Реакция синтеза атомных ядер.

Ядерная энергия освобождается не только в ядерных реакциях деления тяжелых ядер, но и в реакциях соединения легких атомных ядер. Удельная энергия связи ядер резко увеличивается при переходе от ядер тяжелого водорода ( , ) к литию и к гелию , т.е. реакции синтеза легких ядер в более тяжелые должны сопровождаться выделением большого количества энергии. В качестве примеров можно привести следующие реакции синтеза:

(Q=4,0 МэВ);

(Q=3,3 МэВ);

(Q=17,6 МэВ);

(Q=22,4 МэВ),

где Q – энерговыделение.

Для соединения одноименно заряженных протонов необходимо преодолеть кулоновские силы отталкивания, что возможно при достаточно больших скоростях сталкивающихся частиц. Синтез гелия из легкого изотопа водорода происходит при температурах К, а для синтеза гелия из тяжелых изотопов водорода дейтерия и трития – по схеме требуется нагревание примерно до К.

Реакция синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящие при сверхвысоких температурах, называются термоядерными реакциями. Термоядерные реакции дают наибольший выход энергии на единицу массы «топлива». Например, при синтезе 1 г гелия из дейтерия и трития выделяется энергия Дж. Такая энергия выделяется при сжигании 10 тонн дизельного топлива.

Необходимые условия для синтеза ядер гелия имеются в недрах Солнца и других звезд. Термоядерные реакции являются одним из источников энергии этих светил. На Земле термоядерная реакция синтеза осуществлена при экспериментальных термоядерных взрывах. В 1953 г. в нашей стране, через полгода – в США были произведены испытания водородной бомбы, где взрывчатым веществом служила смесь дейтерия и трития, а запалом – атомная бомба, при взрыве которой возникает необходимая для протекания реакции температура. В этом случае реакция термоядерного синтеза является неуправляемой.

Особый интерес представляет осуществление управляемой термоядерной реакции. Для обеспечения управляемой термоядерной реакции необходимо создание и поддержание в ограниченном объеме температуры порядка 10⁸ К. При данной температуре термоядерное рабочее вещество представляет собой полностью ионизованную плазму, поэтому возникает проблема ее термоизоляции от стенок установки, в которой она находится. Для того чтобы удержать ее от соприкосновения со стенками установки, в настоящее время применяется магнитная термоизоляция. Так как плазма состоит из заряженных частиц, то в сильном магнитном поле на заряженную частицу действует сила Лоренца, вследствие чего траектория частицы винтообразно навивается на силовую линию.

В 1975 году в Институте атомной энергии под руководством Л.А.Арцимовича был пущен крупнейший в мире термоядерный реактор «Токамак-10» (Т-10). В Т-10 плазма создается в тороидальной камере, находящейся в магнитном поле, а само плазменное образование – плазменный шнур – также имеет форму тора. На этой установке удалось получить плазму с температурой и плотностью n=10¹⁴ частиц/см³ и поддержать ее в течение t=1 с. Однако для получения условия, необходимого для начала самоподдерживающейся термоядерной реакции, нужно примерно в 20 раз увеличить nt (произведение плотности частиц на время удержания плазмы) и примерно в 10 раз температуру.

До более высоких температур водород может быть нагрет с помощью лазерного излучения. В экспериментах на лазерных установках уже получена плазма с температурой в несколько десятков миллионов градусов. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемые, поэтому использование энергии термоядерного синтеза в мирных целях является одной из важнейших задач современной науки и

Тема 33. Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия

Элементарные частицы в точном значении этого термина – первичные, неделимые частицы, из которых состоит вся материя. Понятие “элементарная частица” трансформировалась по мере развития знаний о строении материи. На рубеже XIX-XX веков мельчайшей частицей вещества (т.е. элементарной частицей) считался атом (по-гречески  - ”неделимый”). В дальнейшем выявилась сложная структура атома, состоящего из ядра и электронов. В свою очередь ядра, как оказалось, также являются сложными структурами и состоят из протонов и нейтронов. В настоящее время считается, что протоны и нейтроны также состоят из более элементарных частиц – кварков. В строгом смысле именно кварки в настоящее время должны считаться элементарными частицами. Однако в современной физике термин “элементарные частицы” употребляется не в своем точном значении, а менее строго – для наименования большой группы мельчайших частиц материи, которые не являются атомами или атомными ядрами, т.е. объектами заведомо составной природы. В эту группу входят протон (p), нейтрон (n), фотон ( ),  - мезоны и другие частицы – всего более 350 частиц, в основном нестабильных.

