Загрузка...
Учебная работа. Реферат: Ядерная физика и строение Солнца
Введение
Большая часть людей, не имеющих дела к науке, задумываются, что ядерная физика — что-то весьма сложное, труднодоступное для осознания нормальному человеку. Это не так, друзья мои, удостоверьтесь сами! Перед вами учебник, в каком очень легкодоступным языком и практически на нескольких страницах изложена сущность важных разделов данной для нас области познаний. Пытливый читатель отыщет тут много полезного. Надеюсь, учебник для вас покажется увлекательным и в тяжелую минутку поможет блеснуть своими познаниями в компании друзей!
Строение вещества
Все окружающие нас предметы, также и живы существа состоят из малеханьких частиц, обычно — молекул. Молекулы же, в свою очередь, состоят из атомов. В составе молекулы быть может много атомов, пример тому — обычный спирт. Молекула может состоять также из маленького количества атомов, бывает, даже из 1-го атома! люди в таковых вариантах обычно молвят, что предмет просто состоит из атомов. Медная проволока, к примеру, состоит из молекул, любая из которых имеет в собственном составе единственный атом. Можно сказать, что медная проволока просто состоит из атомов меди!
Устройство атомов
Атомы, в свою очередь, тоже состоят из частиц. Посреди всякого атома находится ядро, состоящее из 2-ух видов частиц — протонов и нейтронов. Бывают ядра, в каких совершенно нет нейтронов (пример тому — ядро атома водорода), но это у нас случается изредка. Протоны и нейтроны имеют весьма небольшую массу, примерно равную массе атома водорода. Любой протон заряжен положительно, и величина его заряда равна +1. А вот нейтрон — тот ни капельки не заряжен, другими словами заряд его просто равен нулю! Если поглядеть на ядро в сборе, то оно в целом окажется заряженным положительно, а заряд его будет равен числу содержащихся в ядре протонов. Чтоб уравновесить положительный заряд ядра, нужно окружить его в атоме негативно заряженными частичками, именуемыми электронами. Заряд 1-го электрона равен -1, другими словами для нейтрализации положительного заряда нужно расположить столько же электронов, сколько протонов содержится в атомном ядре. Масса всякого электрона в тыщи раз меньше массы протона (либо нейтрона), потому хоть какой атом весит приблизительно столько же, сколько весит его ядро. Протон, нейтрон, электрон, также и всякие остальные трудноделимые частички истинные спецы в ядерном деле нередко именуют простыми частичками.
состояние атомa
Если атом не трогать, то он будет жить собственной жизнью в так именуемом «основном» состоянии, в каком электроны размещаются вокруг ядра в строго определенных местах в согласовании с известными им законами. Если на атом оказать действие, хорошо нагрев предмет либо поместив в мощное электромагнитное поле, то некие электроны просто не сумеют удержаться на собственных местах и начнут от излишка энергии передвигаться на большее от ядра расстояние. Такое состояние атома именуют «возбужденным». Бывает, но, что через некое время часть электронов ворачивается на свои легитимные позиции, при всем этом тот излишек энергии выхлестывается наружу, вызывая колоритное свечение. Конкретно таковым образом возникает свечение электронной лампочки, когда под действием электронного тока бессчетные атомы вольфрама дружно перебегают то в возбужденное состояние, то назад. Если еще наиболее усилить действие на атом, то часть электронов может совершенно улететь, при всем этом атом в целом приобретет положительный заряд. Такое состояние атома именуют «ионизированное», а сам атом именуют «ионом». На явлении улетания электронов основано устройство кинескопа Вашего телека. Из нагретой нити вылетают негативно заряженные электроны, которые здесь же устремляются к положительно заряженному экрану телека, вызывая его свечение. Если отлично попытаться, то можно вынудить улететь из атома полностью все электроны! Атом в таком состоянии уже никак не именуется, поэтому что это сейчас не атом, а обычное ядро. В совершенно уж экстремально горячих критериях, к примеру, снутри Солнца, Явление радиоактивности
Ядра в разных атомах могут быть размеренными и нестабильными. В первом случае с атомами ничего увлекательного не происходит. Во 2-м случае, напротив, происходит распад ядра. Явление, когда ядра сами по для себя распадаются, именуется радиоактивностью. Распад ядер обычно сопровождается вылетанием наружу ряда частиц. Почаще всего вылетают положительно заряженные альфа-частицы (это ядра гелия, состоящие из 2-ух протонов и 2-ух нейтронов) и негативно заряженные бета-частицы (это — просто электроны). Радиоактивный распад нередко сопровождается гамма-излучением, это что-то наподобие радиоволн. При распаде неких атомов бывают случаи, когда происходит вылетание и остальных частиц, скажем, нейтронов. В неких вариантах вылетает и самая малая из узнаваемых частиц (до сего времени непонятно, есть у данной для нас частички совершенно хоть какая-нибудь масса!) — нейтрино. О нейтрино мы еще непременно с вами побеседуем во время исследования устройства Солнца. Также встречаются атомы, распад которых сопровождается не гамма-излучением, а каким-либо иным, к примеру, рентгеновским. Что такое рентгеновские лучи, я думаю, для вас разъяснять не нужно.
