«Большая Советская Энциклопедия (ЯД)»

Большая Советская Энциклопедия (ЯД)

Ядамсурэн Уржингийн

Ядамсурэ'н Уржингийн (р. 1905, Восточный аймак), монгольский живописец. Учился в Московском художественном институте им. В. И. Сурикова (1930-е гг.). В произведениях Я. («Народный сказитель», 1958, Музей изобразительных искусств МНР, Улан-Батор; «Победоносный герой», совместно с Уржином) техника и приёмы национальной живописи удачно сочетаются с методами европейского письма.

У. Ядамсурэн. «Три печальных холма». Гуашь. 1962. Музей изобразительных искусств МНР. Улан-Батор.

(обратно)

Ядерная авария

Я'дерная ава'рия , вызывается неконтролируемым течением цепной реакции в ядерном реакторе .

  Неконтролируемое протекание цепной реакции во всём объёме активной зоны ядерного реактора практически невозможно — система управления и защиты реактора исключает возникновение подобной ситуации. Однако при значительных геометрических размерах современных мощных энергетических реакторов возможно возникновение локальных кратковременных очагов критичности, что может привести к нежелательным последствиям, например возникновению повреждений в реакторе или его активной зоне в результате возрастания тепловыделения сверх допустимого значения. Такой тепловой всплеск может быть вызван, например, смещением тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) со своих мест, ошибочным извлечением стержня регулирования.

  Я. а. может быть также обусловлена образованием критической массы в объёмах или устройствах, содержащих делящиеся материалы. Соблюдение правил техники безопасности при работе с делящимися веществами практически полностью исключает возможность возникновения Я. а. такого рода.

  Ю. И. Корякин.

(обратно)

Ядерная батарея

Я'дерная батаре'я , атомная батарея, источник тока, преобразующий энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде, в энергию электрического тока (см. Радиоактивность ). Я. б. используют преимущественно в портативной радиоаппаратуре, наручных часах, слуховых аппаратах, измерительных приборах. В зависимости от способа превращения ядерной энергии в электрическую Я. б. можно разделить на 2 типа: 1) с прямым зарядом электродов, при котором заряженные частицы, вылетающие с одного электрода (эмиттера), накапливаются на другом электроде (коллекторе), образуя разность потенциалов; 2) с преобразованием кинетической энергии испускаемых заряженных частиц в электрическую энергию при помощи промежуточных сред — газообразных, жидких или твёрдых; в этом случае используют явления контактной разности потенциалов электродов в ионизированном газе, электрохимические генерации энергии из радикальных и молекулярных продуктов, образующихся под действием радиоактивного излучения на электролит, а также полупроводниковые р — n -переходы. Источником заряженных частиц (b-частиц, a-частиц, осколков деления ядер) в Я. б. служат либо радиоактивные изотопы, либо нерадиоактивные элементы (например, серебро), активируемые в ядерном реакторе при нейтронном облучении.

  Н. С. Лидоренко.

(обратно)

Ядерная бомба

Я'дерная бо'мба , авиационная бомба с ядерным зарядом ; один из видов ядерных боеприпасов. Сбрасывается с самолётов или других летательных аппаратов для поражения различных целей. См. также Атомная бомба .

(обратно)

Ядерная геология

Я'дерная геоло'гия , см. Радиогеология .

(обратно)

Ядерная силовая установка

Я'дерная силова'я устано'вка , ядерная энергетическая установка, предназначена для использования, как правило, на транспортных средствах.

  Основная сфера применения Я. с. у. — атомный флот . Это объясняется рядом преимуществ Я. с. у. перед корабельными установками на обычном топливе: практически неограниченная автономность плавания, большая мощность на валу, и, как следствие, возможность длительно использовать высокую скорость хода. Я. с. у. состоит из ядерного реактора с оборудованием и паро- или газотурбинной установки, посредством которых тепловая энергия, выделяющаяся в реакторе, преобразуется в механическую или в электрическую энергию. Наибольшее распространение в Я. с. у. получили водо-водяные реакторы под давлением.

  Преимущественное использование Я. с. у. на судах, в первую очередь на подводных лодках, обусловлено тем, что Я. с. у. при работе не требуют кислорода, благодаря чему подводные лодки могут более длительное время находиться в погруженном состоянии. В 1959 в Советском Союзе было построено первое невоенное судно с Я. с. у.— атомный ледокол «Ленин» . В дальнейшем были построены более мощные атомные ледоколы — «Арктика» (1974) и «Сибирь» (1977). В 60—70-х гг. за рубежом также были построены транспортные экспериментальные суда невоенного назначения, оснащенные Я. с. у., — «Саванна» (США), «Отто Ган» (ФРГ), «Муцу» (Япония).

  В разное время в ряде стран велись разработки воздушно транспортных средств с Я. с. у. (самолётов, дирижаблей), однако к 1978 работа по ним не вышла за рамки технико-экономических исследований и проектных проработок. Несколько дальше продвинулись работы по Я. с. у. для космических летательных аппаратов ; например, в США (проект Nerva) работы были доведены до стадии стендовых испытаний.

  Ю. И. Корякин.

(обратно)

Ядерная спектроскопия

Я'дерная спектроскопи'я , раздел ядерной физики, посвященный изучению дискретного спектра ядерных состояний — определение энергии, спина , чётности , изотонического спина и др. квантовых характеристик ядра в основном в возбуждённых состояниях. Значение этих данных необходимо для выяснения структуры ядер и получения сведений о силах, действующих между нуклонами (см. Ядро атомное ). Установление перечисленных характеристик производится путём измерения энергий, интенсивностей, угловых распределений и поляризаций излучений, испускаемых ядром либо в процессе радиоактивного распада, либо в ядерных реакциях . Получение спектроскопических данных по исследованию радиоактивного распада часто называется спектроскопией радиоактивных излучений, причём различают a-, b- и g-спектроскопии в соответствии с типом излучений. В ядерно-спектроскопических исследованиях, основанных на использовании ядерных реакций, отчётливо выделены 3 направления: применение так называемых прямых ядерных реакций , кулоновского возбуждения ядра и резонансных реакций. В последнем направлении особое место занимает так называемая нейтронная спектроскопия (изучение энергетических зависимостей вероятностей ядерных реакций, вызываемых нейтронами).

  Арсенал технических средств современной Я. с. чрезвычайно разнообразен. Он включает в себя магнитные спектрометры для измерения энергий заряженных частиц, кристалл-дифракционные спектрометры для измерения энергий g-излучения, различные детекторы ядерных излучений , позволяющие регистрировать и измерять энергию частиц и g-квантов по эффектам взаимодействия быстрых частиц с атомами вещества (возбуждение и ионизация атомов). Среди спектрометрических приборов этого типа большое значение приобрели твердотельные детекторы (см. Сцинтилляционный счётчик , Полупроводниковый детектор ), сочетающие сравнительно хорошее энергетическое разрешение (относительная точность измерения энергии ~ 1—10%) с высокой «светосилой» (доля эффективно используемого излучения), достигающей в некоторых приборах величин, близких к 1 (энергетическое разрешение лучших магнитных спектрометров 0,1% при светосиле около 10-3 ).

  Благодаря появлению полупроводниковых детекторов и развитию ускорительной техники (см. Ускорители заряженных частиц ), а также применению ЭВМ (для накопления и обработки экспериментальных данных и для управления экспериментом) стало возможным создание автоматизированных измерительных комплексов, позволяющих получить большие объёмы систематизированной прецизионной информации о свойствах ядер (см. рис. ).

  Методы Я. с. применяются практически во всех ядерных исследованиях, а также за пределами физики (в биологии, химии, медицине, технике); например, активационный анализ опирается на данные о схемах распада радиоактивных изотопов; Мёссбауэра эффект , первоначально использовавшийся в Я. с. как метод измерения времён жизни возбуждённых состояний ядер, применяется для исследования электронной структуры твёрдого тела, строения молекул и др. Данные Я. с. необходимы также при химических, биологических и других исследованиях методами изотопных индикаторов.

  Лит.: Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия, пер. с англ., М., 1969. См. также лит. при ст. Ядро атомное .

  А. А. Сорокин.

Блок-схема измерительного комплекса (на базе синхроциклотрона ОИЯИ) для изучения схем распада нейтронно-дефицитных ядер, образующихся при бомбардировке ядер мишени (например, Ta) протонами с энергией до 680 Мэв .

(обратно)

Ядерная техника

Я'дерная те'хника, отрасль техники, использующая ядерную энергию ; совокупность технических средств и организационных мероприятий, связанных с техническим использованием ядерных свойств различных веществ. Основные направления Я. т.— реакторостроение, производство ядерного топлива , изготовление тепловыделяющих элементов для ядерных реакторов , переработка отработавшего ядерного топлива, изотопов разделение , производство и применение радиоактивных изотопов , разработка методов и средств защиты организма от излучения . С Я. т. тесно связаны промышленным получение конструкционных материалов для ядерных реакторов, в частности графита , тяжёлой воды , циркония , бериллия и др.; создание надёжных систем автоматического регулирования и управления реакторами и ядерными силовыми установками ; разработка рациональных систем отвода и использования тепла, выделяющегося в реакторе; разработка теории и методов расчёта ядерно-физических и тепловых процессов и многие другие научно-технические проблемы.

(обратно)

Ядерная физика

Я'дерная фи'зика, раздел физики, посвященный изучению структуры атомного ядра, процессов радиоактивного распада и механизма ядерных реакций . Придавая этому термину более общий смысл, к Я. ф. часто относят также физику элементарных частиц . Иногда разделами Я. ф. продолжают считать направления исследований, ставшие самостоятельными ветвями техники, например ускорительную технику (см. Ускорители заряженных частиц ), ядерную энергетику . Исторически Я. ф. возникла ещё до установления факта существования ядра атомного . Возраст Я. ф. можно исчислять со времени открытия радиоактивности .

  Канонизированного деления современной Я. ф. на более узкие области и направления не существует. Обычно различают Я. ф. низких, промежуточных и высоких энергий. К Я. ф. низких энергий относят проблемы строения ядра, изучение радиоактивного распада ядер, а также исследования ядерных реакций, вызываемых частицами с энергией до 200 Мэв. Энергии от 200 Мэв до 1 Гэв называются промежуточными, а свыше 1 Гэв — высокими. Это разграничение в значительной мере условно (особенно деление на промежуточные и высокие энергии) и сложилось в соответствии с историей развития ускорительной техники. В современной Я. ф. структуру ядра исследуют с помощью частиц высоких энергий, а фундаментальные свойства элементарных частиц устанавливают в результате исследования радиоактивного распада ядер.

  Обширной составной частью Я. ф. низких энергии является нейтронная физика, охватывающая исследования взаимодействия медленных нейтронов с веществом и ядерные реакции под действием нейтронов (см. Нейтронная спектроскопия ). Молодой областью Я. ф. является изучение ядерных реакций под действием многозарядных ионов. Эти реакции используются как для поиска новых тяжёлых ядер (см. Трансурановые элементы ), так и для изучения механизма взаимодействия сложных ядер друг с другом. Отдельное направление Я. ф. — изучение взаимодействия ядер с электронами и фотонами (см. Фотоядерные реакции ). Все эти разделы Я. ф. тесно переплетаются друг с другом и связаны общими целями.

  В Я. ф. (как и во всей современной физике) существует резкое разделение эксперимента и теории. Арсенал экспериментальных средств Я. ф. разнообразен и технически сложен. Его основу составляют ускорители заряженных частиц (от электронов до многозарядных ионов), ядерные реакторы , служащие мощными источниками нейтронов, и детекторы ядерных излучений , регистрирующие продукты ядерных реакций. Для современного ядерного эксперимента характерны большие интенсивности потоков ускоренных заряженных частиц или нейтронов, позволяющие исследовать редкие ядерные процессы и явления, и одновременная регистрация нескольких частиц, испускаемых в одном акте ядерного столкновения. Множество данных, получаемых в одном опыте, требует использования ЭВМ, сопрягаемых непосредственно с регистрирующей аппаратурой (см. Ядерная спектроскопия ). Сложность и трудоёмкость эксперимента приводит к тому, что его выполнение часто оказывается посильным лишь большим коллективам специалистов.

  Для теоретической Я. ф. характерна необходимость использования аппаратов разнообразных разделов теоретической физики: классической электродинамики , теории сплошных сред, квантовой механики , статистической физики , квантовой теории поля . Центральная проблема теоретической Я. ф. — квантовая задача о движении многих тел, сильно взаимодействующих друг с другом. Теорией ядра и элементарных частиц были рождены и развиты новые направления теоретической физики (например, в теории сверхпроводимости , в теории химической реакции), получившие впоследствии применение в других областях физики и положившие начало новым математическим исследованиям (обратная задача теории рассеяния и её применения к решению нелинейных уравнений в частных производных) и др. Развитие теоретических и экспериментальных ядерных исследований взаимозависимо и тематически связано. Стоящие перед Я. ф. проблемы слишком сложны и лишь в немногих случаях могут быть решены чисто теоретическим или эмпирическим путём. Я. ф. оказала большое влияние на развитие ряда других областей физики (в частности, астрофизики и физики твёрдого тела) и других наук (химии, биологии, биофизики).

  Прикладное значение Я. ф. в жизни современного общества огромно, её практические приложения фантастически разнообразны — от ядерного оружия и ядерной энергетики до диагностики и терапии в медицине (см. Радиология ). Вместе с тем (и это является специфической особенностью Я. ф.) она остаётся той фундаментальной наукой, от прогресса которой можно ожидать выяснения глубоких свойств строения материи и открытия новых общих законов природы.

  Лит. см. при ст. Ядро атомное .

  И. С. Шапиро.

(обратно)

«Ядерная физика»

«Я'дерная фи'зика», научный журнал Отделения ядерной физики АН СССР. Основан в 1965, издаётся в Москве. Выходит 2 тома в год по 6 выпусков в каждом. Публикует оригинальные статьи, рассчитанные на специалистов по физике атомного ядра, физике элементарных частиц, физике частиц высоких энергий, физике космических лучей. Тираж (1978) около 1000 экз. Переиздаётся в США на английском языке (с 1965).

(обратно)

Ядерная фотографическая эмульсия

Я'дерная фотографи'ческая эму'льсия, фотографическая эмульсия , предназначенная для регистрации следов заряженных ядерных частиц. Используется в ядерной физике , физике элементарных частиц и космического излучения, для авторадиографии и в дозиметрии ядерных излучений. Первым применением фотоэмульсии в ядерной физике можно считать исследования А. А. Беккереля , который в 1896 обнаружил радиоактивность солей U по вызываемому ими почернению фотоэмульсии. В 1910 японский физик С. Киносита показал, что зёрна галогенида серебра обычной фотоэмульсии становятся способными к проявлению, если через них прошла хотя бы одна a-частица. В 1927 Л. В. Мысовский с сотрудниками (СССР) изготовил пластинки с толщиной эмульсионного слоя 50 мкм и наблюдал с их помощью рассеяние a-частиц на ядрах эмульсии. В 30-х гг. началось изготовление Я. ф. э. со стандартными свойствами, с помощью которых можно было регистрировать следы медленных частиц (a-частиц, протонов). В 1937—1938 М. Блау и Г. Вомбахер (Австрия) и А. П. Жданов с сотрудниками (СССР) наблюдали в Я. ф. э. расщепления ядер, вызванные космическим излучением. В 1945—1948 появились Я. ф. э., пригодные для регистрации слабо ионизующих однозарядных релятивистских частиц, метод Я. ф. э. стал точным количественным методом исследований.

  Я. ф. э. отличается от обычной фотоэмульсии двумя особенностями: отношение массы галогенида серебра к массе желатины в 8 раз больше; толщина слоя, как правило, в 10—100 раз больше, достигая иногда 1000—2000 мкм и более (стандартная толщина фирменных Я. ф. э. 100—600 мкм ). Зёрна галогенида серебра в эмульсии имеют сферическую или кубическую форму, их средний линейный размер зависит от сорта эмульсии и обычно составляет 0,08—0,30 мкм .

  Заряженные частицы или электромагнитное излучение, связанное с ядерными реакциями, вызывают в Я. ф. э. действие, аналогичное свету. Процесс проявления играет роль сильного увеличения первоначального слабого эффекта (скрытого фотографического изображения ), подробно тому как лавинный разряд в Гейгер-Мюллера счётчике или бурное вскипание пузырьков в пузырьковой камере многократно увеличивают слабые эффекты, связанные с начальной ионизацией, производимой заряженной частицей. Ядерные частицы, как правило, обладают большой энергией, благодаря чему они могут создавать центры чувствительности в лежащих на их пути зёрнах галогенида серебра. После фиксирования Я. ф. э. вдоль следа частицы образуется цепочка чёрных зёрен. Следы частиц наблюдают с помощью микроскопа при увеличении 200—2000.

  В ядерной физике эмульсии обычно используют в виде слоев, нанесённых на стеклянные подложки. При исследовании частиц высоких энергий (на ускорителях или в космическом излучении) их иногда укладывают в большие стопки в несколько сотен слоев. Объём стопок доходит до десятков л ; образуется практически сплошная фоточувствительная масса. После экспозиции отдельные слои могут быть наклеены на стеклянные подложки и обработаны обычным образом. Положение слоев точно маркируется, благодаря чему траекторию частиц легко прослеживать по всей стопке, переходя от слоя к слою.

  Свойства следа, оставленного в эмульсии заряженной частицей, зависят от её заряда Z, скорости v и массы М . Так, остаточный пробег частицы (длина следа от его начала до точки остановки) при данных е и v пропорционален М; при достаточно большой скорости v частицы плотность зёрен (число проявленных зёрен на единицу длины следа) g ~ e 2 /v 2 . Если плотность зёрен слишком велика, они слипаются в сплошной чёрный след. В этом случае, особенно если е велико, мерой скорости может быть число d-электронов, образующих на следе характерные ответвления. Их плотность также ~ e 2 /v 2 . Если е = 1, а v ~ с (с — скорость света), то след частицы в релятивистской Я. ф. э. имеет вид прерывистой линии из 15—20 чёрных точек на 100 мкм пути (рис. 1 ). В Я. ф. э. можно измерять рассеяние частицы, среднее угловое отклонение на единицу пути: j ~ e/pv (р — импульс частицы). Я. ф. э. можно поместить в сильное магнитное поле и измерить импульс частицы и знак её заряда, что позволяет определить заряд, массу и скорость частицы. Достоинства метода Я. ф. э. — высокое пространственное разрешение (можно различать явления, отделённые расстояниями < 1 мкм , что для релятивистской частицы соответствует временам пролёта <10-16 сек ) и возможность длительного накопления редких событий.

  Создание современной Я. ф. э. явилось большим научно-техническим достижением. По словам английского физика С. Пауэлла, «разработка улучшенных эмульсий как бы открыла новое окно в природу, через которое мы впервые увидели следы, странные и неожиданные, еще неизвестные физикам...».

  С 1945 по 1955 методом Я. ф. э. были сделаны важные открытия: зарегистрированы p-мезоны (пионы) и последовательности распадов p ® m + n, m ® e + n + n в Я. ф. э., экспонированных космическим излучением, а также обнаружены ядерные взаимодействия p- - и К- -мезонов. С помощью Я. ф. э. удалось оценить время жизни p0 -мезона (10-16 сек ), обнаружен распад К-мезона на 3 пиона, открыт S-гиперон и обнаружено существование гипер-ядра , открыт антилямдагиперон (см. Гипероны ). Методом Я. ф. э. был исследован состав первичного космического излучения; кроме протонов, в нём были обнаружены ядра He и более тяжёлых элементов, вплоть до Fe (рис. 3 ). С 60-х гг. метод Я. ф. э. вытесняется пузырьковыми камерами , которые дают бо'льшую точность измерений и возможность применения ЭВМ для обработки данных.

  Лит.: Пауэлл С., Фаулер П., Перкинс Д., Исследование элементарных частиц фотографическим методом, пер. с англ., М., 1962.

  А. О. Вайсенберг.

Рис. 2. «Звезда», образованная ядром S из первичного космического излучения, след унизан многими следами d-электронов. Следы частиц с небольшой ионизацией (стрелки) принадлежат мезонам, возникшим при столкновении ядра S с ядрами эмульсии.

Рис. 1. Следы частиц с различной ионизующей способностью. «Звезда» создана p-мезоном с энергией 750 Мэв . На следе, идущем вправо, заметны «веточки» медленных d-электронов.

(обратно)

Ядерная химия

Я'дерная хи'мия, термин, который часто применяется в том же смысле, что и радиохимия . К Я. х. иногда относят также ряд проблем, связанных с исследованием продуктов ядерных реакций и использованием методов ядерной физики в химических исследованиях (см. Мёссбауэра эффект , Ядерный магнитный резонанс , Ядерный квадрупольный резонанс и др.).

(обратно)

Ядерная электроника

Я'дерная электро'ника, совокупность методов ядерной физики, в которых используются электронные приборы для получения, преобразования и обработки информации, поступающей от детекторов ядерных излучений . Эти методы применяются помимо ядерной физики и физики элементарных частиц всюду, где приходится иметь дело с ионизирующими излучениями (химия, медицина, космические исследования и т. д.). Малая длительность процессов и, как правило, высокая их частота, а также наличие фона требуют от приборов Я. э. высокого временного разрешения (~ 10-9 сек ). Необходимость одновременного измерения большого числа параметров (амплитуды сигнала, времени его прихода, координаты точки его детектирования и др.) привела к тому, что именно в Я. э. впервые были разработаны схемы аналого-цифрового преобразования, применены цифровые методы накопления информации, многоканальный и многомерный анализ и использованы ЭВМ (см. Электронная вычислительная машина ).

  При регистрации частиц (или квантов) задача Я. э. сводится к счёту импульсов от детектора; при идентификации типа излучения или при исследовании его спектра анализируется форма импульса, его амплитуда или относительная задержка между импульсами. В случае исследования пространств, распределения излучения регистрируются номера «сработавших» детекторов или непосредственно определяется координата точки детектирования.

  Главными элементами устройств Я. э. являются: совпадений схемы , антисовпадений схемы , амплитудные дискриминаторы, линейные схемы пропускания и сумматоры, многоканальные временные и амплитудные анализаторы, различные устройства для съёма информации с координатных детекторов (искровых камер и пропорциональных камер) и т. д. Полный перечень насчитывает сотни наименований.

  Устройство для регистрации частиц содержит детектор, усилитель, преобразователь сигнала и регистрирующее устройство. Преобразователь переводит сигнал детектора в стандартный импульс или преобразует амплитуду или время прихода сигнала в цифровой код. Для регистрации результатов измерения применяются счётчики импульсов, запоминающие устройства или ЭВМ, реже самопишущие приборы или фотоаппаратура.

  На рис. 1 изображена упрощённая система для исследования спектров излучения. Заряженная частица пересекает детекторы Д1 , Д2 , Д3 и останавливается в детекторе Д4 . Сигналы с Д1 , Д2 , Д3 через формирователи Ф1 , Ф2 , Ф3 поступают на схему совпадений СС, которая отбирает события, при которых сигналы на её входы приходят одновременно. Одновременность прихода импульсов обеспечивается согласующимися линиями задержки ЛЗ. Схема совпадения вырабатывает сигнал, который «разрешает» преобразование исследуемого импульса от детектора Д4 . Результат преобразования из аналого-цифрового преобразователя АЦП в виде цифрового кода заносится в оперативное запоминающее устройство или ЭВМ. Измеренный амплитудный спектр выводится на экран электроннолучевой трубки ЭЛТ. Эта часть системы, ограниченная пунктиром, представляет собой многоканальный амплитудный анализатор. Скорость счёта на выходе схемы совпадений, фиксируемая счётчиком СЧ, показывает число зарегистрированных событий. Временной отбор сигналов осуществляется схемами совпадений, которые срабатывают от импульсов с определённой длительностью и амплитудой. Схемы совпадения реализуют логическую функцию «И» (логическое умножение), т. е. на её выходе сигнал появляется лишь тогда, когда импульсы на всех входах имеют определённый уровень, называются «единичным». Если на один из входов схемы совпадения подать сигнал с инвертированной полярностью, она превращается в схему антисовпадений. В современных схемах совпадений и антисовпадений используются стандартные интегральные схемы (рис. 2 ).

  Амплитудный отбор осуществляется дискриминаторами, которые выполняются по схеме триггера Шмидта или на туннельных диодах (ТД) и формируют стандартный выходной импульс лишь в случае, если напряжение (или ток) на входе превысит заданный порог. Для амплитудной дискриминации часто используются схемы сравнения (компараторы). Эволюция схем совпадений и амплитудных дискриминаторов типична и для др. приборов Я. э. Вместо блоков, реализующих одну логическую функцию («И», «ИЛИ» и т. д.), разрабатываются универсальные многофункциональные устройства, логическую функцию которых можно задавать извне. Этому способствовало внедрение ЭВМ в Я. э. Вычислительная техника позволила создать автоматизированную аппаратуру с программно регулируемыми параметрами: ЭВМ управляет порогами срабатывания схем, временным разрешением, задержкой сигналов, логикой отбора событий, режимом работы измерительные системы и т. д. Внедряются в практику физического эксперимента также микропроцессоры и специализированные процессоры для распознавания образов, для накопления и предварит, обработки результатов измерений (рис. 3 ). Накопление экспериментальных данных происходит в ЭВМ с последующей переписью на магнитную ленту. Результаты предварительной обработки выводятся на экран электроннолучевой трубки, что позволяет оператору вмешиваться в ход измерений. ЭВМ управляет различными исполнительными устройствами: моторами, перемещающими детекторы или мишени, реле, коммутаторами сигналов и т. д.

  Лит.: Ковальский Е., Ядерная электроника, пер. с англ., М., 1972; Электронные методы ядерной физики, М., 1973; Колпаков И. Ф., Электронная аппаратура на линии с ЭВМ в физическом эксперименте, М., 1974; Современная ядерная электроника, т. 1—2, М., 1974.

  Ю. А. Семенов.

