§ 38. Термоядерні реакції. Енергія Сонця й зір

Механізм термоядерної реакції. У попередніх параграфах ми розглядали ядерні реакції розпаду радіоактивних речовин, що зумовлені перетворенням атомних ядер у результаті їхньої взаємодії з елементарними частинками й між собою. І з’ясували, що під час поділу важких ядер виділяється велика кількість енергії. Так, під час поділу одного ядра урану-235 виділяється 200 МеВ енергії. Проте виявилося, що при злитті (синтезі) легких ядер виділяється ще більше енергії. Наприклад, якщо здійснити злиття ізотопів водню (дейтерію і тритію), то в результаті цього утворюється гелій і випромінюється нейтрон 2 ₁Н + 3 ₁Η → 4 ₂He + 1 ₀n. У цій реакції беруть участь усього 5 нуклонів, а виділяється 17,6 МеВ енергії (мал. 196).

Мал. 196. Схема ядерного синтезу

Якщо врахувати, що в реакції синтезу в розрахунку на один нуклон виділяється приблизно 3,5 МеВ енергії, а при радіоактивному розпаді ядра урану — «всього» 1 МеВ на нуклон, то зрозуміло, що реакції синтезу набагато вигідніші з точки зору одержання енергії.

Такі реакції називаються термоядерними. Сама назва цих реакцій вказує на їхню особливість — вони відбуваються за дуже високих температур. З’ясуємо чому.

Щоб почалося злиття ядер, їх потрібно наблизити одне до одного на відстань дії ядерних сил. Для такого зближення потрібно подолати кулонівське відштовхування ядер, яке різко зростає зі зменшенням відстані між ядрами. Для цього потрібно, щоб ядра атомів мали дуже велику кінетичну енергію, тобто аби їхня швидкість була досить великою. Це можливо лише за дуже високих температур (десятки й сотні мільйонів градусів). Тому реакція ядерного синтезу й називається термоядерною реакцією.

Термоядерними реакціями називаються ядерні реакції синтезу легких ядер у важчі, що супроводжуються виділенням енергії (мал. 198, с. 182).

З фізичної точки зору зрозуміло, що енергія, яка вивільняється у процесі радіоактивного розпаду ядер, — це, в основному, кінетична енергія уламків, що набули її внаслідок дії електричних сил відштовхування. При термоядерному синтезі енергія вивільняється в результаті прискореного руху нуклонів назустріч один одному під дією набагато потужніших ядерних сил. Простіше кажучи, при поділі ядер вивільняється енергія електричної взаємодії, а при синтезі ядер — енергія сильної (ядерної) взаємодії.

Термоядерні реакції відбуваються за надвисоких температур (10 7 -10 9 °С). За таких температур речовина є повністю йонізованою та перебуває в стані плазми.

Здійснення реакцій керованого термоядерного синтезу в земних умовах відкриє перед людством перспективу отримання екологічно чистої і практично невичерпної енергії.

На даному етапі розвитку науки та техніки вдалося здійснити тільки некеровану реакцію термоядерного синтезу у водневій бомбі, де висока температура досягалася за рахунок вибуху уранової або плутонієвої атомної бомби.

Енергія Сонця й зір. Термоядерні реакції відіграють надзвичайно важливу роль в еволюції Всесвіту. Сонце й деякі інші зорі випромінюють у космічний простір величезну енергію, що вивільняється в процесі термоядерного синтезу чотирьох легких ядер водню в одне ядро гелію (мал. 197). При перетворенні одного кілограма водню на гелій виділяється така кількість теплоти, якої достатньо для того, щоб закип’ятити півтора мільйона кубометрів води.

Мал. 197. Термоядерні реакції на Сонці

Температура в центрі Сонця становить близько 13 мільйонів градусів. За такої температури атоми повністю йонізовані, тобто навколо їхніх ядер уже немає електронних оболонок. Фактично Сонце заповнене електронно-йонним газом. Висока температура спричинює колосальний тиск цих газів, тому ядра можуть наблизитися значно ближче одне до одного, ніж у земних умовах за звичайних температур.

Цікаво, що термоядерна реакція на Сонці протікає дуже повільно. Для того щоб чотири ядра водню перетворилися на ядро гелію, має пройти декілька мільйонів років. За такого повільного процесу Сонце може виділяти величезну кількість теплоти тільки завдяки тому, що в цьому процесі одночасно бере участь велетенська маса речовини. Разом з випромінюванням енергії кожної секунди Сонце втрачає чотири з половиною мільйони тонн своєї маси. Але для Сонця ця втрата абсолютно мізерна. Маса Сонця настільки велика, що за два мільярди років безперервного випромінювання Сонце втратило не більш ніж одну десяту відсотка своєї маси.

Учені підрахували, що запасів водню на Сонці вистачить на 100 мільярдів років.

Мал. 198. Термоядерні реакції

Підбиваємо підсумки

• Термоядерними реакціями називають ядерні реакції синтезу легких ядер у важчі, які супроводжуються виділенням енергії.

• Енергія, що виділяється при злитті легких ядер, більша за енергію, що виділяється при поділі важких ядер (у розрахунку на 1 нуклон).

• Термоядерні реакції ефективно відбуваються за надвисоких температур близько 10 7 -10 9 °С.

• Дослідження показали, що на Сонці й інших зорях відбуваються ядерні реакції, у результаті яких виділяється величезна енергія.

