Резерфорд тәжiрибесi. Атомның ядролық моделi

§ 7.11 Ядролық реактор. Термоядролық реакциялар

Ядролық жарылыстың энергиясын бейбiт мақсатта қолдану мүмкiн емес. Сондықтан ядролық реакция кезiнде бөлiнетiн энергияны пайдалана алу үшiн тiзбектi реакцияны еркiмiзше басқара алатындай болуымыз қажет. Мұндай басқарылатын тiзбектi реакцияны ядролық реакторлар немесе атомдық қазандықтар деп аталатын қондырғыда жүзеге асырады. Ядролық реактордың жұмыс iстеу принципiн мына жерден қарап көруге болады. Реактордың негiзгi элементтерi: ядролық отын, нейтрондарды шағылдырғыш және баяулатқыш, реакторда бөлiнетiн жылуды тасымалдағыш, тiзбектi реакцияның жылдамдығын реттегiш. Реакторлар шабан және шапшаң нейтрондармен жұмыс iстейтiн реакторлар болып бөлiнедi. Алғашқы жасалған реактор шабан нейтрондарды қолданатын реактор. Уран ядросы бөлшектенгенде бөлiнетiн нейтрондардың энергиясы шамамен 1-2 МэВ. Сәйкес олардың жылдамдықтары 107 м/с, сондықтан оларды шапшаң нейтрондар деп атайды. Мұндай энергиядағы нейтрондар 235U және 238U ядроларымен бiрдей қарқындылықпен әсерлеседi. Ал табиғи уранда 235U уранның ара салмағы аз болғандықтан нейтрондар негiзiнен 238U уранмен әсерлеседi де тiзбектi реакция жүзеге аспайды. Ал жылулық қозғалыстың жылдамдығындай (шамамен 2•103 мӨс) жылдамдықпен қозғалатын нейтрондар шабан немесе жылулық нейтрондар деп аталады. Жылулық нейтрондарды 235U ядросы шапшаң нейтрондарға қарағанда 500 есе қарқындырақ жұтады. Сондықтан табиғи уранды шабан нейтрондармен сәулелендiргенде оның көп бөлiгi 238U ядросымен емес 235U ядросына жұтылады. Сондықтан тiзбектi реакцияны жүзеге асыру үшiн нейтрондарды баяулату қажет.

Реактордағы нейтрондардың жылдамдығын төмендету үшiн баяулатқыштар деп аталатын заттар қолданылады. Нейтрондарды қарқынды баяулату үшiн баяулатқыштың атомының массасы нейтрон массасымен шамалас болуы керек. Әдетте баяулатқыш ретiнде кәдiмгi немесе ауыр суды және графиттi пайдаланады.

Тiзбектi реакция өтiп жатқан кеңiстiктi активтi аймақ деп атайды. Активтi аймақтан нейтрондардың шығып кетпеуiн қамтамасыз ету үшiн оны нейтрон шағылдырғыштармен қаптайды. Берилий жақсы нейтрон шағылдырғыш болып табылады.

Реакторды басқару арнайы жасалған басқару бiлiктерi арқылы жүзеге асады. Басқару бiлiктерi жылулық нейтрондарды қарқынды жұтатын бор мен кадмийдiң қоспаларынан жасалады.

Егер ядролық отын ретiнде уранның 235U изотопымен едәуiр байытылған отын пайдаланылатын болса, реактор шапшаң нейтрондармен де жұмыс iстей алады. Бұл шапшаң нейтрондардың 238U ядросымен әсерлесуiнiң нәтижесiнде мынадай реакция тiзбегi жүзеге асады

Яғни уранның 238U изотопы шапшаң нейтрондарды жұтудың нәтижесiнде плутонийдiң 239Pu изотопына айналады. Ал бұл изотоп нейтрондармен әсерлесу тұрғысынан уранның 235U изотопына өте ұқсас. Сонымен шапшаң нейтрондарға арналған реактор тек 235U изотопымен тiзбектi реакцияны жүргiзiп қана қоймайды, сонымен қатар аса арзан және табиғатта кең тараған 238U изотопынан жаңа ядролық отын 239Pu алуға мүмкiндiк бередi.

Энергия тек ауыр ядролар бөлiнген кезде ғана емес, сонымен қатар аса жеңiл ядролар бiрiккен кезде де бөлiнедi. Бұлай болуының принципиальды мүмкiндiгi меншiктi байланыс энергиясының жеңiл ядролар үшiн артып, ауыр ядролар үшiн кемуiмен байланысады. Жеңiл ядролардың бiрiгiунiң (синтезiнiң) салдарынан энергияның бөлiнуiнiң мына жерде келтiрiлген. Бұл термоядролық реакцияның мысалы болып табылады.

