинки стабільні та довговічні;

3. До складу атомів входять електрони.

Аналізуючи вище наведені факти та спираючись на закони класичної фізики, Джозеф Томсон в 1902 році запропонував першу, науково обгрунтовану модель атома – модель Томсона. Згідно з цією моделлю, атом представляє собою кулю однорідної, позитивно зарядженої речовини, в якій міститься певна кількість легеньких, негативно заряджених електронів.

Мал.186. Схема загального устрою атома у відповідності з моделлю Томсона.

Модель Томсона цілком прийнятно (у всякому разі на якісному рівні) пояснювала всі відомі властивості атома. Дійсно. Згідно з цією моделлю, до складу атома входять електрони. За нормальних умов, атом Томсона є електронейтральним, тобто таким в якому загальний позитивний заряд кулястого тіла атома, вточності дорівнює загальному негативному заряду електронів. При цьому, втрачаючи або отримуючи електрони, атом легко перетворюється на відповідний іон. Атом Томсона представляє собою динамічно стійку та довговічну систему. Систему в якій електрони з одного боку взаємно відштовхуються, а з іншого – притягуються до центру атома тією силою яку створює позитивно заряджене тіло атома. В такій ситуації, електрони автоматично розташовуються в тих місцях де діючі на них сили електростатичного притягування та відштовхування зрівноважують ода одну.

Таким чином, запропонована Томсоном модель внутрішнього устрою атома, переконливо пояснювала всі його відомі властивості, і тому не безпідставно претендувала на загальне визнання. Однак наука стоїть на тому, що в ній критерієм істини є експеримент. А це означає, що в науці будь яка гіпотеза, в незалежності від того наскільки переконливою чи сумнівною вона виглядає, має бути експериментально перевіреною і відповідно підтвердженою чи спростованою. Яким же чином можна було перевірити внутрішній устрій атома в ті часи, коли сам факт існування атомів ще був під питанням? (Нагадаємо, що факт існування атомів (молекул) був безумовно доведений лише в 1908 році). Відповідь на це запитання дав англійський фізик Ернест Резерфорд (1871–1931).

В 1899 році, досліджуючи на передодні відкрите явище радіоактивності, Резерфорд експериментально встановив, що складовою частиною радіоактивного випромінювання є так зване α–випромінювання. При цьому він з’ясував, що α–випромінювання представляє собою потік швидких, масивних (m=4а.о.м.), позитивно заряджених (q₀=+2е) α-частинок. Власне ці α-частинки Резерфорд і вирішив застосувати в якості того інструменту який дозволить дослідити внутрішній устрій атома. Потрібно зауважити, що в науковій практиці маси атомів, молекул, та інших мікрочастинок, зазвичай вимірюють не в кілограмах, а в значно дрібніших одиницях, які називаються атомними одиницями маси (а.о.м): 1а.о.м=1,66·10^–27кг. Атомна одиниця маси приблизно дорівнює масі найлегшого атома – атома гідрогену (водню). Тому якщо наприклад сказано, що маса α-частинки 4а.о.м. то це по суті означає, що маса цієї частинки приблизно у чотири рази більша за масу атома гідрогену.

Однак, повернемося до Резерфорда. Ідея Резерфорда була гранично простою: якщо на шляху направленого потоку α-частинок поставити тонкий шар речовини, то при взаємодії з атомами цієї речовини, α-частинки будуть змінювати траєкторію свого руху. Аналізуючи ці зміни, можна буде зробити певний висновок щодо внутрішнього устрою атома. В якості досліджуваної речовини, Резерфорд обрав золото. Такий вибір пояснювався двома обставинами. По перше, атоми золота є достатньо масивними (m=197а.о.м.), а отже такими які при взаємодії з α-частинкою (m=4а.о.м.) не будуть «відскакувати» від неї, та додатково не впливатимуть на траєкторію руху цієї частинки. По друге, Резерфорд розумів, що в умовах його експерименту, шар досліджуваної речовини має бути гранично тонким. Адже якщо таких шарів буде багато, то α-частинки багаторазово взаємодіючи з атомами речовини та багаторазово змінюючи траєкторію свого руху, «намалюють» певну усереднену картинку яка не відображатиме закономірностей внутрішнього устрою атома. А золото було саме тим матеріалом, який з незапам’ятних часів вміли виготовляти у вигляді надтонких плівок (плівок, товщина яких близька до одного мікрона, тобто до 0,001мм).

Реалізуючи свої ідеї, Резерфорд в 1906 році створює прилад для дослідження внутрішнього устрою атома (мал.187). Цей прилад представляв собою герметичний корпус в середині якого, в умовах глибокого вакууму знаходяться: контейнер з радіоактивною речовиною; тонкий шар золотої фольги; люмінісцируючий екран, тобто такий екран, фрагменти якого спалахували в тих місцях, куди потрапляли мікрочастинки.  Принцип дії цієї системи очевидно простий. З отвору радіоактивного контейнеру вилітають α-частинки. Пролітаючи через тонкий шар золота, вони певним чином взаємодіють з його атомами та потрапляють на люмінісцируючий екран. При цьому у відповідних точках екрану можна побачити певні світлові спалахи.

Мал.187. Схема та результати дослідів Резерфорда.

На які ж результати очікував Резерфорд виходячи з того, що модель Томсона є правильною? Перш за все Резерфорд розумів, що надлегкі електрони не можуть суттєво вплинути на поведінку масивних α-частинок, адже маса електрона в 7300 разів менша за масу α-частинки. Ця поведінка визначальним чином залежатиме від взаємодії α-частинки з тією масивною, позитивно зарядженою речовиною яка утворює тіло атома. При цьому можливі три варіанти поведінки α-частинок. 1) Якщо густина тіла атома є гранично малою (умовно кажучи, тіло атома є «газоподібним»), то всі α-частинки практично безперешкодно пролітатимуть через атоми речовини та потраплятимуть в центр екрану. 2) Якщо густина тіла атому є помірно великою (умовно кажучи, тіло атома є «рідким»), то всі α-частинки в процесі проходження через це тіло будуть гальмуватися та відповідним чином розсіюватись. А це означає, що потік α-частинок на екрані утворить однорідну пляму, діаметр якої залежатиме від густини тіла атома (чим більша густина, тим більша площа плями). 3) Якщо ж густина тіла атома є гранично великою (умовно кажучи, тіло атома є «твердим»), то при взаємодії з цим тілом, всі α-частинки відбиватимуться від нього.

Таким чином, якщо виходити з того, що модель Томсона є правильною, то в залежності від густини тієї речовини яка утворює тіло атома, Резерфорд мав би отримати один з наступних результатів: 1) всі α-частинки потрапляють в центр екрану; 2) всі α-частинки рівномірно розсіюються по певній частині екрану; 3) всі α-частинки відбиваються від золотої фольги.

Які ж результати отримав Резерфорд в дійсності? А ці результати були наступними. Переважна більшість α-частинок пролітаючи через фольгу потрапляли в центральну частину екрану. Приблизно десять відсотків α-частинок, пролітаючи через фольгу суттєво відхилялись та розсіювались по екрану. Деякі ж α-частинок (приблизно одна на десять тисяч) відбивалися від фольги так, ніби наштовхувались на масивну тверду перешкоду (мал.188). Дані результати безумовно вказували на те, що модель Томсона є неправильною. Ці результати можна було пояснити лише в тому випадку, якщо виходити з того, що в центрі атома знаходиться невелике за розміром, масивне, позитивно заряджене ядро.

  

Мал.188. Результати експериментів Резерфорда безумовно доводили, що в центрі атома знаходиться масивне, позитивно заряджене ядро.

Узагальнюючи результати багаторічних експериментальних досліджень, Резерфорд в 1911 році робить висновок: атом представляє собою електромеханічну систему, в центрі якої знаходиться масивне, позитивно заряджене ядро, навколо якого обертається певна кількість електронів. Запропоновану Резерфордом модель загального устрою атома, назвали планетарною моделлю  атома. Така назва відображала цілком очевидну аналогію з будовою Сонячної системи. Адже подібно до атома, в центрі Сонячної системи знаходиться відносно маленьке за розміром, надмасивне Сонце, навколо якого обертаються значно дрібніші і легші планети. А потрібна сказати, що в Сонці зосереджено 98% від загальної маси системи, а з орбіти периферійних планет цієї системи, Сонце виглядає як звичайна але дуже яскрава зірка.

Мал.189. Запропоновану Резерфордом модель атома назвали «планетарною».

В загальних рисах, запропонована Резерфордом планетарна модель атома, зберігає свою актуальність і в наші дні. Адже сьогодні, як і понад сто років тому, ми вважаємо, що в центрі атома знаходиться масивне, позитивно заряджене ядро навколо якого обертаються дрібненькі, негативно заряджені електрони. Інша справа, що в процесі еволюційного розвитку науки, наші уявлення про загальний устрій атома суттєво уточнювались. Скажімо сьогодні ми знаємо, що в атомі електрони рухаються не строго визначеними траєкторіями, а знаходяться на певних енергетично дозволених рівнях. Що перебуваючи на енергетично дозволеному рівні, електрон представляє собою не над дрібненьку, негативно заряджену кульку, а певний хвильовий процес. Що поглинаючи енергію, електрон переходить на відповідний більш високий енергетичний рівень, а падаючи з цього рівня, він випромінює відповідну порцію (квант) світла, тощо. Втім, про нюанси устрою атома, ми поговоримо в одинадцятому класі, коли  розділ «Фізика атома та атомного ядра» будемо вивчати більш детально. Наразі ж будемо вважати, що атом представляє собою певну електромеханічну систему, в центрі якої знаходиться масивне, позитивно заряджене ядро, навколо якого обертається певна кількість електронів. І потрібно зауважити, що атомне ядро займає мізерно малу частину атома. Адже діаметр атомного ядра (≈2·10^–15м) приблизно у 100 000 разів менший за діаметр відповідного атома (≈2·10^–10м). А це означає, що в об’ємі атома, ядро займає лише 1/(10⁵)³ = 1/10¹⁵ частину цього об’єму.

Мал.190. Атомне ядро займає лише 0,000 000 000 000 001 частину об’єму атома.

Контрольні запитання.

1. Що означає слово «атом»?

2. З якого моменту вчені почали задумуватися про внутрішній устрій атома?

3. Що було відомо про атоми на початок 20-го століття?

4. Яка будова атома згідно з моделлю Томсона?

5. Як модель Томсона пояснювала ті факти які були відомі про атом?

6. Чому маси атомів та інших мікрочастинок зазвичай вимірюють не в кілограмах, а в атомних одиницях маси? Чому дорівнює ця одиниця?

7. Яка ідея лежала в основі дослідів Резерфорда?

8. Чому у своїх дослідах, в якості досліджуваного матеріалу Резерфорд обрав золото?

9. Які результати мав би отримати Резерфорд, якби модель Томсона була правильною?

10. Які результати отримав Резерфорд в процесі своїх експериментів? На що вказували ці результати?

11. Чому запропоновану Резерфордом модель атома назвали «планетарною»?

 

§46. Природна радіоактивність.

 

В 1896 році, французький фізик Анрі Беккерель (1852–1908) експериментально встановив, що уран, постійно та без явних енергетичних причин, випромінює якесь невідоме проміння з великою енергією та проникливою здатністю. Це явище назвали радіоактивністю тобто променевою активністю (від лат. radio – промінь, activus – активний, діяльний).

Відкриття Беккереля шокувало науковий світ. Шокувало тому, що одним з базових постулатів науки є закон збереження енергії. А в цьому законі стверджується: енергія виникати нізвідки не може. При цьому наука стоїть на тому, що будь який фундаментальний закон можна спростувати одним єдиним експериментальним фактом, який суперечить цьому закону. І от знайшовся експериментально встановлений факт, який явно суперечив закону збереження енергії. Адже уран, постійно і без видимих енергетичних причин випромінював велику кількість енергії. Звичайно, потім з’ясувалося, що ніякого протиріччя з законом збереження енергії не існує. З’ясувалося, що атоми урану, а точніше ядра цих атомів, утворюються в надрах надмасивних зірок, і що в процесі утворення в них накопичується така величезна кількість надлишкової енергії, яка і через мільярди років продовжує поступово випромінюватись. Втім, це стане зрозумілим лише через багато десятиліть. В кінці ж дев’ятнадцятого століття, ситуація виглядала таким чином, ніби було відкрито явище, яке явно суперечило базовому принципу науки – закону збереження енергії. Ясно, що в такій ситуації, велика кількість провідних науковців зацікавились даним явищем.

В 1898 році, французькі фізики П’єр Кюрі та його дружина Марія Складовська–Кюрі з’ясували, що радіоактивним є не лише уран (U₉₂), а й торій (Th₉₀). Більше того, в тому ж 1898 році, вони відкрили два нових, до того часу не відомих хімічних елемента, які були радіоактивними. Один з цих елементів назвали полонієм Ро₈₄ (на честь Польщі – батьківщини Марії Складовської–Кюрі), інший – радієм Ra₈₈ (за назвою того явища, яке дозволило зробити дане відкриття).

