Ядерна (атомна) енергія - застосування і використання енергії атомного ядра, ядерної реакції,

Застосування атомної енергії

Застосування ядерної енергії в сучасному світі виявляється настільки важливим, що якби ми завтра прокинулися, а енергія ядерної реакції зникла, світ, таким як ми його знаємо, мабуть, перестав би існувати. Мирне використання джерел ядерної енергії становить основу промислового виробництва і життя таких країн, як Франція і Японія, Німеччина і Великобританія, США і Україна. І якщо дві останні країни ще в стані замістити ядерні джерела енергії на теплові станції. то для Франції, або Японії це просто неможливо.

Використання атомної енергії створює багато проблем. В основному всі ці проблеми пов'язані з тим, що використовуючи собі на благо енергію зв'язку атомного ядра (яку ми і називаємо ядерною енергією), людина отримує істотне зло у вигляді високорадіоактивних відходів, які не можна просто викинути. Відходи від атомних джерел енергії потрібно переробляти, перевозити, захоронювати, і зберігати тривалий час в безпечних умовах.

Плюси і мінуси, користь і шкода від використання ядерної енергії

Розглянемо плюси і мінуси застосування атомної-ядерної енергії, їх користь, шкода і значення в житті Людства. Очевидно, що атомна енергія сьогодні потрібна лише промислово розвиненим країнам. Тобто, основне застосування мирна ядерна енергія знаходить в основному, на таких об'єктах, як заводи, переробні підприємства, і т.п. Саме енергоємні виробництва, віддалені від джерел дешевої електроенергії (на кшталт гідроелектростанцій) задіють ядерні станції для забезпечення і розвитку своїх внутрішніх процесів.

Аграрні регіони і міста не надто потребують атомної енергії. Її цілком можна замінити тепловими та іншими станціями. Виходить, що оволодіння, отримання, розвиток, виробництво і використання ядерної енергії здебільшого спрямоване на задоволення наших потреб в промисловій продукції. Подивимося, що це за виробництва: автомобільна промисловість, військові виробництва, металургія, хімічна промисловість, нафтогазовий комплекс, і т.д.

І він все це отримує. Неважливо, що в кінці розбіжність між словом і ділом призводить до війни. Неважливо, що для його утилізації також потрібна енергія. Поки що людина спокійна. Він їсть, п'є, ходить на роботу, продає і купує.

А для всього цього потрібна енергія. А ще для цього потрібно дуже багато нафти, газу, металу і т.п. І всі ці промислові процеси потребують атомної енергії. Тому хто б що не говорив, до тих пір, поки не буде запущений в серію перший промисловий реактор термоядерного синтезу, атомна енергетика буде тільки розвиватися.

Всім доведеться менше їсти, менше жити і менше радіти навколишній природі. Тут криється ще один плюс-мінус атомної енергії, який полягає в тому, що країни, що опанували атомом, зможуть ефективніше перерозподіляти під себе скудеющіе ресурси тих, хто атомом не опанував. Більш того, тільки розвиток програми термоядерного синтезу дозволить людству елементарно вижити. Тепер пояснимо на пальцях, що ж це за «звір» - атомна (ядерна) енергія і з чим її їдять.

Маса, матерія і атомна (ядерна) енергія

Часто доводиться чути твердження, що «маса і енергія одне і те ж», або ж такі судження, як позначення Е = mс2 пояснює вибух атомної (ядерної) бомби. Зараз, коли ви отримали першу виставу про ядерну енергію і її застосуванні, було б воістину нерозумно збивати вас з пантелику такими твердженнями, як «маса дорівнює енергії». У всякому разі, такий спосіб трактування великого відкриття не з кращих. Мабуть, це всього лише гострослів'я молодих реформістів, «Галілео нового часу». На ділі ж пророцтво теорії, яке перевірено багатьма експери-ментами, говорить лише про те, що енергія має масу.

Зараз ми роз'яснимо сучасну точку зору і дамо невеликий огляд історії її розвитку.
Коли енергія будь-якого матеріального тіла зростає, його маса збільшується, і ми приписуємо цю додаткову масу приросту енергії. Наприклад, при поглинанні випромінювання поглинач стає гаряче і його маса зростає. Однак зростання настільки мало, що залишається за межами точності вимірювань в повсякденному досвіді. Навпаки, якщо речовина випускає випромінювання, то воно втрачає крапельку своєї маси, яка несеться випромінюванням. Виникає більш широкий питання: чи не обумовлена чи вся маса речовини енергією, т. Е. Не укладено чи в усьому речовині величезний запас енергії? Багато років тому радіоактивні перетворення на це відповіли позитивно. При розпаді радіоактивного атома виділяється величезна кількість енергії (в основному у вигляді кінетичної енергії), а мала частина маси атома зникає. Про це ясно говорять вимірювання. Таким чином, енергія забирає з собою масу, зменшуючи тим самим масу речовини.

