Атомные ядра были открыты контрольная: Контрольная работа по химии на тему «Строение атома» (10 класс)

Содержание

Контрольная работа по химии на тему «Строение атома» (10 класс)

10 класс

Контрольная работа 1 по теме Строение атома

Вариант 1

Часть А

(2балла) Электроны были открыты :

А. Н.Бором В. Дж. Томсоном

Б. Э. Резерфордом Г. Д. Чедвигом

(2балла) Порядковый номер элемента в периодической системе определяется:

А.Зарядом ядра атома

Б. Числом электронов в наружном слое атома

В. Число электронных слоев в атоме

Г.Числом нейтронов в атоме

(2балла) Общий запас энергии электронов в атоме характеризует :

А.Главное квантовое число

Б.Магнитное квантовое число

В.Орбитальное квантовое число

Г.Спиновое квантовое число

(2балла) Пара элементов , имеющих сходное строение внешнего энергетического уровня:

А.B и Si, Б.S и Si, В. K и Ca, Г.Cr и Fe

(2балла) s-Элементом является:

А.Барий, В.Галлий

Б.Америций Г.Ванадий

(2балла)Электронная конфигурация …3d ⁶4s ²соответствует элементу:

A.Аргону В.Криптону

Б.Железу Г.Рутению

(2балла) Амфотерным гидроксидом является вещество, формула которого:

А.Be(OH)₂ В.H₂SiO₃

Б. Mg(OH)₂ Г.Ba(OH)₂

(2балла)Ряд элементов, расположенных в порядке усиления металлических свойств:

А.Sr—Rb—K В.Na—K— Ca

Б. Be—Li—K Г.Al—Mg—Be

(2балла) Элемент с электронной формулой 1s

22s²2p⁶3s²3p³oброзует высший оксид, соответствуюший формуле:

А. Э₂О Б. Э₂О₃ В. ЭО₂ Г.Э₂О₅

(2балла)Изотоп железа, в ядре которого содержится 28 нейтрона , обазначают:

54 56 57 58

А. 26 ^Fe Б. 26 ^Fe В. 26 ^Fe Г. 26 ^Fe

(9балла) Установите соответствие.

Элемент:

I.Бериллий II. Натрий III. Хлор IV. Азот

Электронная формула:

А. 1s²2s² В. 1s²2s²2p⁶3s¹

Б. 1s²2s²2p³ Г. 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵

Формула высшего оксида:

1.Э₂О 2.ЭО 3. Э₂О₃ 4. Э₂О₇

Формула высшего гидроксида:

а.ЭОН б.Э(ОН)₂ в. НЭО₃ г. НЭО₄

Часть Б

(3балла) На основании положения в Периодической системе расположите элементы в порядке усиливание восстановительных свойств. : бериллий, бор, магний натрий—Обясните ответ.
(6балла)Как и почему в Периодической системе изменяются неметаллические свойства?

А.В пределах периода

Б. В пределах главной подгруппы

(7балла)Составьте электронную формулу элемента с порядковым номером 31 в периодической системе . Сделайте вывод о принадлежности этого элемента к металлам или неметаллам. Запишите формулы его высшего оксида и гидроксида, укажите их характер.
(5балла)Какие химические свойства характерны для оксида элеманта 2-го периода, главной подгруппы I группы Периодической системы? Ответ подтвердите , написав уравнения реакций.

10 класс

Контрольные работа 1 по теме Строение атома

Вариант 2

Часть А

(2балла)Атомные ядра были открыты:

А. Д. Менделеевым В. Дж. Томсоном

Б. Э. Резерфордом Г. Д. Чедвигом

(2балла)Номер периода в Периодической системе определяется:

А.Зарядом ядра атома

Б. Числом электронов в наружном слое атома

В. Число электронных слоев в атоме

Г.Числом электронов в атоме

(2балла)Форму электронных орбиталей характеризует:

А.Главное квантовое число

Б.Магнитное квантовое число

В.Орбитальное квантовое число

Г.Спиновое квантовое число

(2балла) Пара элементов , имеющих сходное строение внешнего энергетического уровня:

А. S и Cl Б. Be и B В. Kr и Xe Г. Mo и Se

(2балла) p-Элементом является:

А. Скандий В. Мышьяк

Б. Барий Г. Гелий

(2балла)Электронная конфигурация …3d ¹⁰4s ²соответствует элементу:

А. Кальцию В. Кадмию

Б. Криптону Г. Цинку

(2балла) Амфотерным гидроксидом является вещество, формула которого:

А.Zn(OH)₂ В. Ca(OH)₂

Б. Mg(OH)₂Г. Cr(OH)

(2балла)Ряд элементов, расположенных в порядке усиления металлических свойств:

A. Mg—Ca—Zn B.Sr—Rb—K

Б. Al—Mg—Ca Г. Ge—Si—Sb

(2балла) Элемент с электронной формулой 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p¹oброзует высший оксид, соответствуюший формуле:

A.Э ₂О Б. Э₂О₃ В.ЭО₂ Г. ЭО₃

(2балла)Изотоп кальции, в ядре которого содержится 22 нейтрона , обазначают:

40 42 44 48

А. 20 ^Ca Б. 20 ^Ca В. 20

Ca Г. 20 ^Ca

(9балла) Установите соответствие.

Элемент:

I.Aлюминий II. Калий III. Селен IV. Магний

Электронная формула:

А. 1s²2s²2p⁶3s²3p¹ В. 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁴

Б. 1s²2s²2p⁶3s² Г. 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹

Формула высшего оксида:

1.Э₂О 2. Э

2О₃ 3. ЭО 4. ЭО₃

Формула высшего гидроксида:

а.ЭОН б.Э(ОН)₂ в. Э(ОН)₃ г. Н ₂ЭО₄

Часть Б

Задание со свободным ответом

(3балла) На основании положения в Периодической системе расположите элементы :германий, мыщьяк, сера, фосфор—в порядке убывания окислительных свойств. Обясните ответ.

(6балла)Как и почему в Периодической системе изменяются металлические свойства?

А.В пределах периода

Б. В пределах главной подгруппы

14.(7балла)Составьте электронную формулу элемента с порядковым номером 30 в периодической системе . Сделайте вывод о принадлежности этого элемента к металлам или неметаллам. Запишите формулы его высшего оксида и гидроксида, укажите их характер.

15.(5балла)Какие химические свойства характерны для высщего оксида элеманта 3-го периода, главной подгруппы VI группы Периодической системы? Ответ подтвердите , написав уравнения реакций

Вариант1

Вариант2

баллов

1.В

1.Б

2.А

2.В

3.А

3.В

4.Г

4.В

5.А

5.В

6.Б

6.Г

7.А

8.Б

9. Г

9.Б

10.А

10.Б

11. IА2б

IIВ1а

IIIГ4г

IVБ3в

11.IA2в

IIГ1a

IIIB4г

IVБ3б

12.B-Be-Mg-Na

12. S-P-As-Ge

13. A.В пределах периода неметалические свойства с лева на право усиливаются,потому что размеры атомов уменьшаются сило притяжения электронов к ядре увеличивается.

Б.В пределах главной подгруппы неметалические свойства уменьшаются потому что размеры атомов

увеличиваются, взоимодействие ядра с электронами уменшается,атом легче отдает электроны чем принимает.

13.A.В пределах периода металические свойства с лева на право уменьшаются,потому что размеры атомов уменьшаются сило притяжения электронов к ядре увеличивается.

Б.В пределах главной подгруппы усиливаются потому что размеры атомов

увеличиваются, взоимодействие ядра с электронами уменшается,атом легче отдает электроны.

14.Ga 3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p¹

металл

Ga₂O₃ амфотерный

Ga(OH)₃амфотерный

14.Zn 4s²3d¹⁰

металл

ZnO амфотерный

Zn(OH)₂амфотерный

15.Li

2O oсновной оксид

Li₂O+H₂O=LiOH

Li₂O+2HCl=2LiCl+H₂O

Li₂O+SO₃=Li₂SO₄

15.SO₃кислотный оксид

SO₃+H₂O=H₂SO₃

SO₃+2NaOH=Na₂SO₄+H₂O

SO₃+Na₂O=Na₂SO₄

0-17 баллов—<2> (0-30%)

18-30баллов—<3>(36-61%)

31-43баллов—<4>

44-50баллов—<5>

45-50 баллов————- «5»

35-44баллов—————«4»

25-34баллов—————«3»

До 24баллов—————«2»

Контрольная работа по химии (11 класс) периодический закон

Контрольная работа по химии (11 класс)

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН.

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ.

СТРОЕНИЕ АТОМА

Вариант 1

ЧАСТЬ А. Тестовые задания с выбором ответа и на соотнесение

(2 балла). Электроны были открыты:

А. Н. Бором. Б. Э.Резерфордом. В. Дж. Томсоном. Г. Д. Чедвигом.

(2 балла).Порядковый номер элемента в Периодической системе определяется:

А. Зарядом ядра атома. Б. Числом электронов в наружном слое атома.

В. Числом электронных слоёв в атоме. Г. Числом нейтронов в атоме.

(2 балла). Общий запас энергии электронов в атоме характеризует: А. Главное квантовое число. Б. Магнитное квантовое число. В. Орбитальное квантовое число. Г. Спиновое квантовое число.
(2 балла). Пара элементов, имеющих сходное строение внешнего энергетического уровня: А. B и Si. Б. S и Se. В. K и Ca. Г. Cr и Fe.
(2 балла). s – Элементом является: А. Барий. Б. Америций. В. Криптону. Г. Рутению.
(2 балла). Электронная конфигурация … 3d⁶4s² соответствует элементу: А. Аргону. Б. Железу. В. Криптону. Г. Рутению.
(2 балла). Амфотерным гидроксидом является вещество, формула которого: А. Be(OH)₂. Б. Mg(OH)₂. В. H₂SiO₃. Г. Ba(OH)₂.
(2 балла). Ряд элементов, расположенных в порядке усиления металлических свойств: А. Sr – Rb – K. Б. Be – Li – K. В. Na – K – Ca. Г. Al – Mg – Be.
(2 балла). Элемент Э с электронной формулой 1s²2s²2p⁶3s²3p³ образует высший оксид, соответствующий формуле: А. Э₂О. Б. Э₂О₃. В. ЭО₂ Г. Э₂О₅.
(2 балла). Изотоп железа, в ядре которого содержится 28 нейтронов, обозначают: А. ⁵⁴₂₆Fe. Б. ⁵⁶₂₆Fe. В. ⁵⁷₂₆Fe. Г.⁵⁸₂₆Fe .
(9 баллов). Установите соответствие.

Элемент: I. Бериллий. II. Натрий. III. Хлор. IV. Азот.

Электронная формула: А. 1s²2s². Б. 1s²2s²2p³. В. 1s²2s²2p⁶3 s¹. Г. 1s²2s²2p⁶3 s²3p⁵.

Формула высшего оксида: 1. Э₂О. 2. ЭО. 3. Э₂О₅. 4. Э₂О₇.

Формула высшего гидроксида: а. ЭОН. Б. Э(ОН)₂. в. НЭО₃. г. НЭО₄.

ЧАСТЬ Б. Задания со свободным ответом

(3 балла). На основании положения в Периодической системе расположите элементы: бериллий, бор, магний, натрий – в порядке возрастания восстановительных свойств. Объясните ответ.
(6 баллов). Как и почему в Периодической системе изменяются неметаллические свойства?

А. В пределах периода. Б. В пределах главной подгруппы.

(7 баллов).Составьте электронную формулу элемента с порядковым номером 31 в Периодической системе. Сделайте вывод о принадлежности этого элемента к металлам или неметаллам. Запишите формулы его высшего оксида и гидроксида, укажите их характер.
(5 баллов). Какие химические свойства характерны для оксида элемента 2-го периода, главной подгруппы I группы Периодической системы? Ответ подтвердите, написав уравнения реакций.

Контрольная работа по химии (11 класс)

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН.

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ.

СТРОЕНИЕ АТОМА

Вариант 2

ЧАСТЬ А. Тестовые задания с выбором ответа и на соотнесение

(2 балла). Атомные ядра были открыты:

А. Д. Менделеевым. Б. Э.Резерфордом. В. Дж. Томсоном. Г. Д. Чедвигом.

(2 балла).Номер периода в Периодической системе определяется:

А. Зарядом ядра атома. Б. Числом электронов в наружном слое атома.

В. Числом электронных слоёв в атоме. Г. Числом электронов в атоме.

(2 балла). Форму электронных орбиталей характеризует: А. Главное квантовое число. Б. Магнитное квантовое число. В. Орбитальное квантовое число. Г. Спиновое квантовое число.
(2 балла). Пара элементов, имеющих сходное строение внешнего и предвнешнего энергетических уровней: А. S и Cl. Б. Be и B. В. Kr и Xe. Г. Mo и Se.
(2 балла). p – Элементом является: А. Скандий. Б. Барий. В. Мышьяк. Г. Гелий.
(2 балла). Электронная конфигурация … 3d¹⁰4s² соответствует элементу: А. Кальцию. Б. Криптону. В. Кадмию. Г. Цинку.
(2 балла). Амфотерным гидроксидом является вещество, формула которого: А. Zn(OH)₂. Б. Mg(OH)₂. В. Ca(OH)₂. Г. Cr(OH)₂.
(2 балла). Ряд элементов, расположенных в порядке усиления металлических свойств: А. Mg – Ca – Zn. Б. Al – Mg – Ca. В. Sr – Rb – K. Г. Ge – Si – Sb.
(2 балла). Элемент Э с электронной формулой 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4 s²4p¹ образует высший оксид, соответствующий формуле: А. Э₂О. Б. Э₂О₃. В. ЭО₂ Г. Э₂О₅.
(2 балла). Изотоп кальция, в ядре которого содержится 22 нейтрона, обозначают: А. ⁴⁰₂₀Ca. Б. ⁴²₂₀Ca. В. ⁴⁴₂₀Ca. Г.^{⁴⁸₂₀Ca.}
(9 баллов). Установите соответствие.

Элемент: I. Алюминий. II. Калий. III. Селен. IV. Магний.

Электронная формула: А. 1s²2s²2p⁶3s²3p¹. Б. 1s²2s²2p⁶3s². В. 1s²2s²2p⁶3 s²3p⁶3d¹⁰4 s²4p⁴. Г. 1s²2s²2p⁶3 s²3p⁶4 s¹.

Формула высшего оксида: 1. Э₂О. 2. Э₂О₃. 3. ЭО. 4. ЭО₃.

Формула высшего гидроксида: а. ЭОН. Б. Э(ОН)₂. в. Э(ОH)₃. г. Н₂ЭО₄.

ЧАСТЬ Б. Задания со свободным ответом

(3 балла). На основании положения в Периодической системе расположите элементы: германий, мышьяк, сера, фосфор – в порядке убывания окислительных свойств. Объясните ответ.
(6 баллов). Как и почему в Периодической системе изменяются металлические свойства?

А. В пределах периода. Б. В пределах главной подгруппы.

(7 баллов).Составьте электронную формулу элемента с порядковым номером 30 в Периодической системе. Сделайте вывод о принадлежности этого элемента к металлам или неметаллам. Запишите формулы его высшего оксида и гидроксида, укажите их характер.
(5 баллов). Какие химические свойства характерны для высшего оксида элемента 3 -го периода, главной подгруппы VI группы Периодической системы? Ответ подтвердите, написав уравнения реакций.

Контрольная работа по химии (11 класс)

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН.

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ.

СТРОЕНИЕ АТОМА

Вариант 3

ЧАСТЬ А. Тестовые задания с выбором ответа и на соотнесение

(2 балла). Нейтроны были открыты:

А. Н. Бором. Б. Д. Менделеевым. В. Г. Мозли. Г. Д. Чедвигом.

(2 балла).Номер группы (для элементов главных подгрупп) в Периодической системе определяет:

А. Число протонов в атоме. Б. Число электронов в наружном слое атома.

В. Число электронных слоёв в атоме. Г. Число нейтронов в атоме.

(2 балла). Ориентацию электронных орбиталей в пространстве характеризует: А. Главное квантовое число. Б. Магнитное квантовое число. В. Орбитальное квантовое число. Г. Спиновое квантовое число.
(2 балла). Пара элементов, имеющих сходное строение внешнего и предвнешнего энергетических уровней: А. Ba и K. Б. Sb и Bi. В. Ti и Ce. Г. Kr и Fe.
(2 балла). d – Элементом является: А. Калий. Б. Кремний. В. Аргон. Г. Медь.
(2 балла). Электронная конфигурация … 3d⁵4s² соответствует элементу: А. Брому. Б. Кальцию. В. Марганцу. Г. Хлору.
(2 балла). Амфотерным оксидом является вещество, формула которого: А. CrO. Б. Cr₂O₃. В. CrO₃. Г. FeO.
(2 балла). Ряд элементов, расположенных в порядке усиления металлических свойств: А. Al – Ca – Ge. Б. Ca – Sr – Ba. В. K – Na – Li. Г. Mg – Ca – Zn.
(2 балла). Элемент Э с электронной формулой 1s²2s²2p⁶3 s²3p⁶3d¹⁰4s²4p³ образует высший оксид, соответствующий формуле: А. ЭО. Б. Э₂О₃. В. Э₂О₅ Г. ЭО₃.
(2 балла). Изотоп железа, в ядре которого содержится 30 нейтронов, обозначают: А. ⁵⁴₂₆Fe. Б. ⁵⁶₂₆Fe. В. ⁵⁷₂₆Fe. Г.⁵⁸₂₆Fe .
(9 баллов). Установите соответствие.

Элемент: I. Бор. II. Бром. III. Фосфор. IV. Литий.

Электронная формула: А.1s²2s²2p¹. Б.1s²2s¹. В.1s²2s²2p⁶3 s²3p³. Г.1s²2s²2p⁶3 s²3p⁶3d¹⁰4 s²4p⁵.

Формула высшего оксида: 1. Э₂О. 2. Э₂О₃. 3. Э₂О₅. 4. Э₂О₇.

Формула высшего гидроксида: а. ЭОН. б. НЭО₃. в. Н₃ЭО₃. г. НЭО₄.

ЧАСТЬ Б. Задания со свободным ответом

(3 балла). На основании положения в Периодической системе расположите элементы: алюминий, калий, кальций, магний – в порядке возрастания восстановительных свойств. Объясните ответ.
(6 баллов). Почему заряды ядер атомов элементов, расположенный в порядке возрастания порядковых номеров в Периодической системе, изменяются монотонно, а свойства элементов – периодически?
(7 баллов).Составьте электронную формулу элемента с порядковым номером 38 в Периодической системе. Сделайте вывод о принадлежности этого элемента к металлам или неметаллам. Запишите формулы его высшего оксида и гидроксида, укажите их характер.
(5 баллов). Какие химические свойства характерны для гидроксидов ? Ответ подтвердите, написав уравнения реакций.

Контрольная работа по химии (11 класс)

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН.

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ.

СТРОЕНИЕ АТОМА

Вариант 4

ЧАСТЬ А. Тестовые задания с выбором ответа и на соотнесение

(2 балла). Протоны были открыты:

А. Г. Паули. Б. Э.Резерфордом. В. Дж. Томсоном. Г. Д. Чедвигом.

(2 балла).Общее число электронов в атоме элемента определяют, используя Периодическую систему, по номеру:

А. Группы. Б. Периода. В. Ряда. Г. Порядковому.

(2 балла). «Собственное вращение» электрона характеризует: А. Главное квантовое число. Б. Магнитное квантовое число. В. Орбитальное квантовое число. Г. Спиновое квантовое число.
(2 балла). Пара элементов, имеющих сходное строение внешнего и предвнешнего энергетических уровней: А. Sn и Si. Б. As и Se. В. Zn и Ca. Г. Mo и Te.
(2 балла). f – Элементом является: А. Германий. Б. Калий. В. Селен. Г. Уран.
(2 балла). Электронная конфигурация … 4s²4 р⁶ соответствует элементу: А. Брому. Б. Железу. В. Неону. Г. Криптону.
(2 балла). Амфотерным гидроксидом является вещество, формула которого: А. Ca(OH)₃. Б. Mg(OH)₂. В. LiOH. Г. Sc(OH)₂.
(2 балла). Ряд элементов, расположенных в порядке усиления металлических свойств: А. K – Rb – Sr. Б. Al – Mg – Be. В. Be – Li – Cs. Г. Ge – Sn – Sb.
(2 балла). Элемент Э с электронной формулой 1s²2s²2p⁶3 s¹ образует высший оксид, соответствующий формуле: А. Э₂О. Б. Э₂О₃. В. ЭО₂ Г. ЭО₃.
(2 балла). Изотоп кальция, в ядре которого содержится 24 нейтрона, обозначают: А. ⁴⁰₂₀Са. Б. ⁴²₂₀Са. В. ⁴⁴₂₀Са. Г.⁴⁸₂₀Са .
(9 баллов). Установите соответствие.

