Lysenko_physics_lek_2[1]

зіштовхуються. Максимальна кількість енергії втрачається у випадку, якщо обидві частинки мають однакову масу. Із цього погляду ідеальним сповільнювачем повинна була б бути речовина, що містить звичайний водень, наприклад вода (маси протона й нейтрона приблизно однакові). Однак такі речовини виявилися непридатними як сповільнювач, тому що протони поглинають нейтрони, вступаючи з ними в реакцію

p(n, γ)d.

Ядра сповільнювача повинні мати малий переріз захоплення нейтронів і великий переріз пружного розсіювання. Цю умову задовольняють дейтрон (ядро важкого водню-дейтерію D ), а також ядра графіту ( C ) і берилію ( Be ). Для зменшення енергії нейтрона від 2 МеВ до теплових енергій у важкій воді ( D2O ) досить близько 25 зіткнень, в

C або Be – приблизно 100 зіткнень.

Перший уран-графітовий реактор був запущений у грудні 1942 р. у Чиказькому університеті під керівництвом італійського фізика Е.Фермі. У Радянському Союзі реактор такого самого типу був запущений під керівництвом І.В. Курчатова в грудні 1946 р. у Москві.

Схема уран-графітового реактора наведена на рис. 111.3. Стержні, позначені цифрою 3, містять кадмій або бор. Ці елементи інтенсивно поглинають нейтрони. Тому введення стрижнів у реактор зменшує коефіцієнт розмноження нейтронів, а виведення – збільшує. Спеціальний автоматичний пристрій, який управляє стержнями, дозволяє підтримувати потужність, яка розвивається в реакторі, на заданому рівні. Регулювання значно полегшується тією обставиною, що частина нейтронів, як ми вже відзначали, випускається при поділі ядер не миттєво, а із запізненням до 1 хв.

Перші промислові реактори призначалися для виробництва матеріалу, що ділиться, для атомних бомб – плутонію. У таких реакторах частина нейтронів, що випромінюються

при поділі ядер 235U , іде на підтримку ланцюгової реакції, частина ж має радіаційне захоплення ядрами 238U , що, як ми бачили, приводить в остаточному підсумку до утворення

239Pu . Після того як в уранових блоках нагромадиться достатня кількість 239Pu , блоки витягають із реактора й спрямовуються на хімічну переробку для виділення з них плутонію.

Застосування ядерної енергії для виробництва електроенергії відбувається в атомних електростанціях. Схема атомної електростанції зображена на рис. 111.4. Енергія, яка виділяється в активній зоні реактора 1, знімається теплоносієм, що циркулює в контурі 2. Циркуляція забезпечується насосом 3. Як теплоносій застосовується вода або лужні метали з

231

низькою температурою плавлення, наприклад натрій (Tплав = 980 С ). У теплообміннику 4

теплоносій віддає свою теплоту воді, перетворюючи її в пару, яка обертає турбіну 5. Реактори зі сповільнювачем працюють на повільних (теплових) нейтронах.

Використавши пальне, збагачене ізотопом, що ділиться (235U або 239Pu) , можна побудувати реактор, що діє на швидких нейтронах. Частина нейтронів у таких реакторах

використовується для перетворення 238U в 239Pu або 232Th в 233U , причому кількість ядер, що утворяться, здатних ділитися тепловими нейтронами, може перевищити кількість ядер, які діляться, витрачених на підтримку роботи реактора. Отже, відтворюється більша кількість ядерного пального, чим вигорає в реакторі. Тому такі ядерні реактори називають

реакторами-розмножувачами.

Також відзначимо, що побічними продуктами процесів, які проходять у ядерних реакторах, є радіоактивні ізотопи багатьох хімічних елементів, які знаходять різноманітні застосування в біології, медицині й техніці.

§ 112 Термоядерні реакції. Дейтерій-тритієвий синтез. Протонно-протонний цикл. Вуглецевий цикл [3]

1 Ядерний синтез, тобто злиття легких ядер в одне ядро, супроводжується, як і поділ важких ядер, виділенням величезної кількості енергії. Оскільки для синтезу ядер необхідні дуже високі температури, цей процес називається термоядерною реакцією.

Щоб перебороти потенціальний бар'єр, обумовлений кулонівським відштовхуванням, ядра з порядковими номерами Z1 й Z2 повинні мати енергію

На частину кожного ядра, що зіштовхується, припадає 0,35 МеВ. Середній енергії теплового руху, що дорівнює 0,35 МеВ, відповідає температура порядку 2·109 К. Однак синтез легких ядер може проходити й при значно менших температурах. Справа в тому, що через хаотичний розподіл частинок за швидкостями завжди є деяке число ядер, енергія яких значно перевищує середнє значення. Крім того, що особливо істотно, злиття ядер може відбутися внаслідок тунельного ефекту. Тому деякі термоядерні реакції проходять із

помітною інтенсивністю вже при температурах порядку 107 К.

2 Особливо сприятливі умови для синтезу ядер дейтерію й тритію, тому що реакція між ними має резонансний характер. Саме ці речовини утворюють заряд водневої (або термоядерної бомби). Запалом у такій бомбі є звичайна атомна бомба, при вибуху якої

виникає температура порядку 107 К. Реакція синтезу дейтрона ( d , або 12 H ) і ядра тритію

(13H )

d+13H ®24He+01n

супроводжується виділенням енергії, що дорівнює 17,6 МеВ, що становить близько 3,5 МеВ на нуклон. Для порівняння зазначимо, що поділ ядра урану приводить до вивільнення приблизно 0,85 МеВ на нуклон.

3 Синтез ядер водню в ядра гелію є основним джерелом енергії Сонця й інших зірок, температура в надрах яких сягає 107–108 К. Цей синтез може здійснюватися двома шляхами.

232

При більш низьких температурах має місце протонно-протонний цикл, що проходить таким чином. Спочатку відбувається синтез двох протонів з утворенням дейтрона, позитрона й нейтрино:

p + p → d + e+ + ν .

Дейтрон, що утворився, зіштовхуючись із протоном, з’єднується з ним у ядро 3He : d + p→23He + γ .

Остання ланка циклу є такою реакцією:

23He+23He→23He + p + p .

4 При більш високих температурах більшу ймовірність має запропонований Беті вуглецевий (або вуглецево-азотний) цикл, що складається з таких ланок:

126 C+11p→137 N + γ, 137 N→136 C + e+ + ν, 126 C+11p→147 N + γ, 147 N +11p→158 O + γ 158 O→157 N + e+ + γ, 157 N +11p→126 C+24He.

Підсумком вуглецевого циклу є зникнення чотирьох протонів і утворення однієї α -частинки. Кількість ядер вуглецю залишається незмінною; ці ядра беруть участь у реакції в ролі каталізатора.

5 У водневій бомбі термоядерна реакція має неконтрольований характер. Для здійснення керованих термоядерних реакцій необхідно створити й підтримувати в деякому об'ємі температуру порядку 108 К. При настільки високій температурі речовина являє собою повністю іонізовану плазму. На шляху здійснення керованої термоядерної реакції стоять величезні труднощі. Поряд з необхідністю отримати надзвичайно високі температури, виникає проблема втримання плазми в заданому об'ємі. Зіткнення плазми зі стінками посудини призведе до зменшення її температури. Крім того, стінка з будь-якої речовини при такій температурі відразу випарується. У зв'язку із цим для втримання плазми в заданому об'ємі доводиться використовувати магнітне поле. Сили, що діють у цьому полі на заряджені частинки, що рухаються, змушують їх рухатися по траєкторіях, які розміщені в обмеженій частині простору.

Здійснення керованого термоядерного синтезу дасть людству практично невичерпне джерело енергії. Тому роботи з оволодіння керованими термоядерними реакціями проводяться в багатьох країнах. Одним з основних напрямків, у якому проходять ці роботи, є створення установок типу токамак (скорочення від «тороїдальна камера з магнітними котушками»). Така установка являє собою замкнутий магнітний уловлювач, що має форму тора. Плазма втримується в токамаці магнітним полем дуже складної конфігурації. Розігрів плазми здійснюється струмом, що проходить по ній.

Ряд фахівців уважає, що проблема керованого термоядерного синтезу буде успішно вирішена в XXI столітті.

