Кафедра естествознания 
 
 
 
 

Реферат 
на тему: "Ядерная физика, катализ и энергетика будущего. Химия экстремальных состояний." 
 

Работу  выполнил:

Работу  проверил: 

Казань 2011

План

1. Ядерная физика                                                                                        3-11 
   1.1 История                                                                                                    3 
   1.2 Общие сведения                                                                                   4-5 
   1.3 Атомное ядро                                                                                       5-6 
   1.4 Радиоактивный распад                                                                        7-9

1.5 Ядерная  реакция                                                                                 9-11

1.6 Разделы                                                                                                   11

2. Катализ                                                                                                    12-14 
   2.1 Общие сведения                                                                                     12

2.2 Типы катализа                                                                                  12-13

2.3 Носитель  катализатора                                                                         14

2.4 Химия катализа                                                                                     14

3. Энергетика будущего                                                                            15-16
4. Химия экстремальных состояний                                                         17-20
5. Список используемой литературы                                                            21

Ядерная физика 
История

Первое явление  из области ядерной физики было открыто  в 1896 г. Анри Беккерелем. Это естественная радиоактивность солей урана, проявляющаяся в самопроизвольном испускании невидимых лучей, способных вызывать ионизацию воздуха и почернение фотоэмульсий. Через два года Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли радиоактивность тория и выделили из солей урана полоний и радий, радиоактивность которых оказалась в миллионы раз сильнее радиоактивности урана и тория.

Детальное экспериментальное  изучение радиоактивных излучений  было произведено Резерфордом. Он показал, что радиоактивные излучения  состоят из трех типов лучей, названных, соответственно, α-, β- и γ-лучами. Бета-лучи состоят из отрицательно заряженных электронов, альфа-лучи — из положительно заряженных частиц (альфа-частиц, которые, как выяснилось несколько позднее, являются ядрами гелия-4), гамма-лучи аналогичны лучам Рентгена (не имеют заряда), только значительно более жесткие.

Ядерная природа  радиоактивности была понята Резерфордом  после того, как в 1911 г. он предложил  ядерную модель атома и установил, что радиоактивные излучения  возникают в результате процессов, происходящих внутри атомного ядра.

Долгое время  предполагалось, что ядро состоит  из протонов и электронов. Однако такая  модель находилась в противоречии с  экспериментальными фактами, относящимися к спинам и магнитным моментам ядер. В 1932 г. после открытия Чедвиком нейтрона было установлено (Иваненко и  Гейзенберг), что ядро состоит из протонов и нейтронов. Эти частицы  получили общее наименование нуклонов.

Общие сведения

Ядерная физика — раздел физики, изучающий структуру и свойства атомных ядер, а также ядерные реакции.

Ядра состоят  из нуклонов (протонов и нейтронов), и в типичных ядрах содержатся десятки и сотни нуклонов.

Число протонов в ядре (зарядовое число, также порядковый номер элемента) принято обозначать через Z, число нейтронов — через N. Их сумма A = Z + N называется массовым числом ядра. Атомы с одинаковым Z (т. е. атомы одного и того же элемента), но различными N называются — изотопами, с одинаковыми A, но различными Z — изобарами, с одинаковыми N, но различными Z — изотонами.

Основное отличие  между протоном и нейтроном состоит  в том, что протон — заряженная частица, заряд которой e = 4,803×10⁻¹⁰ ед. СГСЭ = 1,602×10⁻¹⁹ Кл. Это элементарный заряд, по модулю равный заряду электрона. Нейтрон же, как показывает уже его название, электрически нейтрален. Спины протона и нейтрона одинаковы и равны спину электрона, т. е. 1/2 (в единицах , постоянной Планка). Массы протона и нейтрона почти равны: 1836,15 и 1838,68 масс электрона соответственно.

