Мюонный катализ

Мюонный катализ – явление синтеза ядер изотопов водорода при нормальных условиях, происходящее при участии мюонов.

Мюоны, образуя с ядрами мезомолекулы, способствуют сближению ядер на расстояния, достаточные для протекания ядерной реакции. Освобождаясь после акта реакции, могут повторить этот процесс, т. е. они выступают в качестве катализатора.

В отсутствие мюонов реакции синтеза, например, ядер дейтерия

или ядер дейтерия и трития

,

происходят с заметной вероятностью лишь при КЭВ высоких энергиях Е сталкивающихся частиц, , т. е. при температурах в десятки и сотни млн. градусов, поскольку ядрам нужно путем туннельного перехода преодолеть высокий барьер кулоновского отталкивания, чтобы сблизиться до расстояний действия ядерных взаимодействий (). (рис. )

1 – сильное притяжение на малых расстояниях ;

2 – кулоновское отталкивание на больших расстояниях;

3 – взаимодействие ядер в мюонной молекуле, имеется область притяжения при.

Рис.

Схематическое изображение потенциальной энергии U взаимодействия ядер в зависимости от расстояния r между ними.

При торможении в плотной смеси изотопов водорода за время 10^-12с образуются мюонные атомы. Из-за малых размеров и электронейтральности мезоатомы водорода ведут себя подобно нейтронам: они свободно проникают сквозь электронные оболочки и подходят на близкие расстояния к их ядрам. При этом происходят многообразные-атомные и-молекулярные процессы: перехватядрами более тяжелых изотопов,; образование мюонных молекул

и т. д.

Образование мюонных молекул является решающим условием протекания мюонного катализа. В принципе (благодаря экранировке кулоновского поля ядра мюонов в мезоатоме водорода и значительному уменьшению ширины кулоновского барьера) реакции синтеза могли бы протекать на лету, т. е. при столкновениях свободных мезоатомов с ядрами изотопов водорода . Однако в мюонных молекулах ядра удалены друг от друга на расстояние порядка удвоенного боровского радиуса мезоатома , что в сотни раз меньше расстояний между ядрами в жидком и газообразном водороде (). Поэтому частота столкновений ядер, приводящих к подбарьерному переходу, и реакций синтеза в мюонных молекулах в 10 раз больше, чем в реакциях на лету. При торможениив смеси изотопов водорода мюонные атомы (мезоатомы)и.

Их существование было предсказано американским физиком Дж. Уилером в 1949 году. Радиусы мезоатомов в невозбужденном состоянии , гдеZ – заряд ядра, а m приближенно равно отношению массы мезона к массе электрона.

Наиболее изучены мезоатомы, состоящие из ядра водорода и ,, или. Такие мезоатомы подобно нейтронам могут свободно проникать внутрь электронных оболочек других атомов, приближаться к их ядрам, образовыватьмезомолекулы.

В мезоатомах мезоны расположены в сотни раз ближе к ядру, чем электроны. , радиус ближайшей к ядру орбитыв мезоатомах свинца в2 раза меньше, чем радиус ядра свинца, т. е. в мезоатомах свинца основную часть времени проводят внутри ядра. Это позволяет использовать свойства мезоатомов сдля изучения формы и размеров ядер, а также для изучения распределения электрического заряда по объему ядра.

Образование мезоатомов происходит при торможении мезонов, получаемых в мишени. Захват на мезоатомную орбиту сопровождается выбросом одного из атомных электронов, обычно внешнего. Например, если пучокнаправить в камеру с жидким водородом, то они постепенно теряют свою энергию в столкновениях с атомами водорода, пока их энергия не станет1 кэВ. При этом, если они подходят близко к ядру атома водорода и образуют с ним электрический диполь, поле которого не в состоянии удержать атомный электрон, то атом водорода теряет свой электрон, а – остается связанным с ядром (протоном, дейтроном, тритоном). Как правило все мезоатомы образуются в высоковозбужденных состояниях. Переходя в менее возбужденное, освобождают энергию в виде-квантов (мезонное-излучение) или же – электронов.

Из-за малых размеров и электронейтральности мезоатомы водорода ведут себя подобно нейтронам: они могут свободно проникать через электронные оболочки атомов и подходить на близкие расстояния к ядрам других атомов.

