Лекция 10. Ядерные процессы

Измерения показывают, что масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов. Разность суммы масс нуклонов и массы ядра называют дефектом массы. Поскольку всякому изменению массы соответствует изменение энергии, то при образовании ядра выделяется энергия. Из закона сохранения энергии следует и обратное: для разделения ядра на составные части необходимо затратить такое же количество энергии, которое выделяется при его образовании. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра.

Обычно рассматривают удельную (среднюю) энергию связи, приходящуюся на один нуклон. Для легких ядер эта энергия достаточно большая (максимальное ее значение 8,7 МэВ), а для тяжелых она меньше.

МэВ – мегаэлектрон вольт (миллион элетронвольт) – это единица измерения энергии в атомной и квантовой физике. Электронвольт - это энергия, необходимая для переноса электрона в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 вольт.

Уменьшение удельной энергии связи при переходе к тяжелым элементам объясняется тем, что с возрастанием числа протонов в ядре увеличивается энергия их отталкивания. Поэтому связь между нуклонами ослабевает, а сами ядра становятся менее прочными.

И очень тяжелые, и очень легкие ядра менее устойчивы. Это означает, что энергетически выгодны два ядерных процесса:

1. Деление тяжелых ядер на более легкие (цепная реакция);

2. Слияние легких ядер и образование более тяжелых (синтез ядер).

Оба эти процесса практически реализованы в виде цепной реакции деления и термоядерного синтеза. Они сопровождаются выделением огромного количества энергии.

В 1896 году французский физик А.А.Беккерель (1852-1908) при исследовании светимости солей урана обнаружил самопроизвольное излучение неизвестной природы, которое действовало на фотопленку, ионизировало воздух, проникало через тонкие металлические пластинки.

Позднее супруги Кюри: Пьер Кюри (1859-1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867-1934) наблюдали подобное излучение и для других веществ – тория и актиния. Обнаруженное излучение было названо радиоактивным, а сама способность его самопроизвольного испускания – радиоактивностью. Позднее был сделан вывод, что радиоактивные свойства элементов обусловливаются структурой атомного ядра.

В современном представлении радиоактивность – это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц.

Различают естественную радиоактивность (для существующих в природе неустойчивых изотопов) и искусственную радиоактивность (для изотопов, полученных посредством ядерных реакций).

Известны три основных вида радиоактивного излучения: альфа-, бета- и гамма-излучение.

Естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно называется радиоактивным распадом. Скорость радиоактивного распада определяется законом радиоактивного распада: число нераспавшихся ядер (N) убывает со временем.

N₀ - начальное число нераспавшихся ядер в момент времени t = 0.

N- число нераспавшихся ядер в момент времени t;

λ – постоянная радиоактивного распада. Эта постоянная характеризует вероятность распада отдельного ядра в единицу времени.

Обратная ей величина ( _ ) или τ характеризует среднее время жизни ядра; e — математическая константа, основание натурального логарифма. Это действительное десятичное число, бесконечная дробь.

e = 2,718 281 828 459 045 235 360 287 471 352 662 497 757…

К началу 1940-х годов многими учеными (Э.Ферми, О.Ган, О.Фриш, Г.Н.Флеров и др.) было доказано, что при облучении урана нейтронами образуются ядра атомов лантана и бария - химических элементов из середины периодической таблицы Менделеева. Этот результат положил начало новому виду реакций – делению ядер, при котором тяжелое ядро под действием нейтронов или других частиц делится на несколько легких ядер (осколков), а чаще всего на два ядра, близких по массе. Деление ядер сопровождается испусканием двух-трех вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления.

В процессе ядерной реакции не все образующиеся вторичные нейтроны вызывают последующее деление ядер, что приводит к уменьшению коэффициента размножения.

Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, размеров и формы активной зоны. Минимальные размеры активной зоны, при которых возможна цепная реакция, называются критическими размерами, а минимальная масса делящегося вещества в активной зоне с критическими размерами – критической массой

При k > 1 цепная реакция ускоряется: число делений быстро возрастает и ядерный процесс становится взрывным.

