Физика атомного ядра. Структура атомных ядер. Ядерные силы.
Необходимость защиты окружающей среды от опасных техногенных воздействий промышленности на экосистемы
Характерные антропогенные радиационные воздействия на окружающую среду -
· загрязнение атмосферы и территорий продуктами ядерных взрывов при испытаниях ядерного оружия в 60-тые годы,
· отравление воздушного бассейна выбросами пыли, загрязнение территорий шлаками, содержащими радиоактивные вещества при сжигании ископаемых топлив в котлах электростанций,
· загрязнение территорий при авариях на атомных станциях и предприятиях.
Более локальные, но не менее неприятные последствия - гибель озер, рек из-за неочищенных радиоактивных сбросов промышленных предприятий.
Значительную опасность для живых существ, для популяций организмов в экосистемах представляют аварии на предприятиях химической, атомной промышленности, при транспортировании опасных и вредных веществ. Известные аварии на химическом заводе в Бхопале (Индия), на 4-ом блоке Чернобыльской АЭС, аварии с нефтеналивными судами, да и результаты скоротечной войны в Персидском заливе показывают масштабы экологических бедствий современного общества. Очевидно, что необходим радикальный пересмотр наших отношений с природой, нужны решительные шаги по защите окружающей среды, в частности многократное усиление мер воздействия нормативных рычагов на хозяйственную практику. Совершенно недопустимо, чтобы установленные нормативами предельные концентрации вредных веществ в воздухе, воде реально превышались в сотни раз. Нужно сделать невыгодным или даже разорительным пренебрежение к охране окружающей среды. Право людей на чистый воздух, чистые реки и озера должно не только декларироваться, но и реально обеспечиваться всеми доступными для государства средствами.
Какой же диапазон концентраций вредных веществ надлежит контролировать? Приведем примеры предельно допустимых концентраций вредных веществ, которые будут служить ориентирами в анализе возможностей радиационального мониторинга окружающей среды.
В основном нормативном документе по радиационной безопасности - Нормах радиационной безопасности (НРБ-76/87) даны значения предельно-допустимых концентраций радиоактивных веществ в воде и воздухе для профессиональных работников и ограниченной части населения. Данные по некоторым важным, биологически активным радионуклидам приведены в Таблице 1.
Таблица 1 Значения допустимых концентраций для радионуклидов.
| Нуклид, N | Период полураспада, Т1/2 лет | Выход при делении урана, % | Допустимая концентрация, Ku/л | Допустимая концентрация | ||
| в воздухе | в воздухе | в воздухе, Бк/м3 | в воде, Бк/кг | |||
| Тритий-3 (окись) | 12,35 | - | 3*10-10 | 4*10-6 | 7,6*103 | 3*104 |
| Углерод-14 | - | 1,2*10-10 | 8,2*10-7 | 2,4*102 | 2,2*103 | |
| Железо-55 | 2,7 | - | 2,9*10-11 | 7,9*10-7 | 1,8*102 | 3,8*103 |
| Кобальт-60 | 5,27 | - | 3*10-13 | 3,5*10-8 | 1,4*101 | 3,7*102 |
| Криптон-85 | 10,3 | 0,293 | 3,5*102 | 2,2*103 | ||
| Стронций-90 | 29,12 | 5,77 | 4*10-14 | 4*10-10 | 5,7 | 4,5*101 |
| Иод-129 | 1,57*10+7 | - | 2,7*10-14 | 1,9*10-10 | 3,7 | 1,1*101 |
| Иод-131 | 8,04 сут | 3,1 | 1,5*10-13 | 1*10-9 | 1,8*101 | 5,7*101 |
| Цезий-135 | 2,6*10+6 | 6,4 | 1,9*102 | 6,3*102 | ||
| Свинец-210 | 22,3 | - | 2*10-15 | 7,7*10-11 | 1,5*10-1 | 1,8 |
| Радий-226 | - | 8,5*10-16 | 5,4*10-11 | 8,6*10-3 | 4,5 | |
| Уран-238 | 4,47*10+9 | - | 2,2*10-15 | 5,9*10-10 | 2,8*101 | |
| Плутоний-239 | 2,4*10+4 | - | 3*10-17 | 2,2*10-9 | 9,1*10-3 |
Реальные выбросы и сбросы радиоактивных веществ при нормальной эксплуатации АЭС обычно много ниже допустимых, так что нормы по концентрация радионуклидов в окружающей среде вблизи АЭС безусловно выполняются.
