Тема13.3. Ядерні та термоядерні реакції. Елементарні частинки.(2 год.)

Мета: сформувати сучасні уявлення про ядерні реакції, вміння класифікувати реакції за певними ознаками, правильно записувати рівняння ядерної реакції; визначати типи ядерних реакцій, навчити обчислювати енергетичний вихід ядерних реакцій;

розвивати вміння аналізувати і класифікувати факти, спостережливість, логічне та творче мислення; продовжувати формувати уявлення про пізнаваність світу, виховувати інтерес до предмету і сучасної фізичної науки.

План.

1 Ядерні реакції. Енергетичний вихід ядерних реакцій.

2 Термоядерні реакції ( реакції синтезу легких ядер).

3 Ядерна енергетика.

4 Радіоактивність. Закон радіоактивного розпаду.

5 Іонізуюча дія радіоактивного випромінювання.

6 Елементарні частинки.

Вивчення нового матеріалу.

Ядерні реакції.

Ядерні реакції. Ядерна реакція – це процес сильної взаємодії ядер або елементарних частинок з іншими ядрами, який призводить до перетворення ядра (або ядер).

Взаємодія частинок виникає під час їх зближення до відстані порядку 10^-13см, на якій можуть проявити себе ядерні сили.

При цьому можливі реакції поділу, коли ядро одного атома в результаті бомбардування (наприклад, нейтронами) ділиться на два ядра різних атомів. При реакціях синтезу відбувається перетворення легких ядер у важчі.

Уперше в історії людства штучне (цілеспрямоване) перетворення ядер здійснив Е. Резерфорд у 1919 році. Бомбардуючи α – частинками великої енергії, що випускалися радієм, ядра Нітрогену ¹⁴ ₇ N, Резерфорд виявив появу протонів – ядер атома Гідрогену. При цьому ядро атома Нітрогену перетворюється на ядро ізотопу Оксигену:

¹⁴ ₇ N + ⁴ ₂ Не → ¹⁷ ₈ О + ¹ ₁ Н.

Іншими дослідниками були виявлені перетворення під впливом α – частинок ядер Флюору, Натрію, Алюмінію тощо, що супроводжувались випусканням протонів. Ядра важких елементів не зазнавали таких перетворень. Причиною цього є велика сила кулонівського відштовхування між важкими ядрами та α – частинками.

Ядерні реакції на протонах. Для здійснення ядерної реакції частинки, що взаємодіють з ядрами, повинні мати велику енергію ( особливо позитивно заряджені, які відштовхуються від ядра). Така енергія (до 10⁵ МеВ) надається протонам в прискорювачах заряджених частинок. Такий метод набагато ефективніший, ніж використання ядер Гелію, що випускаються радіоактивним елементом (енергія яких становить приблизно 9 МеВ).

Перша ядерна реакція на швидких протонах була здійснена у 1932 році. Вдалося розщепити Літій на дві α – частинки:

⁷ ₃ Li + ¹ ₁ H → ⁴ ₂ He + ⁴ ₂ He.

Ядерні реакції на нейтронах. Відкриття нейтронів виявилось поворотним пунктом у дослідженні ядерних реакцій. Нейтрони не мають електричного заряду, тому без перешкоди проникають в атомні ядра та викликають їх зміни, наприклад:

²⁷ ₁₃ Al + ¹ ₀ n → ²⁴ ₁₁ Na + ⁴ ₂ He.

Видатний італійський фізик Енріко Фермі виявив, що повільні нейтрони ( з енергією приблизно 10⁴ еВ ) ефективніші в реакціях ядерних перетворень, ніж швидкі нейтрони ( з енергією приблизно 10⁵ еВ). Тому швидкі нейтрони уповільнюють у звичайній воді, що містить велику кількість ядер Гідрогену – протонів. Ефект уповільнення пояснюється тим, що при зіткненні кульок однакової маси відбувається найефективніша передача енергії ( маси протона та нейтрона дуже мало відрізняються).

Енергетичний вихід ядерних реакцій. Згідно з законом збереження енергії, зміна кінетичної енергії в процесі ядерної реакції дорівнює зміні енергії спокою ядер та частинок, що беруть участь у реакції.

Енергетичним виходом виходом реакції називають різницю енергій спокою ядер та частинок до реакції та після реакції.

Енергія під час реакції виділяється, якщо вказана різниця позитивна; енергія під час реакції поглинається, якщо різниця від’ємна.

Згідно з сказаним раніше, енергетичний вихід ядерної реакції дорівнює також зміні кінетичної енергії частинок, що беруть участь у реакції.

Якщо після реакції енергія частинок зростає, то енергія виділяється, у противному випадку відбувається поглинання енергії.