При k < 1 цепная реакция деления ядер замедляется.

Различают управляемые и неуправляемые цепные реакции деления ядер. Так, при взрыве атомной бомбы происходит неуправляемая реакция. При хранении атомной бомбы, чтобы она не взорвалась, находящееся в ней радиоактивное вещество делят на две части с некритическими массами. Для взрыва атомной бомбы обе части сближают, общая масса делящегося вещества становится критической, в результате чего возникает неуправляемая цепная реакция, сопровождающаяся мгновенным выделением огромного количества энергии.

Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах атомных электростанций.

В природе есть изотопы, которые могут служить ядерным топливом (например, уран–235) или сырьем для его получения (например, уран –238, торий – 232).

Искусственная реакция термоядерного синтеза осуществлена впервые в СССР в 1953 году, а затем через полгода в США при взрыве водородной (термоядерной) бомбы. Взрывчатое вещество водородной бомбы представляет собой смесь дейтерия и трития, а детонатором в ней служит обычная атомная бомба, при взрыве которой достигается высокая температура, необходимая для термоядерного синтеза.

Трудность практической реализации управляемого термоядерного синтеза заключается в том, что он возможен только при очень высокой температуре, при которой любое синтезируемое вещество будет находиться в плазменном состоянии и техническая проблема состоит в том, как удержать это вещество в ограниченном объеме. Один из способов решения данной проблемы – удержание горячей плазмы в ограниченном объеме сильными магнитными полями. Этот способ впервые предложил наш соотечественник – А.Д.Сахаров (1921-1989).

Плазма (от греч. πλάσμα «вылепленное», «оформленное») — в физике и химии полностью или частично ионизированный газ, который может быть как квазинейтральным, так и не квазинейтральным. Плазма иногда называется четвёртым (после твёрдого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества.

Слово «ионизированный» означает, что от электронных оболочек значительной части атомов или молекул отделён по крайней мере один электрон. Слово «квазинейтральный» означает, что, несмотря на наличие свободных зарядов (электронов и ионов), суммарный электрический заряд плазмы приблизительно равен нулю. Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму проводящей средой, что обуславливает её заметно большее (по сравнению с другими агрегатными состояниями вещества) взаимодействие с магнитным и электрическим полями. Четвёртое состояние вещества было открыто У.Круксом в 1879 году и названо «плазмой» И.Ленгмюром в 1928 году.

Первый в мире термоядерный реактор – «токамак» был построен в 1954 году в Институте атомной энергии им.И.В.Курчатова в Москве.

Ядерные реакции осуществляются в звездах.

Время излучения звезд за счет гравитационного сжатия не превышает 5·10⁹ лет для всех звезд в наблюдаемом интервале масс. Процесс гравитационного сжатия звезды с повышением температуры будет продолжаться до тех пор, пока температура в центре звезды не поднимется до 10⁷ K. Гравитационное сжатие будет остановлено начавшейся ядерной реакцией горения водорода. При сгорании водорода температура ядра звезды остается относительно постоянной и составляет примерно 10⁷ K. Звезда находится в состоянии квазистатического равновесия, при котором энергия, высвобождаемая в термоядерных реакциях, компенсирует потери энергии на излучение с поверхности звезды. Звезда будет устойчива, когда уравновешиваются противодействующие эффекты гравитации и стремления горячих газов к расширению. Излучение Солнца образуется за счет синтеза ядер гелия путем слияния ядер водорода. Если считать, что Солнце состоит только из водорода и в результате ядерной реакции происходит полное сгорание водорода и превращение его в гелий, то при современном темпе сгорания водорода за счет ядерного источника Солнце способно излучать порядка 100 млрд. лет.