Протон и нейтрон  не являются элементарными частицами. Они состоят из двух типов кварков  — d-кварка с зарядом —1/3 и u-кварка с зарядом +2/3 от элементарного заряда е. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (суммарный заряд +1), а нейтрон из одного u-кварка и двух d-кварков (суммарный заряд — 0). Свободный нейтрон — частица нестабильная. Он распадается через 885 секунд после своего возникновения на протон, электрон и антинейтрино. В ядре нейтрон находится в глубокой потенциальной яме, поэтому его распад может быть запрещён законами сохранения.

Ядерная физика имеет принципиальное значение для  многих разделов астрофизики и для  ядерной и термоядерной энергетики.

Атомное ядро

Атомное ядро— центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относится атом. Размеры ядер различных атомов составляют несколько фемтометров, что в более чем в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома.

Атомное ядро состоит  из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов, принято называть нуклидом.

Как и любая  квантовая система, ядра могут находиться в метастабильном возбуждённом состоянии, причём в отдельных случаях время  жизни такого состояния исчисляется  годами. Такие возбуждённые состояния  ядер называются ядерными изомерами.

Ядерные силы

Ядерные силы — это силы, удерживающие нуклоны в ядре, представляющие собой большие силы притяжения, действующие только на малых расстояниях. Они обладают свойствами насыщения, в связи с чем ядерным силам приписывается обменный характер (с помощью пи-мезонов). Ядерные силы зависят от спина, не зависят от электрического заряда и не являются центральными силами.

Уровни ядра

В отличие от свободных частиц, для которых  энергия может принимать любые  значения (так называемый непрерывный  спектр), связанные частицы (то есть частицы, кинетическая энергия которых  меньше абсолютного значения потенциальной), согласно квантовой механике, могут  находиться в состояниях только с  определёнными дискретными значениями энергий, так называемый дискретный спектр. Так как ядро — система связанных нуклонов, оно обладает дискретным спектром энергий. Обычно оно находится в наиболее низком энергетическом состоянии, называемым основным. Если передать ядру энергию, оно перейдёт в возбуждённое состояние.

Ядерные реакции

Ядерная реакция — процесс превращения атомных ядер, происходящий при их взаимодействии с элементарными частицами, гамма-квантами и друг с другом.

Радиоактивность

Лишь небольшая  часть нуклидов являются стабильными. В большинстве случаев ядерные  силы оказываются неспособны обеспечить их постоянную целостность, и ядра рано или поздно распадаются. Это явление  получило название радиоактивности.

Теории строения атомного ядра

Наиболее известными являются следующие:

• Капельная модель ядра — предложена в 1936 году Нильсом Бором.
• Оболочечная модель ядра — предложена в 30-х годах XX века.
• Обобщённая модель Бора — Моттельсона.
• Кластерная модель ядра
• Модель нуклонных ассоциаций
• Оптическая модель ядра
• Сверхтекучая модель ядра
• Статистическая модель ядра

Радиоактивный распад

Радиоактивный распад— спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер (заряда Z, массового числа A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. Процесс радиоактивного распада также называют радиоактивностью, а соответствующие элементы радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра.

Установлено, что  радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и многие более лёгкие элементы (прометий и  технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких  как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны).

Естественная  радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе.

Искусственная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции.

Энергетические  спектры α-частиц и γ-квантов, излучаемых радиоактивными ядрами, прерывистые («дискретные»), а спектр β-частиц — непрерывный.

Распад, сопровождающийся испусканием альфа-частиц, назвали альфа-распадом; распад, сопровождающийся испусканием бета-частиц, был назван бета-распадом (в настоящее время известно, что существуют типы бета-распада без испускания бета-частиц, однако бета-распад всегда сопровождается испусканием нейтрино или антинейтрино). Термин «гамма-распад» применяется редко; испускание ядром гамма-квантов называют обычно изомерным переходом. Гамма-излучение часто сопровождает другие типы распада.

В настоящее  время, кроме альфа-, бета- и гамма-распадов, обнаружены распады с эмиссией нейтрона, протона (а также двух протонов), кластерная радиоактивность, спонтанное деление. Электронный захват, позитронный распад (или β ⁺ -распад), а также двойной бета-распад (и его виды) обычно считаются различными типами бета-распада.