Ланцюгові ядерні реакції ( реакції поділу важких ядер). У 1938 році німецькі вчені О. Ган та Ф. Штрассман виявили, що під час опромінення ядер Урану нейтронами утворюються ядра елементів із середньої частини таблиці Менделєєва – Барій і Лантан. Ви вже знаєте, що такі ядра є найбільш стабільними. Різниця міх питомою енергію вихідних ядер Урану та утворених сколків становить приблизно 1 МеВ. Тож, під час поділу ядра Урану виділяється енергія приблизно 200 МеВ. Цей факт має велике практичне значення. При поділі 1 Г урану виділяється така сама енергія, як при спалювання 3 т вугілля або 2,5 т нафти.

Особливе значення має та обставина, що під час поділу важкого ядра вивільняються 2-3 нейтрона. Відносна кількість нейтронів у важких ядрах помітно більша, ніж у середніх ядрах. Утворені сколки перевантажені нейтронами, тому вони випромінюють по декілька нейтронів. Вивільнені нейтрони можуть бути захваленими іншими ядрами Урану та викликати їх поділ, тобто виникає ланцюгова реакція.

Ланцюгові ядерні реакції – це ядерні реакції, в яких частинки, які викликають їх, утворюються також і як продукти цих реакцій.

Ланцюгова реакція можлива не тільки з ядрами Урану, але й з деякими трансурановими елементами ( наприклад, ²³⁹ Pu ).

Для здійснення керованої ядерної реакції необхідно, щоб середня кількість вивільнених нейтронів у даній масі урану не зменшувалася з часом, але й не збільшувалася також. Коефіцієнт розмноження нейтронів k повинен бути трохи більший або дорівнювати одиниці.

Керована ядерна реакція використовується на атомних електростанціях.

Термоядерні реакції ( реакції синтезу легких ядер). Ядерний синтез, тобто злиття легких ядер в одне ядро, також супроводжується виділенням величезної кількості енергії .

Ядра, що вступають у реакцію, позитивно заряджені, тому для злиття в одне ядро їм необхідно надати великої енергії (нагріти). Температура, необхідна для здійснення термоядерного синтезу більша за 10⁷ К.

Термоядерні реакції – це реакції з’єднання легких ядер при дуже високій температурі.

Під час термоядерної реакції на один нуклон виділяється енергія приблизно 3,5 МеВ ( під час реакції поділу важких ядер приблизно 1 МеВ). Реакція синтезу легких ядер енергетично вигідніша, ніж реакція поділу важких ядер.

Термоядерний синтез – джерело енергії всіх зірок, в тому числі і Сонця. Основним процесом, при якому відбувається вивільнення термоядерної енергії в зірках, є перетворення водню на гелій.. За рахунок дефекту маси в цій реакції маса Сонця кожної секунди зменшується на 4 млн. т.

Здійснення керованого термоядерного синтезу надало б людству нового, практично невичерпного джерела енергії. Дейтерій та тритій, необхідні для його здійснення, доступні. Перший міститься у воді морів та океанів у кількості, достатній для використання протягом мільйона років; другий може бути отриманий в ядерному реакторі при опроміненні рідкого літію (запаси його величезні) нейтронами.

Однією з найважливіших переваг керованого термоядерного синтезу є відсутність радіоактивних відходів при його здійсненні. На відміну від реакцій поділу важких ядер урану.

Головною перешкодою на шляху здійснення керованого термоядерного синтезу є неможливість утримання високотемпературної плазми за допомогою сильних магнітних полів протягом 0,1 – 1,0 с.

Поки що вдалося здійснити лише некеровану реакцію синтезу вибухового типу у водневій бомбі, однак існую впевненість в тому, що рано чи пізно термоядерні реактори будуть створені.

Ядерна енергетика.

Відкриття у ядерній фізиці, починаючи з 1932 року (відкриття нейтрона), надали потужного поштовху для розвитку ядерної енергетики.

Енергія, що виділяється під час поділу важких або синтезу легких ядер передається речовині у вигляді тепла. Теплотворна здатність ядерних палив у мільйони разів більша, ніж звичайних. На використанні цієї енергії побудована ядерна енергетика.

Ядерний реактор – це пристрій, що містить ядерне паливо, в якому здійснюється керована ланцюгова ядерна реакція.

Перший ядерний реактор був побудований у 1942 році в м. Чикаго (США) під керівництвом Е.Фермі. У СРСР пуск першого ядерного реактора був здійснений 25 грудня 1946 року під керівництвом Ігоря Васильовича Курчатова.

Ядра урану, особливо ізотопу ²³⁵ ₉₂ U, найефективніше захоплюють повільні нейтрони, імовірність захоплення яких з подальшим поділом ядер у сотні разів більша ніж швидких. Тому в ядерних реакторах, що працюють на природному урані,

використовують уповільнювачі нейтронів для підвищення коефіцієнта розмноження нейтронів.

Основними елементами ядерного реактора є:

• ядерне паливо (²³⁵ ₉₂ U, ²³⁹ ₉₄ Pu, ²³⁸ ₉₂ U та ін..);

• теплоносій для виведення енергії, яка утворюється, коли реактор працює ( вода, рідкий натрій та ін..);

• пристрій для регулювання швидкості реакції ( стрижні, які вводяться у робочий простір реактора, які містять кадмій або бор, які добре поглинають нейтрони).