Элемент: I. Азот. II. Кальций. III. Кремний. IV. Сера.

Электронная формула: А. 1s²2s²2p³. Б. 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴. В. 1s²2s²2p⁶3 s²3p². Г. 1s²2s²2p⁶3 s²3p⁶4s².

Формула высшего оксида: 1. ЭО. 2. ЭО₂. 3. Э₂О₅. 4. ЭО₃.

Формула высшего гидроксида: а. Н₂ЭО. Б. Э(ОН)₂. в. Н₂ЭО₃. г. НЭО₃.

ЧАСТЬ Б. Задания со свободным ответом

(3 балла). На основании положения в Периодической системе расположите элементы: кислород, мышьяк, сера, фосфор – в порядке убывания окислительных свойств. Обоснуйте ответ.
(6 баллов). Перечислите основные правила (законы), в соответствии с которыми происходит заполнение электронами уровней, подуровней и орбиталей в электронной оболочке атомов элементов.
(7 баллов).Составьте электронную формулу элемента с порядковым номером 34 в Периодической системе. Сделайте вывод о принадлежности этого элемента к металлам или неметаллам. Запишите формулы его высшего оксида и гидроксида, укажите их характер.
(5 баллов). Какие химические свойства характерны для гидроксидов неметаллов? Ответ подтвердите, написав уравнения реакций.

Вариант 2 ЧАСТЬ А. Тестовые задания с выбором ответа и на соотнесение (2 балла). Атомные ядра

ЧАСТЬ А. Тестовые задания с выбором ответа и на соотнесение

(2 балла). Атомные ядра были открыты:

А. Д. Менделеевым. Б. Э.Резерфордом. В. Дж. Томсоном. Г. Д. Чедвигом.

(2 балла).Номер периода в Периодической системе определяется:

А. Зарядом ядра атома. Б. Числом электронов в наружном слое атома.

В. Числом электронных слоёв в атоме. Г. Числом электронов в атоме.

(2 балла). Форму электронных орбиталей характеризует: А. Главное квантовое число. Б. Магнитное квантовое число. В. Орбитальное квантовое число. Г. Спиновое квантовое число.

(2 балла). Пара элементов, имеющих сходное строение внешнего и предвнешнего энергетических уровней: А. S и Cl. Б. Be и B. В. Kr и Xe. Г. Mo и Se.

(2 балла). p – Элементом является: А. Скандий. Б. Барий. В. Мышьяк. Г. Гелий.

(2 балла). Электронная конфигурация … 3d104s2 соответствует элементу: А. Кальцию. Б. Криптону. В. Кадмию. Г. Цинку.

(2 балла). Амфотерным гидроксидом является вещество, формула которого: А. Zn(OH)2. Б. Mg(OH)2. В. Ca(OH)2. Г. Cr(OH)2.

(2 балла). Ряд элементов, расположенных в порядке усиления металлических свойств: А. Mg – Ca – Zn. Б. Al – Mg – Ca. В. Sr – Rb – K. Г. Ge – Si – Sb.

(2 балла). Элемент Э с электронной формулой 1s22s22p63s23p63d104 s24p1 образует высший оксид, соответствующий формуле: А. Э2О. Б. Э2О3. В. ЭО2 Г. Э2О5.

(2 балла). Изотоп кальция, в ядре которого содержится 22 нейтрона, обозначают: А. 4020Ca. Б. 4220Ca. В. 4420Ca. Г. 4820Ca.

(9 баллов). Установите соответствие.

Элемент: I. Алюминий. II. Калий. III. Селен. IV. Магний.

Электронная формула: А. 1s22s22p63s23p1. Б. 1s22s22p63s2. В. 1s22s22p63 s23p63d104 s24p4. Г. 1s22s22p63 s23p64 s1.

Формула высшего оксида: 1. Э2О. 2. Э2О3. 3. ЭО. 4. ЭО3.

Формула высшего гидроксида: а. ЭОН. Б. Э(ОН)2. в. Э(ОH)3. г. Н2ЭО4.

ЧАСТЬ Б. Задания со свободным ответом

(3 балла). На основании положения в Периодической системе расположите элементы: германий, мышьяк, сера, фосфор – в порядке убывания окислительных свойств. Объясните ответ.

(6 баллов). Как и почему в Периодической системе изменяются металлические свойства?

А. В пределах периода. Б. В пределах главной подгруппы.

(7 баллов).Составьте электронную формулу элемента с порядковым номером 30 в Периодической системе. Сделайте вывод о принадлежности этого элемента к металлам или неметаллам. Запишите формулы его высшего оксида и гидроксида, укажите их характер.

(5 баллов). Какие химические свойства характерны для высшего оксида элемента 3 -го периода, главной подгруппы VI группы Периодической системы? Ответ подтвердите, написав уравнения реакций.

Контрольная работа №1 «строение атома». Вариант 4

Часть А:

А 1.Атомные ядра были открыты:

а) Д.Менделеевым б) Э.Резерфордом, в) Д.Томсоном, г) Д.Чедвигом.

А 2. Номер периода в периодической системе определяется:

а) зарядом ядра, б) числом электронов в наружном слое атома,

в) числом электронных слоев в атоме, г) числом электронов в атоме.

А 3. p – элементом является:

а) скандий, б) барий, в) мышьяк, г) гелий.

А 4. Электронная конфигурация ……..3d¹⁰4s² соответствует элементу:

а) кальцию, б) криптону, в) кадмию, г) цинку.

А 5. Ряд элементов, расположенных в порядке усиления металлических свойств^—:

а) Mg – Ca — Zn, б) Al – Mg — Ca, в) Sr – Rb — K, г) Ge – Si — Sb.

А 6.Элемент Х с электронной формулой 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p¹образует высший оксид, соответствующий формуле:

а) Э₂О, б) Э₂О₃, в) ЭО₂, г) ЭО₃.

А 7. Изотоп кальция, в ядре которого содержится 22 нейтрона, обозначают:

а) ⁴⁰Сa, б) ⁴²Сa, в) ⁴⁴Сa, г) ⁴⁸Сa.

А 8. Гидроксиды элементов Mg, Al, Si относятся соответственно к классам:

а) оснований, кислот, оснований, б) амфотерных гидроксидов, оснований, кислот,

в) оснований, амфотерных гидроксидов, кислот, г) амфотерных гидроксидов, оснований.

А 9. Ядро атома криптона ⁸⁰Kr , содержит:

а) 80p, 36n, , б) 36p, 44e, в) 36p, 80n, г) 36p, 44n,

А 10. Наибольшим сходством физических и химических свойств обладают простые вещества, образованные химическими элементами:

а) Li и S, б) Сa и Zn, в) Fи Cl , г) Na и Cl.

А 11. Определите химический элемент по условному обозначению его атомов ¹⁹Э:

а) K, б) Ne, в) F, г) Ni.

А 12. Из приведенных ниже электронных формул выберите ту, которая соответствует p – элементу 4 группы:

а) …. 4s²4p⁶4d³5s², б) ….4s²4p² , в) ….3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p³, г) ….2s²2p⁴.

А 13. Наименьший радиус атома среди приведенных элементов имеет:

а) Mg , б) Ca, в) Si, г) Ar.

А 14. Из приведенных ниже элементов 3 – го периода наиболее ярко выраженные неметаллические свойства имеет:

а) Al, б) S, в) Si, г) Ar.

А 15. Ряд элементов, образующих оксиды с общей формулой RO:

а) Ba, Sr, Ca б) P, N, As, в) C, Si, Ge , г) B, A. Ga.

Часть Б:

Б 1. Составьте электронные формулы атома и иона кислорода, сравните их строение.

Б 2. Атом какого элемента имеет на 3 электронов меньше, чем ион магнии? Назовите этот элемент в именительном падеже.

Б 3. Расположите элементы F, Mg, C, B, S, Na, Cl в порядке возрастания окислительных свойств.

Б 4. Определите элемент, в атоме которого на p – орбиталях имеется всего 11 электронов. Напишите электронную формулу атома этого элемента, а также формулу его высшего оксида и гидроксида..

Б 5. По электронной формуле 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s² определите его положение в периодической системе. Определите к какому семейству принадлежит этот элемент. ( ответ дай в именительном падеже).

Часть С:

С 1. Охарактеризуйте химический элемент№17 на основании положения в периодической системе по следующему плану:

Состав и заряд ядра, общее число электронов в атоме, их распределение по энергетическим уровням и подуровням (электронная формула), семейство элементов, металл или неметалл, максимальная и минимальная степень окисления, формула водородного соединения, формула и тип высшего оксида, формула и характер соответствующего ему гидроксида.

С 2. Сравните химические свойства оксидов элементов с порядковыми номерами 11 и 15 в периодической системе.

Составьте уравнения химических реакций. Одно из уравнений запишите в ионном виде.

С 3. При прокаливании на воздухе 5,4 г трехвалентного металла получено 10,2г оксида. Какой металл был взят для прокаливания? (ответ представь в именительном падеже, укажите ход решения).

★ Электроны были открыты | Информация

§.2 Электроны и протоны. Модели атома.. 1. Электроны были открыты: А.Н.Бором.Дж.Томсоном. Б.Э. Резерфордом. Г. Д.Чедвигом. 2 балла. Порядковый номер элемента в. .. Координационные соединения Химическая связь Теории. 22 июн 2016 Первые организмы, способные выделять электроны на твердую поверхность, были открыты 1980 е. Механизм стал понятен только в. .. Из чего состоит атом? Инфографика Аргументы. теми частицами вещества, которые были открыты первыми. Но электроны являются также и элементарными. .. 6.3. Атом водорода. Линейчатые спектры. Проблема том, что Менделеев не рассматривал элементы как атомы с электронами и ядрами. Электроны были открыты в 1897 году, но русский. .. Вот есть Мышьяк, Сурьма, Селен, Алюминий и Водород. БЫЛИ ОТКРЫТЫ ЭЛЕКТРОНЫ. Представление об электронах как отдельных частичках, могущих в пустоте двигаться с большими скоростями,. .. ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП Наука и жизнь № 2, 1934. 23 янв 2012 Высокотемпературные сверхпроводники были открыты более 20ти сверхпроводимость обеспечивается спариванием электронов и. .. СОВРЕМЕННАЯ ЕСТЕСТВЕННО НАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА. начале XIX века были открыты дискретные спектральные линии Опыты Томсона подтвердили вывод о том, что электроны входят в состав атомов. .. Зонды RBSP нашли источник электронов в радиационных. Еще начале XIX века были открыты дискретные спектральные линии в видимой Скорость электрона υ и радиус стационарной орбиты rn связаны.

.. Электрон и дельта функция Дирака Статья в журнале. 1 Электроны были открыты: А Н.Бором. Б Дж.Томсоном. Э. Резерфордом. Г Д.Чедвигом. 2. Порядковый номер элемента в периодической системе. .. Открытие нейтрона, протона, электрона. Атомная физика. 10 янв 2017 Но в 1932 году частицы с положительным зарядом позитроны, или, как их ещё называют, античастицы электрона, были открыты..

Название доклада Times New Roman, 12pt, Жирный. своеобразными кирпичиками, из которых состоит природа, считали атомы, то конце прошлого века были открыты электроны, входящие в состав. .. Высокотемпературная сверхпроводимость Энергетика. Электроны, которые согласно современным представлениям осуществляют химическую связь, были открыты Томсоном только в 1898 г. Кстати сказать. .. Как бактерии питаются электричеством Журнал Популярная. 7 май 1999 Первые результаты представлены научным сотрудником Л.Литвиным переходах с малыми размерами открыты на кончике пера Дело в том, что там уже есть электроны, которые были отданы. .. Тяжелые электроны раскрыли свои карты. 3 июл 2012 Следует заметить, что так называемые тяжелые электроны были открыты учеными еще в 70 х годах прошлого века. Для того чтобы. .. Вариант 1 2 балла. Электроны были открыты: А.Н.Бором. В. 25 июл 2013 Зонды RBSP обнаружили источник ускоренных электронов в пояса Земли, заполненные частицами высокой энергии, были открыты. .. Открытие катодных лучей. Электроны Справочник химика 21. Как показал в 1900 году сам Беккерель, отрицательно заряженные бета лучи – это поток электронов напомним, что и электроны были открыты. .. 6.1. Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома. Согласно модели первооткрывателя электрона Томсона 1904 атом представляет собой сферу Электроны были открыты в потоке катодных лучей.. .. Контрольный тест по теме Строение атома.

1 Электроны. ОТКРЫТИЕ. Электрон был открыт английским физиком Дж. Томсоном в 1897 г. Условное обозначение электрона: отрицательно. .. Наука в Сибири СО РАН. 28 фев 2014 Атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов. Нейтроны были открыты после того, как физиками была разработана. .. А. ЭЙНШТЕЙН, Л. ИНФЕЛЬД. ЭВОЛЮЦИЯ ФИЗИКИ. §.2 Электроны и протоны. Модели атома. Атомы состоят из еще более мелких частиц, которые были открыты в разное время разными.

Атомные реакторы — путь к реактору в Германии и США

Откуда вообще взялась идея создавать атомный реактор или, как изначально называли такие устройства, «урановый котел»? До той поры ученые не встречали в природе цепных реакций деления урана, но выброс огромной энергии был настолько соблазнителен, что они сами себе и поставили задачу – искусственно создать условия, при которых такой процесс станет возможен. Если реакция будет именно цепной – надо только суметь: а) начать ее и б) создать условия, при которой она станет неизбежна. Всего-то делов!..

Коротко, но в достаточном объеме разобравшись с процессами, происходящими в ядрах атома урана после того, как «к ним в гости» заявляется хорошо разогнанный нейтрон, мы теперь вполне способны рассмотреть и понять, как рождались первые атомные реакторы, как эволюционировало их развитие и как мы дошли до атомной жизни такой, какой ее видим сейчас.

После того, как Нильс Бор доказал, что деление урана идет именно в изотопе уран-235, ребром встал вопрос о замедлителе. Нейтроны «второго» и последующих поколений должны быть медленными – быстрые «съест» уран-238, цепная реакция из-за этого просто затухнет. Есть всего два вида материала, оптимально исполняющие роль такого замедлителя – чистый графит и так называемая «тяжелая вода».

Что такое тяжелая вода и чем она отличается от легкой?

Атомы многих химических элементов позволяют себе всякие вольности с количеством нейтронов, входящих в состав их ядер, выходя из рамок стандарта: то «выгонят» несколько прочь, то затащат в гости «лишних». Любимый всеми нами уран (правда ведь?..) – классический пример такого поведения. Наиболее стабилен уран-238, в ядре которого 92 протона и 146 нейтронов, такая теплая компания способна жить в мире и согласии друг с другом тысячи лет. Но в природном уране всегда имеется 0,7% «диссидентов» — атомов урана-235, в ядрах которых на 3 нейтрона меньше при том же количестве протонов.

Протоны, содержащиеся в ядре атома, определяют его химические свойства, количество нейтронов на это никак не влияет. Именно по этой причине ученые-химики в деле обогащения урана по его изотопу-235 помочь ничем не могут. Изотопы отличаются друг от друга только с точки зрения физики, причем не только ядерной или там физики элементарных частиц, все брутальнее. Больше нейтронов – больше вес, больше нейтронов – больше размер, и именно на этом построены такие непростые методы, как диффузионное обогащение и обогащение при помощи центрифуг.

Впрочем, отвлеклись. Давайте снова припомним школьные годы чудесные. Помните, как выглядит атом водорода, элемента №1 в таблице Менделеева? До предела просто: вокруг одного-единственного протона по орбите носится не менее одинокий электрон. Унылая картина, сто лет одиночества… Но самые предприимчивые протоны, чтобы не скучать, умудряются найти себе компанию – нейтрон, а особо изощренные протоны умудряются даже соображать на троих, присоседивая к себе сразу два нейтрона. Для таких неугомонных деятелей физики придумали даже отдельные названия – дейтерий и тритий соответственно.

Изотопы водорода, Фото: http://ovkcompany.ru/

Свободного, ни с чем не соединенного водорода на Земле практически нет, так что, когда мы говорим о нем, волей не волей мы начинаем рассуждать о воде – самом распространенном соединении водорода в условиях, сложившихся на нашей планете. Химическую формулу воды наверняка могут сказать наизусть даже самые закоренелые лирики – «ащ два о», Н₂О. Протон и нейтрон весят примерно одинаково, потому молекула воды, в которой вместо водорода находится дейтерий – чуточку тяжелее, отсюда и название. Таких изотопов чрезвычайно мало, но они имеются в ничтожных количествах в любой воде – даже в той, которую мы с вами пьем из бутылок или кипятим в чайнике. Но собрать этот мизер во что-то существенное по количеству технически очень непростая задача, а уж при технологиях, существовавших в конце 30-х годов минувшего века и подавно. Собственно говоря, на тот момент в Европе существовал ровно один завод, производивший такую экзотику. Располагался он в Норвегии и объем продукции был просто колоссален – 10 литров в месяц. Чтобы была понятна ирония: даже для экспериментальных реакторов тяжелой воды нужны тонны.

Лиза Мейтнер

Почему мы так подробно рассказываем о тяжелой воде? Как только Лиза Мейтнер и Отто Фриш провели и опубликовали свои расчеты о делении ядер урана под действием удара нейтрона, стало очевидно, что при этом процессе выделяется какое-то просто ураганное количество энергии, в тысячи раз большее, чем при любой химической реакции. Если научиться делать реакцию деления цепной, да еще и происходящей в приличном количестве урана, можно получить бомбу невиданной, фантастической мощности. Журналистов, имевших не самое плохое физическое образование, в те времена было достаточно, чтобы превратить расчеты Мейтнер и Фиша, да еще и тут же подтвержденные экспериментами, в научно-техническую сенсацию всемирного масштаба. Сенсация была вполне себе «жареной», поскольку несколько «технических проблемок», которые предстояло решить для овладения энергией ядра урана, были невероятно сложны. Но уже тогда находились те, кто легко закрывал глаза на такие «пустяки». Лизу Мейтнер стали называть «матерью атомной бомбы», Голливуд забабахал фильм, в котором Лиза чуть ли не в дамской сумочке убегала из Берлина в неведомые дали… Та самая Лиза Мейтнер, которая в реальной жизни отказалась от участия в разработке атомной бомбы, послав всех зазывал со словами:

«Я ни при каких условиях не буду принимать участия в потенциальном убийстве миллионов людей» / Лиза Мейтнер

Но зерно в журналисткой сенсации имелось: страна, первой покорившая ядро урана, становилась самой могущественной в мире в военном отношении. Приз для того предвоенного, грозового времени – сами понимаете, поистине уникальный. Урановая бомба могла стать оружием, позволяющим выиграть любую войну с любым противником.

Тридцатые годы, Германия

Говорим «война» — подразумеваем Германию. Так и было. Немецкие физики первыми поняли, какие открываются перспективы. Немецкие физики первыми поняли, кто способен обеспечит им любые объемы финансирования исследовательской работы. Соответствующий доклад лег на стол министерства обороны, и военные взяли проект под свое крыло. Весьма быстро было основано “Урановое сообщество” — объединение физиков-атомщиков, неформальное главенство в котором сразу перешло к Вернеру Гейзенбергу. Лучший из остававшихся на тот момент в фатерлянде физиков выразил готовность потрудиться на благо обновленной родины. Молодой, невероятно одаренный ученый, к тому времени обретший заслуженную всемирную славу как один из основоположников квантовой физики, Нобелевский лауреат возглавил немецкий урановый проект. Ученые в других странах отчетливо поняли – мир реально встал на грань планетарной катастрофы. Если работа под руководством Гейзенберга будет успешной — режим Адольфа Гитлера станет несокрушим. Не было ни малейшего сомнения в том, что Гитлер, не дрогнув, применит атомную бомбу против любого противника, ни на секунду не задумавшись о сотнях тысяч жертв среди мирного населения. Даже сейчас страшно думать, во что могла бы превратиться Великая Отечественная война, будь успехи людей Гейзенберга достаточно стремительными…

Вернер Гейзенберг

Не простая, во многом противоречивая фигура. За его согласие работать на гитлеровский режим его, скажем мягко, подвергли самому жесткому остракизму физики всего мира. Слов по этому поводу сказано огромное количество, но они остаются словами. Хотел ли Гейзенберг на самом деле создать супер-бомбу для Гитлера? В искренности такого намерения Гейзенберга на все 100% был убежден его бывший учитель Нильс Бор, в этом были уверены многие ученые, которые вынуждены были покинуть ставшую нацистской Германию. Сам же Гейзенберг в своих мемуарах писал нечто совсем иное: по его словам, он сознательно использовал атомный проект для того, чтобы добиться максимально большого благоприятствования большой науке со стороны режима, чтобы обеспечить ученых достойным финансированием, помочь избежать мобилизации. По словам Гейзенберга, атомный проект стал всего лишь некой операцией прикрытия, имитацией – и не более того. Кому верить?

