Білет №21

1. Проблеми керованого термоядерного синтезу

Якби в земних умовах була можливість здійснювати легко керовані термоядерні реакції, людство отримало б практично невичерпне джерело енергії, тому що запаси водню на Землі величезні. Однак на шляху здійснення енергетично вигідних керованих термоядерних реакцій стоять великі технічні труднощі. Перш за все необхідно створювати температури близько 108 К. Такі надвисокі температури можуть бути отримані шляхом створення в плазмі електричних розрядів великої потужності.

Токамак Цей метод використовують в установках типу "Токамак" (Торіодальная камера з магнітними котушками), вперше створених в Інституті атомної енергії ім. І. В. Курчатова. У таких установках плазму створюють в тороідальній камері, що є вторинною обмоткою потужного імпульсного трансформатора. Його первинна обмотка підключена до батареї конденсаторів дуже великої місткості. Камеру заповнюють дейтерієм. При розряді батареї конденсаторів через первинну обмотку в тороідальній камері збуджується вихровий електричне поле, що викликає іонізацію дейтерію і поява в ньому потужного імпульсу електричного струму, що призводить до сильного нагрівання газу та утворення високотемпературної плазми, в якій може виникнути термоядерна реакція.

Головна трудність полягає в тому, щоб утримати плазму усередині камери протягом 0,1-1 с без її контакту зі стінками камери, оскільки не існує матеріалів, здатних витримувати такі високі температури. Ці труднощі вдається частково подолати за допомогою тороїдального магнітного поля, в якому знаходиться камера. Під дією магнітних сил плазма скручується в шнур і як би "висить" на лініях індукції магнітного поля, не торкаючись стінок камери.

Початком сучасної епохи у вивченні можливостей термоядерного синтезу слід вважати 1969 рік, коли на російській установці Токамак Т3 в плазмі об'ємом близько 1 м3 була досягнута температура 3 M °C. Після цього вчені в усьому світі визнали конструкцію токамака найбільш перспективною для магнітного утримання плазми. Вже через кілька років було прийнято сміливе рішення про створення установки JET (Joint European Torus) зі значно більшим обсягом плазми (100 м3). Робочий цикл установки становить приблизно 1 хвилину, так як її тороїдальні котушки виготовлені з міді і швидко нагріваються. Ця установка почала працювати в 1983 році і залишається поки найбільшим у світі токамаків, що забезпечує нагрівання плазми до температури 150 M ° C.

У 2006 представники Росії, Південної Кореї, Китаю, Японії, Індії, Євросоюзу і США підписали в Парижі угоду про початок робіт з будівництва першого Міжнародного термоядерного експериментального реактора (International Tokamak Experimental Reactor - ITER). Магнітні котушки реактора ITER будуть створені на основі надпровідних матеріалів (що, в принципі, дозволяє працювати безперервно за умови підтримки струму в плазмі), так що проектувальники сподіваються забезпечити гарантований робочий цикл тривалістю не менше 10 хвилин.

Реактор буде побудований в районі міста Кадараш (Cadarache), розташованого в 60 кілометрах від Марселя на півдні Франції. Роботи з підготовки будмайданчика почнуться навесні наступного року. Зведення самого реактора планується почати в 2009 році.

Будівництво триватиме десять років, роботи на реакторі передбачається проводити протягом двадцяти років. Загальна вартість проекту становить приблизно 10 мільярдів доларів. Сорок відсотків витрат буде нести Євросоюз, шістдесят відсотків припадуть в рівних частках на інших учасників проекту.

2.Кварки. Їх характеристики Кварки (від англ. quark - квак, кряк) — фундаментальні частинки, з яких за сучасними уявленнями складаються адрони, зокрема протони та нейтрони. На сьогодні відомо 6 сортів (їх прийнято називати «ароматами») кварків: d,u,s,c,b і tКварки мають спін 1/2ħ де ħ - зведена стала Планка, та дробовий електричний заряд. Кожен кварк має також один з трьох кольорів (ще одне квантове число, подібно до спіну чи аромату). Кожному з шести кварків відповідає своя античастинка - антикварк.Властивості кварків=На відміну від інших елементарних частинок, кварки мають не цілий, а дробовий електричний заряд кратний 1/3 елементарного заряду.Усім кваркам, крім d та u, приписується певне ароматове квантове число (ароматовий заряд): дивність, чарівність, красу та правдивість. За абсолютною величиною цей заряд приймається рівним 1, а знак прийнято вибирати таким, як і знак електричного заряду кварка.Ізоспін кварків дорівнює 1/2, а отже його проекція, в залежності від аромату кварка, може приймати два значення: -1/2 та +1/2.Кварки можна згрупувати у три покоління. До кожного покоління належать два кварки, які мають протилежні за знаком проекції ізоспіну, один з них має заряд -1/3, а другий +2/3.Кваркам приписується також баріонний заряд величиною 1/3, антикваркам, відповідно, -1/3. Таким чином, баріони, що складаються з трьох кварків, мають баріонний заряд 1, їхні античастинки, що складаються з трьох антикварків, -1, а мезони, що складаються з кварка і антикварка, мають баріонний заряд 0.За масою розрізняють легкі: d,u,s та важкі: c,b і t кварки.

