Термоядерні реакції. Енергія сонця і зір

 
 

Термоядерні реакції — це реакції синтезу (злиття) легких ядер за дуже високої температури.

Щоб такі ядра, наприклад Гідрогену, злилися, вони повинні наблизитися на відстань приблизно 10-15 м, тобто потрапити у сферу дії ядерних сил. Цьому наближенню протидіє кулонівське відштовхування ядер, яке вони можуть подолати лише тоді, коли матимуть велику кінетичну енергію теплового руху.

Енергія, яка виділяється під час термоядерних реакцій в одному акті синтезу з розрахунку на один нуклон, більша від такої, що виділяється в ланцюгових реакціях поділу ядер. Так, під час злиття важкого Гідрогену — Дейтерію з ізотопом Гідрогену - Тритієм виділяється близько 3,5 МеВ на один нуклон, тоді як під час поділу Урану на один нуклон виділяється енергія, що дорівнює приблизно 1 МеВ.

Термоядерні реакції відіграють вирішальну роль в еволюції Всесвіту. Енергія випромінювання Сонця та інших зір - термоядерного походження. За сучасними уявленнями, на ранній стадії розвитку зоря складається переважно з водню. Температура всередині зорі така велика, що в ній відбуваються реакції злиття протонів й утворюється Гелій. Потім від злиття ядер Гелію утворюються важчі елементи. Усі ці реакції супроводжуються виділенням енергії, завдяки якій зорі випромінюють світло протягом мільярдів років. На Землі некерована термоядерна реакція відбувається під час вибуху водневої бомби.

Здійснення керованих термоядерних реакцій на Землі дасть людству нове, практично невичерпне джерело енергії. Найбільш перспективні щодо цього реакції злиття Дейтерію з Тритієм:

У цій реакції виділяється енергія 17,6 МеВ на один нуклон. Оскільки Тритію у природі немає, його треба виробляти в самому термоядерному реакторі з літію.

Згідно з проектом ІТЕР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) у м. Кадараш (Франція) ведеться будівництво першого у світі міжнародного експериментального термоядерного реактора. Мета цього проекту - продемонструвати наукову і технічну можливість вироблення теплової та електричної енергії на основі термоядерного синтезу. За прогнозами фахівців за 30-40 років може розпочатися ера промислового використання термоядерної енергії.



 

Кожного разу, як тільки у фізиці робили якесь серйозне відкриття, астрономи починали «приміряти» його до своїх проблем. Так, наприкінці ХІХ ст. майже одразу після відкриття Беккерелем явища радіоактивності було висунуто гіпотезу, що світність Сонця підтримується за рахунок розпаду ядер важких хімічних елементів, наприклад Радію (відкритий у 1898 р.) або Урану.

Період піврозпаду Радію дорівнює 1620 років, а ізотопу Урану

який на 99,27 % складає природний Уран, - 4,51 млрд років. Отже, наприклад, радієве Сонце висвітило б основну частину своєї енергії усього за кілька тисяч років, а уранове Сонце було б істотно слабкішим за сучасне.

До того ж уранове Сонце спалахнуло б як велетенська ядерна бомба відразу під час свого утворення (слід зазначити, що ланцюгові реакції та існування критичної маси було виявлено значно пізніше). Нині відомо, що в сучасному природному урані, який містить усього 0,72 % ,

ланцюгова реакція неможлива (в існуючих ядерних реакторах вона відбувається тільки за умови використання уповільнювачів нейтронів). Але 5 млрд років тому вона обов’язково б розпочалася, оскільки період піврозпаду

становить усього 713 млн років, тому його частка тоді

була « 30 % (для ланцюгової реакції достатньо 3 %).

Ідея про термоядерне джерело зоряної енергії за рахунок синтезу гелію з водню має довгий і складний шлях становлення. Початок цієї історії можна датувати 1919 р., коли англійський фізик і хімік Френсіс Астон сконструював мас-спектрограф. За його допомогою він знайшов точні значення мас атомів Гідрогену і Гелію. Це якраз один з яскравих прикладів в історії науки, коли точність вимірювання мала вирішальне значення. Виявилося, що маса атома Гелію становить 3,97 від маси атома Гідрогену, безпосереднього його сусіда в таблиці Менделєєва. Цілком природно було припустити, що за певної температури чотири ядра атома Гідрогену можуть об’єднуватися в ядро атома Гелію.

