Жеңіл ядролардың синтезі
КІРІСПЕ
1 Жеңіл ядролардың синтезі
2 Жұлдыздарда болатын ядролық реакциялар
3 Басқарылатын термоядролық синтездің проблемалары
ҚОРЫТЫНДЫ
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР
1 Жеңіл ядролардың синтезі
2 Жұлдыздарда болатын ядролық реакциялар
3 Басқарылатын термоядролық синтездің проблемалары
ҚОРЫТЫНДЫ
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР
Атом ядросы протондар мен нейтрондардан құралған. Кейбір ауыр элементтердің (мысалы, уран, плутоний) ядролары бөлінген кезде, ал жеңіл түрлері (сутегі изотоптары) қосылып аурырақ (гелий) элементтерді құрағанда ядролық реакциялар барысында едәуір энергия босайды. Бөліну реакцияларында атом ядросы сыртқы нейтрондардың әсерінен екі немесе көп бөлшектерге ыдырайды. Егер 1 кг уранның барлық ядролары ыдыраса босалған энергияның шамасы тротилдың 20000 тоннасының жарылуынан шығатын энергиясына тең болады. Ядролық бомбалар қуатын тротил эквивалентімен өлшейді. Бөліну реакцияларына негізделген бомбалардың қуаты тротил баламасымен есептелгенде ондаған тоннадан бастап шамада 500000 тоннаға дейін жететіндей жасауға болады.
Ал ядролық синтездің табиғи мысалы ретінде жұлдыздардың, оның ішінде Күннің терең қатпарларында өтіп жатады. Міне, осы процестердің арқасында олар орасан зор энергия шығарады. Күннің және басқа да жұлдыздардың температуралары өте жоғары, миллиондаған кельвин шамасында, сондықтан ядролар аса үлкен жылдамдықтармен қозғалып, ядролық синтезге жол ашылады, ал босаған мол энергия жоғары температураны ұстап отырады, осының арқасында ядролық синтез үздіксіз өтіп жатады. Күн мен жұлдыздар үздіксіз жұмыс атқаратын термоядролық реакторлар болып табылады, ал Жер бетінде мұндай жағдайды қолдан жасау оңай шаруа емес.
Ал ядролық синтездің табиғи мысалы ретінде жұлдыздардың, оның ішінде Күннің терең қатпарларында өтіп жатады. Міне, осы процестердің арқасында олар орасан зор энергия шығарады. Күннің және басқа да жұлдыздардың температуралары өте жоғары, миллиондаған кельвин шамасында, сондықтан ядролар аса үлкен жылдамдықтармен қозғалып, ядролық синтезге жол ашылады, ал босаған мол энергия жоғары температураны ұстап отырады, осының арқасында ядролық синтез үздіксіз өтіп жатады. Күн мен жұлдыздар үздіксіз жұмыс атқаратын термоядролық реакторлар болып табылады, ал Жер бетінде мұндай жағдайды қолдан жасау оңай шаруа емес.
1. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика: т.1. Физика атомного ядра. М.: Энергоатомиздат, 1993ж. 616 б.
2. Шпольский Э.В., Атомная физика, т. 2, 4 изд., М., 1974.
3. Ракобольская И.В. Ядерная физика. М.: Издательство Московского университета, 1971ж., 293 б.
2. Шпольский Э.В., Атомная физика, т. 2, 4 изд., М., 1974.
3. Ракобольская И.В. Ядерная физика. М.: Издательство Московского университета, 1971ж., 293 б.
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ
1 Жеңіл ядролардың синтезі
2 Жұлдыздарда болатын ядролық реакциялар
3 Басқарылатын термоядролық синтездің проблемалары
ҚОРЫТЫНДЫ
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР
КІРІСПЕ
Атом ядросы протондар мен нейтрондардан құралған. Кейбір ауыр элементтердің (мысалы, уран, плутоний) ядролары бөлінген кезде, ал жеңіл түрлері (сутегі изотоптары) қосылып аурырақ (гелий) элементтерді құрағанда ядролық реакциялар барысында едәуір энергия босайды. Бөліну реакцияларында атом ядросы сыртқы нейтрондардың әсерінен екі немесе көп бөлшектерге ыдырайды. Егер 1 кг уранның барлық ядролары ыдыраса босалған энергияның шамасы тротилдың 20000 тоннасының жарылуынан шығатын энергиясына тең болады. Ядролық бомбалар қуатын тротил эквивалентімен өлшейді. Бөліну реакцияларына негізделген бомбалардың қуаты тротил баламасымен есептелгенде ондаған тоннадан бастап шамада 500000 тоннаға дейін жететіндей жасауға болады.
Ал ядролық синтездің табиғи мысалы ретінде жұлдыздардың, оның ішінде Күннің терең қатпарларында өтіп жатады. Міне, осы процестердің арқасында олар орасан зор энергия шығарады. Күннің және басқа да жұлдыздардың температуралары өте жоғары, миллиондаған кельвин шамасында, сондықтан ядролар аса үлкен жылдамдықтармен қозғалып, ядролық синтезге жол ашылады, ал босаған мол энергия жоғары температураны ұстап отырады, осының арқасында ядролық синтез үздіксіз өтіп жатады. Күн мен жұлдыздар үздіксіз жұмыс атқаратын термоядролық реакторлар болып табылады, ал Жер бетінде мұндай жағдайды қолдан жасау оңай шаруа емес.