В мюонных молекулах ядра удалены друг от друга на расстояния , что в сотни раз меньше средних расстояний между ядрами в жидком и газообразном водороде. Поэтому в таких молекулах вероятность слияния ядер, например, по реакциям

,

в 10⁶ больше, чем при столкновении -атома с ядром по реакции. Освободившийсявновь может образовать мезоатоми повторить еще раз всю цепочку реакцийи т. д. Число таких реакций ограничено лишь временем жизни мюона (). Однако, в действительности почти всегда мюон в процессе реакции «прилипает» к образовавшемуся ядру.и дальше не участвует в цикле последовательных реакций.

Эта реакция «отравления катализатора» не столь существенна при синтезе ядер дейтерия.

,

в которой только 12% мюонов прилипают к ядру по реакции

.

Впервые на возможность каталитической реакции указал Ф. Франк (США, 1947), Б. Зельдович в 1959 г. выполнил первые расчеты этого процесса, а в 1957 г. американский физик Л. Альварес наблюдал его экспериментально.

В 1977 в результате теоретических расчетов было обнаружено существование у мезомолекулы слабосвязанного состояния с энергиейэВ. Благодаря наличию такого состояния мезомолекулыдолжны образовываться резонансным образом с большой скоростью (в конденсированной среде за времяс). Этот вывод был подтвержден экспериментально в лаборатории ядерных проблем ОИЯИ (Дубна). Так как вероятность прилипанияк, образовавшемуся в реакциисоставляет1%, то один в плотной смесииможет осуществить(170) актов катализа и освободить при этом(3) ГэВ энергии и(170) нейтронов. Сейчас изучаются возможности практического использования этого явления для получения ядерной энергии.

Вывод о высокой эффективности мюонного катализа в дейтерий-тритиевой смеси позволил рассмотреть различные возможности использования этого явления для производства ядерной энергии и нейтринов. Первую схему мюоннокаталического гибридного реактора рассмотрел Ю. В. Петров в 1979 г. Предлагается увеличивать энерговыделение в реакции путем дальнейшего размножения нейтронов с энергией 14,1 МэВ в урановом бланкете при делении ядер урана,, и образования ядер плутония,. Предварительные оценки показывают, что такая гибридная система может оказаться экономически эффективной в ядерной энергетике будущего. Интенсивные исследования мюонного катализа продолжаются во многих лабораториях мира.

Туннельный эффект (Т. э.)

Туннельный эффект– квантовый переход системы через область движения, запрещенную классической механикой. Типичный пример такого процесса – прохождение частицы через потенциальный барьер.

D-коэффициент прозрачности (коэффициент туннельного перехода)D, равный отношению интенсивностей прошедшего и падающего потоков. В одномерном случае

,

где x₁ и x₂ – точки поворота, определяемые из условия . Коэффициенттребует для своего определения точного решения квантово-механической задачи.

При выполнении условия квазиклассичности (квазиклассическое приближение квантовой механики, когда длина волны де Бройля частиц много меньше характерных размеров изменения потенциала)

коэффициент слабо отличается от единицы, за исключением окрестностей точек поворотаx₁,x₂. Существенное отличиеот единицы может быть в тех случаях, когда кривая потенциальной энергии с одной из сторон барьера идет настолько круто, что квазиклассическое приближение там неприменимо, или когда энергия частицы близка к высоте барьера.

Для прямоугольного барьера высотой и ширинойa коэффициент прозрачности определяется формулой

,

где ,.

Туннельный эффект позволяет понять механизм -распада тяжелых ядер. Между-частицей и дочерним ядром действует электростатическое отталкивание, определяемое формулой. На малых расстоянияхa порядка размера ядра ядерные силы таковы; что эффективный потенциал можно считать отрицательным: . В результате вероятность-распада дается соотношением

,

где ,,–энергия вылетающей -частицы.

Туннельный эффект обусловливает возможность протекания термоядерных реакций на Солнце и звездах при К, а также в земных условиях в виде термоядерных взрывов или УТС.

Туннельным эффектам обязаны такие явления, происходящие в сильных электрических полях, как автоионизация атомов и автоэлектронная эмиссия из металлов. В обоих случаях электрическое поле образует барьер конечной прозрачности. Чем сильнее электрическое поле, тем прозрачнее барьер, и тем сильнее электронный ток из металла. На этом принципе основан сканирующий туннельный микроскоп, измеряющий туннельный ток из разных точек исследуемой поверхности и дающий информацию о характере ее поверхности.

Существование процессов туннелирования в твердых телах экспе риментально подтвердило изобретение туннельного диода (диод Эсаки 1957 г.) – полупроводниковый диод, содержащий -переход с очень малой толщиной запирающего слоя. Туннельные диоды находят применение в схемахусилителей и генераторов СВЧ-диапазона, в быстродействующих переключающих устройствах, в устройствах памяти с двоичным кодом и т. д.