Слід зазначити, що термоядерне «горіння» водню відрізняється найвищою ефективністю порівняно з іншими хімічними елементами.

Синтез гелію з водню як джерело енергії зір запропонував у 1920 р. Артур Еддінгтон - один із творців теорії внутрішньої будови зір. У книжці «Зорі й атоми» він писав: «Точка зору, за якою енергія зорі виникає під час побудови інших елементів з водню, має велику перевагу, бо не існує сумнівів відносно можливості цього процесу, оскільки ми не маємо доказів того, що у природі може відбуватися анігіляція матерії... На мою думку, існування гелію є найкращим доказом того, що гелій може утворюватися.». Щоправда тут Еддінгтон помилявся. На сьогодні загальновизнаним є те, що існуюча кількість гелію не могла утворитися в зорях, а виникла в результаті первісного нуклеосинтезу на ранніх етапах еволюції нашого Всесвіту.


Сонячні, та й загалом зоряні надра здавалися фізикам 20-х років XX ст. занадто холодними, щоб там могло відбуватися перетворення водню в гелій.

Еддінгтон уважав, що фізики повинні продовжувати дослідження і тоді із часом зрозуміють, як за порівняно низьких температур водень може перетворюватись у гелій. Так і сталося. Цю проблему розв’язали фізики Роберт Аткінсон і Фрідріх Гоутерманс. Вони скористались уявленнями Георгія Гамова про тунельний ефект (1928 р.). З нової фізичної теорії -квантової механіки, яка якраз створювалась у ті часи, випливало, що мікрочастинки завдяки своїм хвильовим властивостям можуть проникати під потенціальні бар’єри і просочуватися крізь них.

Гамов розв’язав проблему розпаду радіоактивних ядер, а Аткінсон і Гоутерманс, скориставшися цим, розв’язали обернену задачу. У березні 1929 р. вони надіслали в редакцію німецького журналу статтю під назвою «До питання про можливість утворення елементів у надрах зір». У цій статті вони довели, що хоча в межах класичної фізики протони можуть зливатися один з одним лише за температур у кілька десятків мільярдів кельвінів, тунельний ефект допускає імовірність такого процесу вже за відносно низьких температур, що існують у надрах зір. Гоутерманс писав у своїй книжці «Яскравіше за тисячу сонць» (1961 р.): «У той самий вечір, після того як ми закінчили нашу статтю, я пішов гуляти із чарівною дівчиною. Коли стемніло і одна за одною стали з’являтися зорі в усій їх величі, моя супутниця вигукнула: «Як чудово вони виблискують! Справді?» Я випнув груди і вимовив поважно: «Зі вчорашнього вечора я знаю, чому вони виблискують».

Доля Гоутерманса пов’язана з Україною. Його, уже як видатного фізика і німецького комуніста, у 1934 р. запросили працювати в Радянський Союз. З 1935 по 1937 р. він був співробітником Українського фізико-тех-нічного інституту (м. Харків), де вже з 1932 р. працював Лев Ландау. У 1937 р. Гоутерманс був заарештований НКВС як німецький шпигун. Його жорстоко били і катували багатоденними конвеєрними допитами, але він не втратив гідності й не дав брехливих свідчень на своїх колег. Можна вважати, що йому пощастило - у 1940 р. його звільнили і вислали з СРСР як «небажаного іноземця».

Отже, після статті Аткінсона і Гоутерманса стало зрозумілим, що джерелом енергії зір все ж таки можуть бути термоядерні реакції. Але які саме? За якими каналами? Конкретна відповідь на ці запитання з’явилася лише через 10 років.

Першу відповідь на ці запитання знайшли незалежно один від одного Карл Вейцзеккер у Німеччині і Ганс Бете в США. У 1938 р. вони виявили перший цикл послідовної трансформації гідрогену в гелій, який ми на сьогодні називаємо карбоно-нітрогеновим. Інший варіант перетворення водню в гелій відомий нині як протон-протонний цикл, який запропонували в тому-таки 1938 р. Ганс Бете і Чарльз Критчфілд.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1. У чому полягає суть термоядерних реакцій?

