Урок-лекция
Скачать 1.2 Mb.
|
Как вы знаете при создании инверсной заселенности уровней энергии в атоме возможно усиление света при прохождении его через среду. Спонтанное излучение, всегда присутствующее при возбуждении атомов, способно привести к генерации света. Однако создание инверсной заселенности среды - условие необходимое, но не достаточное для лазерной генерации.Наблюдения за компьютерной моделью, которая описывает усиление света, позволяют сделать вывод о том, что усиление будет тем больше, чем длиннее рабочее пространство, в котором создается инверсная заселенность. При большой длине число процессов вынужденного излучения, происходящих с одним вошедшим фотоном, увеличивается в геометрической прогрессии, и интенсивность выходящего света лавинообразно нарастает. Процесс описывается экспоненциальным законом (см. Естествознание 10 § 2). Однако делать протяженную рабочую среду неудобно. Вместо этого ее помещают в оптический резонатор, представляющий собой систему двух плоских параллельных зеркал (Рис. 1).
Отражаясь от зеркал, фотоны пробегают рабочую область многократно, чем достигается большой коэффициент усиления. Чтобы обеспечить выход излучения, одно из зеркал делают полупрозрачным. Заметим, что, если рабочее вещество представляет собой кристалл, то достаточно просто сделать противоположные грани параллельными и покрыть их тонким слоем металла. Помимо того, что резонатор дает тот же эффект, что и удлинение рабочей области, он еще отсеивает «ненужные» фотоны. Ограниченная волна всегда имеет дискретный набор частот. Это означает, что эффективно в резонаторе будут усиливаться лишь волны определенных частот, на которые настроен резонатор. Каковы же свойства лазерного излучения, которые существенно отличают его от излучения прежних источников света? Прежде всего, это высокая монохроматичность. Это означает, что при разложении этого излучения в спектр получается очень узкая линия. Это свойство лазерного излучения оказалось очень важным для научных исследований, и, прежде всего, для исследования спектров различных веществ. Еще одно свойство – возможность получения узкого (порядка нескольких миллиметров), малорасходящегося луча. Возможно, Вы читали фантастическую повесть А. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина». В ней рассказывается, как инженер изобрел прибор, в котором при помощи зеркала в форме гиперболоида получался узкий яркий луч, способный разрезать металлические предметы. Писатель немного ошибся, получить параллельный пучок лучей можно, используя не гиперболоид, а параболоид – параболическое зеркало. Если бы источник излучения был точечный, то описанным способом можно было бы получить узкий луч. Однако реальные источники имеют конечные размеры, возрастающие с ростом мощности источника. Получить же луч существенно меньше размеров источника невозможно. С предыдущим свойством тесно связано еще одно свойство – возможность фокусировки лазерного излучения в пятно очень малых размеров. По этому показателю лазерное излучение существенно превосходит излучение всех других источников света. Дело в том, что сфокусировать изображение обычного источника, имеющего конечные размеры, то же самое, что получить его уменьшенное изображение. При значительном уменьшении коэффициент уменьшения пропорционален величине f/d (см. Рис. 1 к § 29), где f – фокусное расстояние линзы, d – расстояние от линзы до источника. Реально этот коэффициент невозможно сделать очень малым, при большом удалении источника очень малая часть излучения будет проходить через линзу. Лазер же дает практически параллельный луч, который при помощи линзы можно сфокусировать в очень узкое пятно. Размеры этого пятна ограничены лишь общими свойствами волн и не могут быть меньше длины волны излучения. Для оптического излучения размеры пятна могут достигать долей микрометра. Из последнего свойства вытекает еще одно важное свойство. Дело в том, что, уменьшая размеры пятна, мы увеличиваем интенсивность излучения. Поскольку через меньшее сечение проходит то же самое излучение, то его интенсивность возрастает. Увеличение интенсивности пропорционально отношению площадей сечений, или квадрату отношения размеров пятен. Возможно, Вы пробовали фокусировать лупой солнечное излучение. Хорошей лупой можно сфокусировать излучение в пятно с размерами в 100 раз меньше диаметра лупы. Это значит, что интенсивность излучения можно увеличить в 10000 раз. Таким путем можно легко поджечь дерево или бумагу. Если лазерный луч диаметром в несколько миллиметров уменьшить до размеров в несколько микрометров, то интенсивность излучения увеличивается в миллион раз. Наконец еще одно свойство, отличающее лазерное излучение от теплового излучения. Лампа накаливания начинает светить после того, как она нагреется, и прекращает