Международное агентство по атомной энергии при ООН (МАГАТЭ) выдало рекомендацию на сброс радиоактивных отходов низкой и средней активности в северо-восточной части Атлантического океана. В 1976 в океан было сброшено контейнерами почти 40000 т отходов, содержащих около 240000 кюри (b — g-активности. Однако такой метод захоронения радиоактивных отходов в глубинах морей и океанов вызывает возражения среди учёных ряда стран.
Одна из важнейших проблем Я. э. — проблема выработки энергии с помощью управляемого термоядерного синтеза. При создании термоядерного энергетического реактора можно надеяться на решение всех проблем Я. э. без необходимости собирать высокоактивные отходы и искать пути и способы надёжного их захоронения. К 1977 уже на нескольких термоядерных установках получены нейтроны термоядерного происхождения. Наиболее совершенной установкой в настоящее время является система Токамак , разработанная в 50-х гг. в институте атомной энергии им. И. В. Курчатова (Москва). В 1975 там же была пущена крупнейшая в мире термоядерная установка Токамак-10. Система Токамак получила признание в ряде ведущих стран мира. Так, в США в Принстонском университете создана установка «Принстонский большой Токамак» (PLT); во Франции, в ядерном центре Фонтене-о-Роз — установка «Токамак Фонтене Роз» (TFR). Осуществление регулируемого термоядерного синтеза, получение практически неисчерпаемого источника энергии на термоядерных электростанциях — крупнейшая проблема ядерной физики, задача огромного масштаба, которую ныне решают учёные различных специальностей во многих странах мира.
Лит.: Александров А. П., Атомная энергетика и научно-технический прогресс, в сборнике: Атомной энергетике XX лет, М., 1974; Маргулова Т. Х., Атомные электрические станции, 2 изд., М., 1974; Петросьянц А. М., Современные проблемы атомной науки и техники в СССР, 3 изд., М., 1976.
А. М. Петросьянц.
Ядерная энергия
Я'дерная эне'ргия , атомная энергия, внутренняя энергия атомного ядра, выделяющаяся при ядерных реакциях . Энергия, которую необходимо затратить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны, называется энергией связи ядра xсв . Следовательно, энергия связи — максимальная Я. э. Энергия связи, рассчитанная на один нуклон, называется удельной энергией ев я з и xсв /А (А — массовое число ). Энергия связи ядра складывается из энергии притяжения нуклонов друг к другу под действием ядерных сил и энергии взаимного отталкивания протонов под действием электростатических сил. Каждый нуклон сильно взаимодействует лишь с небольшим числом соседних. Поэтому уже начиная с 4 He удельная энергия связи слабо растет с увеличением А. Максимум достигается в области Fe (А = 56), после чего идёт спад (см. рис. ). Такой ход зависимости объясняется тем, что часть нуклонов находится на периферии ядра, и для них притяжение к остальным нуклонам является более слабым. В лёгких ядрах число таких нуклонов относительно велико. В результате уменьшения роли периферийных нуклонов с увеличением А значение xсв /А растёт. В тяжёлых ядрах xсв /А с ростом А убывает, т. к. энергия притяжения растет с увеличением А линейно, а энергия электростатического отталкивания протонов растет пропорционально квадрату числа протонов Z2 . Т. о., экзотермическими являются реакции ядерного синтеза (образование лёгких ядер из легчайших), реакции расщепления тяжёлых ядер (деление ядер на более мелкие осколки, см. Ядра атомного деление ) и спонтанный альфа-распад. При т. н. магических значениях Z и N (число нейтронов в ядре) зависимость xсв /А от А имеет небольшие максимумы, связанные с наличием в ядре замкнутых оболочек (см. Ядро атомное , Магические ядра ).
Из-за электростатического отталкивания протонов реакции ядерного синтеза могут развиваться, если кинетическая энергия ядер велика, т. е. при высоких температурах среды (см. Термоядерные реакции ). Реакции ядерного синтеза являются источником звёздной энергии. Реакции так называемого водородного цикла в звёздах протекают с образованием 4 He и выделением энергии ~7 Мэв/нуклон (1,8(108 квт (ч/кг ). В земных условиях осуществлены 2 термоядерные реакции: слияние 2 дейтронов, сопровождающееся выделением энергии 1 Мэв/нуклон, и синтез дейтрона и тритона, при котором выделяется 3,5 Мэв/нуклон.
В реакции деления 235 U под действием нейтронов выделяется около 214 Мэв в 1 акте деления (для изотопов Pu на 4—5% больше). Из них около 12 Мэв уносит в мировое пространство нейтрино . Т. о., реально выделяющаяся Я. э. составляет 0,85 Мэв/нуклон, или 2,2·108 квт ·ч/кг. Это в 2·106 раз превосходит энергию, выделяющуюся при сгорании 1 кг нефти. Пока в качестве промышленного источника Я. э. используются только реакции деления ядер.
Лит. см, при ст. Ядро атомное .
А. М. Петросьянц
Зависимость удельной энергии связи ядер от числа нуклонов.
Ядерного ущерба возмещение
Я'дерного уще'рба возмеще'ние конвенция, см. Венская конвенция 1963 .
Ядерное горючее
Я'дерное горю'чее , делящееся вещество, нуклиды, которые входят в состав ядерного топлива и обеспечивают цепную реакцию деления ядер.
Ядерное оружие
Я'дерное ору'жие , оружие, в котором средством поражения является ядерный заряд; представляет собой комплекс, включающий ядерный боеприпас , средство доставки его к цели (ракета, торпеда, самолёт, артиллерийский выстрел ), а также различные средства управления, обеспечивающие попадание боеприпаса в цель. Различают собственно ядерное и термоядерное оружие. Действие Я. о. основано на использовании поражающих факторов ядерного взрыва .