2. Яку енергію мають Сонце та інші зорі?

3. Хто з учених вивчав процеси, які відбуваються на Сонці та інших зорях?

ЗАДАЧІ ТА ВПРАВИ

Розв’язуємо разом

1. Що відбудеться, якщо ізольовану мідну кульку покрити полонієм, що випромінює а-час-тинки, і помістити її у вакуум?

Відповідь: полоній, втрачаючи позитивний заряд, надає кульці негативного заряду.

2. Який дослід пояснює малюнок 261? Відповідь: дослід Резерфорда, який доводить,

що атом має планетарну будову.

3. Чому основна кількість а-частинок вільно проходить крізь золоту фольгу?

Відповідь: тому що позитивно заряджене ядро атома сконцентроване в малому об’ємі й лише окремі а-частинки можуть зіткнутися з ядром.

Рівень А

182. Які міркування дають підстави стверджувати, що позитивний заряд атома зосереджений у малому об’ємі та визначає масу атома?

183. Чому на меморіальній дошці, установленій на коледжі, де навчався Резерфорд, написано: «Він збудував собі пам’ятник недосяжний, який переживе століття»?

184. Чому радіоактивні препарати зберігають у товстостінних свинцевих контейнерах?

185. Чим зумовлене внутрішнє опромінення людини і яка його еквівалентна доза?

186. Чим зумовлене зовнішнє опромінення людини і яка його еквівалентна доза?

187. Чому нейтрони, які не спричиняють йонізації, негативно впливають на тканини людини?

188. Чому радіоактивні ізотопи Иоду-131 і Плутонію-239 дуже шкідливі для організму?

189. За допомогою «мічених атомів» учені встановили, що середня швидкість руху води від коренів по стовбуру і до гілок рослини дорівнює 14 м/год. Визначте, за який інтервал часу після поливання вода досягне верхівки яблуні висотою 7 м.

190. Чи є телевізор джерелом радіоактивного випромінювання?

191. Які радіоактивні речовини ви знаєте?

192. Як захиститися від дії йонізуючого випромінювання?

193. Чому свинець є найкращою речовиною для захисту від радіації?

194. Як зменшити чутливість організму до радіації?

Рівень Б

195. У яких регіонах України знаходяться найбільші поклади уранових руд? Яким способом добувають уран (мал. 262)?

196. Для чого лікарі-рентгенологи під час роботи користуються рукавицями, фартухом та окулярами, зробленими з матеріалів, що містять солі Плюмбуму?

197. Чому, працюючи в радіоактивно забруднених зонах, потрібно надягати спеціальне спорядження (мал. 263)?

198. Доза 1 Гр поглинутого випромінювання а-частинок чинить на живий організм приблизно таку саму біологічну дію, як і 20 Гр у-випромінювання. Визначте коефіцієнт відносної біологічної ефективності для а-частинок.

199. Під час роботи атомного реактора в тепловидільних елементах нагромаджується значна кількість радіоактивних ізотопів різних хімічних елементів. Серед них ізотопи Йод-131, Йод-133, Йод-135. Періоди півроз-паду цих ізотопів відповідно дорівнюють 8 діб, 20 год, 7 год. Під час аварії на Чорнобильській АЕС викид цих ізотопів становив значну частину від загальної кількості. Визначте, яка частина кожного з ізотопів Йоду розпалася до кінця першого місяця після аварії на Чорнобильській АЕС.

200. Серед радіоактивних забруднень, спричинених аварією на Чорнобильській АЕС, найнебезпечнішими є довго живучі продукти поділу, такі як Стронцій-90, Цезій-137. Обчисліть час до моменту, коли активність цих забруднень зменшиться в 10 разів. Періоди піврозпаду їх відповідно становлять 28 і 30 років.