§ 7.12 Радиоактивтi сәулелердiң биологиялық әсерi. Биологиялық қорғаныс

Радиоактивтi сәулелер өздерi түскен затқа, әсiресе тiрi тканьга өте күштi әсер етедi. Радиоактивтi сәулелердiң организмге әсерi оларда бос химиялық радикалдардың пайда болуымен және клеткадағы мутациямен байланысты. Ал бұл өте қатерлi. Ол сәуле ауруына немесе қатерлi iсiкке алып келуi мүмкiн. Иондаушы сәулелердiң әсерi сәулелену дозасы деп аталатын ерекше шамамен бағаланады.

Сәулелену дозасы D деп сәулелену энергиясының сәулеленген дененiң массасына қатынасын айтады. Доза бiрлiгi ретiнде грей деп аталатын шама алынады. Грей деп массасы 1 кг денеге 1 Дж энергия түскен кезде, шамасы сол затқа жұтылған энергияға тең болатын шаманы айтады.

Жұтылған сәуле дозасының сәулелену уақытына қатынасын сәулелену дозасының қуаты деп атайды.

Иондаушы сәулелердiң кез-келген затқа әсерi бәрiнен бұрын атомдар мен молекулалардың иондалуымен анықталады. Сондықтан иондаушы сәулеленiң сандық өлшемi ретiнде экспозициялану дозасы деп аталатын шаманы алады. Ол иондаушы сәуленiң ауаға әсерiмен анықталады, яғни экспозициялану дозасы деп ауаны фотондармен сәулелендiру кезiнде құрғақ ауада туындылайтын бiртектi зарядтардың сол ауа массасына қатынасын айтады.

X=q/M

Күнi бүгiнге дейiн экспозициялау дозасының рентген деп аталатын жүйеден тыс бiрлiгi қолданылады. 1 Р = 2,58•10-4 Кл/кг

Жұтылған доза мөлшерi бiрдей болғанымен әртүрлi сәулелердiң биологиялық әсерi әртүрлi болады. Мысалы альфа-сәуленiң 1Гр-нiң тiрi организмге әсерi гамма-сәуленiң 20 Гр-нiң әсерiндей болады. Әртүрлi сәулелердiң әртүрлi биологиялық әсерi k — сапа коэффициентiмен сипатталады. Жұтылған дозаның сапа коэффициентiне көбейтiндiсi эквиваленттi доза Н деп аталады. H=D• k. Эквиваленттi дозаның өлшем бiрлiгi зиверт (Зв).

Жоғарыда айтқанымыздай радиоактивтi сәулелердiң тiрi организмге әсерi клеткадағы атомдар мен молекулаларды иондауымен байланысты. Бұл сәуленiң тiрi клеткаға әсерiнiң бiр қатерлi салдары осы клетканың бөлiну арқылы жаңа клетка пайда болу функциясының бұзылуы. Қатердiң кебiр белгiлерi сәулелене салысымен бiлiнсе, кейбiрi бiраз уақыттан соң ғана белгi бередi.Мысалы сәуле әсерiне ұшыраған адам лейкоздан орташа алғанда 10 жылдан кейiн қайтыс болады. Iсiк ауруына шалдығудың ықтималдылығы алған дозаның мөлшерiне пропорционал.

Иондаушы сәулелердiң биологиялық әсерi және олардың адам өмiрiне қауiпсiз дозасы жөнiндегi мәселе Жер бетiнде иондаушы радиацияның табиғи фонының болуымен байланысты. Бұл радиация Жер бетiнде саналы өмiр қалыптаспай тұрып та болған. Бүкiл өмiр эволюциясы осы табиғи радиация фонында қалыптасты. Сондықтар табиғи фон деңгейiндегi радиация адам өмiрiне ешқандай қауiп тудырмайды. Радиацияның табиғи фоны бiр жағынан Жер қыртысындағы радиоактивтi элементтердiң ыдырауымен екiншi жағынан ғарыштан келетiн сәулелермен байланысты. Сонымен қатар радиация деңгейiнiң артуына ядролық жарылыстардың да әсерi мол.

