27 Июня 1954 г. Дала ток первая в мире атомная электростанция мощностью 5000 кВт.

В настоящее время крупнейшая в СССР и в Европе Ленинградская АЭС им. В.И. Ленина имеет мощность 4000 МВт, т.е. в 800 раз большую мощности первой АЭС.

Себестоимость электроэнергии, вырабатываемой на крупных атомных электростанциях, ниже себестоимости электроэнергии, вырабатываемой на тепловых электростанциях. Поэтому атомная энергетика развивается ускоренными темпами.

Ядерные реакторы применяются в качестве силовых установок на морских кораблях. Первый в мире мирный корабль с ядерной силовой установкой - атомный ледокол "Ленин" - был построен в Советском Союзе в 1959 г.

Советский атомный ледокол "Арктика", построенный в 1975 г., стал первым в мире надводным кораблем, достигшим Северного полюса.

Термоядерная реакция. Ядерная энергия освобождается не только в ядерных реакциях деления тяжелых ядер , но и в реакциях соединения легких атомных ядер.

Для соединения одноименно заряженных протонов необходимо преодолеть кулоновские силы отталкивания, что возможно при достаточно больших скоростях сталкивающихся частиц. Необходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в недрах звезд. На Земле термоядерная реакция синтеза осуществлена при экспериментальных термоядерных взрывах.

Синтез гелия из легкого изотопа водорода происходит при температуре около 108 К, а для синтеза гелия из тяжелых изотопов водорода - дейтерия и трития - по схеме

требуется нагревание примерно до 5·10⁷ К.

При синтезе 1 г гелия из дейтерия и трития выделяется энергия 4,2·10¹¹ Дж. Такая энергия выделяется при сжигании 10 тонн дизельного топлива.

Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы, поэтому использование энергии термоядерного синтеза в мирных целях является одной из важнейших задач современной науки и техники.

Управляемую термоядерную реакцию синтеза гелия из тяжелых изотопов водорода путем нагревания предполагается осуществить путем пропускания электрического тока через плазму. Для удержания нагретой плазмы от соприкосновения со стенками камеры применяется магнитное поле. На экспериментальной установке "Токамак-10" советским физикам удалось нагреть плазму до температуры 13 млн. градусов. До более высоких температур водород может быть нагрет с помощью лазерного излучения. Для этого световые пучки от нескольких лазеров должны быть сфокусированы на стеклянном шарике, внутри которого заключена смесь тяжелых изотопов дейтерия и трития. В экспериментах на лазерных установках уже получена плазма с температурой в несколько десятков миллионов градусов.

91. Элементарные частицы

Открытие явления радиоактивности и результаты опытов Резерфорда убедительно показали, что атомы не являются неделимыми простейшими частицами. Как было установлено, они состоят из электронов, протонов и нейтронов. На первых порах частицы, из которых построены атомы, считались не способными ни к каким изменениям и превращениям. Поэтому их назвали элементарными частицами. Знакомство со свойствами этих трех частиц, наиболее распространенных в изученной части Вселенной, показало, что термин "элементарная частица" довольно условен. Одна из этих частиц - нейтрон - в свободном состоянии существует в среднем лишь около 15 мин, а затем самопроизвольно распадается на протон, электрон и нейтрино. Однако считать протон, электрон и нейтрино "настоящими" элементарными частицами, а нейтрон "ненастоящей" элементарной частицей нельзя, так как каждая из этих частиц при взаимодействии с другими частицами и атомными ядрами может превращаться в другие частицы.

Таблица элементарных частиц

Наименование частиц			Символ		Масса в электронных массах	Электрический заряд	Время жизни, с
			Частица	Античастица
Фотон					0	0	Стабилен
Л е п т о н ы	Нейтрино электронное				0	0	Стабильно
	Нейтрино мюонное				0	0	Стабильно
	Тау-нейтрино				0	0	Стабильно
	Электрон				1	-1	Стабилен
	Мюон				207	-1	2,2·10-6
	Тау-лептон				3492	-1	1,46·10-12
М е з о н ы	Пи-мезоны (пионы)				264,1	0	1,83·10-16
					273,1	1	2,6·10-8
	Ка-мезоны (каоны)				966,4	1	1,2·10-8
					974,1	0	-8,9·10-11 -5,2·10-8
	Эта-нуль-мезон				1074	0	2,4·10-19
Б а р и о н ы	Н у к л о н ы	Протон			1836,1	1	Стабилен (?)
		Нейтрон			1838,6	0	103
	Г и п е р о н ы	Гиперон-лямбда			2183,1	0	2,63·10-10
		Гиперон-сигма			2327,6	1	8·10-11
					2333,6	0	5,8·10-20
					2343,1	-1	1,48·10-10
		Гиперон-кси			2572,8	0	2,9·10-10
					2585,6	-1	1,64·10-10
		Омега-минус-гиперон			3273	-1	8,2·10-11

Полное число параметров, определяющих свойства частиц, довольно велико. Важнейшими из них являются масса частицы, ее электрический заряд, спин и время жизни. Из всех названных характеристик специального пояснения требует лишь спин. Спином называется величина, дающая количественную характеристику вращательного движения частицы. Спин частицы (механический момент) у различных частиц может иметь различные значения, но все частицы одного типа имеют абсолютно одинаковые спины.

Любой из электронов обладает механическим моментом, равным 0,50272·10^-34 Дж·с. Эта величина в точности равна   (  ;   = 6,626·10^-31 Дж·с - постоянная Планка). Величина   принята за единицу спина.

После знакомства с основными характеристиками элементарных частиц можно рассмотреть таблицу элементарных частиц, время жизни которых превышает 10^-20 с. Частицы в ней расположены в порядке возрастания их масс. Частицы с массами, не превышающими 207 электронных масс (кроме одной из них), составляют группу легких частиц - лептонов, частицы с массами больше 207 электронных масс, но меньше массы протона входят в группу мезонов (средних частиц), протон и более тяжелые частицы составляют группу барионов. Особое место в таблице занимает фотон, не входящий ни в одну из названных групп.

Разделение элементарных частиц на группы определяется не только различием в массах, но и рядом других существенных свойств. Лептоны и барионы имеют спин, равный  , спины мезонов равны нулю, а фотон обладает спином, равным 1.

Особенно следует отметить существование четырех типов взаимодействия между элементарными частицами - гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого. Наиболее хорошо изученными являются гравитационные силы, действующие между любыми частицами, и электромагнитные силы, действующие между заряженными частицами.

Примером сильного взаимодействия могут служить ядерные силы, связывающие в атомных ядрах протоны и нейтроны. Слабое взаимодействие обнаруживается в процессах, связанных с испусканием или поглощением нейтрино.

КАБАРДИН О.Ф. ФИЗИКА (справочные материалы), 1991

http://www.cartalana.ru/phs-44.php

Античастицы. Английский физик Поль Дирак в 1928 г. создал теорию, из которой следовало, что в природе должна существовать частица с массой, равной массе электрона, но заряженная положительно. Такая частица - позитрон - была обнаружена экспериментально в 1932 г.

В 1933 г. Фредерик и Ирен Жолио-Кюри обнаружили, что гамма-квант с энергией, большей энергии покоя электрона и позитрона   МэВ, при прохождении вблизи атомного ядра может превратиться в .дару электрон - позитрон. Электрон и позитрон, способные к совместному "рождению" в паре и к аннигиляции при встрече, назвали античастицами. Рождение электронно-позитронных пар и аннигиляция электронов и позитронов при встрече наглядно показывают, что две формы материи - вещество и поле - не являются резко разграниченными, возможны превращения материи из одной формы в другую.

После открытия первой античастицы - позитрона - естественно возник вопрос о существовании античастиц и у других частиц.

К настоящему времени установлено, что античастица имеется у каждой элементарной частицы. Масса любой античастицы в точности равна массе соответствующей частицы, а электрический заряд (для заряженных частиц) равен по абсолютному значению заряду частицы и противоположен ему по знаку. Частица и античастица у таких незаряженных частиц, как фотон и пи-нуль-мезон, по физическим свойствам совершенно неразличимы и поэтому считаются одной и той же частицей.

