Реферат
Использованиедостижений современной ядерной физики
Введение
Ядернаяфизика — относительно молодая наука, но темпы ее развитиянастолько высоки, что уже сегодня достижения физиков-ядерщиков поражают своеймасштабностью.
Благодаря ядернойфизике промышленность вооружилась атомными электростанциями и реакторами дляопреснения воды и получения трансурановых элементов. Кроме того, былиизобретены источники γ-излучения для дефектоскопии, активационный анализдля экспресс-определения примесей в сплавах, угле и т. д. Огромное значение имеютизотопные источники тока и тепла. Их применяют для энергоснабжениятруднодоступных районов и автоматических станций (например, метеорологическихили спутников Земли). Источники γ-излучения применяются для автоматизацииразличных операций (например, измерение плотности среды, толщины слоя угольногопласта и т. д.). В сельском хозяйстве нашли применение установки для облученияовощей и фруктов с целью предохранения их от гниения и плесени. Кроме того,разработаны способы выведения новых сортов растений путем генетическихтрансмутаций. Неоценима помощь ядерной физики в геологии, медицине, биологии имногих других областях знаний, так как с ее помощью можно получать невероятноточные и быстрые результаты. Однако Чернобыльская катастрофа поставила подсомнение идею использования ядерной энергии как оптимальной альтернативыприродным источникам энергии. Кроме того, с каждым годом все острее встаетпроблема захоронения ядерных отходов, а ядерное оружие до сих пор остаетсяодним из опаснейших видов вооружения. Участившиеся в последнее времятехногенные катастрофы поставили перед учеными новую задачу — научитьсяиспользовать ядерную физику, максимально обезопасить окружающую среду ичеловека от возможных негативных последствий.
Ядерная физика в химии
ядерныйфизика химия геология
Основное применениерадионуклидов и радиоактивного излучения в химии — область анализакачественного и количественного состава вещества. Эта отрасль химическогознания получила название радиоаналитической химии. До открытияискусственной радиоактивности число радионуклидов, которые были бы пригодны дляприменения в анализе, было очень ограничено. Однако со временем былиразработаны радиоаналитические методы, базирующиеся на измерениирадиоактивности, причем естественные радиоактивные элементы использовались вкачестве реагентов, взаимодействующих с другими веществами. Гораздо ширерадионуклиды стали применяться в анализе только после налаживания производстватребуемых искусственных радионуклидов в ядерных реакциях. Это и дало толчок кразвитию радиоаналитической химии. Радиоаналитическая химия, возникшая на стыкеаналитической химии и прикладной радиохимии, использует, при качественном иколичественном анализе веществ ядерные характеристики соответствующих нуклидов.Методы радиоаналитической химии позволяют определить вещества, обнаруживая иизмеряя ядерное или характеристическое рентгеновское излучение. Причем этоизлучение может испускать как само исследуемое вещество, так и егорадиоактивный изотоп. Изотопы могут присутствовать в веществе, добавляться кнему или возникать в результате активации. Кроме того, возможна ситуация, когдаизлучение возникает в результате различных процессов, происходящих с веществом(отражение, поглощение, рассеяние и т. д.). Доказано, что интенсивностьизлучения прямо пропорциональна концентрации исследуемого вещества. Поэтомунаибольшее применение радиоаналитические методы имеют прежде всего вколичественном анализе. Гораздо реже используются методы радиохимическогокачественного анализа, позволяющие определить неизвестный источник излучения попериоду полураспада, типу и энергии испускаемого излучения. Все методырадиоаналитической химии можно разделить на две группы:
—радиохимический анализ;
—радиоаналитические методы. Радиохимический анализ используется дляизучения систем естественных и искусственных радионуклидов. К группе радиоаналитическихметодов относятся главным образом индикаторные методы. Они основываются натом, что в анализируемый материал вводится радиоактивный изотоп определяемогоэлемента (или его соединение) в известном количестве и с известной активностью.К индикаторным методам относятся:
—метод изотопного разбавления;
—радиоиммунологический анализ;
— методы радиоактивныхреагентов. К радиоаналитическим методам принадлежит также активационный анализ.Он базируется на изучении радионуклида, возникшего в анализируемом образценепосредственно в результате ядерной реакции. С точки зрения практическогопроведения эксперимента этот метод значительно сложнее индикаторного Существуюттакже неактивационные методы анализа. В их основе лежат явления поглощения ирассеяния разных видов излучений (α-, β-, γ-, нейтронногои др.) при их прохождении через анализируемое вещество. Другими словами,неактивационные методы используют процессы взаимодействия излучения с веществом.
