А так выглядит шоу, когда в спирт комнатной температуры налили жидкий азот. Эффектно?

​​Откуда берется ядерная энергия?

Сегодня я расскажу немного расширенный материал, более подробно описывающий происхождения энергии ядра. Такое в школе рассказывают редко.

Начнём с того, что есть ряд веществ, которые при попадании в них нейтрона делятся на 2 и более осколков, при этом высвобождается большое количество энергии на один атом. Первым и единственным веществом с такими свойствами, существующим в природе является уран. И то не весь, а 235-й изотоп, который составляет всего лишь 0.72% всего урана, находящегося в земле. Не густо по сравнению с нефтью и газом.

Но, во-первых, количество энергии на единицу массы достаточно велико, по сравнению с газом, нефтью и углем. Не такое огромное, конечно, как пишут в школьных учебниках, примерно раз в 20-30 меньше. В слайдере я провел расчёт количества энергии, получаемый из 1г урана и сравнил, какое количество угля и нефти нужно для получения той же энергии. Можете пересчитать, может я ошибся.

Во-вторых, учёные научились обогащать уран до содержания в нем 4% 235-го изотопа (больше пока не разрешают из соображения безопасности). А также, получать другие делящиеся элементы искусственно (плутоний, например).

Откуда берется ядерная энергия? Ч.2.

Ядерная реакция деления образует цепочку дальнейших делений ядер, т.к. помимо осколков, образуется 2-3 нейтрона, которые дальше могут делить материал.

Если не сдерживать такую реакцию, то она становится неконтроллируемой, и в одно мгновение высвобождается колоссальное количество энергии (коэффициент воспроизводства нейтронов К больше единицы).

Для того чтобы ядерная энергия служила в мирных целях, нужно, чтобы после деления одного ядра следовало деление одного следующего ядра, а для этого нужно, чтобы в следующей реакции участвовал один нейтрон. Остальные нужно поглощать, чтобы не допустить цепную реакцию.

В приложенных слайдах схематично изложены основные принципы деления ядер урана.

Но какие могут быть сложности в сдерживании цепной реакции? Здесь возникает одна важная вещь, о которой не рассказывают в школе. Поглотить 2 нейтрона из 3х и один оставить в реакторе технически невозможно! Время их жизни очень мало и никакими способами не успеть остановить лавинообразную реакцию деления ядер.

И тогда ядерная энергетика становится невозможной, если бы не одно удивительное явление под названием запаздывающие нейтроны.

Это нейтроны, которые испускают образовавшиеся продукты деления через несколько секунд после самого деления. И именно они участвуют в самоподдерживающейся ядерной реакции. То есть мы выигрываем время, чтобы успеть сдержать неконтроллируемый процесс, можем не заботиться о сохранении выделившихся при делении мгновенных нейтронов и спокойно получать на одно деление один нейтрон из запаздывающих. Без этого явления мирного атома бы не существовало.

Вот такие дела. В слайдах на эту тему есть ещё несколько интересных вещей, смотрите, изучайте.

Теоретически мы можем сами выбирать, как использовать эту волшебную энергию ядра, в мирных целях или в разрушительных.

Критическая масса.

Я хоть и работаю сейчас металлами, в основном сталями, но мое обучение в ядерном вузе всё-таки даёт возможность делиться с вами дополнительными материалами из ядерной физики, которые в школе вы вряд-ли узнаете. Моя специальность была хоть и связана с этим, но косвенно, и если бы я не слушал не сильно важные для моей кафедры предметы, может этих знаний бы и не было.

В общем, сказать я хотел, что все сказанное выше о цепной реакции деления не во всех случаях работает. Такая реакция не всегда будет идти в уране 235 даже если вы ее запустите, запульнув туда один или несколько нейтронов.

Все дело в том, что образовавшиеся после деления нейтроны склонны быстро улетать за пределы материала и теряться. И даже если у вас будет лежать кусок чистого 235го урана, он не взорвется. Самоподдерживающаяся реакция деления будет проходить только при определенной массе вещества. То есть материала должно быть достаточно, чтобы как минимум один нейтрон после каждого акта деления попадал в следующее ядро и не улетал за пределы материала. Иначе коэффициент воспроизводства будет меньше единицы и реакция потухнет.

Такая масса вещества, при которой возникает самоподдерживающаяся цепная реакция деления называется критической массой. Она рассчитана для урана с разным обогащением (см. Ч.1 про ядерную энергию) и для плутония. Это основные делящиеся элементы, используемые в современной ядерной энергетике и вооружении. Для чистого 235го урана критическая масса составляет 50кг, для плутония - около 10 кг.