свечение после остывания. Для обычных ламп накаливания эта величина составляет доли секунды и практически незаметна для глаза. Однако получить световой импульс длительностью, например, в одну миллионную секунды при помощи лампы накаливания просто невозможно. Лазер не требует время для нагрева, и в настоящее время научились получать импульсы длительность порядка 10-15 секунд (одна миллиардная от одной миллионной!). При помощи подобных коротких импульсов удается даже «рассмотреть» процесс протекания быстрых химических реакций. Основные свойства лазерного излучения: высокая монохроматичность, возможность получения узкого малорасходящегося луча света, возможность фокусировки лазерного излучения в пятно с размерами меньше микрометра, возможность получения излучения очень высокой интенсивности и короткой длительности. Типы лазеров. Несмотря на то, что все лазеры состоят из двух главных составляющих - активная среда, в которой создается инверсная заселенность и резонатор, конструкции лазеров очень разнообразны. По типу активной среды лазеры подразделяются на газовые, жидкостные и твердотельные. Создание инверсной заселенности может быть осуществлено разнообразными методами. В газовых лазерах накачка может производиться вследствие электрического разряда. В результате разряда создается плазма, в которой при столкновении атомов, ионов и электронов происходит инверсная заселенность уровней. Другой способ накачки – химические реакции, в результате которых некоторые продукты реакций – атомы и молекулы оказываются в возбужденном состоянии. Соответствующие лазеры называются химическими. При оптической накачке мощный источник света переводит атомы в высоковозбужденные состояния, из которых они в результате последовательных переходов с уровня на уровень (каскадные переходы) попадают на нужный уровень (Рис. 2).
Широко распространены полупроводниковые лазеры (к ним, в частности, относится и лазерная указка). В них инверсная заселенность возникает при переходе электрона из полупроводника одного типа в полупроводник другого типа. Применение лазеров. Благодаря своим исключительным свойствам по сравнению с другими источниками света лазеры находят широчайшее применение. Узкий не расходящийся лазерный луч применяется при строительстве туннелей, когда необходимо «прочертить» прямую линию на значительное расстояние. Другое применение – лазерные прицелы. При использовании хорошо отлаженного оружия с лазерным прицелом пуля попадает точно в пятно, образуемое лазером на мишени. Возможность точной фокусировки лазерного луча используется при записи информации на оптические диски. Модулированный лазерный луч при попадании на диск со специальным покрытием оставляет на нем ямки с размерами меньше микрометра. Для не лазерных источников света такая фокусировка, а значит и запись на оптические диски, в принципе невозможна. Возможность получения интенсивного излучения при фокусировке в точно заданном месте используется в медицине, в частности, в микрохирургии глаза. Лазер как тончайший скальпель, проникающий в нужное место, может вырезать мельчайшие участки ткани. В других устройствах подобные, но более мощные лазеры могут резать различные материалы, проделывать в них тончайшие отверстия и т.д. Все большее применение лазеры находят в искусстве. При помощи них создаются живописные феерические и быстроизменяющиеся картины на сцене. Живописные полотна можно «рисовать» даже в пространстве, например, на облаке дыма. Не прекращаются работы по использованию лазеров в вооружении. Хотя первая крупномасштабная программа использования лазеров в космических войсках (программа СОИ – «стратегическая оборонная инициатива», разрабатывавшаяся США) не была осуществлена, идея «звездных войн» вовсе не похоронена. Благодаря необычным свойствам излучения, лазеры находят разнообразное применение в промышленности, медицине, искусстве, военном деле. 1. * Угол расходимости луча вследствие волновой природы света (явление дифракции) определяется соотношением: (рад.)=/d, где - длина волны, d – диаметр луча. Оцените диаметр светового пятна на Луне от лазера на Земле, создающего излучение с диаметром луча 10 см и длиной волны 0,5 мкм. 2. Почему развитие микрохирургии глаза стало возможным только с появлением лазерных источников света? 