4.Основные проблемы ядерной физики и их решение с помощью выводов квантовой механики.

К современным объектам изучения атомной физики относятся не только атомы с их сложным строением, но и различные атомные системы с необычной структурой, определяющей их уникальные химические и физические свойства. К таким атомным системам относятся эксимерные молекулы, кластеры, фуллерены, углеродные нанотрубки и др.

Эксимерные молекулы существуют только в возбужденном состоянии. Известно, что атомы благородных газов, как правило, не образуют химических соединений. Исключение составляют фториды криптона и ксенона, а также некоторые их производные, синтезированные в послед-

ние десятилетия. Такое свойство благородных газов объясняется тем, что их атомы не имеют электрона в незаполненных оболочках, который мог бы составить пару электрону другого атома с противоположным спином. Наличие подобной пары является необходимым условием образования ковалентной химической связи, обеспечивающей стабильность химического соединения. В возбужденном состоянии атома благородного газа электрон занимает одну из незаполненных оболочек и может составить пару электрону другого атома, что дает возможность образования молекулы с атомом благородного газа. Такие молекулы называются эксимерными.

Эксимерная молекула, потенциальная энергия которой превышает энергию основного состояния, не может существовать долго. Она распадается в течение нескольких наносекунд, излучая световой квант. Несмотря на непродолжительное время жизни, эксимерная молекула имеет все признаки химического соединения. Она обладает колебательными и вращательными степенями свободы и способна вступать в химические реакции. Главная особенность эксимерных молекул состоит в том, что они представляют собой готовую активную среду для создания эксимерных лазеров — мощных квантовых генераторов ультрафиолетового излучения.

Кластеры занимают промежуточное положение между молекулярным и конденсированным состоянием вещества. Возникает вопрос: как много атомов необходимо собрать вместе, чтобы полученное образование обладало свойствами конденсированного вещества? Этот вопрос привлек внимание исследователей к изучению объектов, названных кластерами, состоящих из относительно небольшого количества атомов или молекул. Кластеры получаются при охлаждении газа в результате его расширения в сверхзвуковом сопле. Возможен и другой способ их получения: при взаимодействии сфокусированного источника энергии (лазерного луча, либо пучка заряженных частиц высокой энергии) с веществом, находящимся в конденсированном состоянии, образуется своеобразная среда, содержащая кластеры различных размеров.

Кластеры находят практическое применение в современной нанотех-нологии. При осаждении потока кластеров на подложку можно сформировать элемент электронной схемы, размеры которого составляют десятки нанометров, и получить, например, полупроводниковую зону чрезвычайно малых размеров.

Фуллерены — новая разновидность многоатомных молекул углерода, открытая в результате экспериментального исследования структур кластеров. Молекула фуллеренов состоит из большого числа (от 32 до 90) атомов углерода. Структура фуллерена представляет собой замкнутую поверхность сферы или сфероида, состоящую из правильных шести- и пятиугольников с атомами углерода в их вершинах (рис. 4.2). Число пятиугольников всегда равно 12, а число шестиугольников может быть различным. Наиболее устойчивой оказалась молекула С₆₀ с двадцатью шестиугольниками. За открытие фуллеренов английскому ученому Гарольду Крото и двум его американским коллегам — Роберту Керлу и Ричарду Смэллу — присуждена Нобелевская премия по химии 1996 г. Это открытие, как иногда случается в науке, не было результатом целенаправленного поиска. К нему привели многолетние работы по исследованию кластеров и расшифровке спектральных линий поглощения межзвездного вещества.

В результате реакции присоединения водорода по ненасыщенным связям углерода при высоких давлениях и температурах можно создать модификацию фуллеренов с исключительно высокой удельной емкостью по водороду, что представляет практический интерес при разработке эффективных аккумуляторов водорода. Фуллерены обладают высокой химической активностью и способны образовывать множество новых химических соединений с необычными свойствами. Химические соединения фуллеренов, в состав которых входят шестичленные кольца углерода с одинарными и двойными связями, образуют трехмерный аналог ароматических веществ. Кристаллы фуллеренов — полупроводники с фотопроводимостью в видимой области спектра излучения. Легированные атомами щелочных металлов, фуллерены обладают сверхпроводимостью при температуре 18—40 К. Использование фуллеренов в качестве присадки к смазочному маслу существенно (до 100 раз) снижает коэффициент трения металлических поверхностей и соответственно повышает срок службы деталей. Возможно, фуллерены найдут применение в медицине и фармакологии.

