Глава 14. Ядерная физика

14.1 История ранней ядерной физики

14.1.1 Положительно заряженные альфа-лучи

Эрнест Резерфорд и британский химик Фредерик Содди первыми показали, что один элемент может естественным образом излучать достаточно материи, чтобы превратиться в другой. Они сделали это в 1902 году, после экспериментов с торием. [1-3]

К 1907 году Резерфорд показал, что торий испускает альфа-лучи (обсуждаемые в главе 6), которые он идентифицировал как ионы гелия — атомы гелия, лишенные электронов и, следовательно, положительно заряженные. [4-6]

Резерфорд показал, что вы также можете превратить один элемент в другой, добавляя альфа-лучи к атомам, а не удаляя их, в 1919 году. Он сделал это, обстреливая атомы азота альфа-лучами. Это произвело кислород и положительно заряженную частицу, которую Резерфорд идентифицировал как протон. [7,8]

Теперь мы знаем, что альфа-лучи — ионы гелия — содержат два протона и два нейтрона. Когда Резерфорд направил альфа-лучи на атомы азота, из азота выбился протон, а ядра гелия слились с тем, что осталось, и образовался кислород.

14.1.2 Открытие нейтрона

Резерфорд открыл ядро ​​атома в 1911 г. [9] (обсуждается в главе 9) и предсказал существование нейтрона в 1920 г. [10] Наконец, нейтрон был открыт британским физиком Джеймсом Чедвиком в 1932 г. [11]

Ранее в том же году французские физики Ирен и Фредерик Жолио-Кюри (дочь Марии и Пьера Кюри и ее муж) исследовали новый тип нейтрального излучения, открытый немецкими физиками Вальтером Боте и Гербертом Беккером в 1930 году. 12] Хотя Боте и Беккер предположили, что это излучение состоит из гамма-лучей, Жолио-Кюри обнаружили, что оно состоит из чего-то еще более энергичного. [13]

Резерфорд и его ученик Чедвик были убеждены, что это излучение состоит из нейтронов, и Чедвик вскоре доказал это, измерив массу нейтральных частиц, образующих излучение.

Открытие нейтронов объяснило, как образуются изотопы. Изотопы — это элементы, которые занимают одно и то же место в таблице Менделеева, но имеют несколько разные массы. Содди впервые предсказал существование изотопов в 1913 году [14], и теперь стало ясно, что более тяжелые изотопы содержат больше нейтронов.

14.1.3 Ядерное деление и ядерный синтез

Атом был расщеплен впервые через несколько недель после открытия Чедвиком нейтрона в результате того, что позже будет названо ядерным делением. Этого добились коллеги Резерфорда, ирландский физик Эрнест Уолтон и британский физик Джон Кокрофт. Уолтон и Кокрофт выстрелили протонами в атомы лития, чтобы разделить их на два ядра гелия. [15]

Австралийский физик Марк Олифант стал первым, кто сплавил изотопы водорода вместе в 1934 году. [16] Олифант сплавил «тяжелые» ядра водорода (ядра водорода, содержащие один протон и один нейтрон, а не только один протон), и это создало ядра гелия.

Цепная реакция деления урана, которая распадается на криптон, барий и три отдельных нейтрона.

Цепная реакция ядерного синтеза, происходящая в звездах, известна как протон-протонная цепочка.

14.2 История ядерной энергетики

14.2.1 Энергия связи ядер

Британский физик Роберт д’Эскорт Аткинсон и голландско-австрийско-немецкий физик Фриц Хоутерманс впервые предположили, что большое количество энергии может быть высвобождено при слиянии небольших ядер в 1929 году, за три года до открытия нейтрона. [17]

Позже было показано, что и синтез, и деление выделяют энергию. [18,19] Энергия производится до тех пор, пока новые ядра более тесно связаны и, следовательно, более стабильны, чем старые. Делает ли ядро ​​более стабильным синтез или деление, зависит от энергии связи, приходящейся на протон и нейтрон.

Энергия связи — это энергия, необходимая для удержания двух протонов или нейтронов связанными вместе, и такое же количество энергии необходимо для их разрыва. Позже это было объяснено квантовой хромодинамикой, квантовой теорией поля сильного ядерного взаимодействия (обсуждается в главе 23).

Энергия связи различных элементов.