3. Почему в голографии необходимо исползование лазерных источников излучения? §37. Вред и польза от ядерных технологий. (Урок-лекция). …техника – только средство, сама по себе она не хороша и не дурна. Все зависит от того, что из нее сделает человек, чему она служит, и в какие условия он ее ставит. К. Ясперс ? Почему опасна радиация? Какое практическое применение находят радиоактивные изотопы? Почему ядерные реакции при той же массе исходных продуктов дают энергию гораздо больше, чем химические реакции? Что необходимо для создания самоподдерживающихся ядерных реакций? М ! еченые атомы. Радиоактивный анализ. Критическая масса. С * остав атомного ядра. Энергия связи атомных ядер. Ядерные реакции. Источники энергии Солнца и звезд. Ядерная энергетика. Влияние радиоактивных излучений на живые организмы. (Физика 7-9 кл). Общее представление о строении атомов: ядро (протоны и нейтроны) и электроны. Изотопы. (Химия, основная школа). Естествознание 10 § 2, 25, 26, 28, 65, 75. Отношение к ядерным технологиям в обществе далеко не однозначное. Существует крайнее мнение, согласно которому ученые в 20 веке «выпустили страшного джина из бутылки», и, рано или поздно, он уничтожит человечество. Ядерные технологии – это ядерное оружие – самое страшное, которое когда-либо было в руках человека. Ядерные технологии – это местность с радиоактивным заражением, оставшимся после испытаний ядерного оружия, после технологических катастроф, подобных Чернобыльской. Но, оказывается, что попытки «закрыть» ядерные технологии даже в масштабах регионов тоже приводят к печальным последствиям. Радиоактивность и изотопы. Вспомните, явление радиоактивности заключается в испускании радиоактивными ядрами , и -лучей. Эти излучения сопровождают другие различные ядерные реакции. Еще первооткрыватель радиоактивности Пьер Кюри обратил внимание на вредное воздействие радиоактивных излучений на организм и даже целенаправленно испытал это воздействие на себе. Поражающее воздействие радиоактивного излучения связано с ионизационным воздействием соответствующих частиц. Химические реакции, протекающие с ионизированными молекулами, входящими в состав организма, отличаются от реакций, обычно происходящих в организме, результатом чего является возникновение различных заболеваний. Как и все процессы, происходящие в микромире, воздействие частиц, возникающих при радиоактивном излучении, на молекулы имеет вероятностный характер. Это означает, что возможность ионизации пропорциональна дозе облучения, которая, в свою очередь пропорциональна интенсивности потока излучения (числу частиц, излучаемых в единицу времени) и длительности облучения. Слабые потоки радиоактивного излучения, составляющие естественный радиоактивный фон, практически не приносят вреда организму. Сильные потоки могут привести к гибели организма в течение нескольких часов. Особая опасность радиоактивного излучения связана с тем, что человек не имеет органов чувств, регистрирующих радиацию, что, в частности, привело к гибели многих ученых и конструкторов, разрабатывавших ядерные технологии. Способностью к самопроизвольному радиоактивному распаду обладают большинство изотопов ядер. Однако радиоактивные изотопы легких ядер в природе мало распространены, и только тяжелые ядра, подобные ядру урана при всех изотопических составах являются радиоактивными. Именно эта редкая распространенность радиоактивных изотопов нашла практическое применение в различных областях науки и техники. Искусственным путем научились создавать так называемые меченые атомы, - атомы, содержащие ядра радиоактивных изотопов. Эти атомы участвуют во всех химических процессах и многих физических процессах как обычные атомы, но могут быть легко обнаружены по радиоактивному излучению. Меченые атомы позволяют исследовать явления диффузии, физико-химические процессы в живых организмах (при малых концентрациях изотопы не оказывают вредного воздействия на организм). При помощи таких исследований было, например, установлено, что выделяемый при фотосинтезе кислород поступает в растения не с углекислым газом, а с водой. Другой важный пример – применение метода радиоактивного анализа в археологии. В растениях всегда имеется -радиоактивный изотоп углерода 146C с периодом полураспада T = 5700 лет. Он поступает в растения из атмосферы, где образуется из азота в результате действия нейтронов, возникающих, в свою очередь, под воздействием космических лучей на атмосферу. Таким образом, растения и поедающие их животные содержат строго определенный процент радиоактивного изотопа углерода. После гибели организма поступление этого изотопа в останки прекращаются, и его процентное содержание в соответствии с законом радиоактивного распада уменьшается по закону радиоактивного распада: N=N02–t/T. Определяя это процентное содержание в органических останках, можно узнать их возраст, если он лежит в пределах от 1000 до 100000 лет. Энергия ядерных реакций. Из всевозможных ядерных реакций практическое применение нашли реакции, идущие с выделением тепла. Вспомните, при распаде ядра урана выделяется энергия 200 МэВ. При синтезе одного ядра гелия из четырех протонов выделяется энергия около 24 МэВ. Эта энергия более чем в 100 000 раз превосходит энергию, полученную при сжигании равной массы бензина. В среднем ядерные реакции