Главная страница
qrcode

Гладков К.А. Атом от А до Я (1974)_распознан. Заслуженный работник культуры рсфср кирилл Александрович гладков (1903 1973 гг.) известен советскому к зарубежному читателю как замечательный популяризатор науки и техники. Им написано более десяти книг


Скачать 78.95 Mb.
НазваниеЗаслуженный работник культуры рсфср кирилл Александрович гладков (1903 1973 гг.) известен советскому к зарубежному читателю как замечательный популяризатор науки и техники. Им написано более десяти книг
Дата10.09.2019
Размер78.95 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файлаГладков К.А. Атом от А до Я (1974)_распознан.pdf
оригинальный pdf просмотр
ТипКнига
#64819
страница14 из 16
Каталог
1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   16

УРАН
УСКОРИТЕЛИ ЧАСТИЦ
УПРАВЛЯЕМАЯ ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ ДЕЛЕНИЯ. Представим себе, что в делящийся изотоп уран влетел один-единственный нейтрон. Попав водно из ядер атома урана, он разделит его на две части. При этом высвободится относительно огромное количество энергии — примерно
200 Мэв. Но самое важное заключается в том, что в результате расщепления ядра атома урана на две части будет выброшено два свободных нейтрона (в среднем 2,1), которые разделят два ядра с образованием уже четырех нейтронов. Эти четыре нейтрона разделят четыре новых ядра урана. Четыре ядра выбросят уже восемь нейтронов, способных разделить такое же количество ядер атомов урана. Далее процесс деления и высвобождения нейтронов пойдет лавинообразно, удваиваясь при каждом новом поколении. Словом, начнется саморазвивающаяся цепная ядерная реакция деле­
ния.
Чтобы сразу определить, как быстро будет нарастать такая реакция в каком-либо куске делящегося вещества, вводят особую величину, называемую коэффициентом размножения нейтронов К Этот коэффициент показывает, во сколько раз каждое последующее поколение появляющихся нейтронов больше предыдущего, иначе говоря, во сколько раз увеличивается нейтронный поток после каждого использования очередной порции народившихся на свет нейтронов. Если эта величина будет хоть на тысячную долю процента больше единицы, количество нейтронов, а вместе спим и число делений ядер атомов урана все равно будут увеличиваться лавинообразно. Но для того чтобы использовать ядерную энергию на пользу человеку, ее надо сделать контролируемой добиться, чтобы число делений за единицу времени, а следовательно, и количество выделяемой энергии увеличивалось не катастрофически быстро, а достаточно медленно, и, после того, как будет достигнут требуемый режим уровень мощности) реакции, установилось бы равновесное состояние. Очевидно, это возможно только в том случае, если к определенному моменту коэффициент размножения нейтронов станет равен единице. Если же он упадет ниже единицы, уже начавшаяся реакция затухнет.
Как же в таком случае осуществить управляемую ценную ядерную реакцию?
Возникнуть в естественном уране цепная реакция не может, так как коэффициент размножения нейтронов из-за сильного их поглощения ядрами урана будет всегда меньше единицы. А поглощенные нейтроны, естественно, никакого прироста потомства не дают. Однако есть пути для создания цепной реакции ив естественном уране.
Проблема состоит в том, чтобы сразу же после каждого деления ядра урана каким-то способом замедлить нейтроны до такой энергии, при которой они уже не будут все захватываться ядрами атомов урана. Тогда часть нейтронов, замедленных до тепловых энергий, сможет разделить нужное для поддержания хода цепной реакции число ядер атомов урана, а нейтроны, не успевшие замедлиться до тепловых энергий, будут поглощены ядрами урана. Отсюда возникла новая задача найти такие средства или такое вещество, которое позволяло бы замедлить свободные нейтроны
до тепловых скоростей — порядка 0,025—0,03 эв — и при этом само бы не поглощало нейтронов.
Нейтроны можно замедлить только одним путем — заставить их многократно сталкиваться с ядрами атомов замедлителей. При каждом столкновении нейтрон должен терять как можно больше энергии.