Рис. 3. Система накопления и обработки информации в ядерно-физическом эксперименте.

Рис. 2. Схема совпадений.

Рис. 1. Схема спектрометра заряженных частиц.

(обратно)

Ядерная энергетика

Я'дерная энерге'тика, отрасль энергетики , использующая ядерную энергию (атомную энергию) в целях электрификации и теплофикации; область науки и техники, разрабатывающая и использующая на практике методы и средства преобразования ядерной энергии в тепловую и электрическую. Основу Я. э. составляют атомные электростанции (АЭС). Источником энергии на АЭС служит ядерный реактор , в котором протекает управляемая цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов, преимущественно 235 U и 239 Pu. При делении ядер урана и плутония выделяется тепловая энергия, которая преобразуется затем в электрическую так же, как на обычных тепловых электростанциях . При истощении запасов органического топлива (угля, нефти, газа, торфа) использование ядерного топлива — пока единственно реальный путь надёжного обеспечения человечества необходимой ему энергией. Рост потребления и производства электроэнергии приводит к тому, что в некоторых странах мира уже ощущается нехватка органического топлива и всё большее число развитых стран начинает зависеть от импорта энергоресурсов. Истощение или недостаток топливных энергоресурсов, удорожание их добычи и транспортирования стали одними из причин так называемого «энергетического кризиса» 70-х гг. 20 в. Поэтому в ряде стран ведутся интенсивные работы по освоению новых высокоэффективных методов получения электроэнергии за счёт использования других источников, и в первую очередь ядерной энергии.

  Ни одна отрасль техники не развивалась так быстро, как Я. э.: в 1954 в СССР вступила в строй первая в мире АЭС (г. Обнинск), а в 1978 в СССР, США, Великобритании, Франции, Канаде, Италии, ФРГ, Японии, Швеции, ГДР, ЧССР, НРБ, Швейцарии, Испании, Индии, Пакистане, Аргентине и других странах уже дали ток свыше 200 АЭС, установленная мощность которых превысила 100 Гвт . Доля Я. э. в общем производстве электроэнергии непрерывно растет, и, по некоторым прогнозам, к 2000 году не менее 40% всей электроэнергии будет вырабатываться на АЭС. В программе энергетического строительства СССР также предусматривается опережающее развитие Я. э., особенно на Европейской части территории СССР.

  Все АЭС основаны на ядерных реакторах двух типов: на тепловых и быстрых нейтронах. Реакторы на тепловых нейтронах, как более простые, получили во всём мире, в том числе и в СССР, наибольшее распространение. К моменту создания первой АЭС в СССР уже были разработаны физические основы цепной реакции деления ядер урана в реакторах на тепловых нейтронах; был выбран тип реактора — канальный, гетерогенный, уран-графитовый (теплоноситель — обычная вода). Такой реактор надёжен в эксплуатации и обеспечивает высокую степень безопасности, в частности за счёт дробления контура циркуляции теплоносителя. Перегрузку топлива можно производить «на ходу», во время работы реактора. Тепловая мощность реактора первой АЭС составила 30 Мвт , номинальная электрическая мощность АЭС — 5 Мвт . Пуском Обнинской АЭС была доказана возможность использования нового источника энергии. Опыт, накопленный при сооружении и эксплуатации этой АЭС, использован при строительстве других АЭС в СССР.

  В 1964 была включена в Свердловскую энергосистему Белоярская атомная электростанция им. И. В. Курчатова с реактором на тепловых нейтронах электрической мощностью 100 Мвт , реактор которой существенно отличался от своего предшественника более высокими тепловыми характеристиками за счёт перегрева пара, осуществляемого в активной зоне реактора (т. н. ядерный перегрев). Второй блок Белоярской АЭС усовершенствованной конструкции и более мощный (200 Мвт ) был введён в эксплуатацию в 1967. Реактор имеет одноконтурную систему охлаждения. Основной недостаток ядерного перегрева — повышение температуры в активной зоне реактора, что приводит к необходимости применять температуростойкие материалы (например, нержавеющую сталь) для оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), а это в большинстве случаев ведёт к снижению общей эффективности использования ядерного топлива.

  Установленные на первых АЭС уран-графитовые реакторы канального типа не имеют тяжёлого, громоздкого стального корпуса. строительство АЭС с такими реакторами представляется весьма заманчивым, поскольку оно освобождает заводы тяжёлого машиностроения от изготовления стальных изделий больших габаритов (корпус водо-водяного реактора имеет форму цилиндра диаметром 3—5 м , высотой 11—13 м при толщине стенок 100—250 мм ) с массой 200—500 т . Опыт эксплуатации первых уран-графитовых реакторов, работавших по одноконтурной схеме с кипящей водой в качестве теплоносителя, способствовал созданию одноконтурного уран-графитового кипящего реактора большой мощности — РБМК. Первый такой реактор электрической мощностью 1000 Мвт (РБМК-1000) был установлен в сентябре 1973 на Ленинградской АЭС им. В. И. Ленина (ЛАЭС), а в декабре 1973 первый блок ЛАЭС дал промышленный ток в электрическую сеть Ленэнерго. Второй блок также мощностью 1000 Мвт сдан в эксплуатацию в конце 1975. За 1977 ЛАЭС выработала 12,5 млрд. квт ×ч электроэнергии. Строительство ЛАЭС продолжается, она будет состоять из 4 блоков общей мощностью 4000 Мвт . Тепловая мощность каждого из 4 блоков ЛАЭС 3200 Мвт , 70 Гкал/ч (335 Гдж/ч ) тепла будет отбираться для нужд теплофикации. ЛАЭС является головной из строящихся АЭС в Европейской части СССР.

  В 1976 вступил в строй первый блок Курской АЭС с реактором РБМК электрической мощностью 1000 Мвт . В 1977 вошла в строй Чернобыльская АЭС; заканчивается сооружение Смоленской АЭС и других также с несколькими реакторами РБМК-1000. В 1975 в Литовской ССР развернулось строительство Игналинской АЭС с 4 уран-графитовыми реакторами канального типа электрической мощностью 1500 Мвт каждый. Увеличение единичной мощности реактора РБМК на Игналинской АЭС до 1500 Мвт достигнуто фактически в габаритах реактора РБМК-1000 за счёт усовершенствования, главным образом конструкции ТВЭЛов. Форсирование мощности РБМК-1000 уменьшает удельные капиталовложения на сооружение АЭС, повышает её среднюю удельную мощность. Ведутся (1978) проработки и эксперименты по созданию реакторов типа РБМК электрической мощностью 2000 и 2400 Мвт .

  В СССР с 1974 успешно эксплуатируется АТЭЦ — атомная теплоэлектроцентраль, построенная в районе г. Билибино (Магаданская область). Электрическая мощность Билибинской АТЭЦ 48 Мвт , выработка тепла для отопления и централизованного горячего водоснабжения достигает 100 Гкал/ч .

  Из реакторов на тепловых нейтронах в СССР наибольшее распространение получили корпусные водо-водяные реакторы — ВВЭР. В 1964 вступила в строй Нововоронежская атомная электростанция с ВВЭР электрической мощностью 210 Мвт , в котором замедлителем нейтронов и теплоносителем служит обычная вода. Тепловая мощность реактора 760 Мвт . По удельной энергонапряжённости и экономичности использования топлива реактор этого типа один из лучших. В декабре 1969 был сдан в эксплуатацию второй блок с ВВЭР электрической мощностью 365 Мвт . В 1971—72 были введены третий и четвёртый блоки электрической мощностью 440 Мвт каждый с реакторами ВВЭР-440. За 1977 Нововоронежская АЭС выработала свыше 10 млрд. квт ×ч электроэнергии. В 1978 заканчивается сооружение пятого блока электрической мощностью 1000 Мвт , после чего мощность Нововоронежской АЭС достигнет 2500 Мвт . Именно этот пятый блок с ВВЭР-1000 стал прототипом строящихся АЭС с ВВЭР большой мощности.

  Последовательное укрупнение единичной мощности энергетического оборудования на Нововоронежской АЭС (210, 365, 440, 1000 Мвт ) характерно не только для ВВЭР. Развитие мировой энергетики, в том числе и Я. э., всегда сопровождалось ростом единичных мощностей энергетических установок. Укрупнение оборудования несколько снижает стоимость сооружения АЭС, однако каждая последующая ступень укрупнения приносит всё меньшую экономию. На Кольском полуострове в 1973—74 были сданы в эксплуатацию 2 блока АЭС с ВВЭР-440. Пуск Кольской АЭС имеет большое значение, т. к. на Кольском полуострове гидроэнергетика не имеет больших перспектив, а привозить топливо экономически невыгодно.

  В декабре 1976 в Армянской ССР был введён в строй первый блок АЭС с реактором ВВЭР-440. Эта первая в Армении и Закавказье АЭС расположена в горной местности (высота над уровнем моря 1100 м ) в сейсмическом районе. Такое местоположение Армянской АЭС связано с необходимостью решения задачи по обеспечению надёжной и безопасной работы АЭС в трудных сейсмических условиях. По расчётам АЭС способна выдержать подземные толчки в 8—9 баллов (осенью 1976 во время землетрясения в Турции АЭС уже выдержала толчки в 4—5 баллов).

  При технической помощи СССР в ряде социалистических стран строятся АЭС с ВВЭР. Так, в ГДР в 1966 построена АЭС в г. Рейнсберг с ВВЭР электрической мощностью 70 Мвт ; на побережье Балтийского моря на АЭС им. Бруно Лёйшнера сданы в эксплуатацию (в 1973—77) 3 блока с ВВЭР-440. Строительство ещё 3 блоков успешно продолжается. В НРБ на АЭС «Козлодуй» с 1976 действуют 2 блока с ВВЭР-440, сооружение ещё 2 блоков такой же мощности завершается. В ЧССР с 1972 работает АЭС «А-1» с реактором на тяжёлой воде (замедлитель нейтронов) и углекислом газе (в качестве теплоносителя). Электрическая мощность АЭС «А-1» 140 Мвт . Реактор разработан совместно советскими и чехословакцкими специалистами. В ЧССР сооружается также крупная промышленная АЭС с ВВЭР-440; первый блок будет введён в строй в 1978, а второй — в 1979. Ведётся строительство АЭС с ВВЭР-440 в СРР, ВНР, ПНР. При технической помощи СССР закончено (1976) сооружение АЭС с ВВЭР-440 в Финляндии. Опыт, накопленный при сооружении и эксплуатации реакторов типа ВВЭР в Советском Союзе и за рубежом, привёл к созданию ВВЭР-1000, который имеет 4 петли, в каждую из них входят: парогенератор, главный циркуляционный насос, 2 запорные задвижки и др. оборудование. Тепловая мощность каждой петли 750 Мвт .

  Кроме реакторов с водой под давлением, в Советском Союзе сооружен кипящий водо-водяной реактор с одноконтурной схемой выработки пара непосредственно в реакторе. Опытная АЭС с реактором ВК-50 (на 50 Мвт ) была построена в Димитровграде (Ульяновская область) и пущена в 1965. Одноконтурная схема значительно упрощает теплотехническое оборудование, делает проще связь ядерного реактора с турбоагрегатом. Опыт эксплуатации АЭС с реактором ВК-50 свидетельствует о надёжной работе станции и высокой степени безопасности обслуживающего персонала.

  В мире создано много различных типов реакторов на тепловых нейтронах с разными замедлителями и теплоносителями. В их числе водо-водяные реакторы под давлением, водо-водяные кипящие реакторы, уран-графитовые с водяным теплоносителем, уран-графитовые с ядерным перегревом пара, реакторы органо-органические (с органическим замедлителем и органическим теплоносителем), газо-графитовые (теплоноситель — углекислый газ), реакторы с тяжёлой водой (теплоноситель — обычная вода), тяжеловодные реакторы (с тяжёлой водой в качестве замедлителя и теплоносителя), реакторы с гелиевым теплоносителем и др.

  Установлено, что АЭС с реакторами на тепловых нейтронах могут успешно конкурировать с обычными ТЭС, однако масштабы развития АЭС сдерживаются низкой эффективностью использования природного урана реакторами на тепловых нейтронах. Более перспективны реакторы на быстрых нейтронах, так называемые быстрые реакторы , которые могут наилучшим образом использовать деление ядер тяжёлых элементов и одновременно создавать новое искусственное ядерное топливо 239 Pu. При попадании быстрых нейтронов в ядро 238 U происходит несколько реакций превращения и создания отдельных трансурановых элементов, в результате которых образуется 239 Pu. При делении ядер 239 Pu высвобождается нейтронов больше, чем при делении ядер 235 U. Если рассматривать Я. э. с позиции рационального использования ядерного топлива, то основная задача Я. э. сводится к выбору методов оптимального использования нейтронов и сокращения бесполезных потерь нейтронов, образующихся при делении ядер урана и плутония. Коэффициент воспроизводства в быстрых реакторах может достигать значений 1,4 и даже 1,7; т. е., «сжигая» 1 кг плутония, быстрый реактор не только возвращает его, но за счёт вовлечения в топливный цикл неделящихся изотопов 238 U даёт дополнительно 0,4—0,7 кг плутония, который может служить новым ядерным топливом.

  В 1968 в г. Димитровграде было закончено сооружение крупной исследовательской АЭС мощностью 12 Мвт с быстрым реактором БОР-60, который обеспечил проведение исследований по улучшению показателей и конструкций отдельных элементов быстрого реактора с натриевым охлаждением и подтвердил правильность пути, выбранного сов. учёными при создании энергетических реакторов на быстрых нейтронах. В конце 1972 на полуострове Мангышлак сооружена крупная опытная АЭС с быстрым реактором БН-350 с натриевым охлаждением. АЭС БН-350 двухцелевого назначения: производство электрической энергии (установленная мощность 150 Мвт ) и выдача пара на опреснительные установки для получения из морской воды 120 тыс. т пресной воды в сутки. Шевченковская АЭС — крупнейшая в мире (на 1978) опытно-промышленная энергетическая установка с реакторами на быстрых нейтронах, позволяет учёным решить ряд проблем Я. э. На Белоярской АЭС в качестве третьего блока строится новая промышленная АЭС с реактором на быстрых нейтронах электрической мощностью 600 Мвт (БН-600). Сооружение и пуск АЭС с реактором БН-600 — следующий этап в развитии советской Я. э. В БН-600 была применена более экономичная и конструктивно новая (по сравнению с БН-350) так называемая интегральная компоновка первого контура, при которой активная зона, насосы, промежуточные теплообменники размещены в одном баке — корпусе. Сравнение результатов работы БН-350 и БН-600 покажет, какое из конструктивных и технологических решений лучше.

  Одна из главных целей работ с реакторами на быстрых нейтронах — достижение высоких темпов расширенного воспроизводства ядерного топлива, что невозможно на реакторах других типов. Научные изыскания и эксперименты по реакторам на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем продолжаются в расчёте на большие мощности — до 800—1600 Мвт . В США, Великобритании, Франции и других странах в качестве теплоносителя в реакторах на быстрых нейтронах также используется натрий. Но натрий не единственный возможный тип теплоносителя в реакторах на быстрых нейтронах. В качестве теплоносителя может применяться и газ, в частности гелий; например, в институте ядерной энергетики АН БССР работают над использованием N2 O4 в качестве газового теплоносителя.

  На ранних этапах развития Я. э. в ряде стран мира учёные работали над многими типами реакторов с целью выбрать в дальнейшем наилучший из них в техническом и экономическом отношениях. В 70-х гг. почти все страны ориентируют свои национальные программы развития Я. э. на ограниченное число типов ядерных реакторов. Например, в США основными являются водо-водяные реакторы под давлением и кипящие реакторы; в Канаде — тяжеловодный реактор на природном уране; в СССР — водо-водяные реакторы под давлением и уран-графитовые реакторы канального типа.

  В связи со значительным увеличением цен на уголь и особенно на нефть и всё возрастающими трудностями их добычи быстрейшее развитие Я. э. становится экономически полностью оправданным: по современным оценкам стоимость производства электроэнергии на АЭС в 1,5—2 раза ниже, чем на обычных ТЭС. По прогнозам зарубежных специалистов к 1980 в мире будет находиться в эксплуатации порядка 250 реакторов общей мощностью 200 Гвт . И хотя экономические кризисы и инфляция в капиталистических странах и другие привходящие обстоятельства могут изменить такой прогноз в сторону уменьшения мощности АЭС, общая тенденция к росту Я. э. очевидна. Использование ядерной энергии для выработки электроэнергии, тепла, для опреснения воды, производства восстановителей для металлургической промышленности, получения новых видов химической продукции — всё это задачи огромного масштаба, которые придают Я. э. не только новые качества, но и показывают её ещё далеко не использованные возможности. К преимуществам Я. э. относят также и то, что АЭС не загрязняют атмосферу окислами серы, азота, губительно влияющими на окружающую среду. Проблеме обеспечения радиационной безопасности населения и защиты окружающей среды от радиоактивного загрязнения в СССР и в др. индустриально развитых странах уделяется большое внимание.

  Кроме крупных промышленных АЭС, в СССР разрабатываются и сооружаются АЭС малой и очень малой мощности для специальных целей. В 1961 была сдана в эксплуатацию передвижная ядерная энергетическая установка ТЭС-3 с реактором водо-водяного типа электрической мощностью 1500 квт . Всё оборудование ТЭС-3 размещается на 4 самоходных гусеничных платформах с кузовами вагонного типа.

  В 1964 была пущена энергетическая установка «Ромашка» с ядерным реактором на быстрых нейтронах и полупроводниковым термоэлектрическим преобразователем мощностью 500 вт . Эта установка проработала на стенде более 15 000 ч вместо ожидаемых 1000 ч . «Ромашка» — прототип ядерной установки с непосредственным преобразованием ядерной энергии в электрическую энергию.

  В 1970—71 были созданы и прошли испытания 2 термоэмиссионных реактора-преобразователя — «Топаз-1» и «Топаз-2» электрической мощностью 5 и 10 квт соответственно. Принцип прямого преобразования тепловой энергии в электрическую заключается в нагреве в вакууме катода до высокой температуры при поддержании анода относительно холодным, при этом с поверхности катода «испаряются» (эмиттируют) электроны, которые, пролетев межэлектродный зазор, «конденсируются» на аноде, и при замкнутой наружной цепи по ней идёт электрический ток. Основное преимущество такой установки по сравнению с электромашинными генераторами — отсутствие движущихся частей. Энергетические установки, основанные на использовании ядерной энергии, находят также применение как транспортные силовые установки (см. Ядерная силовая установка ). Особенно широко они используются на подводных лодках, а также на транспортных судах невоенного назначения, в том числе на атомных ледоколах.

  В процессе эксплуатации АЭС образуется относительно большое количество жидких и твёрдых радиоактивных отходов . Жидкими отходами на АЭС могут быть теплоноситель первого контура в случае необходимости его замены, протечки теплоносителя при нарушении герметичности оборудования, вода бассейнов выдержки отработавших ТВЭЛов, дезактивационные растворы, растворы от регенерации ионообменных фильтров, воды спец. прачечных, воды пунктов дезактивации оборудования и специального транспорта и др. Практика показывает, что за год работы на АЭС образуется от 0,5 до 1,5 м 3 среднеактивных жидких отходов в расчёте на 1 Мвт электрической мощности реакторов. В жидких отходах со средним уровнем радиоактивности сосредоточено около 99% общего количества радионуклидов, попадающих в отходы. В СССР принята схема переработки всех жидких радиоактивных отходов непосредственно на АЭС с использованием методов выпарки и ионного обмена. Концентраты отходов (кубовые остатки после выпарки), ионообменные смолы, пульпы, первичный теплоноситель при его замене собирают и по герметичным трубопроводам направляют в специальные ёмкости-хранилища для среднеактивных отходов. Твёрдыми радиоактивными отходами на АЭС являются в основном отдельные детали или узлы реакторного оборудования, инструменты, предметы спецодежды и средств индивидуальной защиты персонала, ветошь, фильтры из систем газоочистки. На АЭС, кроме жидких и твёрдых радиоактивных отходов, возможны выбросы, содержащие летучие соединения радиоактивных изотопов, а также образование радиоактивных аэрозолей. Некоторое количество радиоактивных газов и аэрозолей после тщательной спец. очистки отводят в атмосферу, а жидкие и твёрдые отходы, загрязнённые радиоактивными веществами, складируются в специальные хранилища-могильники.

  Однако главная проблема в развитии Я. э. — разработка экономичных, надёжных способов захоронения больших количеств высокоактивных отходов. В этом направлении во многих странах мира ведутся научно-исследовательские и опытно-промышленные работы, в частности по разработке эффективных методов остекловывания радиоактивных отходов. В 70-х гг. в Я. э. переработка выгоревших ТВЭЛов ещё не получила большого развития, но с расширением строительства АЭС и особенно быстрых реакторов, когда понадобится большое количество вторичного ядерного топлива, массовое захоронение высокоактивных отходов может приобрести первостепенное значение.

  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.

(обратно)

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.

(обратно)

Ядерного ущерба возмещение

Я'дерного уще'рба возмеще'ние конвенция, см. Венская конвенция 1963 .

(обратно)

Ядерное горючее

Я'дерное горю'чее , делящееся вещество, нуклиды, которые входят в состав ядерного топлива и обеспечивают цепную реакцию деления ядер.

(обратно)

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.

(обратно)

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.

(обратно)

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.

(обратно)

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.

(обратно)

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.

(обратно)

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 ).

(обратно)

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 .

(обратно)

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

,

  где R0 — сумма радиусов взаимодействующих ядер, w0 — кривизна барьера. Налетающие ионы могут и не вызвать Я. р., а испытать упругое рассеяние в поле кулоновских и ядерных сил. Угловое распределение ионов при упругом рассеянии (при  иона порядка расстояния макс. сближения с ядром) имеет дифракционный характер. При меньших  дифракционная структура исчезает. Энергетическая зависимость эффективных сечений для Я. р. тяжёлыми ионами носит, как правило, нерезонансный характер. Исключение составляет упругое рассеяние. В энергетической зависимости эффективного сечения упругого рассеяния 6 Li на 6 Li, 12 C на 12 C, 14 N на 14 N, 16 O на 14 N и др. в интервале энергии (x0 ~ 5—35 Мэв наблюдаются резонансы с шириной порядка нескольких Мэв и более тонкая структура.

  Я. р. с тяжёлыми ионами характеризуются большим числом выходных каналов. Например, при бомбардировке 235 Th ионами 40 Аг с энергией 379 Мэв образуются ядра Ca, Ar, S, Si, Mg и Ne.

  В случае Я. р. с тяжёлыми ионами различают: реакции передачи нуклонов, реакции передачи более сложных частиц и реакции слияния (образования составного ядра). Я. р., при которых происходит передача малого числа частиц или малой части энергии, называются мягкими соударениями. Их теория имеет много общего с теорией прямых реакций. Я. р., в которых происходит передача значительной массы или энергии, называются жёсткими соударениями или глубоко неупругими передачами. Угловые распределения продуктов этих Я. р. резко асимметричны; лёгкие продукты вылетают преимущественно под малыми углами к ионному пучку. Энергетическое распределение продуктов Я. р. имеет широкий максимум. Кинетическая энергия продуктов Я. р. близка к высоте выходных кулоновских барьеров и практически не зависит от энергии ионов.

  При глубоко неупругих столкновениях ядер образуется короткоживущая промежуточная система. Несмотря на обмен массой и энергией, ядра промежуточной системы сохраняют индивидуальность за счёт прочно связанных сердцевин. В результате жёстких соударений образуется много новых нуклидов. В таких Я. р. могут возникать составные ядра с большими энергиями возбуждения (~100 Мэв ) и угловыми моментами ~50. Я. р. с образованием составного ядра служат для синтеза трансурановых элементов (слияние ядер мишений из Pb и Bi с ионами 40 Ar, 50 Ti, 54 Cr, 55 Mn, 58 Fe). Например, с помощью Я. р. 204 Pb(, 2n)  был осуществлен синтез фермия .

  Лит.: Блатт Дж., Вайскопф В., Теоретическая ядерная физика, М., 1954; Лейн А., Томас Р., Теория ядерных реакций при низких энергиях, М., 1960; Давыдов А. С., Теория атомного ядра, М., 1958; Мухин К. Н., Введение в ядерную физику, 2 изд., М., 1965; Волков В. В., в кн.: Тр. Международной конференции по избранным вопросам структуры ядра, т. 2, Дубна, 1976, с. 45—65.

  И. Я. Барит.

(обратно)

Ядерные силы

Я'дерные си'лы , силы, удерживающие нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре. Обусловливают самые интенсивные из всех известных в физике взаимодействий (см. Сильные взаимодействия ). Я. с. являются короткодействующими (радиус их действия ~ 10-13 см , подробнее см. Ядро атомное ).

(обратно)

Ядерные цепные реакции

Я'дерные цепны'е реа'кции , ядерные реакции, в которых частицы, вызывающие их, образуются как продукты этих реакций. Пока единственная известная Я. ц. р. — реакция деления урана и некоторых трансурановых элементов (например, 239 Pu) под действием нейтронов. После открытия (1939) немецкими учёными О. Ганом и Ф. Штрасманом деления ядер нейтронами (см. Ядра атомного деление ) Ф. Жолио-Кюри с сотрудниками, Э. Ферми , У. Зинн и Л. Силард (США) и Г. Н. Флёров показали, что при делении ядра вылетает больше 1 нейтрона:

  n+U ® А+В+ u. (1)

  Здесь А и В — осколки деления с массовыми числами A от 90 до 150, u > 1 — число вторичных нейтронов. Я. ц. р. впервые была осуществлена Э. Ферми (1942).