при той же массе продуктов дают энергии больше, чем химические реакции, в 104 – 105 раз. Как это можно объяснить? Дело в том, что энергия химических реакций имеет тот же порядок величины, что и энергия электрона в атоме. Эта энергия сравнима с энергией кулоновского взаимодействия электрона с ядром, которая обратно пропорциональна расстоянию между ядром и электроном, то есть пропорциональна 1/Ra, где Ra – размер атома. Энергия ядерных реакций – это энергия сильных взаимодействий в ядре атома. Поскольку в ядре сильные взаимодействия компенсируют кулоновское отталкивание протонов, то энергия сильного взаимодействия имеет тот же порядок, что и энергия кулоновского отталкивания протонов в ядре, то есть пропорциональна 1/Rn, где Rn – размер атомного ядра. Вспомните теперь, что размер атома превосходит размер атомного ядра в 104 – 105 раз. Существенное уменьшение массы ядерного топлива по сравнению с массой химического топлива оказывается очень важным, например, при конструировании подводных лодок. Подводные лодки, двигатели которых работают на ядерном горючем, могут месяцами без дозаправки двигаться и обеспечивать жизнедеятельность экипажа. Условия самоподдерживания ядерных реакций. Большинство искусственно воспроизводимых ядерных реакций осуществляются на ускорителях, где различные ядра атомов сталкивают друг с другом. Чтобы ядерная реакция была использована в практическом плане, она должна сама поддерживать себя хотя бы какое-то время. Для реакции ядерного распада такая возможность появилась в связи с открытием деления ядра урана под воздействием нейтронов. При таком делении образуется дополнительно два или три нейтрона, которые могут использоваться для деления следующих ядер. Реакция приобретает взрывной характер (см. Естествознание 10 § 2). Однако образовавшиеся в результате деления ядра нейтроны могут и не вызвать деление следующего ядра. Поскольку объем делящегося вещества конечен, нейтрон может вылететь из этого объема, не вступив с реакцию с каким-либо ядром, здесь, как всегда играет роль вероятностный характер законов микромира. При увеличении объема, а, следовательно, и массы делящегося вещества, относительный процент вылетевших за объем нейтронов уменьшается, так как число ядер возрастает пропорционально кубу размера, а площадь ограничивающей делящееся вещество поверхности пропорционально квадрату размера. Поэтому существует определенная критическая масса – минимально необходимая для осуществления самоподдерживающейся ядерной реакции распада. Для чистого урана 92235U критическая масса вещества соответствует шару радиуса 9 см и равна 50 кг. Еще сложнее осуществить самоподдерживающуюся реакцию ядерного синтеза. Чтобы такая реакция произошла, ядра необходимо сблизить на расстояние, когда начинают работать ядерные силы, то есть до величины порядка 10-13 см. Для этого необходимо преодолеть кулоновское отталкивание ядер. На ускорителях это достигается разгоном ядер до больших скоростей. Если такая реакция осуществляется в некотором макроскопическом объеме вещества, то единственная возможность столкнуть ядра – нагреть вещество до огромных температур, порядка 100 млн. градусов. Кроме того, вещество должно быть достаточно плотным, чтобы образовавшаяся в результате одной реакции энергия послужила бы исходной энергией для следующей реакции. В силу сложности создания подобных условий первые самоподдерживающиеся ядерные реакции были осуществлены в виде неуправляемых реакций, то есть в виде взрывов. Практическое применение такие ядерные реакции нашли в виде бомб – атомной бомбе, использующей энергию деления ядра урана, и водородной бомбе, использующей энергию ядерного синтеза. Человек получил самое грозное оружие, которое, к сожалению, было испытано на людях. В 1945 г. армия США подвергла атомной бомбардировке японские города Хиросиму и Нагасаки. Что ж, перефразируя эпиграф, можно сказать, что ни ядерные реакции, ни ядерные технологии в этом не виноваты. А вот у людей – ученых, политиков, простых обывателей должна быть ответственность, которая должна повышаться, по мере того, как человек становится обладателем столь разрушающей силы. Радиоактивное излучение в большой дозе опасно для здоровья человека. Способность отдельных изотопов ядер к радиоактивному распаду используется при анализе различных процессов, в частности, для определения возраста органических останков растений и животных. Реакции распада тяжелых ядер и синтеза легких ядер могут использоваться для получения энергии. Для этого необходимо осуществить условия самоподдерживания этих реакций. 1. Образующиеся в результате ядерных реакций нейтроны также могут оказывать вредное воздействие на организм. Почему? 2. Что и во сколько раз больше – энергия, образовавшаяся при делении 1 г урана, или энергия, образовавшаяся при синтезе 1 г гелия? 