Текст книги "101 ключевая идея: Физика"

Автор книги: Джим Брейтот

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 10 страниц)

РАДИОАКТИВНОСТЬ 1 – РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД

Радиоактивный изотоп распадается в результате одного из следующих процессов трансформации:

• α-излучение наблюдается, когда большие нестабильные ядра испускают два протона и два нейтрона в виде единой частицы, называемой α-частицей:

• β-излучение наблюдается, когда нейтрон ядра с избытком нейтронов превращается в протон:

• γ-излучение наблюдается, когда γ-фотон испускается из ядра с избытком энергии, который возникает после испускания ядром α– или β-частицы.

Теория радиоактивного распада основана на предположении случайности этого процесса, и вероятность того, что ядро распадется в промежуток времени Δt, пропорциональна Δt. Отсюда:

где X – постоянная распада. При преобразовании уравнения получаем N = N ₀e -λt, где N ₀– начальное количество атомов.

Активностью радиоактивного изотопа называется количество ядер, распадающихся в секунду. Отсюда активность где N – количество оставшихся радиоактивных ядер. Поскольку Δ – λN, активность Δ радиоактивного изотопа уменьшается экспоненциально, в соответствии с уравнением Δ = Δ ₀e -λt, где Δ ₀– начальная активность.

Кривая полураспада

Периодом полураспада изотопа называется время, требующееся для сокращения количества ядер изотопа на 50 %. Оно равно времени, за которое активность также уменьшается на 50 %. Так как после первого периода полураспада N = 0,5N ₀, то 0,5N ₀= N ₀e -λt, что дает λΤ 1/2= ln2.

См. также статьи «Радиоактивность 2», «Ядерная модель атома».

РАДИОАКТИВНОСТЬ 2 – СВОЙСТВА α-, β – и γ– ИЗЛУЧЕНИЯ

Распространение при атмосферном давлении:

α-излучение; α-частицы, испускаемые определенным изотопом, имеют одну и ту же кинетическую энергию, которая отличается от энергии α-частиц других изотопов. Поэтому расстояние, на которое распространяются α-частицы, легко определить; оно составляет до 10 см.

β-излучение; β – частицы, испускаемые определенным изотопом, обладают широким спектром кинетической энергии вплоть до максимума, определяемого этим изотопом. Расстояние, на какое они распространяются, бывает разным в пределах приблизительно 1 м.

γ-излучение; γ-фотоны распространяются из точечного источника во все стороны и почти не взаимодействуют с молекулами воздуха. Расстояние, на которое они распространяются, безгранично, хотя интенсивность γ-излучения из точечного источника подчиняется закону обратных квадратов, так как они распространяются во все стороны равномерно и без поглощения.

Поглощение веществом:

α-излучение; α-частицы поглощаются бумагой, тонким картоном или металлической фольгой.

β-излучение; β-частицы проникают сквозь бумагу, тонкий картон и тонкую металлическую фольгу. Алюминиевая пластина толщиной более 5 мм поглощает в-частицы.

γ-излучение; γ-фотоны поглощаются свинцовыми пластинами толщиной около 50 мм.

Ионизация:

α-частицы образуют порядка 10 000 ионов на 1 мм 3воздуха, что гораздо больше, чем ионизация β– частиц и у-излучения.

β-частицы образуют меньше ионов на 1 мм 3, чем α-частицы, потому что они гораздо быстрее их.

γ-излучение вызывает весьма малую ионизацию воздуха, так как фотоны не имеют заряда. Следует отметить, что рентгеновское излучение также представляет собой поток высокоэнергетических фотонов и, следовательно, вызывает ионизацию. Рентгеновские лучи образуются в рентгеновской трубке.

См. также статьи «Законы обратные квадратов», «Ионизация», «Радиоактивность 1».

РАДИАКТИВНОСТЬ 3 – РАДИОАКТИВНЫЕ ОТХОДЫ

Радиоактивные отходы делятся на отходы низкого, среднего и высокого уровня радиоактивности.

• Отходы низкого уровня (оборудование и спецодежда), которые использовали рабочие, имеющие отношение к радиоактивным веществам, хранятся в запечатанных контейнерах в контролируемых местах. Охлаждающая вода в теплообменниках лишь слегка радиоактивна, и ее сливают в море.

• Отходы среднего уровня (теплоноситель ядерного реактора) делают густыми и хранят в запечатанных контейнерах под землей в контролируемых районах захоронений.