  Пусть только часть f общего числа вторичных нейтронов может быть использована для продолжения реакции деления. Тогда на 1 нейтрон первого поколения, вызвавший деление, придется К = uf нейтронов следующего поколения, которые вызовут деление, и если К , называемый коэффициентом размножения нейтронов, больше 1, то число таких нейтронов будет возрастать во времени t по закону: n = n u e (K-1) t/ t , где t — время жизни поколения нейтронов. Если К — 1 = 1, то число делений в единицу времени постоянно, и может быть осуществлена самоподдерживающаяся Я. ц. р., Устройство, в котором происходит регулируемая самоподдерживающаяся Я. ц. р., называется ядерным реактором . При достаточно больших значениях К — 1 реакция перестаёт быть регулируемой и может привести к ядерному взрыву .

  Рассмотрим Я. ц. р. на природном уране, содержащем практически 2 изотопа: 238 U (99,29%) и 235 U (0,71%), содержание 234 U ничтожно. Ядро 238 U делится только под действием быстрых нейтронов с энергией (x> 1 Мэв и малым эффективным поперечным сечением sд = 0,3 барна. Напротив, ядро 235 U делится под действием нейтронов любых энергий, причём с уменьшением x сечение его деления о резко возрастает. При делении 238 U или 235 U быстрым нейтроном вылетает u~2,5 нейтрона с энергией от 0,1 Мэв до 14 Мэв. Это означает, что при отсутствии потерь Я. ц. р. могла бы развиться в природном уране. Однако потери есть: ядро 238 U могут захватывать нейтроны (см. Радиационный захват ) с образованием 239 U. Кроме того, при столкновении нейтронов с ядром 238 U происходит неупругое рассеяние, при котором энергия нейтронов становится ниже 1 Мэв , и они уже не могут вызвать деление 238 U. Бо'льшая часть таких нейтронов испытывает радиационный захват или вылетает наружу. В результате в этих условиях не может развиться Я. ц. р.

  Для возбуждения Я. ц. р. в естественном уране используется замедление нейтронов при их столкновении с лёгкими ядрами (2 H, 12 C и др. замедлители). Оказалось, что сечение деления 235 U на тепловых нейтронах (sд (5) = 582 барна , сечение радиационного захвата в 235 U (с образованием 236 U) sд (5) = 100 барн , а в 238 Usp (8) = 2,73 барна. При делении тепловыми нейтронами n = 2,44. Отсюда следует, что число нейтронов h, которые могут вызвать деление 235 U, приходящееся на 1 поглощённый тепловой нейтрон предыдущего поколения, равно:

   (2)

  Здесь r8 / r5 — отношение концентраций 238 U и 235 U Это означает возможность развития Я. ц. р. в смеси природного урана с замедлителем.

  Однако при делении на тепловых нейтронах рождаются быстрые нейтроны , которые, прежде чем замедлиться до тепловой энергии, могут поглотиться. Сечение радиационного захвата 238 U имеет резонансный характер, т. е. достигает очень больших значений в определённых узких интервалах энергии. Роль резонансного поглощения в Я. ц. р. на тепловых нейтронах в однородных (гомогенных) смесях урана и замедлителей была впервые исследована Я. Б. Зельдовичем и Ю. Б. Харитоном в 1940. В однородной смеси вероятность резонансного поглощения слишком велика, чтобы Я. ц. р. на тепловых нейтронах могла осуществиться. Эту трудность обходят, располагая уран в замедлителе дискретно, в виде блоков, образующих правильную решётку. Резонансное поглощение нейтронов в такой гетерогенной системе резко уменьшается по 2 причинам: 1) сечение резонансного поглощения столь велико, что нейтроны, попадая в блок, поглощаются в поверхностном слое, поэтому внутренняя часть блока экранирована и значительная часть атомов урана не принимает участия в резонансном поглощении: 2) нейтроны резонансной энергии, образовавшиеся в замедлителе, могут не попасть в уран, а, замедляясь при рассеянии на ядрах замедлителя, «уйти» из опасного интервала энергии. При поглощении теплового нейтрона в блоке рождается h вторичных быстрых нейтронов, каждый из которых до выхода из блока вызовет небольшое количество делений 238 U. В результате число быстрых нейтронов, вылетающих из блока в замедлитель, равно eh, где e — коэффициент размножения на быстрых нейтронах. Если j — вероятность избежать резонансного поглощения, то только ehj нейтронов замедлится до тепловой энергии. Часть тепловых нейтронов поглотится в замедлителе. Пусть q — вероятность того, что тепловой нейтрон поглотится в уране (коэффициент теплового использования нейтронов). В гомогенной системе:

  ,

  в гетерогенной системе:

  .

  Здесь ru и r3 — концентрации урана и замедлителя, sп — соответствующие сечения поглощения, Ф — потоки нейтронов. В результате на 1 тепловой нейтрон первого поколения, совершающий деление, получается Кэф = ehjq нейтронов след. поколения, которые могут вызвать деление. К¥ — коэффициент размножения нейтронов в бесконечной гетерогенной системе. Если К¥ — 1 > 0, то реакция деления в бесконечной решётке будет нарастать экспоненциально.

  Если система имеет ограниченные размеры, то часть нейтронов может покинуть среду. Обозначим долю нейтронов, вылетающих наружу, через 1—Р, тогда для продолжения реакции деления остаётся Кэф = К~Р нейтронов, и если К эф >1 , то число делении растет экспоненциально и реакция является саморазвивающейся. Т. к. число делений и, следовательно, число вторичных нейтронов в размножающей среде пропорционально её объёму, а их вылет (утечка) пропорционален поверхности окружающей среды, то Я. ц. р. возможна только в среде достаточно больших размеров. Например, для шара радиуса   отношение объёма к поверхности равно R/3 , и, следовательно, чем больше радиус шара, тем меньше утечка нейтронов. Если радиус размножающей среды становится достаточно большим, чтобы в системе проходила стационарная Я. ц. р., т. е. R — 1 = 0, то такую систему называют критической, а её радиус критическим радиусом.

  Для осуществления Я. ц. р. в природном уране на тепловых нейтронах используют в качестве замедлителя вещества с малыми сечением радиационного захвата (графит или тяжёлую воду D2 О). В замедлителе из обыкновенной воды Я. ц. р. на природном уране невозможна из-за большого поглощения нейтронов в водороде.

  Чтобы интенсивность Я. ц. р. можно было регулировать, время жизни одного поколения нейтронов должно быть достаточно велико. Время жизни t0 тепловых нейтронов мало (t0 = 10-3 сек ). Однако наряду с нейтронами, вылетающими из ядра мгновенно (за время 10-16 сек ), существует небольшая доля m. т. н. запаздывающих нейтронов, вылетающих после b-распада осколков деления со средним временем жизни t3 = 14,4 сек. Для запаздывающих нейтронов при делении 235 U m»0,75-10-2 . Если Кэф >1+m, то время Т «разгона» Я. ц. р. (равное времени, за которое число деления увеличивается в e раз) определяется соотношением:

 

  т. е. запаздывающие нейтроны не участвуют в развитии Я. ц. р. Практически важен другой предельный случай: Кэф — 1 << m, тогда:

 

  т. е. мгновенные нейтроны не играют роли в развитии реакции. Т. о., если Кэф < 1 + m, то Я. ц. р. будет развиваться только при участии запаздывающих нейтронов за время порядка минут и будет хорошо регулируемой (роль запаздывающих нейтронов была впервые отмечена Зельдовичем и Харитоном в 1940).

  Я. ц. р. осуществляется также на уране, обогащенном 235 U, и в чистом 235 U. В этих случаях она идёт и на быстрых нейтронах. При поглощении нейтронов в 238 U образуется 239 Np, а из него после двух b-распадов — 239 Pu, который делится под действием тепловых нейтронов, с n = 2,9. При облучении нейтронами 232 Th образуется делящийся на тепловых нейтронах 233 U. Кроме того, Я. ц. р. возможна в 231Pu и изотопах Cm и Cf с нечётным массовым числом (см. Ядерное топливо ). Из u нейтронов, образующихся в 1 акте деления, один идёт на продолжение Я. ц. р., и, если снизить потери, для воспроизводства ядерного горючего может сохраниться больше одного нейтрона, что может привести к расширенному воспроизводству горючего (см. Реактор-размножитель ).

  Лит.: Галанин А. Д., Теория ядерных реакторов на тепловых нейтронах, 2 изд., М., 1959; Вейнберг А., Вигнер Е., Физическая теория ядерных реакторов, пер. с англ., М., 1961; Зельдович Я. Б., Харитон Ю. Б., «Журнал экспериментальной и теоретической физики», 1940, т. 10, в. 1, с. 29—36; в. 5, с. 477—82; Ферми Э., Научные труды, т. 2, М., 1972, с. 308.

  П. Э. Немировский.

(обратно)

Ядерный взрыв

Я'дерный взрыв , грандиозный по своим масштабам и разрушительной силе взрыв , вызываемый высвобождением ядерной энергии . К возможности овладения ядерной энергией физики вплотную подошли в начале второй мировой войны 1939—45. Первая так называемая атомная бомба была создана в США объединёнными усилиями большой группы крупнейших учёных, многие из которых эмигрировали из Европы, спасаясь от гитлеровского режима. Первый испытательный Я. в. был произведён 16 июля 1945 близ Аламогордо (штат Нью-Мексико, США); 6 и 9 августа 1945 две американские атомные бомбы были сброшены на японские города Хиросима и Нагасаки (см. Ядерное оружие ). Энергия первых Я. в. оценивалась примерно в 1021 эрг (1014 дж ), что эквивалентно выделению энергии при взрыве около 20 тыс. т (кт ) тротила (энергию Я. в. обычно характеризуют его тротиловым эквивалентом ). В СССР первый атомный взрыв был осуществлен в августе 1949, а 12 августа 1953 в СССР было проведено первое испытание значительно более мощной водородной бомбы. В дальнейшем ядерные державы производили испытательные Я. в. с энергиями до десятков млн. т (Мт ) тротилового эквивалента.

  К Я. в. может привести либо ядерная цепная реакция деления тяжёлых ядер (например, 235 U и 239 Pu), либо термоядерная реакция синтеза ядер гелия из более лёгких ядер. Ядра 235 U и 239 Pu делятся при захвате нейтрона на два осколочных ядра средней атомной массы; при этом рождается также несколько нейтронов (обычно два-три). Сумма масс всех дочерних частиц меньше массы исходного ядра на величину Dm , называемую дефектом массы . Дефекту массы, согласно соотношению А. Эйнштейна, отвечает энергия DЕ = Dm × c2 (с — скорость света), которая представляет собой энергию связи продуктов деления в исходном ядре. Высвобождение этой энергии при быстро развивающейся цепной ядерной реакции деления и приводит к взрыву. На одно делящееся ядро энергия DE составляет около 200 Мэв. В 1 кг 235 U или 239 Pu содержится 2,5 × 1024 ядер. При делении всех этих ядер выделяется огромная энергия, равная примерно 1021 эрг.

  Возможность протекания цепной реакции деления обусловлена тем, что в акте деления рождается более одного нейтрона. Каждый из них также может произвести деление ядер. Следующее поколение нейтронов делит другие ядра и т. д. Например, если по два нейтрона каждого поколения производят деление, то через 80 поколений реакция, начавшаяся с одного нейтрона, приведёт к распаду всех ядер 1 кг делящегося вещества. Обычно не все нейтроны вызывают деление ядер, часть из них теряется. Если потери слишком велики, то цепная реакция развиться не может. Вероятность потери отдельного нейтрона тем выше, чем меньше линейные размеры и масса делящегося вещества. Предельные условия, когда в веществе может развиться цепная реакция, называются критическими. Они характеризуются плотностью, геометрией, массой вещества (например, существует критическая масса ). Делящееся вещество в ядерном заряде располагают так, чтобы оно находилось в докритических условиях (например, чтобы масса была рассредоточена). В нужный момент осуществляются сверхкритические условия (всю массу собирают вместе), и тогда инициируется цепная реакция. Собрать всю массу необходимо очень быстро, для того чтобы реакция протекала при возможно большей степени сверхкритичности и до разлёта нагревающегося вещества успела бы прореагировать возможно большая его доля. Возможности повышения мощности Я. в., основанного на цепной реакции деления ядер, практически ограничены, т. к. очень трудно большую массу делящегося вещества, вначале расположенную в докритической форме, достаточно быстро превратить в сверхкритическую.

  Я. в. большой мощности с эквивалентом в миллионы и десятки млн. т тротила основаны на использовании реакции термоядерного синтеза. Основная реакция здесь — превращение двух ядер тяжёлых изотопов водорода (дейтерия 2 H и трития 3 H) в ядро гелия 4 He и нейтрон. В одном акте выделяется энергия 17,6 Мэв . При полном превращении 1 кг тяжёлого водорода выделяется энергия, примерно в 4 раза превышающая энергию деления 1 кг 235 U или 239 Pu . Для того чтобы положительно заряженные ядра 2 H и 3 H могли столкнуться и испытать превращение, они должны преодолеть действующие между ними электрические силы отталкивания, т. е. обладать значительной скоростью (кинетической энергией). Поэтому термоядерная реакция, используемая в водородной бомбе, протекает при очень высоких температурах — порядка десятков млн. градусов, что достигается при Я. в. атомной бомбы, применяемой в качестве «запала» в водородной бомбе. Поскольку водород в обычном состоянии представляет собой газ, при осуществлении термоядерного взрыва используют твёрдые водородсодержащие вещества 6 Li 2 H, 6 Li 3 H. Ядра лития и сами участвуют в термоядерной реакции, повышая энергетический выход термоядерного взрыва.

  Непосредственно после завершения ядерной реакции к моменту времени 10-7 сек , отсчитываемому от её начала, выделившаяся энергия оказывается сосредоточенной в весьма ограниченных массе и объёме (порядка 1 т и 1 м 3 ). температура и давление при этом достигают колоссальных величин порядка 10 млн. градусов и миллиарда атмосфер. Существенная доля энергии высвечивается этим нагретым веществом в виде мягкого рентгеновского излучения, которое, однако, может распространиться на большое расстояние только при Я. в. в чрезвычайно разреженной атмосфере — на высотах порядка 100 км и выше. Во всех остальных случаях — при взрывах в воздухе на не очень больших высотах, под землёй, под водой — почти вся энергия взрыва переходит в среду, непосредственно окружающую вещество ядерного заряда: воздух, землю, воду. Под действием высокого давления в окружающей среде возникает сильная ударная волна . Я. в. порождает также проникающую радиацию — потоки гамма-квантов и нейтронов, которые уносят несколько процентов от всей энергии взрыва и распространяются в воздухе при атмосферном давлении на много сотен м .

  Воздух в ударной волне Я. в. нагревается до сотен тыс. градусов и начинает ярко светиться, возникает так называемый огненный шар. Вначале поверхность огненного шара совпадает с фронтом ударной волны, и они вместе расширяются с большой скоростью. Например, при Я. в., эквивалентном 20 кт , в воздухе атмосферного давления через 10-4 сек радиус огненного шара равен примерно 14 м ; через 0,01 сек — 100 м . На этой стадии происходит отрыв ударной волны от границы огненного шара. Ударная волна, уже не вызывая свечение, уходит далеко вперёд; расширение огненного шара замедляется, а затем вовсе прекращается. Через 0,1 сек радиус огненного шара достигает своей максимальной величины — примерно 150 м ; температура свечения в этой стадии составляет около 8000 К. Через 1 сек яркость свечения начинает падать, и через 2—3 сек свечение практически прекращается. Всего на световое излучение приходится примерно треть всей энергии взрыва. Это излучение, более яркое, чем излучение Солнца, оказывает очень сильное поражающее действие, вызывая даже на расстоянии 2 км пожары, обгорание предметов, ожоги у людей и животных. Через 10 сек ударная волна уходит на расстояние 3,7 км от центра Я. в. Сильное разрушающее действие на дома, промышленные постройки, военную технику ударная волна Я. в. в 20 кт оказывает на расстоянии до 1 км .

  Нагретый воздух огненного шара после прекращения свечения, будучи менее плотным, чем окружающий воздух, поднимается вверх под действием архимедовой силы (см. Архимеда закон ). В процессе подъёма нагретый воздух расширяется и охлаждается, в нём происходит конденсация паров воды. Так образуется характерное клубящееся облако Я. в. поперечником в сотни м . Через минуту оно достигает высоты 4 км , через 10 мин — 10 км . В дальнейшем это облако, содержащее продукты ядерных реакций, разносится ветрами и воздушными течениями на расстояния в десятки и сотни км . Продукты деления ядер обладают радиоактивностью, они испускают g -кванты и электроны. Под действием радиоактивности и вследствие выпадения радиоактивных осадков происходит радиоактивное заражение местности в области следа облака, которое является одним из опаснейших последствий Я. в., вызывая лучевую болезнь у людей и животных. Особенно опасны в отношении радиоактивного действия Я. в. на малой высоте, когда огненный шар при своём расширении касается поверхности Земли, вверх вздымается огромный столб пыли и земли, и радиоактивные продукты впоследствии выпадают вместе с пылью. Радиус действия ударной волны приблизительно пропорционален корню кубическому из значения энергии, выделяющейся при взрыве. Например, радиус очень сильного разрушающего действия Я. в. в 20 Мт примерно в 10 раз больше, чем для Я. в. в 20 кт , т. е. порядка 10 км . Такой взрыв может уничтожить большой город.

  При Я. в. на очень больших высотах, выше 100—200 км , также возникают ударная волна и огненный шар, но в световое излучение переходит значительно меньшая доля энергии Я. в., т. к. вследствие сильной разреженности воздух излучает свет гораздо слабее. Одним из важнейших последствий высотного Я. в. являются возникновение больших областей повышенной ионизации с радиусом в десятки и даже сотни км и возмущение атмосферы. Ионизация вызывается действием рентгеновского и g-излучении (а также нейтронов) и приводит к серьёзным нарушениям в работе средств радиолокации и радиосвязи. Высотные Я. в., осуществленные в 1958—62 в США, показали, что устойчивая радиосвязь может прерываться на десятки мин.

  При подводном взрыве примерно половина всей энергии содержится в первичной ударной волне, которая и производит основные разрушения. Для подводного взрыва характерно образование большого пузыря вокруг центра взрыва, который совершает пульсирующие движения, затухающие с течением времени. Вторичные волны, излучаемые за счёт пульсаций пузыря, оказывают значительно меньшее действие, чем первичная ударная волна. Радиус сильного разрушающего действия, приводящего к нототению кораблей (при Я. в. в 20 кт на небольшой глубине), составляет ~ 0,5 км . При подводном Я. в. появляется «султан» — огромный столб над поверхностью воды, состоящий из водяной пыли и брызг. Возникают также сильные поверхностные волны, которые распространяются на многие км (при взрыве в 20 кт на расстоянии 3 км от эпицентра взрыва высота гребня волны достигает 3 м ).

  При подземном Я. в. разрушения производит также ударная волна. Как и при подводном взрыве, в центре возникает газовый пузырь высокого давления. При неглубоком взрыве образуется огромная воронка, в воздух поднимается столб пыли и земли. Подземный Я. в. вызывает толчок, по своему действию аналогичный землетрясению. По своей энергии Я. в. в 20 кт можно сравнить с землетрясением силой в 5 М (магнитуд) по шкале Рихтера (см. Магнитуда землетрясения ). Я. в. водородной бомбы в 20 Мт соответствует землетрясению с силой 7 М . Сейсмические волны подземных Я. в. регистрируются на расстояниях в тысячи км от места взрыва.

  Ю. П. Райзер.

  Подземные Я. в. применялись в мирных целях для крупномасштабных горных работ, добычи полезных ископаемых и др. Различают заглубленный Я. в. наружного действия и подземного (камуфлетного), когда радиус разрушающего действия не достигает поверхности земли. Я. в. наружного действия, с помощью которых можно направленно перемещать огромные массы горных пород (для вскрытия месторождений полезных ископаемых, строительства каналов, набросных плотин, водоёмов, искусственных гаваней и т. п.), требуют создания ядерных устройств и методов их детонации, гарантирующих отсутствие радиоактивного загрязнения атмосферы и полную безопасность биосферы. Камуфлетные Я. в. осуществляются при заглублении заряда до нескольких км . Эти взрывы интенсифицируют разработку истощённых нефтяных и газовых месторождений, создают (в пластичных породах) ёмкости-хранилища (для природного газа, нефтепродуктов, захоронения отходов и т. п.), позволяют дробить крепкие рудные тела (для их извлечения), ликвидируют аварийные газовые и нефтяные фонтаны.

  Лит.: Действие ядерного оружия, пер. с англ., М., 1960; Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, 2 изд., М., 1966; Коул Р., Подводные взрывы, пер. с англ., М., 1950; Подземные ядерные взрывы, пер. с англ., М., 1962; Ядерный взрыв в космосе, на земле и под землей, пер. с англ., М., 1974; Атомные взрывы в мирных целях, М., 1970; Израэль Ю. А., Мирные ядерные взрывы и окружающая среда, Л., 1974.

(обратно)

Ядерный заряд

Я'дерный заря'д, устройство, содержащее запас ядерной энергии, заключённой в определённых веществах, и приспособления, которые обеспечивают быстрое освобождение энергии для осуществления ядерного взрыва. Я. з. бывают двух типов, один из которых по традиции называется атомным, другой — водородным. Действие Я. з. 1-го типа (атомной бомбы) основано на освобождении ядерной энергии при делении некоторых тяжёлых ядер (урана 235 U, плутония 239 Pu, см. Ядерный взрыв ); действие Я. з. 2-го типа (водородной бомбы) — на термоядерной реакции синтеза ядер гелия из более лёгких ядер (дейтерия, трития или их смеси с 6 Li), при которой выделяется примерно в 4 раза больше энергии, чем при распаде одинакового по массе количества делящегося вещества. Испытывались Я. з. мощностью от нескольких кт до нескольких десятков Мт тротилового эквивалента . Мощность Я. з. определяется как количеством содержащегося в заряде делящегося вещества или изотопов водорода, так и его конструкционными особенностями, создающими условия для вступления в ядерную реакцию максимального количества вещества. Важным элементом конструкции Я. з. является инициирующий заряд, создающий сверхкритические условия для делящегося вещества в атомном заряде и необходимую температуру в водородном заряде (в последнем случае в качестве инициирующего заряда применяется атомный заряд). При конструктивном оформлении Я. з. помещают в стальную оболочку, так что общая его масса вместе с инициирующими устройствами составляет обычно от нескольких сотен кг до нескольких т. При употреблении Я. з. в качестве ядерного оружия его для доставки к месту назначения помещают в авиационную бомбу, боевую головку ракеты, в торпеду и т. п.

  Я. з. применялись в мирных целях для различных крупномасштабных взрывных работ, при добыче полезных ископаемых и т. д.

  Лит. см. при ст. Ядерный взрыв .

(обратно)

Ядерный квадрупольный резонанс

Я'дерный квадрупо'льный резона'нс (ЯКР), резонансное поглощение электромагнитной энергии в кристаллах, обусловленное переходами между энергетическими уровнями, образующимися в результате взаимодействия ядер, обладающих электрическим квадрупольным моментом, с электрическим кристаллическим полем . ЯКР является частным случаем ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в кристаллах. Так называемый «чистый» ЯКР наблюдается в отсутствии постоянного магнитного поля.

  Взаимодействие квадрупольного момента ядра с неоднородным внутренним электрическим полем Е кристалла приводит к появлению энергетических состояний, соответствующих различным ориентациям ядерного спина S относительно кристаллографических осей. Радиочастотное магнитное поле, так же как и в случае ЯМР, вызывает вынужденные магнитные дипольные переходы между этими состояниями, что обнаруживается как резонансное поглощение электромагнитной энергии. Т. к. энергия квадрупольного взаимодействия изменяется в широких пределах в зависимости от свойств ядра и структуры кристалла, то частоты ЯКР лежат в диапазоне от сотен кгц до тысяч Мгц. Положение энергетических уровней не зависит от ориентации осей кристалла относительно прибора, что позволяет пользоваться поликристаллическими образцами. Аппаратура, применяемая для исследования ЯКР, принципиально не отличается от спектрометров ЯМР.

  При исследовании ЯКР измерения в отсутствии постоянного магнитного поля H0 дополняются измерениями в поле H0 В зависимости от соотношения между энергией квадрупольного взаимодействия ядра с полем Е и энергией магнитного взаимодействия с полем H0 говорят о квадрупольном расщеплении линий ЯМР или о зеемановском расщеплении в ЯКР.

  Метод ЯКР применяется в ядерной физике для определения квадрупольных моментов ядер. Методом ЯКР исследуются также симметрия и строение кристаллов, степень упорядоченности макромолекул и характер химической связи. Исследования кристаллов основанных на связи между структурой кристаллов и значениями градиентов поля Е. Если в случае ЯМР структура кристаллов определяет только возмущения зеемановских уровней, приводящие к уширению и расщеплению линий, то в случае ЯКР структура кристалла определяет сами резонансные частоты. Для ЯКР характерна сильная зависимость ширины линий от наличия дефектов в кристалле. Измерение ширины линий позволяет исследовать внутренние напряжения, присутствие примесей и явления упорядочения в кристаллах.

  Лит.: Абрагам А., Ядерный магнетизм, пер, с англ., М., 1963; Гречишкин В. С., Ядерные квадрупольные взаимодействия в твердых телах, М., 1973; Семин Г. К., Бабушкина Т. А., Якобсон Г. Г., Применение ядерного квадрупольного резонанса в химии, Л., 1972.

(обратно)

Ядерный магнетон

Я'дерный магнето'н , см. Магнетон .

(обратно)

Ядерный магнитный резонанс

Я'дерный магни'тный резона'нс (ЯМР), резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом, обусловленное переориентацией магнитных моментов атомных ядер. ЯМР — один из методов радиоспектроскопии . Наблюдается в сильном постоянном магнитном поле H 0 , на которое накладывается слабое радиочастотное магнитное поле H ^ H 0 . Резонансный характер явления определяется свойствами ядер, обладающих моментом количества движения  и магнитным моментом:

  m = g I. (1)

  Здесь I — спин ядра, g — гиромагнитное отношение (величина, характерная для данного вида ядер),  — Планка постоянная . Частота, на которой наблюдается ЯМР:

  w0 = g H 0 . (2)

  Для протонов в поле H0 = 104 э w/2p = 42,57 Мгц; для большинства ядер эти значения лежат в диапазоне 1—10 Мгц. Порядок величины резонансного поглощения определяется равновесной ядерной намагниченностью вещества (ядерным парамагнетизмом ): m0 = c0 H0 , где c0 — статическая ядерная восприимчивость.