Ззовні реактор оточують захисною оболонкою з бетону з залізним

наповнювачем, яка затримує γ – випромінювання та нейтрони. Найкращим сповільнювачем вважається важка вода. Звичайна вода сама захоплює нейтрони та перетворюється у важку воду. Добрим сповільнювачем є графіт, ядра якого не поглинають нейтрони.

Коефіцієнт розмноження нейтронів k може дорівнювати одиниці лише за умови, що розміри реактора та відповідна маса урану перевищують певне критичне значення. Критичною масою називають найменшу масу діленої речовини, при якій може проходити ланцюгова ядерна реакція.

Керування реактором здійснюється уведенням до активної зони стрижнем, які дозволяють у будь-який момент призупинити розвиток ланцюгової реакції.

Екологічні проблеми роботи АЕС. З кінця 1960-х років почався бум ядерної енергетики. В цей час виникло дві ілюзії, пов’язаних з нею. Вважалося, що ядерні реактори достатньо безпечні, а системи контролю, навчений персонал, захисні екрани тощо гарантують їх безаварійну роботу. Також вважалося, що ядерна енергетика є екологічно чистою, оскільки забезпечує зниження викидів парникових газів під час заміщення енергетичних установок, працюючих на органічному паливі. Ілюзія безпечності ядерної енергетики похитнулася після декількох великих аварій у Великобританії, США та СРСР. Чорнобильська катастрофа показала, що втрати під час аварії на ядерному реакторі на декілька порядків перевищують втрати під час аварії на енергоустановці такої ж потужності, яка працює на органічному паливі. В епіцентрі аварії рівень забруднення був настільки високим, що населення ряду районів прийшлося евакуювати, а ґрунти, поверхневі води, рослини стали радіоактивно забрудненими на багато десятиліть.

Теплове забруднення. Теплові втрати АЕС у 1,5 рази перевищують втрати на ТЕС аналогічної потужності, тому ККД атомних електростанцій невисокий (20-25%), їх работа супроводжується викидом великої кількості тепла в повітря та воду.

Теплове забруднення змінює клімат регіона, в якому розташованана АЕС. Збільшується вологість повітря, особливо в осінньо - зимовий період, що негативно впливає на здоров’я людей, на стан посівів, лісів, будівель, розподільних пристроїв та ліній електропередач. Підвищення температури природних водойм, у які скидають теплу воду з систем охолодження станцій, приводить до зниження концентрації розчиненого у воді кисню. Через це гине риба. В нагрітій теплій воді водойм відбувається активний розвиток синьо – зелених водоростей, настає цвітіння води, це явище унеможливлює використання таких водойм, як джерел питної води.

Радіоактивні відходи. Ядерна енергетика залишає багато радіоактивних відходів: відпрацьоване ядерне паливо реакторів АЕС та підводних човнів, а також надводних кораблів. Ці відходи накопичуються та представляють радіоактивну небезпеку для багатьох держав.

Екологічні проблеми виникають на всіх етапах паливного циклу. Уранова руда видобувається на рудниках підземним або відкритим способом. Це виробництво приводить до виведення з господарчого використання значних територій, змінює ландшафт та гідрологічний режим, забруднює повітря, ґрунт, поверхневі та підземні води. Відходи на стадії видобування та переробки природного урану дуже великі. Використання води у процесах видобування уранової руди та її первинної переробки створює проблему безпечного збереження та утилізації рідких відходів, що містять токсичні радіоактивні речовини. З резервуарів для збереження рідких відходів радіоактивні речовини можуть потрапити в ґрунтові води та розташовані поряд водойми.

Радіоактивні викиди у повітря та воду при нормальному функціонуванні АЕС невеликі, але вони мають акумулюючий ефект (здатні накопичуватися), тому можуть здійснювати негативний вплив на живі організми, на працівників станції та жителів місцевості, що входить у зону розташування станції.

Тверді та рідкі відходи дуже радіоактивні і потребують спеціальної переробки та спеціального захоронення з метою безпеки.

Під час спорудження перших АЕС біля них створювалися басейни для збереження відпрацьованого палива, розраховані на утримання відходів протягом 2-3 років, після чого їх мали відправляти на переробний завод.

Однак у більшості країн попередні програми з переробки палива були відкладені, тож виникли проблеми безпечного зберігання палива на самих АЕС та створення централізованих довгострокових сховищ.

За оцінками Єврокомісії, щороку країни Євросоюзу вимушені утилізувати 1 млрд. куб. метрів промислових відходів, з них 50 тис. кубометрів – радіоактивні. Проблема в тому, що радіоактивне сміття залишається небезпечним протягом сотень і тисяч років, тому будь-які ушкодження сховищ здатні привести до найтяжчих наслідків.

Радіоактивні випромінювання – найголовніша небезпека атомної енергетики, яка існує на всіх етапах паливного циклу і роботи АЕС. Радіоактивні випромінювання негативно впливають на живі організми.

