Файл: Стручков В.В. Вопросы современной физики пособие для учителей.pdf

радиационная защита и обусловливает в основном внушительные размеры и вес атомного реактора. По этой причине атомные дви­ гатели пока используются на тех видах транспорта, где большой вес двигателя не является большим недостатком, прежде всего на морских судах.

Вполне реальной является постройка локомотивов с атомными двигателями, постройка же самолетов с атомными двигателями пока является проблематичной.

В июне 1954 г. в нашей стране была пущена первая в мире атомная электростанция. Принцип работы атомной электростанции состоит в том, что энергию, выделяющуюся в реакторе в виде ки­ нетической энергии продуктов деления ядер урана или другого «ядерного горючего», используют для получения водяного пара, который служит рабочим телом обычной паровой турбины.

§ 5. ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

Кроме реакции деления тяжелых ядер, существует еще один путь выделения ядерной энергии— это реакции синтеза легких ядер. Наиболее эффективным является синтез ядер гелия из ядер изотопов водорода. Водород имеет три изотопа: легкий водород, или протий, с атомным весом 1,008, тяжелый водород, или дейте­ рий, с атомным весом 2,015 и сверхтяжелый водород, или тритий, с атомным весом 3,017. Ядра этих изотопов называются соответст­

ядра гелия значительно превышает удельную энергию связи ядер изотопов водорода. Поэтому при синтезе ядер гелия из водородных ядер будет выделяться энергия. Наиболее эффективной в отноше­ нии выделения энергии является следующая реакция:

Оказывается, что выделение энергии на один нуклон в реакции синтеза в несколько раз больше, чем при делении тяжелых ядер. Так, при делении урана, как уже говорилось, выделяется энергия

482

Для осуществления реакции синтеза, для слияния легких ядер нужно преодолеть потенциальный барьер, обусловленный кулонов­ ским отталкиванием одноименно заряженных ядер. Оценим высоту барьера.

Для слияния ядер водорода их нужно сблизить «вплотную», т. е. на расстояние между центрами, равное удвоенному радиусу ядра водорода (г » 3- ICH5 м). Для этого нужно совершить ра­ боту, равную электростатической потенциальной энергии ядер, находящихся на этом расстоянии друг от друга:

р2 и = і4гя—е о г -'

Подставив числовые значения величин, найдем, что высота по­ тенциального барьера равна примерно 0,1 Мэв. Ядра водорода смогут преодолеть этот барьер, если при столкновении они будут обладать соответствующей кинетической энергией. Средняя кинети-

таточна для преодоления потенциального барьера, как легко вы­ числить, при температуре Т — 2 • 109°К. При этой огромной темпе­ ратуре порядка миллиардов градусов кинетическая энергия теп­ лового движения дейтронов имеет величину порядка 0,1 Мэе. Эта температура значительно больше температуры внутренних обла­ стей Солнца, которая оценивается величиной порядка ІО7 К-. Тем не менее в недрах Солнца н звезд идут реакции ядерного синтеза, которые и поставляют основную долю энергии, излучаемой звез­ дами. Дело в том, что скорости ядер распределены по закону Максвелла, и поэтому при температуре, меньшей ІО9 К, например, при Т = ІО7 К, имеется некоторая доля ядер, энергия которых превышает высоту потенциального барьера и которые, следова­ тельно, могут начать реакцию синтеза. Во всяком случае, реакции синтеза ядер требуют нагрева до очень высоких температур .и по­ тому называются термоядерными.

