Уравнения Максвелла — система дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное поле и его связь сэлектрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах.

Уравнения, сформулированные Джеймсом Клерком Максвеллом, возникли на основе ряда важных экспериментальных открытий, которые были сделаны в начале XIX века. В 1820 году Ганс Христиан Эрстед обнаружил, что пропускаемый через провод гальванический ток заставляет отклоняться магнитную стрелку компаса. Это открытие привлекло широкое внимание учёных того времени. В том же 1820 году Био и Савар экспериментально нашли выражение для порождаемой током магнитной индукции (закон Био-Савара), и Андре Мари Ампер обнаружил, что взаимодействие на расстоянии возникает также между двумя проводниками, по которым пропускается ток. Ампер ввёл термин «электродинамический» и выдвинул гипотезу, что природный магнетизм связан с существованием в магните круговых токов.

Влияние тока на магнит, обнаруженное Эрстедом, привело Майкла Фарадея к идее о том, что должно существовать обратное влияние магнита на токи. После длительных экспериментов, в 1831 году, Фарадей открыл, что перемещающийся возле проводника магнит порождает в проводнике электрический ток. Это явление было названо электромагнитной индукцией. Фарадей ввёл понятие «поля сил» — некоторой среды, находящейся между зарядамии токами. Его рассуждения носили качественный характер, однако они оказали огромное влияние на исследования Максвелла.

Основу теории Максвелла составляют четыре структурных уравнения, которые записываются в интегральной и дифференциальной формах. В интегральной форме они выражают соотношения для мысленно проведенных в ЭМП контуров и замкнутых поверхностей, а в дифференциальной – показывают, как связаны между собой характеристики ЭМП и плотности электрических зарядов и токов в каждой точке пространства.

Дифференциальная форма

Уравнения Максвелла представляют собой в векторной записи систему из четырех уравнений, сводящуюся в компонентном представлении к восьми (два векторных уравнения содержат по три компоненты каждое плюс два скалярных) линейных дифференциальных уравнений в частных производных 1-го порядка для 12 компонент четырёх векторных функций (  ):

Название   СИ Примерное словесное выражение
Закон Гаусса   Электрический заряд является источником электрической индукции.
Закон Гаусса для магнитного поля   Не существует магнитных зарядов.
Закон индукции Фарадея   Изменение магнитной индукции порождает вихревое электрическое поле.
Теорема о циркуляции магнитного поля   Электрический ток и изменение электрической индукции порождают вихревое магнитное поле

Жирным шрифтом в дальнейшем обозначаются векторные величины, курсивом — скалярные.

Введённые обозначения:

 — плотность стороннего электрического заряда (в единицах СИ — Кл/м³);

 — плотность электрического тока (плотность тока проводимости) (в единицах СИ — А/м²); в простейшем случае - случае тока, порождаемого одним типом носителей заряда, она выражается просто как  , где  — (средняя) скорость движения этих носителей в окрестности данной точки, ρ1 - плотность заряда этого типа носителей (она в общем случае не совпадает с ρ); в общем случае это выражение надо усреднить по разным типам носителей;

 — скорость света в вакууме (299 792 458 м/с);

 — напряжённость электрического поля (в единицах СИ — В/м);

 — напряжённость магнитного поля (в единицах СИ — А/м);

 — электрическая индукция (в единицах СИ — Кл/м²);

 — магнитная индукция (в единицах СИ — Тл = Вб/м² = кг•с−2•А−1);

 — дифференциальный оператор набла, при этом:

 означает ротор вектора,

 означает дивергенцию вектора.

 

Интегральная форма

При помощи формул Остроградского-Гаусса и Стокса дифференциальным уравнениям Максвелла можно придать форму интегральных уравнений:

Название   СИ Примерное словесное выражение
Закон Гаусса   Поток электрической индукции через замкнутую поверхность sпропорционален величине свободного заряда, находящегося в объёме v, который окружает поверхность s.
Закон Гаусса для магнитного поля   Поток магнитной индукции через замкнутую поверхность равен нулю (магнитные заряды не существуют).
Закон индукции Фарадея   Faradey  Изменение потока магнитной индукции, проходящего через незамкнутую поверхностьs, взятое с обратным знаком, пропорционально циркуляции электрического поля на замкнутом контуре l, который является границей поверхности s.
Теорема о циркуляции магнитного поля   Th circ  Полный электрический ток свободных зарядов и изменение потока электрической индукции через незамкнутую поверхность s, пропорциональны циркуляции магнитного поля на замкнутом контуре l, который является границей поверхности s.

Введённые обозначения:

 — двумерная замкнутая в случае теоремы Гаусса поверхность, ограничивающая объём  , и открытая поверхность в случае законов Фарадея и Ампера-Максвелла (её границей является замкнутый контур  ).

  — электрический заряд, заключённый в объёме  , ограниченном поверхностью  (в единицах СИ — Кл);

  — электрический ток, проходящий через поверхность  (в единицах СИ — А).

При интегрировании по замкнутой поверхности вектор элемента площади  направлен из объёма наружу. Ориентация  при интегрировании по незамкнутой поверхности определяется направлениемправого винта, «вкручивающегося» при повороте в направлении обхода контурного интеграла по  .

 

Полная система уравнений Максвелла для электромагнитных полей

Maxwell

Данные четыре структурных уравнения дополняются тремя материальными уравнениями, характеризующими свойства среды. Для изотропных несегнетоэлектрических и неферромагнитных сред материальные уравнения имеют вид, соответственно

Dop

Инфракрасное излучение

Инфракрасные лучи были обнаружены за пределами красной границы, между длинноволновым и коротковолновым участками этой части спектра. 

Излучение занимают диапазон частот 3·1011- 3,85·1014 Гц. Им соответствует длина волны 780 нм –1 мм.

31

 

Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году астрономом Уильямом Гершелем. Изучая повышение температуры термометра, нагреваемого видимым светом, Гершель обнаружил наибольшее нагревание термометра вне области видимого света (за красной областью). Расщепив солнечный свет призмой, Гершель поместил термометр сразу за красной полосой видимого спектра и показал, что температура повышается, а следовательно, на термометр воздействует световое излучение, не доступное человеческому взгляду. Невидимое излучение, учитывая его место в спектре, было названо инфракрасным.

685627main IMAGE3 beyond visible

Фридрих Вильгельм Гершель, 1738 - 1822гг. - английский астроном немецкого происхождения. Первое и наиболее важное открытие Гершеля — открытие планеты Уран —1781 г. Изготовил самый большой телескоп своего времени (свыше 12 метров).

Основная характеристика этих не видимых глазу лучей – сильная тепловая энергия: ее непрерывно излучают все нагретые тела.

Источником инфракрасного излучения является излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях. Мощный источник инфракрасного излучения – Солнце, около 50% его излучения лежит в инфракрасной области. На инфракрасное излучение приходится значительная доля (от 70 до 80 %) энергии излучения ламп накаливания с вольфрамовой нитью. Инфракрасное излучение испускает электрическая дуга и различные газоразрядные лампы. Излучения некоторых лазеров лежит в инфракрасной области спектра.

0004 007 Solntse  vozdejstvie infrakrasnogo izluchenija na organizm cheloveka

Индикаторами инфракрасного излучения являются фото и терморезисторы, специальные фотоэмульсии.

20140226193141 91427  3 

 

Инфракрасное излучение используют:

  • для сушки древесины, пищевых продуктов и различных лакокрасочных покрытий (инфракрасный нагрев),
  • для сигнализации при плохой видимости,
  • дает возможность применять оптические приборы, позволяющие видеть в темноте, а также при дистанционном управлении.
  • Инфракрасные лучи используются для наведения на цель снарядов и ракет, для обнаружения замаскированного противника.
  • Эти лучи позволяют определить различие температур отдельных участков поверхности планет, 
  • особенности строения молекул вещества (спектральный анализ).
  • Инфракрасная фотография применяется в биологии при изучении болезней растений,
  • в медицине при диагностике кожных и сосудистых заболеваний,
  • в криминалистике при обнаружении подделок. 

Положительное воздействие инфракрасного излучения проявляется в различных аспектах:

  • уничтожаются некоторые виды вирусов;
  • подавляется рост злокачественных образований;
  • у больных диабетом повышается выработка инсулина;
  • нейтрализуется результат воздействия вредных излучений, в частности, радиации и электромагнитных волн;
  • улучшается состояние при кожных и других болезнях.