Я. о., как оружие массового поражения, предназначается для разрушения в короткие сроки административных центров, промышленных и военных объектов, уничтожения группировок войск, сил флота, создания зон массовых разрушений, затоплений, пожаров и радиоактивного заражения среды. Я. о. оказывает на людей сильное моральное и психологическое воздействие. Мощность ядерного боеприпаса оценивается тротиловым эквивалентом . Современные ядерные боеприпасы имеют тротиловый эквивалент от нескольких десятков т до нескольких десятков млн. т тротила. В литературе часто мощность Я. о. выражают просто в килотоннах (кт ) и мегатоннах (Мт ), опуская слова «тротиловый эквивалент».
Я. о. могут применять все виды вооруженных сил. Исходя из предназначения Я. о., мощности зарядов, боевых возможностей средств, используемых для доставки ядерных боеприпасов к цели, его принято делить на стратегическое (для поражения важных стратегических объектов в глубоком тылу; состоит в распоряжении высшего военно-политического руководства государства); оперативно-тактическое (для поражения различных объектов в оперативно-тактической глубине) и тактическое (для поражения войск, боевой техники, тыловых и других объектов, расположенных в тактической зоне).
При применении Я. о. могут наноситься одиночные, групповые или массированные ядерные удары: одиночный и групповой — для поражения одной цели или группы целей соответственно одним или несколькими ядерными боеприпасами; массированный — по большой группе объектов (целей), по одной крупной или нескольким отдельно расположенным группировкам войск (сил флота) большим количеством ядерных боеприпасов.
При взрыве ядерного боеприпаса возникает ряд поражающих факторов: ударная волна, световое излучение, проникающая радиация, радиоактивное заражение и электромагнитный импульс. Ударная волна воздействует на все встречающиеся на её пути объекты. Так, например, при воздушном взрыве ядерного боеприпаса с тротиловым эквивалентом 100 кт ударная волна приводит к гибели людей, находящихся вне укрытий, на удалении до 1,6 км от эпицентра взрыва, и полностью разрушает многоэтажные каменные здания в радиусе до 4,5 км. Световое излучение при взрыве вызывает оплавление, обугливание, деформацию и воспламенение различных материалов. Живые ткани получают ожоги различной степени тяжести. При воздушном взрыве ядерного боеприпаса с тротиловым эквивалентом 100 кт люди, находящиеся вне укрытий, поражаются световым излучением в радиусе: 1,4 км — смертельно; 3,5 км — получают ожоги тяжёлой степени; 3,8 км — средней степени; до 5 км — лёгкой степени (выход из строя); пожары возникают в радиусе до 7 км. Проникающая радиация (поток гамма-излучений и нейтронов при ядерном взрыве; действие продолжается 10—15 сек ) приводит к возникновению лучевой болезни . При наземном взрыве ядерного боеприпаса с тротиловым эквивалентом 100 кт люди, расположенные вне укрытий, поражаются проникающей радиацией в радиусе: до 1 км — смертельно; 1,7 км — получают ожоги тяжёлой степени; 1,9 км— средней степени; до 2 км — лёгкой степени. Радиоактивное заражение местности и находящихся на ней объектов происходит в результате выпадения радиоактивных веществ из облака ядерного взрыва и наведённой радиации, обусловленной образованием радиоактивных изотопов в окружающей среде под воздействием мгновенного нейтронного и гамма-излучений ядерного взрыва; поражает людей и животных главным образом в результате внешнего облучения, действие которого подобно действию проникающей радиации. Электромагнитный импульс (кратковременные электрические и магнитные поля, возникающие при ядерных взрывах) воздействует на антенны, провода, кабельные линии и средства связи, в которых наводятся электрические напряжения, приводящие к пробою изоляции, повреждению входных элементов аппаратуры, выгоранию плавких вставок. Конструктивные особенности ядерных зарядов могут сильно влиять на соотношение поражающих факторов. Так, могут быть созданы заряды с резко увеличенным выходом нейтронного излучения («нейтронные»).
Создание Я. о. связано с развитием ядерной физики в 20 в. В начале 40-х гг. 20 в. группой учёных в США были разработаны физические принципы осуществления ядерного взрыва. Первый взрыв произведён на испытательном полигоне в Аламогордо 16 июля 1945. В августе 1945 2 атомные бомбы мощностью около 20 кт каждая были сброшены на японские города Хиросима (6 августа) и Нагасаки (9 августа). Взрывы бомб вызвали огромные жертвы (Хиросима — свыше 140 тыс. человек, Нагасаки — около 75 тыс. человек) среди гражданского населения и причинили колоссальные разрушения. Применение Я. о. не вызывалось военной необходимостью. Правящие круги США преследовали политические цели — продемонстрировать свою силу для устрашения свободолюбивых народов, запугать Советский Союз. Вскоре Я. о. было создано в СССР группой учёных во главе с академиком И. В. Курчатовым. В 1947 Советское правительство заявило, что для СССР больше нет секрета атомной бомбы. В августе 1949 в СССР было проведено испытание первой атомной бомбы. Потеряв монополию на Я. о., США усилили начатые ещё в 1942 работы по созданию термоядерного оружия. 1 ноября 1952 в США было взорвано термоядерное устройство мощностью 3 Мт . Термоядерный боеприпас в виде авиационной бомбы в США был испытан в 1954. В СССР термоядерная бомба впервые испытана 12 августа 1953.
К середине 50-х гг. в СССР и США были построены и приняты на вооружение носители ядерных боеприпасов различных классов и типов (в том числе ракеты), которые способны, в зависимости от предназначения, доставлять ядерные боеприпасы на различные расстояния. В 60-х гг. Я. о. было внедрено во все виды вооруженных сил и оказало решающее влияние на организационную структуру войск и сил флота, привело к изменению взглядов на способы ведения боя, операции и войны в целом, на применение др. средств поражения. В 1960 в СССР был создан особый вид Вооруженных Сил — Ракетные войска стратегического назначения.