Из законов механики следует, что если скорость движущегося тела замедлять путем упругих столкновений его с другим неподвижным или медленно движущимся телом, то наибольшее количество энергии теряется (передается другому телу) в том случае, когда массы сталкивающихся тел одинаковы или близки друг другу. Поэтому для замедления нейтронов лучше всего применять ядра легких атомов, например водорода, масса которого почти равна массе нейтрона. Наилучшими замедлителями по совокупности свойств — малому поглощению нейтронов, эффективности замедления, минимальной стоимости и удобству эксплуатации — являются тяжелая вода, особо чистый графит и даже обычная дистиллированная вода. Эффективное замедление нейтронов достигается в так называемых гомогенных реакторах, где ядерное горючее равномерно распределено в замедлителе. Избежать усиленного поглощения ядрами урана нейтронов, замедленных до резонансной энергии (скорости, в этом случае не удастся. Поэтому, чтобы возбудить цепную реакцию, количество делящегося изотопа урана должно быть соответственно увеличено.
В реакторах, созданных для производства плутония, используют тепловыделяющие элементы из естественного урана.
Расстояния между тепловыделяющими элементами подбирают такие, чтобы нейтроны, выброшенные при делении ядер урана, поглощались ядрами урана не все сразу. Часть их, пролетая сквозь слой замедлителя (графита, должна успеть в нем замедлиться до тепловых скоростей, минуя резонансные скорости (1—7 эв), и, попав в соседний слиток урана, спокойно разделить ядра атомов урана, избежав поглощения по пути ядром атома урана. Естественно, что вызванное этим большое рассредоточение урана требует значительного увеличения количества природного урана, необходимого для образования критической массы. Для этого в реактор приходится закладывать несколько десятков и даже сот тонн природного урана.
Но и при соблюдении всех этих условий очень трудно было бы создать управляемую цепную реакцию деления, так как предоставленный самому себе процесс деления развивается столь быстро (миллионные доли секунды, что за ним не в состоянии поспеть даже самые быстродействующие и сверхчувствительные приборы. Совершенно неожиданно делу помогло наличие так называемых запаздывающих нейтронов.
Дело в том, что два-три нейтрона, выбрасываемые при делении ядер урана, появляются не все сразу, а в разное время. Сначала вылетают мгновенные нейтроны, составляющие примерно 99% их общего числа, и лишь потом остальные —
1% нейтронов — с запозданием примерно от 0,0001 до нескольких десятков секунд.
В результате ход реакции во всей массе урана в среднем замедляется до тысячных или десятых долей секунд.
Именно они и позволили самым надежным образом контролировать ход цепной ядерной реакции деления даже вручную. В этом случае мощность реактора нарастает достаточно медленно, и ни при каких обстоятельствах реактор не пойдет вразнос И наконец, еще одно немаловажное условие. Часть нейтронов, появляющихся при делении ядер урана, пропутешествовав в уране и замедлителе, может, не попав нив одно ядро атома урана, просто вылететь наружу. Устранить такую потерю нейтронов можно, если окружить реактор сплошной оболочкой из вещества, хорошо отражающего нейтроны, например из того же графита. Претерпев многократные столкновения с ядрами замедлителя, нейтроны отразятся обратно в активную зону реактора. Следовательно, число безвозвратно теряемых нейтронов резко сократится. В результате такой экономии нейтронов можно соответственно уменьшить загрузку реактора ядерным горючим.
УПРАВЛЯЕМАЯ ТЕРМОЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ. Осуществить термоядерную реакцию — реакцию синтеза (слияния) ядер атомов легких элементов в ядра атомов более тяжелых элементов (гелий) — удалось пока только одним путем — в виде взрыва водородной бомбы огромной разрушительной силы. Большой пользы человечеству такая взрывная реакция, естественно, не приносит. Поэтому ученые упорно добиваются возможности получения контролируемой, те. управляемой, термоядерной реакции, вернее, замедления ее хода до такой степени, чтобы можно было практически использовать ее энергию, так как при реакции синтеза энергии выделяется в семь раз больше, чем при реакции деления на единицу веса исходных продуктов (см. Термоядерная реак­

ция).