Позначення та назва		елек- тричний заряд	Ароматові квантові числа				про- екція ізо- спіну	барі- онний заряд		маса
			див- ність	чарів- ність	краса	прав- дивість
Перше покоління
d	нижній (down)	−1/3	0	0	0	0	−1/2	1/3	~ 4 МеВ
u	верхній (up)	+2/3	0	0	0	0	1/2	1/3	~ 6 МеВ
Друге покоління
s	дивний (strange)	−1/3	− 1	0	0	0	−1/2	1/3	150 МеВ
c	чарівний (charm)	+2/3	0	1	0	0	1/2	1/3	1.5 ГеВ
Третє покоління
b	красивий (beauty, bottom)	−1/3	0	0	−1	0	−1/2	1/3	4.5 ГеВ
t	правдивий (true, top)	+2/3	0	0	0	1	1/2	1/3	175 ГеВ

Кожному кварку відповідає антикварк, що має протилежний за знаком електричний заряд, ароматове число, проекцію ізоспіну та баріонний заряд −1/3 (див. також Античастинка). Взаємодія кварків=Кварки беруть участь у кожному з чотирьох типів фундаментальних взаємодій.Протони та нейтрони, які дають найбільний внесок у масу видимої матерії Всесвіту, складаються із кварків. Отже, явище гравітаційної взаємодії між зірками, планетами та іншими астрономічними об’єктами це значною мірою прояв участі кварків у гравітаційній взаємодії.Участь кварків у електромагнітній взаємодії проявляється у глибоко непружному розсіянні електронів або мюонів на адронах, у перетвореннях (анігіляції) електрон-позитронної пари в адрони тощо, а також у властивостях адронів: наявності у них електричних зарядів та магнітних моментів. Електромагнітна взаємодія не змінює квантових чисел: аромат, колір, проекція ізоспіну тощо залишаються незмінними.

Завдяки слабкій взаємодії відбувється перетворення кварків зі зміною їхніх ароматів, однак колір кварка при цьому не міняється. Проекція ізоспіну внаслідок слабкої взаємодії може міняти знак, однак може й залишатись незмінною. Зміна ароматів кварків проявляє себе, зокрема, у слабких розпадах адронів, наприклад у розпаді вільного нейтрона на електрон і антинейтрино. Зі слабкими взаємодіями кварків пов’язане також глибоко непружне розсіяння нейтрино на адронах.Сильна взаємодія утримує кварки всередині адронів. Кварки взаємодіють між собою шляхом обміну глюонами. При цьому відбувається зміна кольору кварка, однак його інші квантові числа: аромат та проекція ізоспіну залишаються незмінними. Властивості сильної взаємодії не дозволяють кварку вилетіти за межі адрона. Це явище отримало назву конфайнменту. Воно має наслідком відсутність у природі вільних кварків.

Білет № 22

1.Ядерні сили, їх характеристики: величина, радіус дії, нецентральність, спінова залежність, насиченість, ізотопічна інваріантність.

Ядерна взаємодія показує, що між нуклонами діють специфічні сили, які значно перевищують кулонівські сили відштовхування між протонами. їх не можна звести до жодного з типів сил класичної фізики (гравітаційних, електричних, магнітних). Ядерні сили зараховують до класу сильних взаємодій.

Існує кілька основних властивостей ядерних сил.

1. Ядерні сили — сили притягання.

2. Ядерні сили є короткодіючими. їхня дія виявляється тільки на відстанях приблизно 10-15 м. При збільшенні відстані між нуклонами ядерні сили швидко зменшуються до нуля, а при відстанях, менших за їхній радіус дії ((1,5- 2,2) 10-15 м), виявляються приблизно в 100 разів більшими за кулонівські сили, що діють між протонами на тій самій відстані.

3. Ядерні сили виявляють зарядову незалежність: притягання між двома нуклонами постійне і не залежить від зарядового стану нуклонів (протонного або нейтронного). Це означає, що ядерні сили мають неелектронну природу.

Зарядова незалежність ядерних сил помітна з порівняння енергій зв'язку в дзеркальних ядрах. Так називаються ядра, в яких однаковим є загальна кількість нуклонів, але кількість протонів в одному дорівнює кількості нейтронів в іншому. Наприклад, ядра гелію і тритію.