Углеродные нанотрубки представляют собой протяженные молекулярные структуры углерода в виде полого цилиндра (рис. 4.3). Технология их формирования такая же, как и для фуллеренов: они образуются при термическом распылении графитового анода в электрической дуге в атмосфере гелия. Длина однослойных или многослойных молекулярных нанотрубок углерода достигает десятков микрометров, что на несколько порядков превышает их диаметр, составляющий от одного до нескольких нанометров. Нанотрубки обычно заканчиваются полусферой.

Углеродные нанотрубки обладают необычными свойствами. Так, нанотрубки с открытыми концами проявляют капиллярный эффект — способность втягивать в себя расплавленные металлы и другие жидкие вещества. С их помощью можно сформировать р-п-переход нанометровых размеров. Благодаря чрезвычайно малому поперечному размеру нанотрубки, с ее помощью можно усилить электрическое поле. Электрические свойства нанотрубок в сочетании с высокой прочностью открывают возможность их использования в качестве материала для зонда сканирующего микроскопа, что позволяет существенно повысить его разрешающую способность.

Таким образом, рассмотренные атомные системы могут составить основу для синтеза новых перспективных материалов — материалов XXI в. с уникальными физическими и химическими свойствами.

Строение атомного ядра. Примерно через 20 лет после того как Ре-зерфорд «разглядел» в недрах атома ядро, был открыт нейтрон — частица, похожая на ядро атома водорода — протон, но без электрического заряда. С открытием нейтронов появилась возможность экспериментально исследовать структуру и свойства ядра — нейтронами удобно бомбардировать ядро: электрическое поле ядра не отталкивает их, и даже медленные нейтроны могут беспрепятственно приближаться к нему на такое расстояние, при котором проявляется сильное взаимодействие, т.е. возникают ядерные силы притяжения.

Из опытов Резерфорда следовало, что размер ядра атома 10^-14—10^-15 м (размер атома — около 10^-10м). Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Протонно-нейтронная модель ядра предложена известным российским физиком Д.Д. Иваненко (1904—1994), профессором МГУ им. М.В. Ломоносова, и затем развита В. Гейзенбергом.

Протон имеет положительный заряд, по модулю равный заряду электрона, и массу покоя, превосходящую массу электрона примерно в 1836 раз. Нейтрон — нейтральная частица с массой покоя, приблизительно равной массе покоя протона (нейтрон немного тяжелее протона). Он стабилен только в составе ядер. Свободный нейтрон распадается на электрон, протон и электронное антинейтрино. Его период полураспада около 12 мин.

Протоны и нейтроны называются нуклонами (от лат. nucleus — ядро), а общее их число — массовым числом А. Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, где е — заряд протона, Z — зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов Менделеева. Заряд ядра определяет специфику химического элемента, т.е. число электронов в атоме, конфигурацию их электронных оболочек, величину и характер внутриатомного электрического поля.

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом: где X — символ химического элемента. Ядра с одинаковыми значениями Z, но разными А (т.е. с разными числами нейтронов N = А — Z) называются изотопами, а ядра с одинаковыми значениями А, но разными Z — изобарами. Например, водород (Z = 1) имеет три изотопа: — протай (Z= 1, N=0), — дейтерий (Z= 1,N= 1), — тритий (Z= l,N= 2). В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами (исключение составляют лишь некоторые изотопы, например изотопы водорода).

Связь нуклонов в ядре обеспечивают ядерные силы, намного превышающие силы других фундаментальных взаимодействий. Основные свойства ядерных сил: короткодействие, зарядовая независимость, ядерные силы — силы только притяжения, насыщение, зависимость от взаимной ориентации спинов нуклонов и др.

Весьма сложный характер ядерных сил и трудность точного решения уравнений движения всех нуклонов ядра не позволили пока разработать единую последовательную теорию атомного ядра.

Дефект массы и энергия связи ядра. Масс-спектроскопические измерения показывают, что масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов. Разность суммы масс нуклонов и массы ядра называется дефектом массы ∆m. Поскольку всякому изменению массы соответствует изменение энергии, при образовании ядра выделяется энергия. Из закона сохранения энергии следует и обратное: для разделения ядра на составные части необходимо затратить такое же количество энергии, которое выделяется при его образовании. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра Е_св. Она определяется формулой

E_св= тс²,

где с — скорость света.