Радіоактивність.

Радіоактивність (від лат.radio – випромінюю та aktivus – діяльний, активний) – властивість атомних ядер мимовільно (спонтанно) змінювати свій склад – заряд та масове число шляхом випускання елементарних частинок або ядерних фрагментів.

Явище природної радіоактивності було відкрите французьким фізиком А.Бекерелем у 1896р. під час досліджень люмінесценції солей Урану. Він виявив спонтанне випускання невидимого випромінювання. Відкриття дало поштовх до вивчення властивостей інших хімічних елементів. Великий внесок у дослідження радіоактивності зробила подружня пара: Марія Склодовська-Кюрі та П’єр Кюрі. В результаті багатьох дослідів вони відкрили нові на той час хімічні елементи: полоній (названий подружжям на честь батьківщини Марії Склодовської - Польщі) та радій (променистий). Саме цими вченими було введено термін – радіоактивність.

Вивчення відкритого явища сприяло поясненню природи атомних ядер: у природі існують речовини, які мають різні радіоактивні властивості (розпадаються по-різному), але абсолютно однакові за хімічними властивостями. В 1911 році Ф.Содді назвав такі хімічні елементи ізотопами (тобто ті, які займають однакові місця).

Незабаром Е.Резерфорд та подружжя Кюрі встановили, що радіоактивне випромінювання складається з променів трьох видів:

• позитивно заряджені α-промені, які уявляють собою потік ядер гелію;

• негативно заряджені β-промені – потік електронів, що рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла;

• γ-промені, які не мають електричного заряду, і, як виявилося є дуже короткими електромагнітними хвилями.

Електричний заряд у α- та β-променів був виявлений на установці, показаній на рис.1. Радіоактивний промінь пропускався крізь магнітне (або електричне) поле. Силою Лоренца його позитивна складова відхилялася в один бік, а негативна – в протилежний.

γ-промені не відхилялися ні магнітним, ні електричним полями, і це говорило про відсутність у них електричного заряду.

Рис.1

У процесі дослідження явища радіоактивності виявилося, що радіоактивні елементи в результаті випускання радіоактивного випромінювання перетворюються на інші елементи. Під час радіоактивного розпаду відбувається цілий ланцюг послідовних перетворень атомів.

Після відкриття атомного ядра стало зрозуміло, що саме воно зазнає перетворень при радіоактивних розпадах, тому що на електронних оболонках α-частинок немає, а зменшення числа електронів оболонки перетворює атом на іон, а не на новий хімічний елемент.

Перетворення ядер підпорядковується так званим правилам зміщення, які були сформульовані Ф.Содді.

При α-розпаді ядро втрачає позитивний заряд 2е, і його маса зменшується приблизно на чотири атомні одиниці маси. У результаті елемент зміщується на дві клітинки до початку періодичної таблиці:

^М _Z X → ^М-4_Z-2 Y+ ⁴ ₂ He.

При β-розпаді атомне ядро втрачає електрон. В результаті заряд ядра збільшується на одиницю, маса залишається майже незмінною. Після β-розпаду елемент зміщується на одну клітинку ближче до кінця періодичної системи:

^М _Z X → ^М_Z+1 Y+ ⁰ _-1 e.

Гама-випромінювання не супроводжується зміною заряду; маса ж ядра змінюється дуже мало.

Під час радіоактивних розпадів виконуються закони збереження електричного заряду та масового числа.

Штучна радіоактивність – це радіоактивність нестабільних ізотопів, отриманих в лабораторних умовах як продукти штучних перетворень атомних ядер.

Закон радіоактивного розпаду. Е.Резерфорд, досліджуючи перетворення радіоактивних речовин, встановив, що їх активність зменшується з часом. Так, активність радону зменшується вдвічі вже через одну хвилину. Активність інших радіоактивних елементів також має інтервали часу, через які вона зменшується вдвічі (рис.2).

Проміжок часу, протягом якого розпадається половина з початкової кількості радіоактивних атомів, називається періодом піврозпаду Т.

Падіння активності піддається закону радіоактивного розпаду, який виражається формулою:

N = N_o . 2^t/T

Рис.2

N – кількість радіоактивних ядер, що не розпалися на даний момент часу t,

N_о – початкова кількість ядер.

Закон радіоактивного розпаду носить статистичний зміст. Застосовуючи його, можна лише середню тривалість життя великої кількості радіоактивних атомів, але не можна передбачити, які саме атоми розпадуться у наступну мить.

Отримання і застосування радіонуклідів. Радіоактивні ізотопи різних хімічних елементів (як природні, так і отримані в результаті штучних перетворень) мають свої області застосування.