УРАН — естественный радиоактивный элемент, занимающий е место в Периодической системе Д. И. Менделеева, с атомной массой 238,07. Уран — металл серебристого цвета, легко поддается механической обработке. Температура плавления 1130° С
Хорошо окисляется на воздухе, воспламеняется в обычной атмосфере при температуре около 100° С. Состоит из смеси трех изотопов урана (99,27%), урана (0,72%) и урана (0,006%). Уран и уран являются родоначальниками семейств естественных радиоактивных элементов, которые после длинного ряда последовательных распадов превращаются в устойчивые (стабильные) изотопы свинец и свинец. Период полураспада урана равен 4,5 млрд, лет, урана млн. лети урана тыс. лет.
Целый ряд изотопов урана может быть получен искусственно, из них наиболее важен уран, образующийся в результате нейтронной бомбардировки тория. Уран также легко делится быстрыми и медленными нейтронами, как и уран. Эта триада элементов — один естественный и два искусственных — и является тем, что называется атомным ядерным) горючим УСКОРИТЕЛИ ЧАСТИЦ. Для самых первых исследований атома и его ядра хватало энергии альфа-частиц, вылетающих при естественном распаде радиоактивных веществ. Но вскоре этого оказалось недостаточно, поэтому пришлось создавать специальные, очень сложные установки для искусственного ускорения атомных частиц. Как это осуществляется?
Мы знаем, что, попав в электрическое поле, любая заряженная частица постепенно ускоряет свое движение, а влетев в магнитное поле, начинает закручиваться вокруг мысленно представляемых нами линий этого поля. Эти особенности, взятые порознь или в комбинации, и натолкнули на мысль использовать их для создания тяжелой атомной артиллерии — ускорителей заряженных частиц. В первом случае частицу разгоняют прямолинейно. Уско228
ригели такого вида называют линейными. Во втором случае частицы одновременно закручиваются еще и по спирали. Ускорители этого вида называют циклическими, те. повторяющимися.
УСКОРИТЕЛЬ ЛИНЕЙНЫЙ — эго длинная прямая труба, тщательно откачанная от воздуха. Внутри нее друг за другом расставлено большое число электродов — металлических трубок, хорошо изолированных от главной трубы. Длина каждого электрода ио мере удаления от входного конца ускорителя постепенно увеличивается. На каждые два соседних электрода подают сравнительно невысокое переменное электрическое напряжение от специального генератора колебаний высокой частоты. Когда первый электрод в какой-то момент оказывается заряженным, допустим, положительно, то расположенный следом за ним электрод будет заряжен отрицательно. Дальше снова идет трубка, заряженная положительно, а следующая за ней — отрицательно, итак до конца ускорителя. Напряжение на электродах непрерывно меняют так, чтобы положительные и отрицательные заряды как бы бежали один вдогонку за другим вдоль электродов ускорителя.
Стоит впрыснуть в него порцию предварительно ускоренных зараженных частиц, допустим электронов, как под действием потенциала ближайшего положительно заряженного электрода они начинают разгоняться до еще более высокой скорости и проскакивают сквозь этот электрод дальше. В этот же момент заряды на трубках меняются. Электрод, только что притягивавший электроны, став отрицательным, начинает уже как бы подталкивать сзади пролетевшие сквозь него электроны. А притягивать приближающийся сгусток электронов начинает следующая, ставшая за это время положительно заряженной, трубка, стем чтобы после пролета сквозь нее облачка электронов переменить свой заряд на отрицательный и подтолкнуть порцию электронов дальше.
Точнее, ускорение пучка электронов происходит только в пространстве между электродами Внутри них частицы заслонены от действия электрического поля и движутся с постоянной скоростью — дрейфуют сквозь них.
По мере движения электронов вперед скорость их постепенно увеличивается. Соответственно с этими удлиняются ускоряющие трубки.
Пролетев всю длину ускорителя, порция электронов разгоняется до скорости, близкой к скорости света, и приобретает энергию, измеряемую сотнями миллионов и даже миллиардами электронвольт. Через установленное в конце трубы непроницаемое для воздуха окошечко порция ускоренных электронов направляется в специальные установки для облучения ими исследуемых веществ.
