В.А. Горбаренко - Излучения, атомная и ядерная физика (1022086), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Образование ядер в процессе слияния отдельных нуклонов или легких ядер называется ядерным синтезом.Для слияния легких ядер или нуклонов в одно ядро, онидолжны сблизится на расстояние, равное радиусу действия ядерных сил ∼10-15 м. Такому сближению препятствует кулоновскоеотталкивание. Расчеты показывают, что для того, чтобы преодолеть это отталкивание, ядра должны обладать кинетической энергией, соответствующей температурам ∼107 К. По этой причинереакции ядерного синтеза часто называют термоядерными реакциями. Термоядерные реакции происходят в недрах Солнца извезд и являются источником энергии, обеспечивающим их излучение.В земных условиях термоядерная реакция осуществлена пока только в военных целях в термоядерной (водородной) бомбе.В ней происходит самоподдерживающаяся термоядерная реакция. Взрывчатым веществом служит смесь изотопов водорода −23дейтерия 1 D и трития 1T .
Высокая температура, необходимаядля протекания реакции, получается при взрыве обычной атомной бомбы.Возможность использования энергии ядерного синтеза вмирных целях и создания термоядерного реактора весьма заманчива, но до сих пор проблема построения термоядерного реактора до конца не решена. Наиболее вероятно создание термоядерного реактора на следующих реакциях синтеза с участием дейтерия и трития (в скобках указано энерговыделение):2231(4,03 МэВ),1 H +1H →1 H +1 H2231(3,27 МэВ),1 H +1 H → 2 H e+ 0 n2341(17,59 МэВ),1 H +1 H → 2 H e+ 0 n92(11,33 МэВ).H +13H → 24H e +201 nЭнергия, выделяющаяся в реакциях ядерного синтеза в расчетена единицу массы горючего, гораздо больше, чем при деленииядра.
Кроме того, при ядерном синтезе не столь остра проблемазахоронения радиоактивных отходов. В качестве горючего термоядерного реактора можно использовать дейтерий, в изобилиивстречающийся в воде океанов (распространенность дейтерия составляет 0,015%, или около 1 г дейтерия на 60 л воды).К сожалению, на пути создания надежно действующеготермоядерного реактора все еще стоят значительные трудности.Они обусловлены тем, что для начала термоядерной реакции необходимы очень высокие температуры. Все вещества при такихтемпературах находятся в состоянии плазмы, а проблема удержания высокотемпературной плазмы достаточной плотности всостоянии равновесия в течении времени, необходимого для начала реакции синтеза до сих пор не решена.Альтернативный метод состоит в использовании твердыхгранул горючего, быстро разогреваемых интенсивным лазернымили электронным пучком.
Этот метод весьма перспективен, ноосуществить управляемую термоядерную реакцию с его помощью также пока не удалось.316.6. Элементарные частицы и видывзаимодействий в природеФизика элементарных частиц − это, пожалуй, один из наиболее динамичных разделов физики; теоретические представления об элементарных частицах с появлением новых экспериментальных данных на протяжении последних нескольких десятковлет менялись очень сильно.
И до сих пор нельзя с уверенностьюсказать, что современный взгляд на элементарные частицы окончателен и не будет коренным образом меняться в будущем. Поэтому наше изложение носит исключительно описательный, информационный характер.В процессе установления сложной структуры атома и егоядра возродилась ранее чисто умозрительная идея о существовании небольшого числа первичных, неделимых далее микрообъек-93тов. На первых порах к ним были отнесены электроны, протоны,нейтроны и, после некоторых колебаний, фотоны.
Господствовать стала точка зрения, согласно которой цепочка составныхэлементов материи завершается дискретными бесструктурнымобъектами, которые и были названы "элементарными частицами".Однако время показало, что подобная трактовка концепцииэлементарности оказывается слишком примитивной. Во-первых,постепенно открывались все новые и новые объекты, которые сполным правом могли претендовать на роль элементарных частиц (мюоны, пионы, нейтрино и др.).
И к настоящему времениобщее их число существенно превышает число известных химических элементов. Далее, обнаружилось, что элементарные частицы не являются какими-то неизменными образованиями − всеони при определенных условиях способны превращаться друг вдруга, хотя, конечно, вновь образующиеся частицы не содержатся в начальных (вспомним, хотя бы элементарные βпревращения). Наконец, в последние десятилетия с достоверностью установлено, что большинство частиц, в том числе протон инейтрон, не элементарны в самом обычном смысле этого слова.В подобной ситуации трудно сформулировать точное определение элементарной частицы. Ныне этот термин употребляетсяне в своем истинном первоначальном значении, а менее строго,повторив историю слова "атом" − "неделимый".