В настоящее время полагают, что наиболее вероятными источ­ никами звездной энергии являются термоядерные реакции, в ре­ зультате которых происходит синтез ядер гелия из протонов со­ гласно (15.3'). Предложено два механизма этой реакции: протоннопротонный цикл и углеродно-азотный цикл, или цикл Бете. Пред­ полагаемая схема первого цикла такова:

' i / ; 1+ 1p 1^ - i D 2+ i e ° + o v e°,

iD 2+ ip W 2He3+ y ,

2Не3+ 2Н е3-^-2Не4+ 2 іР 1. ,

Второй цикл требует наличия ядер углерода, являющихся своего рода катализаторами. Предполагаемая схема цикла Бете такова:

IP'-!-GC12+7N13+ Y,

7№3-^бС«+іеО+0ѵД

ірі+бС13- >-7N14+ Y-

В результате каждого цикла четыре протона превращаются в ядро гелия с выделением двух позитронов и у-лучей. Кроме того, энергия выделяется при слиянии (аннигиляции) позитронов с электронами солнечной плазмы. При синтезе одного ядра гелия выделяется энергия около 27 Мэв, что в пересчете на кнломоль гелия составляет примерно 700 мнл. кет • ч. Хотя в результате реак­ ции водород выгорает в гелий и количество «горючего» уменьша­ ется со временем, однако расчеты показывают, что имеющихся на Солнце запасов водорода хватит на многие миллиарды лет.

Термоядерная реакция была искусственно осуществлена в зем­ ных условиях в виде неуправляемой цепной реакции — в водород­ ной бомбе.

Получение управляемой термоядерной реакции требует прежде всего надежной изоляции высокотемпературной плазмы от стенок сосуда, ее содержащего, поскольку никакой жаркостойкнй мате­ риал не может выдержать контакта с «горячей» плазмой, темпе­ ратура которой составляет десятки и сотни миллионов градусов. Для этой цели используются магнитные поля различной конфигу­ рации. Если через плазменный столб пропустить электрический ток, то, во-первых, вследствие выделения джоулева тепла плазма будет разогреваться, во-вторых, магнитное воздействие нитей плаз­ менного столба приводит к сужению, к сжатию плазменного столба и, следовательно, к удалению его от стенок сосуда. Ток в плазмен­ ном столбе можно рассматривать как совокупность большого числа параллельных токов, которые, как известно, взаимно притягива­ ются.

Кроме этого способа, для изоляции плазмы от стенок исполь­ зуют магнитную компоненту электромагнитной силы, которая бу­ дет искривлять траектории заряженных частиц, подлетающих к стенке, не давая им удариться о стенку. На этом принципе рабо­ тают различные магнитные пробки и магнитные ловушки.

Второй основной проблемой, с решением которой связано по­ лучение управляемой термоядерной реакции, оказалось получение устойчивой высокотемпературной плазмы. Пока что подлинным бичом являются различные неустойчивости плазмы: разнообразные возмущения ее состояния не затухают, а, наоборот, самопроиз­ вольно прогрессируют во времени, выводя плазму из-под контроля. Правда, в последнее время достигнуты некоторые успехи на пути получения устойчивой высокотемпературной плазмы.

Осуществление управляемой термоядерной реакции будет иметь громадное значение для энергетики; морская вода явится неисчер­ паемым источником термоядерного горючего: использование дей­ терия, содержащегося в одном литре морской воды, позволит полу­ чить столько же энергии, как и при сгорании 0,3 л бензина.

484

§ 6. Э Л Е М Е Н Т А Р Н Ы Е Ч А С Т И Ц Ы

Элементарными называются такие частицы, которые во всех известных пока взаимодействиях ведут себя как единое целое, не состоят из более простых. Относительно них не имеет смысла воп­ рос, из чего они состоят. В противном случае именно составные части их были бы приняты за элементарные частицы. Подобно тому как а-частицы в свое время явились теми естественными снаря­ дами, с помощью которых ученые, обстреливая атомные ядра, изу­ чали их строение и свойства, так и в настоящее время подобную роль в отношении элементарных частиц играют космические лучи и искусственно разгоняемые частицы.