3. * При осуществлении реакций термоядерного синтеза на Земле требуются температуры, в несколько раз превосходящие температуру, имеющуюся в недрах Солнца. Как вы думаете, почему? §38. Ядерное оружие и проблемы нераспространения. (Урок-конференция). ...нелишне напомнить, что манхэттенский проект по созданию американской атомной бомбы, обеспечивший на определенном этапе преимущество Соединенных Штатов Америки, был сделан руками эмигрантов. Хотим ли мы, чтобы наши ученые сейчас участвовали в чем-нибудь подобном? Президент РАН академик Ю.С. Осипов. К ? ак и кем создавалось ядерное оружие? Должен ли ученый, чьи разработки могут впоследствии быть применены во вред человечеству, нести моральную ответственность? Чем объясняется борьба за нераспространение ядерного оружия? Возможно ли навсегда остановить его распространение? Цель конференции: Ознакомиться с историей создания ядерного оружия. Понять, как повлияло осознание учеными опасности появления такого оружия на их мировоззрение. Изучить современные проблемы, связанные с нераспространением ядерного оружия. План конференции: 1. Создатели ядерного оружия. 2. Моральная ответственность ученого. 3. Проблема нераспространения ядерного оружия. Сообщение 1. История создания ядерного оружия. Деление ядра урана под воздействием нейтронов с одновременным испусканием вторичных нейтронов было открыто О. Ганом и Ф. Штрассманом в 1938 г. С тех пор работы по данной теме перестали публиковаться в научных журналах. В США в обстановке строжайшей секретности начались работы по созданию мощного оружия. К работе (так называемый манхэттенский проект) были привлечены лучшие физики мира, в частности физики, эмигрировавшие из нацистской Германии. В 1942 г. Под руководством Э. Ферми в США был создан первый ядерный реактор, основанный на цепной реакции деления ядер. 1945 г. В июле в США была испытана первая атомная бомба – оружие, основанное на неуправляемой цепной ядерной реакции, а уже в августе это оружие продемонстрировано всему миру. Демонстрация носила политический характер. Сброшенные США на Хиросиму и Нагасаки атомные бомбы не оказывали существенного значения на ведение военных действий. Позднее атомное оружие было создано и в Советском Союзе. В начале 1950-х годов в США, а затем и СССР было создано термоядерное оружие. Сообщение 2. Моральная ответственность ученого за. Должен ли ученый, чьи разработки могут принести зло людям, нести ответственность за то, как будут использоваться результаты его работы? Существует точка зрения, что наука должна быть отделена от морали. Однако многие ученые-физики, осознав, какое оружие создано в результате их научных разработок, активно занимались общественной деятельностью, связанной с проблемой запрета или нераспространения этого оружия. В качестве примера можно привести А. Эйнштейна, не принимавшего непосредственное участие в разработке атомной бомбы, но поддерживавшего инициативу по созданию этого проекта. Другие примеры – «отец атомной бомбы» в США – Роберт Оппенгеймер и «отец водородной бомбы» в СССР Д.А. Сахаров. Сообщение 3. Можно ли предотвратить нераспространение ядерного оружия? Мировой общественностью давно осознана опасность распространения ядерного оружия. Даже однократное «локальное» применение ядерного заряда может вызвать огромные жертвы и привести к серьезным экологическим последствиям на обширной территории. Однако клуб ядерных держав растет. Страны, пытающиеся создать собственное ядерное оружие, оправдывают свои действия стремлением к самозащите. Как должно реагировать на это мировое сообщество? Источники информации. 1. Альбедер Ж. И др. История Европы.– науч.-попул. изд. Пер. с фр. М.П. Дешевициной.– М.: просвещение, 1996.– 384с. 2. Кириллин В.А. Страницы истории науки и техники. - М.: Наука. 1994. 3. Зелиг К. Альберт Эйнштейн. Пер. с нем.– М.: Атомиздат, 1965 4.Хантингтон С. Столкновение цивилизаций? – «Полис», 1994, № 1, с. 33–48. 5. Библиотека Атомиздата: 1965 год, биографии великих ученых (Ферми, Беккерель, Резерфорд). 6. У. Лоуренс. Люди а атомы. М., атомиздат, 1967 7. Р. Лэпп. Атомы и люди. М., ИИЛ, 1959 8. Широков, Юдин. Ядерная физика. М., Наука, 1980 9. Дягилев Ф.М. Из истории физики и ее творцов. – М., Просвещение, 1986. 10. М. Рузе Роберт Оппенгеймер и атомная бомба. М., 1965. 11. Б.Л. Иоффе. Без ретуши. Портреты физиков на рубеже эпохи. М., 2004. 12. П. Астаншенков Курчатов. (Сер.ЖЗЛ). М., 1968. 