  ЯМР, как и другие виды магнитного резонанса , можно описать классической моделью гироскопа. В постоянном магнитном поле H0 пара сил, обусловленная магнитным моментом m, вызывает прецессию магнитного и механического моментов, аналогичную прецессии волчка под действием силы тяжести. Магнитный момент m прецессирует вокруг направления H 0 с частотой w0 = gH 0 , угол прецессии d остаётся неизменным (рис. 1 ). В результате воздействия радиочастотного поля H 1 резонансной частоты w0 угол d изменяется со скоростью gН 1 рад/сек , что приводит к значительным изменениям проекции m на направление поля H0 даже в слабом поле H 1 .

  С квантовой точки зрения ЯМР обусловлен переходами между уровнями энергии взаимодействия магнитных дипольных моментов ядра с полем H 0 . В простейшем случае изолированных, свободных от других воздействий ядерных спинов, условие   (m = I , I — 1,..., ..., — I ) определяет систему (2I + 1) эквидистантных уровней энергии ядра в поле H 0 . Частота w0 соответствует переходу между двумя соседними уровнями.

  Представление об изолированных ядерных спинах является идеализацией; в действительности ядерные спины взаимодействуют между собой и с окружением, например кристаллической решёткой. Это приводит к установлению теплового равновесия (к релаксации ). Релаксационные процессы характеризуются постоянными T1 и T2 , которые описывают изменения продольной и поперечной составляющих ядерной намагниченности. Изменение первой связано с изменением энергии системы ядерных спинов в поле H 0 (спин-решёточная релаксация). Изменения поперечной составляющей определяются в основном внутренними взаимодействиями в самой системе спинов (спин-спиновая релаксация). Значения Ti лежат в пределах от 10-4 сек для растворов парамагнитных солей до нескольких ч для очень чистых диамагнитных кристаллов. Значения Ti изменяются от 10-41 сек для кристаллов до нескольких сек для диамагнитных жидкостей. Ti и Ti связаны со структурой и характером теплового движения молекул вещества. Для жидкостей T1 и T2 , как правило, близки, но становятся резко различными при кристаллизации, сопровождающейся всегда значительным уменьшением T1 . Большие T1 в очень чистых диамагнитных кристаллах объясняются малостью внутренних магнитных полей. В кристаллах, содержащих парамагнитные примеси, тепловой контакт с решёткой осуществляется немногими ядрами, находящимися вблизи от атомов примеси, где локальное поле значительно сильнее. Равновесное распределение, образовавшееся возле атома примеси, распространяется по всему кристаллу за счёт обмена состояниями соседних ядерных спинов в результате магнитного дипольного взаимодействия (спиновая теплопроводность). В металлах и сплавах основной механизм релаксации — взаимодействие электронов проводимости с ядерными моментами. Оно приводит также к сдвигу резонансных частот (см. Найтовский сдвиг ).

  Резонансная линия имеет ширину Dw = 2/T2 (рис. 2 ). В сильных полях H1 наступает «насыщение» — увеличение ширины и уменьшение амплитуды линии при ½g½H1 > (T1 T2 )-1 /2 . Насыщение сопровождается уменьшением ядерной намагниченности. Этому соответствует выравнивание населённостей уровней в результате переходов, вызванных полем H1 . Ширина линий в кристаллах определяется магнитным полем соседних ядер. Для многих кристаллов спин-спиновое взаимодействие ядер настолько велико, что приводит к расщеплению резонансной линии.

  Большое влияние на времена релаксации, ширину и форму линий ЯМР оказывает взаимодействие электрического квадрупольного момента ядер Q с локальным электрическим полем в веществе. В жидкостях ЯМР для ядер с большим Q удаётся наблюдать только на веществах с симметричным строением молекул, исключающим появление квадрупольного взаимодействия (например, 73 Ge в тетраэдрической молекуле GeCl4 ). В кристаллах квадрупольное взаимодействие часто даёт расщепление уровней ЯМР»mН 0 . В этом случае поглощение энергии определяется ядерным квадрупольным резонансом .

  Спектры ЯМР в подвижных жидкостях для ядер со спином I = 1 /2 и Q = 0 отличаются узкими линиями (ЯМР высокого разрешения). Спектры высокого разрешения получаются для протонов, ядер 19 F, 13 C, 31 P и некоторых других ядер. Одиночные линии в этом случае получаются только если наблюдается ЯМР ядер, занимающих химически эквивалентные положения (например, линии водорода в спектрах воды, бензола, циклогексана). Все соединения более сложного строения дают спектры из многих линий (рис. 3 ), что связано с двумя эффектами. Первый, так называемый химический сдвиг, — результат взаимодействия окружающих ядро электронов с полем H 0 .

  Возмущение состояний электронов вызывает уменьшение постоянной составляющей поля, действующего на ядра, пропорциональное H 0 . Величина химического сдвига зависит от структуры электронных оболочек и, т. о., от характера химических связей, что позволяет судить о структуре молекул по спектру ЯМР. Вторым эффектом является непрямое спин-спиновое взаимодействие. Непосредственное магнитное взаимодействие ядер в подвижных жидкостях затруднено из-за броуновского движения молекул; непрямое спин-спиновое взаимодействие обусловлено поляризацией электронных оболочек полем ядерных моментов. Величина расщеплений в этом случае не зависит от H 0 .

  Наблюдение спектров ЯМР осуществляется путём медленного изменения частоты со поля H1 или напряжённости поля H0 . Часто применяется модуляция поля Но полем звуковой частоты. При исследованиях кристаллов лучшую чувствительность даёт метод «быстрой модуляции»: поле H0 модулируется звуковой частотой так, что процессы, определяемые временем релаксации T1 , не успевают завершиться за период модуляции, и состояние системы спинов нестационарно. Применяются также импульсные методы (воздействие поля H 1 ограничено во времени короткими импульсами). Важнейшие из них — метод спинового эха и фурье-спектроскопия .

  Эдс индукции пропорциональна H2 0 . Поэтому обычно эксперименты выполняют в сильном магнитном поле. Основным элементом радиочастотной аппаратуры, применяемой для наблюдения ЯМР, является настроенный на частоту прецессии контур, в катушку индуктивности которого помещается исследуемое вещество. Катушка выполняет 2 функции: создаёт действующее на исследуемое вещество радиочастотное магнитное поле H 1 и воспринимает эдс, наведённые прецессией ядерных моментов. Контур включается в радиочастотный мост или в генератор, работающий на пороге генерации.

  Методом ЯМР были измерены моменты атомных ядер, впервые исследованы состояния с инверсной заселённостью уровней. Исследования релаксационных процессов, ширины и тонкой структуры линий ЯМР дали много сведений о структуре жидкостей и твёрдых тел. ЯМР высокого разрешения представляет собой наряду с инфракрасной спектроскопией стандартный метод определения строения органических молекул. Тесная связь формы сигналов с внутренним движением в веществе позволяет использовать ЯМР для исследования заторможенных вращений в молекулах и кристаллах. ЯМР используется также для изучения механизма и кинетики химических реакций. На ЯМР основаны приборы для прецизионного измерения и стабилизации магнитного поля (см. Квантовый магнитометр ). За открытие и объяснение ЯМР (1946) Ф. Блоху и Э. Пёрселлу была присуждена Нобелевская премия по физике за 1952.

  Лит.: Вloch F., «Physical Review», 1946, v. 70, № 7—8, p. 460; Bioembergen N., Purcell E.M., Pound R. V., там же, 1948, v. 73, № 7, p. 679; Абрагам А., Ядерный магнетизм, пер. с англ., М., 1963; Александров И. В., Теория магнитной релаксации. Релаксация в жидкостях и твердых неметаллических парамагнетиках, М., 1975; Сликтер Ч., Основы теории магнитного резонанса с примерами из физики твердого тела, [пер.], М., 1967; Попл Д., Шнейдер В., Бернстейн Г., Спектры ядерного магнитного резонанса высокого разрешения, пер. с англ., М., 1962; Эмели Дж., Финей Дж., Сатклиф Л., Спектроскопия ядерного магнитного резонанса высокого разрешения, пер. с англ., т. 1—2, М., 1968—69; Фаррар Т., Беккер Э., Импульсная и фурье-спектроскопия ЯМР, пер. с англ., М., 1973.

  К. В. Владимирский.

Рис. 3. Спектр ЯМР протонов в чистом этиловом спирте. Расщепление резонансных линий групп OH, CH2 и CH3 обусловлено непрямым спин-спиновым взаимодействием.

Рис. 2. Спектральная линия ЯМР.

Рис. 1. Прецессия магнитного момента m ядра в поле H0 ; J — угол прецессии.

(обратно)

Ядерный парамагнетизм

Я'дерный парамагнети'зм , магнетизм веществ, обусловленный магнитными моментами атомных ядер. В постоянном магнитном поле H 0 существование магнитных моментов ядер приводит к слабому парамагнетизму в виде небольшой добавочной ядерной намагниченности M 0 = cH0 , где c — магнитная ядерная восприимчивость. Намагниченность M 0 в 106 — 108 раз меньше, чем в случае электронного парамагнетизма . Я. п. впервые обнаружен в 1937 Л. В. Шубниковым и Б. Г. Лазаревым (СССР) в твёрдом водороде. Изучается методом ядерного магнитного резонанса .

(обратно)

Ядерный ракетный двигатель

Я'дерный раке'тный дви'гатель (ЯРД), ракетный двигатель, в котором тяга создаётся за счёт энергии, выделяющейся при радиоактивном распаде или ядерной реакции. Соответственно типу происходящей в ЯРД ядерной реакции выделяют радиоизотопный ракетный двигатель , термоядерный ракетный двигатель и собственно ЯРД (используется энергия деления ядер). ЯРД состоит из реактора, реактивного сопла, турбонасосного агрегата (ТНА) для подачи рабочего тела в реактор из бака двигательной установки (где оно хранится в жидком состоянии), управляющих агрегатов и других элементов. В ядерном реакторе рабочее тело превращается в высокотемпературный газ, при истечении которого создаётся тяга. Газ для привода ТНА можно получить нагревом основного рабочего тела в реакторе. Сопло ТНА и многие другие агрегаты ЯРД аналогичны соответствующим элементам жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Принципиальное отличие ЯРД от ЖРД — в наличии ядерного реактора вместо камеры сгорания (разложения). Достоинство ЯРД — в их высоком удельном импульсе благодаря большой скорости истечения рабочего тела, достигающей 50 км/сек и более. По удельному импульсу ЯРД значительно превосходят химические ракетные двигатели , у которых скорость истечения рабочего тела не превышает 4,5 км/сек. В стадии технической разработки (1977) экспериментальный американский ЯРД «Нерва-I» («Nerva-1»); при массе 11 т развивает тягу свыше 300 кн при удельном импульсе 8,1 км/сек. К 1978 созданы экспериментальные образцы радиоизотопных ЯРД с тягой до нескольких н. Использование всех типов ЯРД предусматривается только в космосе.

  Лит.: Бассард Р. В., Де-Лауэр Р. Д., Ракета с атомным двигателем, пер. с англ., М., 1960; их же. Ядерные двигатели для самолётов и ракет, пер. с англ., М., 1967.

(обратно)

Ядерный реактор

Я'дерный реа'ктор , устройство, в котором осуществляется управляемая ядерная цепная реакция , сопровождающаяся выделением энергии. Первый Я. р. построен в декабре 1942 в США под руководством Э. Ферми . В Европе первый Я. р. пущен в декабре 1946 в Москве под руководством И. В. Курчатова . К 1978 в мире работало уже около тысячи Я. р. различных типов. Составными частями любого Я. р. являются: активная зона с ядерным топливом , обычно окруженная отражателем нейтронов, теплоноситель , система регулирования цепной реакции, радиационная защита, система дистанционного управления (рис. 1 ). Основной характеристикой Я. р. является его мощность. Мощность в 1 Мет соответствует цепной реакции, в которой происходит 3·1016 актов деления в 1 сек.

  В активной зоне Я. р. находится ядерное топливо, протекает цепная реакция ядерного деления и выделяется энергия. Состояние Я. р. характеризуется эффективным коэффициентом Кэф размножения нейтронов или реактивностью r:

r = (К¥ — 1)/Кэф . (1)

  Если Кэф > 1, то цепная реакция нарастает во времени, Я. р. находится в надкритичном состоянии и его реактивность r > 0; если Кэф < 1 , то реакция затухает, реактор — подкритичен, r < 0; при К ¥ = 1, r = 0 реактор находится в критическом состоянии, идёт стационарный процесс и число делений постоянно во времени. Для инициирования цепной реакции при пуске Я. р. в активную зону обычно вносят источник нейтронов (смесь Ra и Be, 252 Cf и др.), хотя это и не обязательно, т. к. спонтанное деление ядер урана и космические лучи дают достаточное число начальных нейтронов для развития цепной реакции при Кэф > 1.

  В качестве делящегося вещества в большинстве Я. р. применяют 235 U. Если активная зона, кроме ядерного топлива (природный или обогащенный уран), содержит замедлитель нейтронов (графит, вода и другие вещества, содержащие лёгкие ядра, см. Замедление нейтронов ), то основная часть делений происходит под действием тепловых нейтронов (тепловой реактор ). В Я. р. на тепловых нейтронах может быть использован природный уран, не обогащенный 235 U (такими были первые Я. р.). Если замедлителя в активной зоне нет, то основная часть делений вызывается быстрыми нейтронами с энергией xn > 10 кэв (быстрый реактор ). Возможны также реакторы на промежуточных нейтронах с энергией 1—1000 эв.

  По конструкции Я. р. делятся на гетерогенные реакторы , в которых ядерное топливо распределено в активной зоне дискретно в виде блоков, между которыми находится замедлитель нейтронов (рис. 2 ), и гомогенные реакторы , в которых ядерное топливо и замедлитель представляют однородную смесь (раствор или суспензия). Блоки с ядерным топливом в гетерогенном Я. р., называются тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ'ами), образуют правильную решётку; объём, приходящийся на один ТВЭЛ, называется ячейкой. По характеру использования Я. р. делятся на энергетические реакторы и исследовательские реакторы . Часто один Я. р. выполняет несколько функций (см. Двухцелевой реактор ).

  Условие критичности Я. р. имеет вид:

Кэф = К ¥ × Р = 1 , (1)

  где 1 — Р — вероятность выхода (утечки) нейтронов из активной зоны Я. р., К ¥ — коэффициент размножения нейтронов в активной зоне бесконечно больших размеров, определяемый для тепловых Я. р. так называемой «формулой 4 сомножителей»:

К ¥ = neju. (2)

  Здесь n — среднее число вторичных (быстрых) нейтронов, возникающих при делении ядра 235 U тепловыми нейтронами, e — коэффициент размножения на быстрых нейтронах (увеличение числа нейтронов за счёт деления ядер, главным образом ядер 238 U, быстрыми нейтронами); j — вероятность того, что нейтрон не захватится ядром 238 U в процессе замедления, u — вероятность того, что тепловой нейтрон вызовет деление. Часто пользуются величиной h = n/(l + a), где a — отношение сечения радиационного захвата sр к сечению деления sд .

  Условие (1) определяет размеры Я. р. Например, для Я. р. из естественного урана и графита n = 2,4. e » 1,03, eju » 0,44, откуда К ¥ =1,08. Это означает, что для К ¥ > 1 необходимо Р<0,93, что соответствует (как показывает теория Я. р.) размерам активной зоны Я. р. ~ 5—10 м. Объём современного энергетического Я. р. достигает сотен м3 и определяется главным образом возможностями теплосъёма, а не условиями критичности. Объём активной зоны Я. р. в критическом состоянии называется критическим объёмом Я. р., а масса делящегося вещества — критической массой. Наименьшей критической массой обладают Я. р. с топливом в виде растворов солей чистых делящихся изотопов в воде и с водяным отражателем нейтронов. Для 235 U эта масса равна 0,8 кг , для 239 Pu — 0,5 кг. Наименьшей критической массой обладает 251 Cf (теоретически 10 г). Критические параметры графитового Я. р. с естественным ураном: масса урана 45 т , объём графита 450 м3 . Для уменьшения утечки нейтронов активной зоне придают сферическую или близкую к сферической форму, например цилиндр с высотой порядка диаметра или куб (наименьшее отношение поверхности к объёму).

  Величина n известна для тепловых нейтронов с точностью 0,3% (табл. 1). При увеличении энергии xn нейтрона, вызвавшего деление, n растет по закону: n = nt + 0,15xn (xn в Мэв ), где nt соответствует делению тепловыми нейтронами.

Табл. 1. — Величины n и h) для тепловых нейтронов (по данным на 1977)

233 U 235 U 239 Pu 241 Pu n 2,479 2,416 2,862 2,924 h 2,283 2,071 2,106 2,155

Величина (e—1) обычно составляет лишь несколько %, тем не менее роль размножения на быстрых нейтронах существенна, поскольку для больших Я. р. (К ¥   — 1) << 1 (графитовые Я. р. с естественным ураном, в которых впервые была осуществлена цепная реакция, невозможно было бы создать, если бы не существовало деления на быстрых нейтронах).

  Максимально возможное значение J достигается в Я. р., который содержит только делящиеся ядра. Энергетические Я. р. используют слабо обогащенный уран (концентрация 235 U ~ 3—5%), и ядра 238 U поглощают заметную часть нейтронов. Так, для естественной смеси изотопов урана максимальное значение nJ = 1,32. Поглощение нейтронов в замедлителе и конструкционных материалах обычно не превосходит 5—20% от поглощения всеми изотопами ядерного топлива. Из замедлителей наименьшим поглощением нейтронов обладает тяжёлая вода, из конструкционных материалов — Al и Zr.

  Вероятность резонансного захвата нейтронов ядрами 238 U в процессе замедления (1—j) существенно снижается в гетерогенных Я. р. Уменьшение (1 — j) связано с тем, что число нейтронов с энергией, близкой к резонансной, резко уменьшается внутри блока топлива и в резонансном поглощении участвует только внешний слой блока. Гетерогенная структура Я. р. позволяет осуществить цепной процесс на естественном уране. Она уменьшает величину О, однако этот проигрыш в реактивности существенно меньше, чем выигрыш из-за уменьшения резонансного поглощения.

  Для расчёта тепловых Я. р. необходимо определить спектр тепловых нейтронов. Если поглощение нейтронов очень слабое и нейтрон успевает много раз столкнуться с ядрами замедлителя до поглощения, то между замедляющей средой и нейтронным газом устанавливается термодинамическое равновесие (термализация нейтронов), и спектр тепловых нейтронов описывается Максвелла распределением . В действительности поглощение нейтронов в активной зоне Я. р. достаточно велико. Это приводит к отклонению от распределения Максвелла — средняя энергия нейтронов больше средней энергии молекул среды. На процесс термализации влияют движения ядер, химические связи атомов и др.

  Выгорание и воспроизводство ядерного топлива . В процессе работы Я. р. происходит изменение состава топлива, связанное с накоплением в нём осколков деления (см. Ядра атомного деление ) и с образованием трансурановых элементов , главным образом изотопов Pu. Влияние осколков деления на реактивность Я. р. называется отравлением (для радиоактивных осколков) и зашлаковыванием (для стабильных). Отравление обусловлено главным образом 135 Xe который обладает наибольшим сечением поглощения нейтронов (2,6·106 барн ). Период его полураспада T1/2 = 9,2 ч, выход при делении составляет 6—7%. Основная часть 135 Xe образуется в результате распада 135 ] (Тц = 6,8 ч ). При отравлении Кэф изменяется на 1—3%. Большое сечение поглощения 135 Xe и наличие промежуточного изотопа 135 I приводят к двум важным явлениям: 1) к увеличению концентрации 135 Xe и, следовательно, к уменьшению реактивности Я. р. после его остановки или снижения мощности («йодная яма»). Это вынуждает иметь дополнительный запас реактивности в органах регулирования либо делает невозможным кратковременные остановки и колебания мощности. Глубина и продолжительность йодной ямы зависят от потока нейтронов Ф: при Ф = 5·1013 нейтрон/см2 × сек продолжительность йодной ямы ~ 30 ч , а глубина в 2 раза превосходит стационарное изменение Кэф , вызванное отравлением 135 Xe. 2) Из-за отравления могут происходить пространственно-временные колебания нейтронного потока Ф, а значит — и мощности Я. р. Эти колебания возникают при Ф> 1013 нейтронов/см2 × сек и больших размерах Я. р. Периоды колебаний ~ 10 ч.

  Число различных стабильных осколков, возникающих при делении ядер, велико. Различают осколки с большими и малыми сечениями поглощения по сравнению с сечением поглощения делящегося изотопа. Концентрация первых достигает насыщения в течение нескольких первых суток работы Я. р. (главным образом 149 Sm, изменяющий Кэф на 1%). Концентрация вторых и вносимая ими отрицательная реактивность возрастают линейно во времени.

  Образование трансурановых элементов в Я. р. происходит по схемам:

Здесь з означает захват нейтрона, число под стрелкой — период полураспада.

  Накопление 239 Pu (ядерного горючего) в начале работы Я. р. происходит линейно во времени, причём тем быстрее (при фиксированном выгорании 235 U), чем меньше обогащение урана. Затем концентрация 239 Pu стремится к постоянной величине, которая не зависит от степени обогащения, а определяется отношением сечений захвата нейтронов 238 U и 239 Pu. Характерное время установления равновесной концентрации 239 Pu ~ 3/ Ф лет (Ф в ед. 1013 нейтронов/см2 ×сек). Изотопы 240 Pu, 241 Pu достигают равновесной концентрации только при повторном сжигании горючего в Я. р. после регенерации ядерного топлива.

  Выгорание ядерного топлива характеризуют суммарной энергией, выделившейся в Я. р. на 1 т топлива. Для Я. р., работающих на естественном уране, максимальное выгорание ~ 10 Гвт ×сут/т (тяжело-водные Я. р.). В Я. р. со слабо обогащенным ураном (2—3% 235 U ) достигается выгорание ~ 20—30 Гвт-сут/т. В Я. р. на быстрых нейтронах — до 100 Гвт-сут/т. Выгорание 1 Гвт-сут/т соответствует сгоранию 0,1% ядерного топлива.

  При выгорании ядерного топлива реактивность Я. р. уменьшается (в Я. р. на естественном уране при малых выгораниях происходит некоторый рост реактивности). Замена выгоревшего топлива может производиться сразу из всей активной зоны или постепенно по ТВЭЛ'ам так, чтобы в активной зоне находились ТВЭЛ'ы всех возрастов — режим непрерывной перегрузки (возможны промежуточные варианты). В первом случае Я. р. со свежим топливом имеет избыточную реактивность, которую необходимо компенсировать. Во втором случае такая компенсация нужна только при первоначально с запуске, до выхода в режим непрерывной перегрузки. Непрерывная перегрузка позволяет увеличить глубину выгорания, поскольку реактивность Я. р. определяется средними концентрациями делящихся нуклидов (выгружаются ТВЭЛ'ы с минимальной концентрацией делящихся нуклидов). В табл. 2 приведён состав извлекаемого ядерного топлива (в кг ) в водо-водяном реакторе мощностью 3 Гвт. Выгружается одновременно вся активная зона после работы Я. р. в течение 3 лет и «выдержки» 3 лет (Ф = 3×1013 нейтрон/см2 ×сек). Начальный состав: 238 U — 77350, 235 U — 2630, 234 U — 20.

Табл. 2. — Состав выгружаемого топлива, кг

238 U 75400 235 U 640 239 Tu 420 236 U 360 240 Pu 170 241 Pu 70 237 Np 39 212 Pu 30 238 Pu 14 241 Am 13 231 U 10 243 Am 8 244 Cm 2 Более тяжёлые изотопы 0,2 Осколки 2821 (в т. ч. отделения 235 U—1585)

  Общая масса загруженного топлива на 3 кг превосходит массу выгруженного (выделившаяся энергия «весит» 3 кг ). После остановки Я. р. в топливе продолжается выделение энергии сначала главным образом за счёт деления запаздывающими нейтронами, а затем, через 1—2 мин , главным образом за счёт b- и g-излучении осколков деления и трансурановых элементов. Если до остановки Я. р. работал достаточно долго, то через 2 мин после остановки выделение энергии (в долях энерговыделения до остановки) 3%, через 1 ч — 1%, через сутки — 0,4%, через год — 0,05%.

  Коэффициентом конверсии Kk называется отношение количества делящихся изотопов Pu, образовавшихся в Я. р., к количеству выгоревшего 235 U. Табл. 2 даёт KK = 0,25. Величина KK увеличивается при уменьшении обогащения и выгорания. Так, для тяжеловодного Я. р. на естественном уране, при выгорании 10 Гвт × сут/т KK = 0.55, а при совсем малых выгораниях (в этом случае KK называется начальным плутониевым коэффициентом) KK = 0,8. Если Я. р. сжигает и производит одни и те же изотопы (реактор-размножитель), то отношение скорости воспроизводства к скорости выгорания называется коэффициентом воспроизводства Кв . В Я. р. на тепловых нейтронах Кв < 1 , а для Я. р. на быстрых нейтронах Кв может достигать 1,4—1,5. Рост Кв для Я. р. на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что для быстрых нейтронов g растет, a а падает (особенно для 239 Pu, см. Реактор-размножитель ).

  Управление Я. р. Для регулирования Я. р. важно, что часть нейтронов при делении вылетает из осколков с запаздыванием. Доля таких запаздывающих нейтронов невелика (0,68% для 235 U, 0,22% для 239 Pu; в табл. 1 n — сумма числа мгновенных нейтронов n0 и запаздывающих n3 нейтронов). Время запаздывания Тзап от 0,2 до 55 сек. Если (Кэф — 1) £ n3 /n0 , то число делений в Я. р. растет (Кэф > 1) или падает (Кэф < 1), с характерным временем ~Т3 . Без запаздывающих нейтронов эти времена были бы на несколько порядков меньше, что сильно усложнило бы управление Я. р.