Для практичного застосування радіонуклідів важливі такі їх властивості:

• будь-який радіоактивний ізотоп є «міченим» атомом відповідного елемента, тобто атомом, який за фізичними та хімічними властивостями не відрізняється від звичайного атома, але поведінку якого можна спостерігати за його радіоактивним випромінюванням, наприклад, за допомогою лічильника Гейгера-Мюллера;

• будь-яке радіоактивне випромінювання має визначену проникну здатність, тобто властивість поширюватися та поглинатися у даному середовищі з визначеними показниками;

• радіоактивне випромінювання іонізує речовину;

• під дією нейтронів та інших випромінювань з великою енергією у речовині виникає наведена радіоактивність.

Використовуючи «мічені» атоми, можна скласти уяву про швидкість обміну речовин в тканинах живих організмів, швидкості руху крові у судинах або нафтопродуктів по трубопроводах тощо. В машино будівництві мічені атоми застосовують для вивчення характеру зношування деталей машин, в медицині – для діагностики деяких захворювань, для знищення злоякісних пухлин, стерилізації фармацевтичних препаратів та харчових продуктів.

Наведена радіоактивність (наприклад, опромінення нейтронами) застосовується для дослідження складу речовини. Цей метод застосовують для встановлення віку археологічних знахідок (за вмістом радіоактивного ізотопу Карбону - 14).

Іонізуюча дія радіоактивного випромінювання.

Біологічна дія іонізуючого випромінювання. Радіоактивне випромінювання справляє іонізуючу дію на атоми та молекули речовини, результатом якої є утворення вільних радикалів. Вільні радикали мають високу хімічну активність, що порушує нормальну роботу клітки живої речовини: вони розрушуються та втрачають здатність до поділу. Найбільш вразливими виявляються ядра кліток, особливо таких, які діляться швидко. Кістковий мозок, який відповідає за оновлення крові, вражається в першу чергу. Потім наступає черга кліток травної системи. Вплив радіації на статеві залози призводить до генетичних змін (мутацій) хромосом, що провокує виникнення спадкових хвороб та каліцтва потомків.

Головна небезпека радіоактивного випромінювання в тому, що воно не має ні запаху, ні інших складових, які б допомогли виявити його органами відчуттів людини, навіть при смертельних дозах.

Організм людини піддається дії радіоактивного випромінювання повсякчасно: космічні промені, корисні копалини, електронно-променеві трубки кінескопів телевізорів та моніторів комп’ютерів, рентгенівські апарати.

Ефективність впливу радіоактивного випромінювання залежить від їхнього виду та кількості (дози).

Дози випромінювання. Існує декілька характеристик ефективності дії радіоактивного випромінювання.

Поглинена доза випромінювання – дорівнює відношенню поглиненої речовиною енергії до маси цієї речовини.

D = W/m

Ця характеристика не залежить від виду випромінювання.

Одиниця вимірювання поглиненої дози іонізуючого випромінювання в СІ – грей,

[ D ] = 1 Гр.

Поглинена доза витрачається на нагрівання речовини, а також на її хімічні та фізичні перетворення. Ця доза має властивість до накопичення з часом, тому застосовують поняття дози потужності випромінювання:

N = D/t

Експозиційна доза характеризує іонізуючу здатність випромінювання і показує, скільки пар іонів воно утворює в одиниці маси опроміненої речовини.

D = q/m

Одиниця вимірювання експозиційної дози в СІ – Кл/кГ.

Позасистемна одиниця експозиційної дози – рентген (Р). Доза в 1Р означає, що під час опромінення рентгенівським або гама-випромінюванням в 1 см³ повітря за нормальних умов утворюються іони з загальним електричним зарядом кожного знаку 3,3.10^-10 Кл.

Дозою в 1Р утворюється приблизно 2,08.10⁹ пар іонів. Зв’язок між 1Р та 1 Кл/кГ такий:

1Р = 2,58.10^-4 Кл/кГ ; 1Кл/кГ = 3,88.10³ Р.

Експозиційна доза більш зручна для використання на практиці, оскільки іонізацію повітря легко виміряти за допомогою дозиметра.

Еквівалентна доза D_екв – це поглинена доза, помножена на коефіцієнт К, який відображає здатність випромінювання даного виду впливати на живі організми.

D_екв = K.D

Коефіцієнт К називають відносною біологічною ефективністю:

Вид іонізуючого випромінювання	Коефіцієнт біологічної ефективності
Гама-випромінювання	1
Бета-випромінювання	1
Теплові нейтрони	5
Швидкі нейтрони та протони	10
Альфа-частинки	20

В СІ еквівалентну дозу вимірюють в зівертах, [ D_екв ] =1 Зв. Позасистемна одиниця еквівалентної дози іонізуючого випромінювання називається біологічним еквівалентом рентгена (бер):

1 бер = 1Р =0,01 Гр = 0,01 Зв.

Необхідно враховувати ту обставину, що різні частини тіла по-різному піддаються дії іонізуючого випромінювання. Для цього вводиться коефіцієнт радіаційного ризику:

Органи і тканини організму	Коефіцієнт радіаційного ризику
Кісткові тканини та щитовидна залоза	0,03
Червоний кістковий мозок	0,12
Легені	0,15
Статеві залози	0,25
Інші органи	0,3

Помноживши еквівалентні дози на відповідні коефіцієнти ризику, отримаємо значення ефективної еквівалентної дози, яка відображає сумарний ефект опромінення організму.