Самые крупные линейные ускорители электронов находятся в г. Харькове (СССР) на энергию 2 млрд,
эв
ив г. Стан­
форде (США) на энергию 20 млрд.
эв.
УСКОРИТЕЛИ ЦИКЛИЧЕСКИЕ. Представьте теперь, что нашу длинную трубу удалось свернуть в спираль. Чтобы ускоряющие электроды не нагромоздились друг на друга, все их можно убрать, оставив только два электрода, изготовленные в виде пары полых половинок огромного круга, надвинутых снаружи на свернутую спираль. Эту комбинацию помещают между полюсами огромного магнита. Тогда, вместо того чтобы двигаться прямолинейно, заряженные частицы под действием вертикального магнитного поля будут закручиваться по спирали. А раз так, то вместо свернутой трубы можно просто оставить цилиндрическую откачанную от воздуха камеру без каких-либо перегородок внутри. Переменное электрическое напряжение высокой частоты теперь можно подавать по очереди на два полукруглых электрода, называемых дуангамп. Когда на одном из них оказывается положительный электрический заряд, он втягивает в себя электроны, другой, заряженный отрицательно, подталкивает их вперед.
Порция подлежащих ускорению заряженных частиц впрыскивается в самом центре воображаемой спирали. Сначала они набирают скорость довольно быстро, но потом этот процесс замедляется, а затем и прекращается вовсе, так как чем
больше скорость движения частиц приближается к скорости света, тем тяжелее и тяжелее они становятся и начинают постепенно отставать отменяющего свой знак электрического напряжения на дуантах. Предел наступает где-то около
20—30 М эв.

Такие установки называют циклотронами Чтобы преодолеть это препятствие дальнейшему разгону частиц, частота электрического напряжения, поочередно подаваемого на ускоряющие электроды, делается переменной — по мере набора скорости частицами она замедляется, стем чтобы не перегонять отяжелевшие частицы. На этих установках, называемых синхроциклотронами, частицы, в частности протоны, можно разгонять уже до энергий 600—800 М эв.
По мере увеличения энергии снарядов атомной артиллерии стали выявляться все новые и более тонкие детали строения атомных ядер и составляющих их ядерных частиц, раскрываться тайны возникновения новых частиц, число которых уже превысило три десятка. Поэтому возникла необходимость строить еще более мощные ускорители — синхротроны и синхрофазотроны, в которых движение частиц происходит не по спирали, а по замкнутому кругу в кольцевой камере, напоминающей гигантскую баранку, а ускорение осуществляется только водной или нескольких точках на пути частиц.
Сначала были построены установки на 2,9 и 6,2
Гэв
(млрд, электронвольт) в США, затем на 10
Гэв
в г. Дубне (СССР, наконец, на 30
Гэв
в г. Женеве (Швейцария) и на 33
Гэв
в г. Брукхейвепе (США)
В районе г. Серпухова, под Москвой, с октября 1967 г. действует один из самых крупных в мире ускорителей протонов на энергию 70—76 млрд.
эв.
Ускорение протонов происходит в вакуумной камере — кольце эллипсоидального сечения высотой 11,5 мм шириной 17,0 мм ,
диаметром 472 м Ускорение частиц осуществляется переменным магнитным полем, создаваемым электромагнитом, весящим 20 000 т В настоящее время ведутся работы над созданием еще более мощных установок.
В г. Батавии (США) завершено строительство ускорителя на проектную энергию 500 млрд.
эв.
Уже получен пучок протонов, ускоренных до энергии 300 млрд.
эв.
В Европой ском центре ядерных исследований в г. Женеве сооружен протонный ускоритель на энергию до 300 млрд,
эв
и начаты работы по сооружению протонного ускорителя, в котором энергия частиц будет доведена до 1000 млрд.
эв.
УСКОРИТЕЛЬ МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ (ЦИКЛОТРОННЫЙ ТАНДЕМ. По мнению теоретиков, в далекой области трансурановых элементов с атомным номером

110 и —126 могут существовать изотопы сравнительно более устойчивые, чем получаемые ныне короткоживущие сверхтяжелые элементы от 102 до 105. Для проникновения в эту область нужны не только мишени из тяжелых элементов, но и максимально ускоренные ядра тяжелых атомов.
