Время, в течение которого исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое, называют периодом полураспада.

Цепная реакция деления ядер.

К началу 1940-х годов многими учеными было доказано (Э.Ферми, О.Ган, О.Фриш, Г.Н.Флеров и др.), что при облучении урана нейтронами образуются ядра атомов лантана и бария - химических элементов из середины Периодической таблицы Менделеева. Этот результат положил начало новому виду реакций – делению ядер, при котором тяжелое ядро под действием нейтронов или других частиц делится на несколько легких ядер (осколков), а чаще всего на два ядра близких по массе. Деление ядер сопровождается испусканием двух-трех вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления.

Деление ядер сопровождается выделением чрезвычайно большого количества энергии. Для тяжелых ядер величина выделяемой энергии составляет в среднем 7,6 МэВ. На один нуклон высвобождается энергия 1,1 МэВ.

Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать последующие новые акты деления – возникает цепная реакция деления. Она характеризуется коэффициентом размножения нейтронов (k), равным отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущим поколении.

В процессе ядерной реакции не все образующиеся вторичные нейтроны вызывают последующее деление ядер, что приводит к уменьшению коэффициента размножения.

Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, размеров и формы активной зоны.Минимальные размеры активной зоны, при которых возможна цепная реакция, называются критическими размерами, а минимальная масса делящегося вещества в активной зоне с критическими размерами – критической массой

При k > 1 цепная реакция ускоряется: число делений быстро возрастает и ядерный процесс становится взрывным.

k = 1 соответствует самоподдерживающейся реакции, при которой число нейтронов со временем не изменяется.

При k < 1 цепная реакция деления ядер замедляется.

Различают управляемые и неуправляемые цепные реакции деления ядер. Так при взрыве атомной бомбы происходит неуправляемая реакция. При хранении атомной бомбы, чтобы она не взорвалась, находящееся в ней радиоактивное вещество делят на две части с некритическими массами. Для взрыва атомной бомбы обе части сближают, общая масса делящегося вещества становится критической, в результате чего возникает неуправляемая цепная реакция, сопровождающаяся мгновенным выделением огромного количества энергии.

Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах атомных электростанций.

В природе есть изотопы, которые могут служить ядерным топливом (например, уран–235) или сырьем для его получения (например, уран –238, торий – 232.

Термоядерный синтез.

При слиянии легких ядер – синтезе атомных ядер – выделяется колоссальная энергия. Удельная (средняя) энергия связи резко увеличивается при переходе от ядер тяжелого водорода (дейтерия и трития) к ядрам лития или гелия. Реакция синтеза легких ядер в более тяжелые сопровождается выделением огромного количества энергии. Энергия, приходящаяся на один нуклон, в реакции синтеза значительно больше, чем в реакции деления тяжелых ядер. Однако, синтез легких ядер возможен только при сравнительно большой их кинетической энергии.

Очевидно, что энергетически выгоден синтез легких ядер с небольшим электрическим зарядом. Такими ядрами являются изотопы водорода. Однако, для осуществления реакции синтеза даже для изотопов водорода необходима чрезвычайно высокая температура – не менее 10⁷К, поэтому процесс слияния ядер называется реакцией термоядерного синтеза.

Искусственная реакция термоядерного синтеза осуществлена впервые в СССР в 1953 году, а затем через полгода в США при взрыве водородной (термоядерной) бомбы. Взрывчатое вещество водородной бомбы представляет собой смесь дейтерия и трития, а детонатором в ней служит обычная атомная бомба, при взрыве которой достигается высокая температура, необходимая для термоядерного синтеза.

Трудность практической реализации управляемого термоядерного синтеза заключается в том, что он возможен только при очень высокой температуре, при которой любое синтезируемое вещество будет находиться в плазменном состоянии и техническая проблема состоит в том, как удержать это вещество в ограниченном объеме. Один из способов решения данной проблемы – удержание горячей плазмы в ограниченном объеме сильными магнитными полями. Этот способ впервые предложил наш соотечественник – А.Д.Сахаров(1921-1989).