Ультрафиолетовое излучение

Существование лучей за фиолетовой границей спектра было доказано в 1801 году немецким ученым Иоганном Риттером. Изучая почернение хлористого серебра под действием видимого света, Риттер обнаружил, что серебро чернеет еще более эффективно в области, находящейся за фиолетовым краем спектра, где видимое излучение отсутствует. . Диапазон ультрафиолетовых лучей, испускаемых Солнцем, составляет от 400 до 20 нм (8·1014   3·1016 Гц), однако до земной поверхности доходят только незначительная часть коротковолнового спектра – до 290 нм. 

УФ-излучение активно поглощается нуклеиновыми кислотами, следствием чего являются изменения важнейших показателей жизнедеятельности клеток – способности к росту и делению. Именно повреждение ДНК является главным компонентом механизма воздействия на организмы ультрафиолетовых лучей.
Основной орган нашего тела, на который действует ультрафиолетовое излучение – это кожа. Известно, что благодаря УФ-лучам запускается процесс образования витамина Д, который необходим для нормального усвоения кальция, а также синтезируются серотонин и мелатонин – важные гормоны, оказывающие влияние на суточные ритмы и настроение человека.

7 300x225

Источник ультрафиолетового излучения — валентные электроны атомов и молекул, также ускорено движущиеся свободные заряды. Излучение накаленных до температур - 3000 К твердых тел содержит заметную долю ультрафиолетового излучения непрерывного спектра, интенсивность которого растет с увеличением температуры. Более мощный источник ультрафиолетового излучения - любая высокотемпературная плазма. Для различных применений ультрафиолетового излучения используются ртутные, ксеноновые и др. газоразрядные лампы. Естественные источники ультрафиолетового излучения - Солнце, звезды, туманности и другие космические объекты. 

2104254

В малых дозах ультрафиолетовое излучение оказывает благотворное, оздоровительное влияние на человека, активизируя синтез витамина D в организме, а также вызывая загар. Большая доза ультрафиолетового излучения может вызвать ожог кожи и раковые новообразования (в 80 % излечимые). Кроме того, чрезмерное ультрафиолетовое излучение ослабляет иммунную систему организма, способствуя развитию некоторых заболеваний. Ультрафиолетовое излучение оказывает также бактерицидное действие: под действие этого излучения гибнут болезнетворные бактерии.

vozdeystvie

 

Ультрафиолетовое излучение применяется в люминесцентных лампах, в криминалистике (по снимкам обнаруживают подделки документов), в искусствоведении (спомощью ультрафиолетовых лучей можно обнаружить на картинах не видимые глазом следы реставрации). Практически не пропускает ультрафиолетовое излучение оконное стекло, т.к. его поглощает оксид железа, входящий в состав стекла. По этой причине даже в жаркий солнечный день нельзя загореть в комнате при закрытом окне. 

Рентгеновское излучение

В стеклянный сосуд впаивались два электрода, к ним подводилось высокое напряжение. То, что от таких трубок  распространяются какие-то лучи, подозревалось давно. В 1879 году опытным путем  Крукс доказал, что речь идет именно о лучах: крест, используемый в опытах, отбрасывал на стекло отчетливую тень.  В 1897 году Томсоном доказано, что лучи представляют собой поток электронов, определив отношение заряда к массе частицы.

1200px Roentgen Roehre

Рентген: «Вечером 8 ноября 1895 года я, как обычно, работал в своей лаборатории, занимаясь изучением катодных лучей. Около полуночи, почувствовав усталость, я собрался уходить. Окинув взглядом лабораторию, погасил свет и хотел было закрыть дверь, как вдруг заметил в темноте какое-то светящееся пятно. Оказывается, светился экран из синеродистого бария. Почему он светился? Солнце давно зашло, электрический свет не мог вызвать свечения, катодная трубка выключена, да и в добавок закрыта черным чехлом их картона. Я еще раз посмотрел на катодную трубку и упрекнул себя: оказывается, я забыл ее выключить. Нащупав рубильник, я выключил трубку. Исчезло и свечение экрана. Включил трубку вновь  и вновь появилось свечение. Значит свечение вызывает катодная трубка! Но каким образом?  Ведь катодные лучи задерживаются чехлом, да и воздушный метровый промежуток между трубкой и экраном для них является броней. Оправившись от минутного изумления, я начал изучать обнаруженное явление и новые лучи, названные  мной Х – лучами. С экраном в руках я начал двигаться по лаборатории. Оказывается, полтора – два метра для этих лучей не преграда. Они легко проникали через книгу, стекло, станиоль. Лучи, попавшие на фотопластинку, засветили ее. Они не расходились вокруг трубки сферически, а имели определенное направление».

