Branduolinė energija

Branduoline energija yra svarbus šiuolaikinio gyvenimo veiksnys: branduoliniai ginklai ne tik susiję su politika, bet ir kaip bauginanti šmėkla persekioja kiekvieną žmogų. Ir kai žmonija vis didejantį energijos poreikį tenkina plėtodama branduolinę energetiką, radioaktyviomis atliekomis vis labiau teršiama mūsų planeta. Iš tikro gyvenimas Žemeje visada priklausė nuo branduolinės energijos: branduolių sintezė lemia Saulės energija., radioaktyvieji procesai Žemės gelmėse įkaitina jos skystą branduolį ir daro įtaką Žemės plutos blokų judėjimui. Branduolinė energija išsiskiria branduolių radioaktyviojo skilimo, dalijimosi ir sintezės (jungimosi) metu.

Radioaktyvumas &– tai kai kurių nestabilių branduolių savybė (savaime) skilti i kitų elementų branduolius ir sukelti radiaciją (spinduliuotę). Šis vyksmas dar žinomas kaip radioaktyvusis skilimas.

Radioaktyvumą atrado Antuanas Anri Bekeris (1852 – 1908). Gavus radi paaiškėjo, kad radioaktyvių procesų metu išsiskiria be galo daug energijos.

Radioktyviųjų elementų spinduliuotė būna trijų rūšių : alfa dalelių srautas() (alfa spinduliai), beta dalelių srautas() (beta spinduliai ir gama spinduliai(). Taip pat mažai radioaktyvūs yra rentgeno spinduliai(), kurių dalelių dozė taip pat gali sukelti spindulinę ligą, ir pakenkti žžmogaus organizmui.

Rentgeno spinduliai, X spinduliai, elektromagnetiniai jonizuojantieji spinduliai, kurių bangos ilgis  = 10-14 – 10-7m. Rentgeno spinduliai, kurių  < 0,2 nm, sąlygiškai vadinami kietaisiais, kurių  > 0,2 nm – minkštaisiais. Rentgeno spindulius sukuria rentgeno vamzdis, sinchronuotas, priešpriešinių ppluoštų greitintuvo elektronų kaupimo žiedas; juos skleidžia radioktyvieji izotopai, Saulė, kiti kosminiai rentgeno šaltiniai. Pagal sužadinimo būdą rentgeno spinduliai ir jų spektrai būna stabdomieji, arba baltieji ir charakteringieji, arba būdingieji. Stabdomųjų rentgeno spindulių intensyvumas tolydus pagal visus dažnius iki didžiausio dažnio 0. Rentgeno spindulių kvantų energija h0 (čia h – Planko konstanta) lygi rentgeno spindulių žadinančių pagreitintų elektronų energijai eU; čia e – elektrono krūvis, U – greitintuvo įtampa. Dažnį 0 atitinka rentgeno spindulių spektro trumpabangė riba 0 = hc/eU; čia c – šviesos greitis vakuume. Charakteringieji rentgeno spinduliai susidaro dėl atomo jonizacijos, išlėkus elektronui iš atomo vidinių sluoksnių. Jei atomą jonizuoja susidūrusi su juo didelės energijos dalelė, pvz., elektronas, yra pirminiai rentgeno spinduliai, jei rentgeno arba gama kvantas – aantriniai, arba fluorescenciniai. Charakteringųjų rentgeno spindulių spektro linijų dažnis būdingas kiekvieno cheminio elemento atomui; dažnio priklausomybė nuo atomų skaičiaus nusako Mozlio dėsnis. Stabdomieji rentgeno spinduliai, kurie sužadinami labai plonuose taikiniuose, arti dažnio 0 yra visiškai poliarizuoti; mažėjant dažniui, poliarizacijos laipsnis mažėja. Charakteringieji rentgeno spinduliai visiškai nepoliarizuoti. Rentgeno spindulių ir medžiagos sąveika sukelia fotoefektą, rentgeno spindulių absorbciją ir sklaidymą. Fotefekto metu medžiagos atomas, absorbavęs rentgeno spindulių kvantą, išspinduliuoja vieną savo vidinių sluoksnių elektroną ir charakteringųjų rentgeno spindulių kvantą arba antrąjį – eelektroną.

