Kodolfizikas pamati

1041 0

1. ATOMENERĢĒTIKAS FIZIKĀLIE PAMATI

1.1. Atoma planetārais modelis

Deviņpadsmitajā gadsimtā zinātnieki uzskatīja, ka atomi ir nedalāmi un, ka tiem nav iekšējās struktūras. Pirmās idejas par atoma struktūru 1898. gadā izteica Tomsons (Joseph John Thomson). Pēc viņa uzskatiem jebkura elementa atoms sastāv no vienmērīgi pozitīvi lādētas sfēras, kurā kustas negatīvi lādēti elektroni. Vēlākos eksperimentos pats Tomsons atklāja, ka elektronu daudzums atomā ir neliels, tas nozīmēja, ka elektronu masa veido tikai nelielu daļiņu no atoma kopējās masas. Izdarot kopējus secinājums, varēja pieņemt, ka atoma modelis izveidots no o pozitīvajiem un negatīvajiem lādiņiem.

1904. gadā japāņu fiziķis Nagaoka (Hantaro Nagaoka) izteica hipotēzi, kas ir apbrīnojami līdzīga mūsdienu priekšstatam par atoma uzbūvi. Veicot teorētiskus aprēķinus un sistematizējot spektra līniju atstarpes pēc empīriskām matemātiskajām formulām, viņš konstatēja, ka ir daudz mazākas svārstību harmonikas regulārajā spektrā, dažādiem elementiem, kas ietekmē magnētiskā lauka frekvenču joslu. Nagaoka pieņēma, ka eksistē sistēma, kas sastāv no daļiņām ar noteiktu enerģiju, kas izkārtotas intervālos uz riņķa līnijas un aptver citas daļiņas, kam ir pretēja enerģija un tās kaut kādā attālumā izvietotas riņķa centrā. Viņš salīdzināja atoma uzbūvi ar planētas Saturns uzbūvi, kurā līdzsvars realizējas tādejādi, ka smagākais centrālais ķermenis pievelk vieglākās gredzenu veidojošās daļiņas [6., 445. lpp.]

Mūsdienu uzskati par atoma uzbūvi saistīti ar radioaktīvā starojuma pētīšanu. Angļu fiziķis Rezerfords (Ernest Rutherford) pamanīja, ka eksperimentos ar radioaktīvo elementu alfa (α) daļiņām, tās, ejot cauri plānām metāla plāksnītēm – folijām, izkliedējas. Šo faktu izskaidrot ar Tomsona atoma modeli neizdevās, jo nebija skaidrs, kāpēc atsevišķu daļiņu izkliedes leņķis ir lielāks. Rezerfords izvirzīja savu atoma modeli, pēc kura atoma pozitīvais lādiņš koncentrēts nelielā telpas rajonā, ap kuru riņķo atoma elektroni. Saskaņā ar Rezerforda modeli alfa daļiņu stipro nolieci var izskaidrot ar to, ka pozitīvi lādētās α daļiņas pienāk tuvu pozitīvi lādētajam kodolam un stipri atgrūžas.

Kopēju apkopojumu par atomu un tā planetāro struktūru ir sniedzis dāņu fiziķis Bors (Niels Henrik David Bohr), kura atoma modelis balstās uz reducētu Rezerforda atoma modeli. Bora atoma modelis tika izstrādāts kā primitīvs ūdeņraža atoma modelis, kuram pozitīvais lādiņš ir novietots centrā un ap to riņķo negatīvi lādētas daļiņas – elektroni, kas ir ar noteiktu masu. Bors atoma planetāro modeli salīdzināja ar saules sistēmu, kurai smagākā daļiņa novietota centrā, bet vieglākās – planētas riņķo ap to pa noteiktu orbītu. Tikai atšķirība ir tā, ka planētām, riņķojot pa noteiktu orbītu, nemainās laika periods, kādā tiek veikts viens šis orbītas garums, bet elektroniem šis periods ir dažāds, jo tie maina savas orbītas. Bors izteica pieņēmumu par to, ka, ja visu noteiktu tikai elektromagnētiskie spēki, tad visi elektroni izvietotos vienā noteiktā orbītā, kā to nosaka likumi. Šo elektronu orbītu maiņu eksperimentāli varēja noteikt, veicot spektrālos mērījumus, kas katram elementam ir atšķirīgi [8., 10-13. lpp.].

