26. Ядерные реакции. Значение ядерной физики для развития цивилизации.

Ядерная физика изучает структуру и свойства атомных ядер. Она исследует взаимопревращения, происходящие в результате как радиоактивных распадов, так и различных ядерных реакций. Ядерно-физические исследования имеют важное научное значение, позволяют продвигаться в понимании строения материи, в то же время важны в практическом отношении в энергетике, медицине и др. отраслях.

Главной особенностью ядерной реакции является то, что ядро урана расщепляется на два отдельных осколка. Массы и заряды осколков определяют, какие именно изотопы элементов системы Менделеева они собой представляют. Вскоре выяснилось, что расщепляться могут не все изотопы урана, а только природный изотоп, которого очень мало в природном уране, всего 0,7%. Энергия осколков, образующихся при делении ядра атома урана 235 оказалась во много раз больше, чем энергия нейтронов, которыми бомбардировали ядро урана.

Опыты показали, что при расщеплении ядра попавшим на него нейтроном кроме осколков, образующихся при этом испускаются еще и нейтроны. Нейтрон, попавший в ядро урана, рождает больше двух новых нейтронов, которые сами по себе ничем не отличаются от первичного нейтрона. Они могут, попав в другое ядро урана, снова его расщепить, при этом испустится еще два новых нейтрона, которые учетверят количество расщепленных ядер и т.д. Происходит самопроизвольное лавинообразное размножение нейтронов -цепная реакция. Цепная реакция деления ядер урана была открыты в 1939 г. При попадании в ядро одного нейтрона она делится на две-три части. Было обнаружено, что при делении ядер урана, кроме осколков вылетают также 2 – 3 свободных нейтрона. При благоприятных условиях они могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. Было доказано, что ядра урана могут стать источником энергии. При полном делении 1 кг урана выделится 80 тыс. млрд. Дж. Стало ясно, что таким образом можно создать грозное оружие – атомную бомбу.

В атомной бомбе быстро соединяются две отдельные части урана, масса каждой из которых несколько меньше критической. Ясно, что общая масса соединенных частей быстро становится выше критической. В результате происходит взрыв. Но можно регулировать количество нейтронов в зоне реакции при помощи различных замедлителей и тогда взрыва не произойдет и реакция деления ядер урана станет управляемой. На этом основана работа ядерного реактора, который может служить долгодействующим источником.

Деление атомных ядер – это особый процесс, характерный только для самых тяжелых ядер, начиная от тория и далее в сторону больших чисел. Этот процесс может происходить под действием различных частиц (в основном нейтронов) и носит характер ядерной реакции. Но может происходить спонтанно и носить характер особого вида радиоактивного распада. Суть процесса деления состоит в раскалывании тяжелого ядра на два осколка с примерно равными зарядами и массами, причем в качестве сопутствующего излучения возникают также быстрые нейтроны и гамма-кванты.

27. Мегамир. Образование и эволюция Вселенной. Космологические модели Вселенной.

Космогония изучает происхождение вселенной. Самая распространенная теория – теория большого взрыва, вселенная родилась в результате гигантского взрыва около 15 млрд. лет назад. Предполагается, что в начале своего существования Вселенная имела бесконечно малые размеры. Вследствие взрыва и расширения Вселенной примерно с одинаковой скоростью, возникла не только материя, но и энергия и космос и даже время! До «Большого взрыва» не было ничего. Используя законы физики, можно просчитать в обратном направлении все состояния, в которых находилась Вселенная, начиная с 10-43 секунд после Большого Взрыва (Планковское время). Наблюдаемая Вселенная с очень хорошей точностью однородна и изотропна, и является геометрически плоской. Это явление объясняется эпохой космической инфляции (около 10-37 секунд), во время которой Вселенная расширилась во много раз.

Приблизительно с 1 секунды после Большого Взрыва материя охладилась достаточно для образования стабильных нуклонов и начался процесс первичного нуклеосинтеза. Он длился до возраста Вселенной 3 минуты, и за это время образовался первичный состав звёздного вещества: около 25% гелия-4, 1% дейтерия, следы более тяжёлых элементов до бора, остальное - водород.

Вселенная постепенно охлаждалась и через 379 000 лет стала достаточно холодной для образования атомов (3000 К), перейдя из состояния плазмы, непрозрачной для большей части электромагнитного излучения, материя перешла в газообразное состояние. Тепловое излучение той эпохи мы можем непосредственно наблюдать в виде реликтового излучения. На этой стадии Вселенная стала прозрачной для излучения. Плотность вещества теперь стала выше плотности излучения, что и определяло скорость расширения Вселенной. Фоновое микроволновое излучение - все, что осталось от сильно охлажденного излучения ранней Вселенной.

Первые галактики начали формироваться из первичных облаков водорода и гелия только через один или два миллиарда лет

Космологические модели Вселенной

В настоящее время активно обсуждается гипотеза пульсирующей Вселенной. Из нее следует, что в некотором прошлом скорость удаления галактик была меньше, чем сейчас, и были периоды, когда Вселенная сжималась, т.е. галактики приближались друг к другу и с тем большей скоростью, чем больше расстояние их разделяло.

В предложенной в середине ХХ в. физиком Г.А.Гамовым модели горячей Вселенной рассматривались ядерные реакции, протекавшие в очень плотном веществе в начальный момент расширения Вселенной. Предполагалось, что температура вещества была очень высокой и начала падать с расширением Вселенной. Из данной модели следовало, что вещество, из которого формировались первые звезды и галактики, должно состоять в основном из водорода (75%) и гелия (25%).

Не так давно появилась и привлекла внимание видоизмененная теория, которая носит название теории раздувания. Она была предложена в 1980 г. Аланом Гутом. Основное отличие теории раздувания от традиционной теории Большого взрыва заключается в описании периода с 10-35 до 10-32 сек. По теории Гута примерно через 10-35 сек Вселенная переходит в состояние «псевдовакуума», при котором ее энергия исключительно велика. Из-за этого происходит чрезвычайное быстрое расширение, гораздо более быстрое, чем по теории Большого взрыва. За каких –то 10-23 сек. размер рождающейся Вселенной вырос не в 10 раз, как полагалось бы при «нормальном» расширении, а в 1050 или даже более раз. Через 10-35 сек. после образования Вселенная не содержала ничего кроме черных мини-дыр, поэтому при резком раздувании образовалась не одна вселенная, а множество, причем некоторые, возможно, были вложены друг в друга. Отсюда следует, что может существовать много других вселенных, недоступных для нашего наблюдения.

Теория Большого взрыва дает нам косвенные свидетельства того, что Вселенная началась с взрыва огромной силы, и что в зависимости от количества вещества расширение может либо продолжаться бесконечно, либо прекратиться, и Вселенная снова сожмется в точку. Вселенная находится на грани открытого (т.е. постоянного расширения) и закрытого (т.е. расширения с последующим сжатием) состояний. В первом случае, гравитационное притяжение не сможет удержать разлетающуюся материю, и Вселенная будет расширяться вечно. Такую Вселенную называют открытой. Постепенно охлаждаясь и пронизываясь космическим холодом, она вся будет превращаться в мертвую ледяную пустыню с температурой, постепенной приближающейся к абсолютному нулю. Во втором случае гравитационных сил достаточно для того, чтобы прекратить расширение и вернуть материю обратно. Такую Вселенную называют замкнутой. В этом случае через некоторое время, исчисляемое многими миллиардами лет, расширение Вселенной сменится сжатием и сопутствующим ему разогревом.