Обычно рассматривают удельную энергию связи — среднюю энергию связи, приходящуюся на один нуклон. Она характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер (чем больше удельная энергия связи, тем устойчивее ядро) и зависит от массового числа А. Для легких ядер (А ≤ 12) с увеличением А удельная энергия связи круто возрастает до 6 — 7 МэВ (1 МэВ = 10⁶ эВ), претерпевая ряд скачков, затем сравнительно плавно увеличивается до максимального значения 8,7 МэВ для элементов с А = 50 — 60, а потом постепенно уменьшается; например, для изотопа тяжелого элемента урана-238 она составляет 7,6 МэВ (для сравнения отметим, что энергия связи валентных электронов в атомах около 10 эВ (приблизительно в 10⁶ раз меньше!). Уменьшение удельной энергии связи при переходе к тяжелым элементам объясняется тем, что с возрастанием числа протонов в ядре увеличивается энергия их кулоновского отталкивания. Поэтому связь между нуклонами ослабевает, и сами ядра становятся менее прочными.

Наиболее устойчивыми с энергетической точки зрения оказываются ядра элементов средней части таблицы Менделеева. Тяжелые и легкие ядра менее устойчивы. Это означает, что энергетически выгодны два ядерных процесса:

1. деление тяжелых ядер на более легкие (цепная реакция);

2. слияние легких ядер и образование более тяжелых (синтез ядер).

Оба процесса практически реализованы в виде соответственно цепной реакции деления и термоядерного синтеза. Они сопровождаются выделением огромного количества энергии.

Радиоактивность. В 1896 г. французский физик А.А. Беккерель (1852—1908) при исследовании люминесценции солей урана обнаружил самопроизвольное излучение неизвестной природы, которое действовало на фотопленку, ионизировало воздух, проникало через тонкие металлические пластинки, вызывало люминесценцию ряда веществ. Немного позднее французские ученые, супруги Кюри — Мария (1867—1934) и Пьер (1859—1906) — наблюдали подобное излучение и для других веществ — тория и актиния. Обнаруженное излучение было названо радиоактивным, а сама способность его самопроизвольного испускания — радиоактивностью. За открытие радиоактивности Пьер Кюри, Мария Склодовская-Кюри и А. Беккерель удостоены Нобелевской премии по физике 1903 г.

Дальнейшее исследование показало, что радиоактивное излучение не зависит от состава химического соединения, его агрегатного состояния, давления, температуры, т.е. от тех факторов, которые связаны с изменением состояния электронной оболочки атома. Поэтому был сделан вывод: радиоактивные свойства элементов обусловливаются структурой атомного ядра.

В современном представлении радиоактивность — способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Различают радиоактивность естественную, наблюдаемую для существующих в природе неустойчивых изотопов, и искусственную — для изотопов, полученных посредством ядерных реакций. Принципиального физического различия между ними нет: для них характерны одни и те же закономерности радиоактивного превращения.

Известны три основных вида радиоактивного излучения: альфа-, бета- и гамма-излучение. Альфа-излучение отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью и слабой проникающей способностью (поглощается, например, слоем алюминия толщиной примерно 0,05 мм). Оно представляет собой поток ядер гелия. Заряд альфа-частиц положителен и по модулю равен двойному заряду электрона.

Бета-излучение также отклоняется электрическим и магнитным полями. Оно характеризуется сравнительно слабой ионизирующей способностью и относительно высокой проникающей способностью (поглощается слоем алюминия толщиной около 2 мм). Одна из разновидностей бета-излучения — поток быстрых электронов.

Гамма-излучение не отклоняется ни электрическим, ни магнитным полем, обладает сравнительно слабой ионизирующей способностью и очень высокой проникающей способностью (проходит через слой свинца толщиной 5 см). Гамма-излучение — это коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны (не более 10^-10 м), что и обусловливает его чрезвычайно высокую проникающую способность.

Естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно, называется радиоактивным распадом. Скорость радиоактивного распада определяется законом радиоактивного распада:

число нераспавшихся ядер N убывает со временем по экспоненте:

где N₀ — начальное число нераспавшихся ядер (в момент времени t = 0); N — число нераспавшихся ядер в момент времени t; λ — постоянная радиоактивного распада.

Постоянная радиоактивного распада характеризует вероятность распада отдельного ядра в единицу времени, а обратная ей величина — среднее время его жизни. Время, в течение которого исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое, называется периодом полураспада.

Цепная реакция деления. Наблюдению цепной реакции деления ядер предшествовало открытие нейтрона — нейтральной частицы, не испытывающей кулоновского отталкивания и поэтому легко проникающей в ядро. Интересна история открытия нейтрона. В 1930 г. немецкие физики В. Боте и Г. Беккер, облучая бериллий альфа-частицами, обнаружили излучение высокой проникающей способности. Поскольку сильно проникающими могут быть только нейтральные частицы, было предположено, что обнаруженное излучение — жесткие гамма-лучи. Дальнейшие эксперименты показали, что наблюдаемое излучение, взаимодействуя с водородосодержащими соединениями, выбивает протоны, а из расчетов следовало, что предполагаемые гамма-кванты должны обладать необычно большой энергией, что вызывало сомнение. При объяснении полученных результатов эксперимента английский физик Д. Чедвик (1891—1974) в 1932 г. сделал вывод: новое проникающее излучение представляет собой не гамма-кванты, а поток тяжелых нейтральных частиц, названных им нейтронами.