Радиационная сохранность
Образующиеся при радиоактивном распаде частички и лучи весьма небезопасны для здоровья. К Счастью, эти лучи и частички поглощаются разными материалами. Потому людям можно и необходимо защищаться от вредных проявлений радиоактивности. лучше всего поглощаются альфа-частицы, ведь они на сто процентов застревают даже в обыкновенном листе бумаги! Также совершенно нетрудно защититься от бета-частиц. К слову, нам подфартило: альфа- и бета-частицы — самые небезопасные. Но так как они фактически не проходят через кожу, страшиться таковых радиоактивных препаратов не нужно (принципиально лишь не принимать их внутрь — по другому вещество стремительно попадет в тканью. Состоит из плазмы и форменных элементов: клеток лейкоцитов и постклеточных структур: эритроцитов и тромбоцитов) и все завершится плохо). К огорчению, чисто альфа- и бета-излучатели встречаются очень изредка, и распад подавляющего числа радиоактивных атомов сопровождается довольно небезопасным гамма-излучением, от которого защититься существенно сложнее, чем от неуклюжих альфа и бета-частиц. Чем толще и тяжелее слой защитного материала, тем эффективнее получится наша защита от проникающей радиации. От массивного гамма-излучения полностью удается защититься многометровыми слоями бетона. Хорошо также для производства защиты применять материалы из свинца и вольфрама. Да и здесь не все так гладко. к примеру, очень небезопасные частички — нейтроны — как раз достаточно просто проходят через свинец и вольфрам, но зато они хорошо застревают в целофане и даже в обычной воде! Самые проникающие частички (к Счастью, безопасные) — это нейтрино. Эти частички проходят через любые материалы, совсем в их не поглощаясь. Они умудряются беспрепятственно пропархать даже через земной шар!
Ускорительная физика
Простые частички дивным образом возникают не только лишь при радиоактивном распаде. Как мы с Вами уже знаем, если поместить совсем постоянные атомы в какие-либо жуткие условия (мощное магнитное поле, высочайшая температура и т.п.), то все электроны стремительно улетят и мы получим нагие заряженные ядра. Эти ядра можно потом разогнать до больших скоростей и энергий в электромагнитном поле. Обычно обожают разгонять ядра атомов водорода — эти ядра самые легкие, поэтому что каждое состоит всего только из 1-го протона. Пучок разогнанных частиц, направленный на какой-либо материал — «мишень», вышибет из данной для нас мишени остальные достойные внимания частички, которые можно учить и направлять на остальные мишени. Для разгона частиц есть особые устройства — ускорители. Бывают линейные ускорители, где частички разгоняют вдоль прямой полосы, и кольцевые ускорители, «циклотроны», в каких частички ускоряются, забавно летая по кругу. Внедрение ускорителей дозволяет учить характеристики простых частиц и излучений в самых различных критериях. Подвергая определенные мишени бомбардировкам этими частичками, можно получить атомы остальных частей, в том числе — и доныне неведомых. Конкретно таковым методом получают в научном центре в Дубне новейшие элементы Повторяющейся системы Д.И.Менделеева!