Ещё одним вариантом сдерживания нейтронов, чтобы они не улетали за пределы материала был путь не увеличения массы вещества, а окружение его тем, что нейтроны не выпускает наружу - отражателями. Отражатели нейтронов, как правило, делают из материалов, содержащих бериллий. Они работают как зеркало для нейтронов, тем самым, обеспечивая достаточное их количество для цепной реакции без увеличения массы делящегося вещества.

Вариации и упражнения с обогащением, критическими массами и поглощением/отражением нейтронов дали возможность учёным направлять энергию ядра в разные русла: создавать ядерную бомбу с намеренным значительным увеличением критической массы или электростанцию с поддержанием этой массы в тех пределах, когда реакцию можно контролировать.

Друзья, я осознаю, что те, кто не связан с данной тематикой никаким образом, понятия не имеет как это все работает и школьной физики здесь не достаточно. Я ни в какие тонкости и дебри не лезу, потому что не считаю себя узким специалистом в этой области, но такие простые вещи, мне кажется должны знать многие.

Поэтому у меня просьба. Делитесь, пожалуйста, со знакомыми, которым потенциально может быть интересна физика в том ключе, в котором ее не рассказывают в школе. Пересылайте посты, наберем думающую аудиторию. Я тут уже вряд-ли буду рассказывать как решать задания из ЕГЭ. Мой блог, как видели те, кто со мной из инсты остался, уже давно развивается в сторону популяризации физики. Буду благодарен за репост.

А за решениями заданий из ЕГЭ вы, по-прежнему можете написать мне лично, занятия в частном порядке я пока ещё провожу.

Как работает ядерная бомба?

Что ж, вы просили, вот мы и подошли к этому вопросу. Необходимую теоретическую базу я вам дал, особенно важна была последняя информация про критическую массу, ведь именно на ней и основан принцип работы ядерных зарядов. Здесь я не буду углубляться в тонкости, внутреннее устройство и прочие детали, которых я не знаю и знать не могу, так как не работаю в оборонной промышленности. Расскажу лишь то, что везде написано.

Итак, зная информацию о том, что при достижении определенной критической массы может возникнуть самоподдерживающаяся цепная реакция деления, самое простое, что можно сделать для запуска этого процесса - это взять два куска урана, в сумме равных критической массе, и сильно ударить их друг о друга. Все довольно просто?

По сути да, первые бомбы так и работали. Это называется пушечная детонация. Внутри снаряда находится пушечный ствол, на конце которого находится мишень из куска урана, а в начале ствола расположен второй кусок с пороховым зарядом. При детонации возникает выстрел и один кусок летит в другой по стволу с большой скоростью, чтобы сильно об него удариться и запустить реакцию. Картинку прикрепил. Здесь возникает проблема. Нужно подобрать массу и скорость заряда таким образом, чтобы не допустить преждевременного запуска реакции до того, как урановый снаряд долетит до мишени в стволе.

Второй более усовершенствованный вид детонации ядерных бомб - имплозивный. Фишка в том, что надо быстро сжать делящееся вещество, чтобы в определенном объеме достигалась критическая масса (кстати в пушечном заряде вещество тоже сжимается при ударе). Имплозивный способ - это когда вокруг уранового куска почти критической массы располагается взрывчатка по периметру. Когда обычная взрывчатка детонирует, возникает ударная волна, направленная, в центр нашего куска урана, она сжимает вещество до достижения его критической массы в центре, и реакция запускается.

Теперь вы знаете больше. Попытался рассказать на понятном языке, но местами, конечно проф деформация влияет. Если есть вопросы, не стесняйтесь, пишите в комментариях.
⬇️⬇️⬇️

Пушечная схема детонации

Имплозивная схема детонации

Знаете, я тут поймал себя на мысли, что описанная выше схема детонации ядерного заряда напоминает мне схему детонации дизельного двигателя. По сути похожая ситуация. В дизельном двигателе мы сжимаем газовую смесь до тех пор, пока она не воспламенится сама без поджига искрой. Здесь мы тоже сжимаем какое-то количество урана, до тех пор, пока не достигнем критической массы и не произойдет взрыв. Конечно, в дизельном двигателе более обогащенная воспламеняющимся веществом газовая смесь, по сравнению с обычным ДВС. В ядерном заряде также используется обогащенный делящимся изотопом уран (около 90%) или плутоний. Вот такие аналогии периодически приходят в голову.

