В 1896 г. французский физик А.А. Беккерель (1852– 1908) при исследовании люминесценции солей урана обнаружил самопроизвольное излучение неизвестной природы, которое действовало на фотоплёнку, ионизировало воздух, проникало через тонкие металлические пластинки, вызывало люминесценцию ряда веществ. Немного позднее французские учёные, супруги Кюри – Мария Склодовская (1867–1934) и Пьер (1859–1906) – наблюдали подобные излучения и для других веществ – тория и актиния. Обнаруженное ими излучение было названо радиоактивным, а сама способность его самопроизвольного испускания – радиоактивностью. За открытие радиоактивности Пьер Кюри, Мария Склодовская-Кюри и А. Беккерель удостоены Нобелевской премии по физике в 1903 г.
Дальнейшее исследование показало, что радиоактивное излучение не зависит от состава химического соединения, его агрегатного состояния, давления, температуры, т.е. от тех факторов, которые связаны с изменением состояния электронной оболочки атома. Поэтому был сделан вывод: радиоактивные свойства элементов обусловливаются структурой атомного ядра.
В современном представлении радиоактивность – способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Различают радиоактивность естественную – для существующих в природе неустойчивых изотопов, и искусственную – для изотопов, полученных посредством ядерных реакций. Принципиального физического различия между ними нет: они описываются одними и теми же закономерностями радиоактивного превращения.
Известны три основных вида радиоактивного излучения: альфа-, бета- и гамма-излучение.
Альфа-излучение отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью и слабой проникающей способностью (поглощается, например, слоем алюминия толщиной примерно 0,05 мм). Оно представляет собой поток ядер гелия. Заряд альфа-частиц положителен и по модулю равен двойному заряду электрона.
Бета-излучение также отклоняется электрическим и магнитным полями. Оно характеризуется сравнительно слабой ионизирующей способностью и относительно высокой проникающей способностью (поглощается слоем алюминия толщиной около 2 мм). Одна из разновидностей бета-излучения – поток быстрых электронов.
Гамма-излучение не отклоняется ни электрическим, ни магнитным полем, обладает сравнительно слабой ионизирующей способностью и очень высокой проникающей способностью (проходит через слой свинца толщиной 5 см). Гамма-излучение – это коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны (не более 10–10 м), что и обусловливает его чрезвычайно высокую проникающую способность.
Естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно, называется радиоактивным распадом. Скорость радиоактивного распада определяется законом радиоактивного распада: число не распавшихся ядер убывает со временем по экспоненте.
Наблюдению цепной реакции деления ядер предшествовало открытие нейтрона – нейтральной частицы, не испытывающей кулоновского отталкивания и поэтому легко проникающей в ядро. Интересна история открытия нейтрона. В 1930 г. немецкие физики В. Боте и Г. Беккер, облучая бериллий альфа-частицами, обнаружили излучение высокой проникающей способности. Поскольку сильно проникающими могут быть только нейтральные частицы, было предположено, что обнаруженное излучение – жёсткие гамма-лучи. Дальнейшие эксперименты показали, что наблюдаемое излучение, взаимодействуя с содержащими водород соединениями, выбивает протоны, а из расчётов следовало, что предполагаемые гамма-кванты должны обладать необычно большой энергией, что вызывало сомнение. При объяснении полученных результатов эксперимента английский физик Д. Чедвик (1891–1974) в 1932 г. сделал вывод: новое проникающее излучение представляет собой не гамма-кванты, а поток тяжёлых нейтральных частиц, названных им нейтронами.
К началу 40-х годов XX в. работами многих учёных: Э. Ферми (1901–1954) (Италия), О. Гана (1879–1968), Ф. Штрассмана (1902–1980) (ФРГ), О. Фриша (1904–1979) (Великобретания), Л. Майтнер (1878–1968) (Австрия), Г.Н. Флерова (1913–1990), К.А. Петржака (1908–1998) (СССР) и других, – было доказано, что при облучении урана нейтронами образуются ядра атомов химических элементов из середины периодической таблицы Менделеева – лантана и бария. Этот результат положил начало новому виду реакции – делению ядер, при котором тяжёлое ядро под действием нейтронов и других частиц делится на несколько лёгких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе. Деление ядер сопровождается испусканием двух-трёх нейтронов, называемых вторичными нейтронами. Расчёт цепной реакции деления урана произвели наши соотечественники, физики Ю.Б. Харитон (1904–1996), Я.Б. Зельдович (1914–1987) и др.
Деление ядер сопровождается выделением чрезвычайно большого количества энергии. На самом деле удельная энергия связи ядер средней массы составляет примерно 8,7 МэВ, в то время как для тяжёлых ядер – около 7,6 МэВ. Следовательно, при делении тяжёлого ядра на два осколка высвобождается энергия 1,1 МэВ на один нуклон. Эксперименты подтверждают, что при каждом акте деления ядер действительно выделяется огромная энергия, которая распределяется между осколками (основная доля), нейтронами деления и продуктами последующего распада осколков деления.
Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать последующие новые акты деления – возникает цепная реакция деления. Она характеризуется коэффициентом размножения k нейтронов, равным отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. В процессе ядерной реакции не все образовавшиеся вторичные нейтроны вызывают деление нераспавшихся ядер, что сдерживает увеличение коэффициента размножения. Во-первых, из-за конечных размеров активной зоны (пространства, где происходит реакция) и большой проникающей способности нейтронов некоторая часть их покидает активную зону без захвата каким-либо ядром. Во-вторых, другая часть нейтронов захватывается ядрами неделящихся примесей. Кроме того, наряду с делением происходят конкурирующие процессы радиоактивного захвата и неупругого рассеивания.
Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, его количества, размеров и формы активной зоны. Минимальные размеры активной зоны, при которых возможна цепная реакция, называется критическими размерами, а минимальная масса делящегося вещества в активной зоне с критическими размерами – критической массой. При k >1 цепная реакция ускоряется: число делений быстро возрастает, и ядерный процесс становится взрывным. Условие k >1 соответствует самоподдерживающейся реакции, при которой число нейтронов со временем не изменяется. При k < 1 цепная реакция деления ядер замедляется.
Различают управляемые и неуправляемые цепные реакции деления ядер. При взрыве атомной бомбы происходит неуправляемая реакция. При хранении атомной бомбы, чтобы она не взорвалась, находящееся в ней радиоактивное вещество делится на две части с некритическими массами. Для взрыва атомной бомбы обе части сближаются, общая масса делящегося вещества становится критической, и в результате возникает неуправляемая цепная реакция, сопровождающаяся мгновенным выделением огромного количества энергии. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах атомных электростанций.
В природе существуют изотопы, которые могут служить ядерным топливом (уран-235: в естественном уране его содержится примерно 0,7 %) или сырьём для его получения (торий-232 и уран-238, содержание которого в естественном уране составляет около 99,3 %). В процессе цепной реакции деления возможно воспроизводство ядерного топлива.
Библиографические ссылки
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов, 12-е изд. М.: Директ-Медиа, 2014.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Практикум, 6-е изд. М.: Директ-Медиа, 2016.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник в 2-х кн. М.: Директ-Медиа, 2017.
Карпенков С.Х. Экология. Практикум. М.: Директ-Медиа, 2014.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник для бакалавров. М.: Логос, 2014.
Карпенков С.Х. Технические средства информационных технологий. 3-е изд. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Справочник. М.: Высшая школа, 2004.
Карпенков С.Х. Незабытое прошлое. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Воробьёвы кручи. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков Степан Харланович
