Развитие атомной энергетики - физика распечатать.. Введение. (без слайда)
 Скачать 29.84 Kb.
|
|
Введение. (без слайда). Человечество с древних времён искало новые источники энергии. К середине XX столетия были освоены почти все её природные источники, использование которых в промышленных масштабах привело к значительному загрязнению отходами производства окружающей среды. Овладение ядерной энергией – величайшее достижение науки и техники XXв. Для открытия такого вида энергии понадобились долгие годы работы учёных многих поколений и разных стран. Высвобождение внутриядерной энергии требовало многого, к примеру, нормального оборудования, развивающуюся науку, что появилось к XX веку. Атомистика философов Древней Греции и Рима (2-3 слайды). Древние греки создали учение о материальной первооснове всех вещей, родоначальниками которого были Фалес Милетский – считал, что основой всего является вода (625-547 до н. э.), Анаксимандр – усматривал такую основу в некоем «алейроне» – единой, вечной, бескачественной материи (610-547 до н. э.), Анаксимен – в воздухе (585-525 до н. э.) и другие античные философы. Другой известный древнегреческий философ Гераклит Эфесский (530-470 до н. э.) считал основой основ огонь. Все вещи появляются из огня и снова в него возвращаются. Непосредственными предшественниками атомистов были Эмпедокл (490-430 до н. э.) и Анаксагор (500-428 до н. э.), они выдвинули концепцию элементов, из которых построена Вселенная. По учению Эмпедокла такими материальными элементами являются огонь, воздух, вода и земля. Анаксагор считал, что мир состоит из бесконечного множества частиц («семян») веществ и в результате их совокупного движения темный холодный воздух отделяется от светлого горячего эфира, а частицы соединяются с себе подобными. Так образуются материальные тела. Философы Левкипп и его ученик Демокрит (460-370 до н. э.) стали основателями атомистической теории. По учению Левкиппа материя состоит из отдельных частиц – атомов, находящихся в пустом пространстве, и слишком мелких, чтобы их можно было увидеть в отдельности. Более полно и стройно атомистическая теория была изложена великим древнегреческим философом-материалистом Демокритом. Приведем некоторые принципиальные положения Демокрита, имеющие отношение к атомистической теории: (представлены на слайде) Естественно-научное мировоззрение древних получило свое развитие в трудах знаменитого философа того времени Аристотеля (384-322 до н. э.). Он признавал объективное существование материального мира и его познаваемость, но противопоставлял земной и небесный миры, верил и учил верить в существование божественных сил. Он рассматривал такие общие понятия, как материя и движение, пространство и время, конечное и бесконечное. «Канонизированное» учение Аристотеля в средние века надолго задержало развитие атомистических воззрений. Гениальные догадки философов-материалистов, атомистов Древней Греции и Рима предопределили рождение современной атомистической теории – физики атома, ядерной физики. Атомистика в период до XVII века (4 слайд). В период средневековья атомистика переживала тяжелые времена. В 1121 г. в Средней Азии появился курс физики Аль-Хазини, в котором были таблицы удельных весов ряда твердых и жидких тел. Николай Коперник считал, что атомы неощутимы, несколько атомов не составляют видимого тела. И все же число этих частиц можно так умножить, что их будет достаточно для слияния в заметное тело. Коперник вплотную подошел к материалистической атомистике. Галилей считал, что мир бесконечен, материя вечна. Материя состоит из абсолютно неделимых атомов, ее движение – единственное, универсальное механическое перемещение. Галилей экспериментально подтвердил ряд гипотез древних философов об атомах. Физика в XVIII и XIX веках (5 слайд). В XVIII и XIX вв. классическая физика вступила в период, когда многие ее положения стали подвергаться серьезному переосмыслению. Михаил Ломоносов – первый русский профессор химии, автор первого русского курса физической химии. Рассматривая основу химических явлений, Ломоносов на базе атомно-молекулярных представлений развивал учение о «нечувствительных» (т. е. неощутимых) частицах материи – «корпускулах» (молекулах). Он полагал, что всем свойствам вещества можно дать исчерпывающее объяснение с помощью представления о различных чисто механических движениях корпускул, состоящих из атомов. Он утверждал, что химическая теория должна строиться на законах механики и математики. Введение понятия «корпускулы» наряду с понятием «элемента» (атома) означало признание того, что определенная совокупность атомов создает новое единство, действующее как целое, некий новый качественный «узел». Ломоносов, приняв гипотезу о вращательном движении молекул-корпускул, вывел ряд следствий: 1. Частицы – корпускулы имеют шарообразную форму. 