Различные процессы с элементарными частицами заметно различаются по интенсивности их протекания. В соответствии с этим взаимодействия элементарных частиц можно разделить на четыре класса: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействие вызывает процессы, протекающие с наибольшей интенсивностью, оно приводит к самой сильной связи элементарных частиц. Именно это взаимодействие обуславливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает устойчивость ядер. Потому сильное взаимодействие называют также ядерным.

Электромагнитное взаимодействие осуществляется через электрическое поле. Это взаимодействие возможно только между электрически заряженными телами. Электромагнитное взаимодействие заметно слабее сильного. Именно это взаимодействие обуславливает связь электронов с ядром в атоме и атомов в молекуле.

Слабое взаимодействие вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами. Примером процесса, обусловленного слабым взаимодействием, является b-распад и m-распад, а примером элементарной частицы, способной только к слабому взаимодействию, может служить нейтрино.

Гравитационное взаимодействие является универсальным, оно наблюдается между любыми материальными телами, но в микромире оно не играет существенной роли. По сравнению с остальными тремя взаимодействиями оно пренебрежимо мало.

Приведем ряд характеристик перечисленных взаимодействий:

По способности к тому или иному виду взаимодействия все элементарные частицы делятся на три группы:

1) фотоны; эта группа состоит всего лишь из одной частицы –фотона – кванта электромагнитного излучения;

2) лептоны (or греч. «лептос»- легкий), участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях.

3) адроны (от греч. «адрос» — крупный, сильный). Адроны обладают сильным взаимодействием наряду с электромагнитным и слабым.

Для всех типов взаимодействия элементарных частиц выполняются законы со­хранения энергии, импульса, момента импульса и электрического заряда.

При соединении частицы и античастицы (этот процесс называется аннигиляцией) выделяется энергия, равная, как минимум, суммарной энергии покоя частицы и античастицы. Для рождения пары частица – античастица требуется энергия, превышающая суммарную энергию покоя пары частиц, так как родившимся частицам необходимо сообщить импульс (иначе они тут же аннигилируют), а следовательно, и кинетическую энергию.

Кроме способности к различным взаимодействиям, элементарные частицы имеют другие характеристики, прежде всего массу, время жизни, спин, электрический заряд.

По массе все частицы делятся на тяжелые – адроны, средние – мезоны, легкие – лептоны.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными, в пределах точности современных измерений, являются электрон (t > 5×10²¹ лет), протон (t > 2×10³⁰ лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относят частицы, распадающиеся за счёт электромагнитных и слабых взаимодействий. Их времена жизни > 10^-20 сек (для свободного нейтрона даже ~ 1000 сек). Резонансами называются элементарные частицы, распадающиеся за счёт сильных взаимодействий. Их характерные времена жизни 10^-23–10^-24 с.

Спин может быть целым или полуцелым кратным величине . В этих единицах спин - и К-мезонов равен 0, у протона, нейтрона и электрона J= 1/2, у фотона J = 1. Существуют частицы и с более высоким спином.

Электрические зарядыизученных элементарных частиц является целым кратным величине е=1,6^.10^-19 Кл (элементарный электрический заряд). У известных элементарных частиц Q = 0, ±1, ±2.

Классификация самых распространенных элементарных частиц приведена в таблице.

Группа	Название частицы	Символ	Заряд, ед.е	Масса покоя, ед. me	Спин,ћ	Время жизни, с	Лепт. число L	Барион.число В	Странность, S
частицы	анти-частицы
Фотоны	Фотон	g				Стабилен
Лептоны	Электрон	e-	e+			1/2	Стабилен	+1
Электронное нейтрино					1/2	Стабильно	+1
Мюон				206,8	1/2	»10–6	+1
Мюонное нейтрино					1/2	Стабильно	+1
Таон	t–	t+			½	»10–12	+1
Таонное нейтрино					½	?	+1
Адроны	Мезоны	Пионы	p 0 p +	p –		264,1 273,1		»10–16 »10–8
Каоны				974,0 966,2		10–10-10–8 »10–8			+1 +1
Барионы	Протон				1836,2	½	Стабилен		+1 +1
Нейтрон				1838,7	½	»103
Гипероны: лямбда   сигма   кси   омега					1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 3/2	»10–10 »10–20 »10–10 »10–10 »10–10 »10–10 »10–10		+1 +1 +1 +1 +1 +1   +1	-1 -1 -1 -1 -1 -1 -1