Контрольная работа по "Концепциям современного естествознания"

Но если теория реально  допускает возможность её независимой  проверки, то она не может называться лженаучной, какой бы ни была «степень бредовости» (по Нильсу Бору) этой теории. Некоторые из таких теорий могут  стать «протонауками», породив новые направления исследований и новый язык описания действительности. Следует, однако, отличать при этом теории, которые прошли проверку и были опровергнуты — их активное продвижение также относят к псевдонаучной деятельности.

72. Проблема устойчивости атомных ядер. Радиоактивность. Естественная и искусственная радиоактивность. Типы радиоактивных распадов. Термоядерные реакции.

Атомное ядро — центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относится атом. Размеры ядер различных атомов составляют несколько фемтометров, что в более чем в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома.

Энергия связи  ядер. Дефект массы

1. Нуклоны в ядрах находятся  в состояниях, существенно отличаю-щихся  от их свободных состояний.  За исключением ядра обычного  водоро-да во всех ядрах имеется  не менее двух нуклонов, между  которыми сущест-вует особое ядерное  сильное взаимодействие - притяжение - обеспечиваю-щее устойчивость ядер, несмотря на отталкивание одноименно  заряженных протонов.

2. Энергией связи нуклона  в ядре называется физическая  величина, равная той работе, которую  нужно совершить для удаления  нуклона из ядра без сообщения  ему кинетической энергии. 

Энергия связи ядра определяется величиной той работы, которую  нужно совершить, чтобы расщепить  ядро на составляющие его нуклоны  без придания им кинетической энергии. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделяться такая же энергия, какую  нужно затратить при расщеплении  ядра на составляющие его нуклоны. Энергия  связи ядра является разностью между  энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в  ядре.

3. При образовании ядра  происходит уменьшение его массы:  масса ядра меньше, чем сумма  масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра при  его образовании объясняется  выделением энергии связи. Если  Wсв - величина энергии, выделяющейся при образовании ядра, то соответствующая ей масса Dm, равная

называется дефектом массы  и характеризует уменьшение суммарной массы при образовании ядра из составляющих его нуклонов. Если ядро с массой Mяд образовано из Z протонов с массой mp и из (A-Z) нейтронов с массой mn, то

Dm=Zmp+(A-Z)mn-Mяд.

Вместо массы ядра Мяд  величину Dm можно выразить через атомную массу Мат:

Dm=ZmН+(A-Z)mn-Mат,

где mH - масса водородного атома.

При практическом вычислении Dm массы всех частиц и атомов выражаются в атомных единицах массы.

Дефект массы служит мерой  энергии связи ядра:

Wсв=Dmс2=[Zmp+(A-Z)mn-Mяд]с2

Одной атомной единице  массы соответствует атомная  единица энергии (а.е.э.): а.е.э.=931,5016 МэВ.

4. Удельной энергией связи  ядра wсв называется энергия связи, при-ходящаяся на один нуклон: wсв= . Величина wсв составляет в среднем 8 МэВ/нуклон. По мере увеличения числа нуклонов в ядре удельная энергия связи убывает.

5. Критерием устойчивости  атомных ядер является соотношение  между числом протонов и нейтронов  в устойчивом ядре для данных  изоба-ров. (А=const).

   Явление радиоактивности было открыто в 1896 г. французским физиком Анри Беккерелем. Он обнаружил, что содержащие уран вещества испускают невидимые лучи, вызывающие потемнение фотопластинки и способные проникать через бумагу, дерево и другие плотные среды. Некоторое время спустя знаменитые французские физики Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри установили, что способностью испускать такие лучи обладают, кроме урана, еще торий и полоний. Немного позднее (1898) ими был открыт радий. Супруги Кюри выделили радий в чистом виде, который представлял собой мягкий серебристо-белый металл, похожий по своим свойствам на барий. Исследования показали, что интенсивность излучения, испускаемого радием, в миллионы раз больше, чем у урана. Беккерель и супруги Кюри показали сильное действие излучения радия на человеческий организм.

  Способность некоторых элементов испускать открытые Беккерелем лучи супруги Кюри назвали радиоактивностью, а вещества, обладающие этой способностью, — радиоактивными веществами.