Существование энергии связи означает, что общая масса протона и нейтрона вместе взятых меньше массы отдельного протона плюс отдельного нейтрона. Энергия связи добавляется к массе ядра, потому что энергия связана с массой через специальную теорию относительности Альберта Эйнштейна [20] (обсуждается в Книге I). Специальная теория относительности утверждает, что масса (м) объекта равно Е/с 2 , где Е это энергия, а с это скорость света.

Энергия связи на протон и нейтрон варьируется в зависимости от того, сколько протонов и нейтронов составляют ядро. Наиболее устойчивым ядром является железо. Элементы тяжелее железа подвергаются делению, чтобы стать более стабильными, а более легкие элементы подвергаются синтезу. Когда атом становится более стабильным, он переходит в более низкое энергетическое состояние, в результате чего высвобождается энергия.

14.2.2 Цепные ядерные реакции

В 1934 году американский физик Лео Силард понял, что нейтроны можно использовать для самоподдерживающейся цепной ядерной реакции, способной генерировать огромное количество энергии.[21] Это могло бы произойти, если бы в результате ядерной реакции высвобождались высокоскоростные нейтроны, которые затем сталкивались с другими атомами, расщепляя их и высвобождая еще больше нейтронов.

Энрико Ферми утверждал, что создал новые тяжелые элементы аузоний (теперь известный как нептуний) и гесперий (теперь известный как плутоний), стреляя нейтронами по более легким элементам в 1934 году. [22]

Под влиянием результатов Ферми немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассманн начали проводить аналогичные эксперименты в Берлине. К 1938 году они создали новый тяжелый элемент, барий, после бомбардировки урана нейтронами. [23] Австрийский физик Лизе Мейтнер показала, что это свидетельствует о делении ядер, [24] а австрийско-британский физик Отто Роберт Фриш подтвердил это экспериментально в январе 1939 года. [25] В том же году немецко-американский физик Ганс Бете [26] и американский физик индийского происхождения Субрахманьян Чандрасекар [27] показали, как звезды подпитываются цепными реакциями ядерного синтеза.

В 1956 году американский физик японского происхождения Пол Курода предположил, что деление ядер может существовать где-то еще в природе, поскольку для цепных ядерных реакций требуются только природные материалы. [28] Это было доказано в 1972 году, когда в урановых рудниках в Окло, Габон, были обнаружены доказательства естественной самоподдерживающейся цепной ядерной реакции. Считается, что ядерная реакция произошла около 1,5 миллиарда лет назад. [29]

14.2.3 Манхэттенский проект

Сцилард и Ферми переехали на Манхэттен, штат Нью-Йорк, в 1938 году. Услышав об экспериментах Гана и Штрассмана по расщеплению, Сцилард, Ферми и американский физик Герберт Андерсон успешно показали, что уран может стать посредником в цепной ядерной реакции в следующем году. [30]

Это открытие побудило Сциларда написать другим ученым и попросить их воздержаться от публикации работ по ядерной физике, если нацистскому правительству станет известно о таких возможностях.Не все согласились, и поэтому Сцилард написал письмо, в котором предупреждал, что нацистская Германия может пытаться создать атомную бомбу. Он был подписан Эйнштейном и передан президенту США Франклину Д. Рузвельту 2 августа 1939 года. [31]

Письмо Сциларда привело к Манхэттенскому проекту, сверхсекретному научно-исследовательскому проекту, который начался в 1942 году. В том же году Сцилард и Ферми создали первую искусственную цепную ядерную реакцию с Чикагским блоком-1, первым ядерным реактором.

Первая атомная бомба была взорвана в ходе испытания Тринити, которое проводилось в пустыне Нью-Мексико в июле 1945 года. В августе того же года над японскими городами были взорваны еще две атомные бомбы, одна из атомов урана, а другая из плутония. Хиросимы и Нагасаки.

После Второй мировой войны многие страны разработали как ядерное оружие, так и атомные электростанции.

14.2.4 Атомные электростанции

На атомной электростанции ядерный реактор создает управляемую цепную реакцию ядерного деления. Это производит тепло, которое используется для нагрева воды, создавая пар. Затем пар приводит в действие турбину, которая соединена с электрическим генератором. Электричество было выработано ядерным реактором — Experimental Breeder Reactor-I — впервые в 1951 году.