Нам кажется – только фактам. В мемуарах полно эмоций, а факты им не подвержены. Фактов этих настолько большое количество, что их полный анализ потребует отдельной статьи, потому в этот раз предлагаем остановиться на главных из них. Гейзенберг в качестве замедлителя сделал ставку на тяжелую воду. Сделал – и проиграл, едва не погибнув сам при очередном испытании очередного экспериментального реактора. Это был реактор L-IV – металлическая сфера диаметром 80 см и весом почти в тонну, содержащая в себе два концентрических слоя порошкообразного урана, разделенных равным по весу слоем тяжелой воды. Даже из описания видно: ну, просто неудобно, намного комфортнее работать с твердым графитом!.. Но, по расчетам Гейзенберга, оставалось только вставить внутрь этой сферы радиево-бериллиевый инициатор нейтронов – и внутри сферы должна была начаться вожделенная цепная реакция деления ядер урана. Ну, или на языке цифр: вторичных нейтронов должно было стать на 13% больше, чем нейтронов «пусковых».

Реакция и началась. Химическая – порошка урана и воды. Сферу хранили в бассейне, потому струйки водорода, вырывавшиеся из нее, заметили сразу. Сферу быстренько вытащили из воды и не придумали ничего лучше, как открыть впускной клапан – надо было ведь восстановить орднунг. В сферу попал воздух, мгновенно доказав научные изыскания химиков – они говорили о том, что порошкообразный уран пирофорен, склонен к самовозгоранию при контакте с кислородом. Химики – умнички! Уран горел просто замечательно, пламенными струйками вырываясь из корпуса сферы, поджигая внешний ее слой, сделанный из алюминия. Старший ассистент Гейзенберга, герр Депель, тем не менее, изощрился прекратить пожар и опустить сферу обратно в бассейн. Прибывший по его вызову Гейзенберг, осмотрев поле сражения, заявил, что ситуация полностью взята под контроль, можно продолжать готовиться к решающему опыту. Как раз в этот момент сфера стала лихорадочно вибрировать, раздуваясь прямо на глазах. Гейзенберг и Допель успели выскочить из лаборатории только чудом. После осмотра ее руин начальник местной пожарной команды в своем рапорте написал замечательную фразу:

«Профессор Гейзенберг достиг успехов в области атомного распада»

За несколько месяцев до этого происшествия Гейзенберг делал доклад на очередном заседании Уранового сообщества, в котором сделал вывод о том, что создание урановой бомбы – решаемая задача. Тот самый Гейзенберг, который одобрил конструкцию реактора и саму схему опыта, грешившую ошибками по технике безопасности на уровне студента-первокурсника. Но и это не все. Перепроверив выводы Нильса Бора о том, что главный участник цепной реакции деления – изотоп урана-235, Гейзенберг практически не приложил никаких усилий по разработке технологии обогащения. Подчиненные попытались реализовать метод термодиффузии, но успеха не добились. Гейзенберг просто принял это к сведению, не только не предложив ничего взамен, но даже не создав рабочую группу, которая занялась бы конкретно этой проблемой. В результате к началу 1943 года военные Германии практически перестали обращать внимание на урановый проект, сделав ставку на ракеты фон Брауна.

Одна ошибка даже у такого выдающегося ученого, каким, без сомнения, был Гейзенберг, конечно, возможна. Но можно ли приписать нелепой случайности буквально нагромождение ошибок во всем немецком атомном проекте? Делайте выводы самостоятельно, уважаемые читатели. Если интересно – мы с удовольствием вернемся к этой теме, чтобы изложить ее более подробно. Пока остановимся на основном: не смотря (или – благодаря, это кому как нравится) на наличие в атомном проекте нацистов Вернера Гейзенберга, не смотря на отдельные успехи, этот проект не состоялся. Атомный реактор с тяжелой водой в качестве замедлителя оказался тупиком для немецких физиков.

Манхэттенский проект, США

Первый реактор был создан в США, это общеизвестный факт. Причин для этого было более, чем предостаточно. Проект S1, который привычнее звучит как «Манхэттенский» имел колоссальное финансирование – не менее 500 миллионов долларов из бюджета Пентагона, не считая «гражданских» расходов на оборудование для многочисленных опытов и экспериментов. Это – довоенные доллары, когда тройская унция золота стоила 35 американских денежных знаков, сейчас эта унция стоит около 1’100 долларов. К «прочим» расходам относились земельные участки, переданные в распоряжение военных и ученых, финансирование исследовательских работ частных компаний из государственного бюджета и многое другое, исследователи этого вопроса склоняются к тому, что общие расходы составили не менее 2 миллиардов тех самых, довоенных долларов. Но финансирование, при всей его важности, было не самым главным критерием.

Появление атомного проекта и его стремительное развитие в Америке – во многом заслуга десятков физиков, вынужденных перебраться за океан из Европы, оказавшейся едва не полностью под контролем нацистской Германии. Альберт Эйнштейн, Энрико Ферми, Лео Сцилард, Эдвард Теллер, Ханс Бете, Георг Плачек, Фредерик Вайскопф, фон Нейман, Станислав Улам, Феликс Блох – для физиков каждое имя значимо и весомо. Если бы не эти эмигранты, на собственном опыте узнавшие звериную суть нацизма – как знать, как бы пошли дела.

Лео Сциллард

Часто его фамилию пишут как Силард – разные транскрипции венгерского написания Szilard – ученый из Венгрии, живший в Штатах с 1938 года, вместе с Ферми в 1939 проводил опыты по расщеплению ядер урана, подтвердивших осуществимость цепной реакции, стал инициатором всего атомного проекта Америки. Именно он летом 1939 года, скооперировавшись еще с двумя бывшими венграми – Юджином Вигнером и Эдвардом Теллером, обратился за помощью к Альберту Эйнштейну.

Альберт Эйнштейн (слева) и Лео Сциллард (справа), Фото: laprensa.hn

Помочь он просил в важном и срочном деле: достучаться до Франклина Рузвельта с опасениями о том, что Германия может первой создать атомную бомбу, а потому все новые научные открытия ученых-атомщиков должны перестать появляться в открытой прессе, поставить президента в известность о том, что немцы добрались до чешского урана. Основной посыл письма заключался в том, что, по мнению авторов, США должны приложить максимум усилия для того, чтобы опередить группу Гейзенберга в покорении энергии урана, не дать гитлеровцам первыми получить абсолютное оружие. Эйнштейн согласился помочь, и в октябре 1939 года письмо ученых добралось до адресата. Не сказать, что Рузвельт отреагировал уж очень стремительно, но жернова государственной машины пришли в движение.

Что предлагал держать в строгой тайне Лео Сцилард? Бывшие европейцы, которые прекрасно понимали, насколько опасное развитие могут получить труды Гейзенберга, и без Сцилларда понимали, что далеко не все их изыскания должны попадать в прессу. Опасения венгерского иммигранта вызывали сами янки. Да, давайте определимся с терминологией. Для журнала «Геоэнергетика» граждане США периода до вьетнамской войны – это именно янки, те самые, со страниц Жюля Верна. Предприимчивые, энергичные, сообразительные, не чурающиеся физического труда, не боящиеся временных трудностей и отсутствия комфорта. А вот дальше – да, дальше это уже американцы. Так вот, когда мы говорим о времени зарождения атомного проекта США, мы говорим именно о янки. Да, присутствие в США физиков-эмигрантов имело очень большое значение для успешного развития атомного проекта, но основная роль все равно оставалась за янки. Без их работы не были бы получены в самые сжатые сроки очень важные результаты: не был бы открыт плутоний-239, не удвоилась бы потребность в создании атомного реактора, не был бы разработан диффузионный способ обогащения урана.

Эрнест Лоуренс

Если мы говорим о физике атомного ядра, мы не можем обойти вниманием такого замечательного человека, как Эрнест Лоуренс. Изобретатель циклотрона, получивший Нобелевскую премию за создание этой «рабочей лошадки» физиков-ядерщиков, принимал самое активное участие не только в создании все более мощных приборов, но и в исследованиях атомных ядер – на практике, своими опытами подтверждая и опровергая труды теоретиков, подбрасывая им новые, неожиданные, не предсказанные ими результаты. В 1939 году, как раз вскоре после открытия деления ядер урана, Лоуренс завершил монтаж 152-х сантиметрового циклотрона. Что такое циклотрон? Ускоритель заряженных частиц. Ничего не говорит? Давайте снова без научных сложностей, наглядно. Электрически заряженная частица создает при своем движении вокруг себя магнитное поле – несется по прямой вот такой малюсенький магнитик. Если он попадет в поле магнита большого, мощного, то этот большой магнит может изменить траекторию движения. В циклотроне большой магнит устроен так, что заставляет заряженные частицы носиться по кругу. В определенном месте на этой траектории по частице «стреляет» еще и электрическое поле, заставляя ее двигаться чуточку быстрее. Круг – толчок, еще круг – еще толчок, скорость все выше и выше. Когда экспериментаторы считают, что набранная скорость им нравится – они размыкают круг и частица несется уже по прямой, навстречу заранее подготовленной мишени. Зачем нужен большой диаметр циклотрона? Чем больше радиус – тем большую скорость можно придать частицам без опасения того, что она начнет задевать стенки корпуса. Но тем больше требуется размер и вес большого магнита. Магнит 152-х сантиметрового циклотрона весит 200 тонн, но Лоуренс и не думал останавливаться: сразу после сооружения этого устройства он приступил к проектированию циклотронов диаметрами 300 см (для него нужен магнит массой 2’000 тонн) и 467 см (магнит – 5’000 тонн). Но и 152-см циклотрона было достаточно, чтобы на практике перепроверить расчеты Мейнтнер и Фирша, а заодно посмотреть, не таит ли в себе уран еще какие-то интересные особенности. Эту работу взял на себя еще один янки – Эдвин Макмиллан, который к тому времени уже несколько лет работал на различных моделях циклотронов.

Циклотрон, Рис.: http://dic.academic.ru

Эдвин Макмиллан

Разгоняя нейтроны и направляя их на ядра урана-239, Макмиллан получил не один, а два разных результата. Основная масса ядер принимала в себя нейтрон, превращаясь в изотоп урана-239, в ядре которого все те же 92 протона и 147 нейтронов. Изотоп получался нестабильным – через примерно 23 минуты он распадался, но куда интереснее оказалось то, что в результате бомбардировки получалось и еще одно вещество, период полураспада которого равнялся приблизительно двум дням. Что это за чудо? Научное образование, которое получил Эдвин, было великолепным – он сам, без поддержки теоретиков догадался, что имеет дело с новым химическим элементом, с результатом бета-распада урана-239. Снова непонятный термин, но, вроде бы, уже последний. Бета-распад ядра урана-239 – это некое сумасшествие одного из его нейтронов. С криком «Хочу быть дворянкой столбовою!!!» нейтрон исторгает из себя … электрон, превращаясь в протон. То ли скука от необходимости сохранять нейтралитет, то ли зависть к важности роли протона – слабо понятно, хотя и неслабо изучено (надеюсь, что те из читателей, кто имеет приличное физическое образование, понимают, что слово «слабо» тут оказалось не случайно). В результате – таки да, таки действительно новый химический элемент, в ядрe которого 93 протона и 146 нейтронов. Макмиллан как ученый был весьма корректен: он не стал кричать об открытии первого в истории искусственного элемента, не стал придумывать ему название, а пригласил проверить свои результаты химика из группы Энрико Ферми – Эмилио Сегре. Но Сегре почему-то решил, что полученный Макмилланом элемент должен обладать теми же химически свойствами, что и рений и – не обнаружил этому доказательств, о чем и опубликовал в журнале Physical Rewiev статью с говорящим названием «Поиск трансурановых элементов не увенчался успехом».

Но Макмиллан, повторим, был не американцем, а янки и поверить, что он ошибся, не захотел. Договорившись с Лоуренсом и взяв в помощники на этот раз Филиппа Абельсона, Макмиллан начал серию экспериментов уже на циклотроне-152. Раз за разом повторяя опыт, Макмиллан обеспечил Абельсону достаточное количество «вещества №2», чтобы тот смог досконально проверить его химические свойста. Нет, у янки ошибок не было – это был действительно «элемент-93», и вот только теперь Макмиллан с чистой совестью дал ему заранее уже придуманное название – нептуний.

15 июля 1940 года результаты экспериментов Макмиллана и Абельсона были опубликованы все в том же Physical Rewiev. И Макмиллан тут же получил закономерные вопросы от коллег: если период полураспада нептуния составляет 2,3 дня, то во что он, любезный, превращается? Гипотеза у него уже имелась: он предполагал, что и у нептуния один из нейтронов слабенько сходит с ума, снова происходит бета-распад, результатом которого становится элемент-94, в ядре которого уже 94 протона и 145 нейтронов. Но гипотеза – это всего лишь предположение, и Макмиллан стал, как и полагается настоящему янки, не говорить, а действовать. Однако новая серия экспериментов не была им завершена: в ноябре 1940 года его откомандировали в Массачусетский технологический институт: срочно потребовалась его помощь в разработке бортовой РЛС для бомбардировщиков. Эксперименты были осуществлены ассистентом Макмиллана Гленом Сиборгом в феврале 1941 года, но их результаты в научной литературе появились только спустя пять лет, в 1946 году Сцилард сумел добиться своего: все новые работы физиков-атомщиков получили гриф «секретно». Именно по этой причине открытие плутония-239 было «отложено» на целых пять лет. Макмиллан оказался совершенно прав со своей гипотезой:

Узнаете? Да, это именно он – оружейный плутоний.

Оружейный плутоний, изотоп 239, 94 протона и 145 нейтронов. Давайте самостоятельно сравним его с изотопом урана-235 – тем самым, который так легко расщепляется и обеспечивает цепную реакцию деления. Уран-235 – это 92 протона и 143 нейтрона. Протонов там и там – четное количество, нейтронов там и там – нечетное. При этом число одноименно заряженных частиц у плутония-239 еще больше – значит, расщепляться он будет даже проще, чем уран-235. Первым физиком-теоретиком, сделавшим такое предположение, подкрепив его серьезными физическими выкладками, стал опять же американец, янки – Льюис Тернер. Подготовленная им статья заканчивалась совершенно логичным выводом:

плутоний-239 является идеальным ядерным топливом, которое можно использовать для получения цепной реакции деления

При этом плутоний-239 – самостоятельный химический элемент, отделить который от исходного урана-238 значительно проще, чем изотоп урана-235. Вот только статья эта появилась в печати несколько лет спустя – Тернеру хватило осторожности для того, чтобы посоветоваться с Сцилардом. Венгерский иммигрант сумел добиться своей цели: все работы по новейшим направлениям ядерной физики, производимые в США, с лета 1940 года стали секретными, отчеты о них больше не попадали в открытые источники. Ирония судьбы заключается в том, что именно этот факт стал одной из причин резкой активизации работ по ядерной физике в далеком СССР. Но об этом будет отдельная статья – тема того явно заслуживает.

Итогом работ Макмиллана и Тернера стало то, что у янки наметился некий план работы. Необходимо было создать ядерный реактор, в котором можно было синтезировать достаточное количество плутония-239, который химическими методами отделить от исходного урана-238. В качестве замедлителя янки сделали ставку на графит, поскольку имели хороший опыт работы с ним, ведь в Штатах было достаточно предприятий, выпускавших его для нужд электротехники. Да, конечно, нужно было обеспечить очень высокую чистоту этого элемента, но это было быстрее, проще и менее затратно, нежели создание «с нуля» завода по производству тяжелой воды. Американский практицизм стал залогом успеха группы Энрико Ферми, которой была поручена практическая работа по созданию реактора. Но синхронно с этими событиями произошло и еще одно, тихое и незаметное, поскольку это было «всего лишь» теория, не подтвержденная ни одним экспериментом.

Отто Фриш

Над вопросом «возможно ли создание урановой бомбы» продолжал размышлять и один из открывателей реакции деления ядра урана – Отто Фриш, перебравшийся из Дании в Англию. Ответ на этот вопрос зависел во многом от того, сколько же нужно урана, чтобы в нем началась цепная реакция деления? Если речь идет о десятках тонн – ни о какой бомбе и речи быть не может. Но разве могло быть иначе – ведь быстрые вторичные нейтроны «глотал» уран-238, реакция должна была затухать! Чтобы этого избежать, нужны действительно тонны природного урана, никак иначе.

Именно Фриш оказался человеком, который увидел, в чем ошибка всех его коллег: они рассматривали работу с ураном природным, в котором изотопа урана-235, как известно, всего 0,7%. Но уже было выяснено, что уран-235 начинает делиться как от медленных, так и от быстрых нейтронов. Следующий шаг был совершенно логичным: если из урана убрать весь уран-238, оставить только уран-235 — цепная реакция обеспечивается легко и непринужденно, поскольку тогда “срабатывают” все нейтроны второго и последующих поколений. Возможно, эта идея осталась бы только идеей, но судьба Фриша как эмигранта, свела его в Бирмингеме с земляком, который покинул Германию еще в 1933 году. К моменту знакомства с Фришем Рудольф Пайерлс был профессором математики в Бирмингенском университете и уже несколько лет плотно занимался новинками ядерной физики. Вот он-то и помог Фришу с расчетами, результаты которых потрясли обоих ученых: критическая масса урана-235, которой было достаточно для создания атомной бомбы, составляла всего несколько килограммов!

Для тех, кого интересуют дела не военные, а гражданские, кому интересно появление и развитие АЭС, эти расчеты и результаты тоже важны. Если бы не Фриш и Пайерлс, работы по обогащению урана могли быть и прекращены, вариант с плутонием-239, экспериментально подтвержденный янки, мог оказаться единственным. Проверить гипотезу двух эмигрантов технически было не так уж сложно, поскольку урана-235 требовалось действительно весьма небольшое количество. Корпоративная помощь английских ученых пришла на выручку: летом 1940 начались соответствующие эксперименты. Ошибка была: урана-235 требовалось почти 100 кг, но тут же Пайлерс смог найти выход из ситуации. Образец урана-235 надлежало “обернуть” эффективным отражателем нейтронов, который не даст свободным нейтронам покидать активную зону, тем самым заставив их делить ядра. Да, технически и практически создание урановой бомбы — реализуемо! Таким был окончательный вывод англичан, что впоследствии подстегнуло усилия янки по разработке технологии обогащения природного урана изотопом 235.

Впрочем, англичане и сами не стали сидеть, сложа руки. Несмотря на интенсивные бомбардировки острова, которые в то время активно вели люфтваффе, англичане нашли возможность провести серию экспериментов, показавших, что наиболее перспективным способом обогащения урана является газодиффузионный метод. Мало того, весной 1941 года компания Metropolitan-Vickers получила заказ от министерства обороны Великобритании на строительство опытно-промышленной установки из 20 «сеточек». Поскольку журнал «Геоэнергетика» в ближайшее время намерена рассказать и о том, как шли работы над созданием реактора в СССР, предлагаем сделать небольшую «зарубочку в памяти»: именно в это время к работе над газодиффузионным методом обогащения англичане допустили еще одного физика, эмигрировавшего из Германии. Выпускник Лейпцигского университета, специалист по квантовой механике, доктор физики, прошедший в Англии через лагерь для интернированных лиц как гражданин враждебного государства, но сумевший доказать свою лояльность приютившей его стране. Его знания и таланты оказались весьма востребованы, и он не единожды доказал, что способен справляться с самыми сложными научными проблемами. Звали этого человека Клаус Фукс.

Воевавшая страна находила финансирование и на эксперименты по строительству реактора, при этом английские физики в качестве замедлителя сделали ставку на тяжелую воду. Успехи были, но становилось очевидно, что усилий только министерства обороны не хватит, нужна поддержка правительства. 15 июля 1941 года ученые выступили с докладом перед правительственными сотрудниками, в котором уверяли, что способны создать атомную бомбу уже к 1943 году, но для этого нужна государственная поддержка, финансирование и активное сотрудничество с янки. Заседание было настолько секретным, что копию доклада на Лубянке смогли прочитать только в сентябре 1941 – настолько серьезным был подход со стороны спецслужб Великобритании!..

40-е годы, Чикаго (США), Фото: loc.gov

А по ту сторону океана активно приступили к изучению свойств плутония-239, и к лету 1941 однозначно установили, что этот элемент делится в два раза активнее ядер урана-235. Если бы не англичане, американцы могли бы сосредоточиться только на получении плутония, и будущая атомная энергетика родилась бы значительно позже. Только получив сведения о том, что критическая масса урана-235 для создания атомной бомбы составляет всего 11 кг, янки стали вкладываться в газовую диффузию. После получения официальной копии доклада британских ученых, которое состоялось на пару недель позже, чем неофициальная копия добралась до Москвы, янки действовали стремительно. Комитет S-1 одновременно начал работы по нескольким направлениям, прямо-таки наполеоновскими методами. Газовая диффузия и сепарация на циклотроне Лоуренса, попытки работать с центрифугами, работы по получению химически чистого графита в промышленных масштабах и начало строительства завода по производству тяжелой воды в Канаде, работы по получению металлического урана и производству его оксидов, группа Ферми приступила к конструированию первого реактора – и все это одновременно. Тогда же произошло еще одно знаковое событие: в состав комитета S-1 получил допуск Роберт Оппенгеймер. Да, именно допуск, ФБР проверяло благонадежность Оппенгеймера более полугода, выясняя, насколько тесно он связан с коммунистической партией США. Еще раз, связи не с нацистами или фашистами, с которыми США находились в состоянии войны, а связи с партией, единомышленники которой руководили государством-союзником.