2. При более быстром вращении частиц теплота увеличивается, а при более медленном – уменьшается. 3. Горячее тело должно охлаждаться при соприкосновении с холодным и, наоборот, холодные тела должны нагреваться вследствие ускорения движения при соприкосновении. Английский ученый Р. Бойль (1627-1691) ввел в химию атомистику, это дало основание Ф. Энгельсу сказать о работах Бойля: «Бойль делает из химии науку». В 1803 г. английский физик и химик Дж. Дальтон (1766-1844) опубликовал основополагающие работы по химической атомистике, вывел закон кратных отношений. Дальтон ввел в науку, в частности в химию, понятие атомного веса (атомной массы), приняв за единицу вес водорода. По Дальтону, атом - мельчайшая частица химического элемента, отличающаяся от атомов других элементов своей массой. Он открыл явление диффузии газов. В XVII–XIX вв. атомы считались абсолютно неделимыми и неизменными частицами материи. Атомистика в значительной мере носила все еще абстрактный характер. В XIX в. большой вклад в разработку научной базы атомистики внесли такие ученые, как Максвелл, Клаузиус, Больцман, Гиббс и др. Предыстория познания атомного ядра начинается в 1869 г. с гениального открытия Д. И. Менделеевым периодического закона химических элементов. В течение всей последующей истории ядерной физики периодический закон Менделеева, обогащенный новыми открытиями, служил путеводной нитью исследований. Именно с конца XIX в. подход к изучению атома стал действительно научным, имеющим экспериментальную основу. Никто из естествоиспытателей той эпохи не проник так глубоко в понимание взаимосвязи между атомами и молекулами, как Д. И. Менделеев. В 1894 г., когда еще не была ясна модель не только атома, но и молекулы, Менделеев выдвинул гипотезу о строении атома и молекулы. Он высказал мысль, что атомы можно представить себе как бесконечно малую Солнечную систему, находящуюся в непрерывном движении. Менделеев показал, что развитие науки невозможно, если отказаться от признания объективной реальности атомов. Спустя почти 30 лет после появления Периодической системы Менделеева начала свое победное шествие новая наука – ядерная физика. Атомистика конца XIX - начала XX века (6 слайд). Гениальные догадки древних ученых о том, что все вещества состоят из атомов, к концу XIX в. полностью подтвердились. К тому времени также было установлено, что атом как единица любого вещества неделим. С открытия А. Беккерелем в 1896 г. явления радиоактивности берет свое начало новый раздел физики – ядерная физика. С этого момента, собственно, и начинается непосредственно история исследования атомной энергии. Немецкий физик В. Рентген (1845-1923) открыл в 1895 г. излучение, названное им Х-лучами (рентгеновские лучи, или рентгеновское излучение). Он создал первые рентгеновские трубки и сделал анализ некоторых свойств открытого им излучения. Рентгеновское излучение нашло широкое применение в медицине, технике, в различных областях науки. Открытие радиоактивности урана Беккерелем невозможно переоценить, хотя важность этого открытия поняли не сразу. Высказывались предположения, что явление радиоактивности сродни рентгеновскому излучению. Но рентгеновское излучение возникает при электрическом разряде, происходящем в сильно разреженном газе, независимо от природы газа, независимо от вещества, из которого сделаны электроды. Радиоактивность же солей урана, обнаруженная Беккерелем, не требует электрического напряжения - ни большого, ни малого. Не нужен и разреженный газ. Рентгеновское излучение возникает только в присутствии электрического разряда, излучение, открытое Беккерелем, – всегда, непрерывно, и его излучает только уран. Но только ли уран? Этот вопрос и был поставлен Марией Склодовской-Кюри. Таким образом, был открыт новый этап исследований, который провели супруги Кюри. В результате супруги Кюри открыли два новых радиоактивных вещества, которые они назвали полонием и радием. Всем веществам, которые способны излучать лучи Беккереля, Мария Кюри дала общее название – радиоактивные. Атомистика первой половине ХХ века. Исследования по радиоактивности стали проводиться в России почти сразу после открытия Беккереля. Г. Н. Антонов работал несколько лет в лаборатории Резерфорда. В 1911 г. он открыл уран V. Результаты работ Л. С. Коловрат-Червинского по радиоактивности имели большое научное значение. С 1906 г. он в течение пяти лет работал в лаборатории М. Кюри, провел эксперименты по исследованию бета-лучей