Опыты Резерфорда

При делении ядра энергия  связи, приходящаяся на каждый нуклон, увеличивается на 1 МэВ и общая выделяющаяся энергия должна быть огромной — порядка 200 МэВ. Ни при какой другой ядерной реакции (не связанной с делением) столь больших энергий не выделяется. 
 
 
 
Непосредственные измерения энергии, выделяющейся при делении ядра урана  , подтвердили приведенные соображения и дали значение 200 МэВ. Причем большая часть этой энергии (168 МэВ) приходится на кинетическую энергию осколков. На рисунке 13.13 вы видите треки осколков делящегося урана в камере Вильсона.

Выделяющаяся при делении ядра энергия имеет электростатическое, а не ядерное происхождение. Большая кинетическая энергия, которую имеют осколки, возникает вследствие их кулоновского отталкивания.

Механизм делении ядра. Процесс деления атомного ядра можно объяснить иа основе капельной модели ядра. Согласно этой модели сгусток нуклонов напоминает капельку заряженной жидкости (рис. 13.14, а). Ядерные силы между нуклонами являются короткодействующими, подобно силам, действующим между молекулами жидкости. Наряду с большими силами электростатического отталкивания между протонами, стремящимиея разорвать ядро на части, действуют еще большие ядерные силы притяжения. Эти силы удерживают ядро от распада. 
 
 
 
Ядро урана-235 имеет форму шара. Поглотив лишний нейтрон, оно возбуждается и начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму (рис. 13.14, б). Ядро будет растягиваться до тех пор, пока силы отталкивания между половинками вытянутого ядра не начнут преобладать над силами притяжения, действующими в перешейке (рис. 13.14, в). После этого оно разрывается на две части (рис. 13.14, г).

Под действием кулоновских сил отталкивания эти осколки разлетаются со скоростью, равной 1/30 скорости света.

Испускание нейтронов в процессе деления. Фундаментальный факт ядерного деления — испускание в процессе деления двух-трех нейтронов. Именно благодаря этому оказалось возможным практическое использование внутриядерной энергии.

Понять, почему происходит испускание свободных нейтронов, можно исходя из следующих соображений. Известно, что отношение числа нейтронов к числу протонов в стабильных ядрах возрастает с повышением атомного номера. Поэтому у возникающих при делении осколков относительное число нейтронов оказывается большим, чем это допустимо для ядер атомов, находящихся в середине таблицы Менделеева. В результате несколько нейтронов освобождается в процессе деления. Их энергия имеет различные значения — от нескольких миллионов электрон-вольт до совсем малых, близких к нулю.

Деление обычно происходит на осколки, массы которых отличаются примерно в 1,5 раза. Осколки эти сильно радиоактивны, так как содержат избыточное количество нейтронов. В результате серии последовательных  -распадов в конце концов получаются стабильные изотопы.

В заключение отметим, что существует также спонтанное деление ядер урана. Оно было открыто советскими физиками Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком в 1940 г. Период полураспада для спонтанного деления равен 1016 лет. Это в два миллиона раз больше периода полураспада при  -распаде урана.

Реакция деления ядер сопровождается выделением энергии.

 

Цепна́я я́дерная реа́кция

 

 — последовательность единичных ядерных реакций, каждая из которых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности. Примером цепной ядерной реакции является цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов, при которой основное число актов деления инициируется нейтронами, полученными при делении ядер в предыдущем поколении.

 

Я́дерный реа́ктор 

— это устройство, предназначенное для организации управляемой самоподдерживающейся цепной реакции деления, которая всегда сопровождается выделением энергии (1 МВт на 3·1016 актов деления в секунду).

Первый ядерный реактор построен и запущен в декабре 1942 года в США под руководством Э. Ферми. Первым реактором, построенным за пределами США, стал ZEEP, запущенный в Канаде 5 сентября 1945 года[1]. В Европе первым ядерным реактором стала установка Ф-1, заработавшая 25 декабря1946 года в Москве под руководством И. В. Курчатова[2]. К 1978 году в мире работало уже около сотни ядерных реакторов различных типов

 

АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА, область техники, основанная на использовании реакции деления атомных ядер для выработки теплоты и производства электроэнергии. В 1990 атомными электростанциями (АЭС) мира производилось 16% электроэнергии. Такие электростанции работали в 31 стране и строились еще в 6 странах. Ядерный сектор энергетики наиболее значителен во Франции,Бельгии, Финляндии, Швеции, Болгарии и Швейцарии, т.е. в тех промышленно развитых странах, где недостаточно природных энергоресурсов. Эти страны производят от четверти до половины своей электроэнергии на АЭС. СШАпроизводят на АЭС только восьмую часть своей электроэнергии, но это составляет около одной пятой ее мирового производства.

Атомная энергетика остается предметом острых дебатов. Сторонники и противники атомной энергетики резко расходятся в оценках ее безопасности, надежности и экономической эффективности. Кроме того, широко распространено мнение о возможной утечке ядерного топлива из сферы производства электроэнергии и его использовании для производства ядерного оружия.

 

 

  Термоядерные реакции − реакции слияния (синтеза) лёгких ядер, протекающие при высоких температурах. Эти реакции обычно идут с выделением энергии, поскольку в образовавшемся в результате слияния более тяжёлом ядре нуклоны связаны сильнее, т.е. имеют, в среднем, бoльшую энергию связи, чем в исходных сливающихся ядрах. Избыточная суммарная энергия связи нуклонов при этом освобождается в виде кинетической энергии продуктов реакции. Название “термоядерные реакции” отражает тот факт, что эти реакции идут при высоких температурах (>107–108 К), поскольку для слияния лёгкие ядра должны сблизиться до расстояний, равных радиусу действия ядерных сил притяжения, т.е. до расстояний ≈10-13 см. А вне зоны действия этих сил положительно заряженные ядра испытывают кулоновское отталкивание. Преодолеть это отталкивание могут лишь ядра, летящие навстречу друг другу с большими скоростями, т.е. входящие в состав сильно нагретых сред, либо специально ускоренные. 
    Ниже приведены несколько основных реакций слияния ядер и указаны для них значения энерговыделения Q. d означает дейтрон − ядро 2Н, t означает тритон − ядро 3Н.

d + d → 3He + n + 4.0 МэВ, 
d + d → t + p + 3.25 МэВ, 
t + d → 4He + n + 17.6 МэВ, 
3He + d → 4He + p + 18.3 МэВ.

Реакция слияния ядер начинается тогда, когда сталкивающиеся ядра находятся в области их взаимного ядерного притяжения. Чтобы так сблизиться, сталкивающиеся ядра должны преодолеть их взаимное дальнодействующее электростатическое отталкивание, т.е. кулоновский барьер. Скорость реакции слияния крайне мала при энергиях ниже нескольких кэВ, но она быстро растет с ростом кинетичской энергии ядер, вступающих в реакцию. Соответствующие эффективные сечения реакций в зависимости от энергии дейтрона приведены на рис. 1.

 
Рис. 1. Зависимость эффективных сечений реакции слияния 
от энергии дейтрона.   

  Самоподдерживающиеся термоядерные  реакции являются эффективным  источником ядерной энергии. Однако  осуществить их на Земле сложно, так как для этого нужно  удерживать высокие концентрации  ядер при огромных температурах. Необходимые условия для протекания  самоподдерживающихся термоядерных  реакций имеются в звёздах, где  они являются главным источником  энергии. Так внутри Солнца, где  находятся ядра водорода при  плотности ≈100 г/см3 и температуре 107 К, идёт цепочка термоядерных реакций превращения четырёх протонов (ядер водорода) в ядро гелия-4 (4Не). При каждом таком превращении выделяется энергия 26.7 МэВ. Эта цепочка реакций (называемая протон-протонной) начинается с реакции (1) и приведена на рисунке.

Протон-протонная цепочка.

 

    На Земле самоподдерживающиеся  термоядерные реакции с выделением  огромной энергии осуществлялись  в течение очень короткого  времени (10-7–10-6 сек) при взрывах водородных бомб. Одной из основных термоядерных реакций, обеспечивающих энерговыделение при таких взрывах, является реакция слияния двух тяжёлых изотопов водорода (дейтерия и трития) в ядро гелия с испусканием нейтрона:

2Н + 3Н 

 4Не + n.

 

 

Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основныхядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий(2H) и тритий (3H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3He) и бор-11 (11B).

Классификация элементарных частиц

Элементарными изначально называли частицы, у которых внутренняя структура не наблюдалась, однако этот термин условен, т.к. большинство элементарных частиц все же имеют такую структуру.

Первыми были экспериментально обнаружены следующие частицы – электрон, протон (1920 г.), а затем нейтрон. Следующей частицей оказался позитрон – античастица по отношению к электрону, которая обладает положительным, а не отрицательным зарядом. Затем было открыто нейтрино, в настоящее время известно несколько его разновидностей. Так, один тип взаимодействует только с электроном, другой – только с µ-мезоном.

К концу 1965 г. количество открытых элементарных частиц перевалило за 200.