В 1899 році, англійський фізик Резерфорд, експериментально з’ясував, що при проходженні через потужне магнітне поле, «уранові промені» розкладаються на три складові: α-промені, β-промені, γ-промені (мал.191). Подальші дослідження показали, що альфа–проміння представляє собою потік швидких (v≈5·10³м/с), масивних (m=4а.о.м.), позитивно заряджених (q= +2е) α-частинок, а по суті – ядер атома гелію (⁴α₊₂ = ⁴Не₊₂). Бета–проміння, представляє собою потік надзвичайно швидких (v≈5·10⁵м/с), надлегких (m=0,0005а.о.м.), негативно заряджених (q= –е) β-частинок, а по суті – електронів (⁰β_–1 = ⁰е_–1). Гама–проміння, представляє собою потік надзвичайно коротких та енергійних фотонів невидимого світла.

    

Мал.191. Схема дослідів Резерфорда: в магнітних (а) та електричних (б) полях «уранове проміння» розкладається на три складові.

В 1902 році Резерфорд, разом з англійським фізиком Фредеріком Содді (1877–1956) експериментально довели, що з плином часу, в хімічно чистому шматку урану (U₉₂) неминуче з’являється інший хімічний елемент – радій (Ra₈₈). Виходячи з цього, вони розробили першу науково обгрунтовану теорію радіоактивності. Згідно з цією теорією, радіоактивне випромінювання є результатом самовільного природного процесу, при якому атом однієї речовини випромінюючи α або β частинку, перетворюється на атом іншої речовини. В загальних рисах, теорія Содді–Резерфорда є правильною. Однак потрібно мати на увазі, що радіоактивне перетворення атомів є результатом відповідного перетворення атомних ядер. Адже альфа та бета частинки вилітають не просто з атома, а з атомного ядра.

   

Мал.192. Радіоактивне випромінювання є результатом самовільного природного процесу, при якому атомні ядра однієї речовини випромінюючи α або β частинку, перетворюється на атомні ядра іншої речовини.

Однією з основних кількісних характеристик радіоактивності речовини є період її напіврозпаду. Періодом напіврозпаду радіоактивної речовини називають той проміжок часу протягом якого половина наявних атомів даної речовини розпадається, тобто перетворюється на атоми іншої речовини (позначається Т). Кожна радіоактивна речовина має свій період напіврозпаду. І величина цього періоду визначається експериментально. Наприклад:

для урану-238  Т = 4,5·10⁹ років;

для урану-235  Т = 0,71·10⁹ років;

для торію-235  Т = 80 000 років;

для радію-226  Т = 1620 років;

для плюмбуму-210  Т = 4 роки;

для полонію-210  Т = 138 днів;

для полонію-218  Т = 3 хвилини;

Твердження про те, що період напіврозпаду радію-226 становить 1620 років означає, що коли на даний момент у вас є, наприклад 10г радію, то через 1620 років цього радію залишиться 5г. Через наступні 1620 років, радію залишиться 2,5г. Ще через 1620 років – 1,25г, і т.д. При цьому інша частина радію перетвориться в атоми іншої речовини. І потрібно зауважити, що наука не може передбачити в який момент часу розпадеться даний атом радію. Ця подія може відбутися в дану мить, а може не відбутися і через мільйон років. Говорячи про період напіврозпаду речовини, мають на увазі лише те, що за наявності достатньо великої кількості атомів цієї речовини, наприклад такої що міститься в одному грамі, міліграмі чи навіть мікрограмі речовини, за певний проміжок часу розпадеться половина цих атомів. Однак, в який момент розпадеться той чи інший конкретний атом не можливо сказати навіть в принципі. Не можливо тому, що ті процеси які відбуваються в атомному ядрі, відбуваються з певною ймовірністю.

Мал.193. Характер зміни кількості радіоактивної речовини з плином часу.

Дослідження показують, що період напіврозпаду речовини, практично не залежить ні від кількості цієї речовини, ні від тих зовнішніх умов в яких вона знаходиться (температури, тиску, вологості повітря, тощо), ні від хімічного складу тих сполук, частиною яких є атоми відповідної речовини. І це закономірно. Адже радіоактивність є результатом тих процесів які відбуваються в атомному ядрі, тобто в тій частині атома, яка практично повністю ізольована від тих подій що відбуваються в навколишньому світі. Звичайно за умови, що ці події не стосуються самого атомного ядра. Адже якщо наприклад, ви нагрієте речовину до мільйонів градусів, то в процесі теплового руху фактично будуть взаємодіяти не атоми, а їх ядра. А такі взаємодії можуть суттєво впливати на період напіврозпаду речовини.

Період напіврозпаду речовини певним чином характеризує питому інтенсивність її радіоактивного розпаду. Скажімо радій (Т=1620 років) розпадається набагато інтенсивніше за уран (Т=4,5·10⁹років) і тому є відповідно більш радіоактивним. Однак, якщо говорити про інтенсивність радіоактивності як про величину що характеризує кількість розпадів за одиницю часу, то вона залежить не лише від періоду напіврозпаду речовини, а й від кількості цієї речовини.

Ви можете запитати: якщо період напіврозпаду плюмбуму-210 становить 4 роки, то яким чином за ті 4,5 мільярди років які існує Земля, подібні атоми на ній збереглися. Втім, напевно ви вже здогадалися, що всі ці радіоактивні радії, полонії, плюмбуми та їм подібні атоми, зустрічаються на Землі тільки тому, що є продуктами розпаду таких довгожителів як уран-238 (Т=4,5·10⁹ років). І це дійсно так.

Дослідження показують, що останнім стабільним атомом таблиці хімічних елементів є плюмбум-208, і що всі більш важкі атоми є радіоактивними, тобто такими, які рано чи пізно розпадаються. І якщо на Землі подібні надважкі атоми зустрічаються, то це тільки тому, що серед їх різноманіття є невелика кількість тих, які розпадаються надзвичайно повільно. Скажімо період напіврозпаду урану-238  4,5·10⁹ років. А це означає, що за час існування Землі (4,5·10⁹ років), розпалося лише половина з тих атомів урану-238 які були в наявності на момент її формування. Загалом же, на теперішній час на Землі існує три так звані радіоактивні родини (ряди), джерелами яких є торій-232 (Т=13,9·10⁹років), уран-238 (Т=4,5·10⁹років) та уран-235 (Т=0,71·10⁹років). Радіоактивною родиною (радіоактивним рядом) називають таку послідовність взаємопов’язаних радіоактивних атомів, в якій кожний наступний атом утворюється в результаті альфа або бета розпаду попереднього атома. Наприклад, поступово розпадаючись, ядра атома торію-232 утворюють наступний радіоактивний ряд.

1.  ²³²Тh₊₉₀ – ⁴α₊₂ → ²²⁸Ra₊₈₈    (T = 13,9·10⁹ років)

2.  ²²⁸Ra₊₈₈ – ⁰β_–1 → ²²⁸As₊₈₉     (T = 6,7 років)

3.  ²²⁸As₊₈₉ – ⁰β_–1 → ²²⁸Th₊₉₀     (T = 6,13 годин)

4.  ²²⁸Тh₊₉₀ – ⁴α₊₂ → ²²⁴Ra₊₈₈    (T = 1,9 років)

5.  ²²⁴Ra₊₈₈ – ⁴α₊₂ → ²²⁰Rn₊₈₆    (T = 3,64 доби)

6.  ²²⁰Rn₊₈₆ – ⁴α₊₂ → ²¹⁶Po₊₈₄    (T = 51,4c)

7.  ²¹⁶Po₊₈₄ – ⁴α₊₂ → ²¹²Pb₊₈₂    (T = 0,158c)

8.  ²¹²Pb₊₈₂ – ⁰β_–1 → ²¹²Bi₊₈₃     (T = 10,6 годин)

9.  ²¹²Bi₊₈₃ – ⁰β_–1 → ²¹²Po₊₈₄     (T = 60,5 хвилин)

10.  ²¹²Po₊₈₄ – ⁴α₊₂ → ²⁰⁸Pb₊₈₂    (T = 3·10^–7с

11. ²⁰⁸Pb₊₈₂ – стабільний.

Якщо ж говорити про радіоактивні родини урану-238 та урану-235, то їх можна описати наступною послідовністю розпадів:

²³⁸U₊₉₂→α→β→β→α→α→α→α→α→β→β→α→β→β→α→²⁰⁶Pb₊₈₂ ;

²³⁵U₊₉₂→α→β→α→β→α→α→α→α→β→β→α→²⁰⁷Pb₊₈₂.

З плином часу, в кожній радіоактивній родині встановлюється так звана вікова рівновага, тобто такий динамічний стан системи при якому швидкість утворення та швидкість розпаду проміжних членів родини є однаковою. В стані вікової рівноваги, кількість кожної різновидності проміжних атомів в наявній суміші радіоактивних елементів залишається незмінною. Однак, якщо говорити про співвідношення мас між базовим (материнським) та кінцевим елементами радіоактивної суміші, то з плином часу це співвідношення змінюється. А знаючи це співвідношення можна визначити вік відповідного об’єкту. Наприклад знаючи співвідношення мас між U-238 та Pb-206 в тій чи іншій гірській породі, можна достатньо точно визначити вік цієї породи. Подібні методи визначення віку об’єктів називають радіоізотопним датуванням. Радіоізотопне (радіометричне) датування широко застосовується в геології, палеонтології, археології та інших науках. Це джерело практично всіх об’єктивних та достовірних датувань тих подій які відбувалися в історії Землі.

Мал.194. За співвідношенням мас U-238 і Pb-206 в тому чи іншому об’єкті, можна достатньо точно визначити вік цього об’єкту.

На завершення зауважимо, що записи ²³⁸U₊₉₂ і ²³⁸U₉₂ відрізняються тим, що в першому випадку (²³⁸U₊₉₂) мова йде про позитивно заряджене ядро атома урану-238, а в другому випадку (²³⁸U₉₂) – про атом урану-238, тобто ту незаряджену частинку яка складається з атомного ядра та відповідної кількості електронів.

Задача. Покроково опишіть ті ядерні перетворення які відбуваються в радіоактивній родині урану-235 і які відповідають послідовності ²³⁵U₊₉₂→α →β →α →β →α →α →α →α →β →β → α→ ²⁰⁷Pb₊₈₂.

Рішення. Знаючи порядкові номери і назви тих атомів які знаходяться у проміжку між плюмбумом і ураном (Pb₈₂; Bi₈₃; Po₈₄; At₈₅; Rn₈₆; Fr₈₇; Ra₈₈; Ac₈₉; Th₉₀; Pa₉₁; U₉₂), та керуючись елементарною логікою, можна записати:

1.  ²³⁵U₊₉₂ – ⁴α₊₂ → ²³¹Th₊₉₀

2.  ²³¹Ra₊₉₀ – ⁰β_–1 → ²³¹Pa₊₉₁

3.  ²³¹Pa₊₉₁ – ⁴α₊₂ → ²²⁷Ac₊₈₉

4.  ²²⁷Тh₊₈₉ – ⁰β_–1 → ²²⁷Th₊₉₀

5.  ²²⁷Th₊₉₀ – ⁴α₊₂ → ²²³Ra₊₈₈

6.  ²²³Ra₊₈₈ – ⁴α₊₂ → ²¹⁹Rn₊₈₆

7.  ²¹⁹Rn₊₈₆ – ⁴α₊₂ → ²¹⁵Po₊₈₄

8.  ²¹⁵Po₊₈₄ – ⁴α₊₂ → ²¹¹Pb₊₈₂

9.  ²¹¹Pb₊₈₂ – ⁰β_–1 → ²¹¹Bi₊₈₃

10.  ²¹¹Bi₊₈₃ – ⁰β_–1 → ²¹¹Po₊₈₄

11.  ²¹¹Po₊₈₄ – ⁴α₊₂ → ²⁰⁷Pb₊₈₂

12.  ²⁰⁷Pb₊₈₂  – стабільний.

Контрольні запитання.

1.В чому суть явища радіоактивності?

2. Чому відкриття явища радіоактивності шокувало наукову громадськість?

3. Чи дійсно явище радіоактивності суперечить закону збереження енергії? Чому?

4. Що з’ясував в 1898 році Резерфорд?

5. Що представляє собою α-частинки; β-частинки?

6. Що називають періодом напіврозпаду радіоактивної речовини?

7. Від чого залежить і від чого не залежить період напіврозпаду речовини?

8. Чи можна за відомим періодом напіврозпаду речовини, визначити момент розпаду конкретного атома? Чому?

9. Чому на Землі зустрічаються ті атоми, які вже давно мали б розпастися?

10. Що називають радіоактивною родиною? Скільки таких родин натепер є на Землі?

11. Що називають радіоізотопним датуванням?

Вправа 46.

1. Покроково опишіть ті ядерні перетворення які відбуваються в радіоактивній родині урану-238 і які відповідають послідовності ²³⁸U₊₉₂→α →β →β →α →α →α →α →α →β →β →α →β →β →α →²⁰⁶Pb₊₈₂.

 

§47. Будова атомного ядра. Ізотопи.