Ядернаяфизика в археологии
Напервый взгляд, ядерная физика не может иметь ничего общего с археологией —наукой, изучающей историю человечества, опираясь на найденные материальныеценности (орудия труда, предметы искусства). Однако перед археологами постоянностоит проблема — как определить точный возраст находки? Ответить на этот вопросможно, во-первых, опираясь на письменные источники, а во-вторых — с помощьюрадиоуглеродного метода хронологической маркировки ископаемых находокорганического происхождения. Изобретатель этого метода Либби был удостоенНобелевской премии по физике. Сущность метода заключается в измеренииостаточной радиоактивности А найденного предмета и сравнения ее с некоторымстандартным значением А0. Существует строгая зависимость междувозрастом предмета и величиной остаточной радиоактивности, что позволяет точноустановить возраст находки, т. е. чем сильнее отличается А от А0,тем старше предмет. Приведем теоретическое обоснование данного метода. Какизвестно, в процессе жизнедеятельности растения усваивают из воздуха С02.Основная часть углерода, входящего в состав углекислоты — это изотопы 12С(99%) и 13С (= 1%), однако кроме них в состав С02 входиточень малая (порядка 10-10% ) примесь радиоактивного углерода 14С,который возникает в результате ядерной реакции в атмосферном азоте:
714N+10n―›146C+11P.
Содержание14С в атмосфере практически не изменяется со временем, поэтомупроцентное содержание 14С в живом растении неизменно.
Периодполураспада для 14С:
τ1/2(14С) = 5 000 лет.
Такимобразом, измерив радиоактивность предмета и сравнив ее со стандартнойвеличиной, можно определить время его изготовления.
Аналогичноопределяется и дата смерти живого существа. Измерение радиоактивности останковбазируется на том, что в течение жизни животное имеет постоянное число ядер 14Сна 1 г углерода; травоядные животные получают 14С из растений, аплотоядные — поедая травоядных.
Несмотряна простоту и относительную универсальность, этот метод имеет ряд недостатков,которые приводят к тому, что анализ становится очень трудоемким.
Так,существует опасность загрязнения образца более молодым углеродом. Учитываямикроколичества 14С, можно предположить, что даже незначительныеколичества молодого углерода могут привести к огромным погрешностям (например,0,1% молодого углерода увеличивает радиоактивность образца вдвое, тогдавычисленный возраст образца окажется меньше истинного на период полураспада 14С,т. е. на 5 000 лет). Для того чтобы избежать этой проблемы, разработаныспециальные способы очистки образцов от загрязнения молодым углеродом. Ведьименно степень очистки, а точнее — остаточное загрязнение молодым углеродомопределяет верхнюю границу применения радиоуглеродного метода.
Ещеодной проблемой в применении этого метода служит то, что содержаниерадиоактивного и нерадиоактивного углерода в атмосфере колеблется в пределахнескольких процентов в зависимости от места и времени измерения.
Например,после взрыва водородной бомбы возникает избыток радиоактивного углерода, а присжигании больших количеств топлива (каменный уголь, нефть) в промышленныхрайонах наблюдается резкое увеличение содержания нерадиоактивного углерода.Стандартным показателем радиоактивности в этом случае выступают годичные кольцамноголетних деревьев.
Делов том, что радиоактивность годичного кольца отражает радиоактивность окружающейсреды в том году, когда это кольцо образовалось. Таким образом, учитывая распад14С во времени, можно с высокой точностью установить возрастархеологической находки.
Ядернаяфизика в медицине
Способностьатомных ядер испускать γ-кванты дало возможность использовать их вразличных отраслях медицины, и в первую очередь — в диагностике, лечении иисследовании функций разных органов. Малые размеры ядер позволяют имбеспрепятственно проникать в любые уголки организма, а непрерывное испусканиеизлучения позволяет точно определить их местоположение. Рассмотрим ряд методов,позволяющих проводить диагностику органов человека. В большинстве случаев ониоснованы на способности организма накапливать в тканях некоторые химическиеэлементы. Так, например, костная ткань выделяет из организма и накапливаетфосфор, кальций и стронций, щитовидная железа — йод, печень — красители и т. д.При этом больной и здоровый органы характеризуются разной скоростью накоплениявеществ. Особо широкое применение нашел γ-радиоактивный изотоп йода 131J.Его используют при диагностике отклонений щитовидной железы. Здороваящитовидная железа накапливает до 10% введенного йода в течение двух часов. Еслиже активность железы повышена (т. е. за то же время она накапливает гораздобольше йода) или понижена, то налицо нарушение нормального режима еефункционирования, т. е. болезнь. Количество накопленного железой йодаопределяется γ-счетчиками, улавливающими γ-излучение радиоактивногоизотопа. Для здорового органа существует оптимальная интенсивность излучения попрошествии определенного времени. Сравнивая это значение с полученнымэкспериментально, можно сделать вывод о состоянии органа. Исследование работыпечени также можно проводить с помощью изотопа 131J,если пометить им специальный органический краситель бенгал-роз. Этот методбазируется на том, что введенная в организм (точнее, в кровь) краска выводитсятолько через печень. Скорость перехода краски из крови в печень, время задержкив печени и скорость выведения из печени во внешнюю среду определяютсясостоянием печени. Если скорости перехода и выведения уменьшаются, а времязадержки увеличивается, это сигнализирует о заболевании печени. Изменениеконцентрации красителя в печени устанавливают, регистрируя γ-счетчикоминтенсивность излучения изотопа 131J.Этот метод можно применять и для диагностики заболеваний почек, но используядругой препарат. Радионуклиды используются для выявления злокачественныхобразований в различных органах. Диагностика онкологических заболеванийоснована на том, что клетки опухоли накапливают радиоактивный препарат иначе,чем здоровые ткани. Некоторые изотопы (например 32Р) накапливаются вопухолевых клетках гораздо активнее, чем в здоровых. Причина состоит в том, чтосоединения фосфора являются богатым источником энергии, которая необходима дляроста злокачественных тканей. Для выявления опухолей также используютсярадиоактивный йод 131Jи коллоидное золото 198Аu.Фосфор 32Р в основном используют для диагностики опухолей,возникающих около поверхности тела или в легкодоступных местах (кожа, мягкиеткани конечностей, гортань, пищевод и т. д.). Это продиктовано тем, что пробег(5-частицы, испускаемой фосфором, не превышает 8 мм. В отличие от фосфора,радиоактивные йод и золото испускают γ-излучение, способное легкопронизывать ткани тела человека, поэтому они используются в диагностикеопухолей внутренних органов. Радиоактивный изотоп можно вводить в организмпутем инъекций с физиологическим раствором (198Аu)или в составе веществ, которые хорошо поглощаются диагностируемым органом (l3lJвводят вместе с бенгал-роз для оценки состояния печени, вместе сдийодофлуоресцеином или альбумином — для мозга и т. д.). Кроме того, с помощьюрадионуклидов изучают пути и способы выведения из организма отравляющихвеществ, усвоение и выведение лекарственных препаратов, поведениемикроорганизмов (меченые микробы в эпидемиологии) и т. д. Широко известен методлучевой терапии, базирующийся на воздействии излучением либо на нервнуюсистему, либо непосредственно на заболевший орган. Применение этого методавозможно благодаря тому, что клетки злокачественного образования болеечувствительны к облучению, чем обычные клетки. Единственным непреодолимымнедостатком воздействия радионуклидов на организм является то, чторадиоактивное излучение вызывает ионизацию атомов и молекул всех веществ,образующих организм. Полученные ионы реагируют с молекулами всех тканей, в томчисле и здоровых, что приводит к нарушениям в обмене веществ и приостанавливаетразмножение клеток (в том числе и здоровых). Поэтому в случаях использованиялучевой терапии особое внимание уделяется тому, чтобы максимально оградитьздоровые ткани от воздействия облучения.
Ядернаяфизика в геологии
Нетруднопредположить, что залежи минералов, обладающих естественной радиоактивностью,обнаружить несложно. Методы их обнаружения сводятся к регистрации их излучений,причем для предварительной разведки достаточно анализа, проведенного ссамолета. Однако ядерная физика помогает решать и более сложные задачи; аименно — обнаруживать месторождения минералов, которые не имеют естественнойрадиоактивности. В этом случае разведка ископаемых проводится нейтронами иγ-квантами, а иногда и электронами. Если породу облучать γ-квантами,то будет происходить рассеяние и поглощение излучения породой. Поглощениеγ-квантов приводит к образованию нейтронов, регистрируя интенсивностькоторых можно сделать выводы о характере породы. Важную информацию несут такжеинтенсивность рассеянных γ-квантов и степень их поглощения. Например, порассеянию и поглощению γ-излучения судит о влажности и плотности породы,по числу образующихся нейтронов — о содержании в породе бериллия, а в воде —дейтерия. Что касается облучения нейтронами, то здесь объем информации, которуюможно получить, гораздо больше, чем в предыдущем методе. В породе нейтронымогут испытывать последовательные упругие и неупругие соударения с атомнымиядрами. Процессы, происходящие при этом, существенно различаются, что позволяетразработать методы распознавания большого количества атомных ядер, а значитточно определять свойства ископаемых. Рассмотрим подробней, какие процессыимеют место при взаимодействии нейтронов с ядрами атомов. В результатенеупругих взаимодействий идут реакции поглощения нейтрона с испусканиемпротона, α-частицы или антинейтрона. Это приводит к возникновению новых —радиоактивных — ядер и частиц. Нейтрон при этом может либо перейти в составобразующегося ядра, либо лишиться части своей энергии. Упругое рассеяниеприводит к замедлению нейтрона (т.