6.2. Ядерные реакции. Атомная энергетика: современное состояние и перспективы.

Существуют два основных типа ядерных реакций:

а

БЭКМ

) Деление тяжелых ядер химических элементов (в результате их бомбардировки нейтронами). Регулируемая реакция деления используется в ядерных реакторах, а быстротекущая – в урановых и плутониевых взрывных устройствах.

б) Синтез легких ядер химических элементов происходит при их столкновении. В результате выделяется энергия, на 6 порядков большая, чем в химических реакциях (например, при горении).

Быстротекущий процесс синтеза происходит в жидководородных взрывных устройствах. Регулировать и делать этот процесс более замедленным пока не удается. Чтобы изотопы водорода более «спокойно» синтезировались в ядра гелия, необходима среда с невысокой плотностью, но высокой температурой.

Использование ядерного синтеза сулит в будущем неистощимые энергетические ресурсы. Ведь сырьевым источником для управляемой термоядерной реакции может быть обыкновенная вода.

Но по целому ряду соображений важно также полнее использовать альтернативные виды энергии. Они заключены в приливах и отливах, ветре, световой энергии Солнца¹, внутреннем тепле Земли и пр. Так, подземное тепло магматических слоев Земли, расположенных в среднем на глубине около 30 км под поверхностью на суше и на значительно меньшей глубине подо дном океана может стать практически неисчерпаемым источником энергии.

6.3.Важнейшие особенности микромира

1. Особенностью микромира является то, что в нём энергия взаимодействий между микрочастицами соизмерима с их массами покоя (и их полной энергией). В предыдущей теме давалось понятие энергии связи (и «дефекта массы»), помогающее лучше уяснить картину.

Классическая концепция мира (верная прежде всего для макромира) довольно часто давала аддитивное* описание: слагаемые части просто добавлялись друг к другу. Достаточно было пользоваться законами сложения обычной арифметики и алгебры (1+1=2; а+а=2а). На самом же деле «слагаемые» части зачастую могут существенно видоизменять друг друга и в макромире.

2. Квантование энергии при обмене ею в атомах и молекулах¹: электрон в атоме может иметь только дискретные значения энергии

ΔЕ ₌ hω (здесь Е – энергия, h – постоянная Планка, ω – частота волны). Это связано с тем, что атом имеет ряд стационарных состояний, при переходе в которые излучается или поглощается квант энергии. Кванты можно уподобить билетам в театр, ибо не может существовать полбилета, а существует только один или несколько целых билетов.

Развивая квантовую теорию атома, Н. Бор сформулировал так называемое «правило частот Бора»: частота спектральной линии, которая соответствует переходу атома из состояния А в состояние В, равна разности энергий атома в состояниях А и В, деленной на постоянную Планка h.

Состояние электрона с наименьшей энергией называют основным (оно наиболее устойчиво). Все остальные состояния в силу их относительной неустойчивости называют возбужденными.

В отличие от электронов, находящихся в атомах, свободные электроны могут иметь любые приросты энергии.

В согласии с принципом соответствия, физические результаты квантовой механики при больших квантовых числах* совпадают с результатами классической механики.

3. Единство вещества и энергии. Вещество может переходить в энергию излучения: Е = mс². Более того, в определенном смысле вещество и энергия эквивалентны. Впрочем, данная характеристика не является особенностью только микромира. Но в микромире процессы взаимного перехода идут постоянно (в силу корпускулярно-волнового дуализма) и являются условием самого существования микрочастиц.

4 . «Соотношение неопределенностей» В. Гейзенберга: чем точнее проявляется местонахождение микрочастицы, тем менее точно проявляется ее импульс (величина и направление ее скорости): p ^. x ≥ h , где p – неопределенность в значении импульса, x – неопределенность в значении координаты. Итак, произведение этих двух неопределенностей не может быть меньше, чем величина постоянной Планка h. В результате понятие траектории для микрообъектов теряет однозначный смысл.