Закон радиоактивного распада — закон, открытый Фредериком  Содди и Эрнестом Резерфордом экспериментальным путём и сформулированный в 1903 году. Современная формулировка закона:

,

что означает, что  число распадов за интервал времени  в произвольном веществе пропорционально числу имеющихся в образце атомов .

В этом математическом выражении  — постоянная распада, которая характеризует вероятность радиоактивного распада за единицу времени и имеющая размерность с⁻¹. Знак минус указывает на убыль числа радиоактивных ядер со временем.

Этот закон  считается основным законом радиоактивности, из него было извлечено несколько  важных следствий, среди которых  формулировки характеристик распада  — среднее время жизни атома и период полураспада.

Специальные виды радиоактивности

• Спонтанное деление
• Кластерная радиоактивность
• Протонная радиоактивность
• Двухпротонная радиоактивность
• Нейтронная радиоактивность 
  

Ядерная реакция

Ядерная реакция — процесс образования новых ядер или частиц при столкновениях ядер или частиц. Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфорд в 1919 году, бомбардируя α-частицами ядра атомов азота, она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α-частиц и идентифицированных как протоны. Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса.

По механизму  взаимодействия ядерные реакции  делятся на два вида:

• реакции с образованием составного ядра, это двухстадийный процесс, протекающий при не очень большой кинетической энергии сталкивающихся частиц (примерно до 10 МэВ).
• прямые ядерные реакции, проходящие за ядерное время, необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро. Главным образом такой механизм проявляется при очень больших энергиях бомбардирующих частиц.

Если после  столкновения сохраняются исходные ядра и частицы и не рождаются  новые, то реакция является упругим  рассеянием в поле ядерных сил, сопровождается только перераспределением кинетической энергии и импульса частицы и ядра-мишени и называется потенциальным рассеяние.

Сечение ядерной реакции

Вероятность реакции  определяется так называемым ядерным  сечением реакции. В лабораторной системе  отсчёта (где ядро-мишень покоится) вероятность взаимодействия в единицу  времени равна произведению сечения (выраженного в единицах площади) на поток падающих частиц (выраженный в количестве частиц, пересекающих за единицу времени единичную  площадку). Если для одного входного канала могут осуществляться несколько  выходных каналов, то отношения вероятностей выходных каналов реакции равно  отношению их сечений. В ядерной  физике сечения реакций обычно выражаются в специальных единицах — барнах, равных 10⁻²⁴ см².

Выход реакции

Число случаев  реакции, отнесённое к числу бомбардировавших мишень частиц называется выходом ядерной реакции. Эта величина определяется на опыте при количественных измерениях. Поскольку выход непосредственно связан с сечением реакции, измерение выхода по сути является измерением сечения реакции.

Виды ядерных реакций

• Деление ядра

Деление ядра — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер — экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения.

Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии.

• Термоядерный  синтез

Термоядерная  реакция — это экзоэнергетическая реакция слияния легких ядер при очень высокой температуре (10⁷ К).

• Фотоядерная реакция

При поглощении гамма-кванта ядро получает избыток энергии без изменения своего нуклонного состава, а ядро с избытком энергии является составным ядром. Как и другие ядерные реакции, поглощение ядром гамма-кванта возможно только при выполнении необходимых энергетических и спиновых соотношений. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном нейтронов. Такой распад ведёт к ядерным реакциям и , которые и называются фотоядерными, а явление испускания нуклонов в этих реакциях — ядерным фотоэффектом.

Разделы ядерной физики

• Нейтронная физика, совокупность исследований строения вещества с помощью нейтронов, а также исследования свойств и структуры самих нейтронов.
• Физика, в котором предметом исследования выступают ядроподобные системы, содержащие кроме протонов и нейтронов другие элементарные частицы — гипероны.

