goldin-novikova-vvedenie-v-kvantovuyu-fiziku-2002 (810754), страница 94
Текст из файла (страница 94)
Образование гелия происходит несколько позднее, когда доля нейтронов падает до 13%. При образовании гелия связывается весь наличный запас нейтронов. Доля гелия (по массе) составляет поэтому 13-2 = †.... 26%. Эта доля сохранилась до настоящего времени. Казалось бы, после этого открылась дорога к синтезу всех остальных элементов, Это, однако, не так. Следующая трудность заключается в отсутствии ядер с массовыми числами 5 и 8. Это затянуло процесс нуклеосинтеза, и он стал возможным только при температурах, близких к температурам центральной части звезд, где условия неизмеримо более стабильны, чем в остывающей Вселенной. Сейчас считается, что основной нуклеосинтез происходил именно в звездах.
Мы начали паше обсуждение с 0,01 с. Правильность расчетов подтверждается наличием реликтового излучения и данными, полученными для распространенности гелия. Можно ли продвинуться еще ближе к сингулярностиу Теория сейчас позволяет это сделать до 10 ьз с. Считается, что ранее этого момента (Апланковский момент временна) теория гравитации Эйнштейна несправедлива. Чтобы рассмотреть еще меньшие времена, нужна квантовая теория гравитации, которая пока не создана. Есть еще один вопрос, на который хотелось бы знать ответ: почему $88 Ускогитвли зхгяжшшых частиц 461 после всех процессов аннигиляции оказалось, что Вселенная — или, по крайней мере, ближайшая к нам ее часть — состоит из вещества, а не из антивешества.
Ясного ответа на этот вопрос не существует. Поскольку вешество и антивещество не аннигилируют и не рождаются друг без друга, избыток вещества существовал с самого начала. Откуда и почему он возник — мы не знаем. Неизвестно, является ли этот избыток местным или общим. Общепринятого ответа на этот вопрос нет. Неизвестно также, как оказалось, что число электронов равно числу протонов. Ответа на этот вопрос пока тоже нет. Что нас ждет в будущем . Будет ли расширение Вселенной происходить всегда или сменится новым сжатием? Иначе говоря, преодолеют ли гравитационные силы кинетическую энергию разбегания галактик или их для этого не хватит.
Ответ на этот вопрос зависит от количества вещества во Вселенной или, лучше сказать, от средней плотности вещества. И на этот вопрос ответа пока нет. Прежде всего его нет потому, что неизвестна масса темного вещества. Сейчас считается, что эта масса составляет 90гв общей массы Вселенной.
Мы уже приводили эту цифру. Принимая эту цифру, можно подсчитать среднюю плотность вещества в нашей Галактике. Дальше нужно переходить к ближайшей части Вселенной и затем — к ней всей. Расчет этот очень ненадежен. Приведем все-таки некоторые цифры. Критическая плотность вещества (плотность, при которой расширение в конце концов перейдет в сжатие) — 3 атома водорода на ! мз пространства.
1На самом деле, речь здесь идет пе о плотности материи, а о плотности энергии. При расчетах масса и энергия должны переводиться друг в друга по обычной формуле Эйнштейна.) При расчете плотности вещества нужно учитывать не только плотность водорода, но и плотность световых квантов и нейтрино. На один атом водорода сейчас приходится 4 10 квантов реликтового излучения.
Сейчас принято считать, что имеющаяся плотность вещества во Вселенной близка к критической или даже несколько выше нее. Если это так, то через некоторое время Вселенная вновь начнет сжиматься, а потом последует новый цикл расширения, так что наше будущее — это просто наше прошлое...
В 88. Ускорители заряженных частиц Прежде, чем описывать разные типы ускорителей, выясним, в каких ускорителях может возникнуть необходимость при изучении явлений, которые мы рассматривали в последних главах. Как вы уже знаете, энергия связи нуклонов в ядрах по порядку величины равна нескольким мегаэлектронвольтам. Для исследования 462 ГЛАВА 16 ядерных реакций достаточно поэтому иметь частицы (скажем, протоны), ускоренные до 10-20 МВВ. Для технических целей (изготовление искусственных радиоактивных изотопов и др.) нужны те же энергии.
