Реакции синтеза. Термоядерные реакции

 

Для получения ядерной энергии возможно, кроме реакции деления, использовать реакции синтеза легких ядер, например, водорода. Чтобы произошло слияние ядер, нужно сблизить их, преодолевая кулоновское отталкивание, до расстояний, на которых возможно действие ядерных сил. Для этого необходимо сообщить им большие скорости и кинетические энергии. Такие энергии приобретают ядра при нагреве газа до сверхвысоких температур ~10⁸-10⁹ К. В этих условиях вещество находится в плазменном состоянии. Такие реакции называются термоядерными. При синтезе (слиянии) легких ядер образуется более тяжелое ядро с выделением энергии, равной энергии связи Есв. Рассмотрим это на примере синтеза ядер изотопа водорода дейтерия и трития

МэВ

Такие реакции являются, вероятно, источниками энергии звезд (в том числе и Солнца). В искусственных условиях они осуществляются в водородной бомбе, где высокая температура для синтеза получается при взрыве входящей в ее состав атомной бомбы. В настоящее время ученые многих стран работают над проблемой осуществления управляемой термоядерной реакции в мирных целях, как нового источника энергии в руках человека.

Элементарные частицы

 

Древние представляли мир, состоящим из неделимых атомов. В начале ХХ века удалось изучить структуру атома, разложить его на элементарные частицы: протоны, нейтроны и электроны. Казалось этого достаточно для описания структуры вещества. Но на этом дело не закончилось. В середине прошлого были открыты мезоны, нейтрино. У каждой частицы в силу закона симметрии обнаружилась и античастица. Затем перед глазами ученых оказалась целая «россыпь» частиц: их обнаруживали в лучах, приходящих из космоса, получали с помощью мощных ускорителей. Сейчас открыто уже более 400 частиц. Одни из частиц стабильны, вроде протонов, другие живут мгновения (~10^-23 с – резонансы). Одни живут только в движении (фотон, нейтрино), другие могут находиться в состоянии покоя. Жизнь этих частиц - непрерывное взаимодействие друг с другом, взаимные превращения. Взаимодействие частиц называют слабым по сравнению с другими фундаментальными взаимодействиями. Об этом можно судить по малому времени их жизни. Значит силы, за счет которых происходят распады, малы. Примером слабых взаимодействий служит β - распад μ - мезонов (мюонов) и π - мезонов (пионов):

где - электронное нейтрино (антинейтрино), - мюонное нейтрино (антинейтрино).

Сейчас множество частиц удалось свести к двум небольшим семействам: лептонам, участвующим в слабом взаимодействии (ответственном за радиоактивный распад), и кваркам, которые образуют протоны, нейтроны и другие сильно взаимодействующие частицы.

Лептонов сейчас известно шесть: электрон, мюон и таон и три соответствующие им нейтрино: . Мюон очень похож по своим свойствам на электрон, но масса покоя у него почти в 200 раз больше. Таон имеет массу еще большую . Электрон стабилен в отношении распада на другие частицы. Мюон испытывает бета распад, время его жизни ~10^-6 с. У таона ~10^-13с.

Кварки – это необычные частицы, из которых построены протоны, нейтроны, гипероны и др. частицы. Примерно 20 лет назад стало ясно, что нуклоны имеют сложную структуру. Кварки имеют электрические заряды, кратные е/3. Согласно кварк-лептонной симметрии природы их как и лептонов должно быть шесть (к настоящему времени все открыты): верхний, нижний, очарованный, странный, истинный, прелестный – такие у них названия. Протон и нейтрон состоят из 3-х кварков.

Для чего ученые пытаются понять элементарную структуру материи? Для того, чтобы выяснить фундаментальные законы природы, наиболее общие законы, из которых как частные случаи вытекали бы сегодня изучаемые нами законы. Природа едина и законы должны быть едиными – это понимали еще во времена Эйнштейна. Сейчас, например, уже можно указать на единый обменный характер электромагнитных и слабых взаимодействий (электрослабое взаимодействие).

Итак, к настоящему времени составными элементами материи считаются 6 кварков и столько же лептонов. Разные взаимодействия между этими фундаментальными частицами возникают за счет обмена переносчиками (квантами) взаимодействия: фотