33. Термоядерный синтез. Энергия звезд. Управляемый термоядерный синтез.

Термоядерная реакция — это реакция синтеза легких ядер в более тяжелые.

Для ее осуществления необходимо, чтобы исходные нуклоны или легкие ядра сблизились до расстояний, равных или меньших радиуса сферы действия ядерных сил притяжения (т.е. до расстояний 10^-15 м). Такому взаимному сближению ядер препятствуют кулоновские силы отталкивания, действующие между положительно заряженными ядрами. Для возникновения реакции синтеза необходимо нагреть вещество большой плотности до сверхвысоких температур (порядка сотен миллионов Кельвин), чтобы кинетическая энергия теплового движения ядер оказалась достаточной для преодоления кулоновских сил отталкивания. При таких температурах вещество существует в виде плазмы. Поскольку синтез может происходить только при очень высоких температурах, ядерные реакции синтеза и получили название термоядерных реакций (от греч. therme"тепло, жар").

В термоядерных реакциях выделяется огромная энергия. Например, в реакции синтеза дейтерия с образованием гелия

выделяется 3,2 МэВ энергии. В реакции синтеза дейтерия с образованием трития

выделяется 4,0 МэВ энергии, а в реакции

выделяется 17,6 МэВ энергии.

Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применятьсядейтерий(²H) и тритий (³H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (³He) и бор-11 (¹¹B).

34. Источники и методы регистрации элементарных частиц. Типы взаимодействий и классы элементарных частиц. Античастицы.

Счетчик Гейгера - служит для подсчета количества радиоактивных  частиц ( в основном электронов). Это стеклянная трубка, заполненная газом (аргоном),  с двумя электродами внутри (катод и анод). При пролете частицы возникает ударная ионизация газа и возникает импульс  электрического тока.

Достоинства: - компактность - эффективность - быстродействие - высокая точность (10ООО частиц/с). Где используется: - регистрация радиоактивных загрязнений на местности, в помещениях, одежды, продуктов и т.д. - на объектах хранения радиоактивных материалов или с работающими ядерными реакторами - при поиске залежей радиоактивной руды (U, Th)

Камера Вильсона - служит для наблюдения и фотографирования следов от пролета частиц (треков). Внутренний объем камеры заполнен парами спирта или воды в перенасыщенном состоянии:  при опускании поршня уменьшается давление внутри камеры и понижается температура, в результате адиабатного процесса образуется перенасыщенный пар. По следу пролета частицы конденсируются  капельки влаги и образуется трек – видимый след. При помещении камеры в магнитное поле  по треку можно определить   энергию, скорость, массу и заряд частицы.

По длине и толщине трека, по его искривлению в магнитном поле определяют характеристики пролетевшей радиоактивной частицы. Например, альфа-частица дает сплошной толстый трек,  протон - тонкий трек,  электрон - пунктирный трек. Пузырьковая камера - вариант камеры Вильсона

При резком понижении поршня жидкость, находящаяся под высоким давление, переходит в перегретое состояние. При быстром движении частицы  по следу образуются пузырьки пара , т.е. жидкость закипает, виден трек. Преимущества перед камерой Вильсона: - большая плотность среды, следовательно короткие треки - частицы застревают в камере и можно проводить дальнейшее наблюдение частиц  - большее быстродействие. Метод толстослойных фотоэмульсий - служит для регистрации частиц - позволяет регистрировать редкие явления из-за большого время экспозиции. Фотоэмульсия содержит большое количество микрокристаллов бромида серебра.  Влетающие частицы ионизируют поверхность фотоэмульсий. Кристаллики AgВr распадаются под действием заряженных частиц и при проявлении выявляется след от пролета частицы - трек. По длине и толщине трека можно определить  энергию и массу частиц.

Классы частиц и типы взаимодействий

В настоящее время существует твердое убеждение, что все в природе построено из элементарных частиц, а все природные процессы обусловлены взаимодействием этих частиц. Под элементарными частицами сегодня понимают кварки, лептоны, калибровочные бозоны и хиггсовские скалярные частицы. Под фундаментальными взаимодействиями- сильное, электро-слабое и гравитационное. Таким образом, условно можно выделить четыре класса элементарных частиц и три типа фундаментальных взаимодействий. 

Первый класс содержит на сегодня фотон  ,  - бозоны, восемь глюонов   и предполагает существование гравитона. Все эти частицы являются переносчиками взаимодействий. За излучение  - бозонов ответственно электро-слабое взаимодействие, глюоны переносят сильное взаимодействие, гравитоны- это предполагаемые кванты гравитационного поля.

Второй класс содержит лептоны. Их в настоящее время шесть: электрон  , мюон  , тау-лептон   и соответствующие нейтрино  . Удобно представить шесть лептонов в виде трех семейств 

Нейтрино электрически нейтральны; электрон, мюон и тау-лептон обладают электрическими зарядами. Лептоны участвуют в электро- слабом и гравитационном взаимодействии.

Третий класс- это кварки. Сегодня известно шесть кварков-   каждый из которых может быть "окрашен" в один из трех цветов. Как и лептоны их удобно расположить в виде трех семейств 

Кварки в свободном виде не наблюдаются. Вместе с глюонами они являются составляющими адронов, которых несколько сотен. Адроны, как и составляющие их кварки, участвуют во всех типах взаимодействий.

Четвертый класс- хиггсовские частицы, экспериментально пока необнаруженные. В минимальной схеме достаточно одного хиггсовского скаляра. Их роль в природе на сегодня-в основном "теоретическая" и состоит в том, чтобы сделать электро-слабое взаимодействие перенормируемым. В частности, массы всех элементарных частиц- это "дело рук" хиггсовского конденсата. Возможно, введение хиггсовских полей необходимо для разрешения фундаментальных проблем космологии, таких как однородность и причинная связность Вселенной.

Последующие лекции по теории кварковой структуры адронов посвящены адронам и кваркам. Основное внимание будет уделяться классификации частиц, симметриям и законам сохранения.