Д) цепная реакция деления

 

Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать новые акты деления, что делает возможным осуществление цепной реакции деления - ядерной реакции, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Цепная реакция деления характеризуется коэффициентом размножения k нейтронов, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Необходимым условиемдля развития цепной реакции деления является требование k ³ 1.

Оказывается, что не все образующиеся вторичные нейтроны вызывают последующее деление ядер, что приводит к уменьшению коэффициента размножения. Во-первых, из-за конечных размеров активной зоны (пространство, где происходит цепная реакция) и большой проникающей способности нейтронов часть из них покинет активную зону раньше, чем будет захвачена каким-либо ядром. Во-вторых, часть нейтронов захватывается ядрами неделящихся примесей, всегда присутствующих в активной зоне. Кроме того, наряду с делением могут иметь место конкурирующие процессы радиационного захвата и неупругого рассеяния.

Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, а для данного изотопа - от его количества, а также размеров и формы активной зоны. Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществление цепной реакции, называются критическими размерами. Минимальная масса делящегося вещества, находящегося в системе критических размеров, необходимая для осуществления цепной реакции, называется критической массой.

Скорость развития цепных реакций различна. Пусть Т - среднее время жизни одного поколения, а N - число нейтронов в данном поколении. В следующем поколе нии их число равно kN, т. е. прирост числа нейтронов за одно поколение dN = kN – N = N(k - 1). Прирост же числа нейтронов за единицу времени, т. е. скорость нарастания цепной реакции,

                                         (266.1)

 где N₀ - число нейтронов в начальный момент времени, а N - их число в момент времени t. N определяется знаком (k -1). При k > 1 идет развивающаяся реакция, число делений непрерывно растет и реакция может стать взрывной. При k= 1 идет самоподдерживающаяся реакция, при которой число нейтронов с течением времени не изменяется. При k < lидет затухающая реакция.

Цепные реакции делятся на управляемые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы, например, является неуправляемой реакцией. Чтобы атомная бомба при хранении не взорвалась, в ней ²³⁵₉₂U (или ²³⁹₉₄Рu) делится на две удаленные друг от друга части с массами ниже критических. Затем с помощью обычного взрыва эти массы сближаются, общая масса делящегося вещества становится больше критической и возникает взрывная цепная реакция, сопровождающаяся мгновенным выделением огромного количества энергии и большими разрушениями. Взрывная реакция начинается за счет имеющихся нейтронов спонтанного деления или нейтронов космического излучения. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах (см. § 267).

В природе имеется три изотопа, которые могут служить ядерным топливом (²³⁵₉₂U: в естественном уране его содержится примерно 0,7%) или сырьем для его получения (²³²₉₀Th и ²³⁸₉₂U: в естественном уране его содержится примерно 99,3%). ²³²₉₀Th служит исходным продуктом для получения искусственного ядерного топлива ²³³₉₂U (см. реакцию (265.2)), a ²³⁸₉₂U, поглощая нейтроны, посредством двух последовательных b^ˉ -распадов - для превращения в ядро ²³⁹₉₄Рu:

                 (266.2)

Реакции (266.2) и (26S.2), таким образом, открывают реальную возможность воспроизводства ядерного горючего в процессе цепной реакции деления.

Е) ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ИХ ВЗАИМОПРЕВРАЩАЕМОСТЬ

Элементарные частицы в точном значении этого термина – первичные, неделимые частицы, из которых состоит вся материя. Эле­ментарными частицами сейчас условно называют большую груп­пу мельчайших микрочастиц, не являющихся атомами или атом­ными ядрами (за исключением протонов — ядер атома водоро­да). Общее, что роднит все элементарные частицы, состоит в том, что все они являются специфическими формами материи, не ассоциированной в атомы и атомные ядра.В настоящее время к «истинно» элементарным принято от­носить следующие частицы (и их античастицы): 1) лептоны.(е, р, т и соответствующие им нейтрино), 2) кварки, 3) фотоны и промежуточные бозоны W*, Z0. Необходимо, однако, заметить, что существуют гипотезы (основанные на наблюдаемой на опы­те симметрии между кварками и лептонами в электромагнитных взаимодействиях, а также на идеях Великого объединения сил) о том, что кварки и лептопы сами состоят из более фундамен­тальных частиц—«преоиов». То же относится к W±-, Z°-6o3onaM (у которых предполагается существование дискретных возбуж­денных состояний). Если разности энергетических уровней ве­лики по сравнению с энергиями, воздействующими на систему, то последняя ведет себя как целая — как элементарная частица.       Естественным источником различных частиц высоких энер­гий являются космические лучи.