 

Після того як в 1911році Резерфорд з’ясував, що в центрі атома знаходиться маленьке за розміром, масивне, позитивно заряджене ядро, практично відразу ж постало питання про внутрішній устрій цього ядра. А про те, що ядро має певний внутрішній устрій, з усією очевидністю говорило явище природної радіоактивності. Адже факт того, що в процесі радіоактивного розпаду атомів, випромінюються альфа та бета частинки, безумовно вказував на те, що ці частинки вилітають саме з атомного ядра.

Однак, як зазирнути всередину атомного ядра? Як довести, що воно складається з тих чи інших частинок? Адже мова йде про об’єкт, діаметр якого приблизно в 5000 разів менший за діаметр атома. Об’єкт, який займає лише декілька трильйонних частин об’єму атома.

Цілком закономірно, що проблемою з’ясування внутрішнього устрою атомного ядра зайнявся Резерфорд. Адже досліджуючи внутрішній устрій атома, Резерфорд бачив, що деякі α-частинки, наштовхувались на атомні ядра та відскакували від них (мал.195). Тому він, цілком слушно вирішив: якщо різні речовини опромінювати α-частинками, то є ймовірність того, що вони бодай з деяких ядер, вибиватимуть їх складові елементи. При цьому на люмінесцентному екрані приладу будуть зафіксовані відповідні спалахи.

а)  б)

Мал.195. Суть (а) та результати (б) дослідів Резерфорда.

Реалізуючи дану ідею, Резерфорд в 1919 році з’ясував, що в процесі опромінювання азоту α-частинками, з’являються атоми кисню та якісь невідомі, позитивно заряджені частинки (мал195б). Ці частинки назвали протонами ¹р₊₁ (m=1а.о.м. ; q = +1е). Здійснену Резерфордом ядерну реакцію можна записати у вигляді:  ¹⁴N₊₇ + ⁴α₊₂ → ¹⁷O₊₈ + ¹p₊₁ .

Подібні реакції часто називають реакцією розщеплення атомного ядра. Така назва не є надто вдалою. Адже при взаємодії з α-частинкою, ядро атома фактично не розщеплюється, а перетворюється на більш масивне та більш складне. Та як би там не було, а фактом залишається те, що в 1919 році Резерфорд здійснив першу штучну ядерну реакцію, в результаті якої була відкрита друга елементарна частинка – протон.

Таким чином, на 1919 рік в розпорядженні вчених було дві елементарні частинки: електрон (m=0а.о.м.; q= –1е) та протон (m=1а.о.м.; q= +1е). Виходячи з цього, в тому ж 1919 році, Резерфорд запропонував першу науково обгрунтовану протонно–електронну модель атомного ядра. Згідно з цією моделлю, атомні ядра складаються з протонів та електронів. При цьому, кількість протонів дорівнює масовому числу ядра (М), а кількість електронів – різниці між масовим (М) та зарядовим (Z) числом (порядковим номером атома). Іншими словами: N_p = M; N_e = M – Z. Наприклад, згідно з протонно–електронною моделлю, ядро атома урану ²³⁸U₊₉₂ складається з 238 протонів та 238–92=146 електронів.

 

Мал.196. В 1919 році Резерфорд запропонував протонно–електронну модель атомного ядра.

Протонно–електронна модель, цілком задовільно пояснювала відомі на той час властивості атомного ядра. Зокрема пояснювала, яким чином позитивно заряджені протони та негативно заряджені електрони об’єднуються в міцну цілісну структуру. Пояснювала, звідки беруться альфа та бета частинки, тощо. Однак, після того, як всередині 20-х років були сформульовані базові закони квантової механіки, з’ясувалося, що згідно з цими законами, такі надлегкі частинки як електрони, не можуть знаходитись в таких над малих об’ємах як об’єм атомного ядра. Виходячи з цього, було теоретично передбачено, що в Природі, окрім протонів та електронів, має існувати ще одна елементарна частинка. Частинка, дуже схожа на протон, але не заряджена (електронейтральна). Цю частинку назвали нейтроном.

Дане теоретичне передбачення було підтверджене учнем Резерфорда, англійським фізиком Джеймсом Чедвіком (1891–1974). В 1932 році, Чедвік здійснив ядерну реакцію, одним з продуктів якої був нейтрон ¹n₀ (m=1а.о.м.; q=0):  ⁹Ве₊₄ + ⁴α₊₂ → ¹²С₊₆ + ¹n₀.  Потрібно зауважити, що експерименти в яких фіксували нейтронне випромінювання, проводились і раніше. Однак спочатку це випромінювання ідентифікували як потік потужних гама–квантів. Чедвік же довів, що це нове потужне випромінювання представляє собою потік електронейтральних частинок, маса яких близька до маси протона.

В тому ж 1932 році, було запропоновано протонно–нейтронну модель атомного ядра. Згідно з цією моделлю, атомні ядра складаються з протонів і нейтронів. При цьому, кількість протонів дорівнює зарядовому числу ядра, а кількість нейтронів – різниці між масовим та зарядовим числом. Іншими словами: N_p = Z;  N_n = M–Z. Наприклад, ядро урану ²³⁸U₊₉₂  складається з 92 протонів та 146 нейтронів.

Мал.197. В 1932 році була запропонована сучасна протонно-нейтронна модель атомного ядра.

Подальші дослідження повністю підтвердили достовірність протонно-нейтронної моделі. Однак ця модель поставила перед вченими ряд наукових проблем. По перше, було незрозуміло, яким чином позитивно заряджені протони та електронейтральні нейтрони об’єднуються в таку міцну структуру як атомне ядро. Адже відомі на той час фундаментальні сили, сили гравітаційної та електромагнітної взаємодій, забезпечити таке об’єднання не могли (поясніть чому?). По друге, дослідження показали, що вільні нейтрони є частинками радіоактивними. І що вони, з періодом напіврозпаду 10,6 хвилини, розпадаються на протони та електрони:  ¹n₀ → ¹р₊₁ + ⁰е_–1 . Звідси, з неминучою очевидністю виникало питання: чому у вільному стані (за межами атомного ядра) нейтрони розпадаються, а в ядрі – не розпадаються?

В процесі розвитку науки, ці та їх подібні запитання отримали вичерпні відповіді. Про ці відповіді ми поговоримо дещо пізніше. На разі ж стисло зупинимся на ще одному очевидному питанні, яке стосується факту того, що масові числа більшості хімічних елементів суттєво відрізняються від цілих чисел.

Дійсно. Аналізуючи ті дані які містяться в таблиці хімічних елементів, не важко бачити, що масові числа більшості з них суттєво відрізняються від цілих чисел: ^6,9Li; ^10,8В; ^20,2Ne; ^22,4Mg; ^35,5Cl і т. д. При цьому виникає закономірне питання. Якщо атоми складаються з протонів (m=1), нейтронів (m=1) та електронів (m=0), то яким чином масове число атома виявляється суттєво нецілим? Пояснюючи даний факт можна сказати наступне. Хімічні властивості атома практично на 100% залежать від заряду його ядра, тобто від числа протонів в ньому. Скажімо, якщо в ядрі атома міститься 17 протонів, то цим атомом є хімічно активний неметал хлор. Збільшивши число протонів до 18, ми отримаємо абсолютно новий атом – хімічно інертний аргон. Додавши ще один протон, ми отримаємо атом хімічно активного металу – калію, який буде кардинально відрізнятись від двох попередніх атомів.

Якщо ж говорити про число нейтронів в атомному ядрі, то воно практично не впливає на хімічні властивості атома. Наприклад в ядрі одного атома хлору міститься 18 нейтронів, а в ядрі іншого атома хлору – 20 нейтронів. При цьому хімічні властивості обох атомів (³⁵Сl₁₇ та ³⁷Cl₁₇) будуть практично однаковими.

Мал.198. Хімічні властивості атома залежать від числа протонів і його ядрі і практично не залежать від кількості нейтронів у цьому ядрі.

Атоми, в ядрах яких міститься однакова кількість протонів але різна кількість нейтронів називають ізотопами (від грец. isos – однаковий, topos – місце). Ізотопи мають практично однакові хімічні властивості і тому цілком обгрунтовано знаходяться в одній і тій же клітинці періодичної системи та позначаються одним і тим же хімічним знаком. Однак інші властивості ізотопів можуть бути суттєво різними. Зокрема вони мають суттєво різну масу, а отже відповідно різну кількість гравітаційних, енергетичних та інерціальних властивостей. Ізотопи можуть бути як стабільними так і радіоактивними. При цьому різні радіоактивні ізотопи, мають різні періоди напіврозпаду.

Дослідження показують, що переважна більшість природних хімічно простих речовин, представляють собою певну суміш різних ізотопів. Наприклад природний, хімічно чистий хлор, на 75,4% складається з ізотопу ³⁵Сl₁₇ і на 24,6% з ізотопу ³⁷Сl₁₇. Ці ізотопи є хімічно ідентичними і тому в будь яких сполуках (NaCl; Cl₂; HCl; тощо) зустрічаються в незмінних пропорціях: 75,4% ³⁵Сl₁₇ та 24,6% ³⁷Сl₁₇. В такій ситуації, визначаючи молярну масу хлору (тобто масу 6,02·10²⁴ його атомів) хіміки неодмінно отримують одну і ту ж величину – 35,45г/моль. Виходячи з цього, у відповідну клітинку періодичної системи записується масове число 35,45. І як ви відтепер розумієте, це число характеризує масу певного усередненого атома хлору.

Таким чином, ті масові числа які містяться в таблиці хімічних елементів, фактично характеризують усереднену масу природного ізотопного складу відповідного елементу.

На сьогоднішній день відомо близько 280 стабільних та понад 2000 радіоактивних ізотопів. При цьому всі стабільні та частина радіоактивних ізотопів є природніми, тобто такими, які зустрічаються в природних умовах Землі і  поява яких не пов’язана з діяльністю людини. Наприклад, природний гідроген (водень) складається з трьох ізотопів: гідроген-1 (протій) ¹Н₁ (99,984%), гідроген-2 (дейтерій) ²Н₁ або ²D₁ (0,016%) та гідроген-3 (тритій) ³Н₁ або ³Т₁ (≈10^–10%). При цьому гідроген-1 та гідроген-2 є стабільними, а гідроген-3 – радіоактивним. Природний гелій складається з двох стабільних ізотопів: ⁴Не₂ (99,9999%) та ³Не₂ (0,0001%). Природний літій складається з двох стабільних ізотопів: ⁶Li₃ (7,52%) та ⁷Li₃ (92,48%)…. Природний уран, складається з двох радіоактивних ізотопів: ²³⁸U₉₂ (99,3%) та ²³⁵U₉₂ (0,7%).

Мал.199. Ізотопи водню (гідрогену).

На ряду з природними, існує величезна кількість (понад 1500) штучних радіоактивних ізотопів, тобто таких ізотопів поява яких обумовлена діяльністю людини. Скажімо в сучасній періодичній системі хімічних елементів налічується 126 хімічно різних атомів. При цьому в природних умовах Землі, жодного атома з порядковим номером більшим за 92 не існує. Всі подібні атоми є штучно створеними радіоактивними ізотопами. Зазвичай, період напіврозпаду штучних ізотопів вимірюється хвилинами, секундами та долями секунди. Однак, серед штучно створюваних ізотопів зустрічаються і «довгожителі». Наприклад Т(²³⁶U₉₂)=24·10⁶років; T(⁹²Nb₄₁)=33·10⁶років; T(¹⁰B₄)=2,5·10⁶років; T(²⁶Al₁₃)= 0,74·10⁶років; T(³⁶Cl₁₇)=0,4·10⁶ років.

Розділити ізотопи хімічним шляхом практично не можливо. Однак це зовсім не означає, що цього не можливо зробити взагалі. Переважна більшість методів розділення ізотопів, базується на залежності певних фізичних процесів від маси частинок. Скажімо відомо, що при одній і тій же температурі, середня швидкість теплового руху легких частинок більша ніж важких. А це означає, що через пористу перешкоду легкі частинки дифундують суттєво швидше ніж їх важчі аналоги. Організувавши низку таких дифузійних переходів, можна суттєво змінити ізотопний склад речовини. В промислових масштабах, подібним чином здійснюють так зване збагачення урану, тобто досягають того, що в урані, кількість ізотопу уран-235 збільшується від 0,7% до 4%.

Задача. Визначте невідому складову ядерної реакції:

а)  ²⁷Aℓ₊₁₃ + ¹n₀  →  ? + ⁴He₊₂;

б)  ²³⁸U₊₉₂ + ⁴He₊₂  →  ? + ⁰γ₀;

в)    ? + ¹р₊₁   →  ²²Na₊₁₁ + ⁴He₊₂;

Рішення. Подібні задачі розв’язуються на основі логіки звичайних математичних міркувань та за наявності таблиці хімічних елементів.  Наприклад якщо ²⁷Aℓ₊₁₃ + ¹n₀, то загальна маса продуктів цієї реакції має дорівнювати 27+1=28, а загальний заряд +13+0=+13. А оскільки одним з цих продуктів є ⁴He₊₂, то маса іншого має дорівнювати 28–4=24, а його заряд +13–2=+11. Це означає, що невідомою складовою даної реакції є ядро атома з порядковим номером 11, тобто атома натрію. Таким чином: ²⁷Aℓ₊₁₃ + ¹n₀  →  ²⁴Na₊₁₁ + ⁴He₊₂.  Якщо ж виходити з того, що кожну складову ядерної реакції можна охарактеризувати масовим (М) та зарядовим () числом, то стисле рішення задачі набуває вигляду:

а)  Дано:  ²⁷Aℓ₊₁₃ + ¹n₀  →  ? + ⁴He₊₂.