4. Ядерні сили мають властивість насичення, тобто кожен нуклон у ядрі взаємодіє тільки з обмеженим числом найближчих нуклонів. Насичення виявляється в тому, що питома енергія зв'язку нуклонів у ядрі при збільшенні кількості нуклонів залишається постійною. Практично повне насичення ядерних сил досягається в а-частинки, яка є дуже стійкою.

5. Ядерні сили залежать від взаємної орієнтації спінів взаємодіючих нуклонів. Наприклад, протон і нейтрон утворюють дейтрон (ядро ізотопу) тільки за умови рівнобіжної орієнтації їхніх спінів.

6. Ядерні сили не є центральними, тобто не діють по лінії, яка з'єднує центри взаємодіючих нуклонів.

Складність і неоднозначний характер ядерних сил, а також труднощі точного розв'язання рівнянь руху всіх нуклонів ядра (ядро з масовим числом А являє собою систему з А тіл) досі не дозволили розробити єдину струнку теорію атомного ядра.

Ядерні сили мають властивість насичення. Це означає, що в ядрі той самий нуклон взаємодіє не з усіма нуклонами ядра, а тільки з кількома сусідніми. Це схоже на валентність атома, який у хімічній сполуці взаємодіє не з усіма, а лише з певним числом сусідніх атомів.

Найважливішою властивістю ядерних сил є зарядова незалежність, тобто повна однаковість трьох типів ядерної взаємодії:

— між двома протонами;

— між нейтроном і протоном;

— між двома нейтронами.

Такі результати були отримані в результаті порівняння експериментальних даних із вивчення розсіювання одного нуклона на іншому.

Нарешті, взаємодія нейтрона з протоном має ще одну чудову особливість: ці дві частинки в процесі ядерної взаємодії можуть обмінюватися своїми електричними зарядами. Після взаємодії нейтрон перетворюється на протон, а протон — на нейтрон. Цю властивість називають обмінним характером ядерних сил.

2.Сильна взаємодія. Лептони. Кварк-лептонна симетрія Слабка́ взаємоді́я — одна з чотирьох фундаментальних фізичних взаємодій між елементарними частинками поряд із гравітаційною, електромагнітною і сильною. Найбільш відомим її проявом є бета-розпад і пов'язана з ним радіоактивність. Взаємодія названа слабкою, оскільки напруженість відповідного їй поля в 1013 менша, ніж у полів, що утримують разом ядерні частинки (нуклони і кварки) і в 1010 менша за кулонівську на цих масштабах, проте значно сильніша ніж гравітаційна. Взаємодія має короткий радіус дії і проявляється лише на відстанях порядку розміру атомного ядра.Лепто́н (грец. λεπτός — легкий) — елементарна частинка, ферміон, що не бере участі в сильній взаємодії. Назва «лептон» була запропонована Леоном Розенфельдом у 1948 році і відображала той факт, що всі відомі у той час лептони були значно легшими за важкі частинки, що входять в клас баріонів (грец. βαρύς — важкий). Зараз етимологія терміну вже не цілком узгоджується з дійсним положенням справ, оскільки відкритий в 1977 тау-лептон приблизно в два рази важчий за найлегші баріони (протон і нейтрон).Існує три покоління лептонів:1перше покоління: електрон, електронне нейтрино.2друге покоління: мюон, мюонне нейтрино.3третє покоління: тау-лептон, тау-нейтрино (плюс відповідні античастинки).Кількість можливих поколінь «класичних лептонів» встановлена з експериментів по вимірюванню ширини розпаду Z0-бозона — вона дорівнює трьом. Строго кажучи, це не виключає можливості існування «стерильних (таких, що не беруть участі у слабкій взаємодії) або дуже важких (масою понад кілька десятків ГеВ, всупереч назві) поколінь» лептонів.Лептони разом із кварками (які беруть участь у всіх чотирьох взаємодіях, включаючи сильну) складають клас фундаментальних ферміонів — частинок, з яких складається речовина.У слабкій взаємодії беруть участь кварки і лептони, у тому числі нейтрино. При цьому змінюється аромат частинок, тобто їх тип. Наприклад, у результаті розпаду нейтрона один з його d-кварків перетворюється на u-кварк. Нейтрино унікальні тим, що взаємодіють із іншими частинками тільки через слабку, й ще слабшу гравітаційну взаємодію.Здатність частинки до слабкої взаємодії описується квантовим числом, що називається слабкий ізоспін. Частинки із нульовим слабким ізоспіном не взаємодіють через W і Z бозони, інші значення слабкого ізоспіну ±1⁄2. Слабкий ізоспін зберігається в реакціях між елементарними частинками.За сучасними уявленнями, сформульованими в Стандартній моделі, слабка взаємодія переноситься W- і Z- бозонами, які були виявлені на прискорювачах у 1982. Їхні маси складають 80 і 90 мас протона.

Білет №23