• Отходы высокого уровня радиоактивности (замедлители, тепловыделяющие элементы – твэлы и отработанное топливо, подвергнутое процессу переработки) хранятся в течение многих лет так же в запечатанных контейнерах под землей в контролируемых районах захоронений.

Отработанные твэлы ядерного реактора содержат неиспользованный уран-235, уран-238 и плутоний-239, образующийся в результате поглощения ураном-238 нейтронов и осколков с большим содержанием последних. Таким образом, различные изотопы в отработанном топливе содержат источники α-, β– и γ-излучения с различными периодами полураспада. Самый короткий период полураспада у изотопов, имеющих самую большую активность на единицу массы, поэтому отработанные твэлы реактора в высшей степени радиоактивны. Их удаляют из реактора и перерабатывают с помощью устройств с дистанционным управлением.

Далее твэлы помещают в бассейн выдержки приблизительно на год, пока не распадутся изотопы с коротким сроком жизни. Затем контейнер с топливом открывают; отработанное топливо вынимают и подвергают химической обработке; неиспользованные уран и плутоний выделяют для последующего применения. Все другие материалы хранят в запечатанных контейнерах для отходов с высоким уровнем радиоактивности. Коррозия контейнеров может стать источником потенциальной опасности, но ее можно избежать путем витрификации (застекловывания) отходов. Материал смешивают с расплавленным стеклом и остужают, в результате чего получаются стеклянные блоки с материалом, предохраняющие от коррозии. При этом следует соблюдать осторожность и не располагать рядом большие порции урана и плутония. В противном случае может начаться цепная реакция и последовать взрыв.

См. также статьи «Атомная энергия», «Деление ядра».

РАДИОАКТИВНОСТЬ 4 – ИЗМЕРЕНИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Ионизирующее излучение губительно для живых клеток, так как необратимо повреждает их мембраны и разрушает механизм репликации, [4]4
  Репликация – биол. создание себе подобной структуры.


[Закрыть]повреждая цепи ДНК в ядрах клеток. Кроме того, ионизирующее излучение образует свободные радикалы, которые служат причиной образования опухолей.

Дозой излучения, полученного веществом от ионизирующего излучения, называется количество энергии, поглощенной веществом на единицу массы. Единицей дозы ионизирующего излучения служит грей (Гр), равный 1 Дж/кг.

Относительной биологической эффективностью(ОБЭ) рассматриваемого ионизирующего излучения называется отношение поглощенной дозы стандартного излучения (обычно 250 кВ рентгеновского излучения), к поглощенной дозе рассматриваемого излучения, вызывающей определенный биологический эффект. Например, ОБЭ α-излучения равна 10; это значит, что для произведения такого эффекта нужно взять десять доз стандартного излучения и одну дозу α– излучения.

Дозовый эквивалент, полученный живой материей при поглощении некоей дозы ионизирующего излучения, равен дозе рентгеновского излучения 250 кВ, необходимой для произведения такого же биологического эффекта. Единицей дозового эквивалента служит сиверт (Св), также равный 1 Дж/кг.

Дозовый эквивалент равен произведению дозы излучения на относительную биологическую эффективность.

Суммарным дозовым эквивалентомвоздействия различных типов излучения называется сумма дозовых эквивалентов каждого типа излучения.

Нижнего предела биологического вреда от ионизирующего излучения не существует; максимум допустимого воздействия ионизирующего излучения определяется на основе признанного риска. В Великобритании установлено максимально допустимое воздействие, равное 15 Св в год, для профессий, связанных с ионизирующим излучением, и 0,5 Св в год выше естественной нормы для остального населения. Эти предельные показатели рассчитаны на основе трех смертельных случаев заболевания раком на один миллисиверт на 100 000 выживших при атомной бомбардировке Хиросимы и Нагасаки. Так, годовой предел в 0,5 мСв соответствует 750 смертям в год на население в 50 миллионов человек.

См. также статьи «Ионизация», «Радиоактивность 1, 2 и 3», «Рентгеновские лучи».

РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ И МОЩНОСТЬ

Разностью потенциалов называется количество потенциальной энергии, приобретаемой или теряемой единичным точечным положительным зарядом при прохождении от одной точки к другой. В повседневной речи разность потенциалов называют «напряжение». Потенциальная энергия заряда часто называется электрической энергией. Разность потенциалов:

где Е – получаемая энергия, Q – величина заряда.