1 Жеңіл ядролардың синтезі
Кез келген орнықты ядроның массасы оны түзеін протондар мен нейтрондардың массаларының қосындысынан кем болады. Мысалы, гелийдің 24He изотобының массасы екі протон мен екі нейтроның массаларының қосындысынан кем. Демек, екі протон мен екі нейтронды бір-бірімен гелий ядросын түзу үшін түістіретін болсақ, онда мұндай құрылым пайда болатын болса, ол массаның кемуі арқылы өткен болар еді. Массаның кемуі дегеніміз орасан зор мөлшерде энергия бөлініп шығуы деген сөз. Жеке протондар мен нейтрондардың, немесе жеңіл ядролардың қосылуы арқылы жаңа ядроның түзілуі ядролық синтез деп аталады. Женіл ядролар энергия шығара отырып, күрделірек, ауырырақ ядроларға біріге алады, мұндай процестің болатын себебі жеңіл ядроларда меншікті байланыс энергиясы (бір нукланға келетін орташа байланыс энергиясы) аралық ядроларға қарағанда (A мәні 50-ден 100-ге дейінгі аралықта) аз болады. Осы заманғы көзқарас бойынша табиғаттағы барлық химиялық элементтер алғашқы мезетте ядролық синтез процесі кезінде пайда болған.
Мысал қарастырайық, ядролық синтезге қатысты ең қарапайым реакциялардың бірі- нейтрон мен протонан 12H дейтерийдің пайда болуы: 11H + 01n ⟶ 12H + γ реакциясы. Осы кезде қанша энергия бөлініп шығады екен? Бастапқы бөлшектердің қосындысы массасы 1,007825 м.а.б + 1,008665 м.а.б. = 2,016490 м.а.б. Реакция шығымының массасы 12H дейтерийдің массасына тең, яғни 2,014102 м.а.б. Демек, дейтеридің синтезі кезінде (0,002388 м.а.б.) (931.5 Мэв м.а.б.) = 2,22 Мэв энергия бөлініп шығады. Оны H дейтеридің ядросы мен γ - алып кетеді.
Ядролық синтез кезінде шығарылатын энергияны пайдалану және термоядролық реакторды жасау мәселесі әзірге ең бір маңызды болып отыр. Термоядролық реакторды жасауда ең ықтимал жол сутегі изотоптары 12H дейтерий мен 13H тритийді пайдаланатын төменгі синтез реакцияларын пайдаланған (жақшада шығарылатын энергия келтірілген):
12H + 12H ⟶ 13H + 11H (4,03 Мэв),
12H + 12H ⟶ 23He + 01n (3,27 Мэв),
12H + 13H ⟶ 24He + 01n (17,59 Мэв),
13H + 13H ⟶ 24He + 201n (11,33 Мэв).
Синтез кезінде бөлініп шығатын энергия отынның берілген массасына шаққанда ядроның бөлінуі кезіндегіге қарағанда артық болады. Сосын термоядролық синтез кезінде радиоактивті қалдықтар мәселесі де онша күш көрсетпейді. Термоядролық реакторда мұхиттардың суында мол кездесетін дейтерийді пайдалануға болады. (1 2H дейтерийдің таралуы 0,015% немесе 60л суда 1 г мөлшерінде). Қалыпты жұмыс атқаратын термоядролық реакторды іске асыру жолында жеткілікті қайшылықтар бар. Оған негізгі себеп, барлық ядролардың заряттары оң, сондықтан олар өзара тебіледі. Егер оларды пәрменді әрекеттесу мүмкін болатындай қашықтыққа дейін жақындата алатын болсақ, онда ядролардың одан әрі жақындасуы осы әрекеттесудің арқасында мүмкін болады да, ядролық синтез іске асырылады. Ядроларды осыншалықты жақындату үшін олардың жылдамдықтары өте жоғары болуы керек. Ал жоғары жылдамдықтар дегеніміз жоғары температуралар деген сөз, сондықтан ядролық синтез үшін өте жоғары температуралар керек болады. Міне сондықтан, ядролық синтез өтетін реактор термоядролық қондырғы деп аталады.
Термоядролық синтез - миллиондаған градус температурада жүзеге асатын ядролық бірігу реакциясы деп аталады. Жеңіл элементтерді (сутек, гелий, литий, т. б.) жүздеген миллион градусқа дейін қыздырғанда, олардың бейтарап атомдары тұтастығын жойып, ядролар мен электрондарға ыдырайды.
Нәтижесінде оң зарядты ядролардан, теріс зарядты электрондардан тұратын ерекше орта -- жоғарғы температуралық плазма пайда болады. Мұндай плазмада ядролар кулондық тебіліс бөгетін (барьерін) жеңе алатын кинетикалық энергияға ие болады:
(1)
мұндағы k -- Больцман тұрақтысы; Т -- плазманың температурасы; m және v -- бөлшектің массасы мен жылдамдығы.
Температурасы жүздеген миллион градус болатын ыстық плазмадағы ядролар аса үлкен жылдамдықпен бір-біріне жақындап, ядролық күштердің әрекет аймағына енеді. Сол сәтте-ақ тегеурінді ядролық күш оларды біріктіріп, жаңа ядроны түзеді. Бұл кезде пайда болған m масса ақауы есебінен аса мол энергия босап шығады.
