Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. Оптика, специальная теория относительности, квантовая и ядерная физика. Учебное пособие
.pdf
101
Эту энергию осколки получают в виде кинетической энергии. В ходе реакции образуются несколько нейтронов. Теоретически эти нейтроны могли бы
вызвать деление новых ядер, что должно привести к цепной реакции деления. Характер цепной реакции характеризуется коэффициентом размножения нейтронов
1
,
i
i
N
k
N
−
=
где
i
N −
число образовавшихся нейтронов в
-омi
поколении, а
1i
N
−
−
в предыдущем
1.i −
При
1k =
число нейтронов остаётся неизменным и реакция
протекает стационарно, при
1k
реакция принимает лавинообразный характер.
В реальности не все образовавшиеся при делении ядра нейтроны вызывают деление новых ядер. Часть из них не вызывает деления, часть вообще не попадает
в ядра. Экспериментально было установлено, что для того, чтобы реакция была
самоподдерживающейся, необходима масса урана не менее 47 кг. Эту массу
назвали критической. Изотопы урана с массовым числом 235 в природе состав-
ляют около 0,7 %, 99,3 % приходится на изотопы
238
92
,U
для деления которых
требуются быстрые нейтроны с энергией более 1 МэВ.
Устройства, в которых осуществляются управляемые цепные реакции деления тяжелых ядер, называются ядерными реакторами. Первый ядерный реактор был запущен в США в 1942 г. под руководством итальянского физика
Э. Ферми. В графитовом блоке размещаются стержни, заполненные таблетками
из урана. В них происходит деление ядер с образованием осколков и вторичных
нейтронов. Нейтроны обладают высокой энергией, однако, проходя через графит, они замедляются. Осколки, попадая в графит, передают ему свою энергию,
в результате этого он нагревается. Через графитовый блок проходят стальные
трубы, по которым циркулирует вода под высоким давлением порядка 107 Па.
Температура воды — около 300 ºС. Трубы проходят через теплообменник, в котором теплота передается воде парового котла и превращает ее в пар. Он направляется в паровую турбину, которая вырабатывает электрический ток. Управляют мощностью реактора при помощи регулирующих стержней, которые можно
вводить в область активной зоны реактора. Стержни делают из материалов, поглощающих нейтроны. Такими свойствами обладают свинец, кадмий, бор и др.
Так устроены реакторы типа РБМК (реактор большой мощности канальный,
рис. 58).
Первая в мире атомная электростанция была построена в 1954 г. в Обнинске. Ее мощность составляла 5 МВт.
В реакторах ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор) роль графитового блока выполняет вода.
102
Рис. 58. Устройство ядерного реактора типа РБМК:
1 — графитовый блок; 2 — отверстия для стержней с ядерным топливом
либо стержней, поглощающих нейтроны; 3 — вода; 4 — пар; 5 — паровая турбина
К числу экзотермических реакций относятся и ядерные реакции по слиянию легких ядер. Так энергия реакции
2 3 4
1 1 2
H H H n+ → +
составляет 17,6 МэВ.
При этом не образуются радиоактивные элементы. Осуществлению такой реакции препятствуют электрические заряды ядер. Для включения ядерных сил необходимо преодолеть потенциальный барьер:
2 9 19 2
13
15
9 10 (1,6 10 )
1,15 10 Дж 0,7 МэВ.
2 10
ke
W
r
−
−
−
= = = =
На долю каждого ядра приходится 0,35 МэВ. Если эту величину принять
за среднюю энергию теплового движения газа из этих изотопов, то она будет
13
9
23
2 2 0,575 10
2,8 10 K.
3 3 1,38 10
W
T
K
−
−
= = =
Однако за счет того, что в газе существуют частицы, энергия которых превышает среднее значение, синтез легких ядер может происходить при температурах порядка 107 K. Реакции такого типа протекают на Солнце и других звездах Вселенной, продуктами этих процессов являются более тяжелые атомы.
Осуществление управляемого термоядерного синтеза проводится с середины шестидесятых годов прошлого века и связано с установкой токамак. В этой установке удается создать плазменный шнур, замкнутый сам на себя при необходимой
температуре, но добиться его устойчивости до сих пор не удалось. Осуществление управляемого термоядерного синтеза в перспективе даст человечеству неис-
103
черпаемый источник энергии. Первый неуправляемый термоядерный взрыв был
осуществлен в военных целях в 1953 г. в СССР.
Вывод: ядерные реакции — явление, распространенное во Вселенной; рож-
дение, эволюция, взрывы звёзд сопровождаются ядерными реакциями. Энергия,
которую получает Земля от Солнца, — также продукт ядерных реакций. Человечество научилось управлять реакциями деления тяжелых ядер и уже более пятидесяти лет пытается научиться управлять термоядерными реакциями. Решение
этой проблемы даст человечеству практически неисчерпаемый источник энергии.