Организаторские способности Оппенгеймера можно описывать только в восхитительной форме. К примеру, уже в 1941 году, когда еще не успели научиться обогащать уран, когда плутоний-239 получали на циклотроне в количестве сотых долей грамма, когда еще не работал ни один реактор, Оппенгеймер «дал добро» на начало работ группы Эдварда Теллера, приступившей к обоснованию возможности создания термоядерной бомбы. Но Оппенгеймер был именно научным руководителем, а непосредственно всей организацией стремительно развивавшейся структуры американского атомного проекта 23 сентября 1941 года было поручено заниматься бригадному генералу Лесли Гровсу. Человек, которого явно недоставало слишком вольно чувствовавшим себя физиком. Человек, которого много позже Оппенгеймер вспоминал следующими словами:

«Последняя сволочь, но одновременно и один из наиболее умелых людей, которых я встречал в жизни».

Проект S-1 организационно подчинили вновь сформированному Манхэттенскому инженерному округу армии США, и постепенно янки, и мы вслед за ними, привыкли называть этот проект именно Манхэттенским.

Наступил 1942 год, США

Манхэттенкий проект разворачивался с каждым днем, сосредоточившись на обеспечении работы группы Энрико Ферми, трудившийся в Чикагском университете. Сюда, на бывшее поле для сквоша, везли уран. 33 тонны UO₂ и 3,7 тонны U₃O₈, 350 тонн химически чистого графита. Физики, конструировавшие реактор, по вечерам смахивали на шахтеров, возвращающихся со смены. Графит пилили на блоки на деревообрабатывающих станках в помещениях стадиона, деревом укрепляли слои уложенных графитовых блоков. Черный цвет имела еще и руда урана, которую пока не обогащали – потому лучевой болезнью никто и не страдал, включая не только самих физиков, но и студентов из состава бейсбольной команды, которые подрабатывали на перетаскивании и укладке всех этих тяжестей. Блоки графита каждого второго слоя имели полости, куда вставлялось ядерное топливо, образуя кубическую решетку с шагом в 21 см. На заводе GoodYear, который в то время изготавливал оболочки для аэростатов, сделали защитную пленку, чтобы уменьшить доступ к активной зоне реактора кислорода в составе обычного воздуха, который теоретически мог поглощать свободные нейтроны. Заказ был секретным и долгое время служил темой для анекдотов: кубическая, квадратная форма оболочки не могла ею не быть.

Первый в мире ядерный реактор был «медленным»: он был построен Энрико Ферми под западными трибунами футбольного поля Чикагского университета из графитовых и урановых блоков, Рис.: http://academcity.org

Да, конечно, Энрико Ферми, руководивший строительством первого в мире реактора, отнюдь не американец, но американцами-янки были все остальные участники этой работы. Графит – на станке, уран – гидравлическим прессом из порошка превращали в бруски, таскали все просто руками. Вот описание системы управления. Три вида стержней из кадмия и бористой стали, поглощавшие нейтроны:

регулирующие, управляемые вручную – лебедкой!;
стержень-zip – контрольный, после извлечения которого, по расчетам Ферми, должна была начаться цепная реакция деления;
и стержень аварийной защиты, который висел над этой поленницей на веревке, чтобы в случае ЧП ее можно было … перерубить топором.

Высота Чикагской поленницы составила почти 6 метров, вот там и болтался этот стержень, возле которого в течение всего эксперимента дежурил сотрудник с топором наперевес. Степень риска, степень азарта и увлеченности всех участников эксперимента оцените сами. На наш взгляд, тогда американцы были янки, рисковавшими здоровьем и жизнями ради проекта государственной важности. Давно это было…

В 2 часа дня 2 декабря 1942 года Ферми приказал извлечь из реактора все регулирующие стержни. Лебедки скрипнули, 42 наблюдателя впились глазами в счетчики нейтронов. Новый приказ – и стержень-зип вытащили на 2,5 метра, мужик с топором нервно плюнул на ладони. Счетчики показали, что реакция стала самоподдерживающейся: нейтронов второго поколения стало ровно столько же, сколько нейтронов-инициаторов. Еще один приказ, и стержень-зип подняли еще на 30 см. Щелканье счетчиков превратилось в равномерный гул. Кроме него, в огромном помещении – никаких звуков. Через пять минут Ферми поднял руку: «Реактор стал критическим». Интенсивность высвобождения нейтронов удваивалась каждые две минуты. Полчаса в таком режиме – и реактор успел бы выработать около 1’000’000 киловатт энергии, успев бы убить радиацией всех собравшихся, прежде чем расплавиться. Ферми остановил эксперимент через 4,5 минуты.

Таким был день рождения первого в мире реактора. Графитового, на необогащенном уране, без системы охлаждения, зато в комплекте с мужиком с топором. Но уже строились обогатительные комплексы на «сеточках», в Канаде продолжалось строительство завода по производству тяжелой воды, геологи уже приступили к поиску новых месторождений, а в далеком СССР 28 сентября 1942 года было подписано распоряжение Государственного Комитета Обороны № 2352 «Об организации работ по урану». Медленно, но верно цивилизация подходила к началу эры атомной энергетики.

Фото: br.de

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Яркие воспоминания. Игры с плутониевыми мячами, ремонт реактора голыми руками и другие страшные истории об атомной юности человечества

Три самых серьезных и при этом наиболее известных происшествия — расплавление реактора на АЭС «Три-Майл-Айленд», взрыв реактора Чернобыльской АЭС и расплавление реакторов на АЭС «Фукусима-1». Все три случая относятся к гражданской энергетике, и каждая авария произошла в результате неудачного сочетания сразу нескольких факторов. Они не были исключительным результатом недоработок, нарушения техники безопасности и ранее неизвестных эффектов, с которыми боролись во время эксплуатации, — во всех случаях речь шла о серийных образцах.

Первая авария — «Три-Майл-Айленд», 1979 год, реактор PWR с приличной историей работы — произошла из-за отказов оборудования, которые сами по себе не должны были привести к тяжелым последствиям, но усугубились неправильными действиями операторов. В Чернобыле, согласно докладу Госатомнадзора 1991 года, «начавшаяся из-за действий оперативного персонала авария приобрела неадекватные им катастрофические масштабы вследствие неудовлетворительной конструкции реактора»; в 1993 году Консультативный комитет по вопросам ядерной безопасности подтвердил эту оценку, сделав еще больший упор на конструктивные недочеты. И, наконец, в случае «Фукусимы» катастрофу вызвал просчет в расположении резервных генераторов и линий электропередач. Цунами, пришедшее вслед за остановившим реактор подземным толчком, вывело из строя все источники энергии для насосов в системе охлаждения; будь генераторы расположены иначе или защитная стена повыше — трагедии удалось бы избежать.

Атомную энергетику можно справедливо обвинить в занижении масштабов аварий. Так, про катастрофу на Чернобыльской АЭС сообщили населению далеко не сразу, но никому из инженеров не приходила в голову идея взорвать реактор для учений. Слив радиоактивных отходов в моря и реки, ядерные взрывы в атмосфере вблизи скопления людей, выход в море субмарин с протекающими по швам реакторами, постоянный аврал, провоцирующий нарушения техники безопасности на уровне «соберем урановые блоки лопатой», — всем этим отличились программы военных. Но еще раньше были даже не военные, а предприниматели, продававшие радионуклиды под видом лекарств и косметики.

Реклама пудры и крема с радием и торием. «Доктор Альфред Кюри» не имел к прославленным ученым никакого отношения; до 1937 года продавалось без ограничений. Плакат работы Tony Burnand, 1933 год

Радиация до реакторов

Впервые с радиоактивностью и радиацией человечество столкнулось на рубеже XIX и XX веков. Эти явления завораживали: загадочные «икс-лучи», открытые Рентгеном в 1896 году, позволили воочию увидеть скелет живого человека, а два года спустя супруги Мария и Пьер Кюри выделили светящийся в темноте радий. Грамм радия стоил как пара центнеров золота, а все радиоактивное казалось наделенным волшебными свойствами.

Эта вода НЕ радиоактивна. Но рекламщики в 1929 году считали, что такое свойство явно повысит интерес со стороны публики. Изображение: путеводитель «Москва в планах» Мосрекламсправиздат 1929 г.

В первые десятилетия XX века мы можем встретить и радоновые ванны (кое-где, кстати, применяются по сей день!), и обогащенную радием воду. Активно использующий такой «лечебный напиток» американский миллионер и известный спортсмен Эбен Байерс будет в 1932 году похоронен в свинцовом гробу, несколькими годами раньше пройдет суд по делу пострадавших на производстве радиевой краски работниц, но все это было до того, как зародились ядерные технологии.

Светящийся в темноте радий также использовали при изготовлении часовых циферблатов. И если сама идея была вполне логична (его излучение — в виде альфа- или бета-частиц — сквозь стекло или сами часы не столь уж опасно), с техникой безопасности на этом производстве были очень большие проблемы. Радиевую краску наносили кисточками, а про опасность облучения работницам никто не говорил, и они периодически облизывали кисть для формирования тонкого кончика.

Радий, попадая в организм, накапливался в костной ткани.

Через какое-то время «радиевые девушки» буквально рассыпались на части, и это не метафора: по свидетельствам одного из врачей, фрагмент челюсти одной пострадавшей вывалился при первом прикосновении.

Производитель — United States Radium Corporation — долгое время пытался выдать такие случаи за сифилис, которым якобы заразились сами работницы и даже крали из морга тела умерших, но в итоге вынужден был признать вину: суд завершился в 1938 году, спустя 16 лет после первых случаев гибели сотрудниц.

Дергать дракона за хвост

Выход ядерной физики за пределы лабораторных экспериментов произошел после того, как ученые показали принципиальную возможность сделать устройство, высвобождающее большое количество энергии за счет цепной реакции деления. На дворе был конец тридцатых годов, и желающие получить такую штуковину быстро нашлись, причем речь шла не об атомной электростанции. В знаменитом письме на имя американского президента Франклина Рузвельта Альберт Эйнштейн указал, что гитлеровская Германия подбирается к созданию ядерного оружия, и потому хорошо бы и в США начать работы в этом направлении, до появления у Гитлера возможности уничтожить целый город одним боеприпасом.

США начали Манхэттенский проект, в стороне не остался и Советский Союз. Война закончилась ядерными ударами по Хиросиме и Нагасаки, но говорить о мире и отсутствии предпосылок к новому конфликту было преждевременно. По обе стороны океана стали добывать уран, строить реакторы для синтеза плутония, разделять изотопы и вытачивать из этого металла ключевые детали для ядерных бомб. Последние представляли собой половинки шарика, который при подрыве заряда сжимался ударной волной до критического состояния.

Именно с подобным шариком из плутония связана первая из историй про сочетание гения и безрассудства. В Лос-Аламосе, где находился американский центр по созданию ядерного оружия, изготовили плутониевую сферу и стали искать зависимость интенсивности реакции деления от отражения нейтронов внешней бериллиевой оболочкой. Не вдаваясь в физику процесса слишком глубоко, можно сказать, что при отражении внутрь шара достаточного числа нейтронов цепная реакция приобретает лавинообразный характер: это приводит если не к ядерному взрыву, то к резкому возрастанию энерговыделения и мощному потоку дополнительных нейтронов.

Задача «как аккуратно опустить на плутониевый шар отражатель и иметь при этом возможность быстро его убрать» решалась исследователями примерно никак. Экспериментаторы брали бериллиевую полусферу руками и опускали ее на плутоний.

Медленно и аккуратно, следя за детектором нейтронов. Если тот начинал зашкаливать, опыт надлежало остановить. А чтобы случайно не уронить сферу, была использована обыкновенная отвертка, которая придерживала полусферу. Сама процедура весьма прозорливо называлась «подергать дракона за хвост».

«Подергали» в итоге так, что Гарри Даглян, 24-летний физик, уронил полусферу на плутоний и получил несовместимые с жизнью пять зивертов облучения. Эксперименты такого рода, что характерно, на этом не закончились. Энрико Ферми, выдающийся физик и один из руководителей программы, тогда сказал, что с таким отношением к технике безопасности ждать новых смертей придется недолго. Но подобные опыты продолжились.

Не пытайтесь повторить это дома: опыт выполнен опытным физиком в ходе следствия (и, вероятно, плутоний изнутри все-таки вынули). Фото: департамент энергетики США

Ферми оказался прав: у 35-летнего Луи Злотина соскочила отвертка, после чего полусфера упала и запустила цепную реакцию. Злотин успел сбросить бериллиевый отражатель руками, но получил при этом дозу 21 зиверт и умер через девять дней. Еще семь человек получили дозы до зиверта включительно, и минимум один из них через 18 лет умер от лейкемии.

Масштабные работы над ядерным проектом всю дорогу сопровождали подобные — совершенно безумные — истории. Вместо недобросовестных дельцов с опасными материалами стали работать государственные агентства, вовлеченные в секретные военные программы, и это сделало все только хуже.

Уран, вода и ржавые трубы

В воспоминаниях Ричарда Фейнмана сказано, что на плутониевый шар, хранившийся в Лос-Аламосе, можно было положить руку и почувствовать его тепло. Руками собирали первые ядерные реакторы как в США, так и в СССР, причем это еще далеко не полный перечень их особенностей. Вот чем, к примеру, еще отличался первый в мире реактор, помимо ручной сборки:

подгоном параметров активной зоны по ходу строительства. Точных расчетов, которые бы указывали на то, каких размеров должен быть реактор, не было, были только предварительные опыты на уран-графитовых кладках меньшего размера. Когда дошли до 58-го слоя перемежающихся графитовых и урановых блоков, измерения показали, что этого достаточно для самоподдерживающейся цепной реакции;
аварийной защитой в виде веревки, к которой привязали стержень-поглотитель. В случае аварии надлежало обрубить веревку топором;
по некоторым (впрочем, вполне официальным) данным, на реакторе во время экспериментов стояли еще три человека, готовых в случае аварии залить его солями кадмия, чтобы остановить цепную реакцию;
пульт управления располагался по соседству с активной зоной;
биологическая защита? Ее просто не было — бетонную стену толщиной в полтора метра возвели только вокруг второго реактора;
отсутствием системы охлаждения: реакция разогревала «поленницу» примерно так же, как две стоваттные лампочки.

Следующие реакторы были заметно усовершенствованы, но и эти установки по современным меркам оставались кошмаром любого инспектора Международного агентства по атомной энергии.

Первый в мире реактор. Торчащая из него рукоятка рядом с приставной лестницей — стержень-поглотитель. Рисунок: Melvin A. Miller / Argonne National Laboratory

На реакторе А-1, с которого начался комбинат «Маяк», как-то рассыпали ядерное топливо, которое потом, за неимением дистанционных механизмов, собирали совковыми лопатами. Там же периодически, буквально с первых часов работы на проектной мощности, расплавлялись отдельные урановые ячейки, и их приходилось высверливать вручную. Один раз эту процедуру попытались проделать без остановки реактора, но переоблучение персонала вкупе с загрязнением реакторного зала и залитой водой графитовой кладкой заставило воздержаться от подобной практики в будущем.

Под действием радиации вся конструкция распухала и деформировалась, ядерное топливо в виде урановых стержней в алюминиевой оболочке внутри регулярно заклинивало, и тогда его приходилось извлекать наружу. Как? Выбивая из каналов реактора длинной палкой — вручную, разумеется! А через полгода эксплуатации А-1 сотрудники вручную же меняли трубы системы охлаждения, так как использованная в первоначальном варианте конструкции сталь под действием нагрева, радиации и воды проржавела — реактор стал протекать.

Американские физики и инженеры не отставали по части нештатных происшествий от своих советских коллег. В одном из первых реакторов заклинило управляющие стержни, и всю установку пришлось перебирать — разумеется, тоже вручную и с минимальными средствами защиты. Третья модификация «чикагской поленницы» проработала c 1944 по 1954 год, с капитальным ремонтом в 1950-м: он, как и советский А-1, начал протекать из-за проржавевших труб внутри. После завершения работы из реактора вынули топливо, а все ставшие радиоактивными металлоконструкции уложили в бетонный корпус реактора, засыпали строительным мусором и опрокинули направленным взрывом в глубокую яму.

Так захоронили первые американские реакторы CP-2 и CP-3. Сейчас эта яма засыпана толстым слоем грунта и наверху установлен памятный знак. Фото: Forest Preserves of Cook County

Как устроены реакторы

Общий принцип устройства ядерного реактора выглядит просто: берем уран-235 или плутоний-239 (а можно и их смесь), складываем в компактную кучку и добиваемся того, чтобы вылетающие при распаде ядер нейтроны попадали в другие ядра, вызывая там новые реакции деления. Если сложить кучку правильно, то реакции станут происходить достаточно часто и при этом их количество будет постоянным.

Реакции деления могут происходить сами по себе, но в ядерных устройствах большая их часть инициируются образующимися при делении ядер урана-235 (или, что реже, плутония-239) нейтронами. Управляя потоком нейтронов, можно балансировать между взрывом и остановкой реактора — с этой целью в реактор добавляют замедлитель, отражатель и контрольные стержни.

Замедлитель, как и следует из названия, тормозит вылетевшие из ядер нейтроны. Это нужно для того, чтобы повысить вероятность захвата нейтрона другим атомным ядром: физики установили, что слишком быстрые частицы вызывают распад ядер с меньшей вероятностью и это приводит к пустой растрате нейтронов в реакторе. В качестве замедлителя подавляющее большинство сегодняшних реакторов использует воду с добавлением поглощающего нейтроны вещества. Или, как вариант, тяжелую, то есть с заменой атомов водорода дейтерием, воду.

Нейтроны также можно отражать внутрь активной зоны (где, собственно, и идет реакция), и это тоже используется в ряде случаев. На роль отражателя лучше всего годится бериллий, однако на практике используется уран-238. Он не годится для использования в качестве ядерного топлива, зато при облучении нейтронами из него получается плутоний-239, пригодный как для оружейного, так и энергетического применения.

Так выглядит ядерное топливо. До пребывания в реакторе, где в результате цепной реакции образуется много высокоактивных изотопов, оно сравнительно безопасно — можно брать если не голыми руками, то в обычных тонких перчатках. Фото: NRC

Контрольные стержни перемещаются по каналам внутри реактора и призваны влиять на интенсивность реакции. Чаще всего они изготовлены из поглотителя нейтронов (опустили в реактор — часть нейтронов поглотилась, реакция заглохла), однако иногда бывают и стержни с ядерным топливом внутри (опустили — реакция пошла интенсивнее). В безопасности реактора именно стержни играют решающую роль, поэтому они связаны с аварийной автоматикой, которая без участия человека способна заглушить реактор в критической ситуации.

На безопасность, экономичность и эффективность реакторов влияет еще много параметров, а здание АЭС содержит еще десятки систем. Забирающий тепло от реактора теплоноситель поступает, как правило, не напрямую к турбине, а сначала проходит через теплообменник и там отдает тепловую энергию второму контуру, который уже связан с турбогенератором напрямую. Теплоносителем может быть вода (дешево, неядовито), натрий (не требует высокого давления) или газ (позволяет получать высокие температуры), но… был и еще один вариант.

Вода внутри реактора и рядом с отработанным ядерным топливом начинает светиться. Не потому, что становится радиоактивной (этот эффект как раз сравнительно невелик), а из-за эффекта Черенкова: свет испускают заряженные частицы, летящие быстрее скорости распространения света в воде. Фото: Argonne National Laboratory

«Р» значит «ртуть»

Среди экспериментальных реакторов особняком стоит советский проект БР-2. Буква «Б» обозначает «быстрые нейтроны» (то есть в реакторе не было замедлителя), а вот «Р» обозначала используемую в качестве теплоносителя ртуть. Нет, это не ошибка — тепло от активной зоны отводилось при помощи этого тяжелого и весьма токсичного жидкого металла.

БР-2 признали неудачным экспериментом в плане выбора теплоносителя спустя примерно год. Ртуть стала растворять трубопроводы и протекать как к плутонию внутри реактора, так и наружу. Горячая ртуть с примесью плутония-239 — сочетание, которое даже по меркам 1950-х годов было слишком опасным. А вот идея использовать жидкий металл для отвода тепла от реактора оказалась гораздо более продуктивной.