  Для управления Я. р. служит система управления и защиты (СУЗ). Органы СУЗ делятся на: аварийные, уменьшающие реактивность (вводящие в Я. р. отрицательную реактивность) при появлении аварийных сигналов; автоматические регуляторы, поддерживающие постоянным нейтронный поток Ф (а значит — и мощность); компенсирующие (компенсация отравления, выгорания, температурных эффектов). В большинстве случаев это стержни, вводимые в активную зону Я. р. (сверху или снизу) из веществ, сильно поглощающих нейтроны (Cd, В и др.). Их движение управляется механизмами, срабатывающими по сигналу приборов, чувствительных к величине нейтронного потока. Для компенсации выгорания могут использоваться выгорающие поглотители, эффективность которых убывает при захвате ими нейтронов (Cd, В, редкоземельные элементы ), или растворы поглощающего вещества в замедлителе. Стабильности работы Я. р. способствует отрицательный температурный коэффициент реактивности (с ростом температуры r уменьшается). Если этот коэффициент положителен, то работа органов СУЗ существенно усложняется.

  Я. р. оснащается системой приборов, информирующих оператора о состоянии Я. р.: о потоке нейтронов в разных точках активной зоны, расходе и температуре теплоносителя, уровне ионизирующего излучения в различных частях Я. р. и в вспомогательных помещениях, о положении органов СУЗ и др. Информация, получаемая с этих приборов, поступает в ЭВМ, которая может либо выдавать её оператору в обработанном виде (функции учёта), либо на основании математической обработки этой информации выдавать рекомендации оператору о необходимых изменениях в режиме работы Я. р. (машина-советчик), либо, наконец, осуществлять управление Я. р. в определённых пределах без участия оператора (управляющая машина).

  Классификация Я. р. По назначению и мощности Я. р. делятся на несколько групп: 1) экспериментальный реактор (критическая сборка), предназначенный для изучения различных физических величин, значение которых необходимо для проектирования и эксплуатации Я. р.; мощность таких Я. р. не превышает несколько квт' , 2) исследовательские реакторы, в которых потоки нейтронов и g-квантов, генерируемые в активной зоне, используются для исследований в области ядерной физики, физики твёрдого тела, радиационной химии, биологии, для испытания материалов, предназначенных для работы в интенсивных нейтронных потоках (в т. ч. деталей Я. р.), для производства изотопов. Мощность исследовательского Я. р. не превосходит 100 Мвт; выделяющаяся энергия, как правило, не используется. К исследовательским Я. р. относится импульсный реактор' , 3) изотопные Я. р., в которых потоки нейтронов используются для получения изотопов, в том числе Pu и 3 H для военных целей (см. Ядерное оружие ); 4) энергетические Я. р., в которых энергия, выделяющаяся при делении ядер, используется для выработки электроэнергии, теплофикации, опреснения морской воды, в силовых установках на кораблях и т. д. Мощность (тепловая) современного энергетического Я. р. достигает 3—5 Гвт (см. Ядерная энергетика . Атомная электростанция ).

  Я. р. могут различаться также по виду ядерного топлива (естественный уран, слабо обогащенный, чистый делящийся изотоп), по его химическому составу (металлический U, UO2 , UC и т. д.), по виду теплоносителя (H2 O, газ, D2 O, органические жидкости, расплавленный металл), по роду замедлителя (С, H2 O, D2 O, Be, BeO, гидриды металлов, без замедлителя). Наиболее распространены гетерогенные Я. р. на тепловых нейтронах с замедлителями — H2 О, С, D2 О и теплоносителями — H2 O, газ, D2 O. В ближайшие десятилетия будут интенсивно развиваться быстрые реакторы. В них «сжигается» 238 U, что позволяет лучше использовать ядерное топливо (в десятки раз) по сравнению с тепловыми Я. р. Это существенно увеличивает ресурсы ядерной энергетики.

  Лит.: Вейнберг А., Вигнер Е., Физическая теория ядерных реакторов, пер. с англ., М., 1961; Крамеров А. Я., Шевелёв Я. В., Инженерные расчёты ядерных реакторов, М., 1964; Бать Г. А., Коченов А. С., Кабанов Л. Г., Исследовательские ядерные реакторы, М., 1972; Белл Д., Глесстон С., Теория ядерных реакторов, пер. с англ., М., 1974; Гончаров В. В., 30-летие первого советского ядерного реактора, «Атомная энергия», 1977, т, 42, в. 2.

  А. Д. Галанин.

Рис. 1. Продольный разрез реактора Института атомной энергии имени И. В. Курчатова: 1 — активная зона; 2 — загрузочное устройство; 3 — вода-теплоноситель; 4 — радиационная защита; 5 — приводы системы дистанционного управления; 6 — напорный и всасывающий трубопроводы.

Рис. 2. Сборка гетерогенного реактора

Схема образования трансурановых элементов в ядерном реакторе.

(обратно)

Ядерный фотоэффект

Я'дерный фотоэффе'кт, то же, что фотоядерные реакции .

(обратно)

Ядовитые животные

Ядови'тые живо'тные, содержат в организме постоянно или периодически вещества, токсичные для особей других видов. Введённый даже в малых дозах в организм другого животного яд вызывает болезненные расстройства, а иногда — смерть. Всего существует около 5 тыс. видов Я. ж.: простейших — около 20, кишечнополостных — около 100, червей — около 70, членистоногих — около 4 тыс., моллюсков — около 90, иглокожих — около 25, рыб — около 500, земноводных — около 40, пресмыкающихся — около 100, млекопитающих — 1 вид. В СССР — около 1500 видов. Из Я. ж. наиболее изучены змеи, скорпионы, пауки, жуки-нарывники и некоторые др.; наименее — земноводные, рыбы, моллюски и кишечнополостные. Одни из Я. ж. имеют особые железы, вырабатывающие яд, другие содержат токсические вещества в тех или иных тканях тела. У части животных имеется ранящий аппарат (так называемые вооружённые Я. ж.), способствующий введению яда в тело врага или жертвы. У простейших (например, инфузорий) это трихоцисты, у кишечнополостных (гидры, актинии, медузы) — стрекательные клетки, у «жгучих» гусениц — на теле одноклеточные кожные железы с колющими хрупкими волосками, у ряда членистоногих (скорпионов, пчёл, ос) — многоклеточные кожные железы, связанные с жалом, а у рыб — такие же железы, соединённые с шипами на плавниках (например, скорпеновые) и жаберных крышках (морские дракончики). У многих животных (многоножки, пауки, некоторые двукрылые, клопы, а также змеи) ядовитые железы связаны с ротовыми органами, и яд вводится в тело жертвы при укусе или уколе. Вооружённым Я. ж. яд служит для защиты и для нападения. У Я. ж., имеющих ядовитые железы, но не имеющих специального аппарата для введения яда в тело жертвы, например у земноводных (саламандр, тритонов, жаб и др.), железы расположены в различных участках кожи; при раздражении животного яд выделяется на поверхность кожи и действует на слизистые оболочки хищника. У Я. ж., не имеющих специальных ядовитых желёз, ядовитость вызвана свойствами тех или иных тканей. Она оказывает влияние только при поедании этих животных другими. Ядовиты могут быть половые железы (у некоторых жуков и кольчатых червей), а также икра ряда рыб (усачей, маринок), сыворотка крови (например, угря, мурены, скатов). Многие внутренние паразиты животных также являются Я. ж. Например, паразитические круглые черви анкилостомиды выделяют токсические вещества, растворяющие эритроциты.

  Яд при поступлении в организм прежде всего оказывает местное действие, а по мере всасывания сказывается и общее его влияние на организм. В одних случаях местное действие очень сильное, а общее — слабое (ужаливание пчелы), в других — наоборот (укус кобры). Местное действие проявляется в отёке в области укуса, сильной боли, образовании пузырей, разрушении ткани (некроз) и пр. Общее действие обычно сказывается на нервной системе, сердечно-сосудистой и др. и проявляется в параличе сердца, дыхательного центра, в воспалении почек, свёртывании крови и пр., что иногда приводит к смертельному исходу. Например, укус самки каракурта вызывает тяжёлую, местную и общую реакции; последняя проявляется в возбуждении, судорогах, частичном параличе и иногда кончается гибелью пострадавшего. Действие некоторых ядов буквально молниеносно.

  Так, у гусеницы сразу наступает паралич, как только жало ядовитой осы аммофилы проколет узел нервной цепочки; мышь погибает через 3—4 сек после укуса гюрзы. Сила действия яда зависит от его природы, дозы, а также от пути его поступления в организм; яд, попавший в кровь, обычно действует гораздо быстрее, чем при попадании в ткани, бедные кровеносными сосудами (всасывание яда при этом происходит очень медленно). Чувствительность разных животных к одному и тому же яду различна (одно и то же количество яда гремучей змеи смертельно для 24 собак, 60 лошадей, 600 кроликов, 800 крыс, 2000 мор. свинок, 300000 голубей). Степень отравления зависит также от величины тела животного и его возраста. Некоторые животные малочувствительны к тем или иным ядам, например свиньи — к яду гремучей змеи, ежи — к яду гадюки, грызуны, обитающие в пустынях, — к яду скорпионов. Некоторые птицы (аисты, вороны, кондоры, птицы-секретари) поедают ядовитых змей; ядовитые змеи (например, лахезис) — других ядовитых змей (коралловую змею), неядовитая змея муссурана — ядовитых змей. Некоторые птицы могут поедать жгучих гусениц; куры — каракурта, а сам каракурт может поедать шпанских мушек, кантаридин которых для него не опасен. Т. о., не существует Я. ж., опасных для всех остальных животных; их ядовитость относительна. Человек и животные могут стать невосприимчивы к яду, который длительное время в небольших дозах вводился в их организм. Так, иногда пчеловоды становятся нечувствительны к яду пчёл. Малые дозы змеиного яда , пчелиного яда и некоторых других используются для лечебных целей. См. также Токсины .

  Лит.: Павловский Е. Н., Ядовитые животные Средней Азии и Ирана, Таш., 1942; Мариковский П. И., Тарантул и каракурт, Фр., 1956; Захаров В. И., Жабий яд, Киш., 1960; Кассирский И. А., Плотников Н. Н., Болезни жарких стран, 2 изд., М., 1964; Пигулевский С. В., Ядовитые животные. Токсикология позвоночных, Л., 1966; его же, Ядовитые животные. Токсикология беспозвоночных, Л., 1975; Баркаган 3. С., Перфильев П. П., Ядовитые змеи и их яды, Барнаул, 1167; Талызин Ф. Ф., Ядовитые животные суши и моря, М., 1970; Halstead В. W., Dangerous marine animals, Camb., 1959; Manson sir Patric, Tropical diseases: a manual of the diseases of warm climates, 16 ed., L., 1966; Caras R. A., Venomous animals of the world, Englewood Cliffs, 1974.

  Ф. Ф. Талызин.

Водные ядовитые животные: рыба-хирург.

Наземные ядовитые животные: 1 — ядозуб; 2 — обыкновенный щитомордник; 3 — песчаная эфа.

Голова гремучей змеи: 1 — железа, вырабатывающая яд; 2 — ядовитые зубы с каналом для стока яда; 3 — мышца, выдавливающая из железы яд; 4 — глаз; 5 — язык; 6 — дыхательное отверстие трахеи; 7 — складка слизистой оболочки десны, охватывающая зуб.

Морской дракончик: 1 — луч-колючка спинного плавника; 2 — жаберная крышка с колючкой.

Водные ядовитые животные: крылатка.

Хвостокол, или морской кот, ранящий человека, и его шип.

Водные ядовитые животные: 1 — бородавчатка; 2 — морской дракончик; 2а — он же, закопавшийся в грунт.

Наземные ядовитые животные: 1 — огненная саламандра; 2 — краснобрюхая жерлянка; 3 — зелёная жаба.

Водные ядовитые животные: собака-рыба.

Наземные ядовитые животные: 1 — тарантул; 2 — гусеница златогузки; 3 — телифон; 4 — каракурт; 5 — жук-нарывник.

Наземные ядовитые животные: 1 — древесная лягушка; 2 — лягушка-древолаз; 3 — она же, другой окраски.

Наземные ядовитые животные: полосатый гремучник.

Водные ядовитые животные: 1 — медуза хиронекс; 2 — медуза гонионема; 3 — сифонофора физалия, или португальский кораблик; 4 — медуза корнерот; 5 — медуза цианея; 6 — морской ёж диадема; 7 — морской кот; 8 — маринка.

Медуза крестовик и её стрекательные клетки: а — в покоящемся состоянии; б — с выстреленной стрекательной нитью; 1 — ядро; 2 — капсула; 3 — чувствительный волосок; 4 — стрекательная нить; 5 — шипы.

Оса крабро и её ядовитый аппарат: 1 — ядовитая железа; 2 — жало.

Водные ядовитые животные: 1 — зелёная гидра; 2 — моллюск конус.

Наземные ядовитые животные: 1 — жук-педерус; 2 — шершень; 3 — шпанская мушка; 4 — медоносная пчела.

Паук каракурт: 1 — самка; 2 — самец; 3 — хелицеры (верхние челюсти самки); 4 — крючки хелицер; 5 — ядовитые железы.

Водные ядовитые животные: мускусный осьминог.

Водные ядовитые животные: 1 — лошадиная актиния; 2 — морской ёж токсопнейстес.

Наземные ядовитые животные: 1 — гюрза; 2 — капская гадюка.

Наземные ядовитые животные: западная мамба.

Наземные ядовитые животные: 1 — сколопендра; 2 — скорпион.

Наземные ядовитые животные: 1 — пама; 2 — кобровый аспид; 3 — очковая змея.

(обратно)

Ядовитые растения

Ядови'тые расте'ния , растения, вырабатывающие и накапливающие в процессе жизнедеятельности яды. Вызывают отравления животных и человека. В мировой флоре известно более 10 тыс. видов Я. р., главным образом в тропиках и субтропиках, много их и в странах умеренного и холодного климатов; в СССР около 400 видов. Я. р. встречаются среди грибов, хвощей, плаунов, папоротников, голосеменных и покрытосеменных растений. В странах умеренного климата наиболее широко они представлены в семействе лютиковых, маковых, молочайных, ластовневых, кутровых, паслёновых, норичниковых, ароидных. Многие растительные яды в небольших дозах — ценные лечебные средства (морфин, стрихнин, атропин, физостигмин и др.).

  Основные действующие вещества Я. р. — алкалоиды, гликозиды (в том числе сапонины), эфирные масла, органические кислоты и др. Они содержатся обычно во всех частях растений, но часто в неодинаковых количествах, и при общей токсичности всего растения одни части бывают более ядовиты, чем другие. Например, у веха ядовитого, видов аконита, чемерицы особенно ядовито корневище, у картофеля — цветки, болиголова — плоды, у софоры, куколя, гелиотропа — семена, у наперстянки — листья. Некоторые растительные яды накапливаются и образуются только в одном органе растения (например, гликозид амигдалин — в семенах горького миндаля, вишни, сливы). Бывает, что некоторые части Я. р. неядовиты (например, клубни картофеля, кровелька семян тисса, семена мака снотворного). Содержание ядовитых веществ в растениях зависит от условий произрастания и фазы развития растения. Как правило, Я. р., растущие на Ю., накапливают действующих веществ больше, чем произрастающие на С. Одни растения более токсичны перед зацветанием, другие — в период цветения, третьи — при плодоношении. Наиболее ядовиты растения в свежем виде. При высушивании, отваривании, силосовании токсичность может снижаться, а иногда утрачивается совсем. Однако у большинства Я. р. токсичность сохраняется и после переработки, поэтому примесь их в фураже нередко бывает источником сильных отравлений с.-х. животных (при силосовании трав с примесью чемерицы алкалоиды из последней выщелачиваются, пропитывают силосную массу и делают её ядовитой). Животные, как правило, не поедают Я. р., однако при бескормице и весной после длительного стойлового содержания они с жадностью поедают свежую зелень, в том числе и Я. р. (часты отравления животных, перевезённых в районы, где встречаются незнакомые для них Я. р.). Растений, обладающих абсолютной ядовитостью, в природе, по-видимому, не существует. Например, белладонна и дурман ядовиты для человека, но безвредны для грызунов, кур, дроздов и других птиц, морской лук, ядовитый для грызунов, безвреден для других животных, пиретрум ядовит для насекомых, но безвреден для позвоночных и т. д. Обычно отравление Я. р. происходит при попадании растений через рот, органы дыхания (при вдыхании пылевидных частиц Я. р. или выделяемых ими летучих веществ), а также через кожу в результате соприкосновения с Я. р., их соками. Отравления людей через дыхательные пути обычно относят к профессиональным; наблюдаются у сборщиков хмеля, столяров при работе с некоторыми видами древесины (например, древесиной бересклета), людей, имеющих дело с лекарств, растениями (например, с белладонной, секуринегой, лимонником и т. п.). Реже наблюдаются бытовые отравления летучими веществами, выделяемыми Я. р. Большие букеты магнолий, лилий, черёмухи, мака, тубероз могут вызвать недомогание, головокружение, головную боль. Нередки отравления детей соблазнительными на вид ядовитыми плодами. Отравление после поедания Я. р. может проявиться через несколько минут, например после употребления хвои тисса, в других случаях — через несколько дней и даже недель. Некоторые Я. р. (например, хвойник) могут быть ядовиты лишь при длительном их употреблении, т. к. действующие начала их в организме не разрушаются и не выводятся, а накапливаются. Большинство Я. р. одновременно действуют на различные органы, однако какой-то орган или центр обычно бывает поражен сильнее. По действию на организм животных различают Я. р., вызывающие поражение: центральной нервной системы (виды аконита, безвременника, белены, болиголова, ветренницы, веха и др.), сердца (виды ландыша, наперстянки, обвойника и др.), печени (виды гелиотропа, крестовника, люпина и др.), одновременно органов дыхания и пищеварения (горчица полевая, желтушник левкойный, триходесма седая) и т. д. В профилактике отравлений Я. р. человека важное значение имеет санитарное просвещение населения; животных — уничтожение Я. р. на пастбищах. Многие растительные яды в небольших (так называемых терапевтических) дозах применяются как лекарственные средства (например, сердечные гликозиды, получаемые из наперстянки и ландыша, атропин — из белены). Из некоторых Я. р. получают инсектициды (например, пиретрум — 113 ромашки далматской).

Лит.: Кречетович Л. М., Ядовитые растения СССР, М., 1940; Ядовитые растения лугов и пастбищ, М. — Л., 1950; Гусынин И. А., Токсикология ядовитых растений, 4 изд., М., 1962; Дударь А. К., Ядовитые и вредные растения лугов, сенокосов и пастбищ, М., 1971; Вильнер А. М., Кормовые отравления, 5 изд., Л., 1974.

  В. Н. Вехов.

Ядовитые растения: 1 — красавка беладонна; 2 — скополия карниолийская (2а — плод); 3 — вех ядовитый (3а — корневище в разрезе, 3б — цветок, 3в — плод).

Ядовитые растения: 1 — аконит каракольский (1а — клубни); 2 — обвойник греческий (2а — кусок коры); 3 — белена чёрная (3а — плод, 3б — семя); 4 — дурман вонючий (4а — плод, 4б — семя); 5 — болиголов пятнистый (5а — участок стебля, 5б — зонтик с плодами, 5в — плод); 6 — аронник пятнистый (6а — клубень, 6б — плоды); 7 — переступень белый (7а — плоды, 7б — корни, 7в — цветок).

(обратно)

Ядозубы

Ядозу'бы (Helodermatidae), семейство ядовитых ящериц. Туловище вальковатое, плотное; хвост толстый, короткий. Длина до 80 см. Тело сверху покрыто крупной бугорчатой чешуей. Окраска пёстрая, с тёмным рисунком на оранжево-красном или беловато-жёлтом фоне. Зубы длинные, бороздчатые. Нижнечелюстные железы вырабатывают яд, смертельный для мелких позвоночных животных; известны случаи гибели людей. Два вида: жилатье и эскорпион. Распространены от юго-запада США до юго-запада Мексики. Населяют сухие каменистые предгорья и полупустыни. Ведут сумеречный и ночной образ жизни. Питаются насекомыми, ящерицами, змеями, грызунами, птенцами, яйцами птиц и пресмыкающихся. Самка откладывает 3—12 яиц.

(обратно)

Ядохимикаты

Ядохимика'ты , то же, что пестициды .

(обратно)

Ядра атомного деление

Ядра' а'томного деле'ние , процесс расщепления атомного ядра на несколько более лёгких ядер — «осколков», наиболее часто — на 2 осколка, близких по массе. В 1938 немецкие учёные О. Ган и Ф. Штрасман установили, что при бомбардировке урана нейтронами образуются ядра щёлочноземельных элементов, в частности — ядра Ba. Несколько позднее австрийский физики Л. Майтнер и О. Фриш показали, что ядро 235 U делится под действием нейтрона на 2 осколка. Они ввели термин «деление ядер», имея в виду сходство этого явления с делением клеток в биологии. Они же дали первое качеств, объяснение Я. а. д.

  Начальная стадия деления — медленное изменение формы ядра, при котором появляется шейка, соединяющая 2 ещё не полностью сформированных осколка (рис. 1 , а, б). Время прохождения этой стадии (10-14 — 10-18 сек ) зависит от того, насколько сильно возбуждено делящееся ядро. Постепенно шейка утоньшается, и в некоторый момент происходит её разрыв (рис. 1 , в). Образующиеся осколки с большой энергией разлетаются в противоположные стороны (рис. 1 , г).

  Деформация ядра при делении сопровождается изменением его потенциальной энергии (рис. 2 ). Для того чтобы ядро достигло формы, предшествующей его разрыву, необходима затрата определённой энергии для преодоления потенциального барьера , называется барьером деления. Эту энергию обычно ядро получает извне, в результате той или иной ядерной реакции (например, при захвате нейтрона). Я. а. д. наблюдается для всех ядер тяжелее Ag, однако вероятность его во много раз больше для самых тяжёлых элементов. В случае 235 U деление происходит при захвате даже тепловых нейтронов .

  В 1940 Г. Н. Флёров и К. А. Петржак (СССР) обнаружили самопроизвольное (спонтанное) Я. а. д., при котором происходит туннельное проникновение через барьер деления (см. Туннельный эффект ). Спонтанное деление — разновидность радиоактивного распада ядер (см. Радиоактивность ) и характеризуется периодом полураспада (периодом деления). Вероятность спонтанного деления зависит от высоты барьера деления. Для изотопов U и соседних с ним элементов барьер деления ~6 Мэв. Высота барьера, а следовательно, и период спонтанного деления ядер зависят от отношения Z2 /A (рис. 3 ). При изменении Z2 /A от 34,3 для 232 Th до 41,5 для 260 Ku период спонтанного деления уменьшается ~ в 1030 раз.

  Деление тяжёлых ядер сопровождается выделением энергии. В тяжёлых ядрах из-за больших сил электростатического расталкивания нуклоны связаны друг с другом слебее, чем в осколках — ядрах середины периодической системы элементов . Поэтому масса тяжёлого ядра больше суммы масс образующихся осколков. Разница в массах соответствует энергии, выделяемой при делении (см. Относительности теория ). Значительная часть этой энергии выделяется в виде кинетической энергии осколков, равной энергии электростатического отталкивания двух соприкасающихся осколков в момент разрыва ядра на две части (рис. 1 , б). Суммарная кинетическая энергия осколков несколько увеличивается по мере возрастания Z делящегося ядра и составляет для ядер U и трансурановых элементов величину ~ 200 Мэв. Осколки быстро тормозятся в среде, вызывая её нагревание, ионизацию и нарушая её структуру. После соответствующей химической обработки под микроскопом могут быть замечены характерные следы осколков деления (рис. 4 ). Преобразование кинетической энергии осколков деления в тепловую энергию (нагревание ими окружающей среды) является основой использования ядерной энергии (см. Ядерный реактор , Ядерный взрыв ).

  В момент разрыва ядра осколки сильно деформированы, но по мере их удаления друг от друга деформация уменьшается, что приводит к увеличению их внутренней энергии. В дальнейшем энергия возбуждения осколков уменьшается в результате испускания ими нейтронов и g-квантов (рис. 1 , г). Когда энергия возбуждения осколков становится меньше энергии, необходимой для отделения нейтрона от ядра, эмиссия нейтронов прекращается и начинается интенсивное испускание g-квантов. В среднем наблюдается 8—10 g-квантов на 1 акт деления.

  Т. к. разрыв шейки ядра может происходить по-разному, то масса, заряд и энергия возбуждения осколков флуктуируют от одного акта деления к другому. Число нейтронов v, испущенных при делении, также флуктуирует. При бомбардировке U медленным и нейтронами число нейтронов на 1 акт деления n ~ 2,5. Для более тяжёлых элементов n увеличивается. Значит, превышение n над 1 — чрезвычайно важный факт. Именно это обстоятельство позволяет осуществлять ядерную цепную реакцию и накапливать в ядерных реакторах энергию, выделяющуюся при Я. а. д. в макроскопических масштабах. Приближённо энергетический спектр нейтронов можно считать максвелловским со средней энергией ~1,3 Мэв (см. Максвелла распределение ).

  Ядра, образующиеся при делении, перегружены нейтронами и являются радиоактивными (изотопы Ba и др.). Соотношение между числами протонов Z и нейтронов N = А — Z в них зависит от энергии возбуждения делящегося ядра. При достаточно высоком возбуждении соотношение N и Z в осколках остаётся обычно тем же, что у начального делящегося ядра. При малой энергии возбуждения делящегося ядра нейтроны и протоны распределяются между осколками таким образом, что в обоих осколках происходит примерно одинаковое число b-распадов, прежде чем они превратятся в стабильные ядра. В отдельных случаях (приблизительно 0,7% по отношению к общему числу делений) образующееся при b-распаде возбуждённое дочернее ядро испускает нейтрон. Эмиссия этого нейтрона 113 возбуждённого ядра — процесс быстрый (t < 10-16 сек ), однако он запаздывает по отношению к моменту делений ядра на время, которое может достигать десятков сек; нейтроны, испускаемые при этом, называются запаздывающими нейтронами.