1423772522 preview e51ebc44ad2687b26403b3131da782c9

В 1901 году Рентген стал первым Нобелевским лауреатом. Х-лучи были названы рентгеновскими. Обнаружение дифракции рентгеновских лучей позволило оценить длину волны: λ≈10-8 см. В современных условиях для получения рентгеновских лучей созданы специальные рентгеновские трубки, на которые подается высокое напряжение, порядка 50-200 кВ. Электроны, испускаемые накаленным катодом рентгеновской трубки, ускоряются сильным электрическим полем в пространстве между анодом и катодом и с большой скоростью ударяются об анод.

Спектры тормозного рентгеновского излучения

0072 007

Причина возникновения излучения:  Вокруг летящих электронов существует магнитное поле, поскольку движение электронов представляет собой электрический ток. При резком торможении электрона в момент удара о препятствие магнитное поле электрона быстро изменяется и в пространство излучается электромагнитная волна.

Рентгеновское излучение относится к радиационному. Различные рентгеновские аппараты используются в медицинских учреждениях.  

При флюорографии грудной клетки, то действие излучения приведет к одномоментной дозе 370 мбэр. Еще больше даст рентгенография зуба – 3 бэр. Если задумали рентгеноскопию желудка, то вас ждет 30 бэр местного облучения. Дозы эти очень небольшие, организм человека успевает за короткий срок как бы залечить незначительные радиационные поражения и восстановить свое первоначальное состояние. Источником излучения являются экран компьютера, телевизора. Если смотреть передачи в течение года ежедневно по 3 часа, то это приведет к облучению дозой 0,1 мбэр.

5Sidasij celovek

Дифракция рентгеновских лучей

Впервые дифракцию рентгеновских лучей наблюдали в 1913 г. Лауэр, Фридрих и Книппинг. Они рассматривали дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах. В кристаллах выполняется условие, при котором период дифракционной решетки больше длины рентгеновского излучения.

Дифракция рентгеновских лучей от кристаллов используется для изучения состава спектра рентгеновского излучения (рентгеновская спектроскопия) и при исследовании кристаллических структур (рентгеноструктурный анализ).

Находя направления максимумов, которые получаются при дифракции рассматриваемого рентгеновского излучения от кристаллов, структура которых известна, находя длины волн. Проще всего для нахождения длин волн использовать кристаллы кубической системы. Межплоскостные расстояния при этом находят из плотности и относительной молекулярной массы кристалла.

1383 html 14d18725

RIXS

imgj6vbo 8

arrow left                                     arrow right

Ядерные реакции между легкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах (107- 108 К), называются термоядерными реакциями. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой. В этих реакциях ядрам, испытывающим взаимное кулоновское отталкивание, удается, преодолев соответствующий электростатический барьер, сблизиться на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил притяжения и совершить ту или иную экзоэнергетическую (т. е. сопровождающуюся выделением энергии) ядерную перестройку. 

 animated d t fusion

Под «выделением энергии» подразумевается выделение в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, равной увеличению суммарной энергии связи. Таким образом, относительно рыхлые ядра перестраиваются в более прочно связанные, а поскольку ядра с наибольшей энергией связи на один нуклон находятся в средней части периодической системы Менделеева, то наиболее типичным механизмом экзоэнергетической реакции является слияние (синтез) легчайших ядер в более тяжелые. 