Элементарнымичастицами сейчас именуют большую группу мельчайших микрообъектов, не являющихся атомами или атомными ядрами (за исключением протона − ядра атома водорода). В этом смысле ихназывают иногда субъядерными частицами.Кардинальный вопрос о существовании в природе истинноэлементарных частиц не снят с повестки дня и сегодня. В принципе ответ на этот вопрос может быть и отрицательным, т.е. неисключено, что материя устроена подобно "бесконечной матрешке".Пока считается, что истинно элементарные или фундаментальные частицы (субчастицы) все же имеются.
Термин же "элементарные частицы" сохраняется скорее по традиции.946.6.1. История открытия частиц.Новые частицы открывают в реакциях неупругого рассеяния уже известных частиц, иногда в процессах их распада, какэто было в случае с нейтрино. Для этого сталкивают частицы скак можно большими энергиями, а затем с помощью подходящихдетекторов исследуют продукты соответствующей реакции и тефрагменты, на которые распались образовавшиеся частицы. Основным источников первичных частиц до 50-х годов были космические лучи, а в настоящее время источниками служат в основном ускорители, создающие контролируемые интенсивныепучки частиц с высокими энергиями.Всего в настоящее время известно более 400 элементарныхчастиц, причем их количество увеличивается с каждым месяцем.Рассмотрим наиболее интересные частицы и основные этапы развития физики элементарных частиц.1.
Электрон е⎯ − элементарная частица, открытая на рубеже19 и 20 веков.2. Протон р−- ядро атома водорода, возведено в ранг элементарных частиц в 1919 г. Резерфордом.3. Фотон γ − появился в физике благодаря работам Планка иЭйнштейна и утвердился в качестве элементарной частицы послеопытов Комптона (фотоны также являются переносчиками электромагнитного взаимодействия).4. Гравитон G − выполняет функции, аналогичные фотонупо отношению к гравитации. Экспериментально к настоящемувремени не зарегистрирован ввиду слабости гравитационноговзаимодействия.5.
Нейтрон n − теоретически предсказан в 1920 г. Резерфордом и открыт в 1932 г. Чэдвиком.6. Античастицы − предсказаны в 1930 г. Дираком. Перваяатичастица − позитрон (античастица электрона) открыта в 1932 г.7. Пионы (π-мезоны "+", "−" и "о") − впервые ввел это понятие Юкава в 1935 г. для объяснения природы ядерных сил. Заряженные пионы открыли в 1947 г., а нейтральный пион – в 1950г.958. Мюон μ⎯ − открыт в 1937, первоначально ошибочно отождествлялся с переносчиком ядерных сил, но затем выяснилось,что он является тяжелым двойником электрона. В 1975 г. открытеще более тяжелый "собрат" электрона − тяжелый лептон или τлептон (таон τ⎯).9.
Нейтрино ν - введено в 1930 г. Паули, зарегистрировано всередине 50-х годов. В настоящее время известно три сорта нейтрино: электронное, мюонное и таонное.Таким образом, к концу 40-х годов было известно около 15элементарных частиц, которые позволили создать довольностройную картину строения материи. Вещество состоит из атомов разных сортов. Каждый атом с порядковым номером Z представляет собой массивное положительно заряженное ядро с зарядом Ze, окруженное оболочкой из Z электронов.
Электроннаяоболочка определяет химические свойства элементов. Фотоныиграют двоякую роль: они являются квантами свободного электромагнитного поля, а также обуславливают за счет обменныхпроцессов электромагнитное взаимодействие. В частности переходы атомных электронов между различными энергетическимиуровнями атомов сопровождаются испусканием и поглощениемфотонов, что объясняет оптические свойства веществ.
Ядро атома с порядковым номером Z и массовым числом А содержит Zпротонов и А-Z нейтронов. Нуклоны удерживаются в ядре за счетобмена пионами, а нейтрино обеспечивает выполнение законовсохранение импульса, энергии и момента импульса в процессахβ-распада. Античастицы выполняют аналогичные функции в "антимирах". Невыясненной оставалась только роль мюона.10. Полной неожиданностью для физиков оказалось открытие в 50-е годы еще около 15 частиц.
Все они нестабильны, длябольшинства их среднее время жизни было τ ~10-10 с. Они былиназваны К-мезоны (каоны) и гипероны. Все каоны и гипероныстали называть "странными" частицами, т.к. они показались совсем уж лишними и обладали рядом интересных свойств. В дальнейшем для описания поведения каонов и гиперонов пришлосьввести новый закон сохранения и ввести новое квантовое число −"странность".9611. В 60-е годы было открыто около 100 новых частиц счрезвычайно малыми временами жизни порядка ядерных временτ ~ 10-23÷10-22 с. В настоящее время таких частиц насчитываетсяболее 300 и все они носят название резонансы.12. В ноябре 1974 г. независимо друг от друга двумя группами американских ученых была открыта новая частица J/ψ йотпси-частица.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