Системы следует отличать от того, что системами не является, то есть от агрегатов. Так, например, молекулу, атом, живой организм, социум и т. п. мы называем системами, а кучу камней, песка или металлолома – нет. Почему? В случае системы мы понимаем, что она не сводится только к совокупности элементов ее составляющих, а имеет системные (интегративные) свойства. В случае же агрегата мы видим, что он сводится к сумме свойств и частей его составляющих, то есть свойства агрегата аддитивны. Например, масса кучи камней складывается из масс отдельных камней ее составляющих, а величина кучи зависит от размеров входящих в нее камней. Согласно У.Эшби, чтобы отличить систему от агрегата, нужно разделить агрегат (систему) на части (например, раскидать кучу песка) и посмотреть появятся ли у частей новые свойства или нет. Если ничего нового не появилось, значит, мы имели дело с агрегатом.

- целостное рассмотрение;

- установление взаимодействия частей и элементов системы;

- несводимость свойств системы как целого к свойствам ее частей;

Изучение систем началось давно. Так в IV в. до н. э. системы рассматривали корифеи философской и научной мысли Древней Греции – Платон и Аристотель.

Эта концепция позднее получила название витализма, от латинского термина vita, что означает «жизнь».

Во второй половине XX века немецкий биолог Ганс Дриш (1867-1941) продолжал развивать по сути идеи Аристотеля, но направление это уже носит иное название - неовитализм. Дриш экспериментировал с личинками морских ежей, разделял их на части и показал, что из каждой части вырастает новый еж. Так, Дриш дошел в своем делении личинки до 34 частей и показал, что «жизненная сила» (свойство организма как целого) автономна, принципиально необъяснима и не является результатом взаимодействия частей, а, наоборот, сама принизывает все мельчайшие части.

Все вышеперечисленные концепции можно также назвать холизмом (от английского слова whole - целый, весь), так как они исходят из превосходства целостности (интегративного свойства системы) над частями. Но холисты не могут рационально, логически объяснить, откуда берется свойство целостности.

Существует также альтернативная холизму концепция – механицизм, когда свойство целого полностью сводятся к сумме составляющих его частей. К механицистам относится основная масса ученых (И.Ньютон, Р.Декарт, Г.Лейбниц и многие другие). Например, Р.Декарт считал живые организмы механизмами, то есть сводил действия всех органов к законам механики. Очевидно, что и в механицизме есть свои, трудно разрешимые проблемы. Механицизм, как и холизм, представляет собой односторонний подход к пониманию систем.

Дать однозначное определение системы, которое бы охватывало все стороны, крайне сложно. Однако были попытки дать логическое определение системы через понятие множества. Под множеством понимали совокупность объектов с некоторым общим свойством.

Согласно одному из определений (А.Д.Холл, Р.Е.Фейджин и др.), система – это множество объектов вместе с отношениями между ними и их свойствами. Однако, под такой “системой” можно понимать и агрегат (кучу камней), так как в этом определении не отмечаются целостные, системные свойства.

Строение системы.

В строении системы выделяют подсистемы и элементы.

Например, подсистемами человеческого организма являются: эндокринная, нервная, пищеварительная, гормональная, опорно-двигательная и т. п. Элементами будут являться: желудок, печень, почки, гипофиз, надпочечники, кости, мышцы и т. п.

Очевидно, что различие между подсистемами и элементами относительно. Мы можем рассматривать в свою очередь вышеперечисленные органы как подсистемы, тогда элементами будут являться более мелкие части организма, например, клетки.

Структура системы.

Структурой системы называют совокупность взаимосвязей и взаимодействий между элементами, благодаря которым возникают новые целостные свойства, присущие только системе и отсутствующие у отдельных ее компонентов. Эти свойства называют эмерджентными.

Так, например, Н₂О (вода) образована из двух атомов водорода (Н₂) и одного атома кислорода (О). Элементы эти связаны между собой силами электромагнитного взаимодействия. Н₂О обладает свойствами растворителя, ее агрегатное состояние – жидкость, она - прозрачная, безвкусная и т.п. По отдельности Н₂ и О₂ – газы, они не обладают свойствами растворителя, не являются жидкостями и т. п.

Классификацию систем можно производить по различным основаниям:

1. Материальные и идеальные системы.