Оскільки 27 + 1 = М + 4, то М = 28 – 4 = 24;

Оскільки +13 + 0 = Z + 2, то Z = +13 – 2 = +11, атом натрій Na.

Відповідь: ²⁷Aℓ₊₁₃ + ¹n₀  →  ²⁴Na₊₁₁ + ⁴He₊₂.

б)  Дано: ²³⁸U₊₉₂ + ⁴He₊₂  →  ? + ⁰γ₀;

Оскільки 238 + 4 = М + 0, то М = 242 – 0 = 242;

Оскільки +92 + 2 = Z + 0, то Z = +94 – 0 = +94, атом плутоній Pu.

Відповідь: ²³⁸U₊₉₂ + ⁴He₊₂  →  ²⁴²Pu₊₉₄  + ⁰γ₀;

в)  Дано:   ? + ¹р₊₁   →  ²²Na₊₁₁ + ⁴He₊₂.

Оскільки М + 1 = 22 + 4, то М = 26 – 1 = 25;

Оскільки  Z + 1 = +11 + 2, то Z = +13 – 1 = +12, атом магній Mg.

Відповідь: ²⁵Mg₊₁₂ + ¹р₊₁   →  ²²Na₊₁₁ + ⁴He₊₂.

Контрольні запитання

1. Які факти вказують на те, що атомне ядро має певний внутрішній устрій?

2. В чому суть протонно-електронної моделі атомного ядра?

3. Чому вчені передбачили існування нейтрона?

4. Які проблеми створила протонно-нейтрона модель атомного ядра?

5. Які атоми називають ізотопами? Чим схожі і чим відрізняються ці атоми?

6. Якщо атоми складаються з протонів (m=1), нейтронів (m=1) та електронів (m=0), то чому масове число хлору (35,45) є нецілим?

7. Поясніть, чому гравітаційні та електромагнітні сили не можуть забезпечити цілісність атомного ядра?

8. В сучасній таблиці хімічних елементів понад 120 різних атомів. Скільки з них зустрічаються в природних умовах Землі? Скільки з них мають стабільні ізотопи?

9. Чим відрізняються та в яких випадках застосовуються записи: ⁴Не₂ та ⁴Не₊₂; ²³⁸U₉₂ та ²³⁸U₊₉₂?

Вправа 47.

1. Скільки протонів (Z) і скільки нейтронів (N) міститься в ядрі атома: а) ¹⁴N₇; б) ³⁵Сℓ₁₇; в) ⁴⁰Са₂₀; г) ⁷²Ge₃₂; д) ²⁰⁶Pb₈₂?

2. Визначте невідому складову ядерної реакції:

а) ⁷Li₊₃ + ¹р₊₁ → ⁴He₊₂ + ?;

б)  ¹⁴N₊₇ + ? →  ¹¹B₊₅ + ⁴He₊₂;

в)  ²⁷Аℓ₊₁₃ + ⁰γ₀ → ²⁶Mg₊₁₂ + ?;

г)  ¹⁴N₊₇ + ? →  ¹⁷О₊₈ + ¹р₊₁;

д) ¹⁰В₊₅ + ¹n₀ →  ? + ⁴He₊₂.

3. При бомбардуванні азоту ¹⁴N₇ нейтронами, з ядра яке утворилося вилітає протон, а потім β – частинка. Запишіть відповідні ядерні реакції.

 

§48. Ядерні сили.

 

До тепер, пояснюючи все різноманіття механічних, теплових, електричних, магнітних, оптичних, хімічних, міжатомних та внутріатомних явищ, ми фактично не виходили за межі двох фундаментальних сил – гравітаційної та електромагнітної. Однак, намагаючись пояснити устрій атомного ядра, ми з усією очевидністю зрозуміли: пояснити цей устрій, оперуючи відомими фундаментальними силами, не можливо.

Дійсно. Згідно з протонно–нейтронною моделлю, атомне ядро складається з позитивно заряджених протонів та електронейтральних нейтронів. При цьому, з одного боку, між цими частинками, діють сили гравітаційного притягування (F_гр=Gm_р²/r²). З іншого ж  боку, між протонами атомного ядра діють сили електростатичного відштовхування (F_ел=kq₁q₂/r²). І не важко довести, що в атомному ядрі, сили електростатичного відштовхування протонів, більші за сили їх гравітаційного притягування приблизно в 10³⁶ разів (F_ел/F_гр= ke²/Gm_p² ≈ 10³⁶). А це означає, що гравітаційні та електромагнітні сили забезпечити цілісність атомного ядра не можуть. І тим не менше, атомне ядро існує, є дуже міцним і складається з позитивно заряджених протонів та незаряджених нейтронів Звідси, з усією очевидністю випливає, що в Природі має існувати ще одна фундаментальна сила, яка і забезпечує цілісність атомного ядра. І така сила дійсно існує. Її називають ядерною силою.

Задача. Виходячи з того, що маса протона 1,67·10^–27кг, а його заряд 1,6·10^–19Кл, визначте у скільки разів сила електричного відштовхування протонів в атомному ядрі, більша за силу їх гравітаційного притягування. Зробіть відповідний висновок.

Дано:                                        Рішення:

m_p = 1,67∙10^–27кг          Оскільки протони є носіями однойменного

q_p=е=1,6·10^–19Kл         електричного заряду, то у відповідності з законом

F_ел/F_гр = ?                      Кулона вони взаємно відштовхуються з силою,

величина якої визначається за формулою F_ел=kq₁q₂/r², де k=k₀=9∙10⁹Н∙м²/Кл².

З іншого боку, протони мають певні маси і тому у відповідності з законом всесвітнього тяжіння, взаємно притягуються з гравітаційною силою величина якої визначається за формулою F_гр=Gm₁m₂/r², де G=6,67·10^–11Н·м²/кг².

Зважаючи на вище сказане, можна записати:

F_ел/F_гр = (kq₁q₂/r²)/(Gm₁m₂/r²) =kе²/Gm_р)².

Розрахунки: F_ел/F_гр = 9·10⁹ ·(1,6·10^–19)²/6,67·10^–11·(1,67·10^–27)² =

= 9·1,6²·10⁹·10^–38/6,67·1,67²·10^–11·10^–54 = 23·10^–29/18,6·10^–65 = 0,23·10⁴⁰ = 1,2·10³⁶.

Відповідь: F_ел/F_гр = 1,2·10³⁶ рази.

Висновок: Електричні та гравітаційні сили не можуть забезпечити цілісність атомного ядра.

       

Мал.200. Оскільки електричні і гравітаційні сили забезпечити цілісність атомного ядра не можуть, а така цілісність існує, значить існує ще одна різновидність сил.

Навіть не заглиблюючись в деталі внутріядерних процесів, про ядерні сили можна сказати наступне. По перше. З факту того, що ядро представляє собою надзвичайно міцну структуру, з усією очевидністю випливає, що ядерні сили, це сили надзвичайно потужні. У всякому разі набагато потужніші за електромагнітні, а тим більше – за гравітаційні:  F_я ˃ F_ел ˃˃ F_гр .

По друге. Факт того, що ядерні сили об’єднують як заряджені так і не заряджені частинки, безумовно вказує на те, що ці сили є зарядово незалежними, тобто такими які діють як між зарядженими так і між незарядженими частинками. І в цьому сенсі, ядерні сили схожі на гравітаційні і не схожі на електромагнітні.

По третє. Факт того, що за межами атомного ядра надпотужні ядерні сили жодним чином не проявляють себе, безумовно вказує на те, що ці сили короткодіючі, тобто такі, радіус дії яких обмежений розмірами атомного ядра і не перевищує 1,5·10^–15м (r ≤ 1,5·10^–15м). Дана властивість, кардинально відрізняє ядерні сили як від гравітаційних, так і від електромагнітних. Адже і електромагнітні, і гравітаційні сили є далекодіючими, тобто такими, радіус дії яких необмежено великий (r = ∞).

Таким чином, стисло характеризуючи ядерні сили, можна сказати наступне:

1. Ядерні сили, це сили надзвичайно потужні.

2. Ядерні сили, це сили зарядово незалежні.

3. Ядерні сили, це сили короткодіючі.

В 1935 році, японський фізик Хідекі Юкава (1907–1981), намагаючись пояснити механізм внутріядерних взаємодій, висунув науково обгрунтовану гіпотезу про те, що в Природі, окрім протонів, нейтронів, електронів та фотонів, має існувати ще одна група елементарних частинок. Частинок, які і забезпечують внутріядерні взаємодії. При цьому, спираючись на закони квантової механіки, Юкава визначив основні параметри цих частинок. Зокрема, він теоретично передбачив, що маса такої частинки має бути приблизно в 250 разів більшою за масу електрона (m≈250m_e), а отже приблизно у 7 разів меншою за масу протона (m≈m_p/7). Зважаючи на ці обставини (m_e˂m˂m_p), теоретично передбачену частинку, Юкава назвав мезоном (від грец. mesos – проміжний, середній).

Теоретичні передбачення Юкави гуртувались на наступних міркуваннях. Як відомо одним з проявів електромагнітних взаємодій є так званий ковалентний зв’язок, тобто той хімічний зв’язок який об’єднує атоми в молекули та найміцніші кристалічні структури. Суть ковалентного зв’язку полягає в тому, що атоми речовини, постійно обмінюються валентними електронами (мал.201). При цьому між відповідними атомами виникає потужний хімічний (електромагнітний) зв’язок величина якого залежить від інтенсивності обміну електронами (чим більша інтенсивність обміну, тим міцніший зв’язок між атомами).

 

Мал.201. Суть ковалентного зв’язку полягає в тому, що взаємодіючі атоми постійно обмінюються валентними електронами.

Виходячи з того, що механізм внутріядерних взаємодій може бути схожим на механізм ковалентного зв’язку, Юкава висунув гіпотезу про те, що в атомному ядрі протони і нейтрони постійно обмінюються певними частинками і за рахунок цього обміну об’єднуються в єдине ціле. При цьому виникало закономірне питання: а що це за частинки? Ясно, що першим претендентом на роль тих частинок якими могли обмінюватись протони і нейтрони були електрони. Однак закони квантової механіки стверджували, що такі надлегкі частинки як електрони не можуть знаходитись в таких над малих об’ємах як об’єм атомного ядра. Зважаючи на ці обставини, Юкава задався питанням: а якими згідно з законами квантової механіки мають бути ті частинки, які могли б забезпечувати внутріядерні взаємодії? І закони квантової механіки «відповіли»: маса цих частинок має бути приблизно в 250 разів більшою за масу електрона, а їх електричний заряд може бути як нульовим так і додатним або від’ємним. Передбачені Юкавою частинки були експериментально відкриті в 1947 році. При цьому з’ясувалося, що існує три різновидності мезонів: π⁺–мезон, π^––мезон та π⁰–мезон.

Зважаючи на факт існування мезонів, механізм внутріядерних взаємодій можна представити у вигляді наступної схеми (мал.202). Складові частинки атомного ядра (протони і нейтрони), постійно обмінюються мезонами і в процесі цього обміну об’єднуються в надміцну структуру яка називається атомним ядром. При цьому, дослідження показують, що інтенсивність протонно–нейтронних взаємодій набагато більша за інтенсивність протонно–протонних та нейтронно–нейтронних взаємодій. А це означає, що цілісність атомного ядра забезпечується головним чином за рахунок протонно–нейтронних взаємодій і що інші види взаємодій носять допоміжний характер. Крім цього, експериментальні та теоретичні дослідження показують, що різнойменні частинки обмінюються зарядженими мезонами (π⁺ та π^–), а однойменні – незарядженими мезонами (π⁰).

Мал.202. Графічна інтерпретація механізму дії ядерних сил (сильних ядерних взаємодій).

Аналізуючи вище описаний механізм внутріядерних взаємодій, не важко бачити, що в процесі цих взаємодій, протони і нейтрони постійно взаємно перетворюються. А це означає, що в атомному ядрі, з впевненістю сказати протоном чи нейтроном є дана частинка, практично не можливо. Адже протягом секунди ця частинка мільярди разів є то протоном то нейтроном. Зважаючи на ці обставини, ті протони та нейтрони що входять до складу атомного ядра, позначають єдиним терміном – нуклони (від лат. nucleus – ядро). Наприклад говорять, що ядро атома урану ²³⁸U₊₉₂ складається з 238 нуклонів, із яких 92 є протонами, а 146 – нейтронами.

Вище описаний механізм внутріядерних взаємодій, дозволив вирішити ще одну наукову проблему. Проблему, яка турбувала вчених з часу відкриття нейтрона.