Единицей разности потенциалов служит вольт (В), равный разности потенциалов между двумя точками, если при перемещении заряда в один кулон между этими точками выделяется или потребляется один джоуль электрической энергии.

Электродвижущая сила (ЭДС) источника электрической энергии равна количеству электрической энергии, приобретаемой единичным точечным зарядом, проходящим через источник. В электрической цепи поток заряда по ней переносит энергию от источников ЭДС к компонентам цепи.

Перепадом разности потенциалов в компоненте называется потеря электрической энергии единичным зарядом, проходящим через компонент. Перепад разности потенциалов на концах компонента цепи можно сравнить с перепадом давления между выпускной и впускной трубами батареи центрального отопления. Разность давлений необходима, чтобы по батарее шел поток воды.

Электрическая мощность определяется как количество электрической энергии, переносимой в секунду по участку электрической цепи. Единицей мощности служит ватт (Вт). Один ватт равен переносу одного джоуля в секунду; 1 киловатт = 1000 ватт.

Так как сила тока – это количество заряда, переносимого в секунду по компоненту цепи или устройства, а разность потенциалов – количество электрической энергии, передаваемой единичным зарядом компоненту или устройству, то: сила тока разность потенциалов = заряд/время электрическая энергия/заряд = электрическая энергия/время = мощность. В бытовой сети цена за электроэнергию измеряется в киловатт-часах (кВт•ч); 1 кВт•ч равен 1 кВт электрической энергии, потребляемому за час.

См. также статью «Заряд и ток».

РЕЗОНАНС

Явление резонанса происходит, когда к колебательной системе прикладывается периодически изменяемая сила и амплитуда колебаний системы возрастает в большой степени. В любой системе, совершающей свободные колебания, за каждый полупериод кинетическая энергия превращается в потенциальную и обратно. При условии действия силы трения и отсутствия периодической силы колебания системы постепенно уменьшаются и ее энергия передается окружению с помощью трения. Говорят, что в таком случае колебания «затухают» от действия силы трения. В системе, испытывающей легкое затухание, происходит резонанс, если частота внешней периодически действующей силы равна частоте колебаний системы. При резонансе энергия, передаваемая системе периодической силой, равна энергии, теряемой в результате действия силы трения.

Простым примером служит ребенок на качелях, которые периодически толкают.

Если частота толчков равна естественной частоте колебаний f ₀, то их амплитуда становится очень большой, ограничиваемой только силами трения. Частота, при которой амплитуда наиболее увеличивается, называется частотой настройки. Для системы с небольшим затуханием она равна f ₀. Примеры резонирующих систем:

• механический резонанс, когда панель стиральной машины громко вибрирует при определенной скорости мотора;

• акустический резонанс, когда струя воздуха, направляемая с определенной силой под углом к горлышку бутылки заставляет столб воздуха внутри ее колебаться, издавая звук;

• электрический резонанс, когда по радио ловят определенную станцию настройкой шкалы на ее частоту так, что радиоволны этой частоты вызывают достаточно большую разность потенциалов с этой частотой в цепи настройки.

См. также статьи «Волновое движение 2», «Простое гармоническое колебание».

РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ 1 – ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА

Рентгеновские лучи – это электромагнитные волны с длиной волны около 1 нм и менее, испускаемые при торможении быстрых электронов или изменении их направления в веществе либо при переходе электронов с внешних оболочек атома на внутренние в тяжелых атомах. Рентгеновские лучи были открыты в 1895 году Вильгельмом Рентгеном, наблюдавшим свечение флуоресцентного экрана при пропускании под высоким напряжением тока через вакуумную стеклянную трубку, называемую впоследствии рентгеновской. В ней в процессе термоэлектронной эмиссии электроны испускаются с горячей нити накала и притягиваются к металлическому аноду, имеющему высокий положительный потенциал по отношению к нити накала. При столкновении электроны останавливаются и теряют кинетическую энергию, испуская фотоны рентгеновского излучения.

Рентгеновские лучи содержат непрерывный спектр длин волн выше определенного минимального значения. Интенсивность распределения разных длин волн представляет собой непрерывную кривую начиная с минимальной длины волны с пиками интенсивности, накладываемыми на длины волн, характерными для цели. Цель в рентгеновской трубке обычно представляет собой вольфрам, имеющий высокую температуру плавления, а основная часть энергии рентгеновской трубки превращается в тепло.