Кроме СССР и США, ядерные боеприпасы были созданы и испытаны: в Великобритании 30 октября 1952, во Франции 13 февраля 1960, в Китае 16 октября 1964; термоядерные боеприпасы (соответственно): в Великобритании 15 мая 1957, во Франции 28 августа 1968, в Китае 17 июня 1967. К 1977 Я. о. имеется в вооруженных силах СССР, США, Франции, Великобритании и Китая. В научно-техническом отношении к производству Я. о. готовы свыше 30 капиталистических стран.
Наиболее разнообразное и совершенное Я. о. в СССР и США. В США (1975) насчитывалось свыше 30 тыс. единиц ядерных боеприпасов (в том числе 8 тыс. стратегических и 22 тыс. тактических, состоящих на вооружении ВВС, ВМС и Сухопутных войск). Для их доставки к целям имеется много различных носителей, которые находятся в постоянной боевой готовности. К началу 1976 только в составе стратегических наступательных сил США имелось: 1054 межконтинентальные баллистические ракеты (МБР) «Титан-2», «Минитмен-2», «Минитмен-3» с ядерными боеголовками, свыше 400 самолётов В-52 и В-111 стратегической авиации, способных нести ядерные бомбы и крылатые ракеты с ядерными зарядами, и 41 атомная подводная лодка, вооружённая ракетами «Поларис А-3» и «Посейдон» с ядерными боеголовками. В 1976 Великобритания имела 64 ядерные МБР «Поларис» (на 4 атомных подводных лодках), ядерные авиационные бомбы и оперативно-тактические ракеты американского производства; Франция — 48 баллистических ракет, установленных на 3 подводных лодках, 27 баллистических ракет средней дальности наземного базирования, ядерные бомбы и тактические ракеты; Китай (по иностранным данным) имел свыше 100 баллистических ракет с радиусом действия 1600—1800 км , около 50 с радиусом действия 2,5—4 тыс. км , оснащенных ядерными боеголовками, а также ядерные авиационные бомбы.
С конца 60-х гг. основная тенденции развития Я. о. в США и других капиталистических странах — увеличение числа ядерных боеприпасов, доставляемых к целям одним носителем и повышение их удельной мощности, применение систем наведения, обеспечивающих высокую точность ударов по намеченным целям, и повышение возможностей преодоления противоракетной обороны. Боеголовки ракет стратегического назначения в ядерном снаряжении могут снабжаться автоматическими двигательными установками и системами самонаведения, обеспечивающими корректировку полёта и маневрирование боеголовок до момента встречи их с целями.
Я. о. — огромная угроза всему человечеству. Так, по расчётам американских специалистов, взрыв термоядерного заряда мощностью 20 Мт может сравнять с землёй все жилые дома в радиусе до 24 км и уничтожить всё живое на расстоянии до 140 км от его эпицентра.
Учитывая накопленные запасы Я. о. и его огромную разрушительную силу, специалисты считают, что мировая война с применением Я. о. означала бы гибель сотен млн. людей, превращение в руины сокровищ мировой цивилизации и культуры. Опасность, связанная с применением атомной энергии в военных целях, вызвала мощное движение народов за запрещение Я. о.
В развитие решений 24-го и 25-го съездов КПСС СССР выдвинул предложения о ядерном разоружении всех государств, обладающих Я. о., и о созыве в этих целях конференции пяти ядерных держав, а также предложение о том, чтобы договориться об одновременном прекращении всеми государствами производства Я. о. СССР и другие социалистические страны сыграли ведущую роль в заключении международных договоров и соглашений, направленных на запрещение Я. о., в принятии конвенций, создающих серьёзную основу для формирования конвенционной нормы, запрещающей Я. о.
Важными вехами на пути международно-правового запрета Я. о. являются Договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, в космическом пространстве и под водой (1963); Договор о принципах деятельности государств по исследованию и использованию космического пространства, включая Луну и другие небесные тела (1967); Договор о нераспространении ядерного оружия (1968); Договор о запрещении размещения на дне морей и океанов и в его недрах ядерного оружия и других видов оружия массового уничтожения (1971) (см. Договор о морском дне ). Важное значение имеет Резолюция ООН «О неприменении силы в международных отношениях и запрещении навечно применения ядерного оружия» (1972).
Большое значение имеют заключённые СССР и США Соглашение о мерах по уменьшению опасности возникновения ядерной войны (1971), предусматривающее предупреждение случайного или несанкционированного применения Я. о., Договор об ограничении систем противоракетной обороны и Временное соглашение о некоторых мерах в области ограничения стратегических наступательных вооружений (1972); Соглашение о предотвращении ядерной войны (1973), а также подписанные, но не вступившие в силу Договор об ограничении подземных испытаний Я. о. (1974), который предусматривает обязательство СССР и США с 31 марта 1976 не производить подземных испытаний Я. о. мощностью св. 150 кт ; Договор о подземных ядерных взрывах в мирных целях (1976). СССР имеет также договорённость с Францией о предупреждении случайного и несанкционированного применения Я. о. (1976) и соглашение с Великобританией о предотвращении случайного возникновения ядерной войны (1977).
СССР решительно выступает против производства нейтронной бомбы. В 1977 СССР внёс США предложение о взаимном отказе от производства нейтронного оружия.
Лит.: Атом и оружие, М., 1964; Атомное оружие, пер. с англ., М., 1957; Вооруженные силы капиталистических государств, М., 1971; Военная стратегия, 3 изд., М., 1968; 50 лет Вооруженных Сил СССР, М., 1968; Ядерными взрыв в космосе, на земле и под землей. Сб. ст., пер. с англ., сост. С. Л. Давыдов, М., 1974.