Материальные системы – это системы неорганического, органического и социального характера (механические, физические, биологические, геологические, социальные и др.).

Идеальные системы представляют собой отражение субъектом материальных систем, существующих в природе и обществе. Наиболее показательным примером идеальной системы можно считать научную гипотезу, теорию или концепцию.

2. Статические и динамические системы.

3. Среди динамических систем выделяют детерминистические и вероятностные (стохастические).

В детерминистических системах предсказание имеет однозначный, вполне достоверный характер. Детерминистические системы используются в точных науках, например, в механике, астрономии и т. п.

Вероятностно-статистические системы имеют дело с массовыми или повторяющимися случайными событиями. Поэтому предсказания в этих системах носят вероятностный характер. Это квантово-механические системы, термодинамические системы, социальные и др.

4. Целенаправленные и нецеленаправленные системы.

Сложноорганизованные социальные системы рассматриваются как целенаправленные, причем в разных подсистемах, на разных уровнях организации эти цели могут быть различными и даже вступать в конфликт друг с другом. Природные же системы цели не имеют.

5. Открытые и закрытые системы.

6. Простые и сложные системы.

В больших саморегулирующихся системах происходит массовое стохастическое взаимодействие элементов. Целостность системы предполагает наличие в ней особого блока управления: прямые и обратные связи между элементами и подсистемами. В технике это системы управления космическими кораблями, заводы-автоматы. В природе – организмы, популяции, биоценозы, биогеоценозы, социальные объекты.

Системный подход возник как метод исследования во время Второй мировой войны (1939-1945), когда военные столкнулись с проблемами комплексного характера, которые требовали учета и взаимодействия многих факторов в рамках целого. Например, снабжение армии, планирование и проведение военных операций, принятие решений и т. п.

На основе системного исследования возникает наука об управлении – кибернетика. Сам термин «кибернетик» в переводе с древнегреческого означает кормчий, тот, кто управляет судном. У истоков кибернетики стояли такие известные ученые как Н.Винер (1894-1964), У.Эшби (1903-1972) и др.

Управление есть процесс накопления, передачи и преобразования информации.

Информация – устранение неопределенности. Информация может также пониматься как случайно запомненный выбор.

Управление осуществляется посредством последовательных точных предписаний – алгоритмов. Чем больше полезной информации (меньше неопределенности), тем организованнее система и ей проще управлять.

Появление компьютеров стало необходимой технической базой обработки и получения информации.

Процесс управления основан на механизме обратной связи. Это понятие разрабатывается в 40-50 годах ХХ века Н.Винером. В работе «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине» Винер следующим образом определяет обратную связь: «Когда мы хотим, чтобы некоторое устройство выполняло заданное движение, разница между заданным и фактическим движением используется как новый входной сигнал, заставляющий регулируемую часть устройства, двигаться так, чтобы фактическое движение, все более приближалось к заданному».

Примером системы с обратной связью может служить летящий самолет противника и зенитная установка с встроенным в нее кибернетическим устройством, которая должна его сбить. Или система, состоящая из упавшего на пол предмета и слаженного действия нашего организма по его оптимальному поднятию и т. д.

Обратная связь бывает «положительной» и «отрицательной» (гомеостатической)

“Положительная” обратная связь.

Представим себе, что существует ряд элементов системы, каждый из которых усиливает действие другого таким образом, что элемент А усиливает действие элемента В, а В, в свою очередь, усиливает действие элемента С и так далее и, наконец, элемент Z усиливает действие А. Так усиление действия одного из элементов неизбежно вызовет лавинообразное нарастание функций всей системы в целом, и обратно, малейшее угасание действия одного из элементов вызывает общее угасание функций системы. Циклы с “положительной” обратной связью редко встречаются в природе (например, лавина в горах, лесной пожар, ядерный распад и т. п.).

“Отрицательная” обратная связь.