Плазма(от греч. πλάσμα «вылепленное», «оформленное») — в физике и химии полностью или частично ионизированный газ, который может быть как квазинейтральным, так и неквазинейтральным. Плазма иногда называется четвёртым (после твёрдого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества.

Слово «ионизированный» означает, что от электронных оболочек значительной части атомов или молекул отделён по крайней мере один электрон. Слово «квазинейтральный» означает, что, несмотря на наличие свободных зарядов (электронов и ионов), суммарный электрический заряд плазмы приблизительно равен нулю. Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму проводящей средой, что обуславливает её заметно большее (по сравнению с другими агрегатными состояниями вещества) взаимодействие с магнитным и электрическим полями. Четвёртое состояние вещества было открыто У.Круксом в 1879 году и названо «плазмой» И.Ленгмюром в 1928 году, возможно из-за ассоциации с плазмой крови.

Первый в мире термоядерный реактор – токамак был построен в 1954 году в Институте атомной энергии им.И.В.Курчатова в Москве.

Ядерные реакции в звездах.

Время излучения звезд за счет гравитационного сжатия не превышает 5·10⁹ лет для всех звезд в наблюдаемом интервале масс. Процесс гравитационного сжатия звезды с повышением температуры будет продолжаться до тех пор пока температура в центре звезды не поднимется до 10⁷ K. Гравитационное сжатие будет остановлено начавшейся ядерной реакцией горения водорода. Масса ядра водорода составляет 1.0073 атомных единиц массы, масса ядра гелия 4.0015 атомных единиц массы. При образовании одного ядра гелия путем слияния четырех ядер водорода дефект массы составляет M = 0.0277 атомных единиц массы, что соответствует высвободившейся энергии

E = c2M = 4.1·10-5 эрг.

Если считать, что Солнце состоит только из водорода и в результате ядерной реакции происходит полное сгорание водорода и превращение его в гелий, полная выделившаяся при этом энергия составляет Eядерн = 1.3·1052 эрг. Учитывая светимость Солнца (L = 4·1033 эрг/с), получим, что при современном темпе сгорания водорода за счет ядерного источника Солнце способно излучать 100 млрд. лет.

При сгорании водорода температура ядра звезды остается относительно постоянной и составляет примерно 10⁷ K. Звезда находится в состоянии квазистатического равновесия, при котором энергия, высвобождаемая в термоядерных реакциях, компенсирует потери энергии на излучение с поверхности звезды. Звезда будет устойчива, когда уравновешиваются противодействующие эффекты гравитации и стремления горячих газов к расширению.

ЛЕКЦИЯ № 12. Понятие системы. Системный подход и его виды.

Все окружающие нас предметы и явления можно рассматривать как системы. Под системным исследованием предметов понимают такой метод, при котором предмет рассматривается как совокупность элементов определенного целостного образования.

Систему определяет взаимосвязь и взаимодействие ее элементов в рамках целого.

Системы следует отличать от того, что системами не является, то есть от агрегатов. Так, например, молекулу, атом, живой организм, социум и т.п. мы называем системами, а кучу камней, песка или металлолома – нет. Почему? В случае системы мы понимаем, что она не сводится только к совокупности элементов ее составляющих, а имеет нечто большее, чем простая сумма элементов – системные (интегративные) свойства. В случае же агрегата мы видим, что он сводится к сумме свойств и частей его составляющих, то есть свойства агрегата аддитивны. Например, масса кучи камней складывается из масс отдельных камней ее составляющих, а величина кучи зависит от размеров входящих в нее камней. У.Эшби полагал, что чтобы отличить систему от агрегата, нужно разделить агрегат (систему) на части (например, раскидать кучу песка) и посмотреть появятся ли у частей новые свойства или нет. Если ничего нового не появилось, значит, мы имели дело с агрегатом.