13. Г. Горелик. Андрей Сахаров. Наука и свобода. М., 2000. Журналы: «Мировая экономика и международные отношения», «Россия XXI век», «Бюллетень Центра общественной информации по атомной энергии», «Проблемы экологии России», «Земля и вселенная», «Квант», «Природа», «техника молодежи», «Древо познания», «Знание сила». Создание ядерного оружия происходило при участии лучших физиков того времени как в США, так и в СССР. Последствия применения ядерного оружия, в частности огромные людские жертвы при его использовании, и возможность глобальной катастрофы, вплоть до уничтожения жизни на Земле, подвигло многих ученых к борьбе за ограничение ядерного оружия и прекращение его распространение. Осознание опасности гонки ядерного вооружение мировым сообществом стимулировало его принять все возможные меры к прекращению его распространения. §39. Принцип действия атомных реакторов. (Урок-лекция). ... И так, мы подходим к 1939 году, когда Эйнштейн написал свое знаменитое письмо президенту Рузвельту, в котором советовал обратить внимание на ситуацию в физике и... оказать физикам помощь. Из выступления Э. Ферми. ? Ядра каких атомов участвуют в реакциях, происходящих в атомных реакторах? На какие типы делятся реакторы? Какие основные элементы входят в конструкцию ядерного реактора? О ! богащение урана. Реакторы на медленных нейтронах, реакторы на быстрых нейтронах. Активная зона реактора. Регулирующие стержни. С * остав атомного ядра. Ядерные реакции. Ядерная энергетика. (Физика 7-9 кл). Общее представление о строении атомов: ядро (протоны и нейтроны) и электроны. Изотопы. (Химия, основная школа). Естествознание 10 § 2, 25, 26, 28, 65, 75. Письмо Эйнштейна, о котором говорится в эпиграфе, действительно подтолкнуло правительство США оказать помощь физикам, и в 1939 году под руководством Э. Ферми начались работы по созданию ядерного реактора. Позднее аналогичные работы начались в Советском Союзе под руководством И.В. Курчатова.
Безусловно, эти работы стимулировало не желание получить еще один способ производства электроэнергии, а стремление создать новое мощное оружие. Как уже говорилось, возможность получения самоподдерживающейся (цепной) реакции на основе деления ядра урана под воздействием нейтронов была осознана сразу же после этого открытия. Почему же атомная бомба была создана лишь в 1945 г? Свойства ядер, способных к делению. Способностью к делению с выделением энергии в результате этого процесса обладают не только ядра урана. К тому же уран имеет несколько изотопов. Характеристика ядер, так или иначе участвующих в реакциях, происходящих в ядерных реакторах, приведена в таблице.
Некоторые пояснения к таблице. Под быстрыми нейтронами подразумевают нейтроны, движущиеся со скоростями больше 14 000 км/с. Именно такие нейтроны испускаются в процессе деления ядер. Под медленными нейтронами подразумеваются нейтроны со скоростями около 2 км/с. Какие выводы можно сделать на основе данных таблицы? Если самоподдерживающуюся реакцию деления создавать, используя только возникающие в результате реакции быстрые нейтроны, то лучшим ядерным горючим являются ядра 235U, 233U, 239Pu. Но атомы с этими ядрами мало распространены в природе. Оценки, проведенные с использованием количественных данных, показывают, что вероятность деления ядер 238U, 232Th под воздействием быстрых нейтронов настолько мала, что цепная реакция оказывается невозможной. Если же брать природный уран, в котором доля 235U составляет 0,7%, то оказывается, что составляющий в нем основную массу 238U препятствует протеканию цепной реакции деления ядер 235U под воздействием быстрых нейтронов. Какие выходы возможны? Первый вариант – проводить процесс обогащения урана. Это означает некоторыми способами из смеси 235U+ 238U удалять 238U. Делать это непросто, а значит дорого. Дело в том, что химические свойства этих двух изотопов одинаковы, а физические свойства очень близки, поскольку их массы различаются всего на 1%. Другой способ – попытаться осуществить реакцию, замедлив нейтроны, для чего годится даже природный, необогащенный уран, поскольку вероятность деления 235U медленными нейтронами существенно больше. Оказывается, что в этом случае изотоп 238U также становится полезен, из него под воздействием нейтронов в процессе протекания ряда последовательных ядерных реакций образуются ядра 239Pu. В дело может пойти и 232Th, из него образуются ядра 233U. Таким образом, помимо получения энергии, можно вырабатывать ядерное горючее, что эквивалентно процессу обогащения. Именно поэтому первый управляемый реактор был построен в 1942 г., а атомная бомба была создана лишь в 1945 г. Основные элементы конструкции реакторов. Конструкции реакторов могут быть разнообразными, однако принципиально различают два типа реакторов – реакторы на медленных нейтронах и реакторы на быстрых нейтронах. В реакторах на быстрых нейтронах используется обогащенный уран с долей 235U больше 15% с возможным добавлением 239Pu. На Рис. 1 приведена схема, позволяющая понять работу реактора. В активной зоне реактора помещается ядерное горючее. В реакторах на медленных нейтронах в активной зоне помещается также замедлитель нейтронов.