Неустойчивую систему с “положительной” обратной связью можно превратить в устойчивую, введя в циклический процесс А—В—С…Z звено (назовем его α), воздействие которого на следующее звено цепи тем слабее, чем сильнее влияет на него предыдущее. Таким образом, возникает регулируемый цикл – гомеостазис (сохранение целостности). Например, регулирование сахара в крови человека, функционирование технических систем типа пылесоса или холодильника и т. п.

Одним из распространенных видов системного подхода является математическое моделирование. Для его применения необходимо рассмотреть ряд однотипных систем и выявить в них общие, качественно однородные свойства, которые необходимо выразить в виде чисел. Зависимость между свойствами может быть выражена в виде функций и уравнений. На этой основе создается математическая (теоретическая) модель изучаемых систем. С помощью модели можно предвидеть дальнейшее поведение системы, сделать долгосрочный прогноз. В дальнейшем сделанный прогноз по возможности проверяется наблюдениями или экспериментами. Например, сценарий “ядерной зимы” К.Сагана, предсказания Римского клуба (Медоуза) развития человечества до 2000 г. и т. д.

Другим вариантом системного исследования можно считать системотехнику. В рамках системотехники конструируются новейшие, сложнейшие технические системы, в которых учитываются не только работа механизмов, но и действие человека-оператора, управляющего механизмами. Системотехника – это внедрение человеко-машинных систем, компьютеров, работающих в системе диалога с исследователем.

В рамках системного анализа рассматриваются комплексные, многоуровневые системы, состоящие из элементов разной природы, но взаимосвязанные друг с другом в рамках единого целого.

Например, фабрика, где связаны воедино и подчинены единой цели элементы разной природы: производство товара, его сбыт, снабжение сырьем, конструкторские разработки, ремонтные службы, социальная сфера и т. д. Другой пример – учебное заведение, где соединяются вместе такие элементы, как процесс обучения, научные разработки, административно-хозяйственные службы, социально-культурная сфера и т. д.

Были разработаны проекты построения общей теории систем, принципы и утверждения которой были бы универсальными. Один из инициаторов создания такой теории систем - австрийский биолог Людвиг фон Берталанфи (1901-1972). Он писал, что «мы можем задаться вопросом о принципах, применимых к системам вообще, независимо от их физической, биологической или социальной природы. Если мы поставим такую задачу и подходящим образом определим понятие системы, то обнаружим, что существуют модели, принципы и законы, которые применимы к обобщенным системам, независимо от их частного вида, элементов или сил, их составляющих».

Сегодня выделяют ряд общих принципов, присущих любым системам. К ним относятся:

1. Принцип целостности.

2. Принцип несводимости целого к частям.

3. Новое в системе рассматривается как эффект целостности. Изменяются связи между элементами – появляется новая целостность.

4. Основным законом системы является закон интеграции и дифференциации систем.

Одним из непосредственных предшественником Берталанфи был А. А. Богданов (1873-1928), с его оригинальным проектом «Тектологии», не утратившим теоретической ценности и значимости и в настоящее время. Предпринятая А. А. Богдановым попытка найти и обобщить общеорганизационные законы, проявления которых прослеживаются на неорганическом, органическом, психическом, социальном, культурном и пр. уровнях, привела его к весьма значительным методологическим обобщениям, открывшим пути к революционным открытиям в области философии, медицины, экономики и социологии.

Системный подход оказал большое влияние на развитие философского знания. Так, некоторые сторонники системного подхода на Западе стали рассматривать его в качестве новой философии, где упор делается на синтез, на целое, а не на редукцию и части. В связи с этим новое видение получила старая философская проблема соотношения целого и частей.

Системный подход избегает крайностей как одной, так и другой точек зрения. Он исходит из того, что система как целое возникает не каким-то мистическим, необъяснимым путем, а как результат конкретного взаимодействия вполне определенных реальных частей. Именно вследствие этого взаимодействия и образуются новые интегральные свойства системы. Вновь же возникшая целостность в свою очередь начинает оказывать воздействие на части, подчиняя их функционирование задачам и целям единой целостной системы.