Реферат Явление радиоактивности и атомное ядро
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
ЦЕНТРОСОЮЗ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
СИБИРСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПОТРЕБИТЕЛЬСКОЙ КООПЕРАЦИИ
Кафедра естественных наук
Реферат по дисциплине Концепция современного естествознания
на тему:
«Явление радиоактивности и атомное ядро»
Факультет:
Группа: К09-114Д
Студентка: Рыженко Н.Г.
Проверил:
Отметка о защите:
Новосибирск, 2010
Содержание:
1) Строение атомного ядра…………………………………………………..…..3
2) Радиоактивный распад…………………………………………………...……3
3) Виды радиоактивных излучений и методы их регистрации…………...……5
4) Ядерная энергия…………………..…………………………………...………6
5) Термоядерная реакция……………………………………………………...….8
5) Дефект массы…………………………………………………………….……10
6) Атомная энергетика – перспективы и проблемы…………………………...11
Список литературы…………………………………………………………...….15
Атом как целое.
Ядро представляет собой центральную часть атома . В нем сосредоточены положительный электрический заряд и основная часть массы атома; по сравнению с радиусом электронных орбит размеры ядра чрезвычайно малы: 10–15–10–14 м. Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов, имеющих почти одинаковую массу, но лишь протон несет электрический заряд. Полное число протонов называется атомным номером Z атома, который совпадает с числом электронов в нейтральном атоме. Ядерные частицы (протоны и нейтроны), называемые нуклонами, удерживаются вместе очень большими силами; по своей природе эти силы не могут быть ни электрическими, ни гравитационными, а по величине они на много порядков превышают силы, связывающие электроны с ядром.[2]
Рис. 1 Структура атома
Радиоактивный распад
Радиоакти́вность (от лат. radio — «излучаю», radius — «луч» и activus — «действенный») — свойство атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) изменять свой состав (заряд Z, массовое число A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов[1]. Соответствующее явление называется радиоакти́вным распа́дом. Радиоактивностью называют также свойство вещества, содержащего радиоактивные ядра.
Установлено, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и многие более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны).
Естественная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе.
Искусственная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции.
Энергетические спектры α-частиц и γ-квантов, излучаемых радиоактивными ядрами, прерывистые («дискретные»), а спектр β-частиц — непрерывный.
Распад, сопровождающийся испусканием альфа-частиц, назвали альфа-распадом; распад, сопровождающийся испусканием бета-частиц, был назван бета-распадом (в настоящее время известно, что существуют типы бета-распада без испускания бета-частиц, однако бета-распад всегда сопровождается испусканием нейтрино или антинейтрино). Термин «гамма-распад» применяется редко; испускание ядром гамма-квантов называют обычно изомерным переходом. Гамма-излучение часто сопровождает другие типы распада.
В настоящее время, кроме альфа-, бета- и гамма-распадов, обнаружены распады с эмиссией нейтрона, протона (а также двух протонов), кластерная радиоактивность, спонтанное деление. Электронный захват, позитронный распад (или β + -распад), а также двойной бета-распад (и его виды) обычно считаются различными типами бета-распада.
Некоторые изотопы могут испытывать одновременно два или более видов распада. Например, висмут-212 распадается с вероятностью 64 % в таллий-208 (посредством альфа-распада) и с вероятностью 36 % в полоний-212 (посредством бета-распада).
Образовавшееся в результате радиоактивного распада дочернее ядро иногда оказывается также радиоактивным и через некоторое время тоже распадается. Процесс радиоактивного распада будет происходить до тех пор, пока не появится стабильное, то есть нерадиоактивное ядро, а последовательность возникающих при этом нуклидов называется радиоактивным рядом. В частности, для радиоактивных рядов, начинающихся с урана-238, урана-235 и тория-232, конечными (стабильными) нуклидами являются соответственно свинец-206, свинец-207 и свинец-208.[1]
Виды радиоактивных излучений и методы их регистрации
Радиоактивность — это испускание ядрами некоторых элементов различных частиц, сопровождающееся переходом ядра в другое состояние и изменением его параметров. Явление радиоактивности было открыто опытным путем французским ученым Анри Беккерелем в 1896 г. для солей урана. Беккерель заметил, что соли урана засвечивают завернутую во много слоев фотобумагу невидимым проникающим излучением.
Английский физик Э. Резерфорд исследовал радиоактивное излучение в электрических и магнитных полях и открыл три составляющие этого излучения, которые были названы α-, β-, γ-излучением (рис.2).
Рис. 2 α-,β-,γ-излучения
α-Распад представляет собой излучение α-частиц (ядер гелия) высоких энергий. При этом масса ядра уменьшается на 4 единицы, а заряд — на 2 единицы.
β-Распад — излучение электронов, заряд которых возрастает на единицу, массовое число не изменяется.