Справа в тому, що після відкриття нейтрона (1932р.) та дослідження його властивостей, з’ясувалося, що нейтрон частинка радіоактивна, і що з періодом напіврозпаду 10,6 хвилин, нейтрон розпадається на протон та електрон: ¹n₀→¹р₊₁+ ⁰е_–1. При цьому виникало питання: чому у вільному стані нейтрони розпадаються, а в атомних ядрах – не розпадаються? Втім, тепер, коли ви знаєте, що в процесі внутріядерних взаємодій протони і нейтрони постійно та надзвичайно часто взаємно перетворюються, відповісти на дане запитання не складно: в межах атомного ядра нейтрони не розпадаються тому, що просто не встигають цього зробити. Адже для того щоб розпастися, нейтрон певний час має бути нейтроном. В атомному ж ядрі, будь який нуклон мільярди разів за секунду є то протоном то нейтроном.

Щоправда за певних умов нейтрони можуть розпадатися і в атомному ядрі. Наприклад такі умови складаються тоді, коли в ядрі атома кількість нейтронів порівняно з кількістю протонів є незбалансовано великою. В такій ситуації нейтрон час від часу залишається так би мовити безхозним, тобто таким що не приймає участі у міжнуклонних взаємодіях. А будучи нейтроном він може розпастися на протон і електрон. При цьому електрон з шаленою швидкістю вилітає за межі ядра та атома загалом. Наприклад ядро гідрогену-3 (тритію ³Н₊₁) складається з одного протона і двох нейтронів. Ясно, що в такій ситуації то один то інший нейтрон не приймає участі у взаємодії, а отже відносно тривалий час залишається нейтроном. А це означає, що існує певна ймовірність розпаду нейтрона. І такий розпад рано чи пізно відбувається. При цьому ядро гідрогену-3 перетворюється на ядро гелію-3: ³Н₊₁→³Не₊₂+⁰е_–1.

  

Мал.203. Атомні ядра з незбалансовано великим надлишком нейтронів, зазвичай є β–радіоактивними.

Завершуючи розмову про ядерні сили, буде не зайвим сказати, що сучасна наука розрізняє чотири фундаментальні сили Природи: гравітаційні сили, електромагнітні сили, сильні ядерні взаємодії та слабкі ядерні взаємодії. При цьому кожна різновидність сил (взаємодій) має свою сферу переважного застосування та виконує свої надважливі функції. Наприклад гравітаційні сили збирають величезні маси речовини в планети та зірки, формують з них планетарні системи, галактики і метагалактики, запалюють в надрах зірок термоядерні топки та створюють умови для їх стабільної роботи. Електромагнітні сили об’єднують атомні ядра і електрони у відповідні атоми, атоми об’єднують у відповідні молекули, атоми, молекули та іони – у відповідні тіла, в тому числі і такі надскладні як живі організми. Сильні ядерні взаємодії об’єднують протони і нейтрони в атомні ядра та є відповідальними за ті термоядерні реакції які є основним джерелом енергії Сонця та інших активних зірок. Що ж стосується слабких ядерних взаємодій, то вони відповідальні за ті процеси що відбуваються всередині протонів, нейтронів та інших елементарних частинок. Одним з проявів слабких ядерних взаємодій є β-розпад нейтронів.

Дослідження показують, що фундаментальні взаємодії нерозривно пов’язані між собою та утворюють єдиний цілісний організм. Організм, в якому кожна взаємодія виконує певні функції та органічно доповнює функціональні обов’язки інших взаємодій. При цьому вчені переконані в тому, що всі відомі фундаментальні взаємодії, є певними проявами єдиного цілого, і що це єдине ціле можна пояснити в рамках єдиної цілісної теорії. Інша справа, що на сьогоднішній день, такої загально визнаної та безумовно доведеної теорії не існує. Що ж, у вас є реальна можливість проявити свої інтелектуальні здібності та навічно закарбувати своє ім’я серед найвидатніших вчених всіх часів і народів.

Контрольні запитання.

1. Чому цілісність атомного ядра не можливо пояснити оперуючи лише гравітаційними та електромагнітними силами?

2. Які факти вказують на те, що ядерні сили є: а) надзвичайно потужними; б) зарядово незалежними; в) короткодіючими.

3. Чим ядерні сили схожі на сили ковалентного зв’язку?

4. В чому суть теорії Юкави?

5. Чому електрони не можуть бути тими частинками які забезпечують цілісність атомного ядра?

6. Чому протони і нейтрони атомного ядра позначають єдиним терміном – нуклони?

7. Чому нейтрони в атомному ядрі не розпадаються?

8. Які роль в облаштуванні Всесвіту кожної з фундаментальних сил: а) гравітаційні сили; б) електромагнітні сили; в) сильні ядерні взаємодії; г) слабкі ядерні взаємодії?

 

§49. Енергія зв’язку атомного ядра. Термоядерні реакції. Енергія Сонця і зірок.

 

Керуючись законом збереження енергії не важко довести, що енергія атомного ядра Е₁ менша за загальну енергію тих окремих нуклонів Е₂ з яких це ядро складається (Е₁ ˂ Е₂). Дійсно. Оскільки атомне ядро представляє собою міцну цілісну структуру, то абсолютно очевидно, що для розщеплення цієї структури на окремі частинки (нуклони) потрібно витратити певну кількість енергії ΔЕ. А це означає, що енергія тієї системи яку отримають в результаті повного розщеплення атомного ядра на його окремі нуклони (Е₂) буде більшою за енергію самого ядра (Е₁). Більшою на величину, яку прийнято називати енергією зв’язку атомного ядра:  ΔЕ = Е₂ – Е₁. Енергією зв’язку атомного ядра називають ту мінімальну кількість енергії яку необхідно витратити на те щоб повністю розщепити дане атомне ядро на його складові нуклони.

Мал.204. Енергія атомного ядра менша за загальну енергію тих окремих нуклонів з яких це ядро складається.

З факту того, що для розщеплення стабільного атомного ядра на дві, три чи більшу кількість частин, потрібні певні енергетичні затрати, з усією очевидністю випливає, що при зворотньому процесі, аналогічна кількість енергії має виділятись. Ядерні реакції при яких легкі атомні ядра об’єднуються (синтезуються) у відповідні більш важкі ядра, називаються термоядерними реакціями або реакціями термоядерного синтезу. Вони називаються термоядерними тому, що відбуваються при надзвичайно високих температурах (понад 10⁶К).

Пояснюючи факт того, що термоядерні реакції відбуваються при надвисоких температурах, можна сказати наступне. Оскільки ядерні сили є силами короткодіючими, то для отримання енергії цих сил, взаємодіючі частинки потрібно зблизити на відстань радіусу дії ядерних сил (≈1,5·10^–15м), тобто на відстань, яка в десятки тисяч разів менша за діаметр атома. Звичайно, якби ці частинки були незарядженими або зарядженими та незарядженими, то необхідне зближення відбувалось би в процесі того теплового руху який характеризується відносно низькими температурами. Однак в даному випадку, мова йде про взаємодію атомних ядер, тобто тих позитивно заряджених частинок, між якими діють потужні сили електростатичного відштовхування. А це означає, що при взаємодії (при ударі), атомні ядра безпосередньо не торкаються одне одного, а наблизившись на певну відстань зупиняються і відлітають одне від одне від одного. І неважко збагнути, що при збільшенні температури та відстань на яку зближуються атомні ядра в процесі «удару», неухильно зменшується. А для того щоб вона зменшилась до величини 1,5·10^–15м, необхідна температура яка вимірюється мільйонами градусів Цельсія.

Мал.205. Для того щоб в процесі «удару» атомні ядра наближувалися на відстань 1,5·10^–15м, відповідну речовину потрібно нагріти щонайменше до 5·10⁶К.

Таким чином, для того щоб отримати енергію термоядерного синтезу, відповідну речовину потрібно попередньо нагріти до певної надвисокої температури. А таке нагрівання потребує певних енергетичних затрат. Втім, зробивши ці затрати та запустивши термоядерний процес, ви отримаєте таку кількість енергії яка не лише компенсує ваші енергетичні затрати, а й дасть великий енергетичний виграш. Адже коли на відстанях 1,5·10^–15м у справу включаються надпотужні ядерні сили, то вони з такою шаленою силою об’єднують легкі атомні ядра у відповідні більш важкі ядра, що виділяється така кількість енергії, яка набагато перевищує попередні енергетичні затрати.  Дану ситуацію ілюструє наступна механічна модель. Уявіть собі дорогу, на якій відносно невеликий підйом змінюється затяжним спуском (мал.206). Долаючи підйом ви витрачаєте певну кількість енергії. Натомість, спускаючись з вершини, отримуєте таку кількість енергії, яка не лише компенсує ваші енергетичні затрати, а й дає певний енергетичний виграш.

 

Мал.206. Механічна модель термоядерних реакцій.

Оскільки в природних умовах, інтенсивні термоядерні реакції відбуваються в надрах зірок, то буде не зайвим бодай в двох словах сказати про ці самі зірки. А життєвий цикл всіх зірок починається однаково. Величезний клубок розрідженого газу, основними складовими якого є водень (близько 75%) та гелій (близько 25%) під дією сил гравітаційної взаємодії починає стискатись і відповідно нагріватись. Приблизно через 30 мільйонів років такого стиснення, центральна частина сильно ущільненої газової кулі розігрівається до 10∙10⁶К. При цьому в ній починається водневий цикл термоядерних реакцій. Реакцій, при яких чотири ядра атома гідрогену-1, а фактично чотири протони, об’єднаються в ядро атома гелію: 4¹H₊₁ → ⁴He₊₂ + 2⁰e₊₁ + ΔE, і в процесі яких виділяється величезна кількість енергії. Ця енергія, по-перше, зупиняє подальше гравітаційне стиснення зірки. А по-друге, стає тим джерелом енергії яку постійно випромінює зірка. Власне, той момент, коли в надрах масивної, гравітаційно стиснутої газової кулі починаються масові термоядерні реакції і прийнято вважати моментом народження зірки.

Таким чином, в надрах Сонця, при температурі близькій до 10∙10⁶К, відбувається водневий цикл термоядерних реакцій, в процесі якого ядра гідрогену-1 перетворюються на ядра гелію-4, та виділяється величезна кількість енергії. І треба сказати, що мова йде про складний, багатоступеневий процес, кожен етап якого відбувається з певною ймовірністю.

Мал.207 В надрах Сонця при температурі близькій до 10·10⁶К відбувається водневий цикл термоядерних реакції.

З водневим циклом термоядерних реакцій пов’язаний найтриваліший та найстабільніший період життя зірки. Період, який складає близько 90% тривалості її активного життя. Та яким би тривалим не був цей період, а рано чи пізно концентрація водню в надрах зірки стає критично малою. При цьому інтенсивність відповідних термоядерних реакцій починає суттєво  зменшуватись. З цього моменту зірка вступає в епоху старіння. Епоху, яка характеризується наступними подіями.

По мірі того, як інтенсивність термоядерних реакцій зменшується, гравітаційні сили починають додатково стискати, а відповідно – додатково розігрівати центральну частину (ядро) зірки. Коли ж в процесі цього стиснення, ядро зірки розігрівається до температури 100·10⁶К, в ньому починається новий цикл термоядерних реакцій. Реакцій, при яких гелій, шляхом двох послідовних взаємодій, перетворюється на вуглець (карбон):

⁴Не₊₂ + ⁴Не₊₂  → ⁸В₊₄ + ΔЕ

⁸В₊₄ + ⁴Не₊₂  →  ¹²С₊₆ + ΔЕ

В процесі подальшого гравітаційного стиснення та розігрівання надр зірки, в них послідовно синтезуються все більш та більш важкі атомні ядра, зокрема ядра кисню, неону та магнію:

Т ~ 200·10⁶К :  ¹²С₊₆ + ⁴Не₊₂  →  ¹⁶О₊₈ + ΔЕ

Т ~ 300·10⁶К :  ¹⁶О₊₈ + ⁴Не₊₂  →  ²⁰Ne₊₁₀ + ΔЕ

Т ~ 400·10⁶К :  ²⁰Nе₊₁₀ + ⁴Не₊₂  →  ²⁴Mg₊₁₂ + ΔЕ

Дослідження показують, що на етапі утворення магнію, при температурі близькій до 400·10⁶К, практично увесь наявний в надрах зірки гелій вичерпується. Тому для здійснення нових циклів термоядерних реакцій, (зокрема таких як ¹²С₊₆+¹²С₊₆→²⁴Мg₊₁₂+ΔЕ; ¹²С₊₆+¹⁶О₊₈→²⁸Si₊₁₄+ΔЕ; ¹⁶О₊₈+¹⁶О₊₈→³²S₊₁₆+ ΔЕ, тощо) потрібне нове значне підвищення температури. І якщо таке підвищення можливе (а це залежить від маси зірки), то в надрах зірок, при температурах понад 1·10⁹К вище згадані реакції відбуваються.