  В настоящее время излучения, возникающие при радиоактивном распаде, называют ионизирующими или ядерными, излучениями. Первое из этих названий связано с одним из главных свойств данных излучений — способностью производить ионизацию в окружающей среде. Однако этой способностью обладают также и рентгеновские лучи и отчасти ультрафиолетовые. Поэтому более точным является название «ядерные излучения».

Естественные  радиоактивные элементы

 Природными, или естественными,  излучателями называются все  радиоактивные изотопы, встречающиеся  в природе и не созданные  человеком. Явление естественной  радиоактивности, как было сказано  ранее, открыто в самом конце  XIX века. Следы естественной радиоактивности  можно обнаружить во всех веществах  живой и неживой природы.

  Открытие естественной радиоактивности оказало глубокое влияние на многие фундаментальные понятия науки. Явление естественной радиоактивности было использовано для создания эффективных методов изучения микроскопической структуры веществ и их свойств. Радиоактивность естественных излучателей начали использовать при изучении строения атомных ядер для оценки возраста земли и измерения скорости образования осадков на дне океанов.

  В настоящее время в природе обнаружено около 340 изотопов, причем 70 из них являются радиоактивными, это в основном изотопы тяжелых металлов.

  Основное количество естественных радиоактивных изотопов относится к тяжелым элементам. Все элементы, имеющие атомный номер больше 80, имеют радиоактивные изотопы. Изотопы элементов с атомным номером больше 82 в стабильном состоянии вообще неизвестны, все они являются радиоактивными. Кроме естественно возникших радиоактивных излучателей земного происхождения, имеются некоторые изотопы, образованные в процессе взаимодействия космических лучей с газами земной атмосферы и отдельными элементами земной коры. Наиболее важными из них являются углерод (С14) и тритий (Н3).

   Естественные радиоактивные изотопы, встречающиеся в природе, можно разбить на три группы. В первую группу входят естественные радиоактивные элементы, известные изотопы которых радиоактивны. К этой группе относятся три семейства последовательно превращающихся изотопов: ряды урана — радия, тория и актиния. Промежуточными продуктами распада этих радиоактивных семейств являются как твердые, так и газообразные изотопы (эманации). Наибольшее значение из этой группы имеют уран (U235), торий (Тh232), радий (Rа226) и радон (Rn222, Rn220). Во вторую группу входят изотопы химических элементов, связанных генетически, т. е. не образующие семейства. К этой группе относятся калий (К40), кальций (Са48), рубидий (RЬ87), цирконий (Zг96), лантан (Lа138), самарий (Sm147), лютеций (Lu176). Основное значение из этой группы имеет калий: он обусловливает наибольшую величину естественной радиоактивности.

  В третью группу входят так называемые космогенные изотопы, которые образуются в стратосфере под действием космических лучей, захватываются атмосферными осадками и в их составе выпадают на земную поверхность. К этой группе относятся тритий (Н3), бериллий (Ве7, Ве10) и углерод (С14).

  Естественные излучатели в основном являются долгоживущими изотопами, с периодом полураспада 108—1016 лет. В процессе распада они испускают α- и β-частицы, а также γ-лучи. Обычно эти естественные радиоактивные изотопы находятся в очень рассеянном состоянии.

Искусственные радиоактивные  изотопы

   Кроме естественных радиоактивных изотопов, существующих в природной смеси элементов, известно много искусственных радиоактивных изотопов. Искусственные радиоактивные изотопы получаются в результате различных ядерных реакций. Изучение естественной радиоактивности показало, что превращение одного химического элемента в другой обусловлено изменениями, происходящими внутри атомных ядер, т.е. внутриядерными процессами. В связи с этим были предприняты попытки искусственного превращения одних химических элементов в другие путем воздействия на атомные ядра.

  Для превращения одних химических элементов в другие необходимо было атомные ядра подвергать таким воздействиям, которые бы приводили к изменению ядер и связанному с этим превращению одних элементов в другие. Следовательно, нужны были источники энергии того же порядка, как энергия внутриядерных связей. Эффективным средством воздействия на атомные ядра оказалась бомбардировка их частицами высокой энергии (от нескольких миллионов до десятков миллиардов электрон-вольт).