γ-Излучение представляет собой испускание возбужденным ядром квантов света высокой частоты. Параметры ядра при γ-излучении не меняются, ядро лишь переходит в состояние с меньшей энергией.
Распавшееся ядро тоже радиоактивно, т. е. происходит цепочка последовательных радиоактивных превращений. Процесс распада всех радиоактивных элементов идет до свинца. Свинец — конечный продукт распада.
Приборы, применяемые для регистрации ядерных излучений, называются детекторами ядерных излучений. Наиболее широкое применение получили детекторы, обнаруживающие ядерные излучения по производимой ими ионизации и возбуждению атомов вещества: газоразрядный счетчик Гейгера, камера Вильсона, пузырьковая камера. Существует также метод фотоэмульсий, основанный на способности пролетающей частицы создавать в фотоэмульсии скрытое изображение. След пролетевшей частицы виден на фотографии после проявления. Радиоактивные излучения оказывают сильное биологическое действие на ткани живого организма, заключающееся в ионизации атомов и молекул среды. Возбужденные атомы и ионы обладают сильной химической активностью, поэтому в клетках организма появляются новые химические соединения, чуждые здоровому организму. Под действием ионизирующей радиации разрушаются сложные молекулы и элементы клеточных структур. В человеческом организме нарушается процесс кроветворения, приводящий к дисбалансу белых и красных кровяных телец. Человек заболевает белокровием, или так называемой лучевой болезнью. Большие дозы облучения приводят к смерти.
Ядерная энергия
Ядерная энергия — это энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях (ранее использовался термин Атомная энергия).
Энергия связи.
Зависимость удельной энергии связи (приходящейся на один нуклон) от числа нуклонов в ядре
Энергия, которая требуется, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, неодинакова для разных химических элементов и, даже, изотопов одного и того же химического элемента. Удельная энергия связи нуклона в ядре колеблется, в среднем, в пределах от 1 МэВ у лёгких ядер (дейтерий) до 8,6 МэВ, у ядер среднего веса (А≈100). У тяжёлых ядер (А≈200) удельная энергия связи нуклона меньше, чем у ядер среднего веса, приблизительно на 1 МэВ, так что их превращение в ядра среднего веса (деление на 2 части) сопровождается выделением энергии в количестве около 1 МэВ на нуклон, или около 200 МэВ на ядро. Превращение лёгких ядер в более тяжёлые даёт ещё больший энергетический выигрыш в расчёте на нуклон. Так, например, реакция соединения дейтерия и трития
1D²+1T³→2He4+0n1
сопровождается выделением энергии 17,6 МэВ, т.е. 3,5 МэВ на нуклон.
Высвобождение ядерной энергии
Известны экзотермические ядерные реакции, высвобождающие ядерную энергию.
Обычно, для получения ядерной энергии, используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана-235 или плутония. Ядра делятся при попадании в них нейтрона, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло.
Другим способом высвобождения ядерной энергии является термоядерный синтез. При этом, два ядра лёгких элементов соединяются в одно тяжёлое. Такие процессы происходят на Солнце.
Многие типы атомных ядер являются неустойчивыми. С течением времени часть таких ядер самопроизвольно превращаются в другие ядра, высвобождая энергию. Такое явление называют радиоактивным распадом.
Применение ядерной энергии
Энергия деления ядер урана или плутония применяется в ядерном и термоядерном оружии (как пускатель термоядерной реакции). Существовали экспериментальные ядерные ракетные двигатели, но испытывались они исключительно на Земле и в контролируемых условиях, по причине опасности радиоактивного заражения в случае аварии. На атомных электрических станциях ядерная энергия используется для получения электроэнергии и для отопления. Ядерные силовые установки решили проблему судов с неограниченным районом плавания (атомные ледоколы, атомные подводные лодки, атомные авианосцы). В условиях дефицита энергетических ресурсов, ядерная энергетика считается наиболее перспективной в ближайшие десятилетия.
Энергия термоядерного синтеза применяется в водородной бомбе. [5]
Термоядерная реакция
Посмотрев на таблицу Менделеева, мы видим, что она начинается водородом, а кончается ураном. Начинается с легких элементов, кончается тяжелыми.
Есть еще другой способ освобождения и использования внутриядерной энергии. Этот путь основан на преобразовании ядер легких элементов, расположенных в начале таблицы Менделеева. Только энергия, выделяющаяся при этих преобразованиях, называется не ядерной, а термоядерной.
Приставка «термо» определяет способ освобождения этой энергии. «Термос» по-гречески означает тепло. Термоядерная энергия — это энергия, получаемая при помощи тепла.