0017 001

Ниже приведены несколько основных реакций слияния ядер и указаны для них значения энерговыделения Q. d означает дейтрон − ядро 2Н, t означает тритон − ядро 3Н.

d + d → 3He + n + 4.0 МэВ,

d + d → t + p + 3.25 МэВ,

t + d → 4He + n + 17.6 МэВ,

3He + d → 4He + p + 18.3 МэВ.

fision nuclear gif 1

Термоядерные реакции во Вселенной

Термоядерные реакции в звездах являются основным источником энергии звезд и механизмом образования ядер химических элементов. Для нормальных звезд главным процессом является сгорание водорода и превращение его в гелий. Четыре протона через цепочку ядерных реакций превращаются в ядро гелия , два позитрона и два нейтрино c выделением энергии Q = 26, 73 МэB. Этот результат получается в водородном цикле (p,p) и в углеродно-азотном цикле (C,N):

000021    m1604f3dc

Самоподдерживающиеся термоядерные реакции являются эффективным источником ядерной энергии. Однако осуществить их на Земле сложно, так как для этого нужно удерживать высокие концентрации ядер при огромных температурах. Необходимые условия для протекания самоподдерживающихся термоядерных реакций имеются в звёздах, где они являются главным источником энергии. Так внутри Солнца, где находятся ядра водорода при плотности ≈100 г/см3 и температуре 107 К, идёт цепочка термоядерных реакций превращения четырёх протонов (ядер водорода) в ядро гелия-4 (4Не). При каждом таком превращении выделяется энергия 26.7 МэВ. 

Углеродно-азотный цикл – последовательность термоядерных реакций в звездах с участием катализаторов, приводящая к образованию гелия из водорода. 

1200px CNO Cycle sv.svg

Для звезд-гигантов с плотными, выгоревшими (по содержанию H) ядрами существенны гелиевый и неоновый циклы термоядерных реакций. Они протекают при значительно более высоких температурах и плотностях, чем PP–CN-циклы. Основной реакцией гелиевого цикла, идущей начиная с T ≈ 200 млн. К, является т. н. процесс Солпитера (3α-реакция):

(процесс двухступенчатый, идущий через промежуточное ядро 8Be).

Далее могут следовать реакции: ,

;

в этом состоит один из механизмов нуклеосинтеза – создание химических элементов.

Если продукты реакции гелиевого цикла вступят в контакт с Н, то осуществляется неоновый (Ne – Na) цикл, в котором ядро 20Ne играет роль катализатора для процесса сгорания Н в Не. Последовательность реакций здесь вполне аналогична CN-циклу, только ядра 12C, 13N, 13C, 14N, 15O, 15N заменяются соответствующими ядрами 20Ne, 21Na, 21Ne, 22Na, 23Mg, 23Na. Мощность этого цикла как источника энергии невелика. Но он, по-видимому, имеет большое значение для нуклеосинтеза, т. к. одно из промежуточных ядер цикла (21Ne) может служить источником нейтронов:(аналогичную роль может играть и ядро13C, участвующее в CN-цикле). Последующий «цепной» захват нейтронов, чередующийся с процессами β-распада, является механизмом синтеза все более тяжелых ядер.

1514375027190272319

На Земле самоподдерживающиеся термоядерные реакции с выделением огромной энергии осуществлялись в течение очень короткого времени (10-7–10-6 сек) при взрывах водородных бомб. Одной из основных термоядерных реакций, обеспечивающих энерговыделение при таких взрывах, является реакция слияния двух тяжёлых изотопов водорода (дейтерия и трития) в ядро гелия с испусканием нейтрона:

2Н + 3Н -----> 4Не + n.

При этом освобождается энергия 17.6 МэВ.
В настоящее время ведутся работы по созданию термоядерного реактора, где ядерную энергию в промышленных масштабах предполагается получать за счёт управляемого термоядерного синтеза.

Устройство для проведения термоядерных реакций – термоядерный реактор – находится в стадии разработки. Основное требование, которому должен удовлетворять реактор, заключается в том, чтобы энерговыделение в результате термоядерных реакций с избытком компенсировало затраты энергии от внешних источников на поддержание реакции.

Типы термоядерных реакторов

К первому относятся реакторы, которым энергия от внешних источников необходима только для зажигания термоядерной реакции. Далее реакция поддерживается за счет выделяющейся в плазме энергии. Например, в дейтерий-тритиевой смеси на поддержание высокой температуры (Т ≈ 8 кэВ или 108 К) расходуется энергия α-частиц (3,52 МэВ), образующихся в ходе реакций при их кулоновском торможении в плазме.