Отже, частина маси речовини взаємозамінна масою випромінювання, кінетичну енергію і т. П. Ось чому ми говоримо: «енергія і речовина здатні частково до взаємних перетворень». Більш того, ми тепер можемо створювати частки речовини, які мають масу і здатні повністю перетворюватися в випромінювання, також має масу. Енергія цього випромінювання може перейти в інші форми, передавши їм свою масу. І навпаки, випромінювання здатне перетворюватися в частинки речовини. Так що замість «енергія володіє масою» ми можемо сказати «частинки речовини і випромінювання - взаімопревращаеми, а тому здатні до взаємних перетворень з іншими формами енергії». В цьому і полягає створення і знищення речовини. Такі руйнівні події не можуть відбуватися в царстві звичайної фізики, хімії і техніки, їх слід шукати або в мікроскопічних, але активні процеси, що вивчаються ядерною фізикою, або в високотемпературному горнилі атомних бомб, на Сонце і зірках. Однак було б нерозумно стверджувати, що «енергія - це маса». Ми говоримо: «енергія, як і речовина, має масу».

Маса звичайної речовини

Ми говоримо, що маса звичайного речовини таїть в собі величезний запас внутрішньої енергії, що дорівнює добутку маси на (швидкість світла) 2. Але ця енергія укладена в масі і не може бути вивільнена без зникнення хоча б частини її. Як виникла настільки дивовижна ідея і чому вона не була відкрита раніше? Її пропонували і раніше - експеримент і теорія в різних видах, - але аж до двадцятого століття зміна енергії не спостерігали, бо в звичайних експериментах воно відповідає неймовірно малій зміні маси. Однак зараз ми впевнені, що летить куля завдяки своїй кінетичної енергії має додаткову масу. Навіть при швидкості 5000 м / сек куля, яка в спокої важила рівно 1 г, матиме повну масу +1,00000000001 р Розпечена до білого платина масою 1 кг всього додасть +0,000000000004 кг і практично жодне зважування не зможе зареєструвати ці зміни. Тільки коли з атомного ядра вивільняються величезні запаси енергії або коли атомні «снаряди» розганяються до швидкості, близької до швидкості світла, маса енергії стає помітною.

З іншого боку, навіть ледь помітна різниця мас знаменує можливість виділення величезної кількості енергії. Так, атоми водню і гелію мають відносні маси 1,008 і 4,004. Якби чотири ядра водню змогли об'єднатися в одне ядро гелію, то маса 4,032 змінилася б до 4,004. Різниця невелика, всього 0,028, або 0,7%. Але вона означала б гігантське виділення енергії (переважно у вигляді випромінювання). 4,032 кг водню дали б 0,028 кг випромінювання, яке мало б енергію близько 600 млрд Кал.

Порівняйте це зі 140 000 Кал, що виділяються при з'єднанні того ж кількості водню з киснем в хімічному вибуху.
Звичайна кінетична енергія дає помітний внесок в масу дуже швидких протонів, що отримуються на циклотронах, і це створює труднощі при роботі з такими машинами.

Чому ми все ж віримо, що Е = mс2

Зараз ми сприймаємо це як прямий наслідок теорії відносності, але перші підозри виникли вже ближче до кінця 19 століття, в зв'язку з властивостями випромінювання. Тоді здавалося ймовірним, що випромінювання має масу. А оскільки випромінювання переносить, як на крилах, зі швидкістю з енергію, точніше, саме є енергія, то з'явився приклад маси, що належить чогось «невещественному». Експериментальні закони електромагнетизму передбачали, що електромагнітні хвилі повинні володіти «масою». Але до створення теорії відносності тільки неприборкана фантазія могла поширити співвідношення m = Е / с2 на інші форми енергії.

Всім сортам електромагнітного випромінювання (радіохвилях, інфрачервоному, видимому і ультрафіолетовому світлі і т. Д.) Властиві деякі спільні риси: всі вони поширюються в пустоті з однаковою швидкістю і все переносять енергію і імпульс. Ми уявляємо собі світло і інше випромінювання у вигляді хвиль, що поширюються з великою, але певною швидкістю з = 3 * 108 м / сек. Коли світло падає на поглинаючу поверхню, виникає теплота, що показує, що потік світла несе енергію. Ця енергія повинна поширюватися разом з потоком з тією ж швидкістю світла. На ділі швидкість світла саме так і вимірюється: за часом прольоту порцією світлової енергії великої відстані.