11.3. Регистрация излучения
Для регистрации движущихся атомных ядер или элементарных частиц используют специальные приборы. В зависимости от цели и назначения они различаются по своей конструкции, но у них есть общий момент, который состоит
в том, что присутствует обязательно более или менее сложная макроскопическая
система, которая может приводиться в неустойчивое состояние. При небольшом
возмущении, вызванном действием ядра или частицы, в системе начинается процесс перехода в устойчивое состояние. По этому переходу и судят о свойствах
пролетающих частицы или ядра. В качестве примера рассмотрим принцип работы пузырьковой камеры. В пузырьковой камере используется свойство перегретой жидкости образовывать на пути заряженной частицы пузырьки пара. Жид-
это состояние десятки микросекунд. Если за этот промежуток времени через жидкость пролетит заряженная частица, то на её пути образуются мельчайшие пузырьки пара, которые быстро увеличиваются до видимых размеров. В это мгновение объем камеры освещается импульсным источником света, информация
о следе частицы считывается светочувствительными датчиками или делается фотография. Особенно пузырьковая камера подходит для изучения взаимодействия
быстрых заряженных частиц с атомными ядрами. В пузырьковой камере возможно использование магнитного поля, это дает возможность по направлению
и кривизне следов частиц определить знак электрического заряда и величину
импульса частицы. Возможность передачи информации на ЭВМ резко расширяет возможности современных пузырьковых камер.
Пузырьковая камера является одним из видов трековых детекторов, в которых частицы оставляют следы. К ним также относятся эмульсионная камера
и камера Вильсона, в которой роль неустойчивой макроскопической системы
выполняет переохлажденный пар. При пролете через него заряженной частицы
происходит конденсация капелек пара вдоль пути ее движения.
104
Для регистрации быстрых заряженных частиц применяется счетчик Гейгера. Он состоит из стеклянной трубки с впаянной в нее металлической нитью,
которая образует анод. Частично изнутри трубка покрывается металлическим
слоем, который является катодом. Трубка заполняется аргоном (рис. 59). Принцип работы состоит в том, что заряженная частица, пролетая мимо атома аргона, ионизирует его. Под действием сильного электрического поля между анодом
и катодом образовавшиеся ионы и электроны быстро увеличивают свою кинетическую энергию и вызывают ионизацию других атомов аргона, это приводит
к резкому возрастанию числа заряженных частиц. В цепи возникает ток. Регистрирующее устройство фиксирует импульс напряжения на нагрузочном
сопротивлении.
Рис. 59. Устройство счетчика Гейгера
После выделения энергии на нагрузочном сопротивлении разряд прекращается и прибор готов к регистрации новой частицы. Приборы такого типа регистрируют факт наличия заряженной частицы. Кроме газоразрядных счётчиков,
примером которых является счетчик Гейгера, существуют также сцинтилляционные и полупроводниковые счетчики.
К радиоактивному излучению, помимо α, β, γ-лучей, принято относить
рентгеновское излучение, потоки протонов, нейтронов, ионов атомов. Все они,
взаимодействуя с клетками живого организма, оказывают на них определенное
действие. Так, γ-кванты и рентгеновские лучи выбивают электроны по схеме фотоэффекта, протоны и нейтроны вызывают ионизацию и распад ядер. Результат
105
воздействия облучения обусловлен дозой поглощенного излучения и его видом.
Доза определяется отношением поглощённой энергии к массе тела:
изл
E
D
m
=
.
Единицей дозы поглощенного излучения является грэй,
Дж
1Гр 1 .
кг
=
Ши-
рокое распространение в практике получила внесистемная единица дозы излучения — рентген. Доза излучения равна 1 Р, если в 1 см3 сухого воздуха при
0 оС и давлении 760 мм рт. ст. образуется столько ионов, что суммарный заряд
каждого знака в отдельности равен 3 × 10
-10
Кл. Один рентген соответствует при-
близительно дозе излучения 0,01 Гр.
Различие биологического действия излучения отражает коэффициент качества .k Коэффициент качества рентгеновского облучения и
-лучей
прини-
мается равным 1. Наибольшее значение имеют
-лучи,
для них
20.k =
Эквива-
лентная доза поглощенного излучения определяется как произведение дозы на
коэффициент качества:
.H D k=
Измеряется она в зивертах.
Вывод: наряду со стабильными ядрами, существуют ядра, которые, обла-
дая избыточной энергией, могут самопроизвольно испускать либо α-частицы либо электроны, превращаясь в другие ядра. Естественная радиоактивность наблюдается у неустойчивых изотопов, встречающихся в природе, к ним относятся
235 238 232
92 92 90
, , .U U Th
Они имеют период полураспада, сравнимый с возрастом Земли.