Заключение
Развитие знаний и представлений об окружающем мире шло и идет от открытия одного класса многообразий структурных объектов к другому, более сложному для восприятия на данном историческом этапе. От атомов неразрезаемых - к атому в виде некоторой системы, структурными элементами которой являются электроны оболочки и центральное (неделимое) ядро.
Затем вскрывается нуклонная структура ядра, а в дальнейшем - и структура самих нуклонов .... И каждый раз человеческий разум ищет то внутреннее единство, которое позволяет охватить новое многообразие.
Для эпохи Аристотеля достаточно было четырех первоэлементов, для времени Д. И. Менделеева многообразие атомов занимало примерно 120 клеток его таблицы.
В середине 60х годов нашего столетия число открытых элементарных частиц превысило 350. Современная таблица фундаментальных структурных элементов содержит три поколенияэлементарных частиц. Это в общем счете 12 кварков и антикварков, 8 глюонов, 6 лептонов с их античастицами, фотоны и гравитоны.
Некоторое время назад казалось, что достаточно будет трех кварков, чтобы построить все остальное. Но открываются новые составляющие и идея малого числа фундаментальных основ не подтверждается. В последнее время в современном естествознании все больше вырисовывается другой подход. Он основан на признании принципа обязательной вариативности структурных элементов для сложных природных систем, будь то система элементарных частиц, или биоценоз.
Только при наличии некоторого минимального, но разнообразного набора можно построить функционально и структурно сложные системы. Само осознание принципа допустимости и необходимости, обязательности разнообразия элементов становится достоянием общей культуры человечества.
Опыт развития естествознания от классического к современному показал, что изучение иерархии структурных уровней частиц вещества неизбежно приводит к более глубокому пониманию свойств пространства и времени. И к осознанию того факта, что геометрические свойства пространственно-временного континиума могут определять численные значения фундаментальных констант нашего мира - гравитационной постоянной, заряда электрона, спектра масс-энергий элементарных частиц.
Ещё одно важное положение современного естествознания заключается в признании принципиальной невозможность изолировать отдельную частицу-объект в микромире, выделить полностью её из "контекста" процессов виртуальных взаимопревращений. Здесь только факт наличия наблюдателя - соучастника позволяет реализоваться одному из многих вероятных путей дальнейшей истории микрочастицы и исследуемого процесса в целом. По этой же причине следует считать грубым приближением выделение субъекта - человека из объективной реальности, в которой он существует.
Большинство явлений в окружающем человека мире относятся к процессам в открытых динамических системах, в противоположность представлениям классического естествознания об определяющей роли замкнутых или изолированных систем. Это понимание чрезвычайно важно в связи с явлениями самоорганизации в неживой и живой Природе. И о взаимосвязи двух компонент культуры - естественнонаучной и гуманитарной. А. Эйнштейн говорил, что Достоевский дал ему больше, чем все изучение математики. С другой стороны, по нашему мнению, феномен абстракционизма и авангардизма не мог бы состояться вне атмосферы влияния на гуманитарную культуру специальной теории относительности и идей квантовой физики. В частности, с его искажениями перспективы и форм, изогнутыми циферблатами часов, определенно несет отпечаток времени становления СТО и проникновения идей относительности в общую культуру. Теории, в которой пространство "сжимается", а временные интервалы "растягиваются" в зависимости от условий движения.
Литература
1. Д. Никитин, Ю. Новиков "Окружающая среда и человек", Изд. 2-ое, М., Изд. Высш. школа, 1986 г.