ВЗАИИМОПРЕВРАЩ.

 С точки зрения классической физики и аристотелевой логики электрон и протон следует рассматривать как составные части нейтрона, а нейтрино можно приписать роль поля, связывающего электрон и протон в нейтроне и освободившегося в момент распада. Но вот другой эксперимент. Организуем столкновение протонов высокой энергии друг с другом (это возможно в настоящее время на сверхмощных современных ускорителях). В таком столкновении возникают новые различные элементарные частицы, в том числе и нейтроны! Аналогично можно сталкивать пучки различных частиц, и в результате этих столкновений обнаруживаются все возможные элементарные частицы. Собственно, подавляющая часть известных элементарных частиц именно таким способом и была открыта. Один из выводов, к которым приводят эксперименты такого типа, состоит в том, что в столкновениях любых элементарных частиц в определенных условиях возникают (чаще употребляется термин "рождаются") любые другие элементарные частицы. Это, несомненно, свидетельствует о том, что имеется общая основа (единое поле) строения всех частиц.

Следует отметить и другой аспект этих экспериментов. Поскольку, например, в протонных столкновениях рождаются нейтроны - так что же, протон содержит в себе нейтрон?! Но ведь ранее утверждалось, что протон - часть нейтрона. Здесь уже проявляет себя логический аспект квантовой теории. Если в классической физике логика говорит нам, что целое состоит из своих частей, то в квантовой физике взаимоотношения между частью и целым могут не соответствовать канонам классической логики. Они более сложны и управляются другой логикой - квантовой. Наиболее правильным здесь было бы сказать, что благодаря наличию общей основы у всех частиц возможно взаимопревращение частиц друг в друга при определенных условиях. Именно здесь и реализуется идея Эйнштейна о том, что действительной сущностью материи является единое квантовое поле, а конкретные лики, состояния этого поля предстают перед нами в виде всего многообразия наблюдаемых частиц и полей, но логика поведения этого многообразия уже не является аристотелевой.

Ж) КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ. 4 ТИПА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ: СИЛЬНОЕ, ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ, СЛАБОЕ И ГРАВИТАЦИОННОЕ. ПОНЯТИЕ О КВАРКАХ.

В основу всякой классификации должен быть положен какой-то признак. Элементарные частицы принято классифицировать в основном по двум признакам: 1) по способности к различным видам взаимодействия и 2) по массе. Рассмотрим принципы такой классификации.

Виды взаимодействия элементарных частиц

Различные процессы с элементарными частицами заметно различаются по интенсивности их протекания. В соответствии с этим взаимодействия элементарных частиц можно разделить на четыре класса: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействие вызывает процессы, протекающие с наибольшей интенсивностью, оно приводит к самой сильной связи элементарных частиц. Именно сильное взаимодействие обуславливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает устойчивость ядер. Потому сильное взаимодействие называют также ядерным.

Электромагнитное взаимодействие осуществляется через электрическое поле. Очевидно, что это взаимодействие возможно только между электрически заряженными телами. Электромагнитное взаимодействие заметно слабее сильного (ядерного). Именно это взаимодействие обуславливает связь электронов с ядром в атоме и атомов в молекуле.

Слабое взаимодействие вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами. Примером процесса, обусловленного слабым взаимодействием, является бета-распад, а примером элементарной частицы, способной только к слабому взаимодействию, может служить нейтрино. Именно крайне малой интенсивностью слабого взаимодействия объясняется тот факт, что нейтрино свободно пронизывают толщу Земли и Солнца, не испытывая при этом поглощения.

Гравитационное взаимодействие является универсальным, оно наблюдается между любыми материальными телами, но в микромире оно не играет существенной роли. По сравнению с остальными тремя взаимодействиями оно пренебрежимо мало.

