Министерство общего и профессионального образования Свердловской области
Управление образование Орджоникидзевского района г. Екатеринбурга
Муниципальное образовательное учреждение №100
Направление: Научно-техническое
Предмет: Физика
Исследовательский проект
Радиационное излучение и его проявление в Сверловской областии городе Екатеринбурге.
Исполнитель:Неуймин Коля
ученик 11класса
КарпухинаОля
МалиновскийАндрей
ХуриленкоОля
ученики10 класса
Руководитель:Шихова Л.В.
учитель Iкатегории
Екатеринбург 2005
Содержание
Введение. 3
Глава I. 5
I.1. История открытия радиации. 5
I.2. Радиоактивное излучение и его виды… 6
I.3. Законрадиоактивного распада. Правила смещения. 8
I.3.1. Закономерности α-распада. 10
I.3.2. β-Распад. Нейтрино. 12
I.4. Гамма-излучение и егосвойства… 15
I.5. Цепная реакция деления. 18
I.6. Ядерные реакторы… 20
I.7. Термоядерные реакции… 24
I.8. Биологическое действие излучения. 31
I.9. Действие ядерных излучений наструктуру вещества. 34
I.10. Естественная радиоактивностьв природном цикле существования Земли. 43
I.10.1. Естественные источники радиации. 44
I.10.2. ДРУГИЕ ИСТОЧНИКИ РАДИАЦИИ. 46
Глава II. 47
II. Анализ радиационногозагрязнения на территории Свердл. Обл. 47
Глава 3. 57
Влияние радиоактивного загрязнения здоровье населения и егопоследствия. 57
Практическая часть… 61
Приложение… 67
Заключение… 74
Список литературы… 75
Введение.
Физика – это наука остроении и свойствах материи, о формах её движения и изменения, об общихзакономерностях явлений природы. Эта наука изменила всю нашу жизнь. Онавнедрила новые технологии, которые помогают прогрессу.
Академия наук вСтокгольме 10 декабря 1903 года публично объявила о присуждении Нобелевскойпремии по физике супругам Кюри за открытие в области радиоактивности.
Никто из Кюри неприсутствовал на заседании. Отих имени французский посол принял из руккороля диплом и золотые медали. Открытие свое они совершили в сарае с протекающейкрышей. В те дни газеты писали: "… За Пантеоном, на узкой и безлюднойулице, какие изображаются на офортах, иллюстрирующих старинные имелодраматические романы, улице Ломон, среди темных потрескавшихся домов, ушаткого тротуара стоит жалкий дощатый сарай — это Городской институт физики ихимии. Земляной бугристый пол, покрашенные известкой стены, крыша из дранки,слабый свет, проникающий сквозь запыленные окна. Вот это и есть место открытиярадиоактивности". Теперь, спустя столько времени, нам, живущим на порогеXXI века (одной ногой мы уже перешагнули его), трудно представить свою жизньбез открытия супругов Кюри. Они, после получения блестящих результатов, хорошоизучив свое новорожденное дитя, честно и открыто предупредили человечество озле, которое может порождать их открытие.
Сразу скажем, чточеловечество не слушает ученых мужей. Пример тому атомная бомба и чернобыльскаяавария. Ученые редко что-то изобретают во вред человечеству. У них всегдаблагие намерения. Но политики для достижения своих личных целей. Поэтому ярешил изучить радиационную обстановку на Среднем Урале и непосредственно натерритории Орджоникидзевского района. Тема радиоактивного загрязнения сейчасочень актуальна. Свои исследования я изложил в данном реферате.
Цель исследования: проанализировать радиоактивнуюобстановку.
Предмет исследования: радиоактивное излучение.
Исходя из поставленнойвыше цели при создании данного реферата я поставил следующие задачи:
1. Изучить ипроанализировать литературу по данной теме.
2. Изучить принципдействия радиационных приборов.
3. Проанализироватьрадиационную обстановку в области и в городе.
4. Сделатьсравнительный анализ радиационной обстановки разных районах городаЕкатеринбурга.
Для решения поставленных задач былииспользованы следующие методы исследования:
1. Изучениеправительственных документов по вопросам радиационной обстановки.
2. Изучение и анализлитературы по физике, относящеюся к к объекту предмету исследования.
3. Физическийэксперимент.
Глава I.I.1. Историяоткрытия радиации.
РАДИОАКТИВНОСТЬ — самопроизвольноепревращение атомов одного элемента в атомы других элементов, сопровождающеесяиспусканием частиц и жесткого электромагнитного излучения.
Весной 1896 французский физик А. Беккерель сделал ряд сообщений обобнаружении им нового вида излучения (впоследствии названном радиоактивным),которое испускается солями урана. Подобно открытым за несколько месяцев доэтого рентгеновским лучам, оно обладало проникающей способностью, засвечивалоэкранированную черной бумагой фотопластинку и ионизировало окружающий воздух.Гипотеза, которая привела к открытию радиоактивности, возникла у Беккереля подвлиянием исследований Рентгена. Поскольку при генерации Х-лучей наблюдаласьфосфоресценция стеклянных стенок рентгеновской трубки, Беккерель предположил,что любое фосфоресцентное свечение сопровождается испусканием рентгеновскогоизлучения. Для проверки этого предположения он поместил различныефосфоресцирующие вещества на завернутые в черную бумагу фотопластинки и получилнеожиданный результат: засвеченной оказалась единственная пластинка, с которойсоприкасался кристалл соли урана. Многочисленные контрольные опыты показали,что причиной засветки явилась не фосфоресценция, а именно уран, в каком быхимическом соединении он ни находился. Свойство радиоактивного излучениявызывать ионизацию воздуха позволило наряду с фотографическим методомрегистрации применять более удобный электрический метод, что значительноускорило процесс исследований.