Ядерное топливо
Я'дерное то'пливо, вещество, которое используется в ядерных реакторах для осуществления ядерной цепной реакции деления. Существует только одно природное Я. т. — урановое, которое содержит делящиеся ядра 235 U, обеспечивающие поддержание цепной реакции (ядерное горючее), и т. н. «сырьевые» ядра 238 U, способные, захватывая нейтроны, превращаться в новые делящиеся ядра 239 Ри, не существующие в природе (вторичное горючее):
Вторичным горючим являются также не встречающиеся в природе ядра 233 U, образующиеся в результате захвата нейтронов сырьевыми ядрами 232 Th:
Я. т. используется в ядерных реакторах , тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) которых представляют собой обычно металлические оболочки различной формы и длины, содержащие Я. т. и герметично заваренные. По химическому составу Я. т. может быть металлическим (включая сплавы), окисным, карбидным, нитридным и др. Основные требования к Я. т.: хорошая совместимость с материалом оболочки ТВЭЛов; высокие температуры плавления и испарения, большая теплопроводность; слабое взаимодействие с теплоносителем; минимальное увеличение объёма (распухание) в процессе облучения в реакторе; технологичность производства и минимальная стоимость; простая технология регенерации (см. ниже) и др. Я. т., используемое в реакторах-размножителях на быстрых нейтронах, кроме того, должно обеспечить высокий коэффициент воспроизводства.
Урановое Я. т. для ядерных реакторов на тепловых нейтронах, составляющих основу ядерной энергетики , имеет обычно повышенное содержание изотопа 235 U (2—4% по массе вместо 0,71% в естественном уране ). Существенный недостаток реакторов на тепловых нейтронах — низкий коэффициент использования природного урана. Несравнимо более высокий коэффициент использования урана может быть достигнут в реакторах-размножителях на быстрых нейтронах. В них используется уран с более высоким содержанием урана 235 U (до 30%), а в будущем, по мере накопления запасов 239 Pu, будет использоваться смешанное уран-плутониевое Я. т. с 15—20% Pu. В этом случае вместо обогащенного урана может быть использован природный и даже уран, обеднённый 235 U, которого накопилось в мире уже достаточно большое количество. Обеднённый уран (без Pu) используется также в экранной зоне реактора-размножителя (зоне воспроизводства), по весу превышающей в несколько раз активную зону. В реакторах на быстрых нейтронах, работающих на уран-плутониевом Я. т., количество накапливающегося 239 Ри может существенно превышать количество сгораемого, т. е. имеет место воспроизводство Я. т. Коэффициент воспроизводства зависит от состава Я. т. По степени его возрастания Я. т. располагается в следующем порядке: окисное (U, Ри) О2 , карбидное (V , Pu) C, нитридное (U, Pu) N и металлическое в виде различных сплавов.
Производство уранового Я. т. (топливный цикл, см. рис. ) начинается с переработки руд с целью извлечения из них урана. При предварительной сортировке руды по g-излучению в отвал удаляют 20—30% породы с содержанием урана £ 0,01% (применяются и обычные методы обогащения). Гидрометаллургическая переработка руды состоит в её дроблении, кислотном выщелачивании, сорбционном или экстракционном извлечении U из осветлённых растворов или пульп и получении очищенной закиси-окиси урана U3 O8 . Для руд, бедных ураном и лёгких для выщелачивания (особенно в трудных для горных работ условиях), применяют подземное выщелачивание а самом месторождении (для пластовых месторождений — через систему скважин, для жильных — в подземных камерах с предварительной отбойкой и дроблением руды взрывными методами).
Далее U3 O8 переводят или в тетрафторид UF4 для последующего получения металлического урана или в гексафторид UF6 — единственное устойчивое газообразное соединение урана, используемое для обогащения урана изотопом 235 U. Обогащение осуществляется методом газовой термодиффузии или центрифугированием (см. Изотопов разделение ). Далее UF6 переводят в двуокись урана, которая используется для изготовления сердечников ТВЭЛов или для получения других соединений урана с той же целью.
К сердечникам ТВЭЛов предъявляются высокие требования в отношении стехиометрического состава и содержания посторонних примесей. Так, в сердечниках 113 UO2 соотношение (по массе) кислорода и металла должно быть в пределах 2,00—2,02; допустимое содержание F и H2 O (по массе) соответственно не более 0,01—0,006% и 0,001%.
Торий как сырьевой материал для получения делящихся ядер 235 U не нашёл широкого применения по ряду причин: 1) разведанные запасы U в состояния обеспечить ядерную энергетику Я. т. на многие десятилетия; 2) Th не образует богатых месторождений, и технология его извлечения из руд сложнее; 3) наряду с 235 U образуется 232 U, который, распадаясь, образует g-активные ядра (212 Bi, 208 Te), затрудняющие обращение с таким Я. т. и усложняющие производство ТВЭЛов:
4) переработка облученных ториевых ТВЭЛов с целью извлечения из них 233 U является более трудной и дорогостоящей операцией по сравнению с переработкой урановых ТВЭЛов.
В процессе эксплуатации ТВЭЛов Я. т. выгорает далеко не полностью, в реакторах-размножителях имеет место воспроизводство Я. т. (Pu). Поэтому отработанные ТВЭЛы направляют на переработку с целью регенерации Я. т. для повторного его использования; U и Pu очищают от продуктов деления. Затем Pu в виде PuO2 направляют для изготовления сердечников, а U, в зависимости от его изотопного состава, или также направляют для изготовления сердечников, или переводят в UF6 с целью обогащения 235 U.
Регенерация Я. т. — сложный и дорогостоящий процесс переработки высокорадиоактивных веществ, требующий защиты от радиоактивных излучений и дистанционного управления всеми операциями даже после длительной выдержки отработавших ТВЭЛов в специальных хранилищах. При этом в каждом аппарате ограничивается допустимое количество делящихся веществ, чтобы предупредить возникновение самопроизвольной цепной реакции. Большие трудности связаны с переработкой и захоронением радиоактивных отходов. Разрабатываются методы остекловывания и битумирования отходов, «закачка» слабоактивных растворов в глубокие горизонты Земли. Стоимость процессов регенерации Я. т. и переработки радиоактивных отходов оказывает существенное влияние на экономические показатели атомных электростанций .