Кварки. Кроме частиц, представленных в таблице, открыто большое число частиц с очень малым временем жизни - около 10^-22 с. Эти частицы названы резонансами. С открытием этих частиц неопределенность понятия "элементарная частица" стала особенно заметной.

В 1963 г. М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была предложена гипотеза о существовании в природе нескольких частиц, названных кварками. Согласно этой гипотезе все мезоны, барионы и резонансы построены из кварков и антикварков, соединенных между собой в различных комбинациях. Каждый барион состоит из трех кварков, антибарион - из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварков с антикварками.

Волновые свойства частиц. Изучение свойств света показало, что он обладает сложной природой, сочетающей в себе волновые и корпускулярные свойства.

Полная энергия фотона (кванта света) может быть выражена через постоянную Планка   (   = 6,625·10^-34 Дж·с) и частоту электромагнитных колебаний  :

.

С другой стороны, по закону взаимосвязи массы и энергии полная энергия фотона может быть выражена через его массу   и скорость света  :

.

Из этих двух соотношений получаем, что  , а  , т.е. длина световой волны  , равна постоянной Планка  , деленной на импульс фотона  .

Французский физик Луи де Бройль в 1924 г. высказал предположение, что одновременное сочетание волновых и корпускулярных свойств присуще не только свету, но и вообще любому материальному объекту. Длина волны любого тела массой  , движущегося со скоростью  , определяется соотношением, аналогичным полученному для фотонов света:

Для тел значительной массы длина волны получается настолько малой, что никакого способа обнаружения его волновых свойств современная физика предложить не может. Элементарные частицы и даже атомы при небольших скоростях движения проявляют свои волновые свойства вполне определенно. На рисунке 318,а представлена фотография, полученная при пропускании пучка электронов у края экрана. Светлые полосы отмечают места попадания электронов на фотопластинку. Полученная картина есть результат дифракции электронов у края экрана. Длина волны, определенная по наблюдаемой дифракционной картине, в точности совпадает со значением, рассчитанным по соотношению де Бройля. Для сравнения на рисунке 318,б показана картина, наблюдаемая при прохождении пучка света у края экрана. Таким образом, обычное разделение материи на две формы - поле и вещество - оказывается довольно условным. Частицы вещества обнаруживают признаки непрерывного волнового процесса, и, наоборот, электромагнитные волны обнаруживают свойства потока частиц-фотонов.

Р ис. 318

Гипотеза де Бройля и атом Бора. Гипотеза о волновой природе электрона позволила дать принципиально новое объяснение стационарным состояниям в атомах. Для того чтобы понять это объяснение, выполним сначала расчет длины дебройлевской волны электрона, движущегося по первой разрешенной круговой орбите в атоме водорода. Подставив в уравнение де Бройля выражение для скорости электрона на первой круговой орбите, найденное из правила квантования Бора

получим

Это значит, что в атоме водорода, находящемся в первом стационарном состоянии, длина дебройлевской волны электрона в точности равна длине его круговой орбиты! Для любой другой орбиты с порядковым номером   получаем

.

Этот результат позволяет выразить постулат Бора о стационарных состояниях в такой форме: стационарным состояниям атома соответствуют такие орбиты электронов, на которых укладывается целое число длин волн де Бройля.

Формулы

Фотон

Фотоэлектрический эффект

Постулат Бора и правило квантования

Энергия связи атомного ядра

Закон радиоактивного распада

Бета-распад нейтрона

Реакция термоядерного синтеза

Обозначения

	- масса
	- скорость света в вакууме
	- энергия фотона
	- постоянная Планка
	- частота
	- работа выхода электрона
	- максимальная кинетическаяэнергия фотоэлектронов
	- частота красной границыфотоэффекта
	- энергия связи атомногоядра
	- число протонов в ядре
	- число нейтронов в ядре
	- масса покоя свободногопротона
	- масса покоя свободногонейтрона
	- масса покоя атомного ядра
	- число нераспавшихся радиоактивныхядер в момент времени
	- число нераспавшихся радиоактивныхядер в момент времени
	- период полураспада
	- нейтрон
	- протон
	- электрон
	- антинейтрино