Для системы характерно:

1. целостное рассмотрение;

2. установление взаимодействия частей и элементов системы;

3. несводимость свойств системы как целого к свойствам ее частей.

4. Иерархичность, то есть соподчинение целого и частей по типу «матрешки».

Изучение систем началось давно. Так в 4 в. до н.э. системы рассматривали корифеи философской и научной мысли Древней Греции – Платон и Аристотель.

Платон(428-348 гг. до н.э.) считал, что система всегда есть нечто большее, чем сумма элементов ее составляющих. Если у нас имеется повозка, то очевидно, что она обладает такими свойствами (быстро перемещаться), которыми не будет обладать ни один конкретно взятый ее элемент. Более того, если мы знаем 100 деревянных элементов, из которых состоит повозка, но не знаем, что она из себя должна представлять (как она выглядит), мы никогда ее правильно не соберем. Платон полагал, что «целое определяет части», а не наоборот.

Аристотель (384-322) изучал в качестве систем живые организмы. Согласно ему, организм не есть простая совокупность частей, а есть жизненная сила (энтелехия), которая есть свойство целого и, благодаря ей, каждая часть обладает жизнью. Так, отдельный орган в организме живой, а взятый вне организма – мертвый. Аристотель задавался вопросом, что заставляет желудь вырасти в дуб, что толкает его к этой цели, не совокупность же частей, из которых он состоит?

Эта концепция позднее получила название витализма, от латинского термина vital, что означает жизнь.

Во второй половине 20 века немецкий биолог Ганс Дриш (1867-1941) продолжает развивать по сути идеи Аристотеля, но направление это уже носит название - неовитализм. Дриш экспериментирует с личинками морских ежей, разделяет их на части и показывает, что из каждой части вырастает новый еж. Так, Дриш дошел в своем делении личинки до 34 частей и показал, что «жизненная сила» (свойство организма как целого) автономна, принципиально необъяснима и не является результатом взаимодействия частей, а, наоборот, сама принизывает все мельчайшие части.

Все вышеперечисленные концепции можно также назвать холизмом (от английского слова whole - целый, весь), так как они исходят из превосходства целостности (интегративного свойства системы) над частями. Но холисты не могут рационально, логически объяснить, откуда берется свойство целостности.

Существует также альтернативная холизму концепция – механицизм, когда свойство целого полностью сводятся к сумме составляющих его частей. К механицистам относится основная масса ученых (И.Ньютон, Р.Декарт, Г.Лейбниц и многие другие). Например, Р.Декарт считал живые организмы механизмами, то есть сводил действия всех органов организма только к законам механики. Но ведь, если у мертвого организма искусственно поддерживать все механические процессы, его все равно живым будет назвать нельзя. Очевидно, что и в механицизме есть свои, трудно разрешимые проблемы. Механицизм, как и холизм, представляет собой односторонний подход к пониманию систем.

Дать однозначное определение системы, которое бы охватывало все стороны, крайне сложно. Однако были попытки

дать логическое определение системы через понятие множества. Под множеством понимали совокупность объектов с некоторым общим свойством.

Система – это множество объектов вместе с отношениями между ними и их свойствами. (А.Д.Холл, Р.Е.Фейджин и др.) Однако, под такой “системой” можно понимать и агрегат (кучу камней), так как в этом определении не отмечаются целостные, системные свойства.

Строение системы.

В строении системы выделяют подсистемы и элементы.

Подсистемы – это крупные части системы, обладающие определенной автономностью, но в то же время подчиненные и управляемые системой в целом.

Элементы – наименьшие части системы. Например, человеческий организм. Подсистемами здесь будут являться:

Эндокринная, нервная, пищеварительная, гормональная, опорно-двигательная и т.п. Элементами будут являться:

Желудок, печень, почки, гипофиз, надпочечники, кости, мышцы и т.п.