Лит.: Химическая технология облученного ядерного горючего, М., 1971; Паттон Ф. С., Гуджин Д. М., Гриффитс В. Л., Ядерное горючее па основе обогащенного урана, М., 1966; Высокотемпературное ядерное топливо, М., 1969; Займовский А. С., Калашников В. В., Головнин И. С., Тепловыделяющие элементы атомных реакторов, М., 1966.
Ф. Г. Решетников, Д. И. Скороваров.
Рис. к ст. Ядерное топливо.
Рис. к ст. Ядерное топливо.
Ядерной физики ленинградский институт
Я'дерной фи'зики ленингра'дский институ'т им. Б. П. Константинова АН СССР (г. Гатчина Ленинградской области), научно-исследовательское учреждение, в котором ведутся исследования в области ядерной физики, физики частиц высоких энергий, физики твёрдого тела, а также радиобиологии и молекулярной биологии. Основан в 1971 под руководством Б. П. Константинова на базе ядерных лабораторий Физико-технического института АН СССР. В институте было проведено экспериментальное доказательство наличия слабого нуклон-нуклонного взаимодействия (совместно с сотрудниками Института теоретической и экспериментальной физики). Институт располагает исследовательским водо-водяным реактором ВВР-М мощностью 16 Мвт с потоком тепловых нейтронов до 3 ·1014 н ·см2 /сек , фазотроном на энергию 1 Гэв с током до 1 мка , а также системой автоматизированного управления экспериментами на базе ЭВМ.
Ядерно-плазменное отношение
Я'дерно-пла'зменное отноше'ние (биол.), отношение объёма ядра клетки к объёму её цитоплазмы. Показатель введён немецким учёным Р. Гертвигом (1908), который считал, что закономерное уменьшение Я.-п. о. — непосредственная причина вступления клетки в деление (эта гипотеза впоследствии не подтвердилась). Объём ядра обычно прямо пропорционален объёму цитоплазмы (в том числе и при полиплоидии ядра). Однако известны многочисленные нарушения этой пропорциональности, например в ходе развития яйцеклеток или при изменении функциональной активности клетки. В клетках разных тканей Я.-п. о. различно, что является одной из характеристик типа клеток.
Ядерные боеприпасы
Ядерные боеприпасы , боевые части ракет, торпед, авиационные (глубинные) бомбы, артиллерийские выстрелы, фугасы с ядерными зарядами. Предназначены для поражения различных целей, разрушения укреплений, сооружений и других задач. Действие Я. б. основано на использовании энергии, выделяющейся при взрыве ядерного заряда . Я. 6. состоит из ядерного заряда, системы подрыва и корпуса, предохраняющего ядерный заряд и систему подрыва от воздействия внешних факторов среды и оружия противника. Корпус обеспечивает также соединение Я. б. с носителем.
Ядерные модели
Я'дерные моде'ли , приближённые методы описания некоторых свойств ядер, основанные на отождествлении ядра с какой-либо другой физической системой, свойства которой либо хорошо изучены, либо поддаются сравнительно простому теоретическому анализу. Таковы, например, ядерные модели вырожденного ферми-газа , жидкой капли, ротатора (волчка), оболочечная модель и др. (см. Ядро атомное ).
Ядерные оболочки
Я'дерные оболо'чки . Согласно оболочечной модели ядер каждый нуклон в ядре находится в определённом квантовом состоянии, причём в каждом состоянии с данной энергией (энергетическом уровне) может находиться не более чем (2j + 1) нуклонов, образующих Я. о. (j — спин нуклона). Ядра, у которых нуклонные Я. о. целиком заполнены, называются магическими. Подробнее см. Ядро атомное , Магические ядра .
Ядерные реакции
Я'дерные реа'кции , превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами, g-квантами или друг с другом. Для осуществления Я. р. необходимо сближение частиц (двух ядер, ядра и нуклона и т. д.) на расстояние ~ 10-13 см. Энергия налетающих положительно заряженных частиц должна быть порядка или больше высоты кулоновского потенциального барьера ядер (для однозарядных частиц ~ 10 Мэв ). В этом случае Я. р., как правило, осуществляются бомбардировкой веществ (мишеней) пучками ускоренных частиц. Для отрицательно заряженных и нейтральных частиц кулоновский барьер отсутствует, и Я. р. могут протекать даже при тепловых энергиях налетающих частиц.
Я. р. записывают в виде: A (a , bcd )B , где А — ядро мишени, а — бомбардирующая частица, в , с , d — испускаемые частицы, В — остаточное ядро (в скобках записываются более лёгкие продукты реакции, вне — наиболее тяжёлые). Часто Я. р. может идти несколькими способами, например:
63 Cu (р, n) 63 Zn, 63 Cu (р, 2n) 62 Zn, 63 Cu (р, pn) 62 Cu, 63 Cu (p, р) 63 Cu, 63 Cu (р, p') 63 Cu.
Состав сталкивающихся частиц называется входным каналом Я. р., состав частиц, образующихся в результате Я. р., — выходным каналом.
Я. р. — основной метод изучения структуры ядра и его свойств (см. Ядро атомное ). Однако роль их велика и за пределами физики: реакции деления тяжёлых ядер и синтеза легчайших ядер лежат в основе ядерной энергетики . Я. р. используются как источник нейтронов, мезонов и других нестабильных частиц. С помощью Я. р. получают свыше тысячи радиоактивных нуклидов, применяемых во всех областях науки, техники и медицины.
Исследования Я. р. включают идентификацию каналов реакции, определение вероятности их возбуждения в зависимости от энергии бомбардирующих частиц, измерение угловых энергетических распределений образующихся частиц, а также их спина , чётности , изотопического спина и др.
Я. р. подчиняются законам сохранения электрического заряда, числа нуклонов (барионного заряда ), энергии и импульса. Закон сохранения числа нуклонов означает сохранение массового числа А. Я. р. могут протекать с выделением и с поглощением энергии Q , которая в 106 раз превышает энергию, поглощаемую или выделяемую при реакциях химических . Поэтому в Я. р. можно заметить изменение масс взаимодействующих ядер. Энергия Q , выделяемая или поглощаемая при Я. р., равна разности сумм масс частиц (в энергетических единицах) до и после Я. р. (см. Относительности теория ).