К другому типу реакторов относятся те, в которых для поддержания горения реакций недостаточно энергии, выделяющейся в плазме в виде заряженных продуктов реакции, а необходима энергия от внешних источников. Такие реакторы принято называть реакторами с поддержанием горения термоядерных реакций. Это происходит в тех реакторах, где велики энергетические потери, например открытая магнитная ловушка.

Конструкции реакторов

1. Квазистационарные системы. Нагрев и удержание плазмы осуществляется магнитным полем при относительно низком давлении и высокой температуре. Для этого применяются реакторы в виде токамаков, стеллараторов (торсатронов) и зеркальных ловушек, которые отличаются конфигурацией магнитого поля. Реактор ITER имеет конфигурацию токамака.

Квазисимметричный стелларатор (токамак)

stella  6


2. Импульсные системы. В таких системах УТС осуществляется путем кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий, сверхмощными лазерными или ионными импульсами. Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов.
Исследования первого вида термоядерных реакторов существенно более развиты, чем второго. В ядерной физике, при исследованиях термоядерного синтеза, для удержания плазмы в некотором объёме используется магнитная ловушка. Магнитная ловушка призвана удерживать плазму от контакта с элементами термоядерного реактора, т.е. используется в первую очередь как теплоизолятор. Принцип удержания основан на взаимодействии заряженных частиц с магнитным полем, а именно на вращении заряженных частиц вокруг силовых линий магнитного поля. К сожалению, замагниченная плазма очень не стабильна и стремится покинуть магнитное поле. Поэтому для создания эффективной магнитной ловушки используются самые сверхмощныме электромагниты, потребляющее огромное количество энерги

arrow left                                     arrow right

Радиоактивные изотопы широко используются в самых различных областях науки и техники.

Элементы, не существующие в природе. С помощью ядерных реакций можно получить радиоактивные изотопы всех химических элементов, встречающихся в природе только в стабильном состоянии. Элементы под номерами 43, 61, 85 и 87 вообще не имеют стабильных изотопов и впервые получены искусственно. Так, например, элемент с порядковым номером Z - 43, названный технецием, имеет самый долгоживущий изотоп с периодом полураспада около миллиона лет.

С помощью ядерных реакций получены также трансурановые элементы. О нептунии и плутонии вы уже знаете. Кроме них, получены еще следующие элементы: америций (Z = 95), кюрий (Z = 96), берклий (Z = 97), калифорний (Z = 98), эйнштейний (Z = 99), фермий (Z = 100), менделевий (Z = 101), нобелий (Z = 102), лоуренсий (Z = 103), ре-зерфордий (Z = 104), дубний (Z = 105), сиборгий (Z = 106), борий (Z = 107), хассий (Z = 108), мейтнерий (Z = 109), а также элементы под номерами 110, 111 и 112, не имеющие пока общепризнанных названий. Элементы, начиная с номера 104, впервые синтезированы либо в подмосковной Дубне, либо в Германии.

5841838a2ab2a246938435

Меченые атомы. В настоящее время как в науке, так и в производстве все более широко используются радиоактивные изотопы различных химических элементов. Наибольшее применение имеет метод меченых атомов.

Метод основан на том, что химические свойства радиоактивных изотопов не отличаются от свойств нерадиоактивных изотопов тех же элементов.

Обнаружить радиоактивные изотопы можно очень просто — по их излучению. Радиоактивность является своеобразной меткой, с помощью которой можно проследить за поведением элемента при различных химических реакциях и физических превращениях веществ. Метод меченых атомов стал одним из наиболее действенных методов при решении многочисленных проблем биологии, физиологии, медицины и т. д.

PET scanning illustraton 05 2 NoLogo

Радиоактивные изотопы — источники излучений. Радиоактивные изотопы широко применяются в науке, медицине и технике как компактные источники γ-лучей. Главным образом используется радиоактивный кобальт 2760Co.

Получение радиоактивных изотопов. Получают радиоактивные изотопы в атомных реакторах и на ускорителях элементарных частиц. В настоящее время производством изотопов занята большая отрасль промышленности.