Аналогичное соотношение существует и для другой «пары» - неопределенности времени и неопределенности энергии микрочастицы: чем определенней становится одна из этих величин, тем неопределенней другая¹.

В то же время, далеко не всякая обратная пропорциональность связана с соотношением неопределенностей (а только существенно вероятностная обратная пропорциональность). Мудрые строки "чем меньше женщину мы любим, тем легче нравимся мы ей" не имеют к соотношению неопределенностей никакого отношения. Точно так же не связана с соотношением неопределенностей закономерность "чем больше высота над земной поверхностью, тем меньше атмосферное давление". Ведь она связывает между собой две определенности.

Вообще говоря, «...соотношение неопределенностей представляет лишь частный случай принципа дополнительности»², к которому мы переходим.

5. «Принцип дополнительности» Н. Бора, который заострил внимание на роли условий познания в изучении объекта. Прибор, исследующий микрочастицы, существенно влияет на них. Ведь он не может быть достаточно малым в сравнении с микрочастицами. Энергетическое воздействие прибора на микрочастицы вносит существенные изменения в их энергетическую картину (в Теме 4 уже шла речь о так называемых артефактах*).

Исследователь микромира сталкивается со сложной познавательной ситуацией. Знаменитый Левша смог подковать аглицкую блоху, не нарушив тонкостей ее заводного механизма. Что и говорить – работа тонкая, но возможная, потому что блоха всё-таки макрообъект. А вот с электроном проделать нечто подобное принципиально невозможно: он слишком "чувствителен" по отношению к нашим макровоздействиям. Гулливер (Наблюдатель) не может не оставлять своих следов в стране лилипутов (микрочастиц).

В более общем виде принцип дополнительности говорит о том, что для более полного воспроизведения изучаемого объекта необходимо применять одновременно несовместимые приемы исследования. Каждая из познавательных моделей, полученных в подобных обстоятельствах, воспроизводит целостный объект, но только при условии дополнительности иной познавательной моделью, с ней несовместимой¹. Вот почему для описания подобных процессов необходимо использовать не традиционную формальную логику, а логику многозначную.

6. В микромире имеет место статистико-вероятностная связь². Точное измерение возможно только для потока частиц, но не для одной частицы. В микромире однозначная связь не существует (микрочастицы ведут себя как болельщики-фанаты, предпочитающие только массовые действия). Это безусловно связано со второй – волновой – природой микрочастиц и с принципом неопределенности.

Используя квантово-механические закономерности, можно предсказать, как в среднем распределятся на фотопластинке электроны, отраженные от поверхности кристалла. Но место попадания отдельного электрона может быть определено следующим образом: "с такой-то вероятностью он будет обнаружен там-то".

В наших представлениях определенное прошлое и будущее есть не у одной микрочастицы, а у их достаточно большой совокупности.

7. В микромире вещество существует в таких крохотных сгустках, что почти плавно переходит в поле.

Поэтому не столь удивительно, что каждая микрочастица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Это так называемый корпускулярно-волновой дуализм, идею которого в универсальной форме впервые сформулировал Луи де Бройль¹.

Он предложил считать, что все без исключения микрочастицы характеризуют как корпускулярные, так и волновые черты. Ранее подобная связь была установлена только для фотонов. Ее выражали соотношения между, с одной стороны, волновыми величинами (такими, как частота световой волны  и длина световой волны ), а с другой - «корпускулярными» величинами (такими, как энергия отдельного светового кванта E и импульс p):

E = h и  = h / p

Согласно де Бройлю, эти формулы универсально описывают процессы, происходящие с любыми микрообъектами. Довольно скоро (в 1927 году) идеи де Бройля были подтверждены – удалось экспериментально продемонстрировать корпускулярно-волновые свойства электронов.

Вообще говоря, можно выделить два существенных различия между веществом и волновым полем: а) вещество локализовано в пространстве, а поле нет; б) для вещества преобладает масса покоя, а для поля – энергия движения (свободная энергия)². То, что микрообъект является элементарной частицей, выражает его вещественную природу, а то, что микрообъект является волной, выражает его волновую (полевую) природу.