Эффективное сечение Я. р. — поперечное сечение, которое нужно приписать ядру с тем, чтобы каждое попадание в него бомбардирующей частицы приводило к Я. р. (см. Эффективное поперечное сечение ). Эффективные сечения Я. р. (7 зависят от энергии бомбардирующих частиц, типа реакции, углов вылета и ориентации спинов частиц — продуктов реакции (s ~ 10-27 — 10-21 ). Максимальное сечение Я. р. определяется геометрическими сечениями ядер sмакс = pR2 , если радиус ядра R больше, чем длина волны де Бройля частицы . Для нуклонов , когда их энергия x »10/A2/3 . В области малых энергий и сечение Я. р. определяет уже не R , а , например для медленных нейтронов . В промежуточной области энергий .
Выход Я. р. — отношение числа актов Я. р. к числу частиц, упавших на 1 см2 мишени. Для тонкой мишени и однородного потока частиц выход Я. р. W = n s, где n — число ядер на 1 см2 мишени. Заряженные частицы, ионизируя атомы мишени, теряют энергию и останавливаются. Их пробег в мишенях порядка мкм или см в зависимости от энергии. В результате выходы Я. р. также малы (10-3 — 10-6 ). Для Я. р. с частицами высоких энергий выход больше. Для частиц, которые могут вызывать Я. р. при любой энергии (нейтроны, p-мезоны), выход при достаточно больших мишенях может достигать 1.
Продукты Я. р. образуются в небольшом количестве: для ускоренных налетающих частиц порядка нескольких мг в час; в мощных ядерных реакторах (Я. р. под действием нейтронов) — нескольких г в час. Концентрация получаемых продуктов, как правило, мала. Для их выделения и идентификации используются методы радиохимии и масс-спектрометрии. Регистрация продуктов Я. р. осуществляется детекторами ядерных излучений .
Механизмы Я. р . Налетающая частица, например нуклон, может войти в ядро и вылететь из него под другим углом, но с той же энергией (упругое рассеяние). Нуклон может столкнуться непосредственно с нуклоном ядра; при этом, если один или оба нуклона имеют энергию, большую, чем энергия, необходимая для вылета из ядра, то они могут покинуть ядро без взаимодействия с другими его нуклонами (прямой процесс). Существуют и более сложные прямые процессы, при которых энергия налетающей частицы передаётся непосредственно одному или небольшой группе нуклонов ядра (см. Прямые ядерные реакции ). Если энергия, внесённая влетевшей частицей, постепенно распределится между многими нуклонами ядра, то ядерные состояния будут становиться всё более и более сложными, однако через некоторое время наступит динамическое равновесие — различные ядерные конфигурации будут возникать и распадаться в образовавшейся системе, называемой составным ядром . Составное ядро неустойчиво и через короткое время распадается на конечные продукты Я. р. Если в некоторых конфигурациях энергия одного из нуклонов окажется достаточной для его выброса из ядра, то составное ядро распадается с испусканием нуклона. Если же энергия сосредоточивается в некоторых группах частиц, существующих в составном ядре короткое время, то возможно испускание альфа-частиц , тритонов , дейтронов и др. При энергиях возбуждения составного ядра, меньших энергии отделения от него частиц, единственный путь его распада — испускание g-квантов (радиационный захват ). Иногда выброс частиц происходит до того, как установилось равновесие, т. е. до образования составного ядра (механизм предравновесного распада).
Различные механизмы Я. р. отличаются разным временем протекания. Наименьшее время имеет прямая Я. р. Это время, которое необходимо частице, чтобы пройти область пространства, занимаемую ядром (~ 10-22 сек ). Среднее время жизни составного ядра значительно больше (до 10-15 — 10-16 сек ). При малых энергиях налетающих частиц основным механизмом Я. р., как правило, является образование составного ядра (за исключением Я. р. с дейтронами). При больших энергиях преобладают прямые процессы.
Характер зависимости эффективных сечений Я. р. s от энергии x налетающих частиц s(x) различен для разных механизмов Я. р. Для прямых процессов зависимость s(x) имеет монотонный вид. В случае Я. р., идущих с образованием составного ядра, при малых энергиях частиц в s(x) наблюдаются максимумы, которые соответствуют уровням энергии составного ядра. В области больших энергий (x ³ 15 Мэв для средних и тяжёлых ядер) уровни энергии составного ядра перекрываются и сечение монотонно зависит от энергии. На этом фоне выделяются более широкие максимумы, соответствующие возбуждению изобар-аналоговых состояний (состояний ядра, у которых изотопический спин больше, чем в основном состоянии), а также т. н. гигантские резонансы. Эти более широкие максимумы соответствуют уровням ядра, образующимся при слиянии ядра с налетающей частицей; они имеют более простую структуру, чем уровни составного ядра. Время жизни т возбуждённого ядра связано с полной шириной Г наблюдаемых максимумов соотношением: ( — Планка постоянная ).
При распаде составного ядра конечное ядро может образовываться как в основном, так и в возбуждённых состояниях. Энергетический спектр продуктов распада составного ядра в области более высоких энергий состоит из отдельных линий, в области низких энергий вылетающих частиц имеет широкий максимум. Угловое распределение конечных продуктов (в системе центра масс) в резонансной области энергии симметрично относительно направления, образующего угол 90° с направлением налетающих частиц. В области энергии, где энергетические уровни составного ядра перекрываются, квантовые характеристики различных уровней составного ядра усредняются и угловое распределение испускаемых частиц оказывается, как правило, сферически симметричным.
Частицы — продукты Я. р., как правило, поляризованы. Поляризация возникает и в том случае, когда пучок бомбардирующих частиц не поляризован. Если же он поляризован, то наблюдается азимутальная асимметрия продуктов Я. р. (см. Поляризованные нейтроны , Ориентированные ядра ).