Rentgeno spindulių naudojimo sritys : medicina (Rentgenodiagnostika, Rentgenoterapija), technika (Rentgeno defektoskopija), moksliniai tyrimai (Rentgenostruktūrinė analizė, Rentgenografija, Rentgeno mikroskopija). Iš kosminių rentgeno spindulių sužinoma apie kosminių kūnų cheminę sudėtį ir fizikinius procesus kosmose (Rentgeno astronomija). Rentgeno spinduliai spartina kai kurias chemines reakcijas, medžiagų polimerizaciją, organinių medžiagų krekingą (Radiacinė chemija), jais naudojamasi senovės tapybai rasti po vėlesnės tapybos sluoksnių, maisto pramonėje (svetimkūniams rasti), kriminalistikoje, archeologijoje.

Rentgeno spindulius 1895 atrado vokietis V. Rentgenas. 1985-97 jis nustatė, kad rentgeno spinduliai jonizuoja dujas, sužadina medžiagų fluorescenciją, veikia foto plokštelę; yra labai skvarbūs. Rentgeno spindulių banginį pobūdį numatė Dž. Stoksas (D. Britanija), eksperimentais 1906 patvirtino E. Barkla (D. Britanija).

Gama spinduliai,  spinduliai, trumpųjų bangų ( bangos ilgis  < 4 * 10-10 m) elektromagnetiniai spinduliai. Gama spindulius skleidžia po radioktyviojo skilimo ir branduolinių reakcijų sužadinti atomų branduoliai; gama spinduliai spinduliuodami, stabdant greitas elektringasias daleles, anihiliuojant dalelių ir antidalelių poroms, kai kurioms elementariosioms dalelėms (pvz., 0 mezonams, 0 hiperonams) virstant kitomis elementariomis dalelėmis. Gama spindulių, sužadintų stabdant elektringąsias daleles, spektras yra ištisinis, sužadintų kitais būdais – linijinis. Korpuskulinės gama spindulių savybės ryškesnės už banginės, todėl gama spinduliai dažnai laikomi dalelių (  kvantų), apibudinamų kvanto energiją E = h, srautu; čia h – Planko konstanta,  – spinduliuojamos bbangos dažnis. Radioaktyviojo skilimo sužadintų gama spindulių energija siekia iki 5 MeV (  2,4 * 10-13 m), branduolinių reakcijų – iki 20 MeV (  0,6 * 10-13 m), gautų galinguose greitintuvuose – iki 10 GeV (  1,2 * 10-16 m).

Gama spinduliai labai svarbūs. Sklisdamas medžiagoje, gama spindulių srautas silpnėja eksponentiškai pagal dėsnį I = I0e-x; cia I – x storio medžiagos sluoksnį praėjusio gama spindulių srauto stiprumas, I0 – pradinis gama spindulių srauto stiprumas,  – absorcijos koeficientas. Srauto silpnejimą sąlygoja 3 pagrindiniai procesai: fotoefektas, kai  kvanto energija perduodama su atomu susijusiam elektronui ir atomas jonizuojamas; Komptono efektas, kai  kvantas, susiduręs su atomo elektronu, perduoda jam dalį energijos ir pakeičia savo judėjimo kryptį; elektrono ir pozitrono porų sukūrimas (jei E > 1,022 MeV). Šių procesų tikimybė tuo didesnė, kuo didesnis medžiagos atomų skaičius Z (fotoefekto tikimybė proporcinga Z5, Komptono efekto – Z, porų susikūrimo – Z2), dėl to apsaugai nuo gama spindulių vartojamos medžiagos, kuriose daug sunkiųjų elementų (pvz., švino). Antriniai elektronai, susidarę medžiagoje po gama spindulių absorcijos, stipriai jonizuoja atomus ir sudaro sąlygas vykti cheminėms reakcijoms. Sudėtingos struktūros medžiagose (pvz., gyvuose audiniuose) didesnės gama spindulių dozės sukelia negrįžtamų pakitimų. 13 mm. storio švino (arba 1120 m oro) sluoksnis perpus sumažina jų intensyvumą.