В то же время, и вещество, и поле имеют массу М и энергию Е (М - это мера гравитационных и инерционных свойств материи; Е - мера движения материи).

Современная физическая картина мира воспроизводит его как сложнейшую совокупность нелинейных процессов. Фундамент мироздания не разложим на обособленные «строительные кирпичики». В его глубинной основе – сверхсложная система взаимодействий и взаимопревращений многообразных компонентов единого целого.

8. Принцип тождественности: частицы, обладающие одинаковыми физическими свойствами (массой, электрическим зарядом, спином и другими внутренними характеристиками – квантовыми числами), не различимы ни в каком эксперименте. Данный принцип является специфически квантовомеханическим. Неразличимыми считаются не только все однотипные элементарные частицы (напр., все протоны или все электроны), но и однотипные элементы, где бы во Вселенной они не находились. ФизЭнц.

9. Симметрия частиц и античастиц. «Антивещество».

Еще в 1929 году известный английский физик Поль Дирак предсказал существование новых видов элементарных частиц, которые по некоторым фундаментальным характеристикам противоположны обычным частицам. Так, например, электрон обладает отрицательным электрическим зарядом, а антиэлектрон во всем подобен электрону, но заряжен положительно. Протоны несут положительный заряд, а антипротоны - отрицательный. Что касается не имеющего заряда нейтрона, то противоположная ему частица - антинейтрон - обладает обратным расположением магнитных полюсов.

Всякий раз, когда некая частица сталкивается с античастицей, предсказал Дирак, - они взаимно уничтожаются, передавая всю свою энергию (в том числе, заложенную в их массе) окружающей среде.

Не прошло и трех лет после этого предсказания, как был экспериментально обнаружен антиэлектрон е⁺. Его назвали позитроном. В 1955 году удалось открыть антипротон р^_, а в 1956 - антинейтрон.

На сегодняшний день реакция протонов и нейтронов с их античастицами - самый мощный и самый концентрированный из всех возможных источников энергии. Если говорить о количестве энергии, выделенной на единицу массы, этот источник приблизительно в 1000 раз превосходит по своим масштабам цепную реакцию деления урана и в 100 раз - термоядерные реакции слияния атомов¹.

Сначала предполагали, что аннигиляция ядерных частиц и античастиц должна приводить (как и в случае электронов) к их полному превращению в частицы света - фотоны. Но оказалось, что они переходят в -мезоны. Пока еще в науке не известны способы получения ядерных античастиц в достаточно больших количествах, не говоря уже о возможности регулировать, управлять процессом аннигиляции.

Симметрия частиц и античастиц также рассматривается в Теме 11 и словаре к ней.

Особый интерес представляет физический вакуум². Знаменитая философская проблема о взаимосвязи ничто и нечто своеобразно предстала в микромире. Оказалось, что подобное физическое «ничто» благодаря виртуальным процессам способно преобразовываться во множество пар «частица-античастица».

10. «Принцип зашнуровки» («Bootstrap»): при расщеплении элементарных частиц (пока это возможно только теоретически) из них могут рождаться частицы, массы которых больше, чем масса породившей их «материнской» частицы).

На мельчайших ныне известных частицах познание не обрывается… Ученые сделали привал, вынужденный привал, но обязательно пойдут дальше. Проникая все глубже в бесконечно малое, мы неожиданно начинаем приближаться к чему-то несравненно большему, чем оно.

Нильс Бор³, рассказав слушателям о парадоксах микромира, с надеждой спрашивал, поняли они его или нет. Услышав в ответ – "Поняли!" - он очень расстраивался и говорил: "Значит, я вам плохо объяснил… Ведь то, что я объяснял, настолько сложно, что вы не должны были меня понять…"

Итак, если у Вас "крыша" не поехала, значит, ее у Вас просто не было…

В то же время, хотя в микропроцессах много странного, но немало и хорошо узнаваемого благодаря универсальным принципам мироздания.

К тому же существует наука, которая особенно сближает картины микро- и макромиров, – химия.