В медицине находят применение электроны и протоны с энергией до 200 МэВ. Большой интерес для ядерных исследований представляют нейтроны, но для их генерации нужны не ускорители, а ядерные реакторы. Важнейшей областью применения ускорителей являются исследования в области элементарных частиц. Только первые исследования в этой области были сделаны без них: позитроны, мюопы,я- и )т-мезоны были найдены в космических лучах. Вот и весь перечень частиц, открытых не на ускорителях. Следовало ожидать существования и более тяжелых, еще неизвестных частиц. Так появилась нужда в ускорителях, причем на все большие и большие энергии.
Сначала разные страны соревновались в этой области друг с другом. Одним из участников этого соревнования был и Советский Союз. Однако, новые поколения ускорителей требуют таких средств, что только Соединенные Штаты могут позволить себе строить крупные ускорители в одиночку. В Европе создан международный центр ядерных исследований (ЦЕРН), который объединяет усилия Европейских стран для сооружения новых гигантских ускорителей и для использования уже имеющихся. (В лабораториях ЦЕРН-а проводят исследования и русские физики.) Возникло новое направление в физике— фи з и к а в ыс о к и х э н ер г и й. Для дальнейших научных исследований в этой области требуются ускорители па очень болыпие энергии.
Уже для генерапии (т'-частид потребовались ускорители па энергии, раВные сОтням гигаэлектронВОльт (сотням миллиардоВ электронвольт), а для генерации частиц Хиггс-бозонов нужны еще болыпие энергии. Ускорители прямого действия. После предварительных замечаний перейдем к описанию ускорителей. Начнем с ускорителей прямого действия.
Схема расположения электродов в таких ускорителях изображена на рис. 183. Высокое напряжение подается на левый — высоковольтный электрод. В центре электрода имеется отверстие для ввода частиц. В центре правого электрода также имеется отверстие. Сквозь него выводятся ускоренные частицы, направляясь к экспериментальной установке. Правый электрод заземлен. Такое распределение потенциалов является обязательным, потому что экспериментальные установки всегда должны находиться при потенциале Земли.
Максимальная энергия, которая достижима в ускорителях прямого действия, определяется напряжением, которое может быть получено между электродами без электрического пробоя, практически, это 2,5 — 3 МэВ. Энергия, которую могут при этом приобрести однозарядные частицы, равна, соответственно, 2,5 — 3 МэВ. Ускорители собираются внутри колпака, выдерживающего давление 1Π— 15 атм. и наполняются $ 88 Усковитвли злгяжвнпых чхстиц 463 Входящий пучок Ускоренные частицы Рис. !83. Схема расположения электродов в ускорителе прямого действия. азотом с примесью газов, повышающих пробойную прочность.
Ускорители прямого действия использовались ранее как для получения ускоренных частиц, например, протонов с небольшой энергией, так и для предварительного ускорения частиц перед вводом в более мощные ускорители. Сейчас они уступили место линейным ускорителям.
соединительный источник вл. напряжения Рнс. 184. Схема расположения электродов в линейном ускорителе. Линейные ускорители. Сннхротронные колебания. Более высокие энергии могут быть получены только с помощью переменных электрических полей. Рассмотрим рис. !84. На нем изображена установка, содержащая пять ускоряюших зазоров и столько же дрейфовых трубок. Ускоряемые частицы, скажем, протоны, попадают в первый ускоряющий зазор, когда напряжение в нем имеет нужный знак (верхние обозначе- ГлАвл 16 ния полярности). Пройдя через него, электроны получают первую порцию энергии.
Пролетев через дрейфовую трубку частицы попадают во второй ускоряющий зазор. Пока частицы движутся через трубку, напряжение успевает переменить полярность и теперь соответствует уже нижним обозначениям гчастицы, движущиеся в металлической трубке, перемены напряжения не замечают). В зазоре напряжение снова имеет эправильный» знак, и частицы получают вторую порцию энергии. Затем следует новая дрейфовая трубка, за ней — следующий ускоряющий зазор, и т.д. Такие ускорители носят название л и н ей н ы х ус к орителей со стоячей волной.
Энергия, приобретаемая в каждом зазоре, не очень велика. Она может лежать в пределах нескольких сотен килоэлектронвольт, а полная энергия, приобретаемая частицей, ограничена только числом ускоряющих зазоров, т.е., в конечном счете, длиной ускорителя. Пролетные трубки и ускоряющие зазоры должны, конечно, располагаться в вакуумной камере, откачанной до высокого вакуума, поскольку движение ускоряемых частиц может происходить только в высоком вакууме. Сейчас используется несколько типов линейных ускорителей; среди них ускорители с бегущей волной, резонансные линейные ускорители и т.д.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