Ядра, которые образуются при их распаде, являются радиоактивными и сами
распадаются. Конечными продуктами являются изотопы свинца. Естественные
радиоактивные изотопы находятся всюду, но содержание их невелико, и опасности для здоровья они не представляют. Опасность представляют радиоактивные вещества в достаточно больших количествах, возникновение которых является результатом деятельности человека. Интенсивность радиации убывает
обратно пропорционально квадрату расстояния от источника, поэтому один из
самых простых и эффективных методов защиты — это удаление людей на достаточно большое расстояние от источника радиации.
106
12. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Еще, быть может, каждый атом —
Вселенная, где сто планет;
Там все, что здесь в объеме сжатом,
Но также то, чего здесь нет.
В.Я. Брюсов
12.1. Классификация элементарных частиц
Существуют четыре типа сил, определяющих все явления природы. Это
сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействия. За счет
сильных взаимодействий удерживаются внутри ядра протоны и нейтроны.
Радиус действия сильных взаимодействий —
15
10
−
м, характерное время вза-
имодействия —
23
10
−
с. Константа сильного взаимодействия имеет величину по-
рядка 10. Константа взаимодействия представляет безразмерный параметр, харак-
теризующий интенсивность взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие
присуще электрически заряженным частицам и фотонам. Константа электромаг-
нитного взаимодействия —
2
10
−
. Радиус действия — бесконечность, характерное
время взаимодействия —
16
10
−
с. Слабое взаимодействие ответственно за все
виды –распада. Радиус действия —
18
10
−
м, характерное время взаимодей-
ствия —
810−
с, константа взаимодействия —
14
10
−
. Гравитационное взаимодей-
ствие универсально. В нем участвуют все частицы и все тела Вселенной. Константа взаимодействия —
39
10
−
, радиус действия не ограничен. Всем четырем
видам фундаментальных взаимодействий присущ обменный механизм. Впервые
эта идея была использована для объяснения электромагнитного взаимодействия.
Основы квантовой электродинамики заложили В. Гейзенберг, В. Паули, П. Дирак
в конце двадцатых годов прошлого века.
Согласно представлениям квантовой электродинамики, заряженная частица, например покоящийся электрон, непрерывно излучает и поглощает фотоны:
hee +→
−−
.
Такой процесс в рамках классической физики невозможен, так как сопровождается нарушением закона сохранения энергии. В рамках квантовой физики, если электрон излучил или поглотил фотон за время t, то неопределен-
107
ность в значении энергии системы —
~
h
E
t
. Таким образом, если
hE
,
то обнаружить излучение и поглощение фотона невозможно, поэтому такого
рода частицы называют виртуальными. Процесс взаимодействия между двумя
зарядами сводится к обмену виртуальными фотонами. В 1934 г. советский физик И.Е. Тамм предположил, что взаимодействие между нуклонами происходит
подобным образом. В 1935 г. японский физик Юкава определил, что переносчиками ядерных взаимодействий являются частицы, масса которых значительно больше массы электрона, но меньше в несколько раз массы протона. В 1936 г.
американский физик К. Андерсон с помощью камеры Вильсона обнаружил в космических лучах частицу, которая получила название –мезонов. Ее масса была
207
e
m
, однако переносчиком ядерных взаимодействий эта частица быть не могла
(в природе встречаются положительно и отрицательно заряженные мюоны, од-
нако нейтральных –мезонов нет). И только в 1947 г. американские физики Оккиалини и Пауэлл открыли в космических лучах частицы, получившие название
–мезонов. Масса заряженных –мезонов — 273
e
m
. Возможны следующие вир-
туальные процессы:
+
+→
np
;
−
−
+→
pn
;
0
+→ pp
;
0
+→ np
.
Обмен виртуальными мезонами различных нуклонов и приводит к сильному взаимодействию между ними. Например,
pnnnnp +→++→+
+
. Такое
представление о природе сильных взаимодействий существовало до появления
хромодинамики. Согласно современным представлениям, переносчиком сла-
бых взаимодействий являются
W
+
,
W
−
,
0
Z
бозоны. Предполагается, что пере-
носчиком гравитационного взаимодействия являются гравитоны. Экспериментально они еще не обнаружены.
Вывод: согласно современным представлениям, взаимодействия между
элементарными частицами сводятся к обмену виртуальными частицами. В зависимости от вида виртуальных частиц, интенсивности протекания, характерного времени, радиуса действия, взаимодействия разделяют на четыре типа: сильное,
108
электромагнитное, слабое, гравитационное. В настоящее время предпринимаются попытки построения единой теории, которая носит название суперобъединения.