Первичные космические лучи примерно на 90% состоят из протонов, на 9% — из ядер гелия, а оставшийся 1% приходится на более тяжелые ядра. Энергии космических частиц заключены между 1 Гэв и ІО4 Гэв. Некоторые же из первичных космических частиц обладают прямо чудовищно большой энергией — до 1011 Гэв\ Это в 1010 (!) раз больше, чем дают в настоящее время самые мощные ускорители. Поэтому ученые еще долго будут ис­ пользовать в своих исследованиях космические частицы.

Первичные космические частицы, взаимодействуя с ядрами ат­ мосферных газов, могут вызывать различные ядерные реакции; продукты этих реакций в свою очередь тоже обладают большими энергиями; они составляют так называемые вторичные космические лучи. Ниже примерно 20 км от поверхности Земли все космическое излучение является вторичным.

Первичная космическая частица, обладая колоссальной энер­ гией, при столкновении с тяжелым ядром может разбить его на составляющие, нуклоны и породить целый каскад частиц. Осколки в свою очередь, тоже обладая больщими энергиями, при взаимо­ действии с другими ядрами могут породить новый каскад частиц. Так возникают каскадные ливни. Они представляют богатый ма­ териал для ядерной физики. Благодаря .космическим лучам были открыты новые частицы и первая античастица — позитрон.

Анализируя фотографии результатов прохождений космических лучей через пластинки свинца различной толщины с помощью ка­ меры Вильсона, помещенной в магнит­ ное поле, американский физик Андерсон

. в 1932 г. обнаружил на одной из фото­ графий треки двух частиц, искривлен­ ных в противоположные стороны (рис. 132). Анализ показал, что один след при­ надлежит электрону. Тогда стало ясно, что другой след, симметричный электрон­ ному, принадлежит новой частице, имею­ щей такую же массу и такой же по ве­ личине электрический заряд, что и элект­ рон, только заряд его является положи­ тельным. Положительно заряженный

485

Дальнейшие исследования показали, что позитрон рождается в результате взаимодействия у-фотона с тяжелым ядром, причем рождается позитрон всегда вместе с электроном. Внешне дело об­ стоит так, что в присутствии тяжелого ядра происходит рождение электронно-позитронной пары из у-фотона:

у^-_іе0+ +іе°+А£.

При этой реакции выполняются законы сохранения энергии и импульса. Рождение пары представляет собой превращение од­ ной частицы — у-фотона — в две другие частицы — электрон и позитрон, причем энергия и импульс одной частицы превращаются в энергию и импульс других частиц. Породить электронно-позит­ ронную пару может не любой у-фотон, а такой, энергия которого не меньше суммы энергий покоя электрона и позитрона:

hv^2nio ес2.

По отношению к рождению электронно-позитронной пары су­ ществует тоже «красная» граница, пли пороговое значение энер­ гии у-фотона — это минимальная энергия у-кванта, при которой еще возможно рождение пары:

h v o = 2 m 0ecz.

Учитывая, что ѵо = сДо, находим наибольшую длину волны, при которой у-фотон еще может породить электронно-позитронную пару:

Таким образом, порождать электронно-позитронные пары могут только такие фотоны, длины волн которых меньше 0,01 Â, а энер­ гии — больше 1 Мэе (энергия покоя электрона іщ9 • с2 равна при­

мерно 0,5 Мэе).

Позитрон сам по себе — устойчивая, стабильная частица. В вакууме позитрон столь же стабилен, как и электрон. Однако в веществе, изобилующем электронами, позитрон довольно быстро (через ІО-7 — ІО-8 сек) находит «партнера» и «воссоединяется» с ним, образуя два или три у-фотона. При этом тоже выполняются законы сохранения энергии и импульса. Часто процесс превраще­ ния электронно-позитронной пары в у-фотоны называют неудачно аннигиляцией: говорят, что электрон и позитрон аннигилируют. Такая терминология неудачна потому, что слово «аннигиляция» в переводе буквально означает «превращение в ничто», а электрон и позитрон превращаются отнюдь не в ничто, а во вполне мате­ риальные частицы — фотоны.

486