Реакторная физика
Есть атомы, ядра которых при распаде кроме остальных частиц выделяют нейтроны. К таковым атомам относятся, к примеру, некие разновидности урана и плутония. В природном уране этих атомов мало, но уран-то можно «обогатить», отделив и отбросив все ненадобные атомы. В итоге приобретенный эталон урана будет источать весьма интенсивный поток нейтронов. Чем больше возьмем мы такового урана и чем наиболее плотно его упакуем, тем больше будет у нас интенсивность нейтронного потока. При довольно большенный интенсивности выделяющихся нейтронов уже хватит на то, чтоб начать выбивать доп нейтроны из примыкающих атомов урана. Те, в свою очередь, также будут выбивать еще больше нейтронов из примыкающих к ним атомов. Пойдет так именуемая «цепная реакция». Нейтронов будет становиться все больше и больше, и, в конце концов, дело кончится плохо — весь уран разрушится с образованием огромного контраста остальных радиоактивных атомов. Что любопытно, при всем этом выделится большая энергия. Явление, лишь что рассмотренное нами, именуется «ядерным взрывом», а устройство, которое сжимает эталон обогащенного урана до требуемой плотности, именуется «атомной бомбой». люди сконструировали приспособление, которое по мере необходимости вводит в зону с огромным потоком нейтронов особые материалы, эти нейтроны всасывающие. Регулируя степень вдвигания этих материалов, можно управлять скоростью цепной реакции, заставляя энергию выделяться равномерно. Такое устройство спецы именуют «атомный реактор». Выделяющееся тепло схожих реакторов можно применять для получения электроэнергии (таковая электростанция именуется атомной), а интенсивный поток нейтронов — для проведения различных ядерных исследовательских работ.
Термоядерные процессы
Рассмотренные нами до сего времени процессы основаны на радиоактивном распаде ядер либо на содействии ядер с простыми частичками. Умопомрачительно, но существует некоторый особенный класс реакций, основанных на слиянии 2-ух либо наиболее ядер в одно. Такие процессы сопровождаются огромным выделением энергии и именуются «реакциями термоядерного синтеза». Вот для вас самый обычный пример таковой реакции. Берется смесь 2-ух типов ядер водорода — ядра первого типа состоят из 1-го протона и 1-го нейтрона, а второго типа — из 1-го протона и уже 2-ух нейтронов. Реакцию проводят при весьма большенный температуре: она нам нужна уже хотя бы для того, чтоб получить эти самые ядра, выгнав электроны из атомов. При содействии 2-ух различных ядер водорода они соединяются в ядра гелия (состоящие из 2-ух протонов и 2-ух нейтронов), а возникающий излишний нейтрон улетает восвояси. Реакция сопровождается таковым не малым выделением тепла, что его с огромным припасом хватает для самопроизвольного продолжения соединения других атомов водорода. Устройство, в каком с фуррором проводят описанную выше реакцию, спецы именуют «водородной бомбой», а сам процесс синтеза — «термоядерным взрывом». По аналогии с цепной реакцией деления ядер урана люди почти все годы пробуют отыскать метод управления термоядерными действиями, чтоб получать энергию равномерно, а не в виде взрыва. К огорчению, пока науке непонятно, какие материалы следует в этом случае вдвигать в зону реакции, и эта неувязка до сего времени не решена.
Строение Солнца
Наше солнце — это большой источник энергии. Не будь его, все живое на Земле издавна бы загнулось. Нехитро, что люди сызвека стараются разобраться в устройстве нашего светила и осознать, откуда же там берется энергия. К огорчению, солнце {само по себе} весьма плотное, и потому ученым удается следить лишь его поверхность. Но даже скудные познания о интенсивности свечения поверхности, диапазоне, наличии пятен и температуре разрешают создать стройную теорию действий, происходящих в недрах Солнца. И таковая теория уже построена! В базе нее лежит разветвленная система реакций термоядерного синтеза, продукты которых вступают в подобные термоядерные реакции, приводящие к образованию все наиболее томных ядер. Ученым удалось подобрать такие реакции, которые должны в итоге привести к наблюдаемым ими свойствам поверхности Солнца. Но как проверить эту теорию? Как бы нетрудно, ведь в итоге термоядерных действий появляется огромное число самых различных простых частиц и ядер, которые можно было бы изучить. Не здесь то было! Эти частички не долетают до нас по обычный причине — солнце огромное и плотное, и все продукты реакции застревают в нем, как в неплохой защите, даже близко не подходя к поверхности. Единственная частичка, нейтрино, которая владеет высокой проникающей способностью, просто проходит через толщу Солнца и вылетает к нам наружу. Реакции в центре светила сопровождаются образованием нескольких видов нейтрино с известными из солнечной теории качествами. Все эти нейтрино вне всякого сомнения долетают до Земли. Вот бы удалось их изучить, чтоб проверить, верна ли теория строения Солнца!
Нейтринная астрофизика
Изловить солнечное нейтрино, а тем наиболее, изучить его — сложная задачка. Тем не наименее, люди ее удачно решают. Дело в том, что нейтрино все таки ведет взаимодействие с атомами, лишь вот плохо. Но зато этих нейтрино весьма много — каждую секунду через нас с вами пролетают почти все млрд млрд млрд нейтрино! Если, например, подставить под нейтринный поток огромную мишень, состоящую из ужасного количества атомов (а число это — с 30 нулями!), то время от времени другое нейтрино нет же, ну и провзаимодействует с одним из этих атомов. здесь-то и возникает задачка — найти этот видоизмененный атом и сообразить, что он образовался конкретно от нейтрино: ведь кроме нейтрино, со различными мишенями куда охотнее ведут взаимодействие остальные частички, которых вокруг много! И они образуют в мишенях в млрд млрд раз больше таковых видоизмененных атомов. Чтоб уменьшить воздействие ненадобных гостей нужно упрятать от их мишень, отделить особыми защитными материалами (которые, по способности, сами не источают никаких частиц). Самые небезопасные для мишени частички — это мюоны, во огромном количестве прилетающие к нам из вселенной. Мюоны просто проходят даже через весьма толстую защиту. Чтоб спастись от их, лабораторию с мишенью помещают глубоко под землю. Обычно, толщины скальной породы в 2-3 км бывает довольно, чтоб защититься от глуповатых мюонов. Но остается много остальных заморочек. А именно, мишень под землю привозят все таки с ее поверхности, где, благодаря этим же мюонам, она насыщена млрд млрд видоизмененных атомов, от которых мишень нужно еще очистить! Здесь на помощь приходит химия. 2-ая неувязка — это неувязка регистрации. Дело в том, что совершенно от источников радиоактивности избавиться нереально даже под землей. Сама горная порода испускает радиацию, даже сотрудники, работающие с мишенью, тоже в достаточной мере являются для нее радиоактивными предметами. И приходится разбираться, какие из образовавшихся атомов возникли от нейтрино, а какие — от остальных, так именуемых «фоновых» действий. В истинное время задачка регистрации солнечных нейтрино в главном удачно решается 2-мя методами, о которых будет поведано ниже.
Радиохимические сенсоры
В базе радиохимических способов детектирования нейтрино лежит выбор мишени, в какой под воздействием долгого деяния нейтринного потока появляется пусть совершенно мало атомов, но зато каких! Должны получаться атомы, которые позже не весьма тяжело отделить и посчитать. Легче всего посчитать радиоактивные атомы, поместив их опосля отделения от мишени вовнутрь специального счетчика. Для детектирования солнечных нейтрино есть две комфортные мишени — это хлор (в виде соединения со сложным заглавием «тетрахлорэтилен», оно просто наименее небезопасно, чем сам хлор) и галлий (легкоплавкий сплав). Нейтрино при содействии с хлором превращают его в радиоактивный аргон, а при содействии с галлием — в радиоактивный германий. Галлиевый и хлорный опыты чувствительны к разным видам нейтрино, потому, сравнивая результаты, можно прийти к выводу о том, какие нейтрино и в которой пропорции летят к нам из Солнца. В любом из тестов мишень обязана быть большенный. К примеру, чтоб из галлиевой мишени получить в месяц стояния под потоком солнечных нейтрино хотя бы 20 штук радиоактивных атомов германия, нужно взять порядка 60 тонн этого самого галлия. Атомы германия скапливаются приблизительно в месяц, опосля чего же хитрецкими хим приемами их отделяют от мишени и помещают в особый счетчик, который дает сигналы о распаде атомов германия (они ведь радиоактивны!). Не считая того, счетчик дает много остальных сигналов, и умные арифметики разбираются, какие из сигналов в той либо другой степени обоснованы нейтринным происхождением. Недочет радиохимического способа — большая инерционность. Мы лицезреем, сколько нейтрино попало в мишень за истекший отчетный месяц, но не знаем — в какие конкретно деньки, часы, минутки и секунды непрошенные гости застревали в галлиевых атомах. Зато этот способ дозволяет ловить низкоэнергетичные нейтрино, а способ с электрическими сенсорами — не дозволяет.
электрические сенсоры
Электрический способ регистрации солнечных нейтрино основан на том, что при попадании нейтрино в атом мишени, крайний время от времени перебегает в возбужденное состояние. Ну и позже, попозже, он перебегает назад, в основное. Так как переход атома из состояния в состояние, как мы знаем, связан с перемещением электронов, соответственный способ так и окрестили — электрическим. При возвращении атома в обычное состояние возникает световая вспышка. Чтоб ее следить, мишень обязана быть прозрачной. Если взять мишень объемом побольше (несколько миллионов л.) и поместить ее глубже под землю — то полностью можно регистрировать вспышки от нейтрино. Это делают, развесив вокруг мишени светочувствительные приборы — фотоумножители (нередко — по несколько 10-ов тыщ штук) и подключив их к компу. В качестве мишени обожают применять специально обработанный керосин либо весьма чистую воду. один из узнаваемых науке электрических сенсоров размещен на деньке озера Байкал, он употребляет воду прямо из озера, она там весьма незапятнанная, а поблизости дна — довольно мрачно. К тому же — озеро так глубочайшее, что небезопасные мюоны фактически не долетают до дна. Остальные подобные сенсоры размещены в глубочайших шахтах. Недочет электрического способа — весьма высочайшие требования к чистоте мишени. Ведь в той же воде содержатся радиоактивные атомы (радия, урана, тория), которые при распаде устраивают вспышки! Даже в весьма незапятанной воде из нескольких тыщ наблюдаемых вспышек лишь одна вызвана действием нейтрино. И умные программки должны эту вспышку отличить! Преимущество электрического способа разумеется — ученые буквально лицезреют, в которой момент наше нейтрино поразило мишень, и могут, к примеру, понаблюдать, не приходят ли нейтрино почаще по понедельникам в обеденное время, чем ранешным с утра по вторникам. Более современные электрические сенсоры разрешают даже найти, с какой стороны прилетело то либо другое нейтрино. Почаще всего, оно прилетает с солнечной стороны, но бывает и с иной тоже. То-то же ученые удивляются! Но наука — она на то и наука, чтоб разъяснить все природные курьезы.
Заключение
Результаты проводимых в мире ядерных исследовательских работ далековато не постоянно согласуются с теорией. К примеру, величина потока солнечных нейтрино, регистрируемая в бессчетных опытах, не вписывается в молвят, что солнце здесь не при этом, просто у нейтрино имеется особенное свойство, которое дозволяет ему неоднократно поменять свою энергию по пути от Солнца до Земли. Услышав про таковой поворот событий, ученые стали строить все наиболее современные и дорогие сенсоры, которые дозволят проверить, вправду ли характеристики нейтрино изменяются от пройденного им расстояния. Подобные казусы происходят во всех областях ядерной физики. И так будет до того времени, пока человек не разберется в самых мелких подробностях устройства мира, который его окружает. Основной феномен науки состоит конкретно в том, что этого не случится никогда.
Мы с вами разглядели тут лишь самые главные понятия ядерной физики. Есть к тому же кварки, антивещество, гравитационные волны, почти все другое, тяжело понятное и тяжело объяснимое. Ученых интересует Теория Огромного Взрыва, происхождение Вселенной, их тревожит, есть ли жизнь на Марсе и остальных дальних планетках. И по мере того, как мы познаем потаенны материи, обретенные познания и опыт начинают служить человеку, приносить ему пользу. Ведь не будь ядерной физики, разве бы мы знали про флюорографическое обследование, про атомные станции, ледокол «Ленин», радиоактивные метки, кристаллографию, изотопную экспертизу и контракт ОСВ-2! Со временем ядерная физика глубоко войдет в нашу жизнь и нам остается лишь удивляться, как ранее жили люди, не имея протонной печки на собственной кухне.
]]>