Отвлечемся немного от ядерной физики. Мы тут на днях с ученицей решали задачку о давлении газов и жидкостей. Совсем простенькую, что-то типа объяснения работы фонтанчика. И тут опять у меня возникла аналогия. У кого-то из вас была или есть гейзерная кофеварка? Так вот принцип ее работы удивительно простой и эффективный.

Суть в том, что она состоит из двух резервуаров, в один из которых наливается вода, в чашу с трубкой насыпается кофе. Вода, нагреваясь, превращается в пар, который давит на оставшуюся воду и выталкивает ее через трубку и насыпанный в чашу кофе в верхний сосуд. Гениально и просто. Конечно, давление совсем не то, что в машине для эспрессо, но кофе получается лучше, чем в турке.

Никто не задумывается о физических явлениях в быту, а у меня это уже профдеформация. Может и вам будет интересно задуматься о работе простых вещей.

Пока собираюсь с мыслями для серьезных постов, буду писать что-то подобное и простенькое, чтобы и вам скучно не было.

Заметил, кстати, такую вещь, что у многих детей, сдающих ОГЭ по математике, возникают большие трудности в решении первых пяти задач. Если кто не в курсе, несколько лет назад в экзамен добавили задачи прикладного содержания, для решения которых нужно применить математические знания. Ну например, узнать, сколько нужно метров ткани, чтобы сшить зонт или посчитать длину металлических прутьев, из которых нужно сделать теплицу, ну или выбрать самый выгодный тариф мобильной связи. Если кому интересно, можете посмотреть.

Так вот, похоже, что даже если ребенок прекрасно знает все формулы и умеет решать уравнения или геометрические задачи, в которых есть круг, треугольник, квадрат, а не зонт, теплица или участок, перенести эти знания на реальные предметы ему очень сложно.

Почему так происходит? Этот вопрос я оставлю вам, подумайте на досуге.

А я думаю, хорошо, что ввели эти задачи, потому что это первый шаг к применению знаний в реальной жизни. Ведь немногие из вас, как оказалось, задумываются о том, как устроены обычные предметы, и не все понимают, как посчитать разные вещи, когда возникает потребность.

Буду показывать, где вам поможет физика и математика.

Давайте, раз уж на то пошло, задам задачку..

Это нормально, что вы что-то не знаете, не можете что-то посчитать или принять правильное решение. До тех пор, пока вы не станете заявлять, что вы в этом профи. К сожалению, не все профи знают теорию в своей работе. Вот, например, вы знали, что много электриков не знает закона Ома? Когда я делал ремонт и столкнулся с этой информацией, был в шоке если честно.

Итак правильный ответ на вопрос, куда положить лёд - сверху стакана.

При нагреве жидкость расширяется, уменьшает свою плотность и более горячие слои выталкиваются силой Архимеда наверх, и жидкость поднимается, также как и горячий воздух.

Если лёд будет лежать сверху, поднимающаяся нагретая жидкость будет тут же охлаждаться и снова опускаться вниз, заменяя собой более нагретую. И так слой за слоем нагретая жидкость будет охлаждаться. Также как охлаждается воздух от батареи, прошедший возле окна. Движение слоев среды с разной температурой называется конвекцией.

Если же положить лёд снизу стакана, то нижняя часть жидкости будет охлаждаться только за счёт теплопроводности, что в случае с жидкостями не самый быстрый процесс. А процесс конвекции (более быстрая теплопередача) идти не будет, т.к. поднимающаяся нагретая жидкость не будет охлаждаться наверху и спускаться в нижние слои. Она так и будет оставаться горячей сверху.

Давайте следующий вопрос на ту же тему...

И правильный ответ - конечно сначала надо подождать 5 минут, а затем долить холодную воду.

Дело в том, что вещества охлаждаются тем быстрее, чем больше разница температур между ними. Когда мы имеем кипяток в стакане и комнатную температуру воздуха снаружи, скорость охлаждения кипятка в это время максимальна. За 5 минут она охладится на максимальное количество градусов, а после этого доливаем холодную воду и остужаем ещё сильнее.

Если долить ее сразу, мы сильно охладим кипяток и получим воду какой-то средней температуры, и разница температур с окружающей средой будет меньше, а значит будет и меньше скорость дальшейшего охлаждения в течение 5 минут. То есть после долива за это время почти ничего не произойдёт и наше ожидание будет бесполезным.

Но я не проверял, если честно. Похоже, надо проверить

Я не могу не поделиться с вами уравнением поверхности, вид которой больше всего напоминает сердце. Эта задумка видимо принадлежит математику с фамилией Taubin и называется Taubin heart surface. Самая простая кривая в форме сердца - кардиоида, но она не так похожа на сердце как поверхность Тобина. Всех с праздником!