Классификация частиц:

1. В зависимости от массы (масса  покоя) – нет двух частиц с  одинаковыми массами. Самая легкая  – электрон, самая тяжелая – Z-частица, тяжелее электрона в 200 тыс. раз.

2. В зависимости от электрического  заряда – он меняется в узком  диапазоне и всегда кратен  фундаментальной единице заряда  – заряду электрона (-1). Ряд частиц (нейтрино, фотон) не имеют заряда.

3. В зависимости от спина –  собственного момента импульса  частицы. Так, протон и электрон  имеют спин 1/2, спин фотона равен 1. Частиц со спином более 2 не  существует. В зависимости от  спина все частицы делятся  на бозоны – частицы с целыми  спинами (0, 1, 2) и фермионы – частицы  с полуцелыми спинами (1/2, 3/2).

4. В зависимости от времени  жизни: стабильные (электрон, протон, нейтрино  и фотон) и нестабильные – все  остальные частицы, время их жизни  от нескольких микросекунд.

5. В зависимости от участия  в различных видах взаимодействия: адроны – частицы, участвующие  в сильном взаимодействии, лептоны  – участвуют в слабом и не  участвуют в сильном взаимодействии. 

 

 

Частицы и античастицы  
Фермионы и бозоны

У всех частиц имеются партнеры-античастицы, обладающие теми же значениями массы, спина, времени жизни, но имеющие противоположный знак электрического заряда, других зарядов, например, лептонного, барионного, гиперзаряда, странности и т.д.. Античастицей электрона   является позитрон  , протона  - антипротон  , нейтрона  - антинейтрон   и т.д. Если у частицы нет никаких зарядов, ее античастица совпадает с ней самой и частица называется истинно нейтральной. Примерами истинно нейтральной частицы являются  квант,  -бозон,  -мезон и т.д. Окружающая нас часть Вселенной, а,возможно, и вся Вселенная зарядово асимметрична: она состоит из   и почти не содержит  . Причины такой асимметрии объясняются в теориях Великого объединения взаимодействий элементарных частиц.

Все частицы имеют либо целый, либо полуцелый спин. Частицы с полуцелым спином называются фермионами и подчиняются статистике Ферми, согласно которой данное состояние может занимать не более,чем один фермион. Волновая функция системы фермионов антисимметрична относительно перестановок переменных фермионов. Частицы с целым спином называются бозонами и подчиняются статистике Бозе, согласно которой данное состояние может занимать произвольное количество бозонов. Волновая функция системы бозонов симметрична относительно перестановок переменных бозонов. В дальнейшем мы неоднократно столкнемся с проявлениями принципов Ферми и Бозе в физике адронов.

Космические лучи

Потоки быстрых заряженных частиц — протонов, электронов, ядер различных химических элементов, летящих в различных направлениях в космическом пространстве со скоростью более 100000 км/с. Попадая в земную атмосферу, частицы космических лучей сталкиваются в ней с ядрами атомов азота и кислорода и разрушают их. В результате возникают потоки новых элементарных частиц. Такие частицы, рожденные в атмосфере, называются вторичными космическими лучами. Вторичные космические лучи регистрируются специальными приборами-счетчиками ионизующих частиц или с помощью особых ядерных фотоэмульсий. Первичные космические лучи практически не достигают Земли, и лишь небольшое их количество регистрируется высоко в горах. Исследования этих частиц проводятся в основном за пределами земной атмосферы с использованием современной космической техники. Основная масса космических лучей, приходящих к Земле, имеет энергию более 109эВ (1 эВ равен 1,6*10-19Дж). Для сравнения укажем, что в недрах Солнца, где вещество нагрето до температуры 15000000 К, средняя энергия частиц плазмы лишь немногим превышает 103 эВ, т. е. она во много раз меньше, чем у космических лучей. Космические лучи ежесекундно пронизывают буквально каждый квадратный сантиметр межпланетного и межзвездного пространства. На площадку с поверхностью в 1 м2 попадает в среднем около 10 000 частиц в секунду. В основном это частицы сравнительно невысоких энергий. Чем больше энергия космических частиц, тем реже они встречаются. Так, частицы с очень высокой энергией, превышающей 1016эВ, попадают на площадь в 1 м2 в среднем раз в год. Крайне редко встречаются частицы с фантастической энергией в 1019 — 1020эВ. Где они смогли получить столь большую энергию, пока остается неизвестным. Более 90% первичных космических лучей всех энергий составляют протоны, около 7% приходится на а-частицы (ядра атомов гелия), около 2% — на ядра атомов, более тяжелых, чем у гелия, и примерно 1% — на электроны.