Таким чином, в надрах зірок, в процесі певної послідовності термоядерних реакцій, синтезуються все більш і більш важкі атомні ядра. Головним чином ті, що утворюють так званий α-ланцюг:  ¹²С₊₆→¹⁶О₊₈→²⁰Ne₊₁₀→²⁴Mg₊₁₂→²⁸Si₊₁₄→³²S₊₁₆→… Паралельно з цим, в процесі взаємодії з наявними ядрами водню, дейтерію та інших елементів, синтезуються й інші проміжні атомні ядра. Однак загальна інтенсивність цього синтезу є відносно низькою.

Характеризуючи усереднені енергетичні тенденції вище описаних термоядерних реакцій, можна сказати наступне. По мірі того, як в процесі термоядерного синтезу, маса атомного ядра збільшується, енергетична ефективність реакції зменшується. Зменшується в тому сенсі, що кожен новий цикл реакцій відбувається при все більш і більш високій температурі, тоді як енергетичний виграш від реакції стає все меншим і меншим. Умовно кажучи, для здійснення все нових і нових реакцій, нам потрібно викочувати кулю на все більшу і більшу висоту (мал.206). При цьому величина того спуску який знаходиться за вершиною гори, стає все меншим і меншим. Ясно, що в такій ситуації рано чи пізно настає момент, коли енергогенеруючий потенціал термоядерних реакцій вичерпується (висота підйому, дорівнює глибині спуску). Цей момент настає при температурі 3,5·10⁹К, коли в надрах зірки утворюються ядра заліза (Fe). Іншими словами, залізо є тим останнім хімічним елементам атомні ядра якого утворюються з виділенням енергії.

Ядра більш важких хімічних елементів, синтезуються не з виділенням енергії, а з її поглинанням. Точніше кажучи, та енергія яка виділяється в результаті відповідних термоядерних реакцій, менша за ту енергію яка витрачається на здійснення цих реакцій. По суті це означає, що в атомних ядрах важчих за залізо (Fе₂₆), міститься певний надлишок енергії. При цьому, по мірі збільшення маси ядра, величина наявної в ньому надлишкової енергії неухильно зростає.

До певної межі (до ядер атома плюмбуму-208) потужні ядерні сили стримують наявну в ядрі надлишкову енергію та забезпечують стабільність відповідного ядра. Однак в надмасивних атомних ядрах (ядрах важчих за ²⁰⁸Pb₊₈₂) надлишок внутріядерної енергії такий великий, що навіть потужні ядерні сили не можуть утримати відповідне ядро від розпаду. Тому всі атомні ядра важчі за ізотоп  ²⁰⁸Pb₈₂ є радіоактивними, тобто такими які рано чи пізно розпадаються. І якщо на Землі надважкі хімічні елементи все ж зустрічаються, то це тільки тому, що деякі з них, зокрема ²³⁸U₉₂; ²³⁵U₉₂ та ²³²Th₉₀ мають надзвичайно великі періоди напіврозпаду Таким чином, в надрах зірок, при все більш і більш високих температурах, синтезуються все більш і більш важкі атомні ядра. Синтезуються до тих пір, поки при температурі 3,5·10⁹К не утворюються ядра атома заліза (Fe₂₆). При цьому енергогенеруючий потенціал термоядерних реакцій вичерпується. Вичерпується в тому сенсі, що більш важкі атомні ядра, синтезуються не з виділенням енергії, а з її поглинанням (затрати енергії на здійснення реакції, більші за ту енергію яка виділяється в результаті реакції). В такій ситуації, термоядерні реакції не протидіють гравітаційному стисненню зірки, а навпаки – сприяють йому. Результатом такого сприяння, стає надпотужний вибух зірки. Вибух, в процесі якого синтезується та викидається в навколишній простір все різноманіття відомих хімічних елементів. Втім, про деталі тих подій які відбуваються в процесі еволюції зірок ви дізнаєтесь в тому розділі фізики який називається космологією – наукою про Всесвіт. Наразі ж, ключові моменти вище сказаного, представимо у вигляді наступної схеми.

 

.

Не буде перебільшенням сказати, що в сучасного людства нема більш нагального та більш важливого енергетичного завдання, аніж створення таких приладів, які б в промислових масштабах перетворювали енергію термоядерних реакцій в корисну роботу. Створивши такі прилади, людство отримало б практично невичерпне джерело екологічно чистої, безпечної енергії та вирішило б всі свої енергетичні проблеми на мільйони років вперед.

На жаль, в промислових масштабах здійснювати керовані термоядерні реакції ми ще не вміємо. Не вміємо не тому, що чогось не знаємо про термоядерні реакції, а тому що для практичної реалізації контрольованих реакцій термоядерного синтезу, потрібно вирішити ряд надскладних науково–технічних проблем. Основними з цих проблем є. 1) Розробити та реалізувати технологію розігріву робочого термоядерного тіла до десятків мільйонів градусів. 2) Розробити та створити той термоядерний «котел» який би дозволяв утримувати нагріту до багатьох мільйонів градусів речовину, яка крім всього іншого створюватиме на стінки цього «котла» неймовірно великий механічний тиск. 3) Розробити та реалізувати ефективний спосіб відведення генерованої термоядерної енергії від робочого тіла. 4) Забезпечити динамічну стійкість та безпечність процесу.

В тих природних приладах які називаються зірками, всі вище названі та не названі проблеми, вирішуються просто та ефективно: надмасивне тіло зірки, та створюване ним надпотужне гравітаційне поле є і джерелом необхідно високої температури, і джерелом необхідно високого тиску, і джерелом тих сил які утримують термоядерну топку в стані стійкої рівноваги, і взагалі джерелом всього того, що забезпечує стабільну роботу термоядерного приладу. Ясно, що в умовах Землі, створити прилад, маса якого була б співрозмірною є масою Сонця, не можливо. Тому перед вченими стоїть неймовірно важке завдання: створити мініатюрне сонце, в якому функції надпотужного гравітаційного поля виконують інші енергетично–силові фактори. Дана проблема є настільки складною, що до тепер не має задовільного вирішення. Втім, будемо сподіватися, що рано чи пізно проблема керованого термоядерного синтезу буде вирішена, а разом з нею вирішені і практично всі енергетичні проблеми людства.

Контрольні запитання.

1. Чому ми стверджуємо, що енергія атомного ядра менша за загальну енергію тих окремих нуклонів з яких це ядро складається?

2. Що називають енергією зв’язку атомного ядра?

3. Чому при об’єднанні легких атомних ядер у відповідні важкі ядра виділяється енергія?

4. Чому для термоядерних реакцій потрібна надвисока температура?

5. Які термоядерні реакції відбуваються в надрах Сонця?

6. Що відбувається в надрах зірки після того, як інтенсивність водневого циклу термоядерних реакцій починає зменшуватися?

7. Що означає твердження: в процесі термоядерних реакцій, атомні ядра важчі за Fe₂₆ утворюються не з виділенням енергії, а з її поглинанням?

8. Чому всі атоми важчі за плюмбум-208 є радіоактивними?

9. Яка роль гравітаційних сил в здійсненні тих термоядерних реакцій які відбуваються в надрах зірок?

10. Які проблеми потрібно вирішити, щоб в промислових масштабах здійснювати керовані термоядерні реакції?

 

§50. Ядерні реакції поділу. Їх військове та цивільне застосування.

 

Як відомо, ядра урану-238 та урану-235 мають такий великий надлишок енергії, який робить ці ядра енергетично нестійкими, тобто такими які рано чи пізно розпадаються. При цьому можливі два варіанти розпаду. 1) Поступовий природний розпад, в процесі якого уран, випромінюючи α та β частинки розпадається до стабільних ізотопів плюмбуму. Цей поступовий розпад називають природною радіоактивністю. 2) Штучно спровокований розпад при якому ядро урану, в процесі взаємодії з стороннім нейтроном розпадається на дві приблизно рівні частини. Такий розпад називають ядерними реакціями поділу. Про етапи природного радіоактивного розпаду урану, ми говорили в одному з попередніх параграфів. Тому наразі мова піде про ядерні реакції поділу.

Ядерними реакціями поділу називають такі ядерні реакції при яких надмасивні атомні ядра в процесі взаємодії з сторонніми нейтронами, діляться на дві приблизно рівні частини та декілька нових нейтронів (мал.208).

Мал.208 Загальна схема ядерної реакції поділу.

Оскільки нейтрони, частинки незаряджені, то їм не потрібно великих енергій щоб наблизитися до атомного ядра та спричинити реакцію його поділу. Інша справа, що міцність різних атомних ядер є різною і тому лише деякі з них, зокрема ядра урану-235 та урану-238, активно діляться розпадаючись при цьому на дві приблизно однакові частини, які під дією сил електричного відштовхування розлітаються з шаленою швидкістю, спричиняючи тим самим виділення великої кількості теплової енергії.

Характерною та з практичної точки зору надважливою особливістю ядерних реакцій поділу є факт того, що в процесі цих реакцій виділяються два або три (в середньому 2,5) нових нейтрона, які можуть зініціювати нові цикли реакцій поділу. А це означає, що ядерні реакції поділу можуть набувати ланцюгового характеру. Ланцюговими ядерними реакціями називають такі само відновлювальні ядерні реакції поділу, продукти яких спричиняють нові цикли аналогічних реакцій.

Однією з основних характеристик ланцюгової ядерної реакції є коефіцієнт розмноження нейтронів. Коефіцієнт розмноження нейтронів – це величина, яка є певною характеристикою ланцюгової реакції поділу і яка дорівнює відношенню числа результативно прореагувавших нейтронів на даному етапі ланцюгової реакції (N_i) до їх числа на попередньому етапі цієї реакції (N_i–1):  k = N_i/N_i–1.

Мал.209. Оскільки в процесі ядерних реакцій поділу виділяються нові нейтрони, то ці реакції можуть набувати ланцюгового характеру.

Пояснюючи фізичну суть коефіцієнту розмноження нейтронів, та можливі варіанти його значень, можна сказати наступне. Припустимо що на даному етапі реакцій поділу, результативно прореагувало 100 нейтронів. Це означає, що в результаті цих реакцій 100 ядер урану були розбиті, і що при цьому виділилося 250 нових нейтронів. Ясно, якби кожен з цих 250 нейтронів результативно прореагував, то на наступному етапі реакцій виділилось би 2,5·250=625 нових нейтронів і коефіцієнт розмноження нейтронів становив би k=625/250=250/100=2,5. Однак в реальності, далеко не кожний новий нейтрон влучає в надзвичайно маленьке атомне ядро і далеко не кожне з влучань є результативним, тобто таким яке розбиває ядро. Тому в реальності коефіцієнт розмноження нейтронів завжди значно менший за 2,5.  Наприклад якщо із 250 наявних нейтронів результативно прореагують 90, які спричинять появу 2,5·90=225 нових нейтронів, з яких на наступному етапі реакцій результативно прореагує 81 нейтрон, то k=81/90= 90/100=0,9 < 1. Якщо ж на кожному етапі ланцюгових реакцій число результативно прореагувавших нейтронів буде однаковим, наприклад 100, то k=100/100= 100/100=1.

Таким чином можливі три варіанти значень коефіцієнту розмноження нейтронів: k > 1; k < 1; k = 1. І неважко збагнути, що при k > 1 енергетична інтенсивність ланцюгових ядерних реакцій наростає, при k < 1 спадає, а при k = 1 залишається незмінною. Не менш очевидно і те, що ситуація при якій k < 1 не має практичного застосування. Адже не має ні економічного ні енергетичного сенсу організовувати такий процес, результатом якого буде швидке і неминуче припинення цього процесу.

Ситуація при якій k ˃ 1 реалізується в приладі, який називається атомною (ядерною) бомбою. Принцип дії атомної бомби грунтується на тому, що для кожного виду ядерної вибухівки існує так звана критична маса (m_кр), тобто така мінімальна кількість ядерної вибухівки для якої можлива незгасаюча (k ˃ 1) ланцюгова реакція поділу. Умовно кажучи, якщо у вашій валізі знаходиться закритична маса ядерної вибухівки (m ˃ m_кр), то в будь який момент ця валіза може вибухнути. Вибухнути тому, що в навколишньому просторі постійно виникають та зникають різноманітні елементарні частинки, в тому числі і нейтрони. І якщо такий нейтрон потрапить у вашу валізу, то неминуче спровокує енергетично зростаючу (k ˃ 1) ланцюгову ядерну реакцію, яка й призведе до відповідного вибуху. Якщо ж маса ядерної вибухівки менша за критичну (m ˂ m_кр), то будь яка спровокована зовнішнім нейтроном ланцюгова реакція, буде згасаючою (k ˂ 1), а відповідно такою, що не призведе до ядерного вибуху.

Величина критичної маси ядерної вибухівки залежить від багатьох обставин. Зокрема від сорту вибухівки, її густини, геометричної форми, наявності домішок, режиму опромінювання, тощо. Наприклад, для виготовленого у формі кулі урану-235  m_кр=48кг; для урану-233  m_кр=16кг; для плутонію-239  m_кр=10кг. Однак, критичну масу ядерної вибухівки можна суттєво зменшити, якщо цю вибухівку оточити шаром нейтронно відбивної речовини, наприклад берилію.