1.2. Kodolu raksturojošie parametri

1.2.1. Kodola struktūra. Tiklīdz noskaidroja, ka atoms sastāv no kodola un tam apkārt riņķojošiem elektroniem, fiziķu tālākais uzdevums bija noskaidrot no kā sastāv pats kodols. Mūsdienu vienkāršoto atoma kodola modeli dēvē par protonu–neitronu kodola modeli. Tā kā protoni un neitroni ir vienīgās daļiņas, kas veido kodolu, tad 1939. gadā holandiešu fiziķis Belinfante (Frederik Jozef Belinfante) ieteica nosaukt tos ar vienu kopēju vārdu – nukloni. Saskaņā ar protonu-neitronu modeli pilnais daļiņu skaits kodolā ir vienāds ar protonu un neitronu summu.

(1.1)

Ar Z apzīmē protonu skaitu kodolā, bet ar A apzīmē masas skaitli un vienlaicīgi visu nuklonu skaitu kodolā. Vieglo elementu kodolos protonu skaits aptuveni vienāds ar neitronu skaitu, bet smagāku elementu kodoliem neitronu skaits ir lielāks par protonu skaitu. Tā, piemēram, parastā urāna masas skaitlis ir 238, tātad kodols sastāv no 92 protoniem un 146 neitroniem [3., 18-19. lpp.].

Ja aplūkojam atoma kodola modeli, kāds ir pazīstams 21. gadsimtā, tad viennozīmīgi var apgalvot, ka pamatā tā struktūra nav mainījusies, bet saglabājies iepriekšējais protonu–neitronu kodolu modelis. Protams, attīstoties pētniecības metodēm, tiek aplūkotas arī nuklonu sastāvdaļas – kvarki, kas tiek apskatītas kā elementārdaļiņas, kas veido pārējo matēriju. Piemēram, neitrons sastāv no viena augšējā kvarka un diviem apakšējiem kvarkiem, protons sastāv no diviem augšējiem kvarkiem un viena apakšējā kvarka. Vispārīgi kodolu definē, kā nuklonu sistēmu, kura pakļaujas kvantu mehānikas likumsakarībām.

1.2.2. Kodola masa un tās noteikšana. Viens no kodola raksturīgākajiem lielumiem ir tā masa, kuru nosaka pilnais nuklonu skaits un spēku lielums, kuri satur kopā šos nuklonus. Kodola masu nosaka relatīvajā vienību sistēmā, attiecinot pret kādu izvēlēta izotopa lielumu. Sākotnēji tika izmantots ūdeņradis kā masas mērs, bet vēlāk Berceliuss (Jens Bercelius) ieteica pieņemt par masas vienību no skābekļa atomsvara. Šo atomsvaru masas skalu nosauca par ķīmisko masas skalu, kas kodolfizikā ir nepilnīga, jo skābeklim ir trīs izotopi, bet kodolfizikā ir būtiski izšķirt dažādus skābekļa izotopus, nevis skābekli vispārīgi. Tāpēc, lai varētu viennozīmīgi noteikt dažādu iztopu masas, kodolfizikā par masas vienību izvēlas no skābekļa izotopa masas. Šādu skalu dēvē par fizikālo masas skalu, bet masas vienību, par atoma masas vienību (AMV). Jāpiezīmē, ka kopš 1962. gada par atoma masas vienību ieteikts pieņemt no oglekļa izotopa masas.

1.2.3. Kodola saites enerģija un kodolspēki. Nukloni kodolā ir ļoti cieši saistīti. Kodola izjaukšanai jāpatērē noteikts darbs, kura lielumu raksturo saites enerģija. Izšķir atsevišķu nuklonu un visa kodola saites enerģiju. Atsevišķa nuklona saites enerģija ir vienāda ar darbu, kas nepieciešams, lai šo nuklonu atrautu no kodola, nepiešķirot tam kinētisko enerģiju. Visa kodola saites enerģija ir vienāda ar darbu, kas nepieciešams kodola izjaukšanai tā sastāvdaļās – nuklonos, nepiešķirot tiem kinētisko enerģiju.

Saites enerģiju nosaka ar masas un enerģijas nezūdamības likumu. Ja kodola izjaukšanai jāpatērē saites enerģija Es, tad šī pati en nerģija atbrīvosies kodolam veidojoties no atsevišķiem nukloniem. Saskaņā ar Einšteina (Albert Einstein) relativitātes toriju ir pierādīts, ka daļa no kodola masas ir saistīta ar kodola saites enerģiju. Šī masas izmaiņa, kalpo kā stabilitātes mērs, ko bieži vien dēvē arī pa masas defektu. Masas defektu vienam nuklonam sauc par pakojuma koeficientu.