Развитием программы стал реактор БР-5, в котором место ртути занял натрий — тоже не самый безопасный в обращении, но по крайней мере не токсичный металл. За БР-5 последовал БР-10, потом был БОР-60, а уже БН-350 стал промышленным образцом, его установили на АЭС в городе Шевченко (ныне Актау, Казахстан) на берегу Каспийского моря. Еще более поздняя разработка, БН-600, до сих пор работает на Белоярской АЭС, и про этот реактор «Чердак» уже писал: он уже 38 лет исправно функционирует без каких-либо серьезных происшествий, а развитием проекта стал БН-800 (уже работает) и БН-1200 (проектируется).

Там, где физиков и инженеров не торопили, они создавали достаточно надежные устройства. Ну или, что будет корректнее, разработанные для АЭС реакторы хотя бы не протекали по швам с первых дней эксплуатации, а персонал в массе был обучен не совершать совсем уж безумных действий вроде «взять стержень системы управления и дернуть его посильнее вверх». Последнее, кстати, реальный случай из одной военной лаборатории в США.

Плутоний-238. Светится красным, поскольку разогрет под действием идущей внутри реакции. Этот нагрев можно использовать для производства энергии на космических аппаратах — плутониевая болванка на снимке была сделана именно с этой целью для спутника Cassini. Фото: департамент энергетики США

Дернуть посильнее — плохая идея

Авария, произошедшая в 1961 году на американском реакторе SL-1 в военном центре Айдахо-Фоллз, стоила жизни трем работникам. Один из них, как установило потом следствие, зачем-то выдернул из реактора управляющий стержень, а далее мощность SL-1 за четыре миллисекунды выросла до отметки в 20 гигаватт — в десятки раз выше номинальной.

Вода в реакторе закипела, пар разорвал трубопроводы, подбросил весь реактор почти на три метра вверх, а одного из работников, стоявших сверху, буквально пришпилило к потолку управляющим стержнем. И хотя точно причину столь странного поступка установить сложно, одна из наиболее вероятных версий гласит, что техник просто пытался расшатать заклинивший стержень и дернул его посильнее.

Реактор с расплавленной активной зоной не рискнули вывозить куда-то далеко. Вместо этого рядом вырыли несколько котлованов: один — под сам реактор, еще два — под зараженные материалы.

Поврежденный реактор 29 ноября 1961 года вынули из здания подъемным краном. Кабину крановщика пришлось обшить стальными плитами толщиной 13 сантиметров, а обычное стекло заменить свинцовым, толщиной 23 см. Снимок департамента энергетики США

Safety Second

В «Томе и Джерри» есть серия под названием Safety Second. Короткометражный мультфильм сняли в 1950 году и обыграли в названии распространенный слоган «safety first» — «безопасность прежде всего» — так, что получилось «безопасность на втором месте».

Государственная политика в мире холодной войны вполне соответствовала духу мультфильма о бегающих с петардами и ракетами персонажей. Все, получившие ядерное оружие, считали своим долгом тут же его испытать, и иногда это мероприятие совмещали с военными учениями вроде операции «Снежок» (СССР, 1954), целой серии учений Desert Rock (США, с 1951 по 1957 год) или китайских испытаний в 1960-х годах (фрагмент кинозаписи с одного такого испытания есть в документальном фильме Trinity and Beyond). Риск получить вместе с дозой облучения лейкемию или еще какой рак в будущем мало кого смущал — напротив, в Лас-Вегасе 1950-х годов туристов зазывали посмотреть на настоящие ядерные взрывы.

Гонка за ядерным оружием приводила и к более серьезным последствиям, чем, скажем, попадание под шлейф выбросов японской шхуны «Фукурю-Мару» (экипаж получил лучевую болезнь, один из членов команды умер — правда, не в результате облучения как такового, а из-за заражения гепатитом при переливании крови).

10 октября 1957 года в ядерном центре «Селлафилд» на юго-западе Англии перегрелась и вспыхнула графитовая кладка оружейного реактора. Причиной стал эффект накопления графитом части энергии, передаваемой нейтронами: при неблагоприятных условиях эта энергия высвобождается и вызывает резкий разогрев блоков замедлителя. Персонал британского комплекса знал про эту опасность и время от времени устраивал профилактический нагрев активной зоны с целью высвободить накопившуюся энергию, но недостаток измерительной аппаратуры привел к выходу процесса из-под контроля и выбросу радиоактивных веществ за пределы комплекса. По оценкам медиков, этот инцидент вызвал в последующие годы около тридцати смертей онкологического происхождения.

А всего за 12 дней до этого, 29 сентября 1957 года, на советском химкомбинате «Маяк» случилась еще более серьезная авария. Из-за отказа системы охлаждения сначала перегрелся, а потом и взорвался резервуар с 300 кубометрами высокоактивных отходов. Метровой толщины крышка из бетона высшего сорта массой около ста тонн была откинута в сторону, и облако из радиоактивных веществ поднялось на высоту более километра, после чего развеялось по ветру и выпало осадками на территории в 23 тысячи квадратных километров вдоль реки Течи (для сравнения: площадь Москвы в пределах МКАД — менее тысячи).

Схема: Анатолий Лапушко / Chrdk.

Со всеми вытекающими

Еще раньше, с 1949 года, в ту же многострадальную речку Теча стали сбрасывать жидкие отходы цехов, занятых переработкой облученного топлива. Емкости для хранения этих опасных веществ (одна из которых, собственно, потом и взорвалась) были переполнены, а отходов внезапно получилось заметно больше предполагавшегося количества. Система упаривателей, призванных убирать из растворов радионуклидов воду и тем самым уменьшать объем жидкости, под действием радиации проржавела, и руководство комбината решило, что не стоит останавливать стратегически важное производство, а воспользоваться тем, что поблизости есть река, в которую можно слить избыток растворов.

Идея о том, что радиоактивные вещества можно просто куда-нибудь тихонько (население про это не информировали) вылить или выкинуть, была вообще на редкость популярна в прошлом веке.

По данным МАГАТЭ, на дне Карского, Баренцова и Норвежского морей продолжают лежать 18 ядерных реакторов, причем 11 из них затоплены вместе с топливом или его частью. Эти захоронения, равно как и 19 судов с радиоактивными отходами, оказались на дне не в результате аварий (как произошло с субмаринами «Комсомолец», поднятым затем «Курском» или К-159, которая вовсе затонула по дороге на утилизацию), а после целенаправленного затопления. Ядерные державы — от СССР и США до Швейцарии и Новой Зеландии — дружно топили радиоактивные отходы в морях и океанах, хотя размах их действий, конечно, различался. Сомнительное первое место в соревновании «утопи как можно больше терабеккерелей» занял СССР, второе с небольшим отрывом получили британцы, а вот американцы и китайцы то ли подошли к делу сознательнее, то ли попросту избежали попадания в отчет Международного агентства по атомной энергии.

Как взрослые

Попадание в перечень загрязнителей океана радиацией таких стран, как Новая Зеландия и Швейцария, может вызвать удивление: у них нет ядерного оружия, а новозеландцы вообще запретили использование ядерной энергии и даже заход в свои территориальные воды кораблей с реакторами на борту.

Однако до 1960-х Швейцария вела довольно успешную работу по созданию ядерной бомбы. Швейцарским специалистам удалось построить оружейные реакторы, создать технологию выделения из облученного топлива плутония и накопить двадцать килограммов пригодного для ядерного заряда материала. Не обошлось, конечно, без аварий: 21 января 1969 года в новом, всего несколько месяцев проработавшем реакторе на территории кантона Во произошло уже столь знакомое нам событие — проржавела труба. Вода из нее протекла на тепловыделяющую сборку, та тоже начала ржаветь, продукты коррозии заблокировали отвод тепла, урановая ячейка перегрелась, и активная зона частично расплавилась с нарушением герметичности корпуса реактора. По шкале INES это потянуло на 4 балла из 7 возможных — «аварию с локальными последствиями» (7 — Чернобыль, а 1 — «аномалия, отклонение от разрешенного режима эксплуатации» без серьезных последствий).

Новая Зеландия не имела оружейной программы, однако рассматривала перспективу обзавестись собственными АЭС в 1950-х годах. Тогда на островах нашли урановую руду, но дальше проектов и одного исследовательского реактора в университете Кентербери (1962—1981) дело не пошло, а в 1987-м страна объявила себя безъядерной зоной. Поскольку реактор был всего один, да и тот переданный из США, новозеландцы смогли избежать происшествий — редкое для тех времен достижение.

«Хиросима», «Нагасаки» и аварии вблизи берега

Затоплением отходов, спешной наработкой плутония и авариями на реакторах достижения военных не ограничились. Располагать всего лишь ядерными бомбами показалось недостаточным, и люди в погонах по обе стороны океана стали думать о том, как бы эти бомбы доставить противнику с использованием ядерной же энергии. Например, на подводной лодке с реактором вместо дизель-электрической установки. Про аварии на атомном флоте написан целый ряд книг, поэтому здесь будут лишь кратко перечислены ядерные происшествия.

Советская субмарина К-27 (неофициальное прозвище «Нагасаки») была единственным кораблем с использованием жидкого металла в качестве теплоносителя, и буквально в каждом ее походе происходила авария с утечкой радиоактивных веществ вкупе с серией сравнительно мелких «неядерных» происшествий вроде возгораний электрооборудования. В четвертой, самой серьезной, аварии 1968 года погибло девять человек, и после нее подлодка уже не выходила в море.

На К-19 (неофициально же прозванная «Хиросима») авария с разрушением активной зоны реактора произошла в первом же походе. В ходе ликвидации переоблучение получил весь экипаж, включая девять человек, которые скончались от лучевой болезни, несмотря на все усилия врачей. Спустя 11 лет, в 1972-м, на К-19 случился пожар, не имевший отношения к реакторам, но повлекший гибель еще 28 моряков; огонь же стал причиной катастроф К-8 (52 погибших, 1970-й) и К-278 «Комсомолец» (42 погибших, 1989-й). Американские «Трешер» и «Скорпион», ушедшие на дно со всем экипажем, погубил не реактор, а неполадки с балластной цистерной и взрыв торпеды соответственно. Но что делать с реакторами на дне, до сих пор неясно.

Подводная лодка К-19, на которой в 1961 году произошла первая в истории отечественного подводного флота авария ядерного реактора, поставлена для утилизации в эллинг судоремонтного завода «Нерпа». Фото: Лев Федосеев / ИТАР-ТАСС

Особняком стоит подлодка К-431, на которой в начале августа 1985 года перезаряжали активную зону реактора. После загрузки свежего топлива реактор протек на испытаниях, и ответственные за перегрузку решили справиться с ЧП без обращения к командованию. 10 августа крышку реактора приподняли плавучим краном, а когда мимо крана прошел на большой скорости катер и качнул судно волной, крышка поднялась вверх вместе со стержнями-поглотителями. Реактор, до того заглушенный, мгновенно набрал мощность и взорвался.

Весившую 12 тонн крышку реактора потом нашли в ста метрах от лодки, а установленное на время ремонта укрытие поверх корпуса субмарины просто испарилось вместе со всеми, кто был внутри. По уцелевшему обручальному кольцу физики затем рассчитали мощность дозы вблизи реактора в момент взрыва — свыше 50 тысяч рентген в час, при смертельной дозе в 400.

«Подобного кошмара не видел в жизни никогда»

Атомный подводный флот был опасным местом сам по себе, но еще больше проблем создали подлодки, отслужившие свою службу. Никто из ядерных держав поначалу даже не задумывался о том, как потом утилизировать отработанное топливо и ставшие радиоактивными металлоконструкции, поэтому упомянутая К-27 стояла у причала более десяти лет в ожидании хоть какого-то решения. Демонтировать остатки реактора с примыкающими трубопроводами оказалось невозможно, поэтому опасную зону залили битумом, а саму лодку затопили в Карском море, подальше от городов, в 1982 году. Много позже, уже в 2010-е годы, Росатом, получивший в наследство от славного советского прошлого все многообразие «ядерных капсул времени», неоднократно заявлял о проработке проекта подъема и утилизации корабля более современным способом, но эти планы пока не реализованы.

К девяностым годам ситуация стала критической. Один только СССР построил около двухсот пятидесяти атомных субмарин, из которых утилизации к этому моменту подлежало уже почти двести; в США к 1994 году было построено 180, а в очереди на утилизацию стояло 80. А специальные хранилища оказались забиты высокоактивными отходами еще раньше, и уже в 1982 году на 569-й береговой технической базе на Кольском полуострове произошла серьезная авария. По воспоминаниям Анатолия Сафронова, одного из руководителей ликвидации, складирование отработанного ядерного топлива (ОЯТ) производилось крайне специфическим образом:

«Когда я впервые зашел в хранилище, ужаснулся. Подобного кошмара не видел в жизни никогда и не представлял, что такое может быть. Представьте себе огромное здание без окон, окрашенное в черный цвет, стоящее на скале среди сопок. Въезд в здание № 5 украшали полусорванные с петель огромные ворота, деформированные перевозящими ОЯТ автомобилями. Внутри здание было разрушено, электрооборудование в аварийном состоянии, через крышу здания во многих местах можно было любоваться северным сиянием».

Методы борьбы с протечкой из бассейна, где лежало ОЯТ, были тоже своеобразные. В той же книге «Ядерная губа Андреева» сказано:

«В феврале 1982 года потек правый бассейн в хранилище здания № 5. Чтобы ликвидировать эту течь, начальник штаба БТБ предложил засыпать в бассейн 20 мешков муки, т. е. „заклеить“ трещину мучным тестом. Естественно, что это решение к ожидаемому результату не привело. Течь продолжалась».

В другом источнике, воспоминаниях руководителя аварийно-восстановительных работ В.А. Перовского сказано, что «протечки в виде моросящего дождя шли по всему основанию бассейна». А на фотографиях из «Ядерной губы Андреева» видно, что контейнеры с ОЯТ в хранилище были буквально свалены кучами.

Ликвидация этой аварии и перегрузка ОЯТ заняла несколько лет. Часть топлива была отправлена на переработку, а часть сгрузили в новое хранилище, но последнее было построено в качестве временного, и окончательно вопрос безопасного хранения высокоактивных отходов до сих пор не решен. С 2017 года ОЯТ из губы Андреева вывозят на «Маяк» для утилизации, и, согласно планам Росатома, на окончательную ликвидацию объекта потребуется около десяти лет.

Комплекс хранения и переработки ядерных отходов в американском Хэнфорде тоже нельзя назвать беспроблемным местом. Год назад там произошел обвал на стыке двух подземных тоннелей в хранилище, а одну из цистерн для хранения жидких отходов пришлось вывести из эксплуатации и закрыть из-за протечек — правда, руководство комплекса утверждает, что опасная жидкость не просочилась за пределы внешней оболочки. Баки, которые использовались в 1940-е и 1950-е годы, текли постоянно, а к 1989 году территория комплекса была буквально нашпигована отходами. По данным общественной организации Hanford Challenge, очистить это «самое загрязненное в Западном полушарии место» обойдется в 115 миллиардов долларов, а работа займет несколько поколений.

Хранилище отработавшего ядерного топлива и радиоактивных отходов в губе Андреева (бывшее хранилище ОЯТ атомных подводных лодок Северного флота). Фото: Лев Федосеев / ТАСС

Если говорить о подлодках, то реализуемая в России при международной поддержке программа их утилизации по крайней мере уберет наиболее опасные источники заражения. В США и Британии атомные подлодки тоже списывают, и есть основания считать, что рано или поздно большая часть ОЯТ вкупе с самыми облученными деталями окажется глубоко под землей.

Cложнее обстоит дело с безопасной утилизацией отходов ядерной энергетики, и дело тут не только в их количестве. Так, до сих пор не решен вопрос перехода на реакторы-размножители (это теоретически может сократить число отходов и позволит применять уран-238 вместо куда более дорогого урана-235), хотя соответствующие технологии разрабатывались с самого начала ядерной эры. Первые военные реакторы делались именно для переработки урана-238 в плутоний-239, но программы ядерного вооружения получали несравненно больше ресурсов в сравнении с задачей создать ядерный цикл с минимальным числом отходов и возможностью использовать топливо подешевле.

Ядерный полет

В завершение стоит рассказать о проекте, который дошел до испытаний, но от которого отказались из-за радиационных рисков. Как несложно догадаться, закрытие военной программы с такой формулировкой в 1960-х годах означало что-то совсем запредельное, и проект ядерного летательного аппарата действительно оказался перебором даже по меркам того времени.

Ядерный реактивный двигатель представлял собой реактор, разогретый до очень высокой температуры. В него с одной стороны поступал холодный (и пока что чистый) воздух, а с другой стороны на большей скорости выбрасывалась струя раскаленного воздуха с изрядной примесью потихоньку разваливающейся от температурной нагрузки активной зоны. Самолет, оставляющий за собой радиоактивное заражение, планировалось применять для доставки ядерных боеприпасов к противнику. Конструкторы предполагали, что он сможет развивать сверхзвуковые скорости даже на малых высотах и за счет этого уходить от противовоздушной обороны.

Программа «Плутон» в США дошла до испытаний двигателя, поставленного на железнодорожное шасси, — в 1961-м он проработал несколько секунд, а в 1964-м — все пять минут. Однако в том же 1964-м руководство Пентагона решило отказаться от проекта в силу трех причин: во-первых, у армии уже были баллистические ракеты, во-вторых, создание крылатой ракеты с ядерным двигателем могло подтолкнуть СССР к разработке чего-то похожего и вывести гонку вооружений на еще более опасный уровень, а в-третьих, запуск ядерного аппарата неизбежно оставлял радиоактивный след и на своей территории.

О создании — или по меньшей мере разработке — такого оружия упомянул президент России Владимир Путин во время своего выступления 1 марта 2018 года. О том, как проходят испытания, куда именно падают реакторы и сколько радионуклидов попадает в атмосферу, в открытых источниках не сообщается.

Алексей Тимошенко

DOE объясняет … Ядра | Министерство энергетики

В 1911 году Эрнест Резерфорд обнаружил, что в основе каждого атома лежит ядро. Атомные ядра состоят из электрически положительных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Они удерживаются вместе самой сильной известной фундаментальной силой, называемой сильной силой. Ядро составляет намного меньше, чем 0,01% от объема атома, но обычно содержит более 99,9% от массы атома.Химические свойства вещества определяются отрицательно заряженными электронами, окружающими ядро. Число электронов обычно совпадает с числом протонов в ядре. Некоторые ядра нестабильны и могут подвергаться радиоактивному распаду, в конечном итоге переходя в стабильное состояние за счет испускания фотонов (гамма-распад), испускания или захвата электронов или позитронов (бета-распад), испускания ядер гелия (альфа-распад) или их комбинации. этих процессов. Большинство ядер имеют сферическую или эллипсоидальную форму, хотя существуют и некоторые экзотические формы.Ядра могут вибрировать и вращаться при ударе других частиц. Некоторые из них нестабильны и распадаются на части или изменяют относительное количество протонов и нейтронов.

Управление науки Министерства энергетики: вклад в исследования ядер

Управление ядерной физики Министерства энергетики США поддерживает исследования, направленные на изучение всех форм ядерной материи. Это исследование включает механизмы, которые образуют тяжелые ядра при слиянии космических нейтронных звезд. Он также включает раскрытие ранее неизвестных свойств ядер в их естественном состоянии для важных приложений в медицине, торговле и национальной обороне.Другая область исследования — точное понимание структуры ядер в зависимости от количества протонов и нейтронов внутри них. Другое исследование сосредоточено на нагревании ядер до температуры ранней Вселенной, чтобы понять, как они конденсировались из кварк-глюонного супа, существовавшего в то время.

Nuclei Facts

Типичная песчинка содержит более 10 миллионов триллионов ядер. Это в 100 раз больше, чем количество секунд с момента возникновения Вселенной.
Ядро составляет более 99,9994% общей атомной массы, но занимает менее одной десятитриллионной части атомного объема.
Все ядра имеют примерно одинаковую плотность. Если бы Луна была разбита до такой же плотности, она бы поместилась на стадионе Янки.

Ресурсы и связанные с ними термины

Научные термины могут сбивать с толку. DOE Explains предлагает простые объяснения ключевых слов и концепций фундаментальной науки.В нем также описывается, как эти концепции применяются к работе, которую проводит Управление науки Министерства энергетики США, поскольку это помогает Соединенным Штатам преуспеть в исследованиях во всем научном спектре.

Атомных ядер в квантовом колебании — ScienceDaily

От атомных часов до безопасной связи с квантовыми компьютерами: эти разработки основаны на улучшении управления квантовым поведением электронов в атомных оболочках с помощью лазерного света.Теперь впервые физикам из Института ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге удалось точно контролировать квантовые скачки в атомных ядрах с помощью рентгеновского света. По сравнению с электронными системами, ядерные квантовые скачки являются экстремальными — с энергиями до миллионов раз выше и невероятно короткими зептосекундными процессами. Зептосекунда — это одна триллионная миллиардной секунды. Награды включают глубокое понимание квантового мира, сверхточные ядерные часы и ядерные батареи с огромной емкостью.Для эксперимента потребовалась сложная рентгеновская вспышка, разработанная группой Гейдельберга под руководством Йорга Эверса в рамках международного сотрудничества.