Кейбiр мамандық иелерi өз кәсiбiне байланысты табиғи фонға қосымша сәуле әсерiне ұшырайды. Олар, мысалы, рентгенолог-дәрiгерлер, атом станцияларының қызметкерлерi, ғарышкерлер, ғалым-физиктер т.с.с. Сондықтан, сәулеленудiң адам өмiрiне қауiпсiз деңгейiн анықтау қажет болатын. Оның мәнi бiр жыл үшiн 50 мЗв-ға тең.

§ 7.13 Элементар бөлшектер. Бөлшектер мен электромагниттiк сәулелердiң өзара түрленуi

Физиканың даму барысында элементар бөлшектер ұғымы бiраз өзгерiске ұшырады. Алғашқы кезде элементар деп iшкi құрылымы жоқ, басқа құрамдас бөлiктерге ыдырамайтын бөлшектердi түсiндi. Бүгiнгi күннiң түсiнiгi бойынша элементар бөлшектерден олардың iшкi құрылымының болмауы талап етiлмейдi. Элементар бөлшектер деп, физика ғылымының қазiргi даму дәрежесiнде бос күйiнде кездесетiн қарапайым бөлшектерден тұрады деп есептеуге болмайтын бөлшектердi айтады. Элементар бөлшектердi кейде субъядролық бөлшектер деп те атайды.

Қазiргi заманның элементар бөлшектер физикасы осы бөлшектердiң қасиеттерiн анықтайды, оларды классификациялайды, iргелi әсерлесудiң қасиеттерiн зерттейдi және осы әсердiң салдарынан олардың бiр бiрiне ауысуларын зерттейдi. Соңғы кездерi элементар бөлшектердiң iшкi құрылымдары да кеңiнен зерттелуде.Бұл бөлшектердiң көптеген ерекшелiктерi, соның iшiнде iшкi құрылымы тек жеткiлiктi жоғарғы энергияда ғана көрiнiс табады. Сондықтан элементар бөлшектер физикасын жоғарғы энергия физикасы деп те атайды.

Кейбiр элементар бөлшектер табиғатта бос немесе босаң байланысқан күйде кездеседi. Бiздi қоршаған дүние негiзiнен осы бөлшектерден құралған. Мұндай бөлшектердiң қатарына ядро құрамына кiретiн протондар және нейтрондар, атомның қабыршығын құрайтын электрондар, электромагниттiк өрiстiң кванттары болып табылатын фотондар (γ-кванттар) жатады. Сәл кейiнiрек ядроның β-ыдырауы кезiнде туатын νe нейтрино және антинейтрино, ядролық әсерлесудiң тасымалдаушылары болып табылатын пи-мезондар ( π+ , π0 , π-) ашылды. Бұдан әрi осы бөлшектердiң антибөлшектерi ашылды

Уақыт өте келе элементар бөлшектердiң саны күрт өстi. Бүгiнгi күнде олардың жалпы саны антибөлшектерiн қоса есептегенде 350 ден асып түседi. Бiрақ олардың аса көп бөлiгi орнықсыз бөлшектер. Олар табиғатта бос күйiнде кездеспейдi. Оларды тек арнайы зертханаларда үлкен жылдамдықтағы орнықты бөлшектердi соқтығыстыру арқылы алады. Осылай туындылаған орнықсыз бөлшектер тез арада ыдырап кетедi де ақырында орнықты бөлшектер пайда болады.

Бөлшек пен антибөлшек кездесетiн болса жойылып, екi кейде үш фотонға айналады. Бұл құбылысты аннигиляция деп атайды. Мысалы электрон мен оның антибөлшегi позитрон кездескен кезде мынадай түрлену болады

Бұл үрдiс кезiнде электр зарядының, энергияның, импульстiң және импульс моментiнiң сақталу заңы орындалады. 1933 жылы Ф. и И.Жолио-Кюри керi процесс – атом ядросының маңындағы гамма кванттан электрон-позитронның тууын

байқады. Энергияның сақталу заңы бойынша мұндай гамма-кванттың энергиясы электрон мен позитронның тыныштық энергияларының қосындысынан артық болуы керек.

Антибөлшектерден атом құралуы мүмкiн. Мысалы антисутегiнiң атомында терiс зарядталған антипротонның маңында оң зардталған позитрон қозғалып жүредi.

Элементар бөлшектердiң кестесiнде өмiр сүру 10-20с-тан артық болатын элементар бөлшектер жөнiнде деректер келтiрiлген. Ол жердегi бөлшектер ола

1 2 3 4 5

скачать работу

Отправка СМС бесплатно