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

• 1. У чому різниця між реакціями ядерного поділу та синтезу?
• 2. Чому для термоядерної реакції необхідна висока температура?
• 3. Ядра яких елементів вступають у реакцію термоядерного синтезу на Сонці?
• 4. Чому маса Сонця зменшується?
• 5. На скільки років, за підрахунками вчених, має вистачити запасу водню на Сонці?

§ 35. Активність радіоактивної речовини. Закон радіоактивното розпаду

Властивості радіоактивного розпаду. З’ясувавши, як саме відбувається процес радіоактивних перетворень, цікаво буде дізнатися про деякі його особливості. Наприклад, маємо деяку кількість радіоактивної речовини. Чи можна з’ясувати, ядро якого з атомів розпадеться першим, а якого — наступним або останнім? Виявилося, що дізнатися про це неможливо. Процес радіоактивного розпаду того чи іншого ядра є випадковою подією.

Проте встановлено, що кількість ядер атомів, які розпадаються, весь час змінюється. І ця зміна підпорядковується певній закономірності, яку можна зобразити графічно (мал. 201).

Якщо в початковий момент часу (t = 0) було N радіоактивних ядер, то за деякий час їхня кількість стане вдвічі меншою — N₀/2 Ще через такий самий проміжок часу їх уже буде N₀/4. і т.д. Час, за який кількість радіонуклідів зменшується вдвічі, називають періодом піврозпаду радіоактивної речовини й позначають літерою Т.

Мал. 201. Закономірності радіоактивного розпаду: графік (а) і діаграма (б) залежності кількості ядер, що не розпалися, від часу

Період піврозпаду, Т — це фізична величина, що дорівнює часу, протягом якого розпадається половина наявної кількості радіонуклідів певної речовини.

Одиниця періоду піврозпаду в СІ — секунда (1 с).

Якщо в початковий момент часу (t = 0) було N₀ радіоактивних ядер, то за період піврозпаду Т кількість їх стане вдвічі меншою N₀/2. Ще через такий самий час Т їх уже буде N₀/4 т.д. Тобто за п періодів піврозпаду (п = t/T) радіоактивними залишаться лише N ядер. Цю закономірність називають законом радіоактивного розпаду.

Закон радіоактивного розпаду — це фізичний закон, що описує математичну залежність кількості радіоактивних атомів Ν, які не розпалися протягом деякого часу t після початку відліку, від початкової кількості атомів:

Що менший період напіврозпаду, то меншим є час життя атомів і швидше відбувається розпад.

Закон розпаду атомів не є законом, що управляє розпадом одного атома. Наприклад, атом урану може спокійно пролежати в ґрунті або гірській породі мільярди років і раптом розпастись, а в той же час сусідні атоми урану залишатимуться в попередньому стані.

Передбачити, коли розпадеться даний атом, неможливо. Певний зміст мають лише твердження про середньостатистичну поведінку великої кількості атомів. Отже, закон радіоактивного розпаду визначає саме середньостатистичну кількість атомів, що розпадуться за даний інтервал часу.

Активність радіонуклідів. Різні радіоактивні речовини мають різні періоди піврозпаду: одні з них розпадаються швидше, інші — повільніше.

З практичної точки зору важливою характеристикою процесу радіоактивного розпаду є швидкість, з якою розпадається та чи інша радіоактивна речовина, іншими словами, активність радіоактивного елемента.

Активність радіоактивного елемента, А — це фізична величина, яка чисельно дорівнює кількості розпадів, що відбуваються в певній кількості радіоактивної речовини за одиницю часу.

У результаті фізичних досліджень і математичних обчислень встановлено, що активність радіоактивного елемента прямо пропорційна кількості радіонуклідів (Ν) й обернено пропорційна періоду їхнього піврозпаду (Т): A = 0,69 • N/T.

Величину 0,69/T називають сталою радіоактивного розпаду й позначають літерою λ. Отже, формулу для активності радіоактивного елемента можна записати ще й так: А = λ • Ν.

Активність вимірюється в розпадах за секунду. За одиницю активності в Міжнародній системі одиниць (СІ) прийнято один розпад за секунду. Ця одиниця названа беккерелем (Бк) на честь французького фізика Антуана Анрі Беккереля. 1 Бк — це активність радіоактивного елемента, у якому за одну секунду відбувається один розпад.

Оскільки швидкість розпаду радіоактивних ізотопів різна, то однакові за масою ядра радіоактивних ізотопів мають різну активність. Що більше ядер розпадається за одиницю часу, то більшою є активність даного радіоактивного ізотопу.

З плином часу кількість ядер, що не розпалися внаслідок радіоактивних перетворень, зменшується, а отже, зменшується й активність радіоактивного елемента.

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

• 1. Дайте визначення періоду піврозпаду.
• 2. Дайте визначення активності радіонукліда. У яких одиницях вона вимірюється?
• 3. Як пов’язані між собою півперіод піврозпаду, стала радіоактивного розпаду, активність радіоактивного розпаду?
• 4. Як із часом змінюється активність радіоактивного елемента?
• 5. Чому радіоактивні елементи з порівняно невеликим періодом піврозпаду (наприклад, радій) не зникли за час існування Землі, адже ядра їхніх атомів весь час перетворюються на інші ядра?

Вчимося розв’язувати задачі

Задача 1. Кількість атомів радіоактивного радону зменшилася у 8 разів за 11,4 доби. Визначте період піврозпаду радону.