Нейтроны лучше всего замедляются при столкновении с легкими ядрами атомов. Поэтому в качестве замедлителя используется вода и графит. Вода, кроме того, является теплоносителем, то есть отводит тепло от ядерного горючего. Ядра атомов водорода (протоны), входящие в состав воды, могут захватывать нейтроны и превращаться в ядра тяжелого водорода – дейтерия, состоящие из протона и нейтрона. Эти ядра радиоактивные, поэтому отводящую тепло воду нельзя непосредственно пускать на турбину, как это делается на ТЭЦ. Радиоактивная вода в парогенераторе нагревает воду во вторичном контуре, которая, превращаясь в пар, идет на турбину. Сама же радиоактивная вода циркулирует по замкнутому контуру. В реакторах на быстрых нейтронах вода будет мешать процессу деления, поэтому в качестве теплоносителя используют жидкие металлы (Na). Реактором нужно уметь управлять, выводя его на полную мощность и останавливая, когда необходимо. Останавливать реакцию можно, частично поглощая нейтроны, высвобождающиеся в процессе деления. Для этого в активную зону вводятся (и выводятся при увеличении мощности) регулирующие стержни. Они содержат вещества, хорошо поглощающие нейтроны, например кадмий или бор. Отражатель нейтронов служит для частичного возвращения нейтронов в активную зону. Наконец, для защиты персонала от радиоактивного излучения реактора используется оболочка их железобетона. Управление реактором. На Рис. 1 не изображена самая главная часть – система управления реактором. Она представляет собой множество датчиков и механизмы, двигающие управляющие стержни. Датчики регистрируют самые разнообразные данные реактора, которые поступают на пульт управления. Управлять реактором непросто, для устойчивой работы необходимо поддерживать строго определенное число вторичных нейтронов в рабочей зоне. Большую часть работы по управлению берет на себя автоматика, однако последнее слово остается за человеком. Поэтому управление реактором может быть поручено только высококвалифицированным специалистам. К сожалению, опыт показал, что человеческий фактор может играть отрицательную роль, как это произошло в Чернобыле. Конструкции реакторов таковы, что в них при всех сбоях оборудования и при всех глупостях персонала, или внешних диверсиях не может произойти ядерный взрыв. Однако, как выяснилось, грубое нарушение режима работы персоналом способно вызвать сильный разогрев активной зоны и тепловой взрыв с разрушением активной зоны. Существуют разные мнения на целесообразность использования ядерных реакторов в энергетике с учетом возможного экологического вреда. Однако цивилизованные страны, в которых доля производства электроэнергии на атомных электростанциях достигает 30%, не собираются сворачивать программу использования ядерных реакторов. Применение ядерной энергии в мирных целях впервые было осуществлено в СССР, когда в г. Обнинске была введена в эксплуатацию атомная электростанция мощностью 5000 кВт. В настоящее время в России работает несколько атомных электростанций, где в основном используются ядерные реакторы на медленных нейтронах. Помимо этого ядерные реакторы работают также на атомных ледоколах и атомных подводных лодках. Основным источником энергии в ядерных реакторах является деление ядер 235U, доля которого в урановой руде (235U+238U) составляет 0,7%. В процессе протекания ядерных реакций из изотопа 238U вырабатывается ядерное горючее в виде ядер 239Pu, которое затем может использоваться в качестве ядерного горючего, как в ядерных реакторах, так и в ядерном оружии. Ядерные реакторы являются сложными технологическими устройствами, управление которыми может производиться только высококвалифицированными специалистами. 1. Активную зону реактора стараются делать сферической формы или близкой к сферической форме. Почему? 2. Мощности атомных реакторов достигают величин 500 – 1000 МВт. Вычислите, сколько актов деления в секунду происходит в атомном реакторе мощностью 1000 МВт. 3. Где в периодической таблице находятся атомы, ядра которых участвуют в процессах в атомных реакторах? Какими химическими свойствами обладают эти атомы? §40. Атомная энергетика и проблемы экологии. (Урок-семинар). Человек – это, в общем, антисанитарное млекопитающее, вы уж меня извините. Он вокруг себя все портит... То есть процесс цивилизации, увы, обязательно сопровождается ростом загрязненности окружающей среды. Н.