Ir noskaidrots, ka visiem kodoliem nav vienāda saites enerģija. Tas nozīmē, ka nukloni dažādos kodolos nav vienādi stipri saistīti. Visstiprāk nukloni ir saistīti vidēji smagu elementu kodolos, šiem elementiem saites enerģija ir apmēram 8,7 MeV. Smago elementu vidējā saites enerģija samazinās, palielinoties nuklonu skaitam kodolā. Arī vieglo elementu kodoliem ir samazināta saites enerģija, kas ir atkarīga no protonu un neitronu pāru skaita kodolā.

Analizējot eksperimentāli iegūtos rezultātus, radās jautājums par to, kādi spēki kodolu izveido par stabilu sistēmu un kas nosaka saites enerģijas lielumu. Izmantojot klasiskās mehānikas un elektrodinamikas likumsakarības, var pārliecināties, ka gravitācijas, magnētisko un elektromagnētisko spēku loma kodolā ir ļoti niecīga.

Pētot α

. . .

Raktuvēs 20000 tonnas 1% urāna rūdas

Raktuvēs 230 tonnas urāna oksīda koncentrāta ar 195t urāna

Konversācija 288 tonnas UF6 ar 195t U

Bagātināšana 35 tonnas UF6 ar 24 t bagātināta U

Degvielas sagatavošana 27 tonnas ar 24 t bagātināta U

Reaktora darbība 8640 miljoni kWh elektroenerģijas no degvielas

Izlietotā degviela 27 tonnas ietver 240 kg plutonija, 23 t urāna (0,8% 92U235), 720 kg dalīšanās produktu (transurāna elementi)

1.7. Dozimetrija un starojuma iedarbība uz organismu

Jau pirmie pētījumi ar rengentstariem parādīja, ka tie kaitīgi iedarbojas uz cilvēka organismu. Uz ādas izveidojas grūti dzīstoši, apdegumam līdzīgi ievainojumi. Sevišķi nepieciešami aizsardzības pasākumi kļuva pēc mā ākslīgās radioaktivitātes atklāšanas, jo ar šo parādību pētīšanu sāka nodarboties arvien vairāk fiziķu. Nepieciešamo aizsardzības pasākumu izstrādāšana izveidoja jaunu zinātnes nozari – dozimetriju. Dozimetrijas galvenie uzdevumi ir radioaktivitātes noteikšana, nekaitīgās dozas aprēķināšana un aizsardzības pasākumu izstrādāšana.

Starojuma mērīšanai bija nepieciešams ieviest mērvienības. Pirmo ieviesa apstarojuma dozas mērvienību – rentgens. Viens rentgenstars ir tāda rengentstaru vai γ kvantu starojuma doza gaisā, ar kuru saistītā korpuskulārā emisija 0,001293 gramos gaisa rada jonus ar vienu elektrostatisko elektrības daudzuma vienību katras zīmes lādiņu.

Uz organismu kaitīgi iedarbojas ne tikai rentgenstari un γ starojums, bet arī citi korpuskulārie starojumi, piemēram, α daļiņas, protoni un neitroni. Šāda starojuma mērīšanai vairs nevar izmantot rentgenstaru mērvienību, tāpēc tika ieviests rentgena fizikālais ekvivalents. Rentgena fizikālais ekvivalents ir jebkura starojuma doza, kura, absorbējoties vienā gramā vielas, izraisa tādu pašu jonizāciju kā rentgenstaru vai γ starojuma doza vienā gramā gaisa.

Dozas noteikšanai un mērīšanai principā var izmantot jebkuru iekārtu, kura reaģē uz attiecīgo starojuma veidu. Šim nolūkam var izmantot visas tās metodes, kuras lieto lādētu daļiņu un γ kvantu reģistrēšanai. Dozimetrs parasti sastāv no jonizācijas kameras un iekārtas jonizācijas strāvas mērīšanai.

Atkarībā no starojuma novietojuma izšķir ārējo un iekšējo starojumu. Radioizotopa kaitīgumu nosaka kopējā doza, kuru organisms saņem laikā, kamēr izotops atrodas organismā. Starojuma iespaidā šūnu dalīšanās process palēninās un protoplazmas īpašības izmainās. Daudzas šūnas pēc apstarošanas vispār vairs nespēj dalīties. Šī parādība, iespējams, kopā ar šūnu sagraušanu izraisa ļaundabīgo audzēju attīstīšanos. Dzīvajiem organismiem nav attīstīta instinktīva aizsardzība pret radioaktīvo starojumu. Starojuma simptomi parādās tikai vēlāk un nav iespējams uzreiz konstatēt apstarošanos.

Join the Conversation