Короткотермінове опромінення людини дозою в 20-50 Р призводить до змін у крові, доза в 100-250 Р провокує променеву хворобу, а доза в 600 Р – смертельна.

Природний радіоактивний фон прирівнюється до дози 0,2 Р. Гранично допустимою є доза – 5 Р на рік.

Захист людського організму від іонізуючого випромінювання. Сучасність надає багато прикладів використання людиною енергії атома, що пов’язане з радіоактивними властивостями речовини. Познайомившись з можливими впливами іонізуючого випромінювання на організм людини, задаємося питанням, яким же чином треба захищатися від його дії. Це питання дуже важливе для збереження людини як біологічного виду.

Людство вже розробило методи захисту, які побудовані на використанні речовин, що добре поглинають радіоактивне випромінювання, роботу з радіоактивними речовинами виконують за допомогою спеціальних маніпуляторів.

Відомо, що альфа-частинки можна затримати навіть листком паперу, бета-випромінювання більш жорстке, тому для його затримання використовують шар пластмаси або спеціального скла, яке містить свинець. Для захисту від гама-випромінювання застосовують свинцеві контейнери. Навколо особливо потужних джерел випромінювання ( ядерних реакторів, прискорювачів елементарних частинок) будують бетоновані стіни відповідної товщини.

Окрім цього, потужні джерела випромінювання повинні бути віддалені на безпечну відстань ( атомні електростанції будують на великих відстанях від населених пунктів).

В організм людини радіоактивне випромінювання може попасти декількома шляхами: з повітрям, їжею, водою, які містять радіоактивні елементи; від джерел випромінювання, про які йшла мова вище.

Звільнення організму від токсичних речовин і радіонуклідів, нормалізація порушеного обміну речовин, насамперед зниження в крові вмісту вільних радикалів є запорукою попередження хронічних захворювань серцево-судинної, нервової та дихальної систем, органів травлення, онкозахворювань.

Для попереднього захисту організму застосовують речовини – оксиданти ( вживають до опромінення). Але при тривалому застосування мінеральних сорбентів, вуглецю та сілікатних гелів часто спостерігається негативна дія на слизові оболонки шлунково-кишкового тракту, що порушує травлення, а також баланс вітамінів і мікроелементів. Тому треба не забувати про природні антиоксиданти – фітосорбенти.

Фітосорбенти – це полімерні рослинні сполуки (пектини, слизи та ін.), що належать до природних регуляторів обміну речовин і виконують роль фізіологічних детоксикантів, коли їх вживають у достатній кількості при харчуванні. Фітосорбенти здатні до набухання у водному середовищі, зв’язують воду з формуванням об’ємних структур, а це позитивно впливає на травлення і випорожнення кишечнику. Фітосорбенти зв’язують і виводять з організму токсини, радіонукліди, важкі метали, продукти обміну, це також нормалізує обмін холестерину.

Багатим джерелом фітосорбентів є фрукти, овочі, зернові культури та продукти їх переробки. Значна кількість пектину міститься в буряках, гарбузі, моркві, яблуках, айві, сливах, аґрусі, суниці, брусниці, смородині, шкірці цитрусових. Насіння льону, лист подорожника, суцвіття липи, квітки ромашки багаті на слизові речовини. Харчові волокна знаходяться у зародках пшениці, у хлібі грубого помолу, кукурудзі, капусті, буряках, моркві, цибулі, огірках, кабачках та інших харчових продуктах.

Рослинні антиоксиданти – це найважливіші засоби захисту організму від довготривалого впливу низьких доз радіації і уражень токсичними речовинами, які присутні в організмі людини та надходять з навколишнього середовища. До рослинних антиоксидантів відносяться вітамінні засоби флавоноїдної будови, бета-каротин, токофероли, аскорбінова кислота, мікроелементи – селен і цинк. На антиоксиданти багаті плоди обліпихи та обліпихова олія, кедрові та волоські горіхи, плоди шипшини й олія з її насіння, ягоди горобини звичайної та чорноплідної, зародки пшениці та олія з них, лист подорожника, чаю зеленого, квітки ромашки аптечної, трава полину звичайного та гіркого, капуста, морква, баклажани, часник, цибуля, яблука, цитрусові, виноград, смородина, аґрус та ін.

Елементарні частинки.

Етапи становлення фізики елементарних частинок. Існування елементарних частинок фізики виявили під час вивчення ядерних процесів, тому до середини ХХ століття фізика елементарних частинок була складовою частиною ядерної фізики. Тепер цей розділ став самостійним, хоча і дуже близьким до ядерної фізики. Головною метою фізики елементарних частинок є дослідження природи, властивостей та взаємних перетворень елементарних частинок.