8832f8a3888b5221f96e1ec96ac1ae1f

0 8 0MvxoVZTBwaEDF

Радиоактивные изотопы в биологии и медицине. Одним из наиболее выдающихся исследований, проведенных с помощью меченых атомов, явилось исследование обмена веществ в организмах. Было доказано, что за сравнительно небольшое время организм подвергается почти полному обновлению. Слагающие его атомы заменяются новыми.

Лишь железо, как показали опыты по изотопному исследованию крови, является исключением из этого правила. Железо входит в состав гемоглобина красных кровяных шариков. При введении в пищу радиоактивных атомов железа 2659Fe было обнаружено, что они почти не поступают в кровь. Только в том случае, когда запасы железа в организме иссякают, железо начинает усваиваться организмом.

Если не существует достаточно долго живущих радиоактивных изотопов, как, например, у кислорода и азота, меняют изотопный состав стабильных элементов. Так, добавлением к кислороду избытка изотопа 818O было установлено, что свободный кислород, выделяюнщйся при фотосинтезе, первоначально входил в состав воды, а не углекислого газа.

169697 original

Радиоактивные изотопы применяются в медицине как для постановки диагноза, так и для терапевтических целей.

Радиоактивный натрий, вводимый в небольших количествах в кровь, используется для исследования кровообращения.

Иод интенсивно отлагается в щитовидной железе, особенно при базедовой болезни. Наблюдая с помощью счетчика за отложением радиоактивного иода, можно быстро поставить диагноз. Большие дозы радиоактивного иода вызывают частичное разрушение аномально развивающихся тканей, и поэтому радиоактивный иод используют для лечения базедовой болезни.

Интенсивное 7.02-40.jpg-излучение кобальта используется при лечении раковых заболеваний (кобальтовая пушка).

9714648415

Радиоактивные изотопы в промышленности. Не менее обширна область применения радиоактивных изотопов в промышленности. Одним из примеров может служить способ контроля износа поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания. Облучая поршневое кольцо нейтронами, вызывают в нем ядерные реакции и делают его радиоактивным. При работе двигателя частички материала кольца попадают в смазочное масло. Исследуя уровень радиоактивности масла после определенного времени работы двигателя, определяют износ кольца.

Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии металлов, процессах в доменных печах и т. д. Мощное γ-излучение радиоактивных препаратов используют для исследования внутренней структуры металлических отливок с целью обнаружения в них дефектов.

Радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Облучение семян растений (хлопчатника, капусты, редиса и др.) небольшими дозами γ-лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному повышению урожайности.

Большие дозы радиации вызывают мутации у растений и микроорганизмов, что в отдельных случаях приводит к появлению мутантов с новыми ценными свойствами (радиоселекция). Так выведены ценные сорта пшеницы, фасоли и других культур, а также получены высокопродуктивные микроорганизмы, применяемые в производстве антибиотиков. Гамма-излучение радиоактивных изотопов используется также для борьбы с вредными насекомыми и для консервации пищевых продуктов.

Широкое применение получили меченые атомы в агротехнике. Например, чтобы выяснить, какое из фосфорных удобрений лучше усваивается растением, помечают различные удобрения радиоактивным фосфором ЦР. Исследуя за тем растения на радиоактивность, можно определить количество усвоенного ими фосфора из разных сортов удобрения.

41d3110cffa3ca64ef63

Радиоактивные изотопы в археологии. Интересное применение для определения возраста древних предметов органического происхождения (дерева, древесного угля, тканей и т. д.) получил метод радиоактивного углерода. В растениях всегда имеется β-радиоактивный изотоп углерода 614C с периодом полураспада Т = 5700 лет. Он образуется в атмосфере Земли в небольшом количестве из азота под действием нейтронов. Последние же возникают за счет ядерных реакций, вызванных быстрыми частицами, которые поступают в атмосферу из космоса (космические лучи).

Соединяясь с кислородом, этот изотоп углерода образует углекислый газ, поглощаемый растениями, а через них и животными. Один грамм углерода из образцов молодого леса испускает около пятнадцати β-частиц в секунду.