2. А.М. Букринский, В.А. Сидоренко, Н.А. Штейнберг "Безопасность атомных станций и ее государственное регулирование", Атомная энергия, том 68, вып. 5, май 1990 г.
3. Публикация МКРЗ N 26, "Радиационная защита", Москва, Атомиздат, 1978 г.
4. Р.М. Алексахин, И.И. Крышев, С.В. Фесенко, Н.И. Санжарова Радиоэкологические проблемы ядерной энергетики", Атомная энергия, том 68, вып. 5, май 1990 г.
5. НТД МХО Интератомэнерго 38.220.56-84 "Методы расчета распространения радиоактивных веществ с АЭС и облучения окружающего населения", Москва, Энергоатомиздат, 1984 г.
6. Л.В. Тарасов, Этот удивительно симметричный мир. Пособие для учащихся. М.: Просвещение. 1982.
7. Дж. Фейнберг, Из чего сделан мир? Атомы, лептоны, кварки и другие загадочные частицы. М.: Мир, 1981.
8. Л.Б. Окунь, Элементарное введение в физику элементарных частиц. М.: Наука. 1985.
9. О.П. Спиридонов, Фундаментальные физические постоянные. М.: Высшая школа, 1991.
10. Горохов А.В. "Физика атомного ядра. Физика элементарных частиц"
11. И. Р. Пригожин "От существующего к возникающему", М., 1994.
12. А. П. Пурмаль "Как превращаются вещества", Наука,1989.
13. М. Д. Франк-Каменецкий "Самая главная молекула", Наука, 1989.
14. Григорьев В.И., Мякишев Г.Я. Силы в природе. // М., Наука, 1983 г.
15. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. // М., Просвещение, 1982 г.
16. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. // М., Наука, 1990 г.
Физика атомного ядра. Структура атомных ядер. Ядерные силы.
Характер связанной системы микрообъекта, как и любой системы, зависит не только от состава и строения ее элементов, но и от их взаимодействия. Именно такое взаимодействие определяет связанность и целостность системы. С уровнем достигнутых знаний менялось и представления о структуре вещества. В качестве первичной системы микрообъектов сначала рассматривались молекулы как наименьшие единицы вещества. Сами представления о структуре молекулы постепенно совершенствовались и уточнялись. Существовало мнение, что структура молекулы возникает благодаря взаимодействию разноименно заряженных атомов или групп атомов. Но это было не совершенное суждение. В дальнейшем исследователи установили, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг друга, так в результате получается целостность или связанная система. Позднее структуру молекул стали связывать с понятием валентности элемента. Дальнейшим шагом в этом направлении было изучение того, какую роль в образовании молекул из атомов играет степень напряженности и энергии, с которой они связываются друг с другом. Из всего этого необходимо уяснить главное: структура с точки зрения системного подхода представляет собой упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные ее свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия атомов определяет новые целостные свойства молекулы.
Резерфорд положил основу ядерной модели атома как целостной системы. Она заключается во взаимодействии ядра атома, находящегося в центре атома и электронов, вращающихся вокруг ядра. Ядро состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре. Т.к. масса электронов в 2000 раз меньше массы протонов или нейтронов, поэтому вся масса атома сосредоточена в ядре. Разные электроны связаны с ядром в разной степени, некоторые из них атом легко теряет, при этом система переходит в другое состояние, атом становиться положительным ионом. Приобретая дополнительный электрон, атом превращается в отрицательный ион. При поглощении электромагнитного излучения, например света, атом возбуждается и совершает квантовый переход с нижнего уровня на более высокий. В связи с этим говорят об энергетических уровнях атома, которые определяют состояние атома как системы.
Атомное ядро как целостная система существует благодаря силам притяжения, связывающих протоны и нейтроны в атомном ядре. Эти силы называются ядерными или сильным взаимодействием. Так как по способности к сильному взаимодействию протон и нейтрон не отличаются друг от друга, поэтому их рассматривают как одну частицу — нуклон. Сильное взаимодействие действует на малых расстояниях (10-15 м) и превосходит электромагнитное и гравитационное, но оно уменьшается с увеличением расстояния.
