lection_part3

23592U +01n→13956 Ba+3694Kr +301n +Q .

Вскоре после сообщения Э.Ферми о трансурановых элементах, немецкая исследовательница И.Ноддак опубликовала в Химическом журнале статью, в которой выдвинула смелую гипотезу о том, что под действием нейтрона ядро урана может разделиться на несколько больших осколков X1 и X2 (сейчас их насчитывается около 200 видов), которые не являются соседями урана в таблице Менделеева. Однако, эта идея показалась неправдоподобной, Э.Ферми счел предположение И.Ноддак абсурдным. В 1938 г. И.Кюри вместе с югославом Павлом Савичем заметила, что в уране, облученном нейтронами, присутствует лантан, элемент с массовым числом А=139. В том же году эти опыты были повторены немецким учены О.Ганом и Ф.Штрассманом. Статья О.Гана и Ф.Штрассмана была опубликована в январе 1939 г. под заглавием «О доказательстве возникновения

щелочноземельных металлов при облучении урана нейтронами и их свойствах». Еще до опубликования статьи О.Ган прислал своей бывшей сотруднице Л.Мейтнер письмо с изложением своих результатов. Л.Мейтнер, будучи еврейкой немецкого происхождения, эмигрировала после захвата Австрии А.Гитлером в Стокгольм. В это время к ней на рождественские каникулы приехал ее племянник О.Фриш, работавший раньше в институте кайзера Вильгельма и эмигрировавший в Данию. О.Фриш и Л.Мейтнер объяснили результаты О.Гана и Ф.Штрассмана: при попадании нейтрона ядро урана делится на два осколка, приобретающие под действием электростатического отталкивания энергию около 200 МэВ, что как раз составляло энергию, связанную с дефектом массы. 16 января 1939 года они опубликовали статью, в которой впервые был употреблен термин «деление». Чрезвычайную важность этого нового тип ядерной реакции сразу понял Ф.Жолио–Кюри. 8 марта 1939 г. он опубликовал заметку, в которой сообщил о испускании нейтронов при делении ядра урана. Теперь дело было за осуществлением цепной реакции деления и получением оружия по тем временам фантастически огромной разрушительной силы, но 1 сентября 1939 г. нападением нацистской Германии на Польшу началась Вторая мировая война.

После открытия деления ядер урана У.Зинн и Л.Сциллард, а также Г.Н.Флеров показали, что при делении ядра урана вылетает больше одного нейтрона. Дальнейшие исследования показали, что при этом образуется два осколка деления с массовыми числами А=90–150, всего образуется около 80 различных видов осколков. Чаще всего образуются осколки, массы которых относятся как 2:3. Большинство нейтронов испускается за время меньше, чем 10–14 с, но часть (около 0,75%) нейтронов испускается с запаздыванием от 0,05 с до 1 мин. В среднем при каждом делении ядра урана выделяется 2,5 нейтрона.

Природный уран содержит практически два изотопа 23892U (99,29%) и

23592U (0,71%). Ядро урана 23892U делится под действием только быстрых

231

нейтронов с энергией больше 1 ГэВ. Ядро 23592U делится под действием нейтронов любых энергий, особенно эффективно деление идет под действием медленных, тепловых нейтронов. Вероятность деления ядра 23592U

тепловым нейтроном в 200 раз выше, чем вероятность деления 23892U

быстрым нейтроном. Энергии вылетающих нейтронов лежат в интервале от 0,1 МэВ до 14 МэВ. Казалось бы возможной цепная реакция в природном

уране за счет деления 23892U быстрыми нейтронами. Однако за счет потерь энергии нейтронами при неупругих столкновениях с ядрами и за счет поглощения нейтрона ядром 23892U с образованием 23992U цепная реакция на природном уране развиваться не может. Цепная реакция деления урана может быть осуществлена двумя способами: либо в чистом 23592U взрывным

образом, либо в ядерном реакторе.

Химически оба изотопа урана совершенно неразличимы, поэтому задача выделения изотопа 23592U из природного урана очень сложна. Тем не менее,

эта задача была решена.

Для осуществления ядерного взрыва в результате ядерной цепной реакции необходимо, чтобы масса делящегося вещества ( 23592U либо

плутония 23994 P) превысила критическую массу mкр.

Для 23592U

радиус сферы Rкр= 8,5 см, для 23994 P – mкр=11 кг. До взрыва система должна

быть подкритична, т.е. массы частей заряда должны быть меньше критической.