Пользуясь электрическим методом, Г. Шмидт и М. Кюри в 1898обнаружили радиоактивность элемента тория. В следующем году Дебьерн открылрадиоактивный элемент актиний. Начатый супругами П. и М. Кюри систематическийпоиск новых радиоактивных веществ и изучение свойств их излучения подтвердилидогадку Беккереля о том, что радиоактивность урановых соединенийпропорциональна числу содержащихся в них атомов урана. Среди обследованныхминералов эту закономерность нарушала лишь урановая смоляная руда (уранинит),которая оказалась в четыре раза активнее, чем соответствующее количествочистого урана. Кюри сделали вывод о том, что в уранините должен содержатьсянеизвестный высокоактивный элемент. Проведя тщательное химическое разделениеуранинита на составляющие компоненты, они открыли радий, по химическимсвойствам сходный с барием, и полоний, который выделялся вместе с висмутом.
В дальнейших исследованиях радиоактивности ведущая рольпринадлежала Э. Резерфорду. Сосредоточив внимание на изучении этого явления, онустановил природу радиоактивных превращений и сопутствующего им излучения.I.2.Радиоактивное излучение и его виды
Французский физик А. Беккерель (1852-1908) в 1896 г. приизучении люминесценции солей урана случайно обнаружил самопроизвольноеиспускание ими излучения неизвестной природы, которое действовало нафотопластинку, ионизировало воздух, проникало сквозь тонкие металлическиепластинки, вызывало люминесценцию ряда веществ. Продолжая исследование этогоявления, супруги Кюри — Мария (1867 — 1934) и Пьер — обнаружили, чтобеккерелевское излучение свойственно не только урану, но и многим другимтяжелым элементам, таким, как торий и актиний. Они показали также, что урановаясмоляная обманка (руда, из которой добывается металлический уран) испускаетизлучение интенсивностью, во много раз превышающей интенсивность излученияурана. Таким образом, удалось выделить два новых элемента — носителябекксрелевского излучения: полоний (210/84Ро) и радий (226/88Ra).
Обнаруженное излучение было названо радиоактивным излучением,а само явление—испускание радиоактивного излучения — радиоактивностью.
Дальнейшие опыты показали, что на характер радиоактивногоизлучения препарата не оказывают влияния вид химического соединения, агрегатноесостояние, механическое давление, температура, электрические и магнитные поля,т. е. все те воздействия, которые могли бы привести к изменению состоянияэлектронной оболочки атома. Следовательно, радиоактивные свойства элементаобусловлены лишь структурой его ядра.
В настоящее время под радиоактивностью понимают способностьнекоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра сиспусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Радиоактивностьподразделяется па естественную (наблюдается у неустойчивых изотопов,существующих в природе) и искусственную (наблюдается у изотопов, полученныхпосредством ядерных реакций). Принципиального различия между этими двумя типамирадиоактивности нет, так как законы радиоактивного превращения в обоих случаяходинаковы.
Радиоактивное излучение имеет сложный состав. В магнитномполе узкий пучок радиоактивного излучения расщепляется на три компонента:
1) слабо отклоняемый пучок положительных частиц(α-излучение);
2) сильно отклоняемый пучок отрицательных частиц(β-излучение);
3) не-отклоняемый пучок (γ-излучение). Подробноеисследование этих компонентов позволило выяснить их природу и основныесвойства.
α-Частицы отклоняются электрическим и магнитным нолями,обладают высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью I(например, поглощаются слоем алюминия толщиной примерно 0,05 мм), Излучениепредставляет собой поток ядер гелия; заряд α-частицы равен +2е, а массасовпадает с массой ядра изотопа гелия 4/2Не. По отклонению α-частиц в электрическоми магнитном полях был определен их удельный заряд />, значение которого подтвердило правильностьпредставлений об их природе.
β-Частицы отклоняются электрическим и магнитным полями;их ионизирующая способность значительно меньше (примерно на два порядка), апроникающая способность гораздо больше (поглощаются слоем алюминия толщинойпримерно 2 мм), чем у α-частиц. β-Излучение представляет собой нотокбыстрых электронов, вытекает из определенияихудельного заряда).
γ-Излучсние не отклоняется электрическим и магнитнымнолями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большойпроникающей способностью (например, проходит через слой свинца толщиной 5 см),при прохождении через кристаллы обнаруживает дифракцию. γ-Излучениепредставляет собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайномалой длиной волны /> м и вследствиеэтого — ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. является потокомчастиц — -γ-квантов (фотонов).
I.3. Закон радиоактивного распада. Правила смещения.
I Подрадиоактивным распадом, или просто распадом, понимают естественноерадиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно. Атомное ядро,испытывающее радиоактивный распад, называется материнским, возникающее ядро —дочерним.
Теория радиоактивного распада строится на предположении отом, что радиоактивный распад является спонтанным процессом, подчиняющимсязаконам статистики. Ввиду самопроизвольное и радиоактивного распада можносчитать, что число ядер d/V, распавшихся в среднем за интервалвремени от t до t + dt, пропорционально промежутку времени dt и числу Nнераспавшихся ядер к моменту времени t:
dN= -λNdt, (1)
где λ — постоянная для данного радиоактивного веществавеличина, называемая постоянной радиоактивного распада; знак минус указывает,что общее число радиоактивных ядер в процессе распада уменьшается,
Разделив переменные и интегрируя:
/> /> />
получим
/>
где />— начальное числоне распавшихся ядер (в момент времени t = 0), N — число нераспавшихся ядер в момент времени t. Формула выражает законрадиоактивного распада, согласно которому число не распавшихся ядер убывает современем по экспоненте.
Интенсивность процессарадиоактивного распадахарактеризуют две величины: период полураспада /> исреднее время жизни tрадиоактивного ядра. Период полураспада /> —промежуток времени, за который в среднем число не распавшихся ядер уменьшаетсявдвое. Тогда
/>
/>.
Периоды полураспада для естественно-радиоактивных 'элементовколеблются от десятимиллионных долей секунды до многих миллиардов лет.
Суммарная продолжительностьжизниdN ядер равна t│dN│= λNtdt.
. Таким образом, среднее время жизни τ радиоактивногоядра есть величина, обратная постоянной радиоактивного распада λ.
Активностью А нуклида (общее название атомных ядер,отличающихся числом протонов Zи нейтронов N) в радиоактивном источнике называетсявеличина, равная отношению числа ∆N распавшихся ядер ко времени ∆t, за которое произошел распад:
/> следовтельно
А = - λN
Единица активности в СИ — беккерель (Бк):/1 Бк — активностьнуклида, при которой, за 1 с. происходит один акт распада, до сих пор в ядернойфизике применяется и внесистемная единица активности нуклида в радиоактивномисточнике кюри (Ки): 1 Ки=3,7.1010 Бк.
Радиоактивный распад происходит в соответствии с такназываемыми правилами смещения, позволяющими установить, какое ядро возникает врезультате распада данного материнского ядра. Правила смещения:
для α-распада
/>
для β-распада
/>
где/>— материнскоеядро, Y — символ. дочернего ядра, />— ядро гелия(α-частица), /> —символическоеобозначение электрона (заряд его равен -1, а массовое число — нулю). Правиласмещения являются не чем иным, как следствием двух законов, выполняющихся прирадиоактивных распадах, — сохранения электрическою заряда и сохранениямассового числа: сумма зарядов (массовых чисел), возникающих ядер и частицравна заряду (массовому числу) исходного ядра.
Возникающие в результате радиоактивного распада ядра могутбыть, в свою очередь, радиоактивными. Это приводит к возникновению цепочки, илиряда, радиоактивных превращений, заканчивающихся стабильным элементом.Совокупность элементов, образующих такую цепочку, называется радиоактивнымсемейством.
В настоящее время известно, что естественно-радиоактивныеядра образуют три радиоактивных семейства, называемых по наиболее долгоживущему(с небольшим периодом полураспада) «родоначальнику» семейства: семейство урана(от 238/92 U), семейство тория (от 232/90 Th) и семейство актиния (от 235/89 Ac). Все семействазаканчиваются стабильными ядрами свинца; семейство урана заканчивается 206/82РЬ, семейство тория — 208/82 РЬ, семейство актиния — 207/82 Pb.
I.3.1. Закономерностиα-распада
В настоящее время известно более двухсот α-активныхядер, главным образом тяжелых (А > 200, Z > 82). Только небольшая группа активных ядер приходитсяна области с А=140÷160 (редкие земли). α-Распад подчиняется правилусмещения (4). Примером α-распада служит распад изотопа урана 238Uс образованием Th:
238/92 U→234/90Th+4/2 He.
Скорости вылетающих при распаде α-частиц очень велики иколеблются для разных ядер в пределах от 1,4-107 до 2-107м/с, что соответствует энергиям от 4 до 8,8 МэВ. Согласно современным представлениям,α-частицы образуются в момент радиоактивного распада при встречедвижущихся внутри ядра двух протонов и двух нейтронов,
α-Частицы, испускаемые конкретным ядром, обладают, какправило, определенной энергией. Более тонкие измерения, однако, показали, чтоэнергетический спектр α-частиц, испускаемых данным радиоактивнымэлементом, обнаруживает «тонкую структуру», т. е. испускается несколько группα-частиц, причем в пределах каждой группы их энергии практическипостоянны. Дискретный спектрчастиц свидетельствует о том, что атомныеядра обладают дискретными энергетическими уровнями.
Для α-распада характерна сильная зависимость междупериодом полураспада Ti/з и энергией £ вылетающих частиц. Эта взаимосвязьопределяется эмпирическим законом Гейгера — Нэттола (1912)*, который обычновыражают в виде связи между пробегом Rα (расстоянием, проходимым частицей ввеществе до ее полной остановки) α-частиц в воздухе и постояннойрадиоактивного распада λ:
ln λ =A+В lnRα, (1.1)
где А и В — эмпирические константы, λ = ln 2/T ½. Согласно (1.1), чем меньше период полураспадарадиоактивного элемента, тем больше пpo6eг, а следовательно, и энергияиспускаемых им α-частиц. Пробег α-частиц в воздухе (при нормальныхусловиях) составляет несколько сантиметров, в более плотных средах он гораздоменьше, составляя сотые доли миллиметра (α-частицы можно задержать обычнымлистом бумаги).
Опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц на ядрах уранапоказали, что α-частицы вплоть до энергии 8,8 МэВ испытывают на ядрахрезерфордовское рассеяние, т. е. силы, действующие на α-частицы со стороныядер, описываются законом Кулона. Подобный характер рассеяния α-частицуказывает на то, что они еще не вступают вобласть действия ядерных сил,т, е. можно сделать вывод, что ядро окружено потенциальным барьером, высотакоторого не меньше 8,8 МэВ. С другой стороны, α-частицы, испускаемыеураном, имеют энергию 4,2 МэВ. Следовательно, α-частицы вылетают иза-радиоактивного ядра с энергией, заметно меньшей высоты потенциальною барьера.Классическая механика этот результат объяснить не могла.
Объяснение α-распада дано квантовой механикой, согласнокоторой вылет α-частицы из ядра возможен благодаря туннельному эффекту—проникновению α-частицы сквозь потенциальный барьер. Всегда имеетсяотличная от нуля вероятность того, что частица с энергией, меньшей высотыпотенциального барьера, пройдет сквозь него, т. е. действительно, изα-радиоактивного ядра α-частицы могут вылетать с энергией, меньшейвысоты потенциального барьера- Этот эффект целиком обусловлен волновой природойα-частиц.