І етап розвитку фізики елементарних частинок ( від Демокрита до відкриття протона та нейтрона). Про те, що світ складається з фундаментальних частинок, ще 2500 років назад висунув ідею грецький філософ Демокрит, назвавши їх атомами (неподільними).

Поняття атома застосували на початку ХІХ століття для пояснення цілої низки хімічних явищ. У 30-ті роки ХІХ століття у теорії електролізу М.Фарадея з’явилося поняття іона, було проведене вимірювання елементарного електричного заряду.

Кінець ХІХ та перша половина ХХ століття принесли багато відкриттів, які сприяли розвитку нових уявлень про будову речовини:

-1896 рік – А.Беккерель – явище радіоактивності;

-1897 рік – Дж.Томсон – електрон;

-1899 рік – Е.Резерфорд – α-частинки;

-1905 рік – А.Ейнштейн – поняття про частинки електромагнітного поля – фотони;

-1911 рік – Е.Резерфорд – існування атомного ядра ( після цього було достеменно доведено, що атоми мають складну структуру);

-1919 рік – Е.Резерфорд – протони;

-1932 рік – Дж.Чедвик – нейтрони ( стало зрозуміло, що атомні ядра, як і самі атоми, мають складну будову).

Д.Д.Іваненко та В.Гейзенберг запропонували протонно-нейтронну модель будови атомного ядра.

ІІ етап розвитку фізики елементарних частинок( з відкриття протона та нейтрона до твідкриття кварків). У 1932 році К. Андерсон у космічних променях відкрив позитивно заряджену частинку з такою ж масою і таким же за модулем зарядом, як в електрона. Частинка отримала назву позитрона (античастинка електрона). Існування у природі позитрона було передбачено ще у 1928 році П.Діраком. В ці часи було також відкрито та досліджено взаємні перетворення протонів та нейтронів. Дослідження дали можливість зробити фундаментальний висновок: ці частинки не є незмінними елементарними «цеглинками» природи.

В наступні роки кількість відкритих частинок почала швидко зростати. Це відбувалося через дослідження космічних променів, розвиток прискорювальної техніки та вивчення ядерних реакцій.

Наразі відомо приблизно 400 субатомних частинок, які прийнято називати елементарними. Переважна більшість з них – нестабільні. Винятком є фотон, електрон, протон та нейтрино. Решта частинок через визначені проміжки часу піддаються мимовільним перетворенням в інші частинки. Час нестабільного існування у різних частинок неоднаковий. «Довгожителем» серед них є нейтрон ( час життя приблизно 15 хвилин).

Усі елементарні частинки постійно перетворюються одна в одну, і ці перетворення є основним фактом їхнього існування.

ІІІ етап розвитку фізики елементарних частинок( з відкриття кварків до наших днів). У 1964 році американський фізик Гелл-Ман висунув гіпотезу про існування частинок, які мають дрібний електричний заряд ( и-кварки мають заряд + 2/3е, а d –кварки – (-1/3е)). Відомі вже нам протони та нейтрони (нуклони) складаються кожен трьох кварків ( рис.3: а-протон, б-нейтрон).

а б

Рис.3

З прийняттям гіпотези кварків вдалося створити зрозумілу теорію елементарних частинок. На жаль, практично виявити існування кварків наразі не вдалося. Учені вважають, що однією з причин цієї обставини може бути те, що кварки мають дуже великі маси. Це перешкоджає народженню кварків за тих енергій, яку здатні забезпечити сучасні прискорювачі елементарних частинок.

Класифікація елементарних частинок. Елементарні частинки об’єднуються у три групи: фотони, лептони та адрони. До групи фотонів відноситься єдина частинка – фотон, яка є носієм електромагнітної взаємодії. До групи лептонів серед інших відноситься відомий нам електрон. Усі лептони мають спін. Протони та нейтрони входять до групи найбільш «важких» частинок – адронів.

Кожна з елементарних частинок бере участь в якійсь одній або декількох з відомих у природі взаємодій.

Всередині речовини найсильнішою є електромагнітна взаємодія. Вона визначає хімічні зв’язки, випромінювання світла, намагнічування, - усі явища, що спостерігаються в молекулах та атомах речовини. Гравітаційна взаємодія тут слабка через малу масу елементарних частинок.

Всередині атомного ядра проявляються сильна та слабка взаємодії. Сильна взаємодія скріплює нуклони в ядрі, а слабка – кварки всередині нуклонів.

Античастинки. Світ античастинок - свого роду дзеркальне відображення знайомого нам світу. Маса античастинки в точності дорівнює масі частинки, якою вона начебто відповідає, але всі її інші характеристики протилежні прообразу. Наприклад, електрон несе негативний електричний заряд, а парна йому античастинка - «позитрон» (похідне від «позитивний електрон») - позитивний. У протона позитивний заряд, а у антипротона - негативний. І так далі. При взаємодії частинки і парної їй античастинки відбувається їх взаємна анігіляція - обидві частинки припиняють своє існування, а їх маса перетвориться в енергію, яка розсіюється в просторі у вигляді спалаху фотонів та інших надлегких частинок. Існує і зворотній процес – з гама-квантів електромагнітного поля з визначеною енергією можуть народитися пари частинка-античастинка ( електрон-позитрон, протон-антипротон тощо). Чим більша маса спокою народжуваних частинок, тим більшу енергію повинен мати гама-квант.