  Деление называется асимметричным, когда отношение масс наиболее часто возникающих осколков ~1,5 (рис. 5 ). По мере увеличения энергии возбуждения ядра всё большую роль начинает играть симметричное деление на два осколка с примерно равной массой. Для некоторых спонтанно делящихся ядер (U, Pu) характерно асимметричное деление, но по мере увеличения А деление приближается к симметричному. Наиболее отчётливо это проявляется у 256 Fm. Значительно реже наблюдается деление на 3 осколка, обычно сопровождающееся испусканием a-частицы, ядер 6 He, 8 He, Li, Be и др. Предельный случай — деление на 3 равных осколка — наблюдался при бомбардировке ядер ускоренными тяжёлыми ионами (40 Ar и др.).

  Теоретическое объяснение Я. а. д. впервые было дано Н. Бором и Дж. А. Уплером (США) и независимо от них Я. И. Френкелем . Они развили капельную модель ядра, согласно которой ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаемой жидкости. На нуклоны в атомном ядре действуют уравновешивающие друг друга ядерные силы притяжения и электростатические силы отталкивания (между протонами), стремящиеся разорвать ядро. Деформация ядра нарушает равновесие; при этом, однако, возникают силы, стремящиеся вернуть ядро к начальной форме аналогично поверхностному натяжению жидкой капли. Деформация ядра при делении сопровождается увеличением его поверхности и, как в жидкой капле, силы поверхностного натяжения возрастают, препятствуя дальнейшей деформации. После прохождения через вершину барьера деления энергетически выгодным становится образование 2 капель меньшего размера, и с этого момента формирование осколков деления идёт быстро и необратимым образом. Уменьшение барьера деления для ядер с большими Z2 /A отчётливо проявляется в уменьшении периодов спонтанного деления.

  Капельная модель описывает лишь усреднённые свойства ядер. В действительности же характер процесса деления может существенно зависеть от внутренней структуры ядра и состояния отдельных нуклонов. В частности, из-за этого барьер деления больше для ядер с нечётным числом нуклонов, чем для соседних чётно-чётных ядер (с чётными Z и N ). Особенно заметно это повышение барьера сказывается на периодах спонтанного деления ядер: периоды спонтанного деления чётно-чётных ядер в среднем более чем в 100 раз короче периода спонтанного деления соседних ядер с нечётным N. Увеличение барьера деления из-за нечётного нуклона видно на примере деления изотопов урана. Деление ядер 238 U становится достаточно вероятным лишь в том случае, когда кинетическая энергия нейтронов превышает некоторый порог, а в случае 235 U даже при захвате теплового нейтрона, энергия возбуждения составного ядра 236 U уже превышает барьер деления (рис. 6 ). Влияние структуры ядра на Я. а. д. видно при сравнении периодов спонтанного деления чётно-нечётных ядер. Вместо регулярного увеличения периода спонтанного деления с массой нуклида иногда наблюдается резкое уменьшение периода спонтанного деления. Особенно четко этот эффект проявляется при числе нейтронов N = 152, что не может быть объяснено в рамках капельной модели и свидетельствует о влиянии на Я. а. д. оболочечной структуры ядра.

  Нуклонные оболочки оказывают влияние не только на преодоление барьера деления, они заметно сказываются и на последней стадии формирования осколков в момент, когда происходит разрыв ядра. Изменение формы ядра при делении происходит медленно (по сравнению с движением нуклонов в ядре), в результате чего нуклонные орбиты перестраиваются адиабатически. Измерения спектра масс осколков, их суммарной кинетической энергии, а также зависимости n от соотношения масс осколков указывают на формирование нуклонных оболочек в осколках перед разрывом.

  Большое влияние на развитие представлений о протекании процесса деления оказала идея О. Бора о существовании так называемых каналовых эффектов. Оказалось, что при делении, вызванном быстрыми частицами, осколки разлетаются анизотропно, но всегда симметрично относительно угла 90° по отношению к пучку частиц, вызывающих деление. Вблизи порога деления наблюдаются довольно причудливые угловые распределения осколков, которые часто резко меняются при сравнительно небольшом изменении энергии захватываемой ядром частицы. Эти явления были объяснены в 1955 Бором как проявление квантовых каналов деления, связанных с отдельными состояниями внутреннего движения нуклонов в сильно «охлажденном» ядре в момент преодоления энергетического барьера (внутренняя энергия возбуждения уменьшается здесь на величину порога деления). Исследования каналов деления стали одним из важных источников информации о структуре внутренних квантовых состояний ядра вблизи порога деления.

  В 1962 в Объединённом институте ядерных исследований (СССР) был открыт новый вид метастабильных (изомерных) состояний ядер с высокой вероятностью спонтанного деления. Известно около 30 ядер (изотопы U, Pu, Am, Cm, Bk), для которых вероятность спонтанного деления в изомерном состоянии больше, чем в основном, примерно в 1026 раз. Представляется вероятным, что форма ядра в этом изомерном состоянии сильно отличается от формы ядра в основном состоянии (изомерия формы ядра). В 1968 были обнаружены так называемые подбарьерные делительные резонансы при захвате нейтронов ядрами 240 Pu и 237 Np. Явления спонтанного деления из изомерного состояния и наличие подбарьерных делительных резонансов объясняются моделью, предложенной В. М. Струтинским (СССР), учитывающей формирование нуклонных оболочек у сильно деформированных ядер. Она приводит к форме барьера деления, показанной на рис. 7, с дополнительным минимумом потенциальной энергии при деформации ядра. Существование этого минимума может объяснить природу спонтанно делящихся изомеров. Нижнее состояние во второй потенциальной яме на барьере деления должно быть изомерным. Электромагнитные переходы из этого состояния в основное (лежащее в первой яме) должны быть запрещены из-за потенциального барьера, разделяющего обе потенциальные ямы. В то же время барьер деления для изомерных состояний мал, и это объясняет высокую вероятность спонтанного деления изомеров.

  При возбуждении ядра до энергии чуть ниже высоты барьера, разделяющего две потенциальные ямы, начинается сильное смешение состояний с разной равновесной деформацией. Смешение состояний с разной формой ядра приводит к появлению групп делительных резонансов, разделённых расстояниями, равными расстояниям между уровнями составного ядра в седловой точке.

  Сильное влияние оболочечных эффектов на барьер деления позволяет ожидать некоторых особенностей у ещё не синтезированных трансурановых элементов. Согласно капельной модели, атомные ядра с  должны быть неустойчивы и распадаться спонтанным делением за время ~10-21 сек. Учёт влияния нуклонных оболочек на барьер деления приводит к выводу, что появление новых заполненных оболочек (по-видимому, с Z = 114 и N = 184) будет сопровождаться возрастанием высоты барьера деления до нескольких Мэв. На этом основано предположение о существовании «острова стабильности» сверхтяжёлых трансурановых элементов вблизи Z = 114. Не исключено, что для некоторых изотопов этого «острова» время жизни превысит десятки тысяч лет. Следует, однако, иметь в виду, что пока наличие островов стабильности остаётся чисто гипотетической возможностью, опирающейся на определённые предположения о деталях структуры ядер сверхтяжёлых трансурановых элементов.

  Лит.: Hahn О., Strassman F., «Naturwissenschaften», 1939, Jg 27, № 1, S. 11; Петржак К. А., Флеров Г. Н., «Журнал экспериментальной и теоретической физики», 1940, т. 10, в. 9—10, с. 1013; Френкель Я. И., там же, 1939, т. 9, в. 6, с. 641; Петржак К. А., Флеров Г. Н., «Успехи физических наук», 1961, т. 73, в. 4, с. 655; Струтинский В. М., Деление ядер, «Природа», 1976, №9; Лихман Р. Б., Деление ядра, в кн.: Физика атомного ядра и плазмы, пер. с англ., М., 1974.

Рис. 1. Деление ядра 235 U, содержащего 92 протона и 143 нейтрона. Нейтрон, захватываясь ядром 235 U, превращает его в 236 U; возникающая при этом деформация приводит к разрыву ядра.

Рис. 6. Зависимость сечения деления 235 U (1) и 238 U (2) от энергии нейтронов.

Рис. 4. Следы осколков деления, выявленные при помощи диэлектрического детектора.

Рис. 2. Барьер деления и последовательность фигур, проходимых делящимся атомным ядром.

Рис. 5. Спектр масс осколков деления ядрa 235 U при захвате медленных нейтронов.

Рис. 7. Предполагаемая форма потенциального барьера в случае спонтанного деления из изомерного состояния.

Рис. 3. Зависимость периодов Т спонтанного деления ядер в основном состоянии от отношения Z2 /A.

(обратно)

Ядра галактик

Я'дра гала'ктик , компактные массивные сгущения вещества в центральных частях многих галактик. Оптическая светимость Я. г. колеблется в широких пределах и, как правило, ядра ярче у галактик, имеющих большую светимость. Обычно светимость Я. г. составляет несколько процентов от светимости галактики, в отдельных случаях сравнима с её полным излучением, а у большинства галактик ядро в оптическом диапазоне вообще не наблюдается. Известны галактики, лишённые ядер, например Большое и Малое Магеллановы Облака — спутники нашей звёздной системы (Галактики), карликовые галактики типа Скульптора и Печи.

  В центральных областях ряда достаточно ярких (абсолютная звёздная величина меньше —15) и массивных галактик наблюдаются крупные эллипсоидальной формы сгущения, получившие название «балдж» (от англ. bulge — выпуклость). Я. г. располагается внутри балджа и на его фоне выделяется как более яркое образование. В балджах и Я. г. обнаружены звёзды, газ и пыль. Внутри собственно ядер иногда видны звездообразные ядрышки — керны (некоторые астрономы именно их называют Я. г.). Керны обнаружены пока лишь в 4 ближайших галактиках: Туманности Андромеды, в двух её спутниках и в спиральной галактике МЗЗ. Размеры кернов составляют несколько nc , массы — 107 —108   (масс Солнца), их абсолютные звёздные величины заключены в пределах от —9 до —12. Керны вращаются гораздо быстрее центральных областей галактик и имеют сплюснутую форму (рис. 1 ).

  До середины 20 в. изучению Я. г. уделяли сравнительно мало внимания. В 1958 В. А. Амбарцумян подчеркнул наличие у Я. г. особых свойств и указал на важную роль ядер в эволюции галактик. Интерес к Я. г. возрос в связи с открытием активности ядер, проявляющейся: в мощном нетепловом излучении, охватывающем практически все диапазоны (рис. 2 ) от метровых радиоволн до жесткого рентгеновского излучения (оно связано с наличием частиц очень высоких энергий); в переменности потока излучения; в бурных движениях газа; в извержении струй и сгустков (конденсаций) вещества. Данные о мощности излучения Я. г. в некоторых диапазонах длин волн приведены в следующей таблице.

Мощность излучения, эрг/сек Тип объекта l=22 мкм , инфракрасный диапазон l=2—5А, рентгеновский диапазон Сантиметровый диапазон радиоволн Квазар 3С 273 5,1·1045 1046 4,5·1041 Радиогалактика NGC 1275. 3,8·1044 3·1044 5,6·1040 Эллиптическая галактика M87 1,4·1043 3,3·1042 ~1039 Сейфертовская галактика NGC 4151 1,36·1043 1,7·1042 ~1038 Ядро нашей Галактики 5·1039 1,4·1037 ~1034

  Среди спиральных галактик наибольшая активность ядер наблюдается у так называемых сейфертовских галактик, среди эллиптических галактик — у N-галактик и радиогалактик . Особенно высока активность квазаров , которые по современным представлениям являются ядрами далёких гигантских галактик. Источники энергии, ответственные за активность Я. г., как и процессы, приводящие к ускорению в Я. г. заряженных частиц до релятивистских скоростей, пока окончательно не установлены. Т. о., Я. г. — не просто массивные гравитационно связанные компактные комплексы, состоящие из звёзд, межзвёздного газа и пыли, а образования, обладающие рядом специфических свойств. Существует несколько гипотез о природе активности Я. г. и квазаров.

  1) Я. г. — компактное (~ 1 nc ) массивное (~107 ) звёздное скопление, в котором поддерживается звездообразование за счёт попадания в ядерную область газа или за счёт слияния мелких звёзд в более крупные при частых столкновениях в условиях большой плотности звёзд в ядрах (~10 nc3 ). Массивные звёзды быстро эволюционируют, вспыхивают как сверхновые и превращаются в нейтронные звёзды или «чёрные дыры». При этом выделяется гравитационная энергия, обусловливающая активность Я. г. Нейтронные звёзды, проявляющие себя как пульсары , могут порождать потоки релятивистских частиц, необходимые для достижения наблюдаемой мощности излучения. За активность Я. г. могут быть ответственны также «вспышки» звездообразования — рождение большого числа (десятки звёзд в год) молодых горячих звёзд, которые своим мощным ультрафиолетовым и корпускулярным излучением имитируют активность ядер.

  2) Я. г. — компактное массивное быстровращающееся тело (так называемый ротатор или спинор), обладающее сильным магнитным (квазидипольным) полем. Это поле, подобно полю пульсаров, ускоряет частицы до релятивистских скоростей и обусловливает их мощное нетепловое излучение. Энергия в этом случае черпается из запасов энергии вращения спинора.

  3) Я. г. — «чёрная дыра» с массой М > 103 , на которую происходит падение (аккреция) окружающего газа и звёзд. В принципе механизм аккреции может обусловить выделение гравитационной энергии в количестве 1026 (М/) эрг , достаточном для объяснения активности Я. г.

  4) По гипотезе В. А. Амбарцумяна, активность Я. г. обусловлена распадом находящегося в них гипотетического «дозвёздного вещества». Распад происходит взрывообразно и сопровождается выделением значительной энергии. По Амбарцумяну, активность Я. г. играет определяющую роль в эволюции галактик.

  Различия в активности Я. г. указывают, по-видимому, что у галактик разных типов она может достигать разных степеней и что в процессе эволюции галактик стадия активности их ядер может повторяться.

  Центральную область нашей Галактики исследуют методами радио-, инфракрасной и рентгеновской астрономии, т. к. из-за сильного поглощения света межзвёздной пылью оптические исследования галактического центра невозможны. Ядро Галактики совпадает с западным компонентом радиоисточника Стрелец А. В центральной области ядра и вблизи неё обнаружены компактные источники нетеплового радиоизлучения (~ 0,01 nc в поперечнике). По радиоизлучению ионизованного водорода установлено, что в центре Галактики есть область расширяющегося газа поперечником ~ 300 nc и более протяжённая (~ 600 nc ) область инфракрасного излучения (облака пыли). В центральной области есть также звёздное скопление эллипсоидальной формы с размерами полуосей 800 х 300 nc , масса которого ~109 .

  Ядро Галактики окружено вращающимся газовым диском (диаметром 1600 nc и средней толщиной около 400 nc ). По своим свойствам ядро Галактики относится к активным, что резко отличает её от ближайшей спиральной галактики Туманность Андромеды, у которой признаков активности в ядре не обнаружено.

  Лит.: Происхождение и эволюция галактик и звезд. Сб. ст., под ред. С. Б. Пикельнера, М., 1976.

  Ю. Н. Дрожжин-Лабинский, Б. В. Комберг.

Рис. 2. Зависимость логарифма спектральной плотности потока Fn от логарифма частоты n для радиогалактики Центавр А (подобный спектр характерен для всех активных ядер галактик).

Рис. 1. Скорость вращения V (км /сек ) вещества Туманности Андромеды в зависимости от расстояния до её центра (расстояние r дано в угловых сек и мин , а также в пс и кпс ): а — кривая вращения для всей Галактики, б — для центральной области.

(обратно)

Ядра конденсации

Я'дра конденса'ции , мельчайшие нейтральные частицы или ионы, на которых происходит конденсация паров. Только благодаря наличию Я. к. в атмосфере возможны конденсация водяного пара и образование облаков . Я. к. служат гигроскопические частицы, содержащие хлориды, сульфиты, сульфиды, нитраты и нитриты. Их размер 10-7 — 10-5 см , а концентрация в среднем в 1 см3 над океаном 103 , над сушей вне городов 104 , а в городах ~ 1,5·105 С высотой концентрация Я. к. обычно уменьшается.

(обратно)

Ядрин

Я'дрин , город, центр Ядринского района Чувашской АССР. Пристань на левом берегу р. Суры, в 60 км к С. от ж.-д. станции Шумерля (на линии Муром — Канаш) и в 87 км к Ю.-З. от г. Чебоксары. Спиртовой, маслосыродельный, кирпичный заводы, швейная фабрика, пище- и промкомбинаты.

(обратно)

Ядрище

Ядри'ще (археол.), см. Нуклеус .

(обратно)

Ядро атомное

Ядро' а'томное , центральная массивная часть атома, вокруг которой по квантовым орбитам обращаются электроны. Масса Я. а. примерно в 4·103 раз больше массы всех входящих в состав атома электронов. Размер Я. а. очень мал (10-12 —10-13 см ), что приблизительно в 105 раз меньше диаметра всего атома. Электрический заряд положителен и по абсолютной величине равен сумме зарядов атомных электронов (т. к. атом в целом электрически нейтрален).

  Существование Я. а. было открыто Э. Резерфордом (1911) в опытах по рассеянию a-частиц при прохождении их через вещество. Обнаружив, что a-частицы чаще, чем ожидалось, рассеиваются на большие углы, Резерфорд предположил, что положительный заряд атома сосредоточен в малом по размерам Я. а. (до этого господствовали представления Дж. Томсона , согласно которым положительный заряд атома считался равномерно распределённым по его объёму). Идея Резерфорда была принята его современниками не сразу (главным препятствием была убеждённость в неизбежном падении атомных электронов на ядро из-за потери энергии на электромагнитное излучение при движении по орбите вокруг Я. а.). Большую роль в её признании сыграла знаменитая работа Н. Бора (1913), положившая начало квантовой теории атома . Бор постулировал стабильность орбит как исходный принцип квантования движения атомных электронов и из него затем вывел закономерности линейчатых оптических спектров, объяснявших обширный эмпирический материал (Бальмера серия и др.). Несколько позже (в конце 1913) ученик Резерфорда Г. Мозли экспериментально показал, что смещение коротковолновой границы линейчатых рентгеновских спектров атомов при изменении порядкового номера Z элемента в периодической системе элементов соответствует теории Бора, если допустить, что электрический заряд Я. а. (в единицах заряда электрона) равен Z. Это открытие полностью сломало барьер недоверия: новый физический объект — Я. а. оказался прочно связанным с целым кругом на первый взгляд разнородных явлений, получивших теперь единое и физически прозрачное объяснение. После работ Мозли факт существования Я. а. окончательно утвердился в физике.

  Состав ядра. Ко времени открытия Я. а. были известны только две элементарные частицы — протон и электрон . В соответствии с этим считалось вероятным, что Я. а. состоит из них. Однако в конце 20-х гг. 20 в. протонно-электронная гипотеза столкнулась с серьёзной трудностью, получившей название «азотной катастрофы»: по протонно-электронной гипотезе ядро азота должно было содержать 21 частицу (14 протонов и 7 электронов), каждая из которых имела спин 1 /2 . Спин ядра азота должен был быть полуцелым, а согласно данным по измерению оптических молекулярных спектров спин оказался равным 1.

  Состав Я. а. был выяснен после открытия Дж. Чедвиком (1932) нейтрона . Масса нейтрона, как выяснилось уже из первых экспериментов Чедвика, близка к массе протона, а спин равен 1 /2 (установлено позже). Идея о том, что Я. а. состоит из протонов и нейтронов, была впервые высказана в печати Д. Д. Иваненко (1932) и непосредственно вслед за этим развита В. Гейзенбергом (1932). Предположение о протонно-нейтронном составе ядра получило в дальнейшем полное экспериментальное подтверждение. В современной ядерной физике протон (p) и нейтрон (n) часто объединяются общим названием нуклон. Общее число нуклонов в Я. а. называется массовым числом А , число протонов равно заряду ядра Z (в единицах заряда электрона), число нейтронов N = А — Z . У изотопов одинаковое Z, но разные А и N , у ядер — изобар одинаковое А и разные Z и N .

  В связи с открытием новых частиц, более тяжёлых, чем нуклоны, т. н. нуклонных изобар (см. Резонансы ), выяснилось, что они также должны входить в состав Я. а. (внутриядерные нуклоны, сталкиваясь друг с другом, могут превращаться в нуклонные изобары). В простейшем ядре — дейтроне , состоящем из одного протона и одного нейтрона, нуклоны ~ 1% времени должны пребывать в виде нуклонных изобар. Ряд наблюдаемых явлений (особенно ядерных реакций под действием частиц высоких энергий) свидетельствует в пользу существования таких изобарных состояний в ядрах. Помимо нуклонов и нуклонных изобар, в ядрах периодически на короткое время (10-23 —10-24 сек ) появляются мезоны , в том числе легчайшие из них — p-мезоны (см. Пи-мезоны ). Взаимодействие нуклонов сводится к многократным актам испускания мезона одним из нуклонов и поглощения его другим. Возникающие т. о. обменные мезонные токи сказываются, в частности, на электромагнитных свойствах ядер. Наиболее отчётливое проявление обменных мезонных токов обнаружено в реакции расщепления дейтрона электронами высоких энергий и g-квантами.

  Взаимодействие нуклонов. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными. Это самые сильные из всех известных в физике взаимодействий (см. Сильные взаимодействия ). Ядерные силы, действующие между двумя нуклонами в ядре, по порядку величины в сто раз интенсивнее электростатического взаимодействия между протонами. Важным свойством ядерных сил является их изотопическая инвариантность , т. е. независимость от зарядового состояния нуклонов: ядерные взаимодействия двух протонов, двух нейтронов или нейтрона и протона одинаковы, если одинаковы состояния относительного движения этих пар частиц. Величина ядерных сил зависит от расстояния между нуклонами, от взаимной ориентации их спинов, от ориентации спинов относительно орбитального момента вращения и радиуса-вектора, проведённого от одной частицы к другой. В соответствии с этим различают ядерные силы центральные, спин-спиновые, спин-орбитальные и тензорные.

  Ядерные силы характеризуются определённым радиусом действия: потенциал этих сил убывает с расстоянием r между частицами быстрее, чем r -2 , а сами силы — быстрее, чем r -3 . Из рассмотрения физической природы ядерных сил следует, что они должны убывать с расстоянием экспоненциально. Радиус действия ядерных сил определяется т. н. комптоновской длиной волны r0 мезонов, которыми обмениваются нуклоны в процессе взаимодействия:

,

  здесь m, — масса мезона,  — Планка постоянная , с — скорость света в вакууме. Наибольший радиус действия имеют силы, обусловленные обменом p-мезонами. Для них r0 = 1,41 ф (1 ф = 10-13 см ). Межнуклонные расстояния в ядрах имеют именно такой порядок величины, однако существ, вклад в ядерные силы вносят обмены и более тяжёлыми мезонами (m-, r-, w-мезоны и др.). Точная зависимость ядерных сил между двумя нуклонами от расстояния и относит, вклад ядерных сил, обусловленных обменом мезонов разных типов, с определённостью не установлены. В многонуклонных ядрах возможны силы, которые не сводятся к взаимодействию только пар нуклонов. Роль этих т. н. многочастичных сил в структуре ядер остаётся пока не выясненной.

  Размеры ядер зависят от числа содержащихся в них нуклонов. Средняя плотность числа р нуклонов в ядре (их число в единице объёма) для всех многонуклонных ядер (A > 0) практически одинакова. Это означает, что объём ядра пропорционален числу нуклонов А , а его линейный размер ~А 1/3 . Эффективный радиус ядра R определяется соотношением:

R = а A 1/3 , (2)

  где константа а близка к Гц , но отличается от него и зависит от того, в каких физических явлениях измеряется R . В случае так называемого зарядового радиуса ядра, измеряемого по рассеянию электронов на ядрах или по положению энергетических уровней m-мезоатомов : а = 1,12 ф . Эффективный радиус, определённый из процессов взаимодействия адронов (нуклонов, мезонов, a-частиц и др.) с ядрами, несколько больше зарядового: от 1,2 ф до 1,4 ф .

  Плотность ядерного вещества фантастически велика сравнительно с плотностью обычных веществ: она равна примерно 1014 г /см 3 . В ядре r почти постоянно в центральной части и экспоненциально убывает к периферии. Для приближённого описания эмпирических данных иногда принимают следующую зависимость r от расстояния r от центра ядра:

.

  Эффективный радиус ядра R равен при этом R 0 + b. Величина b характеризует размытость границы ядра, она почти одинакова для всех ядер (» 0,5 ф ). Параметр r0 — удвоенная плотность на «границе» ядра, определяется из условия нормировки (равенства объёмного интеграла от р числу нуклонов А ). Из (2) следует, что размеры ядер варьируются по порядку величины от 10-13 см до 10-12 см для тяжёлых ядер (размер атома ~ 10-8 см ). Однако формула (2) описывает рост линейных размеров ядер с увеличением числа нуклонов лишь огрублённо, при значительном увеличении А . Изменение же размера ядра в случае присоединения к нему одного или двух нуклонов зависит от деталей структуры ядра и может быть иррегулярным. В частности (как показали измерения изотопического сдвига атомных уровней энергии), иногда радиус ядра при добавлении двух нейтронов даже уменьшается.