Вероятность прохождения α-частицы сквозь потенциальныйбарьер определяется его формой и вычисляется на основе уравнения Шредингера. Впростейшем случае потенциального барьера с прямоугольными вертикальнымистенками коэффициент прозрачности, определяющий вероятность прохождения сквозьнего, определяется рассмотренной ранее. Анализируя это выражение, видим, чтокоэффициент прозрачности Dтем больше (следовательно, тем меньше период полураспада), чем меньший повысоте {V) и ширине (0 барьер находится на пути α-частицы. Крометого, при одной и той же потенциальной кривой барьер на пути частицы темменьше, чем больше ее энергия Е. Таким образом качественноподтверждается закон Гейгера — Нэттола .
I.3.2. β-Распад. Нейтрино
Явление β-распада подчиняется правилу смещения
/>
и связано с выбросом электрона. Пришлось преодолеть целый рядтрудностей, связанных с трактовкой β -распада.
Во-первых, необходимо было обосновать происхождениеэлектронов, выбрасываемых в процессе β -распада. Протонно-нейтронноестроение ядра исключает возможность вылета электрона из ядра, поскольку в ядреэлектронов нет. Предположение же, что электроны вылетают не из ядра, а изэлектронной оболочки, несостоятельно, поскольку тогда должно было бынаблюдаться оптическое или рентгеновское излучение,что не подтверждаютэксперименты.
Во-вторых, необходимо было объяснить непрерывностьэнергетического спектра испускаемых электронов (типичная для всех изотоповкривая распределения β -частиц по энергиям приведена на рис. 1). Каким жеобразом β-активные ядра, обладающие до и после распада вполнеопределенными энергиями, могут выбрасывать электроны со значениями энергии отнуля до некоторого максимального Emax –т.е. энергетический спектр испускаемых электронов является непрерывным?Гипотеза о том, что при β-распаде электроны покидают ядро со строгоопределенными энергиями, но в результате каких-то вторичныхвзаи-
/>
Рис.1
модействий теряют ту или иную долю своей энергии, так что ихпервоначальный дискретный спектр превращается в непрерывный, была опровергнутапрямыми калориметрическими опытами. Так как максимальная 'энергия Emax определяется разностью массматеринского и дочернего ядер, то распады, при которых энергия электрона ЕEmax, как бы протекают с нарушениемзакона сохранения энергии. Н. Бор даже пытался обосновать это нарушение,высказывая предположение, что чакон сохранения энергии носи! статистическийхарактер и выполняется лишь в среднем для большого числа элементарныхпроцессов. Отсюда видно, насколько принципиально важно было разрешить этозатруднение.
В-третьих, необходимо было разобраться с не сохранением спинапри β-распаде. При β -распаде число нуклонов в ядре не изменяется(так как не изменяется массовое число А), поэтому не должен изменяться и спинядра, который равен целому числу h при четном А и полуцелому h при нечетном А. Однако выбросэлектрона, имеющего спин h/2, долженизменить спин ядра на величину h /2.
Последние два затруднения привели В. Паули к гипотезе (1931)о том, что при β-распаде вместе с электроном испускается еще однанейтральная частица — нейтрино. Нейтрино имеет нулевой заряд, спин h /2ивесьма малую (вероятно нулевую) массу покоя; обозначается 0/0 ν е.Впоследствии оказалось, что при β-распаде испускается не нейтрино, аантинейтрино (античастица по отношению к нейтрино; обозначается 0/0 ν е).
Гипотеза о существовании нейтрино позволила Э. Ферми создатьтеорию β-распада (1934), которая в основном сохранила свое значение и внастоящее время, хотя экспериментально существование нейтрино было доказаноболее чем через 20 лет (1956). Столь длительные «поиски» нейтрино сопряжены сбольшими трудностями, обусловленными отсутствием у нейтрино электрическогозаряда и массы.Нейтрино — единственная частица, не участвующая ни всильных, ни в электромагнитных взаимодействиях; единственный видвзаимодействий, в котором может принимать участие нейтрино,— слабоевзаимодействие. Поэтому прямое наблюдение нейтрино весьма затруднительно.Ионизирующая способность нейтрино столь мала, что один акт ионизации воздуханейтрино приходится на 500 км пути. Проникающая же способность нейтрино стольогромна (пробег нейтрино с энергией 1 МэВ в свинце составляет порядка 1018м!), что затрудняет удержание этих частиц в приборах.
Для экспериментального выявления нейтрино (антинейтрино)применялся, поэтому косвенный метод, основанный на том, что в реакциях (в томчисле и с участием нейтрино) выполняется закон сохранения импульса. Такимобразом, нейтрино было обнаружено при изучении отдачи атомных ядер приβ-распаде. Если при β-распаде ядра вместе с электроном выбрасываетсяи антинейтрино, то векторная сумма трех импульсов — ядра отдачи, электрона иантинейтрино — должна быть равна нулю. Это действительно подтвердилось наопыте. Непосредственное обнаружение нейтрино стало возможным лишь значительнопозднее, после появления мощных реакторов, позволяющих получать интенсивныепотоки нейтрино.
Введение нейтрино(антинейтрино) позволило нетолько объяснить кажущееся не сохранение спина, но и разобраться с вопросомнепрерывности энергетического спектра выбрасываемых электронов. Сплошной спектрβ-частиц обязан распределению энергии между электронами и антинейтрино,причем сумма энергий обеих частиц равна Emax- В одних актах распада большую энергию получаетантинейтрино, в других — электрон; в граничной точке кривой, где энергияэлектрона равна Emax, вся энергияраспада уносится электроном, а энергия антинейтрино равна нулю.