Один из величайших успехов современной физики — это все более точное управление динамическими квантовыми процессами. Это позволяет глубже понять квантовый мир со всеми его странностями, а также является движущей силой новых квантовых технологий. Но с точки зрения атомов «когерентный контроль» до сих пор оставался поверхностным: это квантовый скачок электронов во внешней оболочке атомов, который становится все более управляемым с помощью лазеров.Но, как объясняет Кристоф Кейтель, атомные ядра сами по себе также являются квантовыми системами, в которых ядерные строительные блоки могут совершать квантовые скачки между различными квантовыми состояниями.

Энергетические квантовые скачки для ядерных батарей

«Помимо этой аналогии с электронными оболочками, есть огромные различия, — объясняет директор Института ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге. — Они нас так взволновали!» Квантовые скачки между различными квантовыми состояниями на самом деле являются скачками по своего рода энергетической лестнице.«И энергии этих квантовых скачков часто на шесть порядков больше, чем в электронной оболочке», — говорит Кейтель. Один квантовый скачок, совершаемый ядерным компонентом, может, таким образом, накачать в него в миллион раз больше энергии — или получить ее снова. Это породило идею ядерных батарей с беспрецедентной емкостью.

Такие технические приложения — все еще видение будущего. В настоящее время исследования включают в себя целенаправленное рассмотрение и контроль этих квантовых скачков.Для этого требуется точно контролируемый высокоэнергетический рентгеновский свет. Команда Гейдельберга работает над такой экспериментальной техникой более 10 лет. Сейчас его использовали впервые.

Точные частоты обеспечивают сверхточные атомные часы

Квантовые состояния атомных ядер обладают еще одним важным преимуществом перед электронными состояниями. По сравнению с электронными квантовыми скачками они выражены гораздо резче. Поскольку это непосредственно переводится в более точные частоты в соответствии с законами физики, они, в принципе, могут использоваться для чрезвычайно точных измерений.Например, это может позволить разработать сверхточные ядерные часы, которые сделают сегодняшние атомные часы похожими на устаревшие маятниковые часы. В дополнение к техническому применению таких часов (например, в навигации), их можно было бы использовать для более точного изучения основ современной физики. Это включает в себя фундаментальный вопрос о том, действительно ли постоянные природы постоянны. Однако такие прецизионные методы требуют контроля квантовых переходов в ядрах.

Скоординированные световые вспышки усиливают или уменьшают возбуждение

Принцип экспериментальной техники Гейдельберга на первый взгляд кажется довольно простым. Он использует импульсы (то есть вспышки) высокоэнергетического рентгеновского излучения, которые в настоящее время предоставляются Европейским источником синхротронного излучения ESRF в Гренобле. Эксперимент разделяет эти рентгеновские импульсы в первом образце таким образом, что второй импульс следует за остальной частью первого импульса с временной задержкой.Один за другим оба сталкиваются со вторым образцом, фактическим объектом исследования.

Первый импульс очень короткий и содержит широкий набор частот. Как выстрел из дробовика, он вызывает квантовый скачок в ядрах; в первом эксперименте это было особое квантовое состояние в ядрах атомов железа. Второй импульс намного длиннее и имеет энергию, точно настроенную на квантовый скачок. Таким образом, он может специально управлять квантовой динамикой, запускаемой Импульсом 1.Промежуток времени между двумя импульсами можно регулировать. Это позволяет команде настроить, будет ли второй импульс более конструктивным или деструктивным для квантового состояния.

Гейдельбергские физики сравнивают этот механизм управления с качелями. Вы нажимаете на него первым импульсом. В зависимости от фазы его колебаний, в которой вы даете ему второй толчок, он колеблется еще сильнее или замедляется.

Импульсное управление с точностью до нескольких зептосекунд

Но то, что звучит просто, — это техническая проблема, требующая многих лет исследований.Контролируемое изменение квантовой динамики атомного ядра требует, чтобы задержка второго импульса была стабильной на невообразимо коротком временном масштабе в несколько зептосекунд. Потому что только тогда два импульса работают вместе контролирующим образом.

Зептосекунда — это одна триллионная миллиардной секунды, или десятичная точка, за которой следуют 20 нулей и 1. За одну зептосекунду свет не может пройти даже через один процент атома среднего размера. Как это можно представить применительно к нашему миру? «Если представить себе, что атом размером с Землю, это будет около 50 км, — говорит Йорг Эверс, инициировавший проект.

Выборка смещена на 45 триллионных долей метра

Второй импульс рентгеновского излучения задерживается из-за крошечного смещения первого образца, также содержащего ядра железа с соответствующим квантовым переходом. «Ядра избирательно накапливают энергию первого рентгеновского импульса в течение короткого периода времени, в течение которого образец быстро сдвигается примерно на половину длины волны рентгеновского света», — объясняет Томас Пфайфер, директор Института ядерной энергетики им. Макса Планка. Физика в Гейдельберге.Это соответствует примерно 45 триллионным метра. После этого крошечного движения образец излучает второй импульс.

Физики сравнивают свой эксперимент с двумя камертонами, которые находятся на разном расстоянии от петарды (рис. 2). Удар сначала ударяет по камертону ближе к нему, заставляя его вибрировать, а затем переходит ко второму камертону. Между тем, первый камертон, который теперь возбужден, сам излучает звуковые волны, которые с задержкой достигают второй вилки. В зависимости от времени задержки этот звук либо усиливает, либо гасит колебания второй вилки — точно так же, как второе нажатие на колеблющееся колебание, а также в случае возбужденных ядер.

С помощью этого эксперимента Йорг Эверс, Кристоф Кейтель и Томас Пфайфер и их команда из Института ядерной физики Макса Планка в сотрудничестве с исследователями из DESY в Гамбурге и Института Гельмгольца / Университета Фридриха Шиллера в Йене впервые продемонстрировали когерентный контроль ядерных возбуждений. В дополнение к синхротронным установкам, таким как в ESRF, лазеры на свободных электронах (FEL), такие как европейский XFEL в DESY, недавно предоставили мощные источники рентгеновского излучения — даже лазерного качества.Это открывает динамичное будущее для развивающейся области ядерной квантовой оптики.

Атомный век начался 75 лет назад с первой контролируемой цепной ядерной реакции

Следующее эссе перепечатано с разрешения The Conversation, онлайн-публикации, посвященной последним исследованиям.

Во время рождественских каникул 1938 года физики Лиз Мейтнер и Отто Фриш получили загадочные научные новости в частном письме от химика-ядерщика Отто Хана. При бомбардировке урана нейтронами Хан сделал несколько удивительных наблюдений, которые противоречили всему, что было известно в то время о плотных ядрах атомов — их ядрах.

Мейтнер и Фриш смогли объяснить то, что он увидел, что произвело революцию в области ядерной физики: ядро урана могло разделиться пополам — или делиться, как они это называли, — с образованием двух новых ядер, называемых осколками деления. Что еще более важно, этот процесс деления высвобождает огромное количество энергии. Это открытие на заре Второй мировой войны стало началом научной и военной гонки за понимание и использование этого нового атомного источника энергии.

Предоставление этих результатов академическому сообществу немедленно вдохновило многих ученых-ядерщиков на дальнейшее исследование процесса ядерного деления.Физик Лео Сцилард сделал важное открытие: если при делении испускаются нейтроны, а нейтроны могут вызывать деление, то нейтроны от деления одного ядра могут вызывать деление другого ядра. Все это может происходить каскадом в рамках самоподдерживающегося «цепного» процесса.

Так начались поиски экспериментального доказательства возможности ядерной цепной реакции — и 75 лет назад исследователям из Чикагского университета это удалось, открыв дверь в то, что впоследствии стало ядерной эрой.

Обуздание деления

В рамках Манхэттенского проекта по созданию атомной бомбы во время Второй мировой войны Сциллард работал вместе с физиком Энрико Ферми и другими коллегами из Чикагского университета над созданием первого в мире экспериментального ядерного реактора.

Для устойчивой управляемой цепной реакции каждое деление должно вызывать только одно дополнительное деление. Еще немного, и будет взрыв. Еще меньше — и реакция угаснет.

В более ранних исследованиях Ферми обнаружил, что ядра урана будут легче поглощать нейтроны, если нейтроны движутся относительно медленно. Но нейтроны, испускаемые при делении урана, быстры. Итак, для эксперимента в Чикаго физики использовали графит, чтобы замедлить испускаемые нейтроны за счет множественных процессов рассеяния.Идея заключалась в том, чтобы увеличить шансы нейтронов быть поглощенными другим ядром урана.

Чтобы убедиться, что они могут безопасно контролировать цепную реакцию, команда собрала вместе то, что они назвали «стержнями контроля». Это были просто листы кадмия, отличного поглотителя нейтронов. Физики протянули управляющие стержни через уран-графитовый котел. На каждом этапе процесса Ферми рассчитывал ожидаемую эмиссию нейтронов и медленно снимал управляющий стержень, чтобы подтвердить свои ожидания.В качестве механизма безопасности кадмиевые регулирующие стержни могут быть быстро вставлены, если что-то пойдет не так, чтобы остановить цепную реакцию.

Они назвали эту установку размером 20x6x25 футов Chicago Pile Number One, или сокращенно CP-1 — и именно здесь они получили первую в мире управляемую цепную ядерную реакцию 2 декабря 1942 года. Одного случайного нейтрона было достаточно, чтобы запустить цепную реакцию. процесс, когда физики собрали СР-1. Первый нейтрон вызовет деление ядра урана с испусканием набора новых нейтронов.Эти вторичные нейтроны попадают в ядра углерода в графите и замедляются. Затем они сталкивались с другими ядрами урана и вызывали второй цикл реакций деления, испускали еще больше нейтронов и так далее. Управляющие стержни кадмия гарантировали, что процесс не будет продолжаться бесконечно, потому что Ферми и его команда могли точно выбирать, как и куда их вставить, чтобы контролировать цепную реакцию.

Контроль цепной реакции был чрезвычайно важен: если баланс между производимыми и поглощенными нейтронами был неправильным, то цепные реакции либо вообще не протекали бы, либо в другой, гораздо более опасной крайности, цепные реакции быстро умножались бы с увеличением количества нейтронов. высвобождение огромного количества энергии.

Иногда через несколько секунд после того, как происходит деление в цепной ядерной реакции, высвобождаются дополнительные нейтроны. Осколки деления обычно радиоактивны и могут испускать различные типы излучения, в том числе нейтроны. Сразу же Энрико Ферми, Лео Сцилард, Юджин Вигнер и другие признали важность этих так называемых «запаздывающих нейтронов» в управлении цепной реакцией.

Если бы они не были приняты во внимание, эти дополнительные нейтроны вызвали бы больше реакций деления, чем предполагалось.В результате цепная ядерная реакция в их эксперименте в Чикаго могла выйти из-под контроля с потенциально разрушительными результатами. Однако, что более важно, эта временная задержка между делением и высвобождением большего количества нейтронов дает людям некоторое время, чтобы отреагировать и внести коррективы, контролируя мощность цепной реакции, чтобы она не протекала слишком быстро.

События 2 декабря 1942 года стали важной вехой. Выяснение того, как создать и контролировать цепную ядерную реакцию, стало основой для 448 ядерных реакторов, производящих сегодня энергию во всем мире.В настоящее время 30 стран включают ядерные реакторы в свой энергетический портфель. В этих странах ядерная энергия дает в среднем 24 процента их общей электроэнергии, а во Франции этот показатель достигает 72 процентов.

Успех

CP-1 также имел важное значение для продолжения Манхэттенского проекта и создания двух атомных бомб, использованных во время Второй мировой войны.

Остальные вопросы физиков

Поиски понимания испускания запаздывающих нейтронов и деления ядер продолжаются в современных лабораториях ядерной физики.Сегодняшняя гонка ведется не за создание атомных бомб или даже ядерных реакторов; это для понимания основных свойств ядер посредством тесного сотрудничества между экспериментом и теорией.

Исследователи наблюдали деление экспериментально только для небольшого числа изотопов — различных версий элемента в зависимости от того, сколько нейтронов у каждого из них — и детали этого сложного процесса еще недостаточно понятны. Современные теоретические модели пытаются объяснить наблюдаемые свойства деления, такие как количество выделяемой энергии, количество испускаемых нейтронов и массы осколков деления.

Запаздывающее испускание нейтронов происходит только для ядер, которые не встречаются в природе, и эти ядра живут очень короткое время. Хотя эксперименты выявили некоторые ядра, испускающие запаздывающие нейтроны, мы еще не можем достоверно предсказать, какие изотопы должны обладать этим свойством. Мы также не знаем точных вероятностей испускания запаздывающих нейтронов или количества выделяемой энергии — свойств, которые очень важны для понимания деталей производства энергии в ядерных реакторах.

Кроме того, исследователи пытаются предсказать новые ядра, в которых возможно деление ядер. Они создают новые эксперименты и новые мощные установки, которые обеспечат доступ к ядрам, которые никогда ранее не изучались, в попытке напрямую измерить все эти свойства. Вместе новые экспериментальные и теоретические исследования дадут нам гораздо лучшее понимание деления ядер, что может помочь улучшить характеристики и безопасность ядерных реакторов.

Как деление, так и испускание запаздывающих нейтронов — это процессы, которые также происходят внутри звезд.Создание тяжелых элементов, таких как серебро и золото, в частности, может зависеть от свойств экзотических ядер, связанных с делением и испусканием запаздывающих нейтронов. Деление разбивает самые тяжелые элементы и заменяет их более легкими (осколками деления), полностью меняя элементный состав звезды. Запаздывающее излучение нейтронов добавляет к звездной среде больше нейтронов, что может затем вызвать новые ядерные реакции. Например, ядерные свойства сыграли жизненно важную роль в событии слияния нейтронной звезды, которое недавно было обнаружено гравитационно-волновыми и электромагнитными обсерваториями по всему миру.

Наука прошла долгий путь со времени видения Сцилларда и доказательства Ферми контролируемой цепной ядерной реакции. В то же время возникли новые вопросы, и еще многое предстоит узнать об основных ядерных свойствах, которые управляют цепной реакцией, и ее влиянии на производство энергии здесь, на Земле, и в других местах нашей Вселенной.

Эта статья изначально была опубликована на сайте The Conversation. Прочтите оригинальную статью.

Как это было, когда во Вселенной впервые образовались атомы?

Когда свободные электроны рекомбинируют с ядрами водорода, они спускаются вниз по энергетическим уровням… [+] испускающие фотоны на ходу. Чтобы стабильные нейтральные атомы сформировались в ранней Вселенной, они должны достичь основного состояния, не производя потенциально ионизирующий ультрафиолетовый фотон.

Ярко-оранжевый и Енох Лау / Wikimdia Commons

Что касается нашего мира, нашей Солнечной системы и всего, что мы видим во Вселенной, все это состоит из одних и тех же ингредиентов: атомов. Электроны и атомные ядра взаимодействуют и соединяются, образуя не только отдельные атомы, но и простые и сложные молекулы, некоторые из которых породили макроскопические структуры и даже жизнь.Это один из самых впечатляющих фактов о Вселенной: она существует таким образом, чтобы допустить сложную структуру, которую мы находим в ней сегодня.

Но в течение сотен тысяч лет, начиная с момента горячего Большого взрыва, было невозможно сформировать даже один атом. Для их создания потребовалось огромное количество космической эволюции и ряд важных шагов. Вот история того, как мы сюда попали.

Колебания плотности космического микроволнового фона (CMB) дают семена современности… [+] формирование космической структуры, включая звезды, галактики, скопления галактик, волокна и крупномасштабные космические пустоты. Но само реликтовое излучение невозможно увидеть до тех пор, пока Вселенная не сформирует нейтральные атомы из своих ионов и электронов, что займет сотни тысяч лет.

Крис Блейк и Сэм Мурфилд

К тому времени, когда Вселенной исполнилось четыре минуты, она уже завершила синтез всех атомных ядер, которые она может сплавить в этом горячем, плотном, раннем состоянии. Свободных нейтронов больше нет; все они были включены в более тяжелые ядра.К ним относятся:

Гелий-4 (два протона и два нейтрона),
Дейтерий (один протон и нейтрон),
Гелий-3 (два протона и один нейтрон) и тритий (один протон и два нейтрона),
и литий-7 (три протона и четыре нейтрона) и бериллий-7 (четыре протона и три нейтрона).

Вот и все. Свободных электронов ровно достаточно, чтобы поддерживать электрическую нейтральность Вселенной, точно уравновешивая количество протонов.Хотя фотоны, частицы, которые являются квантами света, непрерывно рассеиваются как на электронах, так и на атомных ядрах, они слишком горячие или энергичные, чтобы что-то еще могло образоваться.

Прогнозируемое содержание гелия-4, дейтерия, гелия-3 и лития-7, предсказанное Большим взрывом … [+] Нуклеосинтез, с наблюдениями, показанными в красных кружках. Вселенная состоит на 75-76% водорода, 24-25% гелия, немного дейтерия и гелия-3 и незначительное количество лития. Первые звезды во Вселенной будут состоять из этой комбинации элементов; ничего больше.

Научная группа НАСА / WMAP

Причина этого проста: у этих ядер недостаточно энергии, чтобы слиться в более тяжелые комбинации, но у электронов слишком много энергии, чтобы связываться с ними и образовывать атомы. На самом деле, есть способ — слишком много энергии для образования нейтральных атомов. К тому времени, как Вселенной исполнилось несколько минут, температура все еще составляет сотни миллионов градусов, но для образования стабильного нейтрального атома температура должна упасть ниже нескольких тысяч градусов.

Конечно, Вселенная расширяется, что означает ее охлаждение по мере увеличения длины волны света внутри нее. Но чтобы растянуть так много — примерно в 100 000 раз — потребуется много времени.

Излучение смещается в красную область по мере расширения Вселенной, что означает, что в прошлом Вселенная … [+] было более энергичным, с большим количеством энергии на фотон. Неважно, преобладает ли во Вселенной материя или излучение; красное смещение реально.

E.Сигел / За гранью галактики

Итак, Вселенная ждет. И со временем он расширяется и остывает. Когда минуты превращаются в часы, а затем в дни, бериллий-7 начинает радиоактивно распадаться. Улавливая электроны, он медленно превращается в литий-7, и через год или два он практически полностью исчезает. По мере того, как годы превращаются в десятилетия, тритий радиоактивно распадается (посредством электронной эмиссии) на гелий-3. Преобразование завершается примерно через столетие.

И все же еще слишком жарко, чтобы образовать стабильный атом.Таким образом, Вселенная расширяется, охлаждается и становится менее плотной.

По мере того, как ткань Вселенной расширяется, длины волн любого присутствующего излучения растягиваются как … [+] хорошо. Это приводит к тому, что Вселенная становится менее энергичной и делает невозможными многие высокоэнергетические процессы, которые происходят спонтанно в ранние времена, в более поздние, более холодные эпохи. Потребуются сотни тысяч лет, чтобы Вселенная остыла настолько, чтобы могли образоваться нейтральные атомы.

Э. Сигель / Beyond The Galaxy

По мере того как столетия переходят в тысячелетия, красное смещение этих фотонов — количество которых превышает число других частиц примерно на миллиард к одному — становится настолько сильным, что они теряют почти всю свою энергию.Через несколько десятков тысяч лет плотность излучения падает ниже плотности материи, а это означает, что во Вселенной теперь преобладает медленно движущаяся материя, а не излучение, которое движется со скоростью света.

С этим критическим изменением гравитация может собирать темную материю в сгустки, которые растут и растут, притягивая к себе все больше материи. Без излучения, смывающего эти сгустки, Вселенная начинает формировать структуру. Посажены семена нашей космической сети.

Колебания CMB основаны на изначальных колебаниях, вызванных инфляцией.В частности … [+] «плоская часть» в больших масштабах (слева) не имеет объяснения без надувания. Плоская линия представляет собой семена, из которых вырастет пик и впадина в течение первых 380 000 лет существования Вселенной.

Научная группа НАСА / WMAP

Но еще слишком горячо, чтобы образовывать нейтральные атомы. Каждый раз, когда электрон успешно связывается с атомным ядром, он делает две вещи:

Он излучает ультрафиолетовый фотон, потому что атомные переходы всегда предсказуемо каскадированы по уровням энергии.
Его бомбардируют другие частицы, включая около миллиарда фотонов, которые существуют на каждый электрон во Вселенной.

И на этих ранних стадиях, даже когда Вселенной десятки тысяч лет, существует достаточно фотонов с достаточной энергией, поэтому как только электрон связывается с ядром — будь то свободный протон или более тяжелое ядро - он немедленно разлетается на части.

В ранние времена (слева) фотоны рассеиваются от электронов, и их энергия достаточно высока, чтобы сбить кого-либо… [+] атомы возвращаются в ионизированное состояние. Как только Вселенная достаточно остынет и лишится таких высокоэнергетических фотонов (справа), они не смогут взаимодействовать с нейтральными атомами и вместо этого просто будут свободно течь, поскольку у них неправильная длина волны, чтобы возбуждать эти атомы на более высокий энергетический уровень.

Э. Сигель / За пределами Галактики

Но что-то начинает меняться, когда Вселенная достигает возраста примерно 300 000 лет. Фоновые фотоны, которые являются частью оставшегося Большого взрыва, становятся слишком холодными, чтобы немедленно оттолкнуть электроны от их ядер.Есть еще несколько таких очень высоких энергий, но сейчас таких фотонов меньше, чем электронов во Вселенной; менее 1 из миллиарда фотонов могут ионизировать нейтральный атом.

Это означает, что нейтральные атомы могут начать формироваться, но есть проблема с их сохранением. Когда вы формируете стабильный нейтральный атом, они излучают ультрафиолетовые фотоны. Затем эти фотоны продолжают движение по прямой линии, пока не встретят другой нейтральный атом, который затем ионизируют. Несмотря на то, что мы можем создать небольшое количество нейтральных атомов, они не останутся такими.

По мере охлаждения Вселенной образуются атомные ядра, а по мере дальнейшего охлаждения следуют нейтральные атомы. Все … [+] эти атомы (практически) представляют собой водород или гелий, и процесс, который позволяет им стабильно образовывать нейтральные атомы, занимает сотни тысяч лет.

Э. Сигель

Вы можете подумать, что в конечном итоге эти ультрафиолетовые фотоны будут путешествовать в космосе достаточно долго, чтобы они сместились в красное смещение и больше не взаимодействовали (потому что у них неправильная длина волны) с нейтральными атомами.Что они больше не будут их возбуждать, что сделает их неспособными к ионизации.

Это правда, что этот эффект случается, но он ответственен только за несколько процентов нейтральных атомов, которые впервые образуются во Вселенной. Вместо этого появляется другой эффект, который доминирует. Это крайне редко, но, учитывая все атомы во Вселенной и более 100000 лет, которые требуется атомам, чтобы окончательно и стабильно стать нейтральными, это невероятная и сложная часть истории.

Когда вы переходите с s-орбитали на s-орбиталь с более низкой энергией, вы можете в редких случаях сделать … [+] это посредством излучения двух фотонов с одинаковой энергией. Этот двухфотонный переход происходит даже между состоянием 2s (первое возбужденное) и состоянием 1s (основным), примерно один раз из каждых 100 миллионов переходов.

Р. Рой и др., Optics Express 25 (7): 7960 · апрель 2017 г.

В большинстве случаев в атоме водорода, когда у вас есть электрон, занимающий первое возбужденное состояние, он просто опускается до состояния с наименьшей энергией, испуская ультрафиолетовый фотон определенной энергии: альфа-фотон Лаймана.Но примерно 1 раз из 100 миллионов переходов, выпадение будет происходить по другому пути, вместо этого испуская два фотона с более низкой энергией. Это известно как двухфотонный распад или переход, и именно он в первую очередь ответственен за то, что Вселенная становится нейтральной.

Когда вы испускаете одиночный фотон, он почти всегда сталкивается с другим атомом водорода, возбуждая его и в конечном итоге приводя к его реионизации. Но когда вы излучаете два фотона, крайне маловероятно, что оба одновременно ударили в атом, а это означает, что вы получите еще один нейтральный атом.

Вселенная, в которой электроны и протоны свободны и сталкиваются с фотонами, переходя в нейтральную … [+] прозрачную для фотонов по мере того, как Вселенная расширяется и охлаждается. Здесь показана ионизированная плазма (L) до излучения реликтового излучения, за которым следует переход в нейтральную Вселенную (R), прозрачную для фотонов. Это впечатляющий двухфотонный переход в атоме водорода, который позволяет Вселенной стать нейтральной именно так, как мы ее наблюдаем.

Аманда Йохо

Остальное уже история.Конечно, для завершения процесса требуется более 100 000 лет, но именно так делает Вселенная. Этот двухфотонный переход, хотя и редкий, представляет собой процесс, в результате которого сначала образуются нейтральные атомы. Он переносит нас из горячей, заполненной плазмой Вселенной в почти такую же горячую Вселенную, заполненную на 100% нейтральными атомами. Хотя мы говорим, что Вселенная сформировала эти атомы через 380 000 лет после Большого взрыва, на самом деле это был медленный, постепенный процесс, для завершения которого потребовалось около 100 000 лет по обе стороны от этой цифры.Когда атомы становятся нейтральными, свету Большого взрыва не от чего рассеиваться. Это источник реликтового излучения: космический микроволновый фон.

Сборник Physics Today / AIP / SPL

Мы впервые обнаружили этот свет в 1964 году, подтвердив Большой взрыв и открыв эру современной космологии.На основании наших лучших наблюдений на данный момент мы смогли подтвердить эту впечатляющую картину, даже измерив глубину и толщину поверхности последнего рассеяния с этого времени. Двухфотонные переходы были проверены здесь, в лабораториях на Земле, и то, что мы наблюдали, представляет собой впечатляющее согласие между нашими теоретическими предсказаниями и тем, что на самом деле происходило в далеком прошлом Вселенной. Потребовалось около полумиллиона лет, чтобы Вселенная, наконец, полностью сформировала нейтральные атомы, и все это время гравитация начала собирать Вселенную в сгустки.Космическая история, которая должна была привести к нам, наконец, была готова перейти к следующему этапу.

Дополнительная литература о том, какой была Вселенная, когда:

Двойные рентгеновские вспышки контролируют атомные ядра

Современные эксперименты по квантовой динамике могут управлять квантовыми процессами электронов в атомах в значительной степени с помощью лазерных полей. Однако внутренняя жизнь атомных ядер обычно не играет роли, потому что их характерные масштабы энергии, времени и длины настолько экстремальны, что на них практически не влияют лазерные поля.Новые подходы вдохнули новую жизнь в ядерную физику, используя эту нечувствительность к внешним возмущениям и используя экстремальные масштабы атомных ядер для особо точных измерений. Таким образом, атомные ядра могут реагировать на рентгеновские лучи с чрезвычайно четко определенной энергией, возбуждая отдельные нуклоны — подобно электронам в атомной оболочке. Эти переходы могут использоваться как часовой механизм для точных ядерных часов, а это требует измерения ядерных свойств с высочайшей точностью.

Группа исследователей из физиков из Института ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге сделала шаг вперед, не только измеряя квантовую динамику атомных ядер, но и управляя ими с помощью рентгеновских импульсов подходящей формы с ранее недостижимыми временными рамками. стабильность в несколько зептосекунд — в 100 раз лучше, чем что-либо ранее достигнутое. Это открывает перед атомными ядрами набор инструментов когерентного управления, успешно внедренный в оптической спектроскопии, открывая совершенно новые возможности и перспективы.

Так называемое когерентное управление использует волновые свойства материи для управления квантовыми процессами с помощью электромагнитных полей, например лазерные импульсы. Помимо частоты или длины волны, каждое волновое явление характеризуется амплитудой (высотой волны) и фазой (временным положением гребней и впадин волн). Простая аналогия — это управление колебательными колебаниями с помощью периодических волнообразных толчков. Для этого необходимо контролировать точное время (фазу) толчка относительно раскачивающего движения.Если толкать встречные качели, они замедляются. Если же он удаляется, его отклонение увеличивается за счет толчка.

Аналогично, квантово-механические свойства вещества могут контролироваться посредством соответствующего точного управления приложенными лазерными полями. В последние десятилетия был достигнут большой прогресс и успех в когерентном управлении атомами и молекулами с временной точностью света вплоть до аттосекундного диапазона, миллиардной доли миллиардной доли секунды, что соответствует естественной шкале времени. электронов в атомах.Важными исследовательскими целями с возможными будущими применениями являются, например, контроль химических реакций или разработка новых, более точных эталонов времени.

В последние годы появление новых источников рентгеновского излучения с лазерным качеством (синхротронное излучение и лазеры на свободных электронах) открыло новую область: ядерная квантовая оптика. Физикам из отделов Кристофа Кейтеля и Томаса Пфайфера в Институте ядерной физики Макса Планка (MPIK) в Гейдельберге впервые удалось продемонстрировать когерентный контроль ядерных возбуждений с помощью рентгеновских лучей на Европейском синхротроне ESRF (Гренобль, Франция). ) в сотрудничестве с исследователями из DESY (Гамбург) и Института Гельмгольца / Университета Фридриха Шиллера (Йена).Достигнута стабильность когерентного управления в несколько зептосекунд (тысячная часть аттосекунды).

В эксперименте исследователи под руководством руководителя проекта Йорга Эверса (MPIK) использовали два образца, обогащенные изотопом железа ⁵⁷ Fe, которые облучались короткими импульсами рентгеновского излучения от синхротрона (рис. 1). В первом образце они генерировали управляемый двойной рентгеновский импульс, который затем использовался для управления динамикой ядер во втором образце. Исследуемые ядерные возбуждения, которые снова снимают возбуждение с помощью рентгеновского излучения, характеризуются очень высокой резкостью по энергии: так называемые мессбауэровские переходы.Открытие основного эффекта (Нобелевская премия 1961 г.) было сделано Рудольфом Мёссбауэром в 1958 г. в MPI для медицинских исследований, из которого в том же году был создан MPIK.

Для генерации двойного импульса ядра первого образца возбуждаются коротким рентгеновским импульсом и из-за высокой энергетической резкости выпускают это возбуждение сравнительно медленно в виде второго рентгеновского импульса. В эксперименте образец быстро перемещается между возбуждением и снятием возбуждения на небольшое расстояние, соответствующее примерно половине длины волны рентгеновского излучения.Это изменяет время прохождения второго импульса до второго образца и, таким образом, сдвигает положение волн двух рентгеновских импульсов (относительную фазу) относительно друг друга.

Этот двойной импульс теперь позволяет контролировать ядра во втором образце. Первый импульс возбуждает в ядре квантово-механическую динамику, аналогичную колебаниям. Второй импульс изменяет эту динамику в зависимости от относительной фазы двух рентгеновских импульсов. Например, если волна второго импульса попадает на второй образец в фазе с ядерной динамикой, ядра дополнительно возбуждаются.Изменяя относительную фазу, исследователи могли переключаться между дальнейшим возбуждением ядер и девозбуждением ядер и, таким образом, контролировать квантово-механическое состояние ядер. Это можно восстановить по измеренным интерференционным структурам рентгеновского излучения за вторым образцом (рис. 2).

Акустическая аналогия проиллюстрирована на рис. 3: здесь мессбауэровские ядра образцов соответствуют камертонам, которые возбуждаются коротким взрывом («стартовый выстрел», аналог синхротронного импульса) и, в свою очередь, звучат, слегка затухая с помощью их точно определенная частота.Звук первой вилки, таким образом, попадает во вторую вилку после удара как дополнительное возбуждение. В случае (а) эта звуковая волна движется напротив второй вилки, так что ее колебания не возбуждаются. В случае (b) первая вилка быстро сдвигается, так что ее звук соответствует движению второй вилки и, таким образом, возбуждает ее больше.

Учитывая крайние требования, предъявляемые к управлению атомными ядрами (смещение первого образца на половину длины волны порядка атомного радиуса), очевидно небольшое влияние внешних возмущений на качество эксперимента вызывает удивление.Тем не менее, это работает — из-за небольшой продолжительности последовательности измерений, во время которой основные мешающие движения практически замораживаются. Эта стабильность является предпосылкой для будущих новых приложений, основанных на ядерных переходах: более точные стандарты времени, исследование вариаций фундаментальных констант или поиск новой физики, выходящей за рамки общепринятых моделей.

В области атомной динамики широкое управление является ключом ко многим приложениям. Продемонстрированные здесь возможности открывают двери для новых экспериментальных подходов, основанных на управлении ядерной динамикой, например.грамм. путем подготовки ядер в определенных квантовых состояниях, позволяющих проводить более точные измерения. Поскольку будущие источники рентгеновского излучения позволят более сильное возбуждение ядер, также будут возможны ядерные батареи, которые могут накапливать и выделять большие количества энергии при внутреннем возбуждении ядер без ядерного деления или синтеза.

Оригинальная публикация:

Когерентный рентгенооптический контроль ядерных экситонов
K. P. Heeg, A. Kaldun, C. Strohm, C.Отт, Р. Субраманиан, Д. Лентродт, Дж. Хабер, Х.-К. Вилле, С. Герттлер, Р. Рюдер, К. К. Кейтель, Р. Рёльсбергер, Т. Пфайфер и Дж. Эверс
Nature 590 , 401 (2021), DOI: 10.1038 / s41586-021-03276-x

Дополнительная информация:

Группа «Коррелированная и рентгеновская квантовая динамика» в MPIK

Группа «Возбужденные атомы и молекулы в сильных полях» в MPIK

European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)

MPS press информация «Атомные ядра в квантовом колебании»

MPS информация для прессы «Резкие рентгеновские импульсы от атомного ядра»

Атомные ядра на балансе

Взвешивание атомных ядер помогает ответить на далеко идущие вопросы физики.Например, как звезды производят элементы. Однако для измерения массы короткоживущих атомных ядер ученым необходимо использовать сложные устройства.

Текст: Роланд Венгенмайр

В вакуумной камере физики создают тяжелые атомные ядра, стреляя ионным пучком в металлическую фольгу.

Взвешивание атомных ядер — зачем браться за такую задачу? Клаус Блаум явно привык к таким вопросам. Молодой директор Института ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге терпеливо объясняет, почему он строит, вероятно, самые чувствительные на сегодняшний день весы для крошечных объектов. Около 40 членов группы работают над этими прецизионными экспериментами в сотрудничестве с партнерами из других научных учреждений.Беседа быстро превращается в приключенческое путешествие от крошечных атомных ядер до великих вопросов физики. Удивительно, какое понимание может дать взвешивание атомных ядер.

Снова и снова Блаум вскакивает и подходит к большой карте нуклидов на стене офиса: широкая панорама разнообразных атомных ядер с их физическими свойствами. Блаум водит пальцем по маленьким квадратам, которые символизируют химические элементы и их более легкие или тяжелые изотопы с их переменным числом нейтронов; чем тяжелее элемент, тем правее его положение на графике.В крайнем правом углу, за ураном — элементом с атомным номером 92 — например, начинается царство тяжелых и сверхтяжелых элементов. Эти искусственно созданные ядра не остаются стабильными — они распадаются через несколько миллионных долей секунды или, самое большее, через несколько секунд.

Физики уже достигли элемента 118, но Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) официально подтвердил только элементы до 112. Помимо этих элементов, диаграмма выходит на неизведанную территорию.Физики давно предполагали, что где-то рядом с элементом 120 есть островок стабильности. «Ядра там могут жить годами», — объясняет Блаум. Предполагается, что тонкие квантовые эффекты образуют стабилизирующий ядерный клей на этом острове, который также оказывает мощное притяжение на исследователя Макса Планка. Его интересует не физический рекорд, а то, как формируются атомы — строительные блоки материи.

«Меня волнует вопрос о том, как возник мир», — говорит Блаум и сразу же переходит к астрофизике, потому что, в конце концов, звезды порождают почти все атомные строительные блоки материи, помимо водорода и гелия.Ученого особенно увлекает нуклеосинтез тяжелых химических элементов. Они возникают только в экстремальных условиях, которые существуют во время особенно драматической гибели звезды — сверхновой.

У астрофизики еще больше проблем, и Клаус Блаум хочет приблизиться к их решению, взвешивая атомные ядра. Фундаментальный вопрос касается массы нейтрино — вездесущих, всепроникающих частиц-призраков физики. Ответ, среди прочего, добавил бы еще один важный фрагмент к неразгаданной загадке, окружающей темную материю во Вселенной.Таким образом, как и любой тщательно продуманный прецизионный эксперимент, весы для атомных ядер одновременно используются в нескольких областях фундаментальных исследований. Но как выглядит такой экстремальный баланс? А как это работает? Блаум хочет продемонстрировать именно это в Центре исследований тяжелых ионов GSI им. Гельмгольца в Дармштадте, Германия.

Ядра срабатывают только при лобовых столкновениях

Два дня спустя мы стоим в большом экспериментальном зале в Дармштадте перед корабельной ловушкой. Этот, казалось бы, хаотический беспорядок из трубок, кабелей и ярких цифровых дисплеев не похож на масштаб, хотя на самом деле он продуман до мельчайших деталей.Атомные ядра, конечно, взвешиваются совсем не так, как мука или люди. Доктор Майкл Блок проводит экскурсию по объекту. Физик-атомщик является руководителем проекта этого эксперимента в GSI, который является результатом совместных усилий ученых Макса Планка из Гейдельберга и других немецких и международных исследовательских групп.

Майкл Блок проверяет напряжение на электродах ловушки на наличие тяжелых ядер. Сверхпроводящий магнит в белом барабане генерирует также необходимое магнитное поле.

Блок начинается с указания места образования тяжелых ядер. Именно здесь дармштадтские физики первыми создали в общей сложности шесть сверхтяжелых элементов, включая числа 110 и 112, которые им затем разрешили назвать дармштадтиумом и копернициумом.Важнейшим элементом является вакуумная камера, усиленные окна которой напоминают старомодный водолазный шлем. За окном блестит металлическая фольга, зажатая во вращающемся колесе. «Это цель», — объясняет Блок. Пучок ионов, например, электрически заряженных атомов, таких как ионы кальция, поражает эту цель. Перед столкновением электромагнитные поля мощного ускорителя GSI увеличили их скорость до десятков тысяч километров в секунду.

Один из многих триллионов ионов в пучке иногда попадает прямо в цель: его атомное ядро сталкивается лицом к лицу с ядром атома в металлической фольге.Однако это крайне редкое событие, поскольку атомные ядра невообразимо крошечные. Их диаметр составляет всего несколько фемтометров: несколько миллионных долей миллиметра. Если ядро ионного пучка сталкивается лицом к лицу с ядром в фольге, они сливаются вместе. В результате получается тяжелый или даже сверхтяжелый атом, хотя и электрически заряженный.

Импульс вырывает тяжелый ион из металлической фольги. В случае корабля (сепаратор продуктов реакции тяжелых ионов) он сначала проходит через скоростной фильтр, который отделяет его от частиц пучка.Затем ион прибывает в Корабельную ловушку. Прежде чем собственно взвешивание можно будет начать, его необходимо сначала замедлить с его высокой скорости почти до нуля — и это происходит на расстоянии менее полуметра!

Другая фольга и удлиненная ячейка, заполненная газообразным гелием, действуют как замедлитель: в ячейке тяжелый ион сталкивается с каскадом атомов гелия в массивном скоплении. Хотя принцип торможения прост, на разработку газовой ячейки ушли годы исследований. Даже с использованием технологии, используемой сегодня, только небольшой процент тяжелых ионов выживает в процессе замедления; большинство из них остаются застрявшими в фольге или ударяются о клеточную стенку, где они распадаются.

На круговой орбите атом обнаруживает свою массу

Выжившие ионы попадают в ловушку корабельной ловушки. Название шкалы было выбрано потому, что она состоит из так называемой ловушки Пеннинга, названной в честь голландского физика Франса Мишеля Пеннинга. Он расположен в очень сильном сверхпроводящем магните, и его магнитное поле и электрическое поле ловушки вместе образуют клетку для электрически заряженного иона. В клетке частица извивается по орбите, напоминающей спираль, скрепленную болтами, образуя круг.

Клаус Блаум перед корабельной ловушкой — аппаратом, который он и его коллеги используют для определения массы тяжелых атомных ядер.

«Ион, например, обращается миллион раз в секунду по этой орбите в форме розетки», — объясняет Блаум.Эта частота циркуляции уже содержит точную информацию о весе или, если использовать более точный физический термин, о массе иона. К сожалению, нет простого способа просто прочитать. Требуется трюк, который Блаум иллюстрирует на примере: представьте, что ион колеблется взад и вперед по своей орбите, как будто он колеблется. Частица возбуждается электромагнитным радиочастотным сигналом. Чем точнее его регулируемая частота соответствует характеристической частоте иона в ловушке, тем быстрее ион набирает скорость.Наконец, он выбрасывается из ловушки и попадает в детектор. Время, которое требуется иону, чтобы лететь туда, говорит физикам о характеристической частоте и, следовательно, о массе иона. В конечном итоге исследователи могут использовать это для вычисления массы атомного ядра с высокой точностью.

Ловушка Пеннинга, которая служит шкалой для тяжелых ядер, которую Клаус Блаум и его команда производят в GSI Darmstadt.

Используя этот метод, Блаум, Блок и их партнеры недавно преуспели в определении массы атомного ядра нобелия, элемента 102, с очень высокой точностью. «Наша публикация в журнале Nature вызвала настоящий фурор в прессе, — с гордостью говорит Клаус Блаум. «В Испании даже El País поместил на первой полосе отчет одного из лидеров нашей испанской группы», — вспоминает Майкл Блок.