Атомное ядро любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов, связанных между собой ядерными силами (сильным взаимодействием). Протон - ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный абсолютной величине заряда электрона и спин (собственный механический момент импульса) Нейтрон - электронейтральная частица c таким же как у протона спином. Протоны и нейтроны имеют очень близкие массы (масса нейтрона больше массы протона приблизительно на две массы электрона) и неразличимы с точки зрения ядерных сил (т.н. зарядовая независимость ядерного взаимодействия), их обычно называют нуклонами, т.е., "ядерными частицами". Ядра, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, называются изотопами. У легких и средних ядер число протонов и нейтронов примерно одинаково.
Дифракционное рассеяние позволяет получить сведения не только о размере, но и о распределении материи внутри ядра. Чтобы объяснить, почему протоны внутри ядра очень прочно связаны, потребовалось ввести новую фундаментальную силу. Для преодоления электростатического отталкивания протонов эти (ядерные) силы должны быть больше электростатических.
В современной физике, основанной на квантовых принципах, вместо сил принято использовать понятие (потенциальной) энергии взаимодействия, т.к., именно потенциальная энергия взаимодействия входит в уравнение Шредингера[2] или его обобщения. Это позволяет найти состояния системы (волновые функции), рассчитать уровни энергии и (в принципе) определить все экспериментально измеряемые характеристики, исследуемого объекта. Так и ядерное взаимодействие вместо введения сил удобно задавать с помощью потенциальной энергии. Если не учитывать довольно слабое электростатическое отталкивание, то сильное взаимодействие протона с протоном, протона с нейтроном и нейтрона с нейтроном будет в любом из этих случаев одним и тем же. Это взаимодействие называют нуклон - нуклонным.
Точная аналитическая зависимость энергии нуклон - нуклонного взаимодействия от расстояния между нуклонами до сих пор точно не известна. При расчетах используют полуэмпирический вид потенциала, который получают из опытов по рассеянию протонов и нейтронов на протонах.
Основные свойства и строение ядра
1. Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд. Все атомные ядра состоят из элементарных частиц: протонов и нейтронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы - нуклона. Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Нейтрон не имеет электрического заряда.
2. Зарядом ядра называется величина Ze, где е - величина заряда протона, Z - порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева, равный числу протонов в ядре. В настоящее время известны ядра с Z от Z=1 до Z=107. Для всех ядер, кроме и некоторых других нейтронодефицитных ядер NіZ, где N - число нейтронов в ядре. Для легких ядер N/Z»1; для ядер химических элементов, расположенных в конце периодической системы, N/Z»1,6.
3. Число нуклонов в ядре A=N+Z называется массовым числом. Нуклонам (протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное единице, электрону - нулевое значение А.
Ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изотопами. Ядра, которые при одинаковом А имеют различные Z, называются изобарами. Ядро химического элемента X обозначается , где Х - символ химического элемента.
Всего известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов.
4. Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра. Эмпирическая формула для радиуса ядра м, может быть истолкована как пропорциональность объема ядра числу нуклонов в нем.[3]
Плотность ядерного вещества составляет по порядку величины 1017 кг/м3 и постоянна для всех ядер. Она значительно превосходит плотности самых плотных обычных веществ.
5. Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра Рmяд в целом. Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон mяд:
(в СИ)
(в СГС).
Здесь е - абсолютная величина заряда электрона, mp - масса протона, с - электродинамическая постоянная. Ядерный магнетон в раз меньше магнетона Бора, откуда следует, что магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами его электронов.
6. Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случае несимметрично. Мерой отклонения этого распределения от сферически симметричного является квадрупольный электрический момент ядра Q. Если плотность заряда считается везде одинаковой, то Q определяется только формой ядра.[4]