Наконец, рассмотрим вопрос о происхождении электронов приβ-распаде. Поскольку электрон не вылетает из и не вырываетсяизоболочки атома, было сделано предположение, что -электрон рождается врезультате процессов, происходящих внутри ядра. Так как при β-распадечисло нуклонов в ядре не изменяется, a Zувеличивается на единицу (см, (255.5)), то единственной возможностьюодновременного осуществления этих условий является превращение одного из нейтроновядра в протон с одновременным образованием электрона и вылетом антинейтрино:
/>
Этот процесс сопровождается выполнением законов сохраненияэлектрических зарядов, импульса и массовых чисел. Кроме того, данноепревращение энергетически возможно, так как масса покоя нейтрона превышаетмассу атома водорода, т. е. протона и электрона вместе взятых. Данной разностив массах соответствует энергия, равная 0,782 МэВ. За счет этой энергии можетпроисходить самопроизвольное превращение нейтрона в протон; энергияраспределяется между электроном и антинейтрино.
Если превращение нейтрона в протон энергетически выгодно ивообще возможно, то должен наблюдаться радиоактивный распад свободных нейтронов(т. е. нейтронов вне ядра). Обнаружение этого явления было бы подтверждениемизложенной теории β-распада. Действительно, в 1950 г. в потоках нейтроновбольшой интенсивности, возникающих в ядерных реакторах, был обнаружен радиоактивныйраспад свободных нейтронов
I.4. Гамма-излучение и его свойства
Экспериментально установлено, что γ-излучение неявляется самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает α- иβ-распады и также возникает при ядерных реакциях, при торможениизаряженных частица их распаде и т. д. γ-Спектр является линейчатым. Вотличие от оптики, где под спектром понимается распределение энергии излученияпо длинам волн, γ-спектр — это распределение числа γ-квантов поэнергиям. Дискретность γ-спектра имеет принципиальное значение, так какявляется доказательством дискретности энергетических состояний атомных ядер.
В настоящее время твердо установлено, что γ-излучениеиспускается дочерним (а не материнским) ядром. Дочернее ядро в момент своегообразования, оказываясь возбужденным, за время примерно 1013 — 1014с, значительно меньшее времени жизни возбужденного атома, переходит в основноесостояние с испусканием γ-излучения. Возвращаясь в основное состояние,возбужденное ядро может пройти через ряд промежуточных состояний, поэтомуγ-излучепие одного и того же радиоактивного изотопа может содержатьнесколько групп γ-квантов, отличающихся одна от другой своей энергией.
При γ-излучении А и Z ядра не изменяются,поэтому оно не описывается никакими правилами смещения. γ-Излучениебольшинства ядер является столь коротковолновым, чю его волновые свойствапроявляются весьма слабо. Здесь на первый план выступают корпускулярныесвойства, поэтому γ-излучение рассматривают как поток частиц — γ-квантов.При радиоактивных распадах различных ядер γ-кванты имеют энергии от 10кэВдо 5МэВ.
Ядро, находящееся в возбужденном состоянии, может перейти восновное состояние не только при испускании γ-кванта, но и принепосредственной передаче энергии возбуждении (без предварительного испусканияγ-кванта) одному из электронов того же атома. При этом испускается такназываемый электрон конверсии. Само явление называется внутренней конверсией.Внутренняя конверсия — процесс, конкурирующий с γ-излучением.
Электронам конверсии соответствуют дискретные значенияэнергии, зависящей от работы выхода электрона из оболочки, из которой электронвырывается, и от энергии Е, отдаваемой ядром при переходе извозбужденного состояния в основное. Если вся энергия Е выделяется в видеγ-кванта, то частота излучения v определяется из известного соотношения Е = hv. Если же испускаются электроны внутренней конверсии,то их энергии равны E-AL ,…, где AK ,AL ,…, — работавыхода электрона из К- и L-оболочек. Моноэнергетичность электронов конверсиипозволяет отличить их от β-электронов, спектр которых непрерывен.Возникшее в результате вылета электрона вакантное место на внутренней оболочкеатома будет заполняться электронами с вышележащих оболочек. Поэтому внутренняяконверсия всегда сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.
γ-Кванты,обладая нулевой массой покоя, не могут замедляться в среде, поэтому припрохождении γ-излучения сквозь вещество они либо поглощаются, либорассеиваются им. γ-кванты не несут электрического заряда и тем самым неиспытывают влияния кулоновских сил. Поэтому при прохождении сквозь веществоγ-кванты сравнительно редко сталкиваются с электронами и ядрами, но затопри столкновении резко отклоняются от своего первоначального направления. Припрохождении пучка γ-квантов сквозь вещество их энергия не меняется, но врезультате столкновений ослабляется интенсивность, изменение которойописывается законом Бугера.
γ-Кванты,проходя сквозь вещество, могут взаимодействовать как с электронной оболочкойатомов вещества, так и с их ядрами. В квантовой электродинамике доказывается,что основными процессами, происходящими при взаимодействии γ-излучения свеществом, являются фотоэффект, ком и тон-эффект и рождениеэлектронно-позитронных пар.
Фотоэффект или фотоэлектрическое поглощениеγ-излучения,— это процесс, при котором атом поглощает γ-кваит ииспускает электрон. Так как электрон выбивается из одной из внутренних оболочекатома, то освободившееся место заполняется электронами из вышележащих оболочек,и фотоэффект сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.Фотоэффект является преобладающим механизмом поглощения в области малых энергийγ-квантов (Еγ 100 кэВ). Фотоэффект может идти только насвязанных электронах, так как свободный электрон не может поглотитьγ-квант — при этом одновременно не удовлетворяются законы сохраненияэнергии и импульса.