Интенсивность различных взаимодействий по сравнению с сильным распределяется следующим образом:

сильное ~ 1

электромагнитное ~ 10^-2 … 10^-3

слабое ~ 10^-10 … 10^-14

гравитационное ~ 10^-38 … 10^-40

По способности к тому или иному виду взаимодействия все элементарные частицы делятся на два класса: адроны и лептоны. Адроны способны ко всем четырем взаимодействиям, лептоныне испытывают сильного взаимодействия.

Кроме способности к различным взаимодействиям, элементарные частицы имеют другие характеристики, прежде всего массу, время жизни, спин, электрический заряд. По массе все частицы делятся на тяжелые – адроны, средние – мезоны, легкие – лептоны. По времени жизни частицы делятся на стабильные (время жизни t ®  ¥ ), квазистабильные (t > 10^-20 с) и нестабильные (t = 10^-23 …10^-24 с). Например, время жизни протона t > 10³⁰ лет, электрона - t > 10²¹ лет, нейтрона ~ 1000 с.

Спин может быть целым или полуцелым кратным величине  . Например, спин p - мезона равен 0, протона, нейтрона, электрона - ½, фотона – 1.

Электрический заряд является целым кратным величине е = 1,6^.10^-19 Кл (элементарный электрический заряд).

Помимо указанных величин, элементарные частицы характеризуются еще рядом квантовых чисел. Все лептоны имеют лептонный заряд L, равный +1 для лептонов, -1 для антилептонов и 0 для всех остальных частиц. Все барионы имеют барионный заряд B, равный +1 для барионов, -1 для антибарионов и 0 для всех остальных частиц. У фотона B = 0 и L = 0.

Кроме барионного и лептонного зарядов элементарные частицы могут иметь еще три квантовых числа: “странность” S, “очарование” c и “красоту” b. Для обычных частиц S = 0, c = 0, b = 0, для “очарованных” частиц c¹0, для “красивых” частиц b¹0.

Квантовые числа элементарных частиц разделяются на точные, которые связаны с физическими величинами, сохраняющимися во всех процессах, и неточные, для которых соответствующие физические величины в некоторых процессах не сохраняются. Точными квантовыми числами являются: электрический заряд q, лептонный заряд L и барионный заряд B, спин. Странность S, очарование c и красота b – неточные квантовые числа, они сохраняются в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняются в слабом взаимодействии.

Кварк — фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3, и не наблюдающаяся в свободном состоянии. Кварки являются точечными частицами вплоть до масштаба примерно 0,5·10⁻¹⁹м, что примерно в 20 тысяч раз меньше размера протона. Из кварков состоят адроны, в частности, протон и нейтрон. В настоящее время известно 6 разных «сортов» (чаще говорят — «ароматов») кварков, свойства которых даны в таблице. Кроме того, для калибровочного описания сильного взаимодействия постулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой «цвет». Каждому кварку соответствует антикварк с противоположными квантовыми числами.

В силу неизвестных пока причин, кварки естественным образом группируются в три так называемые поколения (они так и представлены в таблице). В каждом поколении один кварк обладает зарядом +²/₃, а другой — −¹/₃. Подразделение на поколения распространяется также и на лептоны.

Символ	Название		Заряд	Масса
	рус.	англ.
Первое поколение
d	нижний	down	−1/3	4,79±0,07 МэВ/c²
u	верхний	up	+2/3	2,01±0,03 МэВ/c²
Второе поколение
s	странный	strange	−1/3	95±5 МэВ/c²
c	очарованный	charm (charmed)	+2/3	1,8 ГэВ/c²
Третье поколение
b	прелестный	beauty (bottom)	−1/3	4,5 ГэВ/c²
t	истинный	truth (top)	+2/3	171 ГэВ/c²

В силу неизвестных пока причин, 

Кварки участвуют в сильных,слабых, электромагнитных игравитационных^{[источник не указан 96 дней]} взаимодействиях. Сильные взаимодействия (обмен глюоном) могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут менять аромат. Необычные свойства сильного взаимодействия приводят к тому, что одиночный кварк не может удалиться на какое-либо существенное расстояние от других кварков, а значит, кварки не могут наблюдаться в свободном виде (явление, получившее название конфайнмент). Разлететься могут лишь «бесцветные» комбинации кварков — адроны.