  Энергия связи и масса ядра. Энергией связи ядра xсв называется энергия, которую необходимо затратить на расщепление ядра на отдельные нуклоны. Она равна разности суммы масс входящих в него нуклонов и массы ядра, умноженной на c2 (см. Относительности теория ):

xсв = (Zm p + Nmn - М ) c 2 . (4)

  Здесь mp , mn и M — массы протона, нейтрона и ядра. Замечательной особенностью ядер является тот факт, что xсв приблизительно пропорциональна числу нуклонов, так что удельная энергия связи xсв /А слабо меняется при изменении А (для большинства ядер xсв /А » 6—8 Мэв ). Это свойство, называемое насыщением ядерных сил, означает, что каждый нуклон эффективно связывается не со всеми нуклонами ядра (в этом случае энергия связи была бы пропорциональна A 2 при A»1), а лишь с некоторыми из них. Теоретически это возможно, если силы при измененном расстоянии изменяют знак (притяжение на одних расстояниях сменяется отталкиванием на других). Объяснить эффект насыщения ядерных сил, исходя из имеющихся данных о потенциале взаимодействия двух нуклонов, пока не удалось (известно около 50 вариантов ядерного межнуклонного потенциала, удовлетворительно описывающих свойства дейтрона и рассеяние нуклона на нуклоне; ни один из них не может описать эффект насыщения ядерных сил в многонуклонных ядрах).

  Независимость плотности р и удельной энергии связи ядер от числа нуклонов А создаёт предпосылки для введения понятия ядерной материи (безграничного ядра). Физическими объектами, отвечающими этому понятию, могут быть не только макроскопические космические тела, обладающие ядерной плотностью (например, нейтронные звёзды ), но, в определённом аспекте, и обычные ядра с достаточно большими А .

  Зависимость xсв от А и Z для всех известных ядер приближённо описывается полуэмпирической массовой формулой (впервые предложенной немецким физиком К. Ф. Вейцзеккером в 1935):

. (5)

  Здесь первое (и наибольшее) слагаемое определяет линейную зависимость xсв от A; второй член, уменьшающий xсв , обусловлен тем, что часть нуклонов находится на поверхности ядра. Третье слагаемое — энергия электростатического (кулоновского) отталкивания протонов (обратно пропорциональна радиусу ядра и прямо пропорциональна квадрату его заряда). Четвёртый член учитывает влияние на энергию связи неравенства числа протонов и нейтронов в ядре, пятое слагаемое d(A, Z) зависит от чётности чисел А и Z; оно равно:

 (6)

  Эта сравнительно небольшая поправка оказывается, однако, весьма существенной для ряда явлений и, в частности, для процесса деления тяжёлых ядер. Именно она определяет делимость ядер нечётных по А изотопов урана под действием медленных нейтронов (см. Ядра атомного деление ), что и обусловливает выделенную роль этих изотопов в ядерной энергетике . Все константы, входящие в формулу (5), подбираются так, чтобы наилучшим образом удовлетворить эмпирическим данным. Оптимальное согласие с опытом достигается при e = 14,03 Мэв , a = 13,03 Мэв , b = 0,5835 Мэв , g= 77,25 Мэв . Формулы (5) и (6) могут быть использованы для оценки энергий связи ядер, не слишком удалённых от полосы стабильности ядер. Последняя определяется положением максимума xсв как функции Z при фиксированном А . Это условие определяет связь между Z и А для стабильных ядер:

Z=A (1,98+0,15A2/3 )-1 (7)

  Формулы типа (5) не учитывают квантовых эффектов, связанных с деталями структуры ядер, которые могут приводить к скачкообразным изменениям xсв вблизи некоторых значений А и Z (см. ниже).

  Структурные особенности в зависимости xсв от A и Z могут сказаться весьма существенно в вопросе о предельном возможном значении Z, т. е. о границе периодической системы элементов. Эта граница обусловлена неустойчивостью тяжёлых ядер относительно процесса деления. Теоретические оценки вероятности спонтанного деления ядер не исключают возможности существования «островов стабильности» сверхтяжёлых ядер вблизи Z = 114 и Z = 126.

  Квантовые характеристики ядер. Я. а. может находиться в разных квантовых состояниях, отличающихся друг от друга значением энергии и других сохраняющихся во времени физических величин. Состояние с наименьшей возможной для данного ядра энергией называется основным, все остальные — возбуждёнными. К числу важнейших квантовых характеристик ядерного состояния относятся спин I и чётность Р. Спин I — целое число у ядер с чётным А и полуцелое при нечётном. Чётность состояния Р = ± 1 указывает на изменение знака волновой функции ядра при зеркальном отображении пространства. Эти две характеристики часто объединяют единым символом IP или I± . Имеет место следующее эмпирическое правило: для основных состояний ядер с чётными А и Z спин равен 0, а волновая функция чётная (IP = 0+ ). Квантовое состояние системы имеет определённую чётность Р, если система зеркально симметрична (т. е. переходит сама в себя при зеркальном отражении). В ядрах зеркальная симметрия несколько нарушена из-за наличия слабого взаимодействия между нуклонами, не сохраняющего чётность (его интенсивность по порядку величины ~ 10-5 % от основных сил, связывающих нуклоны в ядрах). Однако обусловленное слабым взаимодействием смешивание состояний с разной чётностью мало и практически не сказывается на структуре ядер.

  Помимо I и Р, ядерные состояния характеризуются также квантовыми числами , возникающими вследствие динамической симметрии ядерных взаимодействий. Важнейшей из них является изотопическая инвариантность ядерных сил. Она приводит к появлению у лёгких ядер (Z £ 20) квантового числа, называется изотопическим спином , или изоспином. Изоспин ядра T — целое число при чётном A и полуцелое — при нечётном. Различные состояния ядра могут иметь разный изоспин: T ³ (А— 2Z)/2. Известно эмпирическое правило, согласно которому изоспины основных состояний ядер минимальны, т. е. равны (А — 2Z)/2. Изоспин характеризует свойства симметрии волновой функции данного состояния ядра относительно замены p Û n. С изоспином связано существование изотопических ядерных мультиплетов или аналоговых состояний у ядер с одним и тем же А. Эти состояния, хотя и принадлежат разным ядрам (отличающимся по Z и N), имеют одинаковую структуру и, следовательно, одинаковые IP и Т. Число таких состояний равно 2T + 1. Легчайшее после протона ядро — дейтрон имеет изоспин Т = 0 и поэтому не имеет аналогов. Ядра 3 1 H и 3 2 He образуют изотопический дублет с T = 1 /2 . В случае более тяжёлых ядер членами одного изотопического мультиплета являются как основные, так и возбуждённые состояния ядер. Это связано с тем, что при изменении Z меняется кулоновская энергия ядра (она растет с числом протонов), и, кроме того, при замене р Û n на полной энергии ядра сказывается разность масс протона и нейтрона. Примером изотопического мультиплета, содержащим как основные, так и возбуждённые состояния, является триплет с Т = 1: 14 8 C (осн) — 14 7 N (2,31 Мэв ) ® 14 8 O (осн) (в скобках указана энергия возбуждения). Полуразность числа нейтронов и протонов, называется проекцией изоспина, обозначается символом Т з . Для членов изотопического мультиплета Т з принимает T + 1 значений, отличающихся друг от друга на единицу и лежащих в интервале —Т£ Тз £ T. Величина Т з для ядер определена так, что для протона Т з = —1 /2 , а для нейтрона Т з = + 1 /2 . В физике же элементарных частиц протону приписывается положительное значение Т з , а нейтрону — отрицательное. Это чисто условное различие в определениях вызвано соображениями удобства (при избранном в ядерной физике определении Т з эта величина положительна для большинства ядер).

  «Чистота» состояний лёгких ядер по изоспину велика — примеси по порядку величины не превосходят 0,1—1%. Для тяжёлых ядер изоспин не является хорошим квантовым числом (состояния с разным изоспином смешиваются главным образом из-за электростатического взаимодействия протонов). Тем не менее, ощутимые следы изотопической симметрии остаются и в этом случае. Она проявляется, в частности, в наличии так называемых аналоговых резонансов (аналоговых состояний, не стабильных относительно распада с испусканием нуклонов).

  Кроме I, P и T, ядерные состояния могут характеризоваться также квантовыми числами, связанными с конкретной моделью, привлекаемой для приближённого описания ядра (см. ниже).

  Электрические и магнитные моменты ядер. В различных состояниях ядро может иметь разные по величине магнитные дипольные и квадрупольные электрические моменты. Последние могут быть отличны от нуля только в том случае, когда спин I > 1 /2 . Ядерное состояние с определённой чётностью P не может обладать электрическим дипольным моментом. Более того, даже при несохранении чётности для возникновения электрического дипольного момента необходимо, чтобы взаимодействие нуклонов было необратимо во времени (T — неинвариантно). Поскольку по экспериментальным данным Т-неинвариантные межнуклонные силы (если они вообще есть) по меньшей мере в 103 раз слабее основных ядерных сил, а эффекты несохранения чётности также очень малы, то электрические дипольные моменты либо равны нулю, либо столь малы, что их обнаружение находится вне пределов возможности современного ядерного эксперимента. Ядерные магнитные дипольные моменты имеют порядок величины ядерного магнетона. Электрические квадрупольные моменты изменяются в очень широких пределах: от величин порядка е·10-27 см 2 (лёгкие ядра) до е·10-23 см 2 (тяжёлые ядра, е — заряд электрона). В большинстве случаев известны лишь магнитные и электрические моменты основных состояний, поскольку они могут быть измерены оптическими и радиоспектроскопическими методами (см. Ядерный магнитный резонанс ). Значения моментов существенно зависят от структуры ядра, распределения в нём заряда и токов. Объяснение наблюдаемых величин магнитных дипольных и электрических квадрупольных моментов является пробным камнем для любой модели ядра.

  Структура ядра и модели ядер. Многочастичная квантовая система с сильным взаимодействием, каковой является Я. а., с теоретической точки зрения объект исключительно сложный. Трудности связаны не только с количественно точными вычислениями физических величин, характеризующих ядро, но даже с качественным пониманием основных свойств ядерных состояний, спектра энергетических уровней, механизма ядерных реакций. Тяжёлые ядра содержат много нуклонов, но всё же их число не столь велико, чтобы можно было с уверенностью воспользоваться методами статистической физики , как это делается в теории конденсированных сред (см. Жидкость , Твёрдое тело ). К математическим трудностям теории добавляется недостаточная определённость исходных данных о ядерных силах. Поскольку межнуклонное взаимодействие сводится к обмену мезонами, объяснение свойств ядра в конечном счёте должно опираться на релятивистскую квантовую теорию элементарных частиц, которая сама по себе в современном её состоянии не свободна от внутренних противоречий и не может считаться завершенной. Хотя сравнительно небольшие в среднем скорости нуклонов в ядре (0,1 с) несколько упрощают теорию, позволяя строить её в первом приближении на основе нерелятивистской квантовой механики, ядерная задача многих тел остаётся пока одной из фундаментальных проблем физики. По всем этим причинам до сих пор, исходя из «первых принципов», рассматривалась только структура простейших ядер — дейтрона и трёхнуклонных ядер 3 H и 3 He. Структуру более сложных ядер пытаются понять с помощью ядерных моделей, в которых ядро гипотетически уподобляется какой-либо более простой и лучше изученной физической системе.

  Оболочечная модель. Её прообразом является многоэлектронный атом. Согласно этой модели, каждый нуклон находится в ядре в определённом индивидуальном квантовом состоянии, характеризуемом энергией, моментом вращения j его проекцией m на одну из координатных осей и орбитальным моментом вращения l = j± 1 /2 [чётность состояния нуклона P = (—1) l ]. Энергия уровня не зависит от проекции момента вращения на внешнюю ось. Поэтому в соответствии с Паули принципом на каждом энергетическом уровне с моментами j , l может находиться (2j + 1) тождественных нуклонов (протонов и нейтронов), образующих «оболочку» (j , l ). Полный момент вращения заполненной оболочки равен нулю. Поэтому если ядро составлено только из заполненных протонных и нейтронных оболочек, то его спин будет также равен нулю. Всякий раз, когда количество протонов или нейтронов достигает магического числа, отвечающего заполнению очередной оболочки, возникает возможность скачкообразного изменения некоторых характеризующих ядро величин (в частности, энергии связи). Это создаёт подобие периодичности в свойствах ядер в зависимости от A и Z, аналогичной периодическому закону для атомов. В обоих случаях физической причиной периодичности является принцип Паули, запрещающий двум тождественным фермионам (частицам с полуцелыми спинами) находиться в одном и том же состоянии. Однако оболочечная структура у ядер проявляется значительно слабее, чем в атомах. Происходит это главным образом потому, что в ядрах индивидуальные квантовые состояния частиц («орбиты») возмущаются взаимодействием («столкновениями») их друг с другом гораздо сильнее, чем в атомах. Более того, известно, что большое число ядерных состояний совсем не похоже на совокупность движущихся в ядре независимо друг от друга нуклонов, т. е. не может быть объяснено в рамках оболочечной модели. Наличие таких коллективных состояний указывает на то, что представления об индивидуальных нуклонных орбитах являются скорее методическим базисом теории, удобным для описания некоторых состояний ядра, чем физической реальностью.

  В этой связи в оболочечную модель вводится понятие квазичастиц — элементарных возбуждений среды, эффективно ведущих себя во многих отношениях подобно частицам. При этом Я. а. рассматривается как квантовая жидкость , точнее как ферми-жидкость конечных размеров. Ядро в основном состоянии рассматривается как вырожденный ферми-газ квазичастиц, которые эффективно не взаимодействуют друг с другом, поскольку всякий акт столкновения, изменяющий индивидуальные состояния квазичастиц, запрещен принципом Паули. В возбуждённом состоянии ядра, когда 1 или 2 квазичастицы находятся на более высоких индивидуальных энергетических уровнях, эти частицы, освободив орбиты, занимавшиеся ими ранее внутри ферми-сферы (см. Ферми поверхность ), могут взаимодействовать как друг с другом, так и с образовавшейся дыркой в нижней оболочке. В результате взаимодействия с внешней квазичастицей может происходить переход квазичастиц из заполненных состояний в незаполненное, вследствие чего старая дырка исчезает, а новая появляется; это эквивалентно переходу дырки из одного состояния в другое. Т. о., согласно оболочечной модели, основывающейся на теории квантовой ферми-жидкости, спектр нижних возбуждённых состояний ядер определяется движением 1—2 квазичастиц вне ферми-сферы и взаимодействием их друг с другом и с дырками внутри ферми-сферы. Этим самым объяснение структуры многонуклонного ядра при небольшых энергиях возбуждения фактически сводится к квантовой проблеме 2—4 взаимодействующих тел (квазичастица — дырка или 2 квазичастицы — 2 дырки). Применение теории ферми-жидкости к Я. а. было развито А. Б. Мигдалом (1965). Трудность теории состоит, однако, в том, что взаимодействие квазичастиц и дырок не мало и потому нет уверенности в невозможности появления низкоэнергетического возбуждённого состояния, обусловленного большим числом квазичастиц вне ферми-сферы.

  В других вариантах оболочечной модели вводится эффективное взаимодействие между квазичастицами в каждой оболочке, приводящее к перемешиванию первоначальных конфигураций индивидуальных состояний. Это взаимодействие учитывается по методике теории возмущений (справедливой для малых возмущений). Внутренняя непоследовательность такой схемы состоит в том, что эффективное взаимодействие, необходимое теории для описания опытных фактов, оказывается отнюдь не слабым. Кроме того, как показывает сравнение теоретических и экспериментальных данных, в разных оболочках приходится вводить разные эффективные взаимодействия, что увеличивает число эмпирически подбираемых параметров модели.

  Основные теоретические разновидности модели оболочек модифицируются иногда введением различного рода дополнит, взаимодействий (например, взаимодействия квазичастиц с колебаниями поверхности ядра) для достижения лучшего согласия теории с экспериментом.

  Т. о., современная оболочечная модель ядра фактически является полуэмпирической схемой, позволяющей понять некоторые закономерности в структуре ядер, но не способной последовательно количественно описать свойства ядра. В частности, ввиду перечисленных трудностей непросто выяснить теоретически порядок заполнения оболочек, а следовательно, и «магические числа», которые служили бы аналогами периодов таблицы Менделеева для атомов. Порядок заполнения оболочек зависит, во-первых, от характера силового поля, которое определяет индивидуальные состояния квазичастиц, и, во-вторых, от смешивания конфигураций. Последнее обычно принимается во внимание лишь для незаполненных оболочек. Наблюдаемые на опыте магические числа нейтронов (2, 8, 20, 28, 40, 50, 82, 126) и протонов (2, 8, 20, 28, 50, 82) отвечают квантовым состояниям квазичастиц, движущихся в прямоугольной или осцилляторной потенциальной яме со спин-орбитальным взаимодействием (именно благодаря ему возникают числа 28, 40, 82 и 126). Объяснение самого факта существования магических чисел было крупным успехом модели оболочек, впервые предложенной М. Гёпперт-Майер и Й. Х. Д. Йенсеном в 1949—50.

  Др. важным результатом модели оболочек даже в простейшей форме (без учёта взаимодействия квазичастиц) является получение квантовых чисел основных состояний нечётных ядер и приближённое описание данных о магнитных дипольных моментах таких ядер. Согласно оболочечной модели, эти величины для нечётных ядер определяются состоянием (величинами j, I ) последнего «неспаренного» нуклона. В этом случае I = j , P = (—1) l . Магнитный дипольный момент m (в ядерных магнетонах), если неспаренным нуклоном является нейтрон, равен:

 

  В случае неспаренного протона:

 

  Здесь mn = 1,913 и mp = 2,793 — магнитные моменты нейтрона и протона. Зависимости m от j при данном l = j ± 1 /2 называются линиями Шмидта. Магнитные дипольные моменты практически всех нечётных ядер, согласно опытным данным, лежат между линиями Шмидта, но не на самих линиях, как это требуется простейшей оболочечной моделью (рис. 1 , 2 ). Тем не менее близость экспериментальных значений магнитных дипольных моментов ядер к линиям Шмидта такова, что, зная j — I и m, можно в большинстве случаев однозначно определить I. Данные о квадрупольных электрических моментах ядер значительно хуже описываются оболочечной моделью как по знаку, так и по абсолютной величине. Существенно, однако, что в зависимости квадрупольных моментов от А и Z наблюдается периодичность, соответствующая магическим числам.

  Все эти сведения о ядрах (значения IP , электрических и магнитных моментов основных состояний, магические числа, данные о возбуждённых состояниях) позволяют принять схему заполнения ядерных оболочек, приведённую на рис. 3 .

  Несферичность ядер. Ротационная модель. Согласно экспериментальным данным в области массовых чисел 150 < A < 190 и А > 200, квадрупольные моменты Q ядер c I>1 /2 чрезвычайно велики, они отличаются от значений, предсказываемых оболочечной моделью, в 10—100 раз. В этой же области значений А зависимость энергии нижних возбуждённых состояний ядер от спина ядра оказывается поразительно похожей на зависимость энергии вращающегося волчка от его момента вращения. Особенно четко это выражено у ядер с чётными А и Z. В этом случае энергия x возбуждённого уровня со спином I даётся соотношением:

 (10)

  где J — величина, практически не зависящая от I и имеющая размерность момента инерции . Спины возбуждённых состояний в (10) принимают, как показывает опыт, только чётные значения: 2, 4, 6,... (соответствует основному состоянию). Эти факты послужили основанием для ротационной модели несферического ядра, предложенной американским физиком Дж. Рейнуотором (1950) и развитой в работах датского физика О. Бора и американского физика Б. Моттельсона Согласно этой модели, ядро представляет собой эллипсоид вращения Его большая (a1 ) и малая (a2 ) полуоси выражаются через параметр деформации b ядра соотношениями:

,

 (11)

  Электрический квадрупольный момент Q несферического ядра выражается через b. Параметры b, определённые из данных по квадрупольным моментам (не только по статическим, но и динамическим — т. е. по вероятности испускания возбужденным ядром электрического квадрупольного излучения), оказываются по порядку величины равными 0,1, но варьируются в довольно широких пределах, достигая у некоторых ядер редкоземельных элементов значений, близких к 0,5. От параметра b зависит также момент инерции ядра. Как показывает сравнение опытных данных по энергии возбужденных состояний несферических ядер с формулой (10), наблюдаемые значения J значительно меньше моментов инерции твёрдого эллипсоида вращения относительно направления, перпендикулярного оси симметрии. Нет так же ротационных уровней, соответствующих вращению эллипсоида вокруг оси симметрии. Эти обстоятельства исключают возможность отождествить вращение несферического ядра с квантовым вращением твердотельного волчка в буквальном смысле слова. Для ротационной модели несферических ядер принимается схема, аналогичная квантованию движения двухатомной молекулы с идентичными бесспиновыми ядрами: вращательный момент ядер такой молекулы относительно её центра тяжести всегда перпендикулярен оси симметрии (линии, соединяющей ядра). Из-за свойств симметрии волновой функции относительно перестановки ядер допустимы только чётные значения момента вращения (0, 2, 4 и т. д.), что как раз соответствует значениям I для ротационных состояний несферических ядер с чётными А и Z. Для ядер с небольшими значениями параметров деформации b, наблюдаемые значения близки к моменту инерции той части эллипсоида вращения, которая находится вне вписанного в эллипсоид шара. Такой момент инерции мог бы иметь идеальный газ, помещенный в сосуд в форме эллипсоида вращения, или, что то же самое, частицы, движущиеся независимо друг от друга в несферической эллипсоидальной потенциальной яме. С ростом b момент инерции ядра в такой модели растет довольно быстро, достигая твердотельного значения. Это противоречит опытным данным, согласно которым рост l с увеличением Р происходит значительно медленнее, так что для реальных ядер I принимают значения, лежащие между моментами инерции части эллипсоида, находящейся вне вписанного в него шара и твёрдого эллипсоида вращения. Это противоречие устраняется учётом взаимодействия между частицами, движущимися в потенциальной яме. При этом, как оказывается, гл. роль играют парные корреляции «сверхтекучего типа» (см. ниже).

  Описанная картина структуры несферического ядра отвечает обобщению оболочечной модели на случай движения квазичастиц в сферически-несимметричном потенциальном поле (обобщённая модель). При этом несколько изменяются и схема энергетических уровней и квантовые числа, характеризующие индивидуальные орбиты частиц. В связи с появлением физически выделенного направления — оси симметрии эллипсоида, сохраняется проекция момента вращения каждой из частиц на эту ось. Момент вращения частицы при этом перестаёт быть определённым квантовым числом. Практически, однако, для всех ядер смешивание орбит с разными j мало, так как несферичность ядра в движении частиц сказывается главным образом на появлении дополнительного квантового числа.

  Для нечетных ядер спин ядра I получается векторным сложением ротационного момента всего ядра как целого и момента вращения «последнего» нечётного нуклона. При этом энергия ротационного уровня зависит не только от I, но и от проекции момента вращения К нечётного нуклона на ось симметрии ядра. Разным значениям К отвечают разные «ротационные полосы». Общая формула, определяющая энергию x (I) ротационного уровня нечётного ядра, имеет вид:

, (12)

  где dK,1/2 = 0, если К ¹ 1 /2 и dK,1/2 = 1. при K = 1 /2 ; a — эмпирически подбираемая константа, характеризующая «связь» момента вращения частицы и ротационного момента ядра. Моменты инерции для чётных и нечётных по А несферических ядер по порядку величины одинаковы и таковы, что энергия возбуждения первого ротационного уровня у ядер редкоземельных элементов около 100 кэв (это отвечает значениям J ~ 10-47 г ·см2 ).

  Существенная черта ротационной модели несферических ядер — сочетание вращения всего ядра, как целого, с движением отдельных нуклонов в несферическом потенциальном поле. При этом предполагается, что вращение всего ядра (т. е. несферической потенциальной ямы) происходит достаточно медленно сравнительно со скоростью движения нуклонов (адиабатическое приближение). Более точно последнее означает, что расстояние между соседними ротационными уровнями должно быть мало сравнительно с расстояниями между энергетическими уровнями нуклонов в потенциальной яме. Адиабатическое приближение для описания энергетического спектра некоторых несферических ядер оказывается недостаточным. В этом случае вводятся неадиабатические поправки (например, на кориолисовы силы и др.), что приводит к увеличению числа параметров, определяемых из сравнения теории с опытом.

  Современные данные о ротационных спектрах несферических ядер обильны. У некоторых ядер известно несколько ротационных полос (например, у ядра 235 U наблюдается 9 полос, причём отдельные ротационные полосы «прослежены» вплоть до спинов I = 25 /2 и более). Несферические ядра в основном сосредоточены в области больших А . Есть попытки интерпретировать и некоторые лёгкие ядра как несферические (так в несферичности «подозревается» ядро 24 Mg). Моменты инерции таких лёгких ядер оказываются примерно в 10 раз меньше, чем у тяжёлых.

  Ротационная модель несферических ядер позволяет описать ряд существенных свойств большой группы ядер. Вместе с тем эта модель не является последовательной теорией, выведенной из «первых принципов». Её исходные положения постулированы в соответствии с эмпирическими данными о ядрах. В рамках этой модели необъяснённым остаётся сам факт возникновения ротационного спектра (т. е. факт вращения всего ядра, как целого). Попытки получить ядерные ротационные спектры на основе общей квантовомеханической теории системы многих тел пока остаются незавершёнными.

  Сверхтекучесть ядерного вещества и другие ядерные модели. Аналогично тому, как спаривание электронов в металлах порождает сверхпроводимость (см. Купера эффект ), спаривание нуклонов должно приводить к сверхтекучести ядерного вещества. В безграничном ядре (ядерной материи) в единую «частицу» (куперовскую пару) объединялись бы нуклоны с равными по величине, но противоположными по знаку импульсами и проекциями спинов. В реальных ядрах предполагается спаривание нуклонов с одними и теми же значениями квантовых чисел (j, l) и с противоположными проекциями полного момента вращения нуклона, равными —j, —j + 1,... j—1, j. Физическая причина спаривания — взаимодействие частиц, движущихся по индивидуальным орбитам, как это принимается оболочечной моделью. Впервые на возможность сверхтекучести ядерной материи указал Н. Н. Боголюбов (1958). Одним из проявлений сверхтекучести должно быть наличие энергетической щели между сверхтекучим и нормальным состоянием ядерного вещества. Величина этой щели определяется энергией связи пары (энергией спаривания), которая для ядерной материи (насколько можно судить по разности энергий связи чётных и нечётных ядер) должна составлять ~ 1—2 Мэв . В реальных ядрах наличие энергетической щели с определённостью установить трудно, поскольку спектр ядерных уровней дискретен и расстояние между оболочечными уровнями сравнимо с величиной щели.