Катализ

Катализ— избирательное ускорение одного из возможных термодинамически разрешенных направлений химической реакции под действием катализатора(ов), который многократно вступает в промежуточное химическое взаимодействие с участниками реакции и восстанавливает свой химический состав после каждого цикла промежуточных химических взаимодействий. Термин «катализ» был введён в 1835 году шведским учёным Йёнсом Якобом Берцелиусом.

Явление катализа распространено в природе (большинство  процессов, происходящих в живых  организмах, являются каталитическими) и широко используется в технике (в нефтепереработке и нефтехимии, в производстве серной кислоты, аммиака, азотной кислоты и др.). Большая часть всех промышленных реакций — это каталитические.

Основные принципы катализа

Катализатор изменяет механизм реакции на энергетически  более выгодный, то есть снижает энергию активации. Катализатор образует с молекулой одного из реагентов промежуточное соединение, в котором ослаблены химические связи. Это облегчает его реакцию со вторым реагентом. Важно отметить, что катализаторы ускоряют обратимые реакции, как в прямом, так и в обратном направлениях.

Типы катализа

Катализ может  быть положительным (когда скорость реакции увеличивается) и отрицательным (когда скорость реакции уменьшается). Для обозначения отрицательного катализа часто используют термин ингибирование.

Катализ бывает гомогенным и гетерогенным. В гомогенном катализе катализатор состоит в той же фазе, что и реактивы реакции, в то время, как гетерогенные катализаторы отличаются фазой.

• Гомогенный  катализ

Примером гомогенного  катализа является разложение пероксида водорода в присутствии ионов йода. Реакция протекает в две стадии:

H₂О₂ + I → H₂О + IO

H₂О₂ + IO → H₂О + О₂ + I

При гомогенном катализе действие катализатора связано  с тем, что он вступает во взаимодействие с реагирующими веществами с образованием промежуточных соединений, это приводит к снижению энергии активации.

• Гетерогенный  катализ

При гетерогенном катализе ускорение процесса обычно происходит на поверхности твердого тела — катализатора, поэтому активность катализатора зависит от величины и свойств его поверхности. На практике катализатор обычно наносят на твердый пористый носитель.

Механизм гетерогенного  катализа сложнее, чем у гомогенного. Механизм гетерогенного катализа включает пять стадий, причем все они обратимы.

1. Диффузия реагирующих веществ к поверхности твердого вещества
2. Физическая адсорбция на активных центрах поверхности твердого вещества реагирующих молекул и затем хемосорбция их
3. Химическая реакция между реагирующими молекулами
4. Десорбция продуктов с поверхности катализатора
5. Диффузия продукта с поверхности катализатора в общий поток

Носитель катализатора

Носитель катализатора, иначе подложка (катализатора)— инертный или малоактивный материал, служащий для стабилизации на его поверхности частиц активной каталитической фазы.

Роль носителя в гетерогенном катализе состоит  в предотвращении агломерации или спекания активного компонента, что позволяет поддерживать высокую площадь контакта активного вещества  и реагентов. Количество носителя, как правило, гораздо больше количества нанесенного на него активного компонента. Основными требованиями к носителям являются большая площадь поверхности и пористость, термическая стабильность, химическая инертность, высокая механическая прочность.

Химия катализа

Химия катализа изучает вещества, изменяющие скорость химических реакций. Вещества, замедляющие реакции, называются ингибиторами. Ферменты — это биологические катализаторы. Катализатор не находится в стехиометрических отношениях с продуктами и регенерируется после каждого цикла превращения реагентов в продукты. Несмотря на появление новых способов активации молекул (плазмохимия, радиационное и лазерное воздействия и другие), катализ − основа химических производств (относительная доля каталитических процессов составляет 80-90 %).

Различают катализы: ''Гомогенный, гетерогенный, межфазный, мицеллярный, ферментативный."

Энергетика  будущего

Микроэнергетики - раздела энергетики, связанной с производством энергии при помощи компактных маломощных источников различной природы. К этой категории относят солнечные батареи, ветрогенераторы, водородные элементы и газовые микротурбины, т.е. маломощные генераторы электричества. По сравнению с традиционными технологиями, микроэнергетика более эффективна и надежна.