  В первое время в качестве бомбардирующих частиц применяли α-частицы радиоактивного излучения.

  В 1919 г. Резерфорд впервые осуществил искусственное расщепление ядер азота, бомбардируя их α-частицами полония. Затем стали применять и другие заряженные частицы, предварительно сообщая им очень большую скорость (кинетическую энергию) в специальных ускорителях. Кроме того, в настоящее время применяются потоки заряженных и нейтральных частиц, создаваемые ядерными реакторами. Процесс превращения атомных ядер, обусловленный воздействием на них быстрых элементарных частиц (или ядер других атомов), называется ядерной реакцией. Например, после пропускания α-лучей через слой азота образуются атомы изотопа кислорода и атомные ядра водорода, т.е. протоны. Эта ядерная реакция протекает следующим образом: α-частица попадает в ядро азота и поглощается им. Образуется промежуточное ядро изотопа фтора 9F18, которое оказывается неустойчивым, оно мгновенно выбрасывает из себя один протон и превращается в изотоп кислорода.

  В настоящее время запись ядерных реакции производят более сокращенно. После символа атомного ядра, подвергающегося, бомбардировке указывают в скобках бомбардирующую частицу и другие частицы, появляющиеся в результате реакции; за скобкой ставят символ атомного ядра — продукта. Этот способ записи к рассматриваемой реакции может выглядеть следующим образом. Первая искусственная ядерная реакция, проведенная Резерфордом, подтвердила возможность осуществления искусственных ядерных реакций и непосредственно показала, что протоны входят в состав атомных ядер и могут быть выбиты из этих ядер.

   Все ядерные реакции сопровождаются испусканием тех или иных элементарных частиц (в том числе и γ-квантов) . Продукты многих ядерных реакций оказываются радиоактивными. Явление искусственной радиоактивности было открыто известными французскими физиками Ирэн и Фредериком Жолио-Кюри в 1934 г. Они впервые искусственным путем получили радиоактивные изотопы элементов, встречающихся в природе в виде устойчивых изотопов. Такие изотопы были названы искусственно радиоактивными изотопами.

   Первые искусственно радиоактивные изотопы были получены при бомбардировке α-частицами элементов бора, магния, алюминия. При бомбардировке алюминия вылетают нейтроны и получался изотоп фосфора, испускающий позитроны. Изотоп фосфора оказался радиоактивным, его атомные ядра испускали позитроны и превращались в ядра кремния. реакция бомбардировки алюминия α-частицами, открытая супругами Жолио-Кюри, показала новый вид радиоактивного распада-позитронный распад, который не наблюдается у естественно биоактивных изотопов.

  В дальнейшем было показано, что искусственные радиоактивные изотопы можно получить, бомбардируя стабильные изотопы не только α-частицами, но нейтронами и другими ядерными частицами.

  В настоящее время радиоактивные изотопы известны почти для всех элементов и их можно получить, при самых разнообразных ядерных реакциях. Так, даже один и тот же изотоп может быть получен в результате совсем различных ядерных реакций. После открытия искусственной радиоактивности стало возможным нанесение «метки» на атомы почти каждого химического элемента. Искусственные радиоактивные изотопы стали применяться в качестве меченых атомов. Метод меченых атомов в настоящее время имеет большое значение в самых разнообразных науки областях и практики.

  Следует отметить, что методом меченых атомов называют работу как со стабильными, так и с радиоактивными изотопами, если эти изотопы используются как индикаторы. Радиоактивные изотопы применяются в качестве меченых атомов чаще, чем стабильные потопы.

  В настоящее время для получения искусственных радиоактивных изотопов в промышленности применяют три основных метода: 1) бомбардировка химических соединений и элементов ядерными частицами; 2) химическое разделение смеси изотопов; 3) выделение продуктов распада естественных радиоактивных изотопов.

   Для биологических и сельскохозяйственных работ имеют значение в основном изотопы, полученные двумя первыми методами. В промышленном масштабе искусственные радиоактивные изотопы получают путем облучения (преимущественно нейтронного) соответствующих химических элементов в ядерном реакторе. В результате ядерной реакции типа (n, γ) получается изотоп того элемента, который облучается. При реакциях типа (n, α) и (n, p) образуются изотопы других элементов.