Щоб зрозуміти, як ведуть себе частинки і античастинки при взаємодії, уявіть собі рівне поле. Якщо взяти лопату і вирити в ньому ямку, в полі з'являться два об'єкти - власне ямка і купка ґрунту поруч з нею. Тепер уявімо, що купка ґрунту - це звичайна частка, а ямка, або «відсутність купки ґрунту», - античастинка. Засипте ямку раніше витягнутим з неї ґрунтом - і не залишиться ні ямки, ні купки (аналог процесу анігіляції). І знову перед вами рівне поле.

Наразі відкрито античастинки до всіх елементарних частинок. Можливе існування атомів антиречовини, ядра яких складаються з антипротонів та антинейтронів, а оболонка – з позитронів. Зустріч таких «масивних» тіл, які мають великі швидкості, може стати джерелом великої кількості енергії (вона перевищуватиме енергію ядерних та термоядерних реакцій). Таким чином, антиречовина є найбільш досконалим, найбільш “калорійним” паливом. Але це паливо необхідно не лише навчитися добувати, а й зберігати, оскільки воно має бути старанно ізольоване від звичайної речовини. Чи зможе людство успішно розв'язати цю проблему, покаже майбутнє.

Космічні промені. Як бачимо, розвиток фізики елементарних частинок щільно пов’язаний з вивченням космічного випромінювання, що приходить на Землю практично ізотропно з усіх напрямків космічного простору. Вимірювання інтенсивності космічного випромінювання показали, що вона зростає з висотою, сягає максимуму, а потім зменшується і з ≈50 км залишається практично сталою.

Розрізняють первинне та вторинне космічні випромінювання. Випромінювання, що приходить безпосередньо з космосу, називають первинним. Дослідження його складу показало, що первинне випромінювання уявляє собою потік елементарних частинок з високими енергіями.

З наближенням до Землі інтенсивність космічного випромінювання зростає. Це говорить про появу вторинного космічного випромінювання, яке утворюється як результат взаємодії первинного космічного випромінювання з ядрами атомів земної атмосфери; в його складі зустрічаються практичні всі елементарні частинки. Зі зменшенням висоти над Землею інтенсивність вторинного випромінювання знижується, оскільки вторинні частинки під час руху до поверхні Землі піддаються поглинанню.

У складі вторинного випромінювання можна виділити два компоненти: м’який (добре поглинається свинцем) та жорсткий (має у свинці велику проникну здатність)

Окрім ядер різних хімічних елементів у складі космічного випромінювання є електрони. При рівності енергій інтенсивність електронів в 100 разів менша, ніж у протонів.

Чи існують античастинки у складі космічних променів? Їх присутність могла б говорити про наявність у Всесвіті значної кількості антиречовини. Наразі є лише надійні експериментальні дані про існування антипротонів у складі космічних променів в обмеженому діапазоні енергій. Пошук античастинок з масами, більшими за маси антипротонів – задача майбутніх експериментів.

Контрольні питання:

1. Що називають ядерними реакціями?

2. Енергетичний вихід ядерної реакції.

3. За яких умов енергія під час ядерної реакції виділяється?

4. За яких умов ядерна реакція проходить з поглинанням енергії?

5. Чому під час поділу важких ядер енергія виділяється?

6. Чому під час термоядерного синтезу енергія виділяється?

7. Порівняйте реакції поділу та синтезу ядер.

8. Чому реакції синтезу легких ядер можуть протікати тільки при дуже високій температурі?

9. Що називають ланцюговою ядерною реакцією?

10. Чому під час поділу важких ядер випромінюється декілька вільних нейтронів?

11. Чому коефіцієнт розмноження нейтронів під час ланцюгової реакції не може набагато перевищувати 1?

12. Що заважає здійсненню керованого термоядерного синтезу?

13. Які перетворення енергії відбуваються на АЕС?

14. Назвіть основні конструктивні частини ядерного реактора.

15. Що собою уявляють α-промені?

16. Що собою уявляють β-промені?

17. Що собою уявляють γ-промені?

18. Сформулюйте правило зміщення для α-розпаду.

19. Сформулюйте правило зміщення для β-розпаду.

20. Назвіть джерела радіоактивного випромінювання.

21. Як залежить вплив радіаційного випромінювання від його виду?

22. Чи однаково сприймають дію радіації органи та тканини людини?

23. Що таке поглинена доза випромінювання?

24. Дайте визначення експозиційної дози випромінювання.

25. На які групи поділяються елементарні частинки?

26. Що таке античастинки? Наведіть приклади.

27. Які процеси можливі з участю частинок та античастинок? В чому їх

28. практичне значення?

29. Що собою уявляють космічні промені?