микроэнергетика стремительно развивается и особенно та ее часть, которая связана с альтернативной энергетикой. Согласно прогнозам Мирового Энергетического Конгресса к 2020 году в США, Германии, Японии, Великобритании и других развитых западных странах доля альтернативных экологически чистых источников энергии составит более 20% всей производимой энергии (20% потребления энергии в США -- это все энергоснабжение России). К 2020 году Европа планирует осуществлять теплоснабжение 70%(!) своего жилого фонда за счет экологически чистой энергии, в частности, солнечной. Среди альтернативных источников энергии особенно активно развивается ветроэнергетика -- 24% в год. Сейчас это наиболее быстро растущий сектор энергетической промышленности в мире. Следующее перспективное направление микроэнергетики - солнечная энергетика. Проблема утилизации экологически чистой и притом "дармовой" солнечной энергии волнует человечество с незапамятных времен, но только недавно успехи в этом направлении позволили начать формировать реальный, экспоненциально развивающийся рынок солнечной энергетики. К настоящему времени основными способами прямой утилизации солнечной энергии являются преобразование ее в электрическую и тепловую. Устройства, преобразующие солнечную энергию в электрическую, называются фотоэлектрическими или фотовольтаическими (PV-системы), а приборы, преобразующие солнечную энергию в тепловую, -- термическими (Т-системы). В последнее время все большее распространение получают так называемые гибридные или как их еще называют комбинированные системы (Н-системы), сочетающие в себе функции фотовольтаических и термических устройств. Следующая перспективная технология - водородные топливные элементы. Суть ее в том, что на специальных мембранах электрон отделяется от ядра атома водорода, в результате чего получается электрический ток, а в отходах - вода и тепло.

Лучевая энергетика  новая специальность, возникшая на основе симбиоза современной физики полупроводников квантовой микро- и оптоэлектроники последних достижений в области создания сверхчистых оптических материалов и достижений в области создания уникальных систем типа фазированных решеток полупроводниковых лазеров, солнечных элементов и оптико-волоконных систем.

Считается, что  существенный вклад в решение  энергетических и  экологических проблем могут внести, заметно снизив тепловую нагрузку на Землю, космические электростанции. Япония планирует к 2040 г. построить в космосе свою первую внеземную электростанцию. США намерены еще раньше создать группировку спутников, которые будут собирать солнечную энергию, преобразовывать ее в электрическую и передавать на Землю.  Концепция энергоснабжения из космоса разработана российским Исследовательским центром им. М.В. Келдыша. На Земле оно будет приниматься специальным устройством  -  ректенной (от английского rectifying antenna  - выпрямляющая антенна), представляющей собой антенную решетку,  в которой микроволновое излучение (СВЧ-излучение) преобразуется в энергию постоянного тока. 

Химия экстремальных состояний

При взаимодействии реагентов с катализатором происходит ослабление исходных химических связей. Оно возможно при энергетической активизации реагента, которая достигается  при тепловом либо радиоактивном  воздействии, характеризующемся большой  величиной энергии. Вопросами энергетической активизации реагента занимается химия  экстремальных состояний, которая  включает плазмохимию, радиационную химию, химию высоких энергий, высоких  давлений и температур.

Плазмохимия изучает процессы в низкотемпературной плазме. Плазма — это ионизированный газ. В плазмохимии рассматриваются процессы при температурах от 1000 до 10000°С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновениями молекул с заряженными частицами и, что особенно важно, очень высокими скоростями реакций.

В плазмохимических процессах скорость перераспределения  химических связей очень высока.

Метановый плазмотрон с производительностью 75 т ацетилена  в сутки имеет сравнительно крохотные  размеры: длину 65 см и диаметр 15 см. Такой  плазмотрон заменяет целый огромный завод. При температуре 3000-3500°С за одну десятитысячную долю секунды 80% метана превращается в ацетилен. Степень  использования энергии достигает 90-95%.