А. Платэ, академик РАН К ? аково современное состояние атомной энергетики и перспективы ее развития? Насколько опасна ядерная энергетика в плане возможных аварий и экологического вреда? В чем заключается проблема ввоза и захоронения отходов ядерной энергетики? Цель семинара: Ознакомиться с состоянием ядерной энергетики, плюсами и минусами ее развития. План семинара. 1. Атомная энергетика: история, нынешнее состояние, перспективы развития. 2. История Чернобыльской катастрофы и ее уроки. 3. Сравнительный анализ вредных последствий при производстве электроэнергии различными типами электростанций. 4. Обсуждения целесообразности ввоза ядерных отходов для их переработки и захоронения. Необходимые источники информации. Литература: 1. Детская энциклопедия. 2. Кириллин В.А. Страницы истории науки и техники. - М.: Наука. 1994. 3. Альбедер Ж. И др. История Европы.– науч.-попул. изд. Пер. с фр. М.П. Дешевициной.– М.: просвещение, 1996.– 384с. 4.Хантингтон С. Столкновение цивилизаций? – «Полис», 1994, № 1, с. 33–48. 5. У. Лоуренс. Люди а атомы. М., атомиздат, 1967 6. Р. Лэпп. Атомы и люди. М., ИИЛ, 1959 7. Широков, Юдин. Ядерная физика. М., Наука, 1980 8. Дягилев Ф.М. Из истории физики и ее творцов. – М., Просвещение, 1986. 9. П. Астаншенков Курчатов. (Сер.ЖЗЛ). М., 1968. 10. Б.Л. Иоффе. Без ретуши. Портреты физиков на рубеже эпохи. М., 2004. Журналы: «Мировая экономика и международные отношения», «Россия XXI век», «Бюллетень Центра общественной информации по атомной энергии», «Проблемы экологии России», «Земля и вселенная», «Квант», «Природа», «Техника молодежи», «Древо познания», «Знание сила». Ресурсы интернет: http://www.krugosvet.ru, http://www.microsoft.com/Rus/Government/newsletters/issue1/04.mspx, http://www.znanie-sila.ru/projects/ |
Похожие:
 | Урок формирования знаний Конференция, урок-диспут, урок-лекция, урок-экскурсия,, урок-поиск, урок снежный ком и др | | Лекция I и проблема языка и сознания лекция II 31 слово и его семантическое... Монография представляет собой изложение курса лекций, про* читанных автором на факультете психологии Московского государственного... |
| «Давление газа» Данный урок является развивающим, так как он проводится с использованием новых технологий (интерактивная лекция). Лекция сопровождается... |  | Лекция религии современных неписьменных народов: человек и его мир... Редактор Т. Липкина Художник Л. Чинёное Корректор Г. Казакова Компьютерная верстка М. Егоровой |
| Урок конференция. Доклады и выступления учащихся по следующим темам Расцвет реализма в литературе, живописи, музыке, театральном искусстве. Урок лекция с элементами беседы | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Урок 1-й. Урок – лекция «Эвенки Забайкалья: общая характеристика. Традиционное жилище эвенков» |
| Урок информатики на тему: «Знакомство с графическим редактором Paint.» Тип урока по форме проведения: урок – лекция с элементами исследования и имитации деятельности компьютерных художников на этапе выполнения... | | Лекция №5 Лекция №5 Вредные вещества и их воздействие на человека. Основы промышленной токсикологии |
| Урок патриотизма Урок лекция, основанный на использовании технологий развивающего обучения Новицкий И. Б. Римское право: учеб для юрид высш учеб заведений и фак. 2011. 298 с. 30 экз | | Урок изучения нового Урок изучения нового традиционный (комбинированный), лекция, экскурсия, исследовательская работа, учебный и трудовой практикум. Имеет... |
| Урок-лекция Назначение и использование компас-график. Гост оформления конструкторской документации | | Урок-лекция Рассмотрите изображение странного объекта. Выскажите версии относительно его предназначения |
| Урок изучения нового материала Лекция 12. Основные вопросы управления образованием и организации учебного процесса 72 | | Урок Русская литературно-критическая и философская мысль второй половины... Рабочая программа по предмету «Литература» в 10 классе создана на основе федерального компонента государственного стандарта основного... |
| Урок 114. «Мятежный человек, полный бунтующих страстей». Слово о... Урок посвящается биографии писателя и обзору его творчества. Лекция учителя и сообщения заранее подготовленных учеников о личности... | | Лекция. Проектирование графического интерфейса пользователя Лекция №11 Комплексная программа «Программа воспитания и обучения в детском саду» под редакцией М. А васильевой, В. В. Гербовой, Т. С. Комаровой... |