Схема атомной электростанции.

Ядерная энергия вызывает споры, потому что это устойчивый источник энергии, однако в нем используются опасные материалы, а аварии могут иметь долгосрочные и трагические последствия. Об этом свидетельствуют Чернобыльская авария 1986 года и авария на АЭС Фукусима-дайити 2011 года.

Эти проблемы не возникают при ядерном синтезе, поскольку ни один из материалов не является радиоактивным. Этого можно добиться с помощью изотопа гелия-3, но гелий-3 слишком редок на Земле, чтобы быть полезным. [32]

14.3 Ссылки

Показать/скрыть ссылки

1. ↑ Резерфорд Э., Содди Ф., Дж. Хим. соц.1902, 81, 321–350.
2. ↑ Резерфорд Э., Содди Ф., Дж. Хим. соц.1902, 81, 837–860.
3. ↑ Младенович, М., История ранней ядерной физики (1896-1931 гг.), Мировой Научный, 1992.
4. ↑ Резерфорд Э., Содди Ф., London.Edinb.Dubl.Phil.Mag.1903, 5, 445–457.
5. ↑ Резерфорд Э., Содди Ф., Философский журнал Серия 61903, 5, 576–591.
6. ↑ Резерфорд, Э., London.Edinb.Dubl.Phil.Mag.1907, 13, 110–117.
7. ↑ Резерфорд, Э., London.Edinb.Dubl.Phil.Mag.1919, 37, 581–587.
8. ↑ Содди, Ф., Нат1920, 106, 502–503.
9. ↑ Резерфорд, Э., London.Edinb.Dubl.Phil.Mag.1911, 21, 669–688.
10. ↑ Резерфорд, Э., проц. Р. Соц. Лонд., сер. А1920, 97, 374–400.
11. ↑ Чедвик, Дж., проц. Р. Соц. Лонд., сер. А1932, 136, 692–708.
12. ↑ Боте, В., Беккер, Х., З. Физ.1930, 66, 289–306.
13. ↑ Кюри И., ЧР акад. науч. Париж1932, 193, 1412–1214.
14. ↑ Содди, Ф., Нат1913, 92, 399–400.
15. ↑ Кокрофт, Дж. Д., Уолтон, И. Т. С., проц. Р. Соц. Лонд., сер. А1932, 137, 229–242.
16. ↑ Олифант М.Л.Э., Хартек П., Резерфорд Л., проц. Р. Соц. Лонд., сер. А1934, 144, 692–703.
17. ↑ Д’Э Аткинсон Р., Хоутерманс Ф. Г., Нат1929, 123, 567–568.
18. ↑ Weizsäcker, C.V., З. Физ. Адроны и ядра1935, 96, 431–458.
19. ↑ Бете, Х. А., Бахер, Р. Ф., Обзоры современной физики1936, 8, 82.
20. ↑ Эйнштейн, А. в принцип относительности; оригинальные документы, Калькуттский университет, 1920 (1905).
21. ↑ Силард, Л., Чалмерс, Т. А., Нат1934, 134, 494–495.
22. ↑ Ферми, Э., Нат1934, 133, 898–899.
23. ↑ Хан, О., Штрассманн, Ф., Naturwissenschaften1939, 27, 11–15.
24. ↑ Мейтнер, Л., Фриш, О. Р., Нат1939, 143, 1939.
25. ↑ Фриш, О. Р., Нат1939, 143, 276–276.
26. ↑ Бете, Х. А., физ. преп.1939, 55, 434–456.
27. ↑ Чандрасекар, С., ApJ1939, 90, 1–50.
28. ↑ Курода, П.К., Дж. Хим. физ.1956, 25, 781–782.
29. ↑ Нейи, М., Буссак, Дж., Вендриес, Г., Фрежак, К., Ниф, Г., Ивон, Дж., Комп. Ренд. сер. Д1972, 275, 1847–1849.
30. ↑ Андерсон Х.Л., Ферми Э., Силард Л., физ. преп.1939, 56, 284.
31. ↑ Эйнштейн, А., Письмо Эйнштейна президенту Рузвельту, Атомный Архив, 1939.
32. ↑ ЕКА, Добыча гелия-3 на поверхности Луны, ЭСА.