2.4.3 Ядерные взаимодействия

Ядерные реакции — превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (нейтроны, протоны, электроны), гамма-квантами или друг с другом. Ядерные реакции могут сопровождаться получением ядер с большей массой (радиационный захват) или ядер с меньшей массой (радиоактивный распад), чем исходное ядро.

Реакция радиационного захвата (термоядерный синтез) сопровождается поглощением нейтрона, при этом возникает новое ядро с массовым числом на одну единицу больше. Она возможна практически на всех ядрах химических элементов. Благодаря радиационному захвату нейтронов стал возможен синтез большинства искусственных радионуклидов.

Радиоактивный распад — спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. Процесс радиоактивного распада называют радиоактивностью, а соответствующие элементы — радиоактивными. Радиоактивны все химические элементы с порядковым номером больше 82 (т. е. начиная с висмута) и многие более лёгкие элементы (например, у калия, кальция и других химических элементов часть природных изотопов радиоактивна).

Естественная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе. Искусственная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем.

Ядерные взаимодействия лежат в основе реакций, которые используются для получения энергии в энергетике.

Атомная энергетика — это отрасль энергетики, занимающаяся производством электрической и тепловой энергии путём преобразования ядерной энергии, полученной в результате управляемой ядерной реакции. Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана-235 или плутония. Ядра делятся при попадании в них нейтрона, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами выделяется большое количество тепла.

Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в реакциях синтеза энергия производится за счет слияния ядер легких элементов и образования более тяжелых ядер. Эти реакции широко распространены во Вселенной. Например, энергия звезд производится в результате термоядерного синтеза ядер атома гелия из ядер атомов водорода. В ядерных реакциях, которые планируется использовать в управляемом термоядерном синтезе, будут применяться изотопы водорода, а в дальнейшем - гелий-3 и бор-11.

Для изучения закономерностей ядерных реакций необходимо получить первичный пучок бомбардирующих частиц. Такие первичные пучки получают на ускорителях элементарных частиц. Ускорители частиц — установки, в которых с помощью электрических и магнитных полей получаются направленные пучки электронов, протонов, ионов и других заряженных частиц с большой энергией, значительно превышающей их тепловую энергию.

Частица, ускоренная электрическим полем, многократно проходит по кольцу ускорителя, поскольку в кольце создано магнитное поле, заставляющее заряд двигаться по кругу. Электрическое поле в ускорителе так меняется со временем, что периодически добавляет новые порции энергии к заряженной частице. Когда частицы в кольце набирают максимальную энергию, их выводят на мишень. К настоящему времени научились ускорять электроны и протоны до очень больших энергий, во много раз превышающих энергию покоя этих частиц.

Ускорители частиц широко применяются в науке (генерация и исследование элементарных частиц, химическое исследование веществ и т. д.) и в прикладных целях (стерилизация медицинской аппаратуры и материалов, для терапии опухолей, дефектоскопия, изготовление элементов микроэлектроники, радиационные технологии в технике — полимеризация лаков, модификация свойств материалов, изготовление термоусаживающихся труб и др.).

Современные ускорители являются огромными дорогостоящими комплексами, которые не может позволить себе даже крупное государство. К примеру, Большой адронный коллайдер (БАК) представляет собой кольцо длиной окружности почти 27 километров. Он построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований, на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. По состоянию на 2008 г. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире.

На БАКе планируется получить состояние вещества, которое называется кварк-глюонная плазма. Изучение этого состояния особенно интересно, так как по современным представлениям пространство всей нашей Вселенной в первые мгновения своего образования находилось в таком состоянии. Полученные данные станут основой теорий, которые позволят в будущем управлять гравитацией, искусственно искривлять пространство-время, взаимодействовать со вселенными в других измерениях, создавать каналы, позволяющие мгновенно обмениваться информацией за счет квантовой телепортации, конструировать двигатели для космических аппаратов на принципиально новых механизмах действия.