Предполагается, что, например, элемент № 114 (аналог свинца) можно получить если бомбардировать мишень из трансуранового элемента кюрия (№ 96) ускоренными ядрами цинка (№ 30). Однако при этом, если происходит ядерная реакция слияния кюрия с аргоном, образуется составное ядро, в котором будет не хватать минимум десятка нейтронов, вследствие чего оно окажется неустойчивыми быстро распадется. При реакции же кюрия с цинком образуется ядро с достаточным количеством нейтронов, но тяжелые ядра атомов цинка передадут получившемуся ядру слишком много лишней энергии, оно распадется еще быстрее — разделится на осколки средней массы. Поэтому получить далекие трансурановые элементы удастся, видимо, все же скорее в результате реакции деления ядер, а не слияния.
Для этого ядра кюрия, плутония и урана придется бомбардировать значительно более тяжелыми ядрами атомов, чем ядра цинка. Тогда при распаде получившегося уже совсем тяжелого ядра образуются как раз нужные сверхтяжелые (трансурановые) осколки Например, при бомбардировке ядер атомов ксенона на какое-то мгновение получится что-то вроде ядра элемента № 146 с массовым числом 367, которое тотчас же распадется на ядра более тяжелых трансурановых элементов, чем удалось получить до сих пор. Возможно, среди них окажутся и ядра элемента № 114 со

184 нейтронами, дающими надежду на его относительную устойчивость.
Для выполнения этой задачи требовалось немного — ускорить ядра очень тяжелых элементов, вроде ксенона, что было не под силу ни одному из существующих в мире ускорителей частиц. Однако ученые Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в г. Дубне нашли остроумное решение этой задачи. Они спарили в одну установку (тандем) два ускорителя — циклотроны У и У -300. Первоначально на большем из них многозарядные ионы ксенона (лишенные восьми внешних электронов) разгоняются до сравнительно небольшой энергии.
Энергия ускоренных ядер тем больше и тем легче их разгонять, чем больше у них отобрано электронов. Поэтому, попав через ионопровод в малый циклотрон, восьмизарядные ионы сразу же натыкаются на тонкую металлическую фольгу, пройдя сквозь которую они теряют еще по 20 электронов. Полученный пучок уже зарядных понов ксенона проходит второй цикл ускорения, приобретая энергию порядка
900 Мае для получения которой потребовался бы циклотрон гигантских размеров (см. Трансурановые элементы).
УДАРНЫ Е ВОЛНЫ. Астрономов и астрофизиков уже давно интересует происхождение особых тонковолокнистых туманностей, состоящих из очень длинных полос, напоминающих вуаль, одна из которых хорошо видна в созвездии Лебедя. Лишь в последнее время удалось установить, что эти светящиеся полосы являются следствием распространения в / массе межгалактического газа (сильно разреженного водорода) ударных волн, температура и давление в которых, видимо, в миллионы раз превышают температуру и давление, развиваемые при взрыве самой мощной водородной бомбы. Распространяясь с огромной скоростью, эти волны вызывают свечение газа, те излучение электромагнитных волн видимого света п радиоволн.
А что, если перенести условия такого грандиозного космического процесса на Землю Ученым удалось найти способы в земных условиях получать ударные волны в газах, при которых развивается пока еще небольшая температура — порядка нескольких миллионов градусов. Но и эта температура скрывает в себе весьма важные физические процессы, представляющие несомненный интерес и для физиков- атомников. В частности, речь идет о трубчатой камере, в которой можно создавать ударные (взрывные) волны в газе, развивающие на короткое время огромные давления. Ее действие основано на известном факте, что при быстром сжатии
газ нагревается. При скорости взрывной волны, превышающей в четыре раза скорость звука (331
м!сек),
газ по фронту ударной волны нагревается до 1000° С. При скорости, превышающей скорость звука враз, ударная волна может нагреть газ до 6000° С, а при скорости враз больше скорости звука, температура достигает уже миллиона граду­
сов.