е. он теряет свою энергию постепенно) впроцессе перемещения по породе. В результате нейтрон либо превращается втепловой нейтрон, либо поглощается ядром атома. Параметрами, характеризующимисреду, в этом случае выступают интенсивность рассеянных нейтронов, времязамедления быстрого нейтрона и расстояние, которое он пройдет за это время. Тепловойнейтрон (т. е. нейтрон, кинетическая энергия которого в результате соударенийсравнялась с энергией теплового движения атомов) будет перемещаться но породедо тех пор, пока не поглотится атомным ядром. При этом свойства средыопределяют интенсивность тепловых нейтронов, время жизни и путь, пройденный имидо поглощения. Часто эти данные используются для определения содержания в средеводорода (вода, нефть) и солей. В результате поглощения медленных и тепловыхнейтронов происходит излучение γ-кванта и образованиеискусственно-радиоактивных ядер. Параметрами, зависящими от свойств среды,являются характер радиоактивности ядер (β,γ), период полураспада, интенсивность испускаемых частиц и их энергия. Всилу того что расстояние, которое частица проходит в породе, достаточно мало,необходимо, чтобы источник излучения, детектор и исследуемая среда находилисьна расстоянии не более нескольких десятков сантиметров. Поэтому основнойобластью применения этой методики является исследование нефтяных, газовых,угольных, рудных и др. скважин. Этот метод исследования носит название радиоактивногокаротажа скважин. Для его осуществления в скважину опускают глубинныйприбор, состоящий из источника и детектора излучения, которые разделеныэкраном. Комбинируя источники (γ или п) и детекторы (γ или п),можно моделировать и изучать любой из процессов взаимодействия,γ-излучения и нейтронов с ядрами. На основе этого выделяют, n-n-каротаж,γ-γ-каротаж, γ-n-каротажи т. д. Существует также γ-каротаж, с помощью которого можно определятьфоновую радиоактивность γ-радиоактивных пород. В качестве источников γ-квантовиспользуют искусственно-радиоактивные изотопы кобальта, цезия и др., в качествеисточников нейтронов — Ро-Ве- или Pu-Be-источникии испульсные нейтронные генераторы. Использование каротажа позволяет точноопределить вид ископаемого. Например, γ-γ-каротаж выделяет угольныепласты, п-п- и n-у-каротаждают возможность выделять водородсодержащие пласты (т. е. породы, насыщенныеводой или нефтью) и породы, которые способны усиленно поглощать нейтроны (бор,хлор и т. д.). Если же два последних метода применять совместно, то можноразличать воду и нефть, т. к. подземная вода обычно сильно засолена (содержит NaClи другие соли). Следует отметить, что полезными ископаемыми богато дно морей иокеанов. Разведка этих залежей стала намного проще и эффективнее благодаряметодам, основанным на ядерных реакциях. Облучение поверхности дна океананейтронами сообщает ядрам атомов, входящих в состав грунта, наведеннуюрадиоактивность. Обнаруживается она с помощью γ-детектора. Ядерный составпороды при этом определяется благодаря тому, что энергия испускаемых разнымиядрами γ-квантов и период полураспада — индивидуальные характеристикиатома определенного вида.
Заключение
В самом концеXIX столетия, занимаясь довольно хорошо известным в то время процессомлюминесценции, Беккерель неожиданно наткнулся на совершенно новое явление — радиоактивность. Природа преподнесла исследователю подарок — позволилазаглянуть в новый, неизведанный мир субатомной физики. Перед исследователями,которые работали в этой области в XX веке, открылся совершенно иной мир, сосвоими закономерностями, так не похожий на привычный мир, описываемыйклассической физикой. Оказалось, что установленные новые законы работают нетолько на очень малых расстояниях, но и определяют физические явления,происходящие в колоссальных масштабах Вселенной. XX век принес многонеожиданностей и вряд ли сегодня мы можем предсказать, что готовит нам век XXI.
Используемаялитература
1. Э. Ферми «Ядернаяфизика», пер. с англ., Москва, изд.
«Иностранная литература»,1951 г.
2. В.Е. Левин «Ядернаяфизика», Москва, Атомиздат, 1985 г.
3. А.С. Герасимов, Т.С. Зарицкая,А.П. Рудик «Справочник по образованию нуклидов в ядерных реакторах»,Москва,
Энергоатомиздат, 1989 г.
4. В.Д. Сидоренко, В.М. Колобашкин,П.М. Рубцов, П.А. Ружанский
«Радиационные характеристикиоблученного ядерного топлива», справочник, Москва, Энергоатомиздат, 1983г.