Загальний устрій (мал.210) та принцип дії атомної бомби досить простий. В міцному герметичному корпусі знаходиться звичайна хімічна вибухівка та не менше двох розділених ядерних зарядів, маса кожного з яких менша за критичну. В потрібний момент, детонатор підпалює хімічну вибухівку, яка швидко з’єднує частини ядерної вибухівки в єдине ціле та інтенсивно опромінює її потоком нейтронів. При цьому, в процесі інтенсивних ланцюгових ядерних реакцій поділу, за мікросекунди виділяється величезна кількість енергії яка і спричиняє відповідний ядерний вибух.

   

Мал.210. Схема загального устрою атомної бомби.

Ви можете запитати: «Якщо атомна бомба має такий простий та загально відомий устрій, то чому ж лише деякі держави володіють секретом її виготовлення?»  А цей секрет полягає в тому, що серед тих матеріалів які зустрічаються в природних умовах Землі, в якості ядерної вибухівки можна використати лише уран-235. А як відомо, вміст цього ізотопа в природньому урані всього 0,7%. Технологія ж відокремлення урану-235 від урану-238 настільки складна та енергозатратна, що може бути реалізованою лише невеликою кількістю економічно та технологічно потужних держав.

Автоматично виникає нове запитання: а чому в якості ядерної вибухівки не можна використати уран-238? Відповідаючи на це запитання можна сказати наступне. Факт того, що період напіврозпаду урану-238 (Т=4,5·10⁹ років) значно більший за період напіврозпаду урану-235 (Т=4,5·10⁹ років), безумовно вказує на те, що атомні ядра урану-238 є енергетично більш стійкими. Ця стійкість виражається в тому, що ці ядра діляться лише при взаємодії з швидкими нейтронами, тобто такими нейтронами які мають достатньо велику кінетичну енергію. Більша ж частина тих нейтронів які виділяються при реакціях поділу є повільними. Крім цього, ймовірність результативної взаємодії швидкого нейтрона з ядром урану-238 є відносно малою. А це означає, що не тільки для урану-238, а й для природного урану (99,3%U-238 + 0,7%U-235) коефіцієнт розмноження нейтронів практично завжди менший за одиницю.

Якщо говорити про уран-235, то його ядра діляться як швидкими так і повільними нейтронами. При цьому, ймовірність поділу ядер урану-235 приблизно в тисячу разів більша за ймовірність поділу ядер урану-238. А це означає що для урану-235 можна організувати процес для якого коефіцієнт розмноження нейтронів може бути суттєво більшим за одиницю (k ˃ 1), і що саме уран-235 може бути ядерною вибухівкою. Втім, в переважній більшості сучасних ядерних бомб, ядерною вибухівкою є не уран-235, а плутоній-239. В надрах землі добути плутоній-239 неможливо, неможливо тому, що в природних умовах Землі його просто не існує. Але те, чого нема в надрах землі можна створити штучно. Технологія такого створення базується на факті того, що ядра урану-238 при поглинанні повільних нейтронів перетворюються на ядра урану-239. А ті в свою чергу, послідовно випромінюючи дві β-частинки, перетворюються на ядра плутонію-239:

.

Плутоній-239 є відносно стабільним (Т=24360 років) трансурановим елементом, який подібно до урану-235 діллиться як швидкими так і повільними нейтронами. При цьому, продуктами його поділу в середньому є 2,92 нові нейтрони, які з дуже великою ймовірністю результативно взаємодіють з іншими ядрами плутонію та ділять їх. По суті це означає, що плутоній-239 є суттєво кращою ядерною вибухівкою аніж уран-235. Тому практично всі сучасні ядерні бомби є плутонієвими.

В промислових масштабах, плутоній-239 відносно легко добувають з тих відходів які отримують в процесі роботи ядерних реакторів. Зважаючи на ці обставини, цивілізовані, демократичні суспільства з обгрунтованою пильністю відносяться і мають відноситись до розповсюдження ядерних технологій, в тому числі і тих, які прийнято називати «мирним атомом». Адже ядерні відходи цілком мирних атомних електростанцій, відносно легко перетворюються на ядерні та термоядерні бомби. Тому коли ви чуєте як деякі «доброзичливці», проливаючи крокодилячі сльози відстоюють право неадекватних режимів на мирний атом, то не забувайте і про те, що цей мирний атом легко стає немирним.

По суті атомна бомба є тим приладом в якому енергія неконтрольованих ядерних реакцій поділу, перетворюється на енергію вибуху та так званих вражаючих факторів (ударна хвиля, світлове випромінювання проникаюча радіація). Якщо ж говорити про контрольовані ядерні реакції поділу, тобто ті реакції при яких коефіцієнт розмноження нейтронів дорівнює одиниці (k=1), то вони застосовуються в ядерних реакторах. Ядерний реактор, це прилад, в якому енергія контрольованих ланцюгових ядерних реакцій поділу, дозовано претворюється в теплову енергію, яка за необхідності перетворюється в механічну роботу та енергію електричного струму.

Ядерний реактор (мал.211) прерставляє собою міцний залізобетонний або сталевий корпус, внутрішня поверхня якого покрита шаром нейтронно відбивного матеріалу. Всередині реактора знаходяться так звані твели (тепловиділяючі елементи), які представляють собою товстостінні труби або суцільні стержні виготовлені зі збагаченого урану (урану, в якому частка ізотопу уран-235 становить не 0,7% , а близько 5%). Внутрішній простір ядерного реактора заповнено рідиною, яка зазвичай виконує функції як теплоносія так і сповільнювача нейтронів. Крім цього, до числа основних елементів ядерного реактора відносяться рухомі стержні які виготовлені з нейтронно поглинаючого матеріалу (графіт, кадмій, бор, гафній).

Мал.211. Схема загального устрою ядерного реактора.

Принцип дії даної системи полягає в наступному. Запускаючи ядерний реактор, нейтронно поглинаючі стержні піднімають на максимальну висоту та опромінюють твели сторонніми нейтронами, які й ініціюють ланцюгові ядерні реакції поділу. В процесі цих реакцій виділяються як швидкі так і повільні нейтрони. При цьому повільні нейтрони з великою ймовірністю результативно взаємодіють як з ядрами урану-235 (ділять ці ядра з виділенням нових нейтронів) так і з ядрами урану-238 (поглинаються цими ядрами та спричиняють їх перетворення в ядра плутонію-239). Ймовірність же результативної ядерної взаємодії швидких нейтронів є відносно малою. Тому переважна більшість швидких нейтронів вилітає за межі твелу та потрапляє в нейтронно гальмуюче середовище. Цим середовищем може бути як сам теплоносій, так і окремий матеріал (зокрема графіт). Втрачаючи енергію, швидкі нейтрони стають повільними. Більша частина цих вже повільних нейтронів знову потрапляють в навколишні твели та спричиняють нові результативні взаємодії з ядрами урану-235, урану-238 та плутонію-239. Певна ж частина тих нейтронів які знаходяться в міжтвеловому просторі потрапляє в нейтронно поглинаючі стержні та безповоротно виключається з кругообігу ядерних реакцій. А це означає, що піднімаючи або опускаючи нейтронно поглинаючі стержні, можна регулювати кількість наявних в реакторі нейтронів. Регулювати так, щоб коефіцієнт розмноження нейтронів дорівнював одиниці (k=1).

Таким чином, в ядерному реакторі відбуваються наступні базові процеси:  1) енергогенеруючі реакції поділу ядер урану-235 та плутонію-239; 2) реакції перетворення ядер урану-238 в ядра плутонію-239;  3) ефективне регулювання інтенсивності ядерних реакцій.

Та енергія яка виділяється в процесі ядерних реакцій поділу (80% цієї енергії складає кінетична енергія ядер-осколків, 20% – енергія нейтронів та електромагнітного випромінювання), призводить до того, що твели реактора нагріваються до 500 – 600ºС. Нагріті твели в свою чергу нагрівають навколишній теплоносій. При цьому, постійно циркулюючий теплоносій, з одного боку забезпечує охолодження твелів, а з іншого – передачу генерованої теплової енергії іншим елементам системи: вторинний теплоносій – парова турбіна – електрогенератор.

Потрібно зауважити, що ядерні реакції поділу відносяться до числа найбільш енергоефективних реакцій. Адже при поділі одного ядра атома урану виділяється близько 200МеВ енергії. При цьому 80% цієї енергії є енергією інтенсивного теплового руху масивних осколків ядерної реакції, тобто тією енергією яка є зручною для подальшого перетворення в механічну роботу та енергію електричного струму. В перекладі на мову звичайних хімічних джерел енергії, це означає, що при поділі тих ядер які містяться в 1кг урану можна отримати стільки ж енергії, скільки її виділяється при повному згоранні 250 тон кам’яного вугілля.

Говорячи про атомну енергетику загалом, та ядерні реактори зокрема, важко оминути проблему екологічної та ядерної безпеки. Побутує думка, ніби атомна енергетика є основним джерелом того, що позначають страшним словом «радіація». Така думка абсолютно хибна і безпідставна. Про докази цієї безпідставності ми поговоримо в наступному параграфі. Наразі ж гранично стисло скажемо про ті реальні небезпеки які пов’язані з роботою ядерних реакторів. А ці небезпеки полягають не в міфічній радіаційній шкідливості ядерних реакторів, а в потенційній небезпечності цих приладів. І ця потенційна небезпечність закладена в самому принципі дії ядерного реактора. Адже забезпечуючи нормальну роботу ядерного реактора, ми маємо постійно підтримувати ситуацію при якій коефіцієнт розмноження нейтронів дорівнює одиниці (k=1). А це означає, що ядерний реактор працює в умовах нестійкої рівноваги: якщо k ˂ 1 – реактор гасне, а якщо k ˃ 1 – вибухає.

Звичайно, проектуючи ядерний реактор, вчені роблять все можливе за для того щоб його робота була безпечною. Однак, як засвідчив досвід Чорнобильської АЕС, не все і не завжди можна передбачити. Скажімо один базових принципів організації безпечної роботи ядерного реактора полягає в тому, що за будь якої нештатної ситуації, нейтронно поглинаючі стержні мають автоматично опускатися і робота реактора має припинятися. Але хтось щось не передбачив, хтось щось відімкнув, хтось щось забув, хтось на щось понадіявся, і от результат – ядерна катастрофа. Катастрофа, яка з усією очевидністю засвідчила, що об’єкти атомної енергетики є надзвичайно небезпечними. І потрібно зауважити, що основним джерелом того радіаційного забруднення яке стало результатом аварії на атомній електростанції, є не сам уран, а ті радіоактивні осколки на які він розпадається при ядерних реакціях поділу (йод-131, цезій-137, стронцій-90, тощо).

Таким чином, небезпечність ядерних реакторів не в тому що вони надмірно екологічно чи радіаційно шкідливі. А в тому, що вони потенційно небезпечні об’єкти, в тому числі і екологічно та радіаційно небезпечні. А це означає, що проектуючи, будуючи та експлуатуючи об’єкти атомної енергетики, потрібно дотримуватись найжорстокіших норм технологічної дисципліни та техніки безпеки.

Контрольні запитання.

1. Які можливі варіанти розпаду ядер урану-235 і урану-238?

2. Чому ядерні реакції поділу можуть набувати ланцюгового характеру?

3. Що називають коефіцієнтом розмноження нейтронів. Які можливі варіанти значень цього коефіцієнту?

4. Чому ситуація при якій k < 1 не має практичного застосування?

5. Чому коефіцієнт розмноження нейтронів урану-228 завжди менший за одиницю?

6. Що називають критичною масою ядерної вибухівки? Від чого залежить ця маса?

7. Поясніть загальний устрій та принцип дії атомної бомби.

9. В чому секрет складності атомної бомби?

10. Чому цивілізовані держави протидіють безконтрольному розповсюдженню так званих «мирних» ядерних технологій?

11. Поясніть загальний устрій та принцип дії ядерного реактора.

12. Що представляють собою твели?

 

§51. Радіація: джерела, дози, ризики.

 

Термін радіація (від лат. radiatio – випромінювання, сяйво) має широкий спектр значень: сонячна радіація, ультрафіолетова радіація, інфрачервона радіація, радіохвильова радіація, тощо. Однак в науковій та побутовій практиці, цим терміном позначають так зване іонізуюче випромінювання, тобто те випромінювання що іонізує молекули повітря. А це означає, що частинки іонізуючого випромінювання повинні мати таку кількість енергії якої достатньо для того, вибивати електрони із таких міцних молекул як О₂ і N₂

В загальному випадку до числа іонізуючих випромінювань (радіації) відносять: альфа-випромінювання, бета-випромінювання, гама-випромінювання, рентгенівське випромінювання, жорстке ультрафіолетове випромінювання, нейтронне випромінювання та будь яке інше випромінювання, частинки якого здатні іонізувати молекули повітря, тобто здатні вибивати з цих молекул електрони. При цьому найбільш розповсюдженими видами радіації прийнято вважати альфа-, бета- та гама- випромінювання. Загалом же, класифікаційну структуру іонізуючих випромінювань (радіації) можна представити у вигляді наступної схеми:

.