Я. р. под действием нейтронов в большинстве случаев протекают с поглощением энергии Q . При Я. р. (n, p) для большинства ядер Q невелико (исключение составляют 3 H и 14 N). Для Я. р. (п, а) в случае лёгких ядер поглощаемая энергия Q также невелика (исключение составляют 6 Li и 10 B), для средних и тяжёлых ядер выделяется небольшое количество энергии. Я. р., в которых образуется больше 2 частиц, протекают с поглощением энергии, равной энергии, необходимой для отделения нейтрона от ядра, например для Я. р. (n, 2n) она~10 Мэв . Особое место в этом смысле занимает реакция деления тяжёлых ядер, которая сопровождается выделением большого количества энергии. Реакция деления для некоторых ядер (например, 238 U) имеет энергетический порог (нейтроны должны иметь достаточно большую энергию), связанный с необходимостью преодоления потенциального барьера деления. Деление под действием медленных нейтронов испытывают ядра 235 U, 242 Am, 245 Cm, 249 Cf (см. Ядра атомного деления ).
Для медленных нейтронов основной процесс — радиационный захват нейтрона — Я. р. (n, g). Исключение составляют 3 He и 14 N, для которых основной процесс — Я. р. (n, p), а также 6 Li и 10 B, для которых преобладает Я. р. (n, a). У средних и тяжёлых ядер потенциальный барьер препятствует вылету протонов и a-частиц. Область энергий xn медленных нейтронов является резонансной. Большинство ядер обнаруживает резонансный захват при xn ³ нескольких эв . При xn < 1 эв для большинства ядер эффективное сечение захвата обратно пропорционально скорости нейтронов (закон 1/v ).
С увеличением энергии нейтронов xn уменьшается вероятность резонансного захвата и увеличивается вероятность их упругого рассеяния ядрами (n,n’). Когда xn становится больше энергии первого возбуждённого состояния ядра-мишени (десятки и сотни кэв ), возможно неупругое рассеяние нейтронов (n,n’). При xn порядка нескольких Мэв главную роль играют упругое и неупругое рассеяния нейтронов; становятся заметными Я. р. (n, p) и (n, a), однако их сечения меньше сечения (n, n'). Когда xn достигает 5—10 Мэв , преобладающую роль играют Я. р. (n, 2n).
Я. р. под действием протонов. Взаимодействию протонов с ядрами препятствует кулоновский барьер, поэтому для лёгких ядер Я. р. с протонами наблюдаются лишь начиная с энергий протонов xp порядка нескольких сотен кэв , а для тяжёлых ядер — нескольких Мэв . При малых xp основная Я. р. — радиационный захват протонов (p, v), а также упругое (р, р) и неупругое (р, p') рассеяния протонов ядрами. У лёгких ядер в области малых xp вероятность Я. р. носит резонансный характер. У средних и тяжёлых ядер она достигает заметной величины лишь в области энергий, где резонансной структуры нет. В области энергии xp , близких к высоте кулоновского барьера, наблюдается возбуждение небольшого числа изобар-аналоговых состояний. Сечение Я. р. имеет заметную величину начиная с 0,5 x0 (x0 — энергия, соответствующая высоте кулоновского барьера) и монотонно растет. Я. р. (p, n) становится преобладающей, если составное ядро имеет энергию возбуждения, достаточную для испускания нейтрона с энергией ³ 1 Мэв . При дальнейшем увеличении xp конечное ядро может иметь достаточную энергию для испускания второй частицы. В этом случае наблюдаются реакции (p, 2n) и (p, pn).
Я. р. под дейсгвием a-частиц. Для a-частиц кулоновский барьер ещё выше и достигает для тяжёлых ядер 25 Мэв . При такой энергии налетающей a-частицы энергия возбуждения ядра ~ 20 Мэв , что достаточно для компенсации не только энергии связи вылетающего нуклона, но и для преодоления кулоновского барьера вылетающим протоном. Вследствие этого реакции (a, n) и (a, p) равновероятны. При увеличении энергии а- частиц наиболее вероятной становятся Я. р. (a, 2n), (a, pn). Резонансная структура энергетической зависимости сечений этих Я. р. наблюдается только у лёгких ядер и при относительно малых энергиях a-частиц. Продукты Я. р. (a, n) обычно cb-активны, для Я. р. (a, p) — стабильные ядра.
Я. р. под действием дейтронов характеризуются наиболее высоким выходом по сравнению с др. Я. р. под действием заряженных частиц. Например, выход реакции 9 Be (d, n)10 . В при энергии дейтрона xd 16 Мэв достигает 0,02, а для Я. р. с другими заряженными частицами таких энергий — порядка 10-3 — 10-6 . Я. р. с дейтронами могут протекать с образованием составного ядра, путём расщепления дейтрона кулоновским полем ядра мишени и прямым механизмом срыва. Эффективные сечения этих трёх процессов примерно одного порядка. Т. к. в дейтроне среднее расстояние между протоном и нейтроном относительно велико, а их энергия связи мала, то при бомбардировке ядер дейтронами наиболее вероятен захват ядром лишь одного из нуклонов дейтрона, тогда как второй пролетает дальше, не испытав взаимодействия с ядром. В этом случае Я. р. осуществляется не внутри ядра, а на его поверхности. Протоны и нейтроны, образующиеся в Я. р. срыва, летят в основном вперёд. Дейтроны, ускоряемые в циклотронах, широко используются для получения радиоактивных нуклидов и интенсивных потоков нейтронов (см. Нейтронные источники ).
Я. р. между легчайшими ядрами имеют заметный выход даже при малых энергиях налетающих частиц (порядка 1—10 кэв ). Поэтому они могут осуществляться не только бомбардировкой мишени пучком ускоренных частиц, но и нагреванием смеси взаимодействующих ядер до температуры ~ 107 К (см. Термоядерные реакции ).