Характер ядерных реакций под действием нейтронов зависит от их скорости (энергии). В зависимости от энергии нейтроны условно делят на две группы: медленные и быстрые. Нейтроны с энергией до 10⁴ эВ — медленные, а с энергией, большей 10⁴ эВ, — быстрые. Медленные нейтроны эффективны для возбуждения ядерных реакций: они могут находиться относительно долго вблизи атомного ядра. Однако их энергия сравнительно мала, поэтому они не могут вызвать неупругое рассеяние. В то же время быстрые нейтроны способны превратить один радиоактивный изотоп в другой. К началу 40-х годов XX в. работами многих ученых: Э. Ферми (1901—1954) (Италия), О. Гана (1879—1968), Ф. Штрассмана (1902— 1980) (ФРГ), О. Фриша (1904—1979) (Великобритания), Л. Майтнер (1878—1978) (Австрия), Г.Н. Флерова (1913—1990), К.А. Петржака (р. 1910) (СССР) и др., — было доказано, что при облучении урана нейтронами образуются ядра атомов химических элементов из середины Периодической таблицы Менделеева — лантана и бария. Этот результат положил начало новому виду реакций — реакциям деления ядер, при которых тяжелое ядро под действием нейтронов и других частиц делится на несколько легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе. Деление ядер сопровождается испусканием двух-трех вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления. Расчет цепной реакции деления урана произвели наши соотечественники физики Ю.Б. Харитон (1904—1996) и Я.Б. Зельдович (1914—1987) и др.

Деление ядер сопровождается выделением чрезвычайно большого количества энергии. На самом деле, удельная энергия связи ядер средней массы составляет примерно 8,7 МэВ, в то время как для тяжелых ядер — около 7,6 МэВ. Следовательно, при делении тяжелого ядра на два осколка должна высвобождаться энергия 1,1 МэВ на один нуклон. Эксперименты подтверждают, что при каждом акте деления ядер действительно выделяется огромная энергия, которая распределяется между осколками (основная доля), нейтронами деления и продуктами последующего распада осколков деления.

Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать последующие новые акты деления — возникает цепная реакция деления (рис. 4.4). Она характеризуется коэффициентом размножения к нейтронов, равным отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. В процессе ядерной реакции не все образующиеся вторичные нейтроны вызывают последующее деление ядер, что

приводит к уменьшению коэффициента размножения. Во-первых, из-за конечных размеров активной зоны (пространства, где происходит реакция) и большой проникающей способности нейтронов часть из них покидает активную зону раньше, чем будет захвачена каким-либо ядром. Во-вторых, часть нейтронов захватывается ядрами неделящихся примесей. Кроме того, наряду с делением протекают конкурирующие процессы радиоактивного захвата и неупругого рассеивания.

Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, его количества, размеров и формы активной зоны. Минимальные размеры активной зоны, при которых возможна цепная реакция, называются критическими размерами, а минимальная масса делящегося вещества в активной зоне с критическими размерами — критической массой. При k > 1 цепная реакция ускоряется: число делений быстро возрастает и ядерный процесс становится взрывным. Условие k = 1 соответствует самоподдерживающейся реакции, при которой число нейтронов со временем не изменяется. При k < 1 цепная реакция деления ядер замедляется.

Различают управляемые и неуправляемые цепные реакции деления ядер. При взрыве атомной бомбы происходит неуправляемая реакция. При хранении атомной бомбы, чтобы она не взорвалась, находящееся в ней радиоактивное вещество делится на две части с некритическими массами. Для взрыва атомной бомбы обе части сближаются, общая масса делящегося вещества становится критической и при этом возникает неуправляемая цепная реакция, сопровождающаяся мгновенным выделением огромного количества энергии. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах атомных электростанций.

В природе существуют изотопы, которые могут служить ядерным топливом (уран-235: в естественном уране его содержится примерно 0,7%) или сырьем для его получения (торий-232 и уран-238, содержание которого в естественном уране составляет около 99,3%). В процессе цепной реакции деления возможно воспроизводство ядерного топлива.

