Джим Брейтот - 101 ключевая идея: Физика

• равнодействующая сила равна нулю, когда сумма векторов сил представляет собой замкнутый многоугольник;

• к любой точке тела применим принцип сохранения момента.

Статическое равновесие может быть безразличным, устойчивым или неустойчивым в зависимости от того, как ведет себя тело при смещении: остается ли оно на новом месте (безразличное), возвращается в положение прежнего равновесия (устойчивое) или смещается дальше (неустойчивое). Такое тело, как высокое транспортное средство, при большом наклоне упадет. Это случится, когда проекция центра тяжести точки, через которую проходит равнодействующая сил тяжести, сместится за пределы основания колеса.

См. также статьи «Векторы», «Сила и движение».

Радиоактивный изотоп распадается в результате одного из следующих процессов трансформации:

• α-излучение наблюдается, когда большие нестабильные ядра испускают два протона и два нейтрона в виде единой частицы, называемой α-частицей:

• β-излучение наблюдается, когда нейтрон ядра с избытком нейтронов превращается в протон:

• γ-излучение наблюдается, когда γ-фотон испускается из ядра с избытком энергии, который возникает после испускания ядром α— или β-частицы.

Теория радиоактивного распада основана на предположении случайности этого процесса, и вероятность того, что ядро распадется в промежуток времени Δt, пропорциональна Δt. Отсюда:

где X — постоянная распада. При преобразовании уравнения получаем N = N 0e -λt , где N 0— начальное количество атомов.

Активностью радиоактивного изотопа называется количество ядер, распадающихся в секунду. Отсюда активность где N — количество оставшихся радиоактивных ядер. Поскольку Δ — λN, активность Δ радиоактивного изотопа уменьшается экспоненциально, в соответствии с уравнением Δ = Δ 0e -λt , где Δ 0— начальная активность.

Кривая полураспада

Периодом полураспада изотопа называется время, требующееся для сокращения количества ядер изотопа на 50 %. Оно равно времени, за которое активность также уменьшается на 50 %. Так как после первого периода полураспада N = 0,5N 0, то 0,5N 0= N 0e -λt , что дает λΤ 1/2 = ln2.

См. также статьи «Радиоактивность 2», «Ядерная модель атома».

Распространение при атмосферном давлении:

α-излучение; α-частицы, испускаемые определенным изотопом, имеют одну и ту же кинетическую энергию, которая отличается от энергии α-частиц других изотопов. Поэтому расстояние, на которое распространяются α-частицы, легко определить; оно составляет до 10 см.

β-излучение; β — частицы, испускаемые определенным изотопом, обладают широким спектром кинетической энергии вплоть до максимума, определяемого этим изотопом. Расстояние, на какое они распространяются, бывает разным в пределах приблизительно 1 м.

γ-излучение; γ-фотоны распространяются из точечного источника во все стороны и почти не взаимодействуют с молекулами воздуха. Расстояние, на которое они распространяются, безгранично, хотя интенсивность γ-излучения из точечного источника подчиняется закону обратных квадратов, так как они распространяются во все стороны равномерно и без поглощения.

Поглощение веществом:

α-излучение; α-частицы поглощаются бумагой, тонким картоном или металлической фольгой.

β-излучение; β-частицы проникают сквозь бумагу, тонкий картон и тонкую металлическую фольгу. Алюминиевая пластина толщиной более 5 мм поглощает в-частицы.

γ-излучение; γ-фотоны поглощаются свинцовыми пластинами толщиной около 50 мм.

Ионизация:

α-частицы образуют порядка 10 000 ионов на 1 мм 3 воздуха, что гораздо больше, чем ионизация β- частиц и у-излучения.

β-частицы образуют меньше ионов на 1 мм 3 , чем α-частицы, потому что они гораздо быстрее их.

γ-излучение вызывает весьма малую ионизацию воздуха, так как фотоны не имеют заряда. Следует отметить, что рентгеновское излучение также представляет собой поток высокоэнергетических фотонов и, следовательно, вызывает ионизацию. Рентгеновские лучи образуются в рентгеновской трубке.

См. также статьи «Законы обратные квадратов», «Ионизация», «Радиоактивность 1».

Радиоактивные отходы делятся на отходы низкого, среднего и высокого уровня радиоактивности.

• Отходы низкого уровня (оборудование и спецодежда), которые использовали рабочие, имеющие отношение к радиоактивным веществам, хранятся в запечатанных контейнерах в контролируемых местах. Охлаждающая вода в теплообменниках лишь слегка радиоактивна, и ее сливают в море.

• Отходы среднего уровня (теплоноситель ядерного реактора) делают густыми и хранят в запечатанных контейнерах под землей в контролируемых районах захоронений.

• Отходы высокого уровня радиоактивности (замедлители, тепловыделяющие элементы — твэлы и отработанное топливо, подвергнутое процессу переработки) хранятся в течение многих лет так же в запечатанных контейнерах под землей в контролируемых районах захоронений.

Отработанные твэлы ядерного реактора содержат неиспользованный уран-235, уран-238 и плутоний-239, образующийся в результате поглощения ураном-238 нейтронов и осколков с большим содержанием последних. Таким образом, различные изотопы в отработанном топливе содержат источники α-, β- и γ-излучения с различными периодами полураспада. Самый короткий период полураспада у изотопов, имеющих самую большую активность на единицу массы, поэтому отработанные твэлы реактора в высшей степени радиоактивны. Их удаляют из реактора и перерабатывают с помощью устройств с дистанционным управлением.

Далее твэлы помещают в бассейн выдержки приблизительно на год, пока не распадутся изотопы с коротким сроком жизни. Затем контейнер с топливом открывают; отработанное топливо вынимают и подвергают химической обработке; неиспользованные уран и плутоний выделяют для последующего применения. Все другие материалы хранят в запечатанных контейнерах для отходов с высоким уровнем радиоактивности. Коррозия контейнеров может стать источником потенциальной опасности, но ее можно избежать путем витрификации (застекловывания) отходов. Материал смешивают с расплавленным стеклом и остужают, в результате чего получаются стеклянные блоки с материалом, предохраняющие от коррозии. При этом следует соблюдать осторожность и не располагать рядом большие порции урана и плутония. В противном случае может начаться цепная реакция и последовать взрыв.