Вольфрамовая цель может быть помещена между пластинами меди, обладающей большей теплопроводностью, чем вольфрам.

Минимальная длина волны λ _минсоответствует кинетической энергии отдельного электрона, образующего один фотон. Количество полученной кинетической энергии равно проделанной работе eV анода с потенциалом V так что энергия фотона hс λ _мин= eV (где с – скорость света), что дает λ _мин= hc/eV. Проникающая способность рентгеновского излучения в данном материале зависит от максимальной энергии фотона в луче, пропорциональной напряжению анода.

Пики интенсивности возникают, когда электроны луча сталкиваются с атомами цели и выталкивают электроны атомов с внутренних орбит. При заполнении внутренних вакансий электронами с внешних орбит атомов, испускаются фотоны с рентгеновской длиной волны.

См. также статьи «Фотон», «Электромагнитные волны».

РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ 2 – ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В МЕДИЦИНЕ

В медицине рентгеновское излучение используют для получения четкого снимка костей и внутренних органов. Пациент располагается на пути прохождения рентгеновского луча, т. е. между рентгеновской трубкой и пленкой в светонепроницаемой оболочке. Внутренние органы с большой плотностью и кости поглощают рентгеновское излучение, и, следовательно, на пленке возникает их изображение. Можно получить снимки и органов с меньшей плотностью, если заполнить их контрастным веществом, поглощающим рентгеновское излучение, например химическими соединениями бария.

Рентгеновские лучи должны быть хорошо сфокусированными и поступать из точечного источника, иначе изображение получится размытым. Поверхность анода разворачивается под углом 70° к направлению потока электронов, так что эффективная зона, из которой исходят лучи, сводится к минимуму по отношению к площади падения электронов.

Кроме того, трубка покрывается толстым слоем свинца, чтобы рентгеновские лучи не приносили вред обслуживающему персоналу. Для прохождения лучей строго через исследуемый орган пациента используются их ограничители.

Рентгеновское излучение фильтруется металлической пластиной, располагающейся между лучом и пациентом. В результате до пациента доходит низкоэнергетическое излучение. Низкоэнергетические фотоны могут быть поглощены тканями с низкой плотностью, понижая риск нежелательного воздействия.

Между пациентом и пленкой помещают коллимирующую [5]5
  Коллиматор – оптическая система для получения пучка параллельных лучей.


[Закрыть]решетку, состоящую из толстой свинцовой пластины с многочисленными узкими отверстиями, расположенными параллельно. Рентгеновское излучение, рассеиваемое пациентом, не проходит через решетку, не достигает пленки и не засвечивает темные области последней.

См. также статьи «Рентгеновские лучи 1», «Электромагнитные волны».

СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ

Сверхпроводимость – это полное отсутствие электрического сопротивления. Сверхпроводник – вещество с нулевым сопротивлением. Критической температурой сверхпроводника называется температура, при которой и ниже которой он таковым и становится. Когда при охлаждении вещества достигается точка его критической температуры, то его сопротивление скачкообразно падает до нуля. При достаточно низкой температуре сверхпроводниками становятся металлы, некоторые сплавы и керамические вещества. Сверхпроводящий кабель проводит электричество не нагреваясь, так как сопротивление равно нулю. Сверхпроводящие магниты – это магниты, состоящие из сверхпроводящих проводников. Самые мощные магнитные поля, создаваемые сверхпроводящими магнитами, используются в системах магнитно-резонансной томографии в больницах и при исследовании мозга.

Сверхпроводимость впервые была открыта у ртути, охлажденной до 4,15 К. Потом оказалось, что некоторые металлы и сплавы также могут становиться сверхпроводниками – каждый при достижении своей критической температуры. До 1986 года наивысшей критической температурой считалась температура сплава ниобия и германия – 23,3 К. Затем открыли сверхпроводимость керамического проводника при 90 К. За этим довольно неожиданным открытием последовали открытия других материалов, проводящих при более высокой температуре. Факт, что сверхпроводимости можно достичь, охладив материал жидким азотом, закипающим при 77 К, дал основание называть их «высокотемпературными сверхпроводниками». В настоящее время высшая критическая температура равна приблизительно 130 К.