§ 113 Види взаємодій і класи елементарних частинок [3]

1 Елементарними частинками називаються найменші відомі на цей час частинки матерії. Термін «елементарні частинки» значною мірою умовний, тому що не існує чіткого критерію елементарності частинки. Характерною рисою елементарних частинок є їх здатність до взаємних перетворень.

233

Усього разом з античастинками відкрито близько 350 елементарних частинок, і число їх продовжує зростати. Більшість елементарних частинок нестабільна – вони спонтанно перетворюються в інші частинки. Стабільними є фотон, електрон, всі види нейтрино, протон і їх античастинки.

Для того щоб пояснити властивості й поведінку елементарних частинок, їх доводиться наділяти, крім маси, електричного заряду й спіну також додатковими характерними для них величинами (квантові числа), про які буде сказано далі.

2 Відомі чотири види взаємодій між елементарними частинками: сильне,

електромагнітні, слабке й гравітаційне (ми перелічили їх у порядку зменшення інтенсивності).

Інтенсивність взаємодії характеризують за допомогою так званої константи взаємодії, що являє собою безрозмірний параметр, який визначає ймовірність процесів, обумовлених даним видом взаємодії. Відношення значень констант дає відносну інтенсивність відповідних взаємодій.

Сильна взаємодія. Цей вид взаємодії забезпечує зв'язок нуклонів у ядрі. Константа сильної взаємодії має значення порядку 10. Найбільша відстань, на якому проявляється сильна взаємодія (радіус дії r ), становить приблизно 10-15 м.

Електромагнітна взаємодія. Константа взаємодії дорівнює 1/137 ≈ 10−2 . Радіус дії необмежений ( r = ∞ ).

Слабка взаємодія. Це взаємодія відповідальна за всі види β -розпаду ядер

(включаючи e -захоплення), за багато розпадів елементарних частинок, а також за всі процеси взаємодії нейтрино з речовиною. Константа взаємодії дорівнює за порядком величини 10-14. Слабка взаємодія, як і сильна, є короткодіючою.

Гравітаційна взаємодія. Константа взаємодії має значення порядку 10-39. Радіус дії необмежений ( r = ∞ ). Гравітаційна взаємодія є універсальною, її підлеглі все без винятку елементарні частинки. Однак у процесах мікросвіту гравітаційна взаємодія відчутної ролі не відіграє.

Таблиця 113.1

У таблиці 1 зіставлені значення (порядок величини) констант різних видів взаємодії. В останньому стовпчику таблиці наведений середній час життя частинок, які розпадаються за рахунок даного виду взаємодії (цей час називають також часом розпаду).

3 Елементарні частинки звичайно підрозділяють на чотири класи. До одного з них належить тільки одна частинка – фотон. Другий клас утворять лептони, третій – мезони й, нарешті, четвертий клас – баріони. Мезони й баріони часто поєднують в один клас сильно взаємодіючих частинок, які називають адронами (грецьке «адрос» означає великий, масивний).

Наведемо коротку характеристику перелічених класів частинок.

1 Фотони γ (кванти електромагнітного поля) беруть участь в електромагнітних

взаємодіях, але не беруть участі у сильній й слабкій взаємодії.

2 Лептони отримали свою назву від грецького слова «лептос», що означає «легкий». До їх числа відносять частинки, що не мають сильної взаємодії: електрони (e− ,e+ ) , мюони (μ− ,μ+ ) , важкий тау-лептон (τ− , τ+ ) , а також електронні нейтрино (νe ,~νe ) , мюонні нейтрино (νμ ,~νμ ) й тау-нейтрино (ντ ,~ντ ) . Всі лептони мають спін, який дорівнює 1/2, і, отже, є

234

ферміонами. Всі лептони мають слабку взаємодію. Ті з них, які мають електричний заряд (тобто електрони й мюони), мають також електромагнітну взаємодію.

3 Мезони – сильно взаємодіючі нестабільні частинки, що не несуть так званого баріонного заряду. До них належать π -мезони, або піони (π+ , π− , π0 ) , К-мезони, або каони

+ − 0 ~0 η

(K , K , K , K ) , і ета-мезон ( ) .

За допомогою π -мезонів здійснюється сильна взаємодія. Маса К-мезонів становить приблизно 970me (494 МеВ для заряджених і 498 МеВ для нейтральних К-мезонів). Час життя К-Мезонів має значення порядку 10-8 с. Вони розпадаються з утворенням π -мезонів і лептонів або тільки лептонів. Маса ета-мезона дорівнює 549 МеВ (1074me ) , час життя порядку 10-19с. К-мезони розпадаються з утворенням π -мезонів і γ -фотонів.

На відміну від лептонів мезони володіють не тільки слабкою (і, якщо вони заряджені, електромагнітною), але також і сильною взаємодією, що проявляється при взаємодії їх між собою, а також при взаємодії між мезонами й баріонами. Спін усіх мезонів дорівнює нулю, так що вони є бозонами.

4 Клас баріонів поєднує в собі нуклони ( p, n) й нестабільні частинки з масою, більшої

маси нуклонів, що отримали назву гіперонів (Λ,Σ+ ,Σ0 ,Σ− ,Ξ0 ,Ξ− ,Ω− ) . Всі баріони мають

сильну взаємодію. Спін усіх баріонів дорівнює 1/2, так що баріони є ферміонами. За винятком протона, всі баріони нестабільні. При розпаді баріона, поряд з іншими частинками, обов'язково утвориться баріон. Ця закономірність є проявом закону збереження баріонного заряду.

Крім перелічених вище частинок, виявлене велике число сильно взаємодіючих короткоживучих частинок, які отримали назву резонансів. Ці частинки являють собою резонансні стани, що утворені двома або більшим числом елементарних частинок. Час життя резонансів становить усього лише приблизно 10 – 23-10 – 22c.

235

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Савельев И.В. Курс общей физики: в 3 т. Т.1. Механика. Молекулярная физика

/И.В. Савельев. – М.: Наука, 1982.

2.Савельев И.В. Курс общей физики: в 3 т. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика

/И.В. Савельев. – М: Наука, 1982.

3.Савельев И.В. Курс общей физики: в 3 т. Т.3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц / И.В. Савельев. – М.:

Наука, 1987.

4.Савельев И.В. Курс физики: в 3 т. Т.1. Механика. Молекулярная физика / И.В. Савельев.

– М.: Наука, 1989.

5.Савельев И.В. Курс физики: в 3 т. Т.2. Электричество. Колебания и волны. Волновая оптика / И.В. Савельев. – М.: Наука, 1989.

6.Савельев И.В. Курс физики: в 3 т. Т.3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц / И.В. Савельев. – М.:

Наука, 1989.

7.Сивухин Д.В. Общий курс физики: в 5 т. Т.1. Механика / Д.В.Сивухин. – М.: Физматлит, 2005.

8.Сивухин Д.В. Общий курс физики: в 3 т. Т.2. Термодинамика и молекулярная физика / Д.В.Сивухин. – М.: Физматлит, 2005.

9.Сивухин Д.В. Общий курс физики: в 3 т. Т.3. Электричество / Д.В.Сивухин. – М.: Физматлит, 2004.

10.Сивухин Д.В. Общий курс физики: в 3 т. Т.4. Оптика / Д.В.Сивухин. – М.: Физматлит, 2005.

11.Сивухин Д.В. Общий курс физики: в 3 т. Т.5. Атомная физика и ядерная физика / Д.В.Сивухин. – М.: Физматлит, 2002.

12.Лисенко О.В. Фізика: конспект лекцій / О.В. Лисенко. – Суми: Вид-во СумДУ, 2010. –

Ч.1.

13.Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики: в 3 т. Т.2. Электричество и магнетизм. / Г.С. Ландсберг. – М.: Наука, 1985.

14.Детлаф А.А. Курс физики: в 3 т. Т.2. Электричество и магнетизм /А.А.Детлаф, Б.М.Яворский, Л.Б.Милковская. – М., Высш. школа, 1977.

15.Бушок Г.Ф. Курс фізики. Кн. 1. Фізичні основи механіки. Електрика і магнетизм / Г.Ф.Бушок, В.В.Левандовскький, Г.Ф.Півень. – К.: Либідь, 2001.

16.Бушок Г.Ф. Курс фізики. Кн. 2. Оптика. Фізика атома і атомного ядра. Молекулярна фізика і термодинаміка / Г.Ф.Бушок, Є.Ф.Венгер. – К.: Либідь, 2001.

236