где X и Y — исходное и конечное ядра, а и b — бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частицы.

В ядерной физике эффективность вза­имодействия характеризуют эффективным сечением ст. С каждым видом взаимодейст­вия частицы с ядром связывают свое эф­фективное сечение: эффективное сечение рассеяния определяет процессы рассея­ния, эффективное сечение поглощения — процессы поглощения. Эффективное сече­ние ядерной реакции

 

где N — число частиц, падающих за еди­ницу времени на единицу площади попере­чного сечения вещества, имеющего в еди­нице объема n ядер, d N — число этих частиц, вступающих в ядерную реакцию в слое толщиной dx.Эффективное сече­ние о имеет размерность площади и ха­рактеризует вероятность того, что при па­дении пучка частиц на вещество произой­дет реакция.

Единица эффективного сечения ядерных процессов — барн (1 барн =10^-28м²).

В любой ядерной реакции выполняют­ся законы сохранения электрических за­рядов и массовых чисел: сумма зарядов (массовых чисел) ядер и частиц, вступаю­щих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов (массовых чисел) конечных про­дуктов (ядер и частиц) реакции. Выпол­няются также законы сохранения энергии, импульса и момента импульса.

В отличие от радиоактивного распада, который протекает всегда с выделением энергии, ядерные реакции могут быть как экзотермическими (с выделением энер­гии), так и эндотермическими (с поглоще­нием энергии).

Реак­ция деления ядра,

заключается в том, что тяжелое ядро под действием нейтронов, и других частиц делится на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе.

Например, при делении ядра урана ²³⁵₉₂U

осколок деления ¹³⁹₅₄Xe в результате трех актов b^--распада превращается в ста­бильный изотоп лантана ¹³⁹₅₇La:

¹³⁹₅₄Xe^b-®¹³⁹₅₅ Cs^b-®
® ¹³⁹₅₆Ba^b-®¹³⁹₅₇La.

Осколки деления могут быть разно­образными, поэтому реакция не единственная, приводящая к делению ²³⁵₉₂U.

Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать новые акты деле­ния, что делает возможным осуществление цепной реакции деления — ядерной реак­ции, в которой частицы, вызывающие ре­акцию, образуются как продукты этой ре­акции. Цепная реакция деления характе­ризуется коэффициентом размножения k нейтронов, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Необхо­димым условием для развития цепной ре­акции деления является требование k³ 1 .

Реакции синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящие при сверхвысоких температурах (примерно 10⁷ К и выше), называются термоядерны­ми реакциями.

Термоядерные реакции являются, по-видимому, одним из источников энергии Солнца и звезд. В принципе высказаны два предположения о возможных спосо­бах протекания термоядерных реакций на Солнце:

1) протонно-протонный, или водород­ный, цикл, характерный для температур (примерно 10⁷ К):

2) углеродно-азотный, или углерод­ный, цикл, характерный для более высоких температур (примерно 2•10⁷ К):

В результате этого цикла четыре протона превращаются в ядро гелия и выделяется энергия, равная 26,7 МэВ. Ядра же угле­рода, число которых остается неизменным, участвуют в реакции в роли катализатора.

Термоядерные реакции дают наиболь­ший выход энергии на единицу массы «го­рючего», чем любые другие превращения, в том числе и деление тяжелых ядер. На­пример, количество дейтерия в стакане простой воды энергетически эквивалентно примерно 60 л бензина. Поэтому заманчи­ва перспектива осуществления термоядер­ных реакций искусственным путем.

Впервые искусственная термоядерная реакция осуществлена в СССР (1953), а затем (через полгода) в США в виде взрыва водородной (термоядерной) бом­бы, являющегося неуправляемой реак­цией. Взрывчатым веществом, в котором происходила реакция, является смесь дейтерия и трития, а запалом — «обычная» атомная бомба, при взрыве ко­торой возникает необходимая для протекания термоядерной реакции темпе­ратура.

Особый интерес представляет осуще­ствление управляемой термоядерной ре­акции, для обеспечения которой необходи­мо создание и поддерживание в ограни­ченном объеме температуры порядка 10⁸ К. Так как при данной температу­ре термоядерное рабочее вещество пред­ставляет собой полностью ионизованную плазму возникает проблема ее эффективной термоизоляции от стенок ра­бочего объема. На данном этапе развития считается, что основной путь в этом на­правлении — это удержание плазмы в ог­раниченном объеме сильными магнитными полями специальной формы.

Начало широкого международного сотруд­ничества в области физики высокотемператур­ной плазмы и управляемого термоядерного син­теза положено в знаменитом докладе И. В. Курчатова в Харуэле в 1956 г.

Хотя проблема управляемого термоядерно­го синтеза не решена до сих пор, но за послед­нее десятилетие в этом направлении достигнут значительный прогресс. Под руководством Л. А. Арцимовича коллектив ученых Института атомной энергии (ИАЭ) им. И. В. Курчатова осуществил широкий круг исследований, ре­зультатом которых явился пуск летом 1975 г. в ИЭА крупнейшей в мире термоядерной установки «Токамак-10» (Т-10).

В Т-10, как и во всех установках этого типа, плазма создается в тороидальной камере, на­ходящейся в магнитном поле, а само плазмен­ное образование — плазменный шнур — также имеет форму тора. В Т-10 плазма с температу­рой примерно (7—8)•10⁶ К и плотностью при­мерно 10¹⁴ частиц/см³ создается в объеме, при­близительно равном 5 м³, на время около 1 с. Однако следует отметить, что до осуще­ствления критерия Лоусона — условия, необ­ходимого для начала самоподдерживающейся термоядерной реакции,— еще остается значи­тельный «путь»: примерно 20 раз по nt(про­изведение плотности частиц на время удержа­ния плазмы) и примерно 10 раз по температуре. Результаты, полученные на Т-10, вместе с ре­зультатами, ожидаемыми на создаваемых уста­новках (например, Т-20), по мере решения раз­ного рода инженерно-технологических проблем служат базой для создания термоядерного ре­актора «Токамака».

Управляемый термоядерный синтез откры­вает человечеству доступ к неисчерпаемой «кла­довой» ядерной энергии, заключенной в легких элементах. Наиболее заманчивой в этом смысле является возможность извлечения энергии из дейтерия, содержащегося в обычной воде. В са­мом деле, количество дейтерия в океанской воде составляет примерно 4•10¹³ т, чему соответству­ет энергетический запас 10¹⁷ МВт•год. Другими словами, эти ресурсы неограниченны. Остается только надеяться, что решение этих проблем — дело недалекого будущего.

 

 

Классификация элементарных
частиц. Кварки

 

В табл. элементарные частицы объединены в три группы:
фо­тоны, лептоны и адроны.
Элементарные частицы, отнесенные к каждой из этих групп, обладают общими свойствами и ха­рактеристиками, которые отличают их от частиц другой группы.

К группе фотонов относится един­ственная частица — фотон, который пере­носит электромагнитное взаимодействие. В электромагнитном взаимодействии участвуют в той или иной степени все частицы, как заряженные, так и нейтраль­ные (кроме нейтрино).

К группе лептонов относятся
электрон, мюон, таон,
соответствующие им нейтри­но, а также их античастицы.

Все лептоны имеют спин, равный 1/2, и, следовательно, являются фермионами (см. §226), подчи­няясь статистике Ферми — Дирака. Поскольку лептоны в сильных взаимодействиях не участвуют, изотопический спин им не приписывается. Стран­ность лептонов равна нулю.

Элементарным частицам, относящимся к группе лептонов, приписывают так на­зываемое лептонное число (лептонный за­ряд) L. Обычно принимают, что L=+1 для лептонов (e^-, m^-, t^-, v_е, , ), L= — 1 для антилептонов (e⁺, m⁺, t ⁺) и L=0 для всех остальных эле­ментарных частиц. Введение L позволяет сформулировать закон сохранения лептонного числа: в замкнутой системе при всех без исключения процессах взаимопревращаемости элементарных частиц лептонное число сохраняется.

Основную часть элементарных частиц составляют адроны. К группе адронов от­носятся

пионы, каоны, h-мезон, нуклоны, гипероны,

а также их античастицы (в табл. приведены не все адроны).

Адронам приписывают барионное чис­ло (барионный заряд) В. Адроны с В= 0 образуют подгруппу мезонов (пионы, каоны, h-мезон),

а адроны с В=+1 об­разуют подгруппу барионов (от греч. «барис» — тяжелый; сюда относятся нуклоны и гипероны).

Для лептонов и фотона В =0. Если принять для барионов В=+ 1, для антибарионов (антинуклоны, антигипероны) В=-1, а для всех остальных частиц B=0, то можно сформулировать закон сохранения барионного числа: в замкнутой системе при всех процессах взаимопревращаемости элементарных частиц барионное число сохраняется.

Из закона сохранения барионного числа следует, что при распаде бари­она наряду с другими частицами обяза­тельно образуется барион. Барионы имеют спин, равный 1/2 (только спин W^--гиперона равен 3/2), т. е. барионы, как и лепто­ны, являются фермионами.

Странность 5 для различных частиц подгруппы барионов имеет разные значе­ния.

Мезоны имеют спин, равный нулю, и, следовательно, являются бозонами подчиняясь статистике Бозе — Эйнштейна. Для мезонов лептонные и барионные числа равны нулю. Из подгруппы мезонов только каоны обла­дают S= + l, а пионы и h-мезон имеют нулевую странность.

Согласно модели Гелл-Манна — Цвей­га, все известные в то время адроны мож­но было построить, постулировав сущест­вование трех типов кварков (и, d, s)и со­ответствующих антикварков (и^, d^, s^), если им приписать характеристики, указанные в табл. 9 (в том числе дробные! электриче­ские и барионные заряды). Самое удиви­тельное (почти невероятное) свойство кварков связано с их электрическим за­рядом, поскольку еще никто не находил частицы с дробным значением элементар­ного электрического заряда. Спин кварка равен 1/2, поскольку только из фермионов можно «сконструировать» как фермионы (нечетное число фермионов), так и бозоны (четное число фермионов).

Адроны строятся из кварков следую­щим образом: мезоны состоят из пары кварк — антикварк, барионы — их трех кварков (антибарион — из трех антиквар­ков). Так, например, пион p⁺ имеет кварковую структуру ud^, пион p^-— u^d, каон K⁺— ds^, протон — uud, нейтрон — udd, S ⁺-гиперон — uus, S ⁰-гиперон — uds и т. д.

Во избежание трудностей со статисти­кой (некоторые барионы, например W^--гиперон, состоят из трех одинаковых кварков (sss), что запрещено принципом