Коли світло падає на поверхню деяких металів, він вибиває електрони, що вилітають точно так же, як якщо б їх вдарив компактний кульку. Енергія світла. по всій видимості, поширюється концентрованими порціями, які ми називаємо «квантами». В цьому і полягає квантовий характер випромінювання, незважаючи на те, що ці порції, мабуть, створюються хвилями. Кожна порція світла з однієї і тієї ж довжиною хвилі має єдину і тією ж енергією, певним «квантом» енергії. Такі порції мчать зі швидкістю світла (власне, вони-то і є світло), переносячи енергію і кількість руху (імпульс). Все це дозволяє приписати випромінювання якусь масу - кожної порції приписується певна маса.

При відображенні світла від дзеркала теплота не виділяється, бо відбитий промінь забирає всю енергію, але на дзеркало діє тиск, подібне тиску пружних кульок або молекул. Якщо ж замість дзеркала світло потрапляє на чорну поглинаючу поверхню, тиск стає вдвічі менше. Це свідчить про те, що промінь несе кількість руху, повертати дзеркалом. Отже, світло поводиться так, як якщо б у нього була маса. Але чи можна десь ще дізнатися, що щось має масу? Чи існує маса за своїм власним правом, як, наприклад, довжина, зелений колір або вода? Або це штучне поняття, яке визначається поведінкою зразок Скромності? Маса, насправді, відома нам в трьох проявах:

А. Туманний твердження, що характеризує кількість «речовини», (Маса з цієї точки зору притаманна речовині - сутності, яку ми можемо побачити, помацати, штовхнути).
Б. Певні твердження, погоджує її з іншими фізичними величинами.
В. Маса зберігається.

Залишається визначити масу через кількість руху і енергію. Тоді будь-яка рухається річ з кількістю руху і енергією повинна мати «масу». Її масою повинно бути (кількість руху) / (швидкість).

Теорія відносності

Прагнення пов'язати воєдино серію експериментальних парадоксів, що стосуються абсолютного простору і часу, породило теорію відносності. Два сорти експериментів зі світлом давали суперечливі результати, а досліди з електрикою ще більше загострили цей конфлікт. Тоді Ейнштейн запропонував змінити прості геометричні правила додавання векторів. Ця зміна і становить сутність його «спеціальної теорії відносності».

Для малих швидкостей (від повільної равлики до якнайшвидшої з ракет) нова теорія узгоджується зі старою.
При високих швидкостях, порівнянних зі швидкістю світла, наш вимір довжин або часу модифікується рухом тіла щодо спостерігача, зокрема маса тіла стає тим більше, чим швидше воно рухається.

Потім теорія відносності проголосила, що це збільшення маси носить абсолютно загальний характер. При звичайних швидкостях ніяких змін немає, і тільки при швидкості 100 000 000 км / год маса зростає на 1%. Однак для електронів і протонів, що вилітають з радіоактивних атомів або сучасних прискорювачів, воно досягає 10, 100, 1000% .... Досліди з такими високоенергетичними частинками чудово підтверджують співвідношення між масою і швидкістю.

На іншому краю знаходиться випромінювання, яке не має маси спокою. Це не речовина і його не можна утримати в спокої; воно просто має масу, і рухається зі швидкістю с, так що його енергія дорівнює mс2. Про кванти, ми говоримо як про фотонах, коли хочемо відзначити поведінку світла як потоку частинок. Кожен фотон має певну масу m, певну енергію Е = mс2 і кількість руху (імпульс).

ядерні перетворення

У деяких експериментах з ядрами маси атомів після бурхливих вибухів, складаючись, не дають ту ж саму повну масу. Звільнена енергія забирає з собою і якусь частину маси; здається, що відсутня частина атомного матеріалу зникла. Однак якщо ми припишемо виміряної енергії масу Е / с2, то виявимо, що маса зберігається.

анігіляція речовини

Ми звикли думати про масу як про неминучий властивості матерії, поетом перехід маси з речовини у випромінювання - від лампи до відлітають променю світла виглядає майже як знищення речовини. Ще один крок - і ми з подивом виявимо те, що відбувається насправді: позитивний і негативний електрони, частинки речовини, з'єднавшись разом, повністю перетворюються в випромінювання. Маса їх речовини перетворюється в рівну їй масу випромінювання. Це випадок зникнення речовини в самому буквальному сенсі. Як у фокусі, у спалаху світла.

Вимірювання показують, що (енергія, випромінювання при анігіляції) / с2 дорівнює повній масі обох електронів - позитивного і негативного. Антипротон, з'єднуючись з протоном, анігілює, зазвичай з викидом легших частинок з велику кінетичну енергію.

створення речовини

Зараз, коли ми навчилися розпоряджатися високоенергетичним випромінюванням (сверхкоротковолновимі рентгенівськими променями), ми можемо приготувати з випромінювання частинки речовини. Якщо такими променями бомбардувати мішень, вони дають іноді пару частинок, наприклад позитивний і негативний електрони. І якщо знову скористатися формулою m = Е / с2 як для випромінювання, так і для кінетичної енергії, то маса буде зберігатися.