После гибели организма пополнение его радиоактивным углеродом прекращается. Имеющееся же количество этого изотопа убывает за счет радиоактивности. Определяя процентное содержание радиоактивного углерода в органических остатках, можно определить их возраст, если он лежит в пределах от 1000 до 50 000 и даже до 100 000 лет. Таким методом узнают возраст египетских мумий, остатков доисторических костров и т. д.

img1 

 

arrow left                                     arrow right

В отличие от радиоактивного распада ядер, сопровождающегося испусканием α- или β-частиц, реакции деления – это процесс, при котором нестабильное ядро делится на два крупных фрагмента сравнимых масс.

В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана. Продолжая исследования, начатые Ферми, они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы – радиоактивные изотопы бария (Z = 56), криптона (Z = 36) и др.

Уран встречается в природе в виде двух изотопов:  (99,3 %) и  (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка.

u235

При этом реакция деления  наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра  вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ.

Uranium 235 fission products yields log scale

Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы так называемый коэффициент размножения нейтронов  k был больше единицы. Коэффициент размножения нейтронов k — отношение числа нейтронов последующего поколения к числу нейтронов в предшествующем поколении во всём объеме размножающей нейтронной среды (активной зоны ядерного реактора). 

kneitr

difference between nuclear fission and fusion reaction

Другими словами, в каждом последующем поколении нейтронов должно быть больше, чем в предыдущем.

 

При коэффициенте размножения К = 1 число делящихся ядер поддерживается на постоянном уровне. Такой режим обеспечивается в ядерных реакторах.

Если масса ядерного топлива меньше критической массы, то коэффициент размножения К < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Если же масса ядерного топлива больше критической, то коэффициент размножения К > 1 и каждое новое поколение нейтронов вызывает все большее число делений. Цепная реакция лавинообразно нарастает и имеет характер взрыва, сопровождающегося огромным выделением энергии и повышением температуры окружающей среды до нескольких миллионов градусов. Цепная реакция такого рода происходит при взрыве атомной бомбы.

 

Коэффициент размножения определяется не только числом нейтронов, образующихся в каждом элементарном акте, но и условиями, в которых протекает реакция – часть нейтронов может поглощаться другими ядрами или выходить из зоны реакции. Нейтроны, освободившиеся при делении ядер урана-235, способны вызвать деление лишь ядер этого же урана, на долю которого в природном уране приходится всего лишь 0,7 %. Такая концентрация оказывается недостаточной для начала цепной реакции. Изотоп  также может поглощать нейтроны, но при этом не возникает цепной реакции.

Цепная реакция в уране с повышенным содержанием урана-235 может развиваться только тогда, когда масса урана превосходит так называемую критическую массу. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу. Для чистого урана-235 критическая масса составляет около 50 кг.

1331246

Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода D2O. Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.

Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей.

Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу до 250 г.

В атомных бомбах цепная неуправляемая ядерная реакция возникает при быстром соединении двух кусков урана-235, каждый из которых имеет массу несколько ниже критической.

Устройство, в котором поддерживается управляемая реакция деления ядер, называется ядерным (или атомным) реактором.
 

Ядерный (атомный) реактор - устройство, в активной зоне которого осуществляется контролируемая самоподдерживающаяся цепная реакция деления ядер некоторых тяжелых элементов под действием нейтронов. 

PWR

Основными элементами атомного энергетического реактора являются активная зона, отражатель нейтронов, окружающий активную зону, стержни-поглотители нейтронов, обеспечивающие управление реактором (поддержание энергии на нужном уровне и обеспечение раномерности ее распределения по объему реактора) и аварийную защиту, биологическая защита реактора. Реактор заключен в герметичный металлический корпус (здесь же находится теплообменник). Активная зона реактора содержит в себе ядерное горючее (в реакторах на тепловых нейтронах активная зона содержит также замедлитель нейтронов и некоторые другие компоненты). В ней протекает управляемая цепная ядерная реакция и выделяется энергия деления (в основном – в виде тепловой). Выделенная энергия отводится с помощью теплоносителя. При необходимости, тепловая энергия превращается в электрическую либо с помощью тепловых преобразователей, вмонтированных непосредственно в реактор, или с помощью специального теплоносителя, уносящего тепло к внешнему электрогенератору.

nuclear3

arrow left                                     arrow right