Ядерная энергия
| Виды энергии: | ||
|---|---|---|
 |
Механическая | Потенциальная Кинетическая |
| ‹♦› | Внутренняя | |
 |
Электромагнитная | Электрическая Магнитная |
 |
Химическая | |
 |
Ядерная | |
| Гравитационная | ||
| Вакуума | ||
| Гипотетические: | ||
| Тёмная | ||
| См. также: Закон сохранения энергии | ||
Я́дерная эне́ргия (атомная энергия) — энергия, которая содержится в атомном ядре, состоящем из нейтронов[1] и протонов, и выделяется при ядерной реакции. В природе ядерная энергия выделяется в звёздах, человек применяет ядерную энергию в ядерной энергетике, ядерном оружии, на атомных электростанциях[2].
История
В 1932 году английский физик Джеймс Чедуик совершил фундаментальное открытие в области физики. Он обнаружил неизвестное до того времени в ядре атома, которое стало известно миру как нейтрон. Из-за отсутствия какого-либо заряда частица получила название нейтрон, открытие считается началом современной ядерной физики. В 1935 году Джеймсу Чедвику за это открытие была присуждена Нобелевская премия[3].
В январе 1939 года весь мир потрясло известие о возможности деления ядер урана (при бомбардировке их нейтронами) на две почти равные части, причём вследствие процесса деления образуются 2-3 нейтрона (Лиза Мейтнер, Отто Фриш, Отто Хан, Фриц Штрассман). Уже первая информация о теории процесса деления позволила сделать фантастические выводы: новая форма ядерной реакции высвобождает огромное количество энергии и появляется возможность произвести цепную ядерную реакцию[2].
Для названия изотопа обычно используется буквенное обозначение химического элемента с верхним индексом — атомной массой и (иногда) нижним индексом — атомным номером, например, изотоп уран-238. Следующим выдающимся открытием, совершенным после подтверждения существования нейтрона Чедуиком, стало открытие искусственной радиоактивности Ирен и Фредерико Жолио-Кюри в 1934 году. Их эксперимент заключался в облучении ядер алюминия-27 альфа-частицами. В результате этой бомбардировки происходила ядерная реакция: ядро алюминия поглощало альфа-частицу (ядро гелия-4), превращаясь в ядро кремния-31. Однако этот кремний-31 был неустойчив и мгновенно распадался, испуская позитрон (античастицу электрона) и превращаясь в стабильный изотоп фосфора-30.Этот фосфор-30 был искусственным радиоактивным изотопом, поскольку он не встречается в природе. Природный фосфор на 100 % состоит из фосфора-31. Открытие искусственной радиоактивности Жолио-Кюри продемонстрировало, что радиоактивность является не только свойством естественных элементов, но и индуцирована с помощью ядерных реакций. Это открытие имело огромные последствия для развития ядерной физики и химии, позволив учёным синтезировать новые радиоактивные изотопы и использовать их в различных областях науки и техники[1].
Активное развитие атомной энергии пришлось на 1970-е годы. В этот период мировое потребление электроэнергии начало бурно расти и существующие гидроэнергетические ресурсы большинства развитых стран уже не могли удовлетворить спрос. В результате начали резко расти цены на основные виды топлива[4].
Деление ядер
Ядерное деление — реакция, в ходе которой ядро атома расщепляется на два и более меньших ядер. При этом происходит высвобождение энергии. Открытие нейтрона Джеймсом Чедуиком в 1932 году расширило горизонты в исследовании ядерной физики. Почти сразу же начались исследования взаимодействия нейтронов с ядрами. Одновременно в Великобритании Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон разработали первый ускоритель протонов, способный расщеплять ядра. Эти достижения позволили учёным исследовать ядерные реакции с использованием ускоренных частиц. Позже это привело к революционным открытиям[3].
В течение следующих нескольких лет выдающиеся учёные Нильс Бор, Яков Френкель и Джон Уилер разработали важнейшие теоретические модели, которые позволили понять механизмы взаимодействия нейтронов с ядрами. При делении урана тепловым нейтроном возникает не только два более лёгких ядра (осколка деления), но также излучаются 2 или 3 (в среднем 2,5 для 235U) нейтрона, имеющие высокую кинетическую энергию[3].
В рамках капельной модели ядра атомное ядро рассматривается как капелька жидкости, где частицы внутри притягиваются друг к другу, а протоны (частицы с положительным зарядом) отталкиваются. На нуклоны действуют уравновешивающие друг друга ядерные силы притяжения и электростатические силы отталкивания (между протонами), стремящиеся разорвать ядро. В процессе деления ядро изменяет форму: из сферического оно деформируется в вытянутый эллипсоид, затем на экваторе эллипсоида образуется перетяжка. Возникает фигура, которая напоминает гантель, и когда перетяжка рвётся, образуются осколки деления. Деформация ядра похожа на растягивание капли жидкости, что затрудняется силами поверхностного натяжения.
Чтобы расколоть ядро, можно использовать не только нейтроны, но и другие заряженные частицы, например, альфа-частицы, протоны или дейтроны. Однако им нужно больше энергии, чтобы преодолеть силы отталкивания между заряженными частицами ядра[3].
Применение ядерной энергии
Медицина
В медицине ядерная энергия используется в рентгенодиагностике, заключающейся в регистрации излучения, производимого рентгеновской лампой, ослабленного за счёт частичного поглощения пациентом. Используемые рентгеновские аппараты позволяют делать снимки грудной клетки или черепа. Также ядерная энергия используется для изготовления лекарств. Радиоактивное излучение применяется для стерилизации медицинских инструментов и лекарственных препаратов.
Ядерная энергетика
Ядерные электростанции (АЭС) являются основным источником безуглеродной энергии. АЭС работают на принципе ядерного деления, превращая тепловую энергию, выделяемую при делении ядер урана, в электрическую. Ядерные реакторы могут использоваться для опреснения морской воды. Ядерная энергия также используется для теплоснабжения городов и промышленных предприятий. В некоторых странах ядерная энергия используется для создания централизованных систем теплоснабжения (ТЭЦ).
Военное дело
Энергия деления ядер урана или плутония применяется в ядерном и термоядерном оружии (как пускатель термоядерной реакции и как источник дополнительной энергии при делении ядер нейтронами, возникающими в термоядерных реакциях.
Промышленность
Радиоактивные изотопы используются для контроля качества продукции в различных отраслях промышленности, например, в металлургии, нефтехимии, пищевой промышленности и т. д. Радиоактивное излучение применяется для модификации свойств материалов, например, для увеличения их прочности, устойчивости к коррозии[2].
Примечания
- ↑ 1,0 1,1 Откуда берется ядерная энергия? Научные основы ядерной энергетики. Международное агентство по атомной энергии. Дата обращения: 18 мая 2024.
- ↑ 2,0 2,1 2,2 Ядерная энергетика. Атомэнергомаш. Атомное и энергетическое машиностроение. Дата обращения: 18 мая 2024.
- ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 Болоздыня А. И. Деление ядер. Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ». Дата обращения: 19 мая 2024.
- ↑ Мотляев А. Уран: факты и фактики. Элементы. Дата обращения: 28 мая 2024.
Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!