Оказывается, если два ядра атомов легких элементов сблизить между собой вплотную, то между ними произойдет ядерная реакция. В результате этой реакции из двух легких ядер образуется более тяжелое ядро и выделяется энергия; причем этой энергии на единицу массы выделяется значительно больше, чем при делении тяжелых ядер. Такая ядерная реакция называется реакцией синтеза (т.е. слияния), а энергия — энергией синтеза ядер. Это и есть термоядерная энергия.
Для выделения заметной энергии нужно, чтобы термоядерная реакция происходила во всем объеме вещества. И чтоб разогнать все ядра вещества надо воспользоваться нагреванием. Ведь при нагревании тела скорость движения атомов (следовательно, и ядер) увеличивается. Значит, если нагреть вещество, состоящее из ядер легких элементов, до достаточно высокой температуры, то начнется термоядерная реакция. Энергии, выделяющейся при этой реакции, хватит и для поддержания реакции, и для полезного использования. А энергия выделится огромная. Если при делении одного грамма урана выделяется энергия, эквивалентная энергии, получаемой при сгорании двух с половиной тонн угля, то при синтезе одного грамма легких ядер выделится энергия, эквивалентная энергии уже десятков тонн каменного угля.
Чтобы реакция пошла достаточно интенсивно нужны десятки миллионов градусов, а достигнутые в технике температуры очень малы. Они не превышают пяти-шести тысяч градусов.
Но в 1950 г. двое советских ученых — академики Сахаров и Тамм — впервые предложили один из способов получения сверхвысоких температур в земных условиях. Их идея заключалась в том, чтобы через плазму пропускать электрический ток очень большой силы — в десятки тысяч ампер. Пропускать такой ток можно только импульсами длительностью в доли секунды. Ведь никакие проводники не выдержат такого тока, они сразу расплавятся. Но в момент пропускания тока под действием возникающих электродинамических сил плазма сожмется в тонкий шнур, имеющий огромную температуру. Таким образом, если плазма получена из атомов легких элементов, то можно ожидать возникновения термоядерной реакции при пропускании через нее электрического тока.
Именно об этих опытах большого коллектива советских ученых и рассказал в 1956 г. в Харуэлле Игорь Васильевич Курчатов.
Но неимоверные трудности стоят на пути осуществления контролируемой термоядерной реакции. Именно контролируемой, потому что неконтролируемая, взрывная термоядерная реакция происходит при взрыве водородной бомбы.
Проблема использования термоядерной энергии по праву считается проблемой №1 современной науки. Ее решение позволит навсегда избавить человечество от угрозы энергетического голода. Ведь моря и океаны содержат огромные запасы тех самых легких ядер, которые необходимы для термоядерной реакции. Каким же громадным и «неисчерпаемым» источником энергии располагает человек! Заставить служить эту энергию людям — что может быть благороднее и почетнее!
Дефект массы
Дефе́кт ма́ссы — разность между массой покоя атомного ядра данного изотопа, выраженной в атомных единицах массы, и массовым числом данного изотопа. В современной науке для обозначения этой разницы пользуются термином избыток массы (англ. mass excess). Как правило, избыток массы выражается в кэВ.
Согласно соотношению Эйнштейна дефект массы и энергия связи нуклонов в ядре эквивалентны:
где Δm — дефект массы и с — скорость света в вакууме.
Дефект массы характеризует устойчивость ядра. Дефект массы, отнесённый к одному нуклону, называется упаковочным множителем.[6]
Атомная энергетика сегодня и завтра
Итак, анализ стратегии энергетического производства показывает, что основным реальным кандидатом для базовой энергетики завтрашнего дня являются атомные электростанции. Сегодня АЭС дают в мировую энергосистему почти 16 % всей энергии, но это лишь средняя оценка. В некоторых странах атомная энергетика является основой базовой энергетики, производя более половины энергии.
В противоречии со сложившимся общественным мнением, экспертами всего мира ядерные электростанции признаны наиболее безопасными и экологически чистыми по сравнению с прочими традиционными способами производства энергии. Кроме того, уже разработано и устанавливается новое поколение ядерных реакторов, приоритетным для которого является полная безопасность эксплуатации.
Одним из серьезных вопросов, вызывающих беспокойство общественности, является наработка и необходимость хранения долгоживущих ядерных отходов. Оценки экспертов показывают, что при производстве к середине века на АЭС около 50% энергии, ежегодно будет производиться и около 50000 т высоко радиоактивных отходов. Давайте, однако, сравним с сегодняшними тепловыми электростанциями, которые выбрасывают в атмосферу более 50000 т углерода в минуту!