Однією з основних характеристик іонізуючого випромінювання є його прониклива здатність, тобто та відстань на яку можуть розповсюджуватись частинки даного випромінювання в тому чи іншому середовищі. Ясно, що прониклива здатність іонізуючого випромінювання залежить як від параметрів частинок самого випромінювання (їх маси, заряду, енергії, тощо) так і від властивостей того середовища в якому ці частинки розповсюджуються (його густини, агрегатного стану, атомарного складу, тощо). Зазвичай, прониклива здатність електронейтральних частинок набагато більша ніж частинок заряджених.

Найменшу проникливу здатність мають масивні, позитивно заряджені α-частинки. Для них, тонкий аркуш паперу чи поверхневий шар шкіри є практично непереборною перешкодою. Тому зовнішня альфа-радіація не представляє для людини серйозної загрози. Ця загроза з’являється тоді, коли джерело α-частинок з повітрям, харчами чи через відкриті рани потрапляє всередину організму. Прониклива здатність легких, негативно заряджених β-частинок є значно більшою. Ці частинки можуть проникати в організм людини на глибину до одного сантиметра. Тому для захисту від зовнішньої бета-радіації, потрібно застосовувати спеціальний одяг. Якщо ж говорити про гама-випромінювання та нейтронне випромінювання, то їх прониклива здатність є найбільшою. Ці види випромінювань здатні проникати навіть через стіни будинків. І в цьому сенсі, нейтронне та гама випромінювання є найбільш небезпечними. Що правда в природних умовах, нейтронне випромінювання зустрічається рідко. Натомість гама-випромінювання є найбільш розповсюдженим видом радіації. Адже γ-кванти випромінюються практично при всіх ядерних перетвореннях, в тому числі при альфа-, бета- та нейтронних розпадах.

Мал.212.  Різні види радіації мають різну проникливу здатність.

Радіація не лише іонізує молекули повітря, а й спричиняє певну біологічну дію. Ця дія полягає в тому, що частинки іонізуючого випромінювання хімічно активізують атоми та молекули організму. При цьому в організмі можуть з’являтися нові хімічні сполуки, в тому числі і шкідливі для нього. Крім цього, іонізуюче випромінювання може руйнувати окремі молекули організму та певні елементи його клітин.

Біологічна дія радіації має дві характерні особливості. Перша полягає в тому, що відносно малі кількості поглинутої організмом енергії випромінювання, можуть призвести до серйозних та навіть смертельних біологічних наслідків. Скажімо, якщо ту радіаційну енергію що є смертельною для організму людини перевести у відповідну кількість теплоти, то її вистачить лише на те щоб нагріти цей організм на 0,001ºС. Втім, дана особливість є досить сумнівною. Адже якщо, наприклад, енергію смертельної для людини кулі перевести в теплоту, то неодмінно з’ясується, що механічна енергія не менш смертельна за енергію радіаційну. Бо енергії смертельної для людини кулі вистачить лише на те, щоб нагріти її організм на все тих же 0,001ºС.

Другою особливістю біологічної дії радіації є те, що біологічні наслідки радіаційного опромінення стають відчутними не відразу, а через певний проміжок часу. Величина цього проміжку залежить від багатьох обставин (дози опромінення, режиму опромінювання, індивідуальних особливостей організму, тощо) і може становити від декількох хвилин до десятків років.

Говорячи про біологічну дію радіації, потрібно особливо підкреслити, що ця дія не є безумовно шкідливою та безумовно небезпечною. Адже всі живі організми завжди перебували, перебувають і будуть перебувати під дією так званого природного радіаційного фону. Тобто тієї постійно діючої радіації, джерелом якої є природні об’єкти та події. При цьому нема жодних вагомих підстав стверджувати, що цей природній радіаційний фон є небезпечним для організму людини та інших живих істот. Звичайно за умови, що інтенсивність цієї природної радіації не є надмірною.

Дослідження показують, що біологічна дія різних видів радіації є суттєво різною. Скажімо,  біологічна шкода від альфа-випромінювання приблизно в 20 разів більша за ту шкоду яку спричиняє аналогічна за енергією кількість бета- або гама- випромінювання. Величина, яка показує у скільки разів біологічна дія даного виду радіації більша за біологічну дію аналогічної за енергією кількості гама-випромінювання називається коефіцієнтом відносної біологічної ефективності випромінювання (позначається k). Для основних видів радіації, числові значення цього коефіцієнту є наступними:

– гама-випромінювання                  k = 1;

– рентгенівське випромінювання   k = 1;

– бета-випромінювання                   k = 1:

– нейтронне випромінювання         k = 10;

– альфа випромінювання                 k = 20.

Потрібно зауважити, що вище наведені значення коефіцієнтів біологічної ефективності випромінювання є певними усередненими величинами. І це закономірно. Адже в межах одного й того ж виду радіації, енергетичні параметри різних частинок можуть бути суттєво різними. Наприклад, максимальна енергія тих β-частинок які вилітають з атомів плюмбум-214 та вісмут-214 відповідно дорівнюють 0,65МеВ та 7,68МеВ. І не важко збагнути, що біологічна дія β-частинок різних енергій може бути суттєво різною. Крім цього, не слід забувати і про те, що біологічні наслідки радіаційного впливу, суттєво залежать від індивідуальних особливостей кожного конкретного організму.

Оцінюючи біологічну дію радіації, зазвичай орієнтуються на такі величини як поглинута та еквівалентна дози випромінювання. Поглинутою дозою випромінювання називають ту кількість енергії іонізуючого випромінювання що поглинається одиницею маси даного тіла.

Позначається: D

Визначальне рівняння: D = E/m, де Е – загальна кількість поглинутої тілом енергії іонізуючого випромінювання; m – маса тіла,

Одиниця вимірювання: [D] = Дж/кг = Гр,  грей.

Еквівалентною дозою випромінювання (опромінення) називають ту величину яка дорівнює добутку поглинутої дози випромінювання на коефіцієнт біологічної ефективності цього випромінювання.

Позначається: D_e

Визначальне рівняння: D_e = kD

Одиниця вимірювання: [D_e] = Дж/кг = Зв,    зіверт.

Прийнято вважати, що смертельно небезпечною для людини є еквівалентна доза випромінювання 5 Зв/рік.

Застарілою, позасистемною одиницею вимірювання еквівалентної дози випромінювання (опромінення) є бер – біологічний еквівалент рентгена. В побутовій практиці, цю одиницю (бер) часто називають просто «рентген». 1бер = 0,01Зв.

Загалом же, існує велике різноманіття величин які так чи інакше характеризують енергетичні параметри радіації: експозиційна доза, ефективна еквівалентна доза, колективна еквівалентна доза, повна еквівалентна доза, потужність поглинутої дози, потужність експозиційної дози, тощо. Ми не будемо визначати кожну з цих величин. Просто зауважимо, що такі величини існують і що за певних обставин ви можете з ними зустрітись.

Побутує думка, що найбільшу дозу радіації людина отримує від тих джерел які так чи інакше пов’язані з атомною енергетикою. За деякими винятками, ця думка не має нічого спільного з дійсністю. Її хибність з усією очевидністю спростовують факти об’єктивних досліджень. А ці факти є наступними. За даними постійно діючої при ООН наукової комісії по дії атомної радіації, основними джерелами тієї річної дози радіаційного опромінення яку отримує середньо статистичний житель Землі, є:

1. Та радіація яку отримує середньо статистичний землянин від природнього радіаційного фону, тобто від природних, постійно діючих джерел (розпад існуючих на Землі радіоактивних ізотопів, сонячна радіація, космічна радіація, тощо). В загальному радіаційному балансі, частка цієї дози опромінення становить 82,6% або  2 мЗв/рік.

2. Та радіація яку отримує середньо статистичний житель Землі від всього комплексом тих джерел які пов’язані з атомною енергетикою (видобуток урану, його збагачення виготовлення твелів, експлуатація ядерних реакторів, переробка та зберігання ядерних відходів, проведення випробувань ядерної та термоядерної зброї, тощо). Сумарна доля цих джерел в загальному радіаційному балансі становить 0,04% або 0,001 мЗв/рік.

3. Та радіація яку отримує середньо статистичний житель Землі від всієї сукупності техногенних джерел не пов’язаних з атомною енергетикою (шкідливі відходи різноманітних виробництв, той дим який викидають в атмосферу наші заводи, автомобілі, тощо). Сумарна доля цих джерел становить 0,8% або  0,02 мЗв/рік.

4. Та радіація яку отримує середньо статистичний житель Землі від всієї сукупності медичних джерел (рентгенівська, флюорографічна та радіоізотопна діагностика, променева терапія, радіохірургія, тощо). В загальному балансі радіаційного навантаження, доля медичних джерел становить 16,5%  або 0,4 мЗв/рік.

*⁾ Дані факти наведені в книзі “Радіація: дози, ефекти, ризики“, яка представляє собою узагальнення тих фактів, що були зібрані Науковим комітетом по дії атомної радіації при ООН, за 30 років його діяльності. (Москва. Видавництво “Мир”, 1990).

    

Мал.213. Оцінюючи ті ризики які пов’язані з атомною енергетикою, потрібно послуговуватись фактами, а не домислами.

Таким чином, об’єктивні дослідження показують, що найбільшим джерелом тієї радіації яку отримує середньо статистичний житель Землі, є той природний радіаційний фон в якому ми завжди жили, живемо і будемо жити. При цьому половину цієї природної радіації ми отримуємо від атомів хімічно інертного радону (Rn₈₆) та продуктів його радіоактивного розпаду. Радон є складовою частиною повітря і тому потрапляє в наш організм разом з тим повітрям яке ми вдихаємо. А оскільки радон та його дочірні атоми альфа-радіоактивні, то і та біологічна шкода яку спричиняє ця внутрішня альфа-радіація може бути великою. (Нагадаємо, для альфа-випромінювання k=20).

Як це не парадоксально, а фактом залишається те що найпотужнішим джерелом тієї радіації якої ми так панічно боїмося є не атомна енергетика, а наша медицина. Адже середньорічна доза тієї радіації яку отримує середньостатистичний землянин від медичних джерел в 400 разів більша за ту дозу яку він отримує від всієї сукупності джерел пов’язаних з атомною енергетикою. І тим не менше, ми схильні вважати що саме атомна енергетика є основним джерелом радіації.

Звичайно, вище наведені середньостатистичні дані не відображають нюансів кожної окремо взятої ситуації. Скажімо та доза яку отримує конкретна людина від медичних джерел, може вимірюватись як практично нульовою величиною (для тих хто жодного разу не стикався з сучасною медициною) так і тисячами середньорічних доз (для тих хто в процесі лікування раку отримував променеву терапію). Тим не менше, вище наведені узагальнюючі факти, з усією очевидністю вказують на те, що наші фобії відносно екологічної та радіаційної шкідливості атомної енергетики, м’яко кажучи, перебільшені. Об’єктивні факти безумовно доводять, що екологічна шкода від штатно працюючої атомної електростанції в сотні, а то й в тисячі разів менша за ту, яку створюють ті автомобілі що їздять дорогами наших міст.

Інша справа – потенційна небезпечність ядерної енергетики. І в цьому сенсі атомна електростанція, а точніше – її ядерні реактори, дійсно є потенційно небезпечними об’єктами. Втім, про суть цієї небезпеки ми говорили в попередньому параграфі.

Існує велике різноманіття приладів за допомогою яких реєструють і досліджують іонізуючі випромінювання. При цьому найвідомішим та найпоширенішим з них є так званий лічильник Гейгера. Лічильник Гейгера (лічильник Гейгера-Мюллера) – це прилад, призначений для реєстрації частинок іонізуючого випромінювання (зазвичай гамма та бета випромінювання), принцип дії якого базується на здатності цього випромінювання іонізувати молекули газу (мал214). Основним елементом лічильника Гейгера є іонізаційна камера, яка представляє собою герметичну трубку в якій знаходяться два електроди: внутрішня струмопровідна поверхня трубки – катод, та металева дротина – анод. Ці електроди перебувають під необхідно високою напругою та включені в коло електронного лічильного механізму. Принцип дії цієї системи полягає в наступному. При потраплянні частинки іонізуючого випромінювання всередину лічильника, ця частинка іонізує молекули наявного в лічильнику газу (зазвичай інертного). При цьому, в результаті ударної іонізації газу, між електродами проскакує іскровий імпульс, який і фіксується лічильним механізмом.

 

Мал.214. Схема загального устрою лічильника Гейгера.

Контрольні запитання.

1. Що називають радіацією (іонізуючим випромінюванням)?

2. Які види радіації ви знаєте?

3. Які джерела радіації вам відомі?

4. Що називають природним радіаційним фоном?

5. Яке місце в спектрі природних джерел радіації займає радон? В чому небезпечність його радіоактивності?

6. Що характеризує коефіцієнт біологічної ефективності випромінювання?

7. Що характеризує поглинута доза випромінювання?

8. Чим еквівалентна доза випромінювання відрізняється від поглинутої дози?

9. У скільки разів та радіація яку отримує середньо статистичний житель Землі від джерел атомної енергетики менша ніж від а) природного радіаційного фону; б) медицини?

10. В чому реальна і надумана небезпека атомної енергетики?

11. Поясніть загальний устрій та принцип дії лічильника Гейгера.