По мере увеличения энергии γ-квантов (Еγ ~0,5 МэВ), когда их энергия превосходит энергию связи электрона в атомах ивзаимодействие γ-кванта приближается по своему характеру к взаимодействиюсо свободными электронами, основным механизмом взаимодействия γ-квантов свеществом является комптоновское рассеяние .
При Еγ> 1,02 МэВ = 2mе2 (mе, — масса покоя электрона) становится возможным процесс образования электронно-позитронныхпар в электрических полях ядер. Вероятность этого процесса пропорциональнаZ2 и увеличивается с ростом Еγ.Поэтому при Еγ ~10 МэВ основным процессом взаимодействия яγ-излучения в любом веществе является образование электронно-позитронныхпар-
Если энергия γ-кванта превышает энергию связи нуклонов вядре (7—8 МэВ), то в результате поглощения γ-кванта может наблюдатьсяядерный фотоэффект — выброс из ядра одного из нуклонов, чаще всего нейтрона.
Большая проникающая способность γ-излучения используетсяв гамма-дефектоскопии — методе дефектоскопии, основанном на различномпоглощении γ-излучения при распространении его на одинаковое расстояние вразных средах. Местоположение и размеры дефектов (раковины, трещины и т. д.)определяются по различию в интенсивностях излучения, прошедшего через разныеучастки просвечиваемого изделия.
Воздействие у-излучения (а также других видов ионизирующегоизлучения) на вещество характеризуют дозой ионизирующего излучения.Различаются:
Поглощенная доза излучения — физическая величина, равнаяотношению анергии излучения к массе облучаемого вещества.
Единица поглощенной дозы излучения — грей (Гр)*: 1Гр = 1Дж/кг — доза излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передаетсяэнергия любого ионизирующего излучения 1 Дж.
Экспозиционная доза излучения — физическая величина, равнаяотношению суммы электрических зарядов всех ионов одного знака, созданныхэлектронами, освобожденными в облученном воздухе (при условии полногоиспользования ионизирующей способности электронов), к массе этого воздуха.
Единица экспозиционной дозы излучения в СИ кулон на килограмм(Кл/кг); внесистемной единицей является рентген (Р): 1 Р=2,58-10-4Кл/кг.
Биологическая доза — величина, определяющая воздействиеизлученияна организм.
Единица биологической дозы — биологический эквивалент рентгена(бэр):
1 бэр- лоза любою вида ионизирующею излучения, производящая такое же биологическоедействие, как и доза рентгеновского или у-излучения в 1 Р (1 бэр= Ю-2Дж/кг).
Мощность дозы излучения — величина, равная отношению дозыизлучения к времени облучения. Различают; 1) мощность ' поглощенной дозы(единица — грей на секунду (Гр/с)); 2) мощность экспозиционной дозы (единица —ампер на килограмм (А/кг)).
I.5. Цепная реакция деления
Для практического применения делениятяжелых ядер важнейшее значение имеет выделение большой энергии при каждом актеделения и появление при этом нескольких (двух, трех) нейтронов. Если каждый изэтих нейтронов, взаимодействуя с соседними ядрами делящегося вещества, в своюочередь вызывает в них реакцию деления, то происходит лавинообразноенарастание числа актов деления. Такая реакция деления называется цепной.Свое название эта реакция получила по аналогии с цепными химическими реакциями,т. е- реакциями, продукты которых могут вновь! вступать в соединения сисходными веществами.
В 1939 г. Я. Б. Зельдович и Ю. Б.Харитон впервые указали на возможность существования цепной ядерной | реакцииделения. Каждый из нейтронов, образовавшихся д при одном акте деления, если онбудет захвачен ядром, вызовет появление новых нейтронов деления, в свою очередьСпособных вызвать реакции деления, и т. д.
Рассмотрим несколько подробнеевозможность осуществления цепной реакции. Предположение о том, что каждый изнейтронов захватывается соседними ядрами, в действительности не реализуется.Часть вторичных нейтронов попадает в ядра атомов тех веществ, которыенепременно присутствуют в той области, где реализуется цепная реакция, но неявляются делящимися, — замедлители нейтронов, теплоносители, уносящие тепло иззоны реакции, и др. Часть нейтронов может просто выйти за пределы активнойзоны - того пространства, где происходит цепная реакция.
Очевидно, что непременным условиемвозникновения цепной реакции является наличие размножающихся нейтронов. Введемпонятие о коэффициенте kразмножения нейтронов. Коэффициентом размножения нейтронов называютотношение числа нейтронов, возникших в некотором звене реакции, к числу такихнейтронов в предшествующем ему звене. Необходимым условием для развития цепнойреакции является требованиеk >1. Величина k определяется,во-первых, значением среднего числа нейтронов, возникших при одном актеделения, во-вторых, вероятностями различных процессов взаимодействия нейтроновс ядрами делящегося вещества и примесей в нем, а также размерами системы.
Роль последнего фактора существеннапотому, что с уменьшением размеров активной зоны увеличивается доля нейтронов,выходящих за ее пределы, и уменьшается возможность дальнейшего развития цепнойреакции. Потери нейтронов пропорциональны площади поверхности, а генерациянейтронов пропорциональна массе и, следовательно, объему делящегося вещества.Например, для делящегося вещества, имеющего сферическую форму (объем V~R, поверхность 5-R2, S/V~1/R), с уменьшением R, т.е.с уменьшением объема и массы делящегосявещества, будет расти доля потерь нейтронов, вылетающих из активной зоны.Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществление цепнойреакции, называются критическими размерами.
Минимальная масса делящихся веществ,находящихся в системе критических размеров, называется критической
массой.
Для уменьшения потерь нейтронов иуменьшения критических параметров делящегося вещества его окружают отражателем- слоем неделящегося вещества, обладающего малым эффективным поперечнымсечением для захвата нейтронов и большим сечением их рассеяния. Отражательвозвращает в активную зону большую часть вылетевших из нее нейтронов. Вкачестве отражателей используются те же вещества, которые применяются для замедлениянейтронов,- графит, тяжелая вода DaO и HDO, соединения бериллия.