Очевидно, что различие между подсистемами и элементами относительно. Мы можем рассматривать в свою очередь вышеперечисленные органы как подсистемы, тогда элементами будут являться более мелкие части организма, например, клетки.

Структура системы.

Структурой системы называют совокупность взаимосвязей ивзаимодействий между элементами, благодаря которым возникают новые целостные свойства, присущие только системе и отсутствующие у отдельных ее компонентов. Эти свойства называют эмерджентными.

Так, например, Н₂О (вода) образована из двух атомов водорода (Н₂) и одного атома кислорода (О). Элементы эти связаны между собой силами электромагнитного взаимодействия. Н₂О обладает свойствами растворителя, агрегатное состояние – жидкость, прозрачная, безвкусная и т.п. По отдельности Н₂ и О₂ – газы, не обладают свойствами растворителя, не являются жидкостями и т.п.

Возьмем банду подростков (целое). Ей присуща самонадеянность, бессмысленная жестокость, безответственность за свои поступки и т.п. Каждый же подросток сам по себе (вне банды) не жесток, боязлив и не понимает, как он мог совершить противозаконное действие.

Классификация систем.

Классификацию систем можно производить по различным основаниям:

1. Материальные и идеальные.

Материальные системы – это большинство систем неорганического, органического и социального характера (механические, физические, биологические, геологические, социальные и др.)

Идеальные системы представляют собой отражение субъектом материальных систем, существующих в природе и обществе. Наиболее показательным примером идеальной системы можно считать научную гипотезу, теорию или концепцию.

2.Статические и динамические.

Статические системы – это неподвижные, не изменяющиеся. В природе таких систем не существует, Это своего рода абстракции.

Динамические – это системы, находящиеся в определенном отношении в движении и изменении.

3.Среди динамических систем выделяют детерминистические ивероятностные (стохастические).

В детерминистических системах предсказание имеет однозначный, вполне достоверный характер. Детерминистические системы используются в точных науках, например, в механике, астрономии и т.п.

Вероятностно-статистические системы имеют дело с массовыми или повторяющимися случайными событиями. Поэтому предсказания в этих системах носят вероятностный характер. Это квантово-механические системы, термодинамические системы, социальные и др.

4.Целенаправленные и нецеленаправленные.

Сложноорганизованные социальные системы рассматриваются как целенаправленные, причем в разных подсистемах, на разных уровнях организации эти цели могут быть различными и даже вступать в конфликт друг с другом.

Природные же системы цели не имеют.

5.Открытые и закрытые.

Открытые системы – это системы, обменивающиеся с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Практически все существующие системы являются открытыми. Закрытые (изолированные) системы не обмениваются с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Закрытая система – это своего рода абстракция, в природе их не существует.

6.Простые и сложные.

Простые или малые системы – это системы, состоящие из небольшого количества элементов (до 10⁵ элементов). Это, как правило, механические системы типа простых механических станков, механических часов, паровых машин и т.п.

Сложные системы – это системы, состоящие из большого количества элементов. Они подразделяются на большие саморегулирующиеся (от 10⁶ до 10¹⁰ элементов) и большие самоорганизующиеся (от 10¹⁰ до 10¹⁴ элементов).

В больших саморегулирующихся системах происходит массовое стохастическое взаимодействие элементов. Целостность системы предполагает наличие в ней особого блока управления: прямые и обратные связи между элементами и подсистемами. В технике - это системы управления космическими кораблями, сложные заводы-автоматы. В природе – организмы, популяции, биоценозы, биогеоценозы, социальные объекты.

Самоорганизующиеся системы характеризуются развитием, в ходе которого происходит переход от одного вида саморегуляции к другому. Этим системам присуща способность порождать в процессе развития новые уровни. Причем, каждый новый уровень оказывает обратное воздействие на ранее сложившиеся уровни, перестраивая их, в результате чего система обретает новую целостность.

<8 9 101112 13 14 >

Дата добавления: 2021-06-28; просмотров: 328;