  Наиболее ярким указанием на сверхтекучесть ядерного вещества является отличие моментов инерции сильно несферических ядер от твердотельных значений: теория сверхтекучести ядерного вещества удовлетворительно объясняет как абсолютные значения моментов инерции, так и их зависимость от параметра деформации Р. Теория предсказывает также резкое (скачкообразное) возрастание момента инерции в данной вращательной полосе при некотором критическом (достаточно большом) спине I . Это явление, аналогичное разрушению сверхпроводимости достаточно сильным магнитным полем, пока отчётливо не наблюдалось (в теоретическом предсказании критических значений I имеются неопределённости). Менее выразительно, но всё же заметно сказывается сверхтекучесть ядерного вещества на других свойствах ядра: на вероятностях электромагнитных переходов, на положениях оболочечных уровней и т. п. Однако в целом сверхтекучесть ядерного вещества выражена в реальных ядрах не так ярко, как, например, явление сверхпроводимости металлов или сверхтекучесть гелия при низких температурах. Причиной этого является ограниченность размера ядра, сравнимая с размером куперовской пары. Менее надёжны, чем в физике обычных конденсированных сред, и выводы теории сверхтекучести ядер. Главным препятствием теории и здесь является то обстоятельство, что взаимодействие между ядерными частицами не может считаться слабым (в отличие, например, от взаимодействия, приводящего к спариванию электронов в металле). Поэтому наряду с парными корреляциями следовало бы учитывать и корреляции большего числа частиц (например, четырёх). Вопрос о влиянии таких многочастичных корреляций на свойства ядра остаётся пока открытым.

  Описанные ядерные модели являются основными, охватывающими свойства большинства ядер. Они, однако, не достаточны для описания всех наблюдаемых свойств основных и возбуждённых состояний ядер. Так, в частности, для объяснения спектра коллективных возбуждений сферических ядер привлекается модель поверхностных и квадрупольных колебаний жидкой капли, с которой отождествляется ядро (вибрационная модель). Для объяснения свойств некоторых ядер используются представления о кластерной (блочной) структуре Я. а., например предполагается, что ядро 6 Li значительную часть времени проводит в виде дейтрона и a-частицы, вращающихся относительно центра тяжести ядра. Все ядерные модели играют роль более или менее вероятных рабочих гипотез. Последовательное же объяснение наиболее важных свойств ядер на прочной основе общих физических принципов и данных о взаимодействии нуклонов остаётся пока одной из нерешенных фундаментальных проблем современной физики.

  Лит.: Ландау Л. Д., Смородинский Я. А., Лекции по теории атомного ядра, М., 1955; Бете Г., Моррисон Ф., Элементарная теория ядра, пер. с англ., М., 1958; Давыдов А. С., Теория атомного ядра, М., 1958; Айзенбуд Л., Вигнер Е., Структура ядра, пер. с англ., М., 1959; Гепперт-Майер М., Йенсен И. Г. Д., Элементарная теория ядерных оболочек, пер. с англ., М., 1958; Мигдал А. Б., Теория конечных ферми-систем и свойства атомных ядер, М., 1965; Ситенко А. Г., Т артаковски и В. К., Лекции по теории ядра, М., 1972; Рейнуотер Дж., «Успехи физических наук», 1976, т. 120, в. 4, с. 529 (пер. с англ.): Бор О., там же, с. 545 (пер. с англ.); Моттельсон Б., там же, с. 563 (пер. с англ.).

  И. С. Шапиро.

Рис. 2. Линии Шмидта для ядер с нечётным числом протонов (точки — экспериментальные данные).

Рис. 3. Эмпирическая последовательность уровней протонов и нейтронов в модели ядерных оболочек. Справа от уровней указаны j, слева — спектроскопический символ (буква отвечает определённому значению l, число — номер уровня с данным l; s, р, d, f, g, h, i соответственно означают l = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6). Пунктиром отделены состояния, заполнение которых даёт магические числа.

Рис. 1. Линии Шмидта для ядер с нечётным числом нейтронов.

(обратно)

Ядро (биол.)

Ядро' клеточное, обязательная, наряду с цитоплазмой, составная часть клетки у простейших, многоклеточных животных и растений, содержащая хромосомы и продукты их деятельности. По наличию или отсутствию в клетках Я. все организмы делят на эукариот и прокариот . У последних нет оформленного Я. (отсутствует его оболочка), хотя дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) имеется. В Я. хранится основная часть наследственной информации клетки; содержащиеся в хромосомах гены играют главную роль в передаче наследственных признаков в ряду клеток и организмов. Я. находится в постоянном и тесном взаимодействии с цитоплазмой; в нём синтезируются молекулы-посредники, переносящие генетическую информацию к центрам белкового синтеза в цитоплазме. Т. о., Я. управляет синтезами всех белков и через них — всеми физиологическими процессами в клетке. Поэтому получаемые экспериментально безъядерные клетки и фрагменты клеток всегда погибают; при пересадке Я. в такие клетки их жизнеспособность восстанавливается. Я. впервые наблюдал чешский учёный Я. Пуркине (1825) в яйцеклетке курицы; в растительных клетках Я. описал английский учёный Р. Броун (1831—33), в животных клетках — немецкий учёный Т. Шванн (1838—39).

  Обычно Я. в клетке одно, находится близ её центра, имеет вид сферического или эллипсоидного пузырька (фигуры 1—3, 5, 6 ). Реже Я. бывает неправильной (фигура 4 ) или сложной формы (например, Я. лейкоцитов, макронуклеусы инфузорий). Нередки двух- и многоядерные клетки, обычно образующиеся путём деления Я. без деления цитоплазмы или путём слияния нескольких одноядерных клеток (т. н. симпласты, например поперечнополосатые мышечные волокна). Размеры Я. варьируют от ~ 1 мкм (у некоторых простейших) до ~ 1 мм (некоторые яйцеклетки).

  Я. отделено от цитоплазмы ядерной оболочкой (ЯО), состоящей из 2 параллельных липопротеидных мембран толщиной 7—8 нм , между которыми находится узкое перинуклеарное пространство. ЯО пронизана порами диаметром 60—100 нм , на краях которых наружная мембрана ЯО переходит во внутреннюю. Частота пор различна в разных клетках: от единиц до 100—200 на 1 мкм2 поверхности Я. По краю поры располагается кольцо плотного материала — так называемый аннулус. В просвете поры часто имеется центральная гранула диаметром 15—20 нм , соединённая с аннулусом радиальными фибриллами. Вместе с порой эти структуры составляют поровый комплекс, который, по-видимому, регулирует прохождение макромолекул через ЯО (например, вход в Я. белковых молекул, выход из Я. рибонуклеопротеидных частиц и т. п.). Наружная мембрана ЯО местами переходит в мембраны эндоплазматической сети ; она обычно несёт белоксинтезирующие частицы — рибосомы . Внутренняя мембрана ЯО иногда образует впячивания в глубь Я. Содержимое Я. представлено ядерным соком (кариолимфой, кариоплазмой) и погруженными в него оформленными элементами — хроматином, ядрышками и др. Хроматин — это более или менее разрыхлённый в неделящемся Я. материал хромосом, комплекс ДНК с белками — так называемый дезоксирибо-нуклеопротеид (ДНП). Он выявляется с помощью цветной реакции Фёльгена на ДНК (фигуры 1 и 8 ). При делении Я. (см. Митоз ) весь хроматин конденсируется в хромосомы; по окончании митоза большая часть участков хромосом опять разрыхляется; эти участки (так называемый эухроматин) содержат в основном уникальные (неповторяющиеся) гены. Другие участки хромосом остаются плотными (так называемый гетерохроматин); в них располагаются главным образом повторяющиеся последовательности ДНК. В неделящемся Я. большая часть эухроматина представлена рыхлой сетью фибрилл ДНП толщиной 10 — 30 нм , гетерохроматин — плотными глыбками (хромоцентрами), в которых те же фибриллы плотно упакованы. Часть эухроматина также может переходить в компактное состояние; такой эухроматин считается неактивным в отношении синтеза РНК. Хромоцентры обычно граничат с ЯО или ядрышком. Есть данные о том, что фибриллы ДНП закреплены на внутренней мембране ЯО.

  В неделящемся Я. происходит синтез (репликация ) ДНК, изучаемый путём регистрации включенных в Я. меченных радиоактивными изотопами предшественников ДНК (обычно тимидина). Показано, что по длине хроматиновых фибрилл имеется множество участков (так называемых репликонов), каждый со своей точкой начала синтеза ДНК, от которой репликация распространяется в обе стороны. Вследствие репликации ДНК удваиваются и сами хромосомы.

  В хроматине Я. происходит считывание закодированной в ДНК генетической информации путём синтеза на ДНК молекул матричной, или информационной, РНК (см. Транскрипция ), а также молекул других типов РНК, участвующих в белковом синтезе. Специальные участки хромосом (и соответственно хроматина) содержат повторяющиеся гены, которые кодируют молекулы рибосомной РНК; в этих местах Я. формируются богатые рибонуклеопротеидами (РНП) ядрышки , основная функция которых — синтез РНК, входящей в состав рибосом. Наряду с компонентами ядрышка в Я. есть и другие виды частиц РНК. К ним относятся перихроматиновые фибриллы толщиной 3—5 нм и перихроматиновые гранулы (ПГ) диаметром 40—50 нм , расположенные на границах зон рыхлого и компактного хроматина. И те и другие, вероятно, содержат матричную РНК в соединении с белками, а ПГ отвечают её неактивной форме; наблюдался выход ПГ из Я. в цитоплазму через поры ЯО. Имеются также интерхроматиновые гранулы (20—25 нм ), а иногда и толстые (40—60 нм ) нити РНП, скрученные в клубки. В ядрах амёб имеются нити РНП, скрученные в спирали (30—35 нм х 300 нм ); спирали могут выходить в цитоплазму и, вероятно, содержат матричную РНК. Наряду с ДНК- и РНК-содержащими структурами некоторые Я. содержат чисто белковые включения в виде сфер (например, в Я. растущих яйцеклеток многих животных, в Я. ряда простейших), пучков фибрилл или кристаллоидов (например, в ядрах многих тканевых клеток животных и растений, макронуклеусах ряда инфузорий). В Я. обнаружены также фосфолипиды, липопротепды, ферменты (ДНК-полимераза, РНК-полимераза, комплекс ферментов оболочки Я., в том числе аденозинтрифосфатаза, и др.).

  В природе встречаются различные специальные типы Я.: гигантские Я. растущих. яйцеклеток, особенно рыб и земноводных; Я., содержащие гигантские политенные хромосомы (см. Политения ), например в клетках слюнных желёз двукрылых насекомых; компактные, лишённые ядрышек Я. сперматозоидов и микронуклеусы инфузорий, сплошь заполненные хроматином и не синтезирующие РНК; Я., в которых хромосомы постоянно конденсированы, хотя ядрышки образуются (у некоторых простейших, в ряде клеток насекомых); Я., в которых произошло дву- или многократное увеличение числа наборов хромосом (полиплоидия ; фигуры 7, 9 ).

  Основной способ деления Я. — митоз, характеризующийся удвоением и конденсацией хромосом, разрушением ЯО (исключение — многие простейшие и грибы) и правильным расхождением сестринских хромосом в дочерние клетки. Однако Я. некоторых специализированных клеток, особенно полиплоидные, могут делиться простой перешнуровкой (см. Амитоз ). Высокополиплоидные Я. могут делиться не только на 2, но и на много частей, а также почковаться (фигура 7 ). При этом может происходить разделение целых хромосомных наборов (т. н. сегрегация геномов).

  Лит.: Руководство по цитологии, т. 1, М. —Л., 1965; Райков И. Б., Кариология простейших, Л., 1967; Робертис Э., Новинский В., Саэс Ф.,. Биология клетки, пер. с англ., М., 1973; Ченцов Ю. С., Поляков В. Ю., Ультраструктура клеточного ядра, М., 1974; The nucleus, ed. A. J. Dalton, F, Haguenau, N. Y. — L., 1968; The cell nucleus, ed. Н. Busch, v. 1—3, N. Y. — L., 1974.

  И. Б. Райков.

Клеточные ядра на окрашенных препаратах: фрагментация гигантского полиплоидного ядра трофобласта крысы, окраска метиловым зеленым — пиронином (хроматин зеленый, ядрышки красные, цитоплазма розовая).

Схема ультраструктуры ядра клетки печени: зоны компактного (кх) и рыхлого (рх) хроматина; ядрышко (як) с внутри-ядрышковым хроматином (вх), перихро-матиновые фибриллы (стрелки), перихроматнновые (пг) и интерхроматиновые (иг) гранулы; рибонуклеопротеидная нить, свёрнутая в клубок (к); оболочка ядра (яо) с порами (п).

Клеточные ядра на окрашенных препаратах: яйцеклетки креветки рода Palaemon на ранней (3) и поздней (4, изображено только ядро) стадиях, в процессе развития ядро приобретает неправильную форму, хроматин (зеленый) рассеивается, ядрышко (красное) растет и вакуолизируется, окраска метиловым зеленым — пиронином.

Клеточные ядра на окрашенных препаратах: полиплоидный макронуклеус и два микронуклеуса инфузории рода Nassula, окраска метиловым зеленым — пиронином: хроматин (фиолетовый) содержит и ДНК, и РНК, ядрышки (красные) — РНК, микронуклеусы зеленые.

Клеточные ядра на окрашенных препаратах: нервные клетки с крупным ядром, окраска (красно-фиолетовая) по Фёльгену на ДНК (1), метиловым зеленым на ДНК и пиронином (красный цвет) на РНК (2); по краям видны ядра соединительнотканных клеток.

Клеточные ядра на окрашенных препаратах: три диплоидных макронуклеуса и один микронуклеус инфузории рода Remanella, окраска по Фёльгену на ДНК, в макронуклеусах видны хромоцентры (красно-фиолетовые) и ядрышки (бледно-зеленые).

Клеточные ядра на окрашенных препаратах: ядра яйцеклеток моллюсков рода Littorina, видны две различно окрашивающиеся части ядрышка (амфинуклеолы), окраска метиловым синим — оранженвым Ж (5) и азаном (6).

(обратно)

Ядро (воен.)

Ядро' (воен.), шаровидный сплошной снаряд ударного действия в гладкоствольной артиллерии. С середины 14 в. Я. были каменные, с 15 в. железные, затем чугунные (для орудий большого калибра) и свинцовые (для орудий малого калибра). С 16 в. применялись зажигательные «калёные» Я. В 17 в. получили распространение снаряжавшиеся порохом полые разрывные Я. — снаряды (гранаты). Во 2-й половине 19 в. в связи с заменой гладкоствольных орудий нарезными вышли из употребления.

(обратно)

Ядро древесины

Ядро' древеси'ны, внутренняя, наиболее старая часть древесины многих древесных пород. Она обычно темнее окружающей её заболони (коричневая — у дуба, жёлтая — у барбариса, акации, красноватая — у тисса, оранжевая — у ольхи, почти чёрная — у эбенового дерева). Вследствие закупорки сосудов и трахеид тиллами, а также смолами, камедями, эфирными маслами и пр. Я. д. почти не проницаемо для воды и воздуха, устойчиво к гниению и поражению грибами.

(обратно)

Ядро Земли

Ядро' Земли' , центральная геосфера радиусом около 3470 км . Существование Я. 3. установлено в 1897 немецким сейсмологом Э. Вихертом, глубина залегания (2900 км ) определена в 1910 американским геофизиком Б. Гутенбергом. О составе Я. З. и его происхождении единого мнения нет. Возможно, оно состоит из железа (с примесью никеля, серы, кремния или других элементов) или его окислов, которые под действием высокого давления приобретают металлические свойства. Существуют мнения, что ядро образовалось путём гравитационной дифференциации первичной Земли в период её роста или позже (впервые высказано норвежским геофизиком В. М. Гольдшмидтом в 1922) либо железное ядро возникло ещё в протопланетном облаке (немецкий учёный А. Эйкен, 1944, американский учёный Э. Орован и советский учёный А. П. Виноградов, 60—70-е гг.). См. также ст. Земля .

  Лит.: Витязев А. В., Люстих Е. Н., Николайчик В. В., Проблема образования ядра и мантии Земли, «Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли», 1977, № 8.

(обратно)

Ядро кометы

Ядро' коме'ты, центральная часть кометы, состоящая, по современным представлениям, из водяного газа с примесью «льдов» других газов, а также каменистых веществ. Я. к. вместе с туманной оболочкой (комой) образует голову кометы. См. Кометы .

(обратно)

Ядро (матем.)

Ядро' (матем.), функция К (х , у ), задающая интегральное преобразование

  ,

которое переводит функцию f (y ) в функцию j (х ). Теория таких преобразований связана с теорией линейных интегральных уравнений .

(обратно)

Ядро протыкания

Ядро' протыка'ния, ядро антиклинальной складки, образованное сложно перемятыми, нередко перетёртыми в брекчию, глинистыми или соленосными породами, внедрившимися в виде столба в вышележащие отложения, слагающие крылья антиклинали.

(обратно)

Ядро сечения

Ядро' сече'ния в сопротивлении материалов, область вокруг центра тяжести поперечного сечения стержня, ограниченная замкнутым контуром и обладающая тем свойством, что продольная сила, приложенная к любой её точке, вызывает в сечении напряжения одного знака (см. Внецентренное растяжение-сжатие ). Форма и размеры Я. с. определяются формой и размерами поперечного сечения стержня. Определение Я. с. особенно важно при расчёте стержней из материала, обладающего различной прочностью при растяжении и сжатии.

(обратно)

Ядрышко

Я'дрышко, нуклеоль, плотное преломляющее свет тельце внутри клеточного ядра эукариотных организмов; состоит в основном из комплексов рибонуклеиновых кислот с белками — рибонуклеопротеидов (РНП). Число Я. 1—3 (см. фигуры 2—4 ); реже их много, например, в ядрах ряда простейших (амёб, раковинных корненожек, фигура 9 ) или в ядрах растущих яйцеклеток некоторых позвоночных животных (так называемые краевые Я.). Иногда Я. состоят из двух по-разному окрашивающихся частей (так называемые амфинуклеолы, фигуры 5, 6 ). Морфология Я. зависит от функционального состояния клетки. При митозе Я. обычно распадается (исключение — Я. многих простейших). В телофазе митоза Я. вновь формируется на специальных участках определённых хромосом — так называемых ядрышковых организаторах, в которых локализуются гены , кодирующие рибосомную рибонуклеиновую кислоту (рРНК). Множественные краевые Я. яйцеклеток прямо с хромосомами не связаны; они образуются на внехромосомных копиях рибосомального гена, предварительно синтезированных на ядрышковом организаторе.

  С помощью электронной микроскопии в Я. различимы: нити внутриядрышкового хроматина , содержащие ДНК и соответствующие либо самому ядрышковому организатору, либо его внехромосомным копиям; зона фибрилл РНП толщиной 5—10 нм и зона гранул РНП размером 15—20 нм (обычно на периферии Я.). На генах внутриядрышкового хроматина синтезируются молекулы прерибосомной РНК с константой седиментации 45 S, локализованные в фибриллярной зоне Я. Эти молекулы далее распадаются на молекулы рРНК с константами седиментации 185 и 28 S, которые, соединяясь с белками, свёртываются в гранулы — предшественники соответственно малой и большой субъединиц рибосом . Гранулы отделяются от Я. и через поры ядерной оболочки поступают в цитоплазму, где происходит сборка рибосом.

  Лит.: Busch Н., Smetana К., The nucleolus, N. Y. — L., 1970; см. также лит. при ст. Ядро .

  И. Б. Райков.

Клеточные ядра на окрашенных препаратах: фрагментация гигантского полиплоидного ядра трофобласта крысы, окраска метиловым зеленым — пиронином (хроматин зеленый, ядрышки красные, цитоплазма розовая).

Клеточные ядра на окрашенных препаратах: яйцеклетки креветки рода Palaemon на ранней (3) и поздней (4, изображено только ядро) стадиях, в процессе развития ядро приобретает неправильную форму, хроматин (зеленый) рассеивается, ядрышко (красное) растет и вакуолизируется, окраска метиловым зеленым — пиронином.

Клеточные ядра на окрашенных препаратах: полиплоидный макронуклеус и два микронуклеуса инфузории рода Nassula, окраска метиловым зеленым — пиронином: хроматин (фиолетовый) содержит и ДНК, и РНК, ядрышки (красные) — РНК, микронуклеусы зеленые.

Клеточные ядра на окрашенных препаратах: нервные клетки с крупным ядром, окраска (красно-фиолетовая) по Фёльгену на ДНК (1), метиловым зеленым на ДНК и пиронином (красный цвет) на РНК (2); по краям видны ядра соединительнотканных клеток.

Клеточные ядра на окрашенных препаратах: три диплоидных макронуклеуса и один микронуклеус инфузории рода Remanella, окраска по Фёльгену на ДНК, в макронуклеусах видны хромоцентры (красно-фиолетовые) и ядрышки (бледно-зеленые).

Клеточные ядра на окрашенных препаратах: ядра яйцеклеток моллюсков рода Littorina, видны две различно окрашивающиеся части ядрышка (амфинуклеолы), окраска метиловым синим — оранженвым Ж (5) и азаном (6).

(обратно)

Яды

Я'ды, вещества, способные при воздействии на живой организм вызвать резкое нарушение нормальной его жизнедеятельности — отравление или смерть. Отнесение тех или иных веществ к Я. условно, т. к. токсичность многих из них определяется обстоятельствами или способом введения в организм. Действие Я. обусловлено их химическими реакциями с веществами, входящими в состав клеток и тканей организма, а также принимающими участие в тканевом обмене (например, при отравлении синильной кислотой ). Сила и характер действия Я. зависят от их химической структуры, физико-химических свойств, структурных и функциональных особенностей организма, что обусловливает избирательную токсичность Я. по отношению к отдельным видам животных или растений, а также «сродство» («тропность») к определённым системам или органам (например, нейротронные Я., поражающие преимущественно нервную систему). По происхождению Я. делят на растительные (см. Ядовитые растения ), животные (см. Ядовитые животные ), минеральные и продукты химического синтеза (яды промышленные , пестициды ). Я. проникают в организм человека главным образом через пищеварительные (см. Пищевые отравления ) и дыхательные органы; из организма выделяются почками, кишечником, лёгкими и др. Изучением действия Я. занимается токсикология . См. также Антидоты .

  Лит . см. при ст. Токсикология , Токсины .

(обратно)

Яды каталитические

Я'ды каталити'ческие, см. Каталитические яды .

(обратно)

Яды промышленные

Я'ды промы'шленные, яды профессиональные, яды производственные, химические соединения, используемые в промышленности и оказывающие вредное действие на организм человека. При несоблюдении правил техники безопасности и гигиены труда ядовитыми могут быть различные виды сырья, а также промежуточные, побочные или конечные продукты производства: чаще возникают хронические отравления. Некоторые Я. п. вызывают поражения плода, оказывают вредное влияние на потомство (см. Тератогенез , Мутагенез ), являются канцерогенными веществами .

  Профилактика отравлений Я. п.: исключение из производственного процесса высокотоксичных Я. п., замена их менее токсичными; обеспечение непрерывности технологического процесса, герметичности аппаратов и коммуникаций; рациональная планировка рабочих мест («чистые» и «грязные» зоны); эффективная вентиляция; уменьшение длительности контакта с Я. п.; индивидуальные средства защиты (одежда, противогазы, респираторы, защитные пасты и др.); периодические медицинские осмотры; профилактическое питание и медикаментозная профилактика (ингалятории и др.); установление предельно-допустимых концентраций (ПДК) вредных газов, паров и аэрозолей в воздухе рабочей зоны. См. также Отравление , Профессиональные болезни . Профессиональные вредности .

  Лит.: Вопросы гигиенического нормирования при изучении отдалённых последствий воздействия промышленных веществ, М., 1972; Саноцкий И. В., Уланова И. П., Критерии вредности в гигиене и токсикологии при оценке опасности химических соединений, М., 1975.

  И. В. Саноцкий.

(обратно)

Оглавление

Ядамсурэн Уржингийн

Ядерная авария

Ядерная батарея

Ядерная бомба

Ядерная геология

Ядерная силовая установка

Ядерная спектроскопия

Ядерная техника

Ядерная физика

«Ядерная физика»

Ядерная фотографическая эмульсия

Ядерная химия

Ядерная электроника

Ядерная энергетика

Ядерная энергия

Ядерного ущерба возмещение

Ядерное горючее

Ядерное оружие

Ядерное топливо

Ядерной физики ленинградский институт

Ядерно-плазменное отношение

Ядерные боеприпасы

Ядерные модели

Ядерные оболочки

Ядерные реакции

Ядерные силы

Ядерные цепные реакции

Ядерный взрыв

Ядерный заряд

Ядерный квадрупольный резонанс

Ядерный магнетон

Ядерный магнитный резонанс

Ядерный парамагнетизм

Ядерный ракетный двигатель

Ядерный реактор

Ядерный фотоэффект

Ядовитые животные

Ядовитые растения

Ядозубы

Ядохимикаты

Ядра атомного деление

Ядра галактик

Ядра конденсации

Ядрин

Ядрище

Ядро атомное

Ядро (биол.)

Ядро (воен.)

Ядро древесины

Ядро Земли

Ядро кометы

Ядро (матем.)

Ядро протыкания

Ядро сечения

Ядрышко

Яды

Яды каталитические

Яды промышленные

Реклама на сайте