Одной из наиболее важныххарактеристик цепной реакции является скорость ее развития, зависящая, помимокоэффициента k размножения нейтронов, от среднего времени τ междудвумя последовательными актами деления. Очевидно, что т определяет среднеевремя жизни одного «поколения» нейтронов, т. е. среднее время от моментаделения до захвата нейтрона ядром атома делящегося вещества. Точнее, время тскладывается из времени деления • ядра, времени запаздывания вылета нейтрона изядра относительно момента деления и времени, прошедшего до следующего захвата.
В случае развивающейся цепной реакциидля резкого уменьшения времени т, т. е. для получения весьма быстрой цепнойреакции взрывного типа, необходимо осуществить процесс размножения на быстрыхнейтронах; для получения управляемой цепной реакции необходимо увеличиватьвремя т, т. е. нужно стремиться к тому, чтобы время запаздывания вылетанейтронов относительно момента деления и время перемещения нейтронов доследующего захвата по возможности были большими. Первое зависит от механизмавозникновения вторичных нейтронов и меньше поддается воздействию, второе — отвзаимодействия вылетевших из ядра нейтронов с окружающими ядрами, т. е. отзамедления нейтронов, их движения в веществе и, наконец, от их захвата.Управление цепной реакцией сводится, в основном, к воздействию на эти процессы.
I.6. Ядерные реакторы
Управляемые цепные реакцииосуществляются в ядерных реакторах или атомных котлах.
В качестве сырьевых и делящихсявеществ в реакторах используются 92U236, 94Pu233, 92U238, а также 90Th232. В естественной смеси изотопов урана изотопа 92U238 содержится в 140 раз больше, чем изотопа 92U235. Для понимания процессов, которыемогут происходить в реакторе с природной смесью изотопов, необходимо учитыватьразличия в условиях, при которых происходит деление ядер обоих изотопов урана.Исследование энергетического спектра нейтронов, испускаемых при делении,показывает, что их энергии составляют в основном около 0,7 Мэв. Этинейтроны способны вызвать деление лишь ядер в^236 — Те немногиенейтроны, энергия которых превышает энергию активации деления ядра 92U238, с большей вероятностью претерпеваютнеупругое рассеяние и их энергия оказывается, как правило, ниже порога деленияядра 92U238. В результате ряда столкновений сядрами урана нейтроны теряют энергию малыми порциями, замедляются ииспытывают захват ядрами 92U238 или поглощаются ядрами 92U235. Поглощение нейтронов ядрами 92U235 способствует развитию цепнойреакции, поглощение же их ядрами 92U238 выводитнейтроны из цепной реакции и ведет к обрыву цепной реакции. Расчеты показывают,что в естественной смеси изотопов урана вероятность обрыва цепнойреакции превышает вероятность развития реакции и цепная реакция деления неможет развиваться ни на быстрых, ни на медленных нейтронах.
Вядерных реакторах на медленныхнейтронах условием, обеспечивающим развитие цепной реакции, являетсяприменение замедлителя для уменьшения захвата нейтронов ядрами 92U238. При каждом столкновении с ядрамизамедлителя нейтрон теряет энергию большими порциями, и этоблагоприятствует «проскакиванию» энергии нейтрона через ту область энергий, прикоторых происходит захват нейтрона ядрами 92U238. В качестве замедлителей применяют углерод (в виде графита),дейтерий (в виде тяжелой воды DaO и HDO), бериллий и окись бериллия, ядракоторых меньше других ядер захватывают тепловые нейтроны.
Различаются два типа реакторов намедленных нейтронах — гомогенные и гетерогенные. В гомогенныхреакторах делящееся вещество равномерно распределяется по объему замедлителя(например, растворяется в воде). В гетерогенных реакторах уран расположенотдельными блоками по объему замедлителя — тяжелой воды или графита. Вгомогенных реакторах нейтроны в ходе замедления все время находятся поблизостиот ядер атомов урана, распределенных по всему объему. Это приводит к большейвероятности поглощения нейтронов ядрами атомов урана, а не замедлителя, но этоже снижает вероятность избежать захвата нейтронов ядрами 92U238. В гетерогенных реакторах, наоборот,сравнительно мала вероятность поглощения тепловых нейтронов ядрами урана, нозато повышается вероятность избежать захвата ядрами 92U238, ибо значительную часть времени замедляемые нейтроны сэнергиями, «опасными» для захвата, проводят за пределами блоков делящегосяурана. Работе реактора способствует также снижение утечки нейтронов,достигаемое за счет увеличения критических размеров и применения отражателейнейтронов.
Быстрое развитие цепной реакции сопровождается, выделением большого количества энергии, что может вызвать излишний перегревреактора. При достижении реактором требуемой мощности необходимо режимразвивающейся реакции свести к критическому режиму со значением k=1 и затем поддерживать этот режим. Для уменьшениякоэффициента размножения нейтронов в активную зону реактора вводятся стержни изматериалов, сильно поглощающих тепловые нейтроны, например из бора или кадмия.Такие управляющие стержни уменьшают значение k и предотвращают нарастание скорости цепной реакции,поддерживая ее в стационарном режиме.
Деление ядер урана, осуществляемое вреакторах, сопровождается образованием большого числа радиоактивных различныхосколков. Расчеты показывают, что на 22 000 квт-ч энергии образуетсяпримерно 1 s осколков. При этом испускаютсяβ-лучи и γ-излучение. Кроме того, реакторы, работающие сзамедлителями, испускают мощные потоки тепловых нейтронов, которые используютдля получения различных искусственно-радиоактивных изотопов. Эти изотопы применяютдля исследований в различных областях народного хозяйства.