Недостаток данной методики измерения состоит в том, что каждое измерение разрушает ценный ион.Даже в случае нобелия в среднем в ловушку попадало очень мало ионов в час. А в лучших ускорителях, таких как GSI, даже более тяжелые ядра иногда производятся только один раз в день или в неделю. Но физикам нужно около 100 ионов на измерение массы. Это проблема, потому что измерительные кампании продолжительностью 100 недель были бы слишком дорогими в этом очень популярном исследовательском центре.

Блаум и его команда сейчас работают над особенно чувствительной технологией обнаружения, которая не разрушает ион и позволяет проводить измерение массы одного иона.Хитрость в том, что положительный заряд иона притягивает отрицательно заряженные электроны в стенке ловушки. Они циркулируют как крошечный зеркальный ток во времени с ионом. Исследователи могут измерять ток — правда, только с помощью чрезвычайно чувствительных инструментов. Эта новая технология теперь позволяет взвешивать отдельные атомы с очень высокой степенью точности.

Модели атомных ядер неточные

Клаус Блаум разрабатывает метод вместе с коллегами из Института ядерной физики Макса Планка и Университета Майнца.«Ион должен продержаться в ловушке хотя бы несколько секунд, чтобы быть полезным», — говорит исследователь. Следовательно, этот метод не подходит для ионов, которые быстро распадаются. Однако, если сверхтяжелые ядра, которые являются долгоживущими или даже стабильными, действительно существуют, то этот баланс будет предпочтительным методом обнаружения новых элементов.

Источник тяжелых атомных ядер: на переднем плане слева — вакуумная камера, в которой рождаются ядра.В сером прямоугольнике справа от камеры находится охлаждающий агрегат; на заднем плане (подсвечивается синим) — оборудование, которое направляет ионный пучок в вакуумную камеру.

Источник тяжелых атомных ядер: на переднем плане слева — вакуумная камера, в которой рождаются ядра. В сером прямоугольнике справа от камеры находится охлаждающий агрегат; на заднем плане (подсвечивается синим) — оборудование, которое направляет ионный пучок в вакуумную камеру.

Текущий стандартный метод позволяет обнаруживать только ионы, которые снова быстро распадаются. Он десятилетиями использовался на всех ускорителях элементарных частиц, производящих тяжелые элементы. Их детекторы реагируют только на продукты распада, по данным которых физики могут реконструировать исходное ядро. Из этого также можно определить массу ядра, но это может привести к ошибкам. Одна из причин заключается в том, что ядерные фрагменты могут незаметно уносить с собой часть энергии, которая выделяется при распаде — именно то, что происходит, когда протоны и нейтроны в ядре перескакивают в более высокие квантовые состояния, подобные электронам в атомной оболочке.

Ядра поглощают энергию возбуждения в квантовом скачке, хотя эта энергия остается практически невидимой для стандартного метода. Это вызывает определенную ошибку, когда физики-ядерщики вычисляют массу распавшегося тяжелого ядра по обнаруженным продуктам распада, поскольку энергия и масса эквивалентны — то есть это две стороны одной физической медали. Альберт Эйнштейн осознал это еще в 1905 году и выразил этот факт в своем знаменитом уравнении E = mc2.

Теория по-прежнему остается проблемой для современной ядерной физики.Хотя физики теперь могут достаточно точно рассчитать поведение электронов в оболочках атомов и молекул, у них все еще есть трудности с протонами и нейтронами в крошечных ядрах. Их теоретические модели структуры и внутреннего сцепления ядер значительно менее точны, чем точность, которая сейчас может быть достигнута в экспериментах. Это потому, что ядерные строительные блоки образуют систему, состоящую из множества частиц. К сожалению, для таких систем с более чем двумя частицами нет точного математического решения.Таким образом, теоретическая физика должна найти умные приближенные решения.

Ядра с заполненными оболочками могут оставаться стабильными

Это представляет собой особую проблему по отношению к сложным ядрам. За исключением простого водорода, электроны в атомах также образуют системы многих частиц; однако они лучше себя ведут, поскольку только электромагнитная сила связывает отрицательно заряженные электроны с положительным ядром. Это вторая по силе из четырех известных фундаментальных сил в физике.Он также эффективен в атомных ядрах, но деструктивным образом, насильственно разгоняя идентично заряженные протоны друг от друга.

На этой диаграмме показаны известные атомные ядра между ураном и элементом 118 (серый цвет). Массы трех изотопов нобелия (красный) недавно были определены с чрезвычайной точностью. Физики ожидают, что долгоживущие атомные ядра будут находиться на острове стабильности в области пересечения линий.

На этой диаграмме показаны известные атомные ядра между ураном и элементом 118 (серый цвет).Массы трех изотопов нобелия (красный) недавно были определены с чрезвычайной точностью. Физики ожидают, что долгоживущие атомные ядра будут находиться на острове стабильности в области пересечения линий.

Существование нашего материального мира обязано еще одной силе, которая действует в ядре, но это также делает его более сложным. Эта сильная сила объединяет протоны и нейтроны, но имеет очень короткий радиус действия.Таким образом, в очень больших ядрах более слабая, но дальнодействующая электромагнитная сила берет верх и заставляет их распадаться.

Этого можно избежать с помощью стабилизирующего эффекта квантовой механики. Он также играет важную роль в оболочке электронов вокруг атомов. Электроны, протоны и нейтроны принадлежат к типу квантовых частиц, которые являются крайними индивидуалистами: каждая из них претендует на одно квантовое состояние для себя. Однако существует строго ограниченное количество этих квантовых положений как в электронной оболочке, так и в ядре.Они образуют раковины, похожие на ряды сидений в театре.

В электронных оболочках полный ряд электронных мест придает благородным газам их свойства. Заполненные оболочки имеют очень низкую энергию и, следовательно, очень стабильны. Ядерная физика ожидает того же от ядер атомов с их оболочечной структурой: каждая устойчивая оболочка, полностью заполненная протонами или нейтронами, соответствует магическому числу ядерных строительных блоков.

Считается, что это магическое квантовое свойство склеит даже сверхтяжелые ядра, которые действительно должны взорваться.Блаум указывает на диаграмму нуклидов и на область масс около 120 протонов и 184 нейтронов: «Существуют ли там такие волшебные оболочки?» Если ответ положительный, то, вероятно, здесь находится остров стабильности — если он вообще существует.

Однако до сих пор физикам не удалось создать такие сверхтяжелые ядра с большим числом нейтронов. Следовательно, еще неизвестно, применимы ли модели ядерной физики к предсказаниям такого типа вообще. Высокоточное взвешивание немного более легких ядер может выявить, какая из конкурирующих ядерных моделей лучше всего описывает природу.Тогда должно быть возможно более подробно определить, существует ли гипотетический остров стабильности и, если он существует, где он находится.

Стабильность ядер уже привела Блаума к новым и сверхновым в рамках давнего сотрудничества Европейской исследовательской лаборатории ЦЕРН в Женеве. Предполагается, что эти звездные события являются рассадником более тяжелых элементов. Хотя, в отличие от GSI, установка в Изольде может производить только более легкие атомные ядра, некоторые из них играют решающую роль во время звездных агоний.

Процессы размножения в звездах делают золото ценным

Эти так называемые ядра точки ожидания действуют как стоп-сигналы на пути к еще более тяжелым элементам. В сверхновых этот путь обеспечивается процессом, которому около половины элементов, помимо железа в таблице нуклидов, обязаны своим существованием. Он включает в себя ядро, улавливающее один из нейтронов, которые в огромных количествах мчатся через умирающие звезды. Радиоактивный распад, так называемый бета-распад, затем превращает нейтрон в ядре в протон, тем самым высвобождая электрон.Новый протон увеличивает атомный номер на единицу, а новый нуклид перемещается на одну позицию влево и вверх в таблице нуклидов.

Естественный источник тяжелых элементов: Крабовидная туманность — доказательство сверхновой. При таких взрывах звезд образуются самые тяжелые элементы, существующие в природе.

Ядра точки ожидания можно представить как обжоры, которые наелись досыта, стоя перед буфетом, сильно загруженным вкусными нейтронами.У них есть выбор — либо проглотить еще один нейтрон и стать еще тяжелее, либо взорваться. Поскольку ядрам точки ожидания трудно выбрать одно из двух, образование еще более тяжелых элементов должно подождать некоторое время, что может значительно замедлить процесс размножения. «Теперь мы понимаем, почему, например, образуется так мало золота, и поэтому оно так ценно», — объясняет Блаум.

Хотя современные ядерные модели позволяют угадывать, какие атомные ядра действуют как ядра точки ожидания, только точные измерения массы Блаума и его коллег дают точную информацию о структуре оболочки кандидатов.Недавно они использовали весы Isoltrap в ЦЕРНе, которые работают по тому же принципу, что и Shiptrap, чтобы успешно доказать, что стабильная оболочка из 50 протонов и 82 нейтронов в очень тяжелом ядре изотопа олова-132 (олово является элементом 50) играет такая выдающаяся роль в сверхновых.

Клауса Блаума также интересует «легковесный класс» частиц. Ученые из Гейдельберга вместе с физиками из Технологического института Карлсруэ идут по следу масс нейтрино.Кроме того, существует эксперимент «Катрин» в Карлсруэ с тритиево-нейтрино, задачей которого является измерение специфического радиоактивного распада с высочайшей точностью: бета-распада тяжелого изотопа водорода трития.

Во время этого процесса ядро трития с его протоном и двумя нейтронами распадается на ядро гелия-3; он состоит из двух протонов и одного нейтрона. Следовательно, один из нейтронов превратился в протон в бета-распаде. Это вызвано слабым взаимодействием, третьей фундаментальной силой в физике.Чтобы баланс электрических зарядов был правильным, электрически нейтральный нейтрон должен производить отрицательный электрон в дополнение к положительно заряженному протону. Однако есть еще один пробел в балансе второго физического свойства: полного углового момента (спина) до и после распада. Этот дефицит уравновешивается электронным антинейтрино, который высвобождается в виде дополнительной частицы. Его масса — это то, к чему стремятся физики.

С этой целью «Катрин» с высокой степенью точности регистрирует, сколько энергии уносит с собой электроны, высвобождающиеся при распаде.«Мы, с другой стороны, хотим использовать устройство в Гейдельберге, чтобы измерить разницу в энергии между тритием и гелием», — объясняет Блаум. Поскольку, согласно Эйнштейну, энергия эквивалентна массе, должна быть возможность вычислить массу нейтрино по двум измеренным значениям. Таким образом, ученые из Гейдельберга создают особенно точную шкалу, которая будет измерять с точностью до одной миллионной ядерной массы.

Этот исследовательский проект мог произвести фурор. Хотя Стандартная модель физики элементарных частиц, основа современной физики, приписывает нейтрино нулевую массу, теперь ясно, что они должны иметь массу.Однако вопрос о том, насколько тяжелы разные типы нейтрино, остается без ответа. Если исследователям Карлсруэ-Катрина вместе с физиками Гейдельберга Максом Планком удастся взвесить один тип нейтрино, это будет иметь далеко идущие последствия. Впервые можно будет оценить, вносят ли и в какой степени эти призрачные частицы вклад в загадочную темную материю во Вселенной.

Таким образом, прецизионные весы для атомных ядер помогают ответить на ключевые вопросы физики.Поэтому неудивительно, что Клаус Блаум резюмирует следующее: «Я считаю, что новые методы привели к возрождению ядерной физики».

ГЛОССАРИЙ

Нейтрино
Электрически нейтральные элементарные частицы с очень малой массой. Физики различают электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино, каждое из которых существует как двойник электрически заряженных частиц (электрон, мюон, тау-частица). Нейтрино очень мало взаимодействуют с веществом и поэтому также практически беспрепятственно проникают в Землю.Например, они образуются в процессах радиоактивного бета-распада и ядерного синтеза в звездах. Подобно тому, как существуют античастицы для других строительных блоков материи, существуют также антинейтрино.

Характеристическая частота
Каждый объект, который может колебаться, имеет по крайней мере одну характеристическую частоту — будь то электрон, маятник, скрипичная струна, подвесной мост или небоскреб. Если его толкать или возбуждать с этой частотой, он колеблется с особой силой.

Стандартная модель физики элементарных частиц
Она описывает элементарные частицы и взаимодействия между ними, но включает только три из четырех фундаментальных сил; гравитация не принимается во внимание. Он также приписывает нейтрино нулевую массу покоя — факт, который с тех пор оказался неверным. Таким образом, физики пытаются расширить модель — одну из больших нерешенных проблем физики.

Независимо от размера ядерной группы, некоторые протоны и нейтроны всегда будут объединяться в пары и танцевать | MIT News

Атомы в газе могут казаться участниками наноскопического рейва, когда частицы проносятся вокруг, объединяются в пары и снова улетают, казалось бы, случайным образом.И все же физики придумали формулы, которые предсказывают такое поведение, даже когда атомы находятся очень близко друг к другу и могут сложным образом тянуть и тянуть друг друга.

Окружающая среда внутри ядра отдельного атома кажется похожей, протоны и нейтроны тоже танцуют. Но поскольку ядро представляет собой такое компактное пространство, ученые изо всех сил пытались определить поведение этих частиц, известных как нуклоны, в ядре атома. Модели, описывающие взаимодействия далеких нуклонов, разрушаются, когда частицы объединяются в пары и взаимодействуют на близком расстоянии.

Команда под руководством Массачусетского технологического института смоделировала поведение протонов и нейтронов в нескольких типах атомных ядер, используя одни из самых мощных суперкомпьютеров в мире. Команда исследовала широкий спектр моделей ядерного взаимодействия и неожиданно обнаружила, что формулы, описывающие поведение атомов в газе, можно обобщить, чтобы предсказать, как протоны и нейтроны взаимодействуют на близком расстоянии в ядре.

Когда нуклоны находятся на расстоянии менее 1 фемтометра — 1 квадриллионной метра — друг от друга, исследователи обнаружили еще один сюрприз: частицы объединяются в пары одинаковым образом, независимо от того, обитают ли они в маленьком ядре, таком как гелий, или в более плотном ядре, таком как кальций.

«Эти пары ближнего действия на самом деле не заботятся о своем окружении — будь то большая группа или группа из пяти человек, это не имеет значения — они будут объединяться в пары одинаково универсальным образом», — говорит Рейнир Круз. -Торрес, который руководил работой в качестве аспиранта по физике в Массачусетском технологическом институте.

Это короткодействующее поведение, вероятно, универсально для всех типов атомных ядер, таких как гораздо более плотные и сложные ядра в радиоактивных атомах.

«Люди не ожидали, что такая модель будет захватывать ядра, которые являются одними из самых сложных объектов в физике», — говорит Ор Хен, доцент физики Массачусетского технологического института.«Несмотря на разницу в плотности между атомом и ядром более чем на 20 порядков, мы все еще можем найти это универсальное поведение и применить его ко многим открытым проблемам ядерной физики».

Команда опубликовала свои результаты сегодня в журнале Nature Physics . Среди соавторов Массачусетского технологического института Аксель Шмидт, научный сотрудник Лаборатории ядерных наук, а также сотрудники из Еврейского университета, Лос-Аламосской и Аргоннской национальных лабораторий и других учреждений.

Партийные пары

Хен стремится понять беспорядочные взаимодействия между протонами и нейтронами на чрезвычайно коротком расстоянии, когда притяжение и натяжение между нуклонами в очень маленькой плотной среде ядра, как известно, трудно определить. В течение многих лет он задавался вопросом, может ли концепция атомной физики, известная как контактный формализм, также применяться к ядерной физике и внутреннему устройству ядра.

В широком смысле контактный формализм — это общее математическое описание, которое доказывает, что поведение атомов в облаке зависит от их масштаба: те, что расположены далеко друг от друга, следуют определенной физике, а атомы, расположенные очень близко друг к другу, подчиняются совершенно отдельному набору физики.Каждая группа атомов осуществляет свои взаимодействия, не обращая внимания на поведение другой группы. Согласно контактному формализму, например, всегда будет определенное количество сверхкрупных пар, независимо от того, что другие, более далекие атомы делают в облаке.

Хен задался вопросом, может ли контактный формализм также описывать взаимодействия внутри ядра атома.

«Я думал, что вы не можете увидеть этот прекрасный формализм, который произвел революцию в атомной физике, и все же мы не можем заставить его работать в ядерной физике», — говорит Хен.«Это была слишком большая связь».

«В человеческих масштабах»

Сначала исследователи объединились с Роненом Вейссом и Ниром Барнеа из Еврейского университета, которые руководили разработкой теоретического обобщения формализма атомных контактов, чтобы описать общую систему взаимодействующих частиц. Затем они попытались смоделировать частицы в небольшой плотной ядерной среде, чтобы увидеть, возникнут ли модели поведения среди нуклонов ближнего действия совершенно отдельно от поведения нуклонов дальнего действия, как это предсказывается обобщенным контактным формализмом.

Группа смоделировала взаимодействия частиц в нескольких легких атомных ядрах, от трех нуклонов в гелии до 40 в кальции. Для каждого типа атомного ядра они использовали алгоритм случайной выборки, чтобы создать фильм о том, где каждый из протонов и нейтронов в данном ядре может находиться с течением времени.

«На определенном временном интервале эти частицы могут быть распределены в одну сторону, взаимодействуя между собой по заданной схеме, где эта, например, соединяется с той, а третья частица получает удар вместо этого.Затем, в другое время, они будут распределяться по-другому », — объясняет со-ведущий автор Диего Лонардони, физик из Национальной лаборатории Лос-Аламоса и Университета штата Мичиган. «Поэтому мы повторяем эти расчеты снова и снова, чтобы достичь равновесия».

Чтобы увидеть какое-либо равновесие или закономерность, команде пришлось смоделировать всю возможную физику каждой частицы, создав тысячи снимков для каждого типа ядра. На выполнение такого количества вычислений обычно уходят миллионы часов обработки.

«Моему ноутбуку потребовалось бы больше времени, чем возраст Вселенной, чтобы завершить вычисления», — говорит Хен. «Если вы распределите вычисления между 10 000 процессоров, вы сможете получить результат за время в человеческих масштабах».

Итак, команда использовала суперкомпьютеры в Лос-Аламосе и Аргоннской национальной лаборатории — одни из самых мощных компьютеров в мире — для параллельного распределения работы.

После запуска моделирования они построили распределение нуклонов для каждого типа ядра, которое они моделировали.Например, для ядра кислорода они обнаружили определенный процент нуклонов в пределах 1 ферми, другой процент, которые были немного ближе, и так далее.

Атомные ядра были открыты контрольная: Контрольная работа по химии на тему «Строение атома» (10 класс)

Контрольная работа по химии на тему «Строение атома» (10 класс)

Контрольная работа по химии (11 класс) периодический закон

Вариант 2 ЧАСТЬ А. Тестовые задания с выбором ответа и на соотнесение (2 балла). Атомные ядра

Контрольная работа №1 «строение атома». Вариант 4

★ Электроны были открыты | Информация

Атомные реакторы — путь к реактору в Германии и США

Что такое тяжелая вода и чем она отличается от легкой?

Лиза Мейтнер

Тридцатые годы, Германия

Вернер Гейзенберг

Манхэттенский проект, США

Лео Сциллард

Эрнест Лоуренс

Эдвин Макмиллан

Отто Фриш

Наступил 1942 год, США

Яркие воспоминания. Игры с плутониевыми мячами, ремонт реактора голыми руками и другие страшные истории об атомной юности человечества

Радиация до реакторов

Дергать дракона за хвост

Уран, вода и ржавые трубы

Как устроены реакторы

«Р» значит «ртуть»

Дернуть посильнее — плохая идея

Safety Second

Со всеми вытекающими

Как взрослые

«Хиросима», «Нагасаки» и аварии вблизи берега

«Подобного кошмара не видел в жизни никогда»

Ядерный полет

DOE объясняет … Ядра | Министерство энергетики

Управление науки Министерства энергетики: вклад в исследования ядер

Nuclei Facts

Ресурсы и связанные с ними термины

Атомных ядер в квантовом колебании — ScienceDaily

Атомный век начался 75 лет назад с первой контролируемой цепной ядерной реакции

Обуздание деления

Остальные вопросы физиков

Как это было, когда во Вселенной впервые образовались атомы?

Двойные рентгеновские вспышки контролируют атомные ядра

Атомные ядра на балансе

Ядра срабатывают только при лобовых столкновениях

На круговой орбите атом обнаруживает свою массу

Модели атомных ядер неточные

Ядра с заполненными оболочками могут оставаться стабильными

Процессы размножения в звездах делают золото ценным

Независимо от размера ядерной группы, некоторые протоны и нейтроны всегда будут объединяться в пары и танцевать | MIT News

Добавить комментарий Отменить ответ