и составил «Таблицы констант радиоактивных веществ». В 1910 г. в Одессе была создана радиологическая лаборатория, в Томске спустя некоторое время была организована аналогичная лаборатория. После 1917 г. был создан Радиевый институт под руководством В. И. Вернадского, заместителем которого стал В. Г. Хлопин. В послереволюционные годы было создано радиевое производство на базе отечественных месторождений. В Германии впервые было осуществлено деление ядер урана. Вот почему ученые – физики-эмигранты, и среди них Сцилард и Теллер, - убеждали Альберта Эйнштейна обратиться к президенту Соединенных Штатов Ф. Рузвельту с предложением развернуть в США работы по созданию ядерного оружия, ядерной бомбы, с тем чтобы опередить Германию. С этого времени началась работа огромного масштаба, поглотившая колоссальные средства, материальные ресурсы, человеческие усилия и приведшая к созданию ядерной бомбы невиданной мощи в июле 1945 г. В 1913 г. Н. Бор (1885-1962) опубликовал серию статей «О строении атомов и молекул», открывших путь к атомной квантовой механике. В. Паули предположил, что при бета-распаде из ядра вылетает не одна частица – электрон (как предполагалось ранее), а две – электрон и частица, названная Паули нейтрино. 1932 год стал годом великих открытий в ядерной физике. В этом году возникла физика нового типа, имеющая дело со строением атомов и исследующая неизвестные до того времени силы и взаимодействия частиц в ядре атома. Три открытия 1932 г. считаются особенно важными для дальнейшего развития атомной и ядерной физики: открытие нейтрона; обнаружение позитрона К. Андерсоном в космических лучах. Это была первая открытая учеными античастица; открытие американским химиком Г. Юри вместе с Ф. Брикведце и Г. Мерфи дейтерия – тяжелого водорода, стабильного изотопа водорода с массовым числом 2. Дж. Кокрофт (1897-1967), английский физик, в 1932 г. вместе с Э. олтоном создал высоковольтный генератор, работающий по принципу умножения напряжения. Итальянский физик Э. Ферми (1901-1954), в 1938 г. эмигрировавший из фашистской Италии в США, внес большой вклад в развитие современной теоретической и экспериментальной физики. Он заложил основы нейтронной физики, впервые наблюдал искусственную радиоактивность, вызванную бомбардировками нейтронами ряда элементов, в том числе урана, создал теорию этого явления. Заключение. Итак, к концу XX века человечество в полной мере освоило использование запасов энергии атомных ядер урана-235. Этого вида топлива, сжигаемого в атомных котлах, не так уж много в земной коре. Если всю энергетику земного шара перевести на него, то при современных темпах роста потребления энергии урана, хватит лишь на 50–60 лет. Безусловно существует возможность использования, в целях получения энергии, природного газа, угля и нефти. Но такой путь развития энергетики неприемлем. Причин множество: это и экологическая проблема – заражение окружающей среды токсичными химическими продуктами сгорания органического топлива, создание парникового эффекта, и постоянной возрастающей ценой на органическое топливо. В случае с нефтью и газом, можно сказать, что их использование в качестве источника энергии по меньшей мере неразумно. Здесь возникает проблема: из какого материала и какими методами, в будущем человечество должно получать энергию? На сегодня существует несколько основных концепций решения проблемы: Расширение сети станций на урановом топливе. Переход к использованию в качестве ядерного топлива тория-232, который в природе более распространен, нежели уран. Переход к атомным реакторам на быстрых нейтронах, воспроизводящих ядерное топливо, которое могло бы обеспечить воспроизводство ядерного топлива более, чем на 3000 лет, в настоящее время является сложной инженерной проблемой и несет в себе огромную экологическую опасность, в связи с чем испытывает серьезное противодействие со стороны мировой экологической общественности, по причине чего имеет низкую перспективу на внедрение Освоение термоядерных реакций. В термоядерных реакциях происходит выделение энергии в процессе превращения водорода в гелий. Быстро протекающие термоядерные реакции осуществляются в водородных бомбах. Сейчас перед наукой стоит задача осуществления термоядерной реакции не в виде взрыва, а в форме управляемого, спокойно протекающего процесса. Решение этой задачи даст возможность использовать громадные запасы водорода на Земле в качестве ядерного топлива. В настоящее время наиболее разумным представляется следующая схема развития энергетики: расширение сети урановых и уран-ториевых атомных станций в период решения проблемы управления термоядерной реакцией. |