12.2. Частицы и античастицы
В 1928 г. английский физик П. Дирак создал волновую теорию, учитывающую релятивистские эффекты. Теория позволяла объяснить многие квантовые
свойства электрона, однако получалось, что при заданном импульсе энергия электрона может быть как положительной, так и отрицательной:
2 2 2 2
e
E c p m c= +
.
Для обоснования возможности существования частиц с отрицательной энергией Дирак предложил рассматривать вакуум как состояние материи, в котором
все уровни с отрицательным значением энергии полностью заполнены электронами, а уровни с положительными значениями энергии свободны (рис. 60).
Рис. 60. Уровни энергии для вакуума (по Дираку)
Значение уровня
1
E
с наименьшим значением энергии можно найти из усло-
вия
0p =
, где
2
1 e
E m c=
. Наибольшее возможное значение уровня
2
E
с отрица-
тельной энергией
2
2 e
E m c=−
также получается из условия
0p =
. Между уровня-
ми с положительной энергией и уровнями с отрицательной энергией существует
энергетический барьер:
( )
2 2 2
12
2 1,02
e e e
E E E m c m c m c = − = − − = =
МэВ.
Если электрону, находящемуся на уровне
2
E
, сообщить энергию
2
2
e
E m c=
,
то он может перейти на уровень
1
E
, на котором он будет проявлять себя как обыч-
109
ный электрон с положительным зарядом, но при этом образуется вакансия на
2
E
(рис. 61).
Рис. 61. Схема образования позитрона
Отсутствие частицы с отрицательной массой и отрицательным электрическим зарядом можно воспринимать как образование частицы с положительной
массой и положительным зарядом. Электрон с отрицательной массой должен вести себя необычно. Так, под действием силы он должен получать отрицательное
ускорение, то есть двигаться против действующей на него силы, но дырка движется навстречу такому электрону, то есть ведет себя как частица с положительной массой. Частица эта получила название позитрона. В 1932 г.
К. Андерсон обнаружил позитрон в космических лучах. Переход электрона
с уровня
2
E
(на уровне
2
E
электрон себя никак не проявляет) под действием
кванта, несущего энергию
2
2
e
mc
, воспринимается как рождение отрицательно
заряженного электрона и положительно заряженного позитрона, поэтому суммарный электрический заряд системы остается неизменным. Схему рождения
отражает уравнение:
e e e e
− − − +
+ → + +
.
Если электрон и позитрон оказываются в одном и том же месте, то происходит обратный процесс перехода электрона с уровня
1
E
на уровень
2
E
. При
этом электрон и позитрон исчезают, а образуются два -кванта, разлетающихся
в противоположные стороны:
ee
−+
+ → +
.
При этом могут рождаться не только фотоны, но и частицы
ee
− + + −
+ → +
. Такой процесс превращения называется аннигиляцией. По-
зитрон является античастицей по отношению к электрону.
110
Появилось предположение, что у любой частицы должны быть античастицы. В 1955 г. американские физики Э. Серге и О. Чемберлен обнаружили
антипротон
p p p p p p+ → + + +
,
а в 1956 г. был открыт антинейтрон. Аннигиляция р и p происходит по схеме:
0
pp
+ − + −
+ → + + + +
.
В электромагнитных и сильных взаимодействиях имеется полная симметрия между частицами и античастицами. Это означает, что из антинейтрона может образоваться антидейтрон. В 1965 г. он был получен в США. В 1969 г. на
Серпуховском ускорителе были получены ядра антигелия и антитрития.
Существуют частицы, которые тождественны своим античастицам. К ним
относятся фотон,
0
-мезон и ряд других частиц. Они не аннигилируют. Согласно
современным представлениям, Вселенная состоит из вещества. На ранней стадии образования Вселенной количество частиц и античастиц было почти одинаковым. Затем прошла аннигиляция, из небольшого избытка частиц произошло
образование окружающего нас мира.
Вывод: в природе выполняется принцип зарядового сопряжения, соглас-
но которому для каждой частицы должна существовать античастица, которая имеет такую же массу покоя, но противоположные по знаку возможные виды зарядов.
При встрече частицы и античастицы происходит их аннигиляция. У фотона,
0
-мезона и ряда других частиц античастица совпадает с самой частицей. Та-
кие частицы называют истинно нейтральными. Наша Вселенная состоит из частиц, избыток вещества над антивеществом образовался на ранней стадии развития Вселенной.
12.3. Теория большого взрыва. Связь микро- и макромира
В спектрах звезд хорошо различимы линии известных элементов. Если звезда удаляется от Земли со скоростью , то происходит смещение длины волны
излучения в сторону увеличения (красное смещение):
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]