Нейтронные потоки и у-лучи,возникающие в ядерных реакторах, имеют большую интенсивность, обладают высокойпроникающей способностью и губительно действуют на организм человека. Поэтомудля защиты персонала, обслуживающего ядерные реакторы, применяют специальныемеры. Одна из наиболее эффективных мер — автоматизация процессов управленияреактором.
Примером гетерогенного ядерногореактора на медленных нейтронах является реактор первой в мире советской атомнойэлектростанции, введенной в эксплуатацию 27 июня 1954 г. Полезная мощностьреактора составляет 5000 кет. Замедлителем нейтронов служит графит.Активная зона реактора представляет собой графитовый цилиндр диаметром 1,5 -и ивысотой 1,7 м, окруженный графитовым отражателем. В активной зонерасположены 128 вертикальных рабочих каналов для помещения в них делящегосявещества — природной смеси урана, обогащенной изотопом 92U235. Рабочие каналы выполнены в форместальных трубок, на которые надеты втулки из уранового сплава. Внутри трубокпротекает вода для охлаждения урана. В активной зоне расположены также 22канала для управляющих стержней из карбида бора, сильно поглощающего тепловыенейтроны. С помощью управляющих стержней мощность реактора поддерживается нанеобходимом заданном уровне. Вода, охлаждающая реактор, становитсярадиоактивной. Нагретая вода поступает в парогенератор и там передает тепловоде, циркулирующей во втором замкнутом контуре, в котором образуется пар сдавлением 12,5 атм и температурой 260 °С, подводимый затем к турбине.
Управление узлами атомнойэлектростанции автоматизировано и производится на расстоянии.
Первая советская атомнаяэлектростанция (АЭС) явилась прототипом для крупнейшей в СССР Белоярскойатомной электростанции им. И. В. Курчатова. Первый блок этой станции мощностью100 тыс. кет введен в эксплуатацию в 1964 г. Использованиесверхкритических параметров пара (давление 250 атм, температура 535-565°С) позволило повысить коэффициент полезного действия этой станции.
Урановые реакторы на тепловыхнейтронах могут решить задачу энергоснабжения в ограниченном масштабе, которыйопределяется количеством урана 92U235. При использовании всего природногозапаса 92U235 можно получить энергию,приблизительно эквивалентную запасам обычного топлива на Земле.
Для увеличения ядерных энергетическихресурсов используются процессы, происходящие при захвате нейтронов ядрами 92U233 и тория 90Th232. Они приводят к появлению эффективно делящихся плутония 94Pu286 и изотопа урана 92U233. Схема получения плутония:
/>
Реакция на тории происходитпоследующей схеме:
/>
Захват нейтронов ядрами 92U238 сопровождается созданием ядерногогорючего, которое может быть химическим путем отделено от 92U238. Этот процесс называется воспроизводствомядерного горючего. При делении одного ядра ^ „U"5 образуется в среднем 2,5 нейтрона, изкоторых лишь один необходим для поддержания цепной реакции. Остальные 1,5нейтрона могут быть захвачены ядрами y^V233 и из них могут быть образованы 1,5ядра 94Pu239. В специальных бридерных (воспроизводящих)реакторах коэффициент воспроизводства ядерного горючего превышает единицу.В урановых реакторах, работающих на медленных нейтронах, этого осуществитьнельзя. Действительно, в таком реакторе деление происходит в 84,5 случаях из100 поглощений тепловых нейтронов ядрами 92U235. Теоретически возможный максимальный коэффициентвоспроизводства ядерного горючего составит 2,5-0,845-1=1,11 вместо 1,5. Врезультате поглощения нейтронов замедлителем и их вылета за пределы реактора онеще уменьшится. В реакторах с замедлителем коэффициент воспроизводства ядерногогорючего, как правило, меньше единицы. Например, в реакторе первой АЭС онсоставляет всего 0,32.
Бридерные реакторы работают набыстрых нейтронах. Активной зоной является сплав урана, обогащенного изотопом92U235, с тяжелым металлом (висмут,свинец), мало поглощающим нейтроны. В бридерных реакторах отсутствуетзамедлитель. Управление таким реактором производится перемещением отражателяили изменением массы делящегося вещества.
В СССР созданы реакторы на быстрыхнейтронах, дающие огромную интенсивность нейтронных потоков. В СоветскомСоюзе-пионере ядерной энергетики ведется большая работа по ядерномуреакторостроению и мирному использованию энергии делящихся ядер.
Последовательная борьба Советского Союзаза мирное использование внутриядерной энергии нашла свое отражение вдостигнутом в 1964 г. соглашении между СССР и США о направлении большогоколичества расщепляющихся материалов для использования в мирных целях, в томчисле для опреснения морской воды. Расчеты показывают, что реактор набыстрых нейтронах мощностью 2,2 -10sвт может обеспечить работу электростанции мощностью 5,1-Ю8вт и дистилляционной опреснительной установки производительностью 180тыс. м3 пресной воды в сутки при стоимости воды 2-3 копейкиза 1 м3. При достижении реакторами мощности (10-20)-10° втстоимость опресненной воды настолько снизится, что можно будет ставить вопрос оприменении ее для орошения засушливых земель.
Одновременно с решением проблемыбольшой ядерной энергетики и увеличением мощности реакторов в СССР успешнорешаются проблемы малой ядерной энергетики. Уменьшение размеров реакторовкрайне важно для использования ядерного горючего в двигателях, где лимитированвес горючего. Такие двигатели устанавливаются на подводных лодках и ледоколахдальнего плавания. Как известно, в 1959 г. в СССР вступил в строй первый в миреледокол «Ленин» с двигателем на ядерном топливе. В течение трех лет машиныледокола «Ленин» работали без перезарядки горючего.|