Да, радиоактивные отходы сохраняют активность в течение долгих лет, но эти отходы занимают относительно малые объемы и могут быть надежно локализованы, а наиболее опасные из них нетрудно еще раз переработать, как говорят, “сжечь” в ядерных реакторах. После однократного использования на АЭС ядерного топлива в нем остается около 20 % первоначального количества U235. Так что повторное использование невыгоревшего ядерного топлива и искусственных делящихся материалов путем переработки уже облученного топлива и его регенерации позволяет наиболее эффективно использовать имеющиеся урановые ресурсы. В этом случае объем образующихся радиоактивных отходов минимален.
Вообще, для ядерных источников характерна компактная форма отходов и отсутствие выбросов продуктов сгорания. Как показывают оценки, суммарная масса ядерных отходов в миллионы раз меньше массы отходов при сжигании органики (пропорционально калорийности топлива). И это несомненное преимущество ядерной энергии.
В процессе работы реакторов изменяется баланс радиоактивных веществ в природе. Одновременно протекают два противоположных процесса: уничтожение радиоактивных ядер, имеющих естественную радиоактивность, и образование новых радиоактивных ядер. С одной стороны, уничтожается уран или другой исходный ядерный элемент, являющиеся родоначальниками цепочки радиоактивных ядер, а с другой стороны, образуются новые радиоактивные ядра: продукты деления и продукты взаимодействия нейтронов с веществом, главным образом, трансурановые изотопы. Результаты исследований баланса радиоактивности приводят к принципиальному выводу: при работе реактора происходит снижение числа суммарных радиоактивных распадов в ядерном топливе, то есть, возникающая радиоактивность не превышает по количеству распадов активность исходных естественных элементов.
Образующиеся продукты деления являются короткоживущими изотопами, по сравнению с ураном и его дочерними продуктами. Их радиоактивные распады происходят в относительно короткий интервал времени. По этой причине радиоактивность (скорость распадов) облученного топлива превышает радиоактивность исходного ядерного сырья на протяжении нескольких тысяч лет. Именно этот вывод лежит в основе решения проблемы безопасности ядерных реакторов и послереакторного топливного цикла: образующаяся радиоактивность должна быть гарантировано локализована в указанном выше временном интервале. Несомненно, такая локализация ядерных отходов и во времени, и в пространстве находится в пределах возможностей человечества.
По мнению российских специалистов никаких проблем с хранением и переработкой ядерных отходов не возникнет, даже если взяться перерабатывать ввозимые ядерные отходы. Наоборот, это позволит более полно использовать мощности страны по переработке отработанного ядерного топлива. Известно, что на сегодняшний день мощности нашей страны по их переработке использованы лишь на треть: в 2000 г. переработка собственных ядерных отходов составила всего 150 т, тогда как Россия может ежегодно перерабатывать около 400 т отработанного ядерного топлива.
Поскольку ядерное топливо не сгорает до конца, возможно его вторичное использование. Одновременно с его подготовкой к повторному использованию из него извлекают различные элементы, необходимые в медицине (рентгеноскопия) и промышленности (сварка). На сегодняшний день по технологиям переработки ядерного топлива с Россией способна конкурировать лишь Франция, на территорию которой уже ввозятся ядерные отходы. Япония только начинает развивать такие технологии, а вот Англия уже строит свой первый завод по переработке ядерного топлива. Что касается США, то они перерабатывают ядерное топливо только для военных целей.
Таким образом, атомная энергетика при нормальной эксплуатации и условии гарантированно безопасного компактного хранения и переработки радиоактивных отходов имеет несомненные экологические преимущества перед конкурентами. Ее влияние на окружающую среду ограничено практически только тепловым воздействием, которое весьма мало. Добавим также и то, что дерное топливо, в сравнении с прочими видами топлива, имеет в миллионы раз большую концентрацию энергии и практически неисчерпаемые ресурсы. Резервы урана в атомной промышленности могут обеспечить четырехкратное увеличение мощности АЭС.
Эти особенности атомного энергопроизводства открывают принципиально новые возможности и перспективы. Из ограниченных природных запасов топливного сырья в течение тысячелетий удастся получать необходимое количество энергии для удовлетворения энергопотребности человечества при любом прогнозируемом развитии цивилизации. Получится некий замкнутый цикл, при котором воздействие атомной энергетики на окружающую среду будет существенно меньше, чем при использовании традиционных технологий энергопроизводства.
Список литературы:
1) Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1994. — Т. 4. Пойнтинга — Робертсона - Стримеры. — С. 210. — 704 с. — 40 000 экз
2) Айзенбуд Л., Вигнер Е. Структура ядра. М., 1959
3) Престон М. Физика ядра. М., 1964
4) Кук Ш. Структура атомных ядер. М., 1967
5) Краткая энциклопедия "Атомная энергия", Государственное научное издательство "Большая советская энциклопедия", 1956 г
6) Сивухин Д. В. Общий курс физики, т.5, ч. 2
7) http://www.ecoatominf.ru/publishs/energy/energy06.htm