Я. р. под действием частиц высоких энергий (значительно больших, чем энергия связи нуклонов в ядре). Частицам с энергией ~ 100 Мэв соответствует = 0,43 ф , малая по сравнению со средним межнуклонным расстоянием в ядре (1,9 ф ). Это позволяет «зондировать» ядро: в первом приближении можно считать, что влетающий в ядро нуклон взаимодействует в каждый момент времени только с одним нуклоном и при этом так, как будто он свободен. Важная особенность Я. р. под действием частиц высоких энергий — возможность передать даже лёгкому ядру возбуждение ~ 100 Мэв .
При взаимодействии быстрого нуклона с ядром он может испытывать упругое рассеяние и вызывать Я. р. Сечение упругого рассеяния sy плавно зависит от энергии налетающих частиц. Полное сечение взаимодействия быстрых нуклонов sполн меняется в пределах от 2pR2 до pR2 . При энергии нуклона > 150 Мэв sy = 1/3 sполн , а сечение Я. р. sз = 1 /3 sполн . Т. о., ядро ведёт себя не как абсолютно поглощающая среда (в этом случае sy = sp ). Угловые распределения упруго рассеянных частиц сходны с дифракционной картиной, имеется ярко выраженная направленность вперёд.
Большая энергия налетающей частицы может распределиться между многими нуклонами ядра. При этом часть из них приобретает энергию, достаточную, чтобы покинуть ядро. При взаимодействии частицы высокой энергии с ядром может развиться внутриядерный каскад, в результате которого испускается несколько энергичных частиц, а оставшаяся часть оказывается сильно возбуждённым составным ядром, которое, распадаясь, испускает частицы малых энергий. Среднее число испускаемых частиц растет с увеличением энергии первичной частицы. В ходе Я. р., кроме нуклонов, могут (с меньшей вероятностью) испускаться более тяжёлые ядерные осколки (дейтроны, тритоны, a-частицы). Я. р., в которой испускается множество заряженных частиц, образует в ядерной фотографической эмульсии многолучевую звезду. В таких Я. р. образуется большое число разнообразных радиоактивных продуктов, для исследования которых применяются методы радиохимии.
Под действием быстрых частиц наблюдают и более простые Я. р.: неупругое рассеяние (p, p'), Я. р. «перезарядки» (p, n), Я. р. «подхвата» (p, d), Я. р. «выбивания» (p, 2p) и др. Вклад этих процессов в полное сечение Я. р. невелик ( ~ 10—20%). Реакция выбивания протона (p, 2p) оказалась очень удобной для исследования структуры ядер. Измеряя энергию вылетающих протонов, можно определить потерю энергии в Я. р. и энергию связи выбитого протона. В распределении по энергиям остаточных ядер наблюдаются максимумы, соответствующие возбуждённым уровням остаточного ядра. Энергия возбуждения этих уровней достигает 50—70 Мэв , и они соответствуют дырочным возбуждениям глубоких оболочек (см. Ядро атомное ).
Кулоновское возбуждение ядер. Протоны и более тяжёлые ионы, движущиеся слишком медленно, для того чтобы преодолеть кулоновский барьер, приближаясь к ядру, создают относительно медленно меняющееся электрическое поле, которое действует на протоны ядра. В этих случаях ядро, поглощая электромагнитную энергию, переходит в возбуждённое состояние, а налетающий ион теряет часть своей энергии. Кулоновское возбуждение — одно из основных средств изучения низколежащих коллективных состояний ядер.
Я. р. под действием фогоноа и электронов. Возбуждения ядра с помощью электромагнитного поля (фотоядерные реакции ) могут осуществляться при бомбардировке их g-квантамн. При малых энергиях g-кванты могут испытывать только упругое рассеяние. При энергиях, больших энергий отделения нуклонов от ядра, основным процессом становится поглощение g-кванта и испускание ядром нуклонов. При поглощении g-квантов с энергиями в десятки Мэв , как правило, образуется составное ядро. При взаимодействии ядра с более энергичными g-квантами большую роль начинают играть прямые процессы. Величина эффективных сечений фотоядерных реакций — десятки и сотни мбарн.
Электроны, взаимодействуя с протонами ядра, могут испытывать упругое и неупругое рассеяние, а также выбивать протоны из ядра. Исследование упругого рассеяния электронов позволило получить детальные данные о распределении электрического заряда в ядре.
Я. р. с участием мезонов, гиперонов и античастиц. В Я. р. под действием нуклонов, энергия которых больше порога рождения мезонов, возможно испускание мезонов, которые могут также вызывать Я. р. и участвовать в развитии внутриядерного каскада. Наиболее изучены Я. р. на p- мезонах. Многие Я. р., вызываемые пионами, похожи на соответствующие Я. р. под действием нуклонов, например неупругое рассеяние (p,p' ), перезарядка (p+ ,p° ), (p- ,p°) и выбивание [(p,pp), (p,pn ), (p- ,pd)] и др. Однако есть др. Я. р. с участием пионов, не имеющие аналогов в нуклоно-ядерном взаимодействии. К ним относится реакция двойной перезарядки пионов (p- ,p+ ), Я. р. поглощения пионов (p+ , 2p), (p- , 2n). Изучение этих Я. р. позволяет исследовать корреляции нуклонов в ядре.
Я. р. с тяжёлыми ионами. Для тяжёлых ионов (Z> 2) в качестве налетающих частиц потенциальный кулоновский барьер x0 в Z раз больше, чем для протонов, и поэтому необходимо, чтобы энергия иона, приходящаяся на 1 нуклон ядра, превышала несколько Мэв (тем больше, чем больше Z мишени). Эффективное сечение Я. р. с тяжёлыми ионами, обладающими энергией x>1,2x0 , даётся выражением: s = pR2 (1- x0 /x), где
.
Это соответствует классическим представлениям о соударении двух заряженных чёрных шаров радиусом R. При энергиях x < x0 Я. р. осуществляются за счёт туннельного просачивания через барьер (см. Туннельный эффект ). В этом случае