Чтобы вызвать взрыв надо очень быстро соединить части заряда в единое целое и таким образом перевести систему в надкритическое состояние. Обычно для сближения частей ядерного заряда используют химическое взрывчатое вещество, вызывающее перемешивание, соединение

частей заряда, состоящего либо из изотопа 23592U , либо 23994 P. Цепная реакция

в ядерной бомбе идет на быстрых нейтронах. Обычно успевает прореагировать небольшая часть ядерного заряда, но даже если прореагирует

1 кг 23592U , то выделяется энергия 2 104 т в тротиловом эквиваленте.

Примерно такой энергии взрывы произвели американцы над японскими городами Хиросима (6 августа 1945 года) и Нагасаки (9 августа 1945 года). При этом было убито и ранено более 200000 жителей этих городов.

Ядерный реактор – это содержащая ядерное горючее установка, в которой осуществляется управляемая ядерная реакция. В качестве делящегося вещества в реакторах используют природный либо слегка

обогащенный изотопом 23592U уран. Для возбуждения цепной реакции в

232

природном уране используется замедление нейтронов при их столкновениях с легкими ядрами (12H – в тяжелой воде или 126 C – графит). Вероятность деления ядра 23592U тепловыми нейтронами примерно в 200 раз больше, чем вероятность поглощения нейтрона ядром 23892U . Однако, при делении ядер

тепловыми нейтронами рождаются нейтроны быстрые, которые, прежде чем замедлиться, могут поглотиться. Вероятность захвата нейтрона ядром достигает очень больших значений в определенных узких

интервалах энергий (около 7 эВ). В однородной смеси ядерного горючего с поглотителем вероятность поглощения нейтронов слишком велика и цепная реакция не может осуществиться. Эту трудность обходят, располагая уран в замедлителе дискретно, в виде блоков – топливных стержней, образующих правильную решетку. В такой среде поглощение нейтронов резко уменьшается, т.к. нейтроны с опасной для поглощения энергией могут не попасть в уран, а, замедляясь, могут выйти из опасного интервала энергий.

Режим работы реактора выбирают таким образом, чтобы цепная реакция развивалась только при участии запаздывающих нейтронов. Так как запаздывание составляет время около минуты, то реакция может быть хорошо регулируемой. Регулирующие стержни содержат элементы хорошо поглощающие нейтроны (кадмий Cd или бор B). Введение стержней в реактор уменьшает коэффициент размножения нейтронов К, выведение – увеличивает, здесь K=Ni/Ni-1 – отношение числа нейтронов двух ближайших поколений, при K<1 реакция затухает, при K=1 – состояние с критической интенсивностью, при K>1 – надкритическая интенсивность, лавинообразный рост числа нейтронов, характерный для ядерного взрыва. Регулирование реакции в реакторе производится автоматически. Выделяющаяся в реакторе тепловая энергия может использоваться для выработки паровой или газовой турбиной электрической энергии.

Выше при обсуждении изменения удельной энергией связи для различных ядер указывалось, что при (термоядерных) реакциях синтеза (слияния) легких атомных ядер выделяется очень большое количество энергии, много большее, чем при реакции деления тяжелых ядер.

Для того чтобы произошло слияние атомных ядер, их необходимо сблизить на расстояние порядка 10–13 м, после чего процесс слияния характеризуется значительной вероятностью, хотя это расстояние все еще значительно больше расстояния, на котором начинают действовать ядерные силы притяжения. Ядрам для сближения и начала реакции необходимо преодолеть потенциальный барьер. Оценим энергию ядер W, необходимую для их сближения на 10–13 м. Из электростатики для потенциальной энергии

взаимодействия двух точечных зарядов имеем W = bQ1Q2 / r . Для двух ядер

легких ядер, например, дейтерия, c учетом Q1=Q2=e=1,6·10–19Кл, r=10–13м, b=9 109 Н м2/Кл2 энергия W=2,3·10–15Дж=1,4 кэВ. Реально сообщить ядрам такую энергию можно только разогрев вещество до очень высокой

233

температуры. Температуру оценим, приравнивая эту энергию средней энергии теплового движения, равную (3/2)kT, где k=1,38·10–23 Дж/К: T=2W/(3k)≈108 К, что по расчетам является температурой плазмы в звездах.

В земных условиях реакции синтеза легких ядер впервые были реализованы в виде термоядерного взрыва (в так называемой водородной бомбе, изобретенной русским физиком И.В.Курчатовым (1903–1960) в 1953 г., ядерная бомба была создана в Советском союзе в 1949 г. также под его руководством). Высокая температура, необходимая для протекания реакции синтеза в водородной бомбе, создается за счет взрыва ядерной бомбы (на реакции деления), служащей в водородной бомбе детонатором термоядерного взрыва. В водородной бомбе используются реакции синтеза:

Образующиеся в реакции (18.22) нейтроны имеют энергию около 14 МэВ, поэтому могут вызывать деление ядер 23892U , который составляет более 99%

природного урана. Для усиления энергии взрыва, бомбу окружают оболочкой из природного урана. Энергия взрыва термоядерных (водородной) бомб на 2– 3 порядка выше, чем ядерных, и составляет от 105–106 т в тротиловом эквиваленте.

Управляемый термоядерный синтез, проходящий в регулируемых условиях, пока еще не реализован. Наиболее перспективной реакцией для управляемого термоядерного синтеза является реакция (18.22), так как она протекает с наибольшей скоростью. При температурах Т~108 К, необходимых для протекания реакции синтеза, основная проблема заключается полностью ионизированной плазмы в зоне реакции. Одно из решений проблемы – удержание плазмы магнитным полем (1950 г., идея советских физиков И.Е.Тамма (1895–1971) и А.Д.Сахарова (1921г.р.)) в устройстве «ТОКОМАК», по которому продолжаются вестись работы. Это сокращение от названия: «тороидальная камера с магнитными катушками».

Мировая значимость решения проблемы управляемой термоядерной реакции в том, что запасы традиционных, невозобновляемых источников энергии (нефть, газ, уголь) стремительно истощаются и человечеству необходимы новые источники энергии, и, возможно, будущее за управляемыми термоядерными реакциями.

234

Лекция 19. Элементы физики элементарных частиц

1.Классификация элементарных частиц. Кварковая гипотеза. Типы взаимодействия элементарных частиц. Космическое излучение.

2.Виды ускорителей частиц.

19.1.Классификация элементарных частиц. Кварковая гипотеза. Типы взаимодействия элементарных частиц. Космическое излучение

Внастоящее время дать строгое определение элементарной частице оказывается невозможным в силу постоянных открытий все новых и новых частиц и их свойств. Под элементарными подразумевают такие частицы, которым нельзя приписать внутренней структуры. Например, α-частица не является элементарной, так как она состоит из двух протонов и двух нейтронов, которые раньше считались элементарными, но на современном уровне познания уже считаются состоящими из кварков, т.е. уже не считаются элементарными. Кварки, правда, в свободном состоянии не встречаются.

При постоянном открытии все новых и новых «элементарных» частиц физики, тем не менее, верят, что, в конце концов, смогут найти истинно элементарные частицы и понять структуру материи.

Основными характеристиками физических свойств элементарных частиц являются их масса, спин, электрический заряд, магнитный момент частицы, время жизни частицы. Большинство элементарных частиц нестабильно (имеют малое среднее время жизни), в свободном состоянии стабильны только протон, электрон и частицы, не имеющие массы покоя (всегда в движении) – фотон, нейтрино. Собственную массу (массу покоя) частицы определяют как константу, входящую в релятивистское соотношение для

энергии и импульса E = c p2 + m02c2 :

Используя соотношение Е0=m0c2 (см. предыдущую лекцию), массу частицы можно выразить в энергетических единицах, например в электронвольтах (эВ).

Считается, что для каждой частицы существует античастица. Примеры

жизни у частиц и античастиц одинаковы. Электрические заряды у частиц и античастиц равны по абсолютному значению, но противоположны по знаку.

Частицы, свойства которых полностью тождественны свойствам их античастиц, называют истинно нейтральными частицами. К ним относятся

фотон, нейтральные мезоны π 0 (пион) и К0 (каон).

235

При соединении частицы с античастицей происходит выделение энергии, не меньшей удвоенной энергии покоя каждой из них. Образование пары частица – античастица требует затраты энергии, большей, удвоенной энергии покоя, так как рождающаяся пара должна иметь импульс и кинетическую энергию.

Примером рождения (образования) пары частица–античастица

может служить образование электронно-позитронной пары при столкновении жесткого γ- кванта (квант с большой энергией) с какой-либо заряженной частицей, например с атомным ядром:

γ →−0 е++0е.

1 1

Процесс соединения электрона и позитрона называется аннигиляцией пары:

−0 е++0е → 2γ

1 1

Особенностью античастиц является их способность к быстрому воссоединению со своими частицами, например позитронов с электронами, антипротонов с протонами, антинейтронов с нейтронами. Это связано с тем, что вещества, из которых построена окружающая нас природа, состоят из электронов, протонов и нейтронов. Античастицы, искусственно созданные, встречаясь в веществе со своими имеющимися в избытке частицами, соединяются с ними и перестают существовать, вызывая рождение новых частиц. Отличия нейтральных частиц от их античастиц устанавливаются по

различному характеру взаимодействия частиц и античастиц с веществом.

~

ve с

протонами 11 p и нейтрино ve с нейтроном 01n (см. предыдущую лекцию):

Такие превращения зависят от типа фундаментального взаимодействия, существующего между частицами.

В настоящее время все известные элементарные частицы делятся на два больших класса и особую группу (таблица 19.1): два класса – сильно взаимодействующих частиц (адроны) и слабо взаимодействующих частиц (лептоны); особая группа – фотоны (гамма-кванты) с характерным для них электромагнитным взаимодействием.

Адроны подразделяются на барионы и промежуточные частицы (см. предыдущую лекцию) – мезоны с буквенными обозначениями и индексами-

зарядами (по модулю как у электрона) К (К–, К0, К+ – каоны), π (π + , π 0 , π − – пионы), η0. Все адроны, в конечном итоге, считаются состоящими из

кварков. Барионы делятся на нуклоны (протоны и нейтроны), гипероны с

греческими буквенными обозначениями и индексами-зарядами (по модулю как у электрона) Λ0, Ω–, Ξ0, Ξ–, Σ–, Σ0, Σ+, и барионные резонансы

(короткоживущие частицы). Название «гипероны» происходит от греческого «гипер» – выше, а «барионы» – от греческого «барис» – тяжелый.

236

* приведенная классификация на данный момент не полна

Все барионы при реакциях могут превращаться в протоны или, наоборот, из них получаться, например, при столкновении двух барионов

237

(протонов) высокой энергии образуются протон, нейтрон и пи-плюс-мезон (плюс-пион):

P + P → p + n +π +

или два бариона (протона) могут породить пион, если их кинетическая энергия при столкновении превышает соответствующую массу покоя пиона:

P + P → p +π 0 .

Разность между числом барионов и антибарионов в системе называется барионным числом. Для него верен закон сохранения: барионное число в любом процессе остается постоянным (не изменяется с течением времени).

Барионы имеют полуцелый спин и являются фермионами, мезоны имеют нулевой спин (целый) и являются бозонами.

Выделяемые в особую группу фотоны имеют спин s=1, нулевой электрический заряд и нулевую массу покоя. Фотоны стабильны.

К лептонам относятся электроны, мюоны и электронное, мюон, таон, мюонное и таонное нейтрино и их античастицы. Все частицы этой группы обладают полуцелым спином s=1/2, имеют отличную от нуля массу покоя (собственную массу), могут быть как электрически нейтральны, так и

В 1964 г. М.Гелл-Манн и Дж.Цвейг предложили гипотезу, согласно которой все мезоны и барионы построены из простейших частиц, получивших название кварки.

Слово «кварк» взято американским физиком М.Гелл-Маном (Нобелевская премия по физике 1969г.) из фантастического романа ирландского писателя Дж.Джойса «Поминки по Финнегану»: герою снился сон, в котором чайки кричали тогда еще бессмысленные слова: «Три кварка для мистера Марка».

Согласно этой гипотезе, барионы состоят из трех кварков: u (up –

вверх), d (down – вниз), s (strange – странный), антибарионы – из трех антикварков (например, протон имеет кварковую структуру uud, а нейтрон

– udd). Эти кварки должны иметь полуцелый спин, их электрический заряд должен быть равным 1/3 или 2/3 заряда электрона (дробный заряд!). В дальнейшем было предположено существование еще трех кварков: с (charmed – очарованный), b (beauty – красивый), t (truth – истинный) с

соответствующими антикварками. Комбинации кварков и антикварков дали все известные мезоны. По современным представлениям, кварки лишены внутренней структуры, в этом смысле их можно считать истинно элементарными частицами. Хотя гипотеза кварков оказалась удачной, ибо позволяла с единых позиций объяснить свойства большинства элементарных частиц, но кварки в свободном состоянии не были обнаружены, несмотря на многочисленные их поиски на ускорителях высоких энергий, в космических лучах и окружающей среде. Сейчас трудно судить о том, сохранится ли эта гипотеза или ей на смену придет другая. Важно то, что положено начало созданию единой теории, объединяющей четыре фундаментальных

238

взаимодействия: слабое, сильное (ядерное), электромагнитное, гравитационное (см. лекция 1, ч.II данного пособия).

