Основные понятия ядерной физики и радиационной защиты

Гениальный русский ученый Д. И. Менделеев открыл один из важнейших законов природы — периодический закон химических элементов и создал на его основе свою научную классификацию — Периодическую систему элементов.

Атом имеет сложное устройство. В центре атома находится очень плотное ядро, несущее положительный заряд, вокруг которого с большой скоростью вращаются легкие отрицательно заряженные электроны, составляющие электронную оболочку атома. У атомов разных элементов — разное число электронов, например: вокруг ядра атома водорода движется только один электрон, у гелия — 2, у лития — 3, а вокруг ядра атома урана — 92 электрона. Число электронов в электронной оболочке атома равно порядковому номеру элемента в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева.

Почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. На долю электронов приходится менее 0,05% массы атома. При этом плотность ядерного вещества очень велика, не зависит от размеров ядра и составляет примерно 1,8−10¹⁷ кг/м³. Высокая плотность ядерного вещества свидетельствует об огромной энергии внутриядерных сил.

Простейшее ядро, ядро первого в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева элемента — водорода, названо протоном. Он имеет единичный положительный заряд. Протон, а также электрон относятся к элементарным частицам. Кроме того, основными элементарными частицами являются: нейтрон — частица приблизительно такой же массы, как и протон, но не имеющая электрического заряда; позитрон — частица аналогичная электрону, но несущая единичный положительный заряд; нейтрино — нейтральная частица с весьма малой массой покоя и некоторые другие.

Итак, ядра всех атомов построены из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны имеют общее наименование — нуклоны. Число протонов в ядре, определяющее его положительный заряд, равно порядковому номеру элемента в Периодической системе. Сумма чисел протонов и нейтронов определяет массу ядра и называется массовым числом. Число протонов в ядре каждого элемента строго определенно, а число нейтронов может изменяться в некоторых пределах. Поэтому могут существовать разновидности атомов одного и того же элемента, которые отличаются друг от друга массовым числом. Такие атомы размещаются в одной клетке Периодической системы элементов Д. И. Менделеева и называются изотопами этого элемента.

Многие природные элементы являются смесью нескольких изотопов. Так, водород представляет собой смесь 99,98% легкого изотопа — протия и 0,02% тяжелого изотопа— дейтерия. Ядро протия не что иное, как протон. Ядро дейтерия состоит из одного протона и одного нейтрона. Известен и третий изотоп водорода — тритий, ядро которого состоит из одного протона и двух нейтронов. Ядро атома одного из важнейших изотопов плутония (Рu) содержит 94 протона и 145 нейтронов.

При написании символов изотопов слева внизу ставится порядковый номер, а слева вверху — массовое число изотопа. Например, протий, дейтерий и тритий соответственно обозначаются: ₁¹Н, ₁²Н и ₁³Н. Иногда дейтерий и тритий пишутся символами D и Т.

Известны изотопы элементов, которые самопроизвольно претерпевают ядерные превращения и испускают ионизирующие излучения в видеквантов, -частиц (ядер гелия) ичастиц (электронов). Такие изотопы элементов называются радиоактивными.

Реакция деления Открытие нейтрона привело к возникновению новых направлений в ядерных исследованиях. Поглощение нейтрона большинством ядер атомов сопровождается радиационным захватом, когда энергия возбуждения выделяется в виде — -излучения.

В некоторых тяжелых элементах, в частности в уране и плутонии, наблюдается другое явление — распад ядра на два осколка. Этот процесс называется делением ядра. Он сопровождается испусканием около 200 МэВ энергии на каждое разделившееся ядро.

Изучение процесса деления урана показало, что тепловыми нейтронами делится лишь U-235; более тяжелый U-238 поглощает тепловые нейтроны без деления. Тепловыми нейтронами делятся также Рu-239 и U-233. Поэтому делящимися материалами, или ядерными взрывчатыми веществами (ЯВВ), для цепных реакций деления называются те вещества, в которых реакцию деления вызывают тепловые нейтроны.

На рис. 1. в качестве примера показана реакция деления ядра U-235. На стадии, а нейтрон приближается к ядру U-235, на стадии б образуется возбужденное составное ядро U-236, так как при поглощении нейтрона ядру передается энергия возбуждения W_возб, которая слагается из энергии связи нейтрона W_{св n} в ядре и его кинетической энергии.

W_к(W_возб = W_{св n} + W_к).

Для U-235 характерным является то, что даже при очень малой кинетической энергии нейтрона W_к 0 энергия связи нейтрона в ядре W_{св n} больше некоторого порогового значения, называемого энергией активации W_а:

Энергия активации, являющаяся потенциальным барьером реакции, представляет собой ту энергию, которую необходимо сообщить ядру урана для совершения ядрами-осколками работы против ядерных сил при делении ядра на две части.

На стадии в энергия возбуждения вызывает деформацию ядра с образованием перетяжки. Части ядра приходят в колебательное движение (подобно каплям жидкости). В результате преобладания сил электростатического отталкивания над силами ядерного притяжения происходит деление (рис. 1. г). В осколках деления сосредоточена основная масса, они содержат большую часть выделившейся энергии (166 МэВ из общего количества 200 МэВ). Это их кинетическая энергия. На рисунке показаны также у-кванты и нейтроны п, которые испускаются в процессе деления ядра. Эти нейтроны могут вызывать деление новых ядер урана или плутония.

Распределение энергии (МэВ), освобождающейся в результате деления ядра, между различными видами осколков и частиц следующее:

кинетическая энергия осколков деления — 166.

нейтроны — 5.

мгновенноеизлучение — 7.

— излучение продуктов распада — 7.

энергиячастиц — 5.

нейтрино -10.

общее количество — 200.

Для того чтобы осуществить реакцию деления других тяжелых ядер, требуется значительная энергия возбуждения. Дополнительная энергия должна быть получена за счет движения нейтрона. Так, например, для деления ядра U-238 требуются нейтроны с кинетической энергией не менее 0,9 МэВ.

Реакция деления тяжелых ядер может быть использована для освобождения огромных количеств энергии. Действительно, в соответствующем количестве ЯВВ 1 нейтрон может дать начало разветвленной цепи делений, причем число ядер, участвующих в делении в единицу времени, будет возрастать по мере увеличения числа вторичных нейтронов в каждом поколении такой цепной реакции деления (рис. 2).

Важнейшей характеристикой цепной ядерной реакции является коэффициент развития реакции Крр, который определяет число делений ядер, вызванное одним делением в предыдущем звене реакции. Если Крр>1, то реакция развивается с ускорением. Система с Крр=1, в которой процесс деления идет с постоянной скоростью, называется критической. Этому состоянию соответствует понятие «критическая масса».

Критическая масса — это такое количество ЯВВ, находящегося в определенных условиях, в котором каждое поколение нейтронов рождает новое, состоящее из такого же количества нейтронов. Критическая масса зависит от содержания делящегося изотопа в ЯВВ, среднего количества нейтронов, образующихся в одном акте деления ядра (U-235 — 2,47 нейтрона, Рu-239 — 3,09), плотности вещества с учетом действия внешнего давления, геометрической формы заряда, наличия отражателя нейтронов.

Саморазвивающаяся (цепная) реакция деления на тепловых нейтронах носит взрывной характер и служит источником энергии в ядерных боеприпасах.