В своем наипростейшем виде взрывная камера имеет форму трубы, разделенной тонкой металлической (медной) перепонкой на две части Водной из них взрывается смесь водорода с кислородом, благодаря чему создается высокое давление, растущее до тех пор, пока не разрывается разделяющая трубу перепонка Тогда в газе, заключенном во второй половине трубы, возникает мощная ударная волна. Еще большее давление можно получить с помощью электрического разряда огромной силы
О серьезных изменениях, которые претерпевают при этом атомы газа, свидетельствует наблюдаемое в окошечке, устроенном в конце ударной трубы, ослепительно яркое свечение в тех местах, на которые приходится максимальная плотность сжатия газа в ударной волне Направленный в спектрограф пучок этого света позволяет определить температуру газа и давление в нем.
Наряду с термоядерной реакцией, возбуждаемой в сильно разреженном газе — смеси например, дейтерия с тритием см. Термоядерная реакция, Токамак ударные волны при достаточной их мощности могут явиться способом осуществления термоядерной реакции в более плотных газовых смесях. За последние годы учеными Колумбийского университета США) разработаны устройства для получения ударных волн в дейтерии со скоростью в 3200 и даже более раз превышающей скорость звука, что, по их утверждению, позволяет наблюдать признаки возникновения в газе термоядерной реакции, обнаруживаемой по возникновению в ней признаков нейтронного излучения. Успех этого направления позволил бы построить термоядерный реактор будущего, работающий короткими импульсами.
УРОВНИ ЭНЕРГИИ АТОМА Планетарная модель строения атома (см. Атома модели очень приближенно описывает картину взаимного расположения ядра и вращающихся вокру1 него электронов Представить себе поведение электронов и их взаимодействие с ядром атома и атомом в целом оказывается значительно легче, если перейти от образных понятий оболочек, орбит, траекторий вращения, скорости и т. ц. к понятию уровней энергии
Каждому месту в пространстве, занимаемому вращающимся вокруг собственной оси и вокруг ядра атома электроном, соответствует строго определенный уровень энергии И находиться на томили ином уровне электрон может только в том случае, если количество энергии, отделяющее его от уровня энергии другого электрона (а следовательно, и расстояния от ядра атома, строго равно кванту излучения или целому числу квантов, но нив коем случае не половине, четверти или любой дробной доле кванта. Расположение электронных оболочек и расстояния от ядра атома определяются не каким- то строгим геометрическим построением, как, например, в кристаллах, а только уровнями энергии электронов, расположенных на данных оболочках. На одном и том же уровне энергии в атоме может находиться не более двух электро­
нов.
Для атома любого химического элемента существует ряд устойчивых (стационарных) состояний, в каждом из которых электрон обладает вполне определенным запасом энергии, иначе, находится на определенном энергетическом уровне. Когда атом находится водном из таких стационарных состояний, он не излучает никакой энергии. Такое излучение возможно только целыми квантами и только в том случае, если электрон возвращается с одной из орбит неустойчивого (возбужденного) состояния атома на орбиту, соответствующую его нормальному, устойчивому состоянию. Энергия излученных квантов света при этом в точности равна разности первоначальной и конечной энергии.
УРОВНИ ЭНЕРГИИ ЯДРА АТОМА. По аналогии суров нями энергии атома, где главными носителями энергии являются электроны, уровнем энергии ядра атома называют относительно устойчивые состояния ядра, при которых оно обладает вполне определенным запасом энергии. Для того чтобы вывести ядро изданного устойчивого состояния, ему необходимо добавить извне некоторое количество энергии. Это может произойти при его столкновении с быстрой частицей, при поглощении гамма-кванта или нейтрона.
Например, при лобовом столкновении быстрого нейтрона с ядром атома бора, если энергия нейтрона меньше 2,3 Мэв, взаимодействие будет носить упругий характер частицы просто отскочат друг от друга, нейтрон потеряет часть своей кинетической энергии и замедлится. Если же энергия нейтрона будет превышать 2.3 Мэв, то ядро атома бора его поглотит и, придя в возбужденное состояние, через некоторое время испустит полученный излишек энергии в виде кванта гамма- излучения

1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   16

перейти в каталог файлов


связь с админом