Особенностью элементарных частиц является их взаимопревращаемость друг в друга. Взаимопревращению элементарных частиц, по современным данным, соответствуют четыре типа физических взаимодействий: слабое, сильное (ядерное), электромагнитное, гравитационное. Каждому типу взаимодействий соответствуют свое поле и кванты этого поля, т.е. взаимодействия являются обменными. Говоря иначе, частицы в процессе взаимодействия обмениваются между собой квантами соответствующих полей. Это качество легло в основу возможности объяснения различных видов взаимодействия элементарных частиц как различные проявления единого взаимодействия. В настоящее время создана единая теория слабых и электромагнитных взаимодействий (электрослабое взаимодействие). Предпринимается попытка создать единую теорию трех видов взаимодействий в микромире: слабое, сильное, электромагнитное («Великое объединение»). Более смелые мечты ученых связаны с поисками возможного суперобъединения, которое включало бы и гравитационное. В этом случае в единую теорию структуры материи наряду с кварками, лептонами и другими элементарными частицами вошли бы и гравитоны.

Космические лучи были открыты при изучении причин возникновения тока утечки ионизационных камер. Основным источником ионизирующего излучения у поверхности Земли являются α-, β- лучи, γ-излучение естественных радиоактивных изотопов. Если бы радиоактивные излучения были единственным источником ионизации атмосферного воздуха, то по мере подъема над поверхностью Земли интенсивность ионизации должна бы уменьшаться. Но было установлено, что, например, на высоте 9 км интенсивность ионизации в 10 раз больше, чем на уровне моря. На основании этого было сделано предположение, что ионизирующее излучение приходит на Землю из мирового пространства; это излучение было названо

космическим излучением (космическими лучами). Наиболее подробное изучение космических лучей стало возможным после запусков спутников Земли, космических ракет и межпланетных автоматических станций.

Различают: первичное и вторичное космическое излучение.

Первичное космическое излучение представляет собой поток протонов (≈86%), ядер атомов гелия (≈13%) и атомов более тяжелых элементов (≈1%), движущихся со скоростями, близкими к скорости света. Энергия большинства частиц лежит в пределах от 109 до 1012 эВ. Вторичное космическое излучение образуется в результате взаимодействия первичного излучения с ядрами атомов атмосферы Земли. Во вторичном космическом излучении встречаются все известные элементарные частицы.

Исследования последних лет показали, что интенсивность космического излучения не постоянна во времени, что связано с изменением активности Солнца, которая, согласно академику А.Л.Чижевскому влияет даже на человеческую активность и общество.

239

Согласно Чижевскому (см. монографию «Земля в объятиях Солнца») самые кровопролитные в истории человечества войны случались во время вспышек при высокой солнечной активности, а самые свирепые эпидемии (холеры, т.п.) – во времена спада солнечной активности. Во время солнечных вспышек интенсивности космических лучей может расти многократно. Предположительно некоторая часть космических лучей генерируется Солнцем, но основная часть космического излучения возникает, вероятно, при взрывах сверхновых звезд.

Первые сведения о распределении ионизирующего излучения вблизи Земли были получены с помощью второго искусственного спутника Земли. В околоземном пространстве существуют области, в которых интенсивность потока заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли, превышает интенсивность первичного потока космического излучения в межпланетном пространстве в сотни миллионов раз. Эти области названы радиационными поясами. Ранее считалось, что Земля окружена двумя или тремя радиационными поясами. В настоящее время установлено, что радиационный пояс Земли представляет собой единое образование. Внутренняя граница радиационного пояса в плоскости экватора находится на расстоянии 600 км от поверхности Земли в западном полушарии и около 1600 км в восточном. Внешняя граница пояса в плоскости экватора находится на расстоянии 8–10 радиусов Земли. Несимметричное расположение радиационного пояса Земли объясняется тем, что движение заряженных частиц определяется структурой магнитного поля Земли. Изучение радиационных и космических лучей служит источником получения информации из мирового пространства. Их действие необходимо учитывать при космических полетах, так как интенсивность космических лучей оказывает определенное воздействие на организм человека.

19.2. Виды ускорителей частиц

(перед изучением данного вопроса желательно изучить вопрос 3, лекция 8, ч.II данного пособия)

В магнитном поле действие силы Лоренца искривляет траекторию частицы, сообщая ей центростремительное ускорение, таким образом, траектория заряженных частиц при наличии магнитного поля может быть прямолинейной только в случае, когда сила Лоренца скомпенсирована силами иной природы (например, электрические силы).

Из формул (8.17) и (8.19) ч.II данного пособия видно, что при увеличении индукции В, шаг и радиус винтовой линии уменьшатся. На этом эффекте основана фокусировка частиц в магнитном поле.

Ускорителями частиц называются устройства, в которых под действием электрического и магнитного полей создаются и управляются пучки заряженных частиц. Напомним, что электрическое поле (ЭП) действует на подвижные и неподвижные заряженные частицы, а магнитное поле (МП) – только на движущиеся заряженные частицы. Ускорители характеризуются

240