ІСТОРИЧНА ДОВІДКА

Іваненко Дмитро Дмитрович (1904-1994) - доктор фізико-математичних наук, професор Московського університету ім. М.В. Ломоносова. Народився в Полтаві. Дід Дмитра з боку батька, як і багато хто з його роду, був священиком. Батько видавав газету «Полтавський вісник». У 1920 р. Дмитро закінчив полтавську гімназію, де за високу ерудицію мав прізвисько Професор.

У 1920-1923 pp. працював учителем фізики і математики в Полтавській трудовій школі. Одночасно навчався в Полтавському педагогічному інституті, який успішно закінчив. Тоді ж вступив до Харківського університету, працюючи ще і в Полтавській

астрономічній обсерваторії. Згодом його перевели до Ленінградського університету, який закінчив у 1927 р.

Очолював відділ теоретичної фізики в Українському фізико-технічному інституті в Харкові, працював у Ленінградському фізико-технічному інституті, у науково-дослідних установах Томська і Свердловська. У 1940-1941 pp. був професором, завідувачем кафедри теоретичної фізики Київського університету. З 1943 р. - професор Московського університету, з 1949 р. також працював в Інституті історії природознавства і техніки.

Основні напрями наукової діяльності: теоретична фізика, теорія гравітації (тяжіння), історія фізики. Наприкінці лютого 1932 р. англійський фізик Джеймс Чедвік на сторінках англійського журналу «Nature» повідомив про відкриття третьої елементарної частинки - нейтрона, а вже у травні 1932 р. Іваненко виступив на сторінках цього самого журналу із статтею «Гіпотеза про роль нейтронів», у якій уперше висловив думку, що нейтрон поряд з протоном є структурним елементом ядра, і вперше сформулював протонно-нейтронну модель ядра, нині загальновизнану. Уже неможливо уявити шкільні підручники у світі без опису атомів з електронними оболонками та ядрами із протонів і нейтронів.

За дослідження з теорії електрона, що «світиться» під час швидкого руху по колу в магнітному полі, і сучасних проблем електродинаміки, викладених у монографії «Класична теорія поля» (1949), у 1950 р. разом з І.Я. Померанчуком і А.О. Соколовим удостоєний тогочасної державної премії.

Автор численних наукових праць, зокрема «Квантової теорії поля» (1952).

Піонером у галузі ядерних досліджень в Україні був Харківський фізико-технічний інститут. У 1932 р. вперше було здійснено розщеплення ядра атома Літію швидкими протонами на дві а-частинки (К.Д. Синельников, О.І. Лейпунський, А.К. Вальтер, Г.Д. Латишев). У 1939 р. в Харкові збудовано перший електростатичний прискорювач заряджених частинок на 2,5 МеВ, за допомогою якого Синельников і Вальтер дослідили поглинання швидких електронів речовиною. Вагомий внесок у розвиток ядерної фізики та ядерної енергетики зробив Олександр Ілліч Лейпунський.

Він одержав у 1934 р. перше непряме підтвердження гіпотези нейтрино, досліджуючи імпульси віддачі ядер під час а-розпаду. У 1935-1939 pp. під керівництвом Лей-пунського досліджено взаємодію нейтронів з різними речовинами - водою, парафіном, залізом та нікелем (Г.О. Голобородько, Л.В. Розенкевич, Д.В. Тимощук).

Біля входу в УФТІ. Харків, 30-ті роки. Зліва направо: 1-й ряд - Л.В. Шубніков,

О.І. Лейпунський, Л.Д. Ландау, П.Л. Капиця; 2-й ряд - Б.М. Фінкельштейн,

О.М. Трапезнікова, К.Д. Синельніков, Ю.Н. Рябінін

У Києві ядерні дослідження почалися в 1944 р. під керівництвом Лейпунського. З 1946 р. цими дослідженнями в Інституті фізики АН УРСР керував Митрофан Васильович Пасічник. Учені вивчали взаємодії ядер з нейтронами радон-берилієвого джерела у 100 мКі.

У 1960 р. в Україні до ряду діючих установок введено експериментальний ядерний реактор ВВР-М з тепловою потужністю 10 МВт. З метою прискорення протонів збудовано електростатичний генератор у стисненому газі на енергію 2,5 МеВ для протонів.

В.Й. Стрижак, М.Д. Борисов з колективом розробили низьковольтні генератори протонів. З 1953 р. в Інституті фізики АН УРСР діяв циклотрон У-120, який давав змогу прискорювати протони, ядра дейтерію та а-частинки до енергій відповідно 6,8; 13,6 та 27,2 МеВ. Дослідження на ядерному реакторі дали важливі відомості про взаємодію нейтронів з різними речовинами, що потрібні для вибору конструкційних матеріалів під час будівництва промислових атомних електростанцій.

На ядерному реакторі працівники багатьох науково-дослідних інститутів досліджують вплив нейтронів і у-променів на різні матеріали, рослини, мікроби та інші біологічні об'єкти. У 1964 р. було створено електростатичний генератор на 5 МеВ. На базі ядерних відділів Інституту фізики в 1970 р. в Академії наук України утворено Інститут ядерних досліджень. У 1977 р. тут було введено в експлуатацію ізохронний циклотрон У-240.

Поряд з експериментальними проводилися широкі теоретичні дослідження з ядерної фізики. Першою з теорії ядра була праця Лева Давидовича Ландау (1937), присвячена статистичній теорії ядер, яку він виконав у Харківському фізико-технічному інституті. Велике значення для розвитку ядерної фізики мали роботи одного із засновників Харківської школи фізиків-теоретиків, керівника відділу теоретичної фізики Українського фізико-технічного інституту (тепер - Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут»), академіка НАН України (1964) Олександра Ілліча Ахієзера, зокрема його монографія «Деякі питання теорії атомного ядра» (у співавторстві з І.Я. Померанчуком).


ПЕРЕВІРТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

Контрольні запитання

1. Яке наукове значення мали досліди Резерфорда?

2. Чому модель атома назвали «планетарною»?

3. Що таке радіоактивність і які існують її види?

4. Які радіоактивні речовини ви знаєте? Як вони використовуються?

5. Назвіть величини для визначення дози опромінення. Чим вони відрізняються між собою?

6. Назвіть основні одиниці доз опромінення. Покажіть зв'язок між ними.

7. Яким чином може уразити організм людини радіоактивне випромінювання?

8. Чи однаково реагують органи людини на радіоактивне випромінювання? Доведіть це.

9. Які радіоактивні речовини є найнебезпечнішими під час ядерних катастроф?

10. За рахунок якого виду енергії виробляють електричну енергію на атомних станціях?

11. Чому атомні реактори розміщують за масивними залізобетонними стінами та іншими захисними спорудами?

12. Які перспективи розвитку ядерної енергетики в Україні?

Що я знаю і вмію робити

Я знаю, які досліди виконав Резерфорд.

1. Чому у своїх дослідах Резерфорд використав саме золоту фольгу?

2. Чому у своїх дослідах Резерфорд використав а-частинки, а не електрони?

Я знаю, що таке радіоактивність.

3. Які частинки мають більшу енергію: а- чи р-частинки?

4. Які речовини використовують для захисту від радіоактивного випромінювання?

Я вмію визначати період піврозпаду атомних ядер.

5. За таблицею визначте період піврозпаду ядер Урану-235.

Я вмію користуватися дозиметрами.

6. Які прилади зображено на малюнку 264? Для чого їх використовують?

7. Чи можна за допомогою дозиметра виміряти еквівалентну дозу у-випромінювання?

Я знаю, як людина захищає свій організм від радіаційного випромінювання.

8. Чому у скло для радіаційних камер додають свинець?

9. Якими хімічними елементами найбільше забруднена Чорнобильська зона?

Я знаю, як побудований атом.

10. На малюнку 265 показано зразки металічного натрію і рідкого хлору. Яка речовина утворюється при їх сполученні?

11. Чому атом може втрачати електрон або захоплювати його? Що при цьому утворюється?

ТЕСТОВІ ЗАВДАННЯ

Варіант 1

1. Яке з випромінювань відхиляється в магнітному полі?

А у-випромінювання

Б потік протонів В потік нейтронів Г світлові промені

17

2. Скільки протонів Z і нейтронів N в ядрі ізотопа кисню ' ?

3. A Z = 8, N = 17 Б Z = 8, N = 9 B Z = 17, N = 8 Г Z = 8, N = 8

4. Які з перелічених випромінювань мають найбільшу проникну здатність?

А р-випромінювання

Б а-випромінювання В у-випромінювання Г рентгенівське випромінювання

5. Який порядковий номер у періодичній системі елемента, що отримано в результаті а-розпаду ядра елемента з порядковим номером Z?

А Z + 2 Б Z - 2 B Z - 4 Г Z - 1

6. До якого виду належить реакція

А ядерна реакція Б термоядерна реакція В керована ядерна реакція Г ланцюгова реакція

7. Який період піврозпаду Йоду-131?

А 6 днів Б 18 днів В 8 днів Г 80 днів

8. Який фізичний чинник впливає на значення активності радіоактивного препарату? А температура Б маса В тиск Г електричне поле

9. Чим відрізняються ізотопи певного хімічного елемента?

А числом протонів у ядрі Б хімічними властивостями В числом електронів в оболонці Г числом нейтронів у ядрі

10. Який матеріал є найкращим для захисту від рентгенівського і у-випромінювання?

А деревина Б свинець В залізо Г бетон

11. На яких електростанціях використовують ядерне паливо?

А ВЕС Б ГЕС В АЕС Г ГРЕС

12. Який прилад застосовують для вимірювання дози радіоактивного випромінювання?

А вольтметр Б амперметр В дозиметр Г ватметр

Варіант 2

1. Які частинки використовував у своїх дослідах Резерфорд?

А нейтрони Б електрони В протони Г ядра Гелію

2. Які із частинок, що рухаються в магнітному полі, не відхиляються ним?

А електрони Б нейтрони В протони Г жодні

3. Скільки протонів Z і нейтронів N в ядрі ізотопа Карбону

A Z = 6, N = 13 Б Z = 6, N = 7 B Z = 13, N = 6 Г Z = 6, N = 6

4. Який період піврозпаду Стронцію-90?

А 24 роки Б 24 дні В 240 днів Г 240 років

5. Який порядковий номер у періодичній системі в елемента, який отримано в результаті p-розпаду ядра елемента з порядковим номером Z?

A Z + 1 Б Z - 0 B Z - 2 Г Z - 1

6. До якого виду належить реакція

А ядерна реакція Б термоядерна реакція В керована ядерна реакція Г ланцюгова реакція

7. Від якого з перелічених чинників залежить активність радіоактивного препарату?

А період піврозпаду Б магнітне поле В тиск Г температура

8. Який з перелічених ізотопів не може бути пальним у реакторах на повільних нейтронах?

9. У яких регіонах України розміщуються найбільші поклади уранових руд?

A у західних областях

Б у Дніпропетровській та Кіровоградській областях B у Донецькій і Луганській областях Г у жодному з регіонів

10. Яка з перелічених речовин є найкращим сповільнювачем швидких нейтронів?

А золото Б ртуть В вода Г залізо

11. Яке з перелічених джерел йонізуючої радіації є штучним?

А космічні промені

Б відходи теплових і атомних електростанцій В гранітні породи Г радіоактивний радон

12. Яким харчовим продуктом слід збагатити свій раціон, щоб попередити накопичення в організмі цезію?

А сало Б хліб В родзинки Г цукор

скачать dle 11.0фильмы бесплатно

Популярне з Фізики за 9 клас

Добавити коментар

Автору дуже потрібно знати, чи Вам допоміг даний матеріал?!

    • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
      heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
      winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
      worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
      expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
      disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
      joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
      sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
      neutral_faceno_mouthinnocent
оновити, якщо не видно коду

Коментарів 0


Ми створили сайт TEXTBOOKS з метою розміщення матеріалів (шкільних підручників) Міністерства Освіти України, для покращення освітнього процесу учнів у школах та вузах України.
Онлайн перегляд шкільного матеріалу допоможе Вам знайти якісну відповідь на поставлені питання вчителя.
Використовуйте Наш ресур для підготовки до ЗНО 2021, адже у нас присутні підготовчі курси з математики, української мови та літератури, англіської мови та історії України.