Известно, что сверхпроводимость металлов и сплавов вызвана тем, что электроны, отстоящие по атомным масштабам на большом расстоянии, образуют пары. Каждая пара электронов, называемая куперовской парой, находится в связанном состоянии и осуществляет упругие столкновения с ионами, электронами и другими куперовскими парами. Те, в свою очередь, проходят через вещество без потерь энергии и, следовательно, с нулевым сопротивлением.

См. также статьи «Сопротивление», «Электропроводность».

СИЛА И ДВИЖЕНИЕ

Импульсом тела называют произведение его массы на скорость. Единицей импульса служит килограмм-метр в секунду (кгм/с). Импульс – величина векторная.

Первый закон Ньютона гласит:всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не изменят это состояние. Понятно, что сила – это физическое воздействие, которое может изменить состояние движения тела. Если тело находится в состоянии покоя или равномерного движения, на него либо не действуют никакие силы, либо равнодействующая сила равна нулю.

Второй закон Ньютона гласит: скорость изменения импульса тела пропорциональна равнодействующей силе, приложенной к телу. Представим себе тело с постоянной массой m, на которое действует постоянная сила F, так что его скорость изменяется с и на v за промежуток времени t. Поскольку сила пропорциональна отношению изменения импульса ко времени, то F = k (mv – mu)/t, где k – постоянный коэффициент. Поскольку ускорение a = (v – u)/t, то F = kma. Если дать определение единице силы, ньютону (Н), как количеству силы, которая придает телу массой 1 кг ускорение в 1 м/с ², то k = 1 и этот закон принимает вид F = mа при условии, что сила измеряется в ньютонах, масса в килограммах, а ускорение в метрах на секунду в квадрате.

Третий закон Ньютона утверждает: при взаимодействии два тела действуют друг на друга с силами, равными по величине и противоположными по направлению, другими словами, «всякому действию соответствует равное противодействие».

Закон сохранения импульса

Закон сохранения импульса гласит: общий импульс системы тел всегда один и тот же при условии, что на них не действуют внешние силы. При столкновении двух тел, когда они расходятся в разные стороны, импульс каждого отдельного тела меняется. Поскольку два тела в один момент времени действуют друг на друга с силами, равными по величине и противоположными по направлению, то каждое тело приобретает импульс за счет другого тела и общий их импульс равен нулю. Следовательно, общий импульс системы сохраняется.

См. также статьи «Динамика», «Равновесие сил».

СЛУЧАЙНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Случайным процессом называется непредсказуемо происходящее изменение или событие. Статистический же исход большого числа случайных изменений или событий предсказать возможно. Это положение иллюстрируют два примера, приведенных ниже.

Радиоактивный распад нестабильного изотопа; распад нестабильного ядра – случайный процесс. Это значит, что любое нестабильное ядро может распасться. Вероятность распада за определенный промежуток времени одна и та же для всех ядер.

Отсюда следует, что для N нестабильных ядер количество ядер ΔN,распадающихся за промежуток времени Δt, пропорционально N и Δt, т. е. ΔNпропорционально NΔt.Процентное соотношение ядер (=ΔN/Nx 100 %), которые распадаются за данный промежуток времени, пропорционально промежутку времени 11. Таким образом, количество ядер уменьшается экспоненциально.

Диффузия; молекулы газа или жидкости находятся в постоянном движении, постоянно сталкиваясь друг с другом и со стенками сосуда. Молекулы воздуха движутся с постоянным диапазоном скоростей порядка сотен метров в секунду. Если в одном углу комнаты брызнуть освежителем воздуха, то приблизительно за минуту запах дойдет до всех остальных углов комнаты, так как молекулы освежителя постепенно переходят из мест их высокой концентрации в места низкой концентрации, причем их продвижение затруднено столкновениями с молекулами воздуха и друг с другом. Продвижение молекул вещества из начальной точки в чем-то похоже на движение человека по гигантской шахматной доске, случайно переходящего из одного квадрата в соседний. Через 100 шагов можно предположить, что он будет находиться приблизительно в 10 шагах от места старта, а через 400 шагов – всего лишь приблизительно в 20 шагах. Теоретическая модель такого двухмерного передвижения приводит к следующему выводу: если число случайных шагов велико, то через N шагов человек, вероятнее всего, будет в N ^1/2 шагах от места старта. То же самое применимо и к случайным процессам передвижения молекул в газе или жидкости.

См. также статьи «Радиоактивность 1», «Убывающие процессы».