Жер бетінде алғаш рет термоядролық реакциялар 1950 жылдардың басында Қазақстанда (Семей полигоны) сутек бомбасын жару арқылы жүзеге асырылды. Қажетті жоғары температура атом бомбасын алдын ала жару үстінде алынды. Термоядролық бомбаның ішіне жоғары температура алу үшін атом бомбасының заряды және жеткілікті мөлшерде сутек изотоптары (мысалы, дейтерий) орналастырылады. Термоядролық жарылыста әуелі атом бомбасының заряды іске қосылады да, температура миллиондаған градусқа көтеріліп, сутек изотоптарының ядролары жаппай біріге бастайды. Осылайша әп-сәтте атом бомбасының жарылысы сутек бомбасының жарылысына ұласады. Қолдан басқарылатын термоядролық реакцияларды іске асыру зор қиындықтарға кезікті. Оларды жүзеге асыру үшін, негізінен, үш мәселені шешу керек.
Біріншіден, сутек газын қыздыру арқылы ыстық плазманың температурасын ондаған миллион градусқа көтеру қажет.
Екіншіден, термоядролық реакцияны тұтандыру үшін ыстық плазманы суытпай, белгілі бір көлемде кем дегенде 10-1-10~2 с ұстап тұру қажет.
Үшіншіден, термоядролық реакция қарқынды жүріп, энергия шығыны қажетінше мол болуы үшін ыстық плазмадағы дейтерий ядроларының тығыздығы белгілі бір шамадан кем болмауы тиіс, яғни 1 м3 көлемде 1022 бөлшек болуы керек.
Осы үш шарт қатарынан орындалса ғана басқарылатын термоядролық реакцияны іске асыруға болады. Алайда плазма заттың ең орнықсыз күйі болып табылады, сондықтан бұл шарттарды бір мезгілде орындау мәселесі әлі күнге шешуін таппай отыр.
235U мен 239 Pu ядролары кез келген энергиялы нейтрондармен бөлінуге түседі, бірақ та жақсы бөлінуге баяу нейтрондармен түседі. Жылулық нейтрондармен 233U мен 230 Th ядролары бөлінуге түседі, бірақ бұл изотоптар табиғатта кездеспейді, олар жасанды жолмен ғана алынады. 238U ядролары тек қана жылдам нейтрондармен (энергиялары ~1МэВ-тен аз емес) бөлінеді. Одан төменгі энергиясы бар нейтрондар 238U ядроларымен жұтылады, ал ядро бөлінуге түспейді. Нәтижесінде 239U ядросы пайда болады, оның қозу энергиясы -фотон түрінде бөлінеді. Мұндай процесс радиациялық қармау -реакциясы деп аталады. Бұл процестің эффективтік қимасы нейтрон энергиясы 7эВ-ке тең болғанда күрт өседі, ол 23000 барнға жетеді. 238U ядросының қармау қимасы жылулық нейтрондар үшін 3 барнды құрайды. Нейтронды қармау арқылы пайда болған 239U ядросы тұрақты емес, орнықсыз болады (жартылай ыдырау периоды Т=23 минут ). Ол электронды, антинейтрино мен γ-фотонды шығарып, трансуран элементі нептуний 239Np ядросына айналады. Нептуний болса, β- ыдырауға (Т=2,3 күн) түседі де, плутонийге 239Pu айналады. Бұл айналу тізбегі мынадай болады:
. (2)
Плутоний α-радиоактивті, оның жартылай ыдырау периоды өте көп (24400 жыл) болатындықтан, оны іс жүзінде тұрақты деп санауға болады.
Торий 232Th ядросының нейтрондарды радиациялық қармауы бөлінетін уран 233 U изотопының пайда болуына әкеледі, бұл изотоп табиғи уранда кездеспейді:
23290Th+ n --23390Th23391Ac23392U (3)
Уран-233 α-радиоактивті ( Т=162000 жыл).
235U, 239Pu және 233 U ядроларының бөлінуінде бірнеше нейтронның шығарылуы тізбекті ядролық реакцияны жүзеге асыру мүмкіндігін береді. Бір ядроның бөлінуінде шығарылған Z нейтрон сондай мөлшердегі Z ядроның бөлінуін туғызуы мүмкін, нәтижесінде Z2 жаңа нейтрон шығарылады, олар Z2 ядроның бөлінуіне әкеледі және т.т. Сонымен, әр буында пайда болған нейтрондар саны геометриялық прогрессия бойынша ұлғаяды. 235U ядросының бөлінуінде шығарылатын нейтрондардың орташа энергиясы ~2МэВ, ол ~2·107 мс жылдамдыққа сәйкес келеді. Сондықтан нейтронды шығару және жаңа бөлінетін ядромен қармау арасындағы өтетін уақыт өте аз болады, себебі бөлінетін затта нейтрондардың көбею процесі өте жылдам өтеді.
Біз суреттеген құбылыс оның өте идеал түрі. Нейтрондардың мұндай көбею процесі шығарылған нейтрондардың барлығы бөлінетін ядромен жұтылған кезде ғана болады. Іс жүзінде бұлай болмайды. Бұл бөлінетін дененің мөлшері шекті болуынан және нейтрондардың үлкен кіру қабілеттілігіне байланысты олардың көбінің қайсыбір ядромен қармалғанға және оны бөлінуге түсіруге дейін реакция аумағынан шығып кетуінде. Сонымен бірге, нейтрондардың кейбір бөлігі бөлінбейтін қоспа ядроларымен жұтылады, нәтижесінде бөлінуге түсірмей және жаңа нейтрондар туғызбай, ойыннан шығып қалады.