Gama spinduliai vartojami defektoskopijoje, vėžinėms ligoms gydyti, maisto produktams sterilizuoti, radiacinės chemijos , biologijos, selekcijos tyrimams, teikia duomenų apie branduolių energijos lygmenis ir branduoliuose vykstančius procesus. Svarbiausieji gama spindulių šaltiniai yra gamtiniai ir dirbtiniai radioktyvieji izotopai, pvz., radis 226Ra, kobaltas 60Co, cezis 137Cs, taip pat elektronų greitintuvai. Gama spindulius 1900 atrado P. Vilaras iš Prancuzijos. Jų elektromagnetinę banginę prigimtį 1914 įrodė E. Rezerfordas ir E. N. da Andreinas (D. Britanija), sukėlę gama spindulių difrakciją.

Anihiliacija [lot. anihilatio – išnykimas], reiškinys, kai elementarioji dalelė ir jos antidalelė susidurdamos išnyksta, pavirsdamos atitinkamo fizikinio lauko kvantais (kitos formos materija). Anihiliacijoje galioja energijos , elektros krūvio, judėsio kiekio, judėsio kiekio momento tvermės dėsniai. Būdingas anihiliacijai atvėjis yra elektrono ir jo antidalelės – pozitrono anihiliacija. Susidurdami elektronas ir pozitronas išnyksta ir atsiranda fotonai, tai yra elektromagnetinio lauko kvantai. Bendroji atsiradusių fotonų energija lygi elektrono ir pozitrono savųjų energijų sumai, tai yra 2 * 0,51 Mev = 1,02 MeV. Dažniausiai pagal lygti e+ + e- = 2 atsiranda 2 fotonai, kurie dėl judėsio kiekio tvermės dėsnio skrieja i priešingas puses. Tokius fotonus galima stebėti, bombarduojant pozitronais kokia nors medžiaga. Anihiliuojant sunkiosioms dalelėms (nukleonui ir antinukleonui), dažniausiai atsiranda 4 – 5

branduolinio lauko kvantai – elektringi ir neutralus pi mezonai ar pionai +, - ir 0, tai yra lengvesnės nepatvarios dalelės. Po kelių virsmų iš jų atsiranda pozitronai, elektronai ir fotonai. Galima ir kitų sunkiųjų dalelių (barionų) ir jų antidalelių anihiliacija. Jų labai mažai, ir tikimybė, kad jos susidurs ir anihiliuos, yra maža. Anihiliacija seka iš 1930 paskelbtos P. Dirako teorijos. 1933 eksperimentiškai buvo pastebeta elektrono ir pozitrono anihiliacija. Anihiliacija parodė, kad nėra pastovių, nekintamų dalelių, iš kurių sudaryti visi materialūs oobjektai: viena materijos forma gali virsti kitomis formomis. Anihiliacijai priešingas procesas yra porų atsiradimas.

Alfa dalelės ( daleles). Teigiamosios elektringosios dalelės, skleidžiamos kai kurių radioaktyviųjų branduolių. Jos palyginti sunkios (du protonai ir du elektronai), juda lėtai ir negiliai įsiskverbia į medžiaga. Ore nulekia vos kelis centimetrus, ją gali sugerti storas popieriaus lapas.

Beta dalelės ( daleles). Kai kurių radioaktyviųjų branduolių spinduliuojamos dalelės, kurių greitis artimas šviesos greičiui.  dalelės būna dviejų rušių: elektronai ir pozitronai; pastarųjų masė tokia pat kaip elektronų, bet kkrūvis teigiamas. Ji ore gali įveikti 1 m. nuotolį. Ją sugeria 1mm. storio metalo, pvz., vario sluoksnis.

Naudota literatura:

„Mokslas ir visata“

„Fizika humanitarams“

www.mokslo.centras.lt

„Fizikos ˛inynas“