Термоядерный синтез. Колоссальным источником энергии обладает реакция синтеза атомных ядер — образование из легких ядер более тяжелых. Удельная энергия связи резко увеличивается при переходе от ядер тяжелого водорода (дейтерия и трития) к ядрам лития и особенно гелия, т.е. реакция синтеза легких ядер в более тяжелые, сопровождающаяся выделением огромного количества энергии. Энергии, приходящейся на один нуклон, в реакции синтеза значительно больше, чем в реакции деления тяжелых ядер. Синтез легких ядер возможен только при сравнительно большой их кинетической энергии, достаточной для преодоления электростатического отталкивания и сближения их на расстояния, при которых проявляются ядерные силы притяжения. Очевидно, энергетически выгоден синтез легких ядер с небольшим электрическим зарядом. Такими ядрами являются изотопы водорода. Однако для осуществления реакции синтеза даже для изотопов водорода необходима чрезвычайно высокая температура — не менее 10⁷ К, поэтому процесс слияния ядер называется реакцией термоядерного синтеза. На рис. 4.5 схематически изображена реакция термоядерного синтеза изотопов трития и дейтерия с образованием ядер гелия.

Искусственная реакция термоядерного синтеза осуществлена впервые в СССР — в 1953 г., а затем (через полгода) в США при взрыве водородной (термоядерной) бомбы. Это была неуправляемая реакция синтеза. Взрывчатое вещество водородной бомбы представляет собой смесь дейтерия и трития, а детонатором в ней служит обычная атомная бомба, при взрыве которой возникает высокая температура, необходимая для термоядерного синтеза.

Трудность практической реализации управляемого термоядерного синтеза заключается в том, что он возможен при очень высокой темпера туре, при которой любое синтезируемое вещество находится в плазменном состоянии, и возникает техническая проблема его удержания в ограниченном объеме. Над решением проблемы управляемого термоядерного синтеза усердно работают ученые многих стран в течение нескольких последних десятилетий. Один из способов ее решения — удержание горячей плазмы в ограниченном объеме сильными магнитными полями. Этот способ предложили наши соотечественники физики-теоретики А.Д. Сахаров (1921—1989), И.Е. Тамм (1895—1971) и др. Для удержания плазмы создаются сложнейшие в техническом исполнении термоядерные реакторы. Один из них — Токамак-10, впервые созданный в 1975 г. в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова. В последнее время сооружаются новые модификации термоядерных реакторов. Управляемый термоядерный синтез — это важнейшая проблема современного естествознания, с решением которой, как предполагается, откроется новый перспективный путь развития энергетики.

Вопросы для обсуждения:

1. В чем заключаются корпускулярно-волновые свойства частиц?

2. В чем сущность принципа неопределенности?

3. Сформулируйте принцип дополнительности.

4. Поясните физический смысл волновой функции?

Вопросы для самостоятельной работы:

1. Какие эксперименты доказывают существование волновых свойств у микрочастиц материи?

2. Существуют ли волновые свойства микрочастиц отдельно от корпускулярных? Что означает дуализм микрочастиц?

3. Сформулируйте принцип дополнительности и расскажите, где он применяется.

4. Почему принцип неопределенности служит фундаментом квантовой механики?

5. В какой форме выражаются законы квантовой механики?

6. Каков характер принципа причинности в микромире?

Список литературы:

Иванов А.И.Концепции современного естествознания : учеб. пособие / Иванов Анатолий Иванович, Хоперсков Александр Валентинович. - Волгоград : ВолГУ, 2007. - 260 с. - Библиогр.: с. 253-257. - Допущено МО РФ.

Найдыш В.М.Концепции современного естествознания : учебник / Найдыш Вячеслав Михайлович. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Альфа-М: ИНФРА-М, 2003. - 622 с. - Библиогр.: с.585-588. - Допущено МО РФ.

 Концепции современного естествознания [Текст] : метод. указ. для студ. 3-го курса спец. "Социальная работа" и "Связи с общественностью" ОЗО / Федер. агентство по образованию, ГОУ ВПО "ВГПУ"; сост. Ю.П.Князев. - Волгоград : Изд-во ВГПУ "Перемена", 2007

Концепции современного естествознания: учебник /под ред. В.Н.Лавриненко, В.П.Ратникова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2009. – 319 с. – Рекоменд. МО РФ, Рекоменд. УМО.

Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: учебник. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2009. – 304 с.- Рекоменд. МО РФ, Рекомендовано УМО.

Рыбалов Л.Б. Концепции современного естествознания: учеб. пособие /Л.Б.Рыбалов, А.П.Садохин. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2010. – 416 с. – Рекоменд. УМО

Садохин А.П. Концепции современного естествознания: учебник. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2009. – 447 с. -Рекоменд. МО РФ, Рекоменд. УМО.