Дененің көлемі кубтық мөлшерде өссе, беті сызықтық размерлердің квадраты мөлшерінде өседі. Сондықтан сыртқа ұшып шығатын нейтрондардың салыстырмалы бөлігі бөлінетін заттың массасының өсуімен азаюға түседі.
Тізбекті ядролық реакция нейтрондардың көбею коэффициентімен К сипатталады, ол қарастырылып отырған буындағы нейтрондар санының оның алдындағы буындағы нейтрондар санына қатынасына тең шама. Тізбекті реакция жүруінің қажетті шарты болып саналады.Тізбекті ядролық реакцияның өсу жылдамдығы:
, (4)
болса, онда . (5)
Мұндағы Т-бір буынның нейтрондарының өмір сүру уақыты, t-уақыт, -бастапқы кездегі нейтрон саны, N-ол t уақытындағы нейтрон саны. Табиғи уранның 99,27 % -ы 238U, 0,72% 235U және 0,01 % -ке жуығы 234 U изотоптарынан тұрады. Сондықтан әрбір баяу нейтрондармен бөлінетін 235U ядросына 140 238U ядросы сәйкес келеді. Сондықтан табиғи уранда тізбекті бөліну реакциясы жүрмейді. Уранда тізбекті ядролық реакция екі жолмен жүруі мүмкін. Біріншісі - табиғи ураннан 235U уранды бөліп алу. Изотоптардың химиялық ажырата алмаушылығына байланысты бұл процесті іске асыру өте қиын жұмыс. Бірақ ол бірнеше тәсілмен шешілген.
Бір кесек таза 235U (не239Pu) изотопының ядросымен қармалған әр нейтрон бөлінуге алып келеді, мұнда жаңадан ~2,5 нейтрон пайда болады. Бірақ та, егер кесектің массасы аз болса, онда шығарылған нейтроннаң көбі бөлінуге әкелмей, сыртқа ұшып шығады,тізбекті реакция пайда болмайды. Ал масса сындық массадан көп болса, нейтрондар тез көбейеді де, реакция жарылу сипатына ие болады. Осы принципке атом бомбасының жұмысы негізделген. Мұндай бомбаның ядролық заряды екі не одан көп 235U не 239Pu кесегінен тұрады. Әр кесектің массасы бастапқыда сындық массадан аз болғандықтан, тізбекті реакция орын алмайды.
Жер атмосферасында ылғи да ғарыштық сәулелер туғызған біраз мөлшердегі нейтрондар болады. Сондықтан, жарылыс жасау үшін ядролық заряд бөлшектерін сындық массадан көп массаға біріктіру жеткілікті. Мұны тез іске асырған жөн, және біріктіру тығыз болғаны жөн. Олай болмаса ядролық заряд бөліктерге бөлініп кетуі мүмкін. Біріктіруді іске асыру үшін кәдімгі жарылғыш зат пайдаланылады, мұнда ядролық заттың бір бөлігі екінші бөлігін атқылағандай болады. Құрылғының массасы үлкен тығыздықты металдан жасалған қабықтың ішіне орналастырылады. Қабықтан нейтрондар шағылыстырылады, және де ол ядролық зарядты, ядролардың басым бөлігі бөлініп, одан энергия бөлінгенге дейін, шашыратпай ұстап тұрады. Атом бомбасындағы тізбекті реакция жылдам нейтрондармен жүреді. Жарылыста ядролық зарядтың тек қана бөлігі ғана іске қосылып үлгереді.
2 Жұлдыздарда болатын ядролық реакциялар
Күн жүйесі мен жұлдыздардың пайда болуы жайлы кез-келген проблема немесе гипотезаның негізінде, Ғаламның үш фундаменталдық ерекшелігі бар: біріншіден Ғаламдағы заттардың басым көпшілігі сутегіден (75%), гелийден (25%) және басқа да химиялық элементтердің азғантай бөліктерінен құралған; екіншіден Ғаламның кезкелген нүктесінде жұлдызаралық газ және шаң бар; үшіншіден Ғаламда барлық заттар айналмалы және турбулентты қозғалыста (галактиканың формасы спираль тәріздес, жұлдыздар айналуда, планеталар күнді айналады және т.б.). Сондай ақ бізге Күн жүйесінің жасы 5 млрд жылға тең екендігін білеміз. Бұл мағлұмат бізге ғаламның өзіміз орналасқан бөлігінің тарихын елестетуге мүмкіндік береді.
Жұлдыздардағы нуклеосинтез теориясы физикалық эволюция мен химиялық элементтердің таралуын, олар алғашқы жұлдыздардың сутегі мен гелийдің қоспасынан тұратын заттардан түзілген деген жорамалмен жақсы түсіндіреді. Ядролық реакцияларды ғаламның космологиялық ұлғаю деңгейі мен осыған байланысты оның температурасының төмендеуіне байланысты қарастырып, қазіргі кезде бақыланып отырған әртүрлі химиялық әлементтер мен изотоптардың қатынасын байқауға болады. Нуклеосинтез теориясына сәйкес, Жер бастапқы заттан емес, жұлдыздарда жүріп өткен нуклеосинтез реакцияларының нәтижесінде түзілген заттан пайда болған. Яғни, барлық элементтердің түгелдей (олардың ішінде ауыр металлдардың да - темір, қорғасын және т.б.) ғаламның алғашқы ұлғаю кезеңімен байланыстыру тіпті қажет те емес.Біздің галактикамызда орналасқан Құс Жолының жас мөлшері жайлы астрономдардың бір бөлігі ол әлі жас және Құс Жолында жұлдыздардың пайда болу үрдістері жүріп жатыр деген пікірді ұстанып отыр. Сондай - ақ Құс жолында айналып жүрген газ бұлттарының болу мүкіндігі жоққа шығарылмайды. Коллапс процесінің нәтижесінде бұлттардан жұлдыздар пайда болады. Осыған сәйкес алуан түрлі жұлдыздық, бұлттық жүйелер де пайда болады.
Жас және ескі жұлдыздардың құрамына анализ жасай отырып галактика эволюциясының кезеңдерін анықтауға болады. Ескі жұлдыздар галактика эволюциясының бастапқы кезеңінің құрамын көрсетеді. Жұлдыздардың металдық қасиеттерінің арақатынасы галактикадағы эволюциялық өзгерістер туралы ғана емес, сондай - ақ ғаламның химиялық эволюциясы жайлы да мәлімет береді.
Жас жұлдыздарда ескі жұлдыздармен салыстырғанда металдық қасиет басым. Оның себебі, жұлдыздық орта өзіне ауыр элементтерді ескі жұлдыздарда нуклеосинтез процесінің нәтижесінде алып отырады, яғни олар дайын күйінде жаңа түзілген жұлдыздардың құрамына кіреді.Ғалам эволюциясы жұлдыздардың түзілу процестерінің әртүрлілігінің дәлелі. Жұлдыздардың түзілу процестерінің интенсивтілігінің деңгейі әртүрлі болған кезеңдерін бақылауға болады. Бұл процесті жұлдыздар шоғырларының нысандарынан байқай ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
КІРІСПЕ
1 Жеңіл ядролардың синтезі
2 Жұлдыздарда болатын ядролық реакциялар
3 Басқарылатын термоядролық синтездің проблемалары
ҚОРЫТЫНДЫ
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР
КІРІСПЕ
Атом ядросы протондар мен нейтрондардан құралған. Кейбір ауыр элементтердің (мысалы, уран, плутоний) ядролары бөлінген кезде, ал жеңіл түрлері (сутегі изотоптары) қосылып аурырақ (гелий) элементтерді құрағанда ядролық реакциялар барысында едәуір энергия босайды. Бөліну реакцияларында атом ядросы сыртқы нейтрондардың әсерінен екі немесе көп бөлшектерге ыдырайды. Егер 1 кг уранның барлық ядролары ыдыраса босалған энергияның шамасы тротилдың 20000 тоннасының жарылуынан шығатын энергиясына тең болады. Ядролық бомбалар қуатын тротил эквивалентімен өлшейді. Бөліну реакцияларына негізделген бомбалардың қуаты тротил баламасымен есептелгенде ондаған тоннадан бастап шамада 500000 тоннаға дейін жететіндей жасауға болады.
Ал ядролық синтездің табиғи мысалы ретінде жұлдыздардың, оның ішінде Күннің терең қатпарларында өтіп жатады. Міне, осы процестердің арқасында олар орасан зор энергия шығарады. Күннің және басқа да жұлдыздардың температуралары өте жоғары, миллиондаған кельвин шамасында, сондықтан ядролар аса үлкен жылдамдықтармен қозғалып, ядролық синтезге жол ашылады, ал босаған мол энергия жоғары температураны ұстап отырады, осының арқасында ядролық синтез үздіксіз өтіп жатады. Күн мен жұлдыздар үздіксіз жұмыс атқаратын термоядролық реакторлар болып табылады, ал Жер бетінде мұндай жағдайды қолдан жасау оңай шаруа емес.
1 Жеңіл ядролардың синтезі
Кез келген орнықты ядроның массасы оны түзеін протондар мен нейтрондардың массаларының қосындысынан кем болады. Мысалы, гелийдің 24He изотобының массасы екі протон мен екі нейтроның массаларының қосындысынан кем. Демек, екі протон мен екі нейтронды бір-бірімен гелий ядросын түзу үшін түістіретін болсақ, онда мұндай құрылым пайда болатын болса, ол массаның кемуі арқылы өткен болар еді. Массаның кемуі дегеніміз орасан зор мөлшерде энергия бөлініп шығуы деген сөз. Жеке протондар мен нейтрондардың, немесе жеңіл ядролардың қосылуы арқылы жаңа ядроның түзілуі ядролық синтез деп аталады. Женіл ядролар энергия шығара отырып, күрделірек, ауырырақ ядроларға біріге алады, мұндай процестің болатын себебі жеңіл ядроларда меншікті байланыс энергиясы (бір нукланға келетін орташа байланыс энергиясы) аралық ядроларға қарағанда (A мәні 50-ден 100-ге дейінгі аралықта) аз болады. Осы заманғы көзқарас бойынша табиғаттағы барлық химиялық элементтер алғашқы мезетте ядролық синтез процесі кезінде пайда болған.
Мысал қарастырайық, ядролық синтезге қатысты ең қарапайым реакциялардың бірі- нейтрон мен протонан 12H дейтерийдің пайда болуы: 11H + 01n ⟶ 12H + γ реакциясы. Осы кезде қанша энергия бөлініп шығады екен? Бастапқы бөлшектердің қосындысы массасы 1,007825 м.а.б + 1,008665 м.а.б. = 2,016490 м.а.б. Реакция шығымының массасы 12H дейтерийдің массасына тең, яғни 2,014102 м.а.б. Демек, дейтеридің синтезі кезінде (0,002388 м.а.б.) (931.5 Мэв м.а.б.) = 2,22 Мэв энергия бөлініп шығады. Оны H дейтеридің ядросы мен γ - алып кетеді.
Ядролық синтез кезінде шығарылатын энергияны пайдалану және термоядролық реакторды жасау мәселесі әзірге ең бір маңызды болып отыр. Термоядролық реакторды жасауда ең ықтимал жол сутегі изотоптары 12H дейтерий мен 13H тритийді пайдаланатын төменгі синтез реакцияларын пайдаланған (жақшада шығарылатын энергия келтірілген):
12H + 12H ⟶ 13H + 11H (4,03 Мэв),
12H + 12H ⟶ 23He + 01n (3,27 Мэв),
12H + 13H ⟶ 24He + 01n (17,59 Мэв),
13H + 13H ⟶ 24He + 201n (11,33 Мэв).
Синтез кезінде бөлініп шығатын энергия отынның берілген массасына шаққанда ядроның бөлінуі кезіндегіге қарағанда артық болады. Сосын термоядролық синтез кезінде радиоактивті қалдықтар мәселесі де онша күш көрсетпейді. Термоядролық реакторда мұхиттардың суында мол кездесетін дейтерийді пайдалануға болады. (1 2H дейтерийдің таралуы 0,015% немесе 60л суда 1 г мөлшерінде). Қалыпты жұмыс атқаратын термоядролық реакторды іске асыру жолында жеткілікті қайшылықтар бар. Оған негізгі себеп, барлық ядролардың заряттары оң, сондықтан олар өзара тебіледі. Егер оларды пәрменді әрекеттесу мүмкін болатындай қашықтыққа дейін жақындата алатын болсақ, онда ядролардың одан әрі жақындасуы осы әрекеттесудің арқасында мүмкін болады да, ядролық синтез іске асырылады. Ядроларды осыншалықты жақындату үшін олардың жылдамдықтары өте жоғары болуы керек. Ал жоғары жылдамдықтар дегеніміз жоғары температуралар деген сөз, сондықтан ядролық синтез үшін өте жоғары температуралар керек болады. Міне сондықтан, ядролық синтез өтетін реактор термоядролық қондырғы деп аталады.
Термоядролық синтез - миллиондаған градус температурада жүзеге асатын ядролық бірігу реакциясы деп аталады. Жеңіл элементтерді (сутек, гелий, литий, т. б.) жүздеген миллион градусқа дейін қыздырғанда, олардың бейтарап атомдары тұтастығын жойып, ядролар мен электрондарға ыдырайды.
Нәтижесінде оң зарядты ядролардан, теріс зарядты электрондардан тұратын ерекше орта -- жоғарғы температуралық плазма пайда болады. Мұндай плазмада ядролар кулондық тебіліс бөгетін (барьерін) жеңе алатын кинетикалық энергияға ие болады:
(1)
мұндағы k -- Больцман тұрақтысы; Т -- плазманың температурасы; m және v -- бөлшектің массасы мен жылдамдығы.
Температурасы жүздеген миллион градус болатын ыстық плазмадағы ядролар аса үлкен жылдамдықпен бір-біріне жақындап, ядролық күштердің әрекет аймағына енеді. Сол сәтте-ақ тегеурінді ядролық күш оларды біріктіріп, жаңа ядроны түзеді. Бұл кезде пайда болған m масса ақауы есебінен аса мол энергия босап шығады.
Жер бетінде алғаш рет термоядролық реакциялар 1950 жылдардың басында Қазақстанда (Семей полигоны) сутек бомбасын жару арқылы жүзеге асырылды. Қажетті жоғары температура атом бомбасын алдын ала жару үстінде алынды. Термоядролық бомбаның ішіне жоғары температура алу үшін атом бомбасының заряды және жеткілікті мөлшерде сутек изотоптары (мысалы, дейтерий) орналастырылады. Термоядролық жарылыста әуелі атом бомбасының заряды іске қосылады да, температура миллиондаған градусқа көтеріліп, сутек изотоптарының ядролары жаппай біріге бастайды. Осылайша әп-сәтте атом бомбасының жарылысы сутек бомбасының жарылысына ұласады. Қолдан басқарылатын термоядролық реакцияларды іске асыру зор қиындықтарға кезікті. Оларды жүзеге асыру үшін, негізінен, үш мәселені шешу керек.
Біріншіден, сутек газын қыздыру арқылы ыстық плазманың температурасын ондаған миллион градусқа көтеру қажет.
Екіншіден, термоядролық реакцияны тұтандыру үшін ыстық плазманы суытпай, белгілі бір көлемде кем дегенде 10-1-10~2 с ұстап тұру қажет.
Үшіншіден, термоядролық реакция қарқынды жүріп, энергия шығыны қажетінше мол болуы үшін ыстық плазмадағы дейтерий ядроларының тығыздығы белгілі бір шамадан кем болмауы тиіс, яғни 1 м3 көлемде 1022 бөлшек болуы керек.
Осы үш шарт қатарынан орындалса ғана басқарылатын термоядролық реакцияны іске асыруға болады. Алайда плазма заттың ең орнықсыз күйі болып табылады, сондықтан бұл шарттарды бір мезгілде орындау мәселесі әлі күнге шешуін таппай отыр.
235U мен 239 Pu ядролары кез келген энергиялы нейтрондармен бөлінуге түседі, бірақ та жақсы бөлінуге баяу нейтрондармен түседі. Жылулық нейтрондармен 233U мен 230 Th ядролары бөлінуге түседі, бірақ бұл изотоптар табиғатта кездеспейді, олар жасанды жолмен ғана алынады. 238U ядролары тек қана жылдам нейтрондармен (энергиялары ~1МэВ-тен аз емес) бөлінеді. Одан төменгі энергиясы бар нейтрондар 238U ядроларымен жұтылады, ал ядро бөлінуге түспейді. Нәтижесінде 239U ядросы пайда болады, оның қозу энергиясы -фотон түрінде бөлінеді. Мұндай процесс радиациялық қармау -реакциясы деп аталады. Бұл процестің эффективтік қимасы нейтрон энергиясы 7эВ-ке тең болғанда күрт өседі, ол 23000 барнға жетеді. 238U ядросының қармау қимасы жылулық нейтрондар үшін 3 барнды құрайды. Нейтронды қармау арқылы пайда болған 239U ядросы тұрақты емес, орнықсыз болады (жартылай ыдырау периоды Т=23 минут ). Ол электронды, антинейтрино мен γ-фотонды шығарып, трансуран элементі нептуний 239Np ядросына айналады. Нептуний болса, β- ыдырауға (Т=2,3 күн) түседі де, плутонийге 239Pu айналады. Бұл айналу тізбегі мынадай болады:
. (2)
Плутоний α-радиоактивті, оның жартылай ыдырау периоды өте көп (24400 жыл) болатындықтан, оны іс жүзінде тұрақты деп санауға болады.
Торий 232Th ядросының нейтрондарды радиациялық қармауы бөлінетін уран 233 U изотопының пайда болуына әкеледі, бұл изотоп табиғи уранда кездеспейді:
23290Th+ n --23390Th23391Ac23392U (3)
Уран-233 α-радиоактивті ( Т=162000 жыл).
235U, 239Pu және 233 U ядроларының бөлінуінде бірнеше нейтронның шығарылуы тізбекті ядролық реакцияны жүзеге асыру мүмкіндігін береді. Бір ядроның бөлінуінде шығарылған Z нейтрон сондай мөлшердегі Z ядроның бөлінуін туғызуы мүмкін, нәтижесінде Z2 жаңа нейтрон шығарылады, олар Z2 ядроның бөлінуіне әкеледі және т.т. Сонымен, әр буында пайда болған нейтрондар саны геометриялық прогрессия бойынша ұлғаяды. 235U ядросының бөлінуінде шығарылатын нейтрондардың орташа энергиясы ~2МэВ, ол ~2·107 мс жылдамдыққа сәйкес келеді. Сондықтан нейтронды шығару және жаңа бөлінетін ядромен қармау арасындағы өтетін уақыт өте аз болады, себебі бөлінетін затта нейтрондардың көбею процесі өте жылдам өтеді.
Біз суреттеген құбылыс оның өте идеал түрі. Нейтрондардың мұндай көбею процесі шығарылған нейтрондардың барлығы бөлінетін ядромен жұтылған кезде ғана болады. Іс жүзінде бұлай болмайды. Бұл бөлінетін дененің мөлшері шекті болуынан және нейтрондардың үлкен кіру қабілеттілігіне байланысты олардың көбінің қайсыбір ядромен қармалғанға және оны бөлінуге түсіруге дейін реакция аумағынан шығып кетуінде. Сонымен бірге, нейтрондардың кейбір бөлігі бөлінбейтін қоспа ядроларымен жұтылады, нәтижесінде бөлінуге түсірмей және жаңа нейтрондар туғызбай, ойыннан шығып қалады.
Дененің көлемі кубтық мөлшерде өссе, беті сызықтық размерлердің квадраты мөлшерінде өседі. Сондықтан сыртқа ұшып шығатын нейтрондардың салыстырмалы бөлігі бөлінетін заттың массасының өсуімен азаюға түседі.
Тізбекті ядролық реакция нейтрондардың көбею коэффициентімен К сипатталады, ол қарастырылып отырған буындағы нейтрондар санының оның алдындағы буындағы нейтрондар санына қатынасына тең шама. Тізбекті реакция жүруінің қажетті шарты болып саналады.Тізбекті ядролық реакцияның өсу жылдамдығы:
, (4)
болса, онда . (5)
Мұндағы Т-бір буынның нейтрондарының өмір сүру уақыты, t-уақыт, -бастапқы кездегі нейтрон саны, N-ол t уақытындағы нейтрон саны. Табиғи уранның 99,27 % -ы 238U, 0,72% 235U және 0,01 % -ке жуығы 234 U изотоптарынан тұрады. Сондықтан әрбір баяу нейтрондармен бөлінетін 235U ядросына 140 238U ядросы сәйкес келеді. Сондықтан табиғи уранда тізбекті бөліну реакциясы жүрмейді. Уранда тізбекті ядролық реакция екі жолмен жүруі мүмкін. Біріншісі - табиғи ураннан 235U уранды бөліп алу. Изотоптардың химиялық ажырата алмаушылығына байланысты бұл процесті іске асыру өте қиын жұмыс. Бірақ ол бірнеше тәсілмен шешілген.
Бір кесек таза 235U (не239Pu) изотопының ядросымен қармалған әр нейтрон бөлінуге алып келеді, мұнда жаңадан ~2,5 нейтрон пайда болады. Бірақ та, егер кесектің массасы аз болса, онда шығарылған нейтроннаң көбі бөлінуге әкелмей, сыртқа ұшып шығады,тізбекті реакция пайда болмайды. Ал масса сындық массадан көп болса, нейтрондар тез көбейеді де, реакция жарылу сипатына ие болады. Осы принципке атом бомбасының жұмысы негізделген. Мұндай бомбаның ядролық заряды екі не одан көп 235U не 239Pu кесегінен тұрады. Әр кесектің массасы бастапқыда сындық массадан аз болғандықтан, тізбекті реакция орын алмайды.
Жер атмосферасында ылғи да ғарыштық сәулелер туғызған біраз мөлшердегі нейтрондар болады. Сондықтан, жарылыс жасау үшін ядролық заряд бөлшектерін сындық массадан көп массаға біріктіру жеткілікті. Мұны тез іске асырған жөн, және біріктіру тығыз болғаны жөн. Олай болмаса ядролық заряд бөліктерге бөлініп кетуі мүмкін. Біріктіруді іске асыру үшін кәдімгі жарылғыш зат пайдаланылады, мұнда ядролық заттың бір бөлігі екінші бөлігін атқылағандай болады. Құрылғының массасы үлкен тығыздықты металдан жасалған қабықтың ішіне орналастырылады. Қабықтан нейтрондар шағылыстырылады, және де ол ядролық зарядты, ядролардың басым бөлігі бөлініп, одан энергия бөлінгенге дейін, шашыратпай ұстап тұрады. Атом бомбасындағы тізбекті реакция жылдам нейтрондармен жүреді. Жарылыста ядролық зарядтың тек қана бөлігі ғана іске қосылып үлгереді.
2 Жұлдыздарда болатын ядролық реакциялар
Күн жүйесі мен жұлдыздардың пайда болуы жайлы кез-келген проблема немесе гипотезаның негізінде, Ғаламның үш фундаменталдық ерекшелігі бар: біріншіден Ғаламдағы заттардың басым көпшілігі сутегіден (75%), гелийден (25%) және басқа да химиялық элементтердің азғантай бөліктерінен құралған; екіншіден Ғаламның кезкелген нүктесінде жұлдызаралық газ және шаң бар; үшіншіден Ғаламда барлық заттар айналмалы және турбулентты қозғалыста (галактиканың формасы спираль тәріздес, жұлдыздар айналуда, планеталар күнді айналады және т.б.). Сондай ақ бізге Күн жүйесінің жасы 5 млрд жылға тең екендігін білеміз. Бұл мағлұмат бізге ғаламның өзіміз орналасқан бөлігінің тарихын елестетуге мүмкіндік береді.
Жұлдыздардағы нуклеосинтез теориясы физикалық эволюция мен химиялық элементтердің таралуын, олар алғашқы жұлдыздардың сутегі мен гелийдің қоспасынан тұратын заттардан түзілген деген жорамалмен жақсы түсіндіреді. Ядролық реакцияларды ғаламның космологиялық ұлғаю деңгейі мен осыған байланысты оның температурасының төмендеуіне байланысты қарастырып, қазіргі кезде бақыланып отырған әртүрлі химиялық әлементтер мен изотоптардың қатынасын байқауға болады. Нуклеосинтез теориясына сәйкес, Жер бастапқы заттан емес, жұлдыздарда жүріп өткен нуклеосинтез реакцияларының нәтижесінде түзілген заттан пайда болған. Яғни, барлық элементтердің түгелдей (олардың ішінде ауыр металлдардың да - темір, қорғасын және т.б.) ғаламның алғашқы ұлғаю кезеңімен байланыстыру тіпті қажет те емес.Біздің галактикамызда орналасқан Құс Жолының жас мөлшері жайлы астрономдардың бір бөлігі ол әлі жас және Құс Жолында жұлдыздардың пайда болу үрдістері жүріп жатыр деген пікірді ұстанып отыр. Сондай - ақ Құс жолында айналып жүрген газ бұлттарының болу мүкіндігі жоққа шығарылмайды. Коллапс процесінің нәтижесінде бұлттардан жұлдыздар пайда болады. Осыған сәйкес алуан түрлі жұлдыздық, бұлттық жүйелер де пайда болады.
Жас және ескі жұлдыздардың құрамына анализ жасай отырып галактика эволюциясының кезеңдерін анықтауға болады. Ескі жұлдыздар галактика эволюциясының бастапқы кезеңінің құрамын көрсетеді. Жұлдыздардың металдық қасиеттерінің арақатынасы галактикадағы эволюциялық өзгерістер туралы ғана емес, сондай - ақ ғаламның химиялық эволюциясы жайлы да мәлімет береді.
Жас жұлдыздарда ескі жұлдыздармен салыстырғанда металдық қасиет басым. Оның себебі, жұлдыздық орта өзіне ауыр элементтерді ескі жұлдыздарда нуклеосинтез процесінің нәтижесінде алып отырады, яғни олар дайын күйінде жаңа түзілген жұлдыздардың құрамына кіреді.Ғалам эволюциясы жұлдыздардың түзілу процестерінің әртүрлілігінің дәлелі. Жұлдыздардың түзілу процестерінің интенсивтілігінің деңгейі әртүрлі болған кезеңдерін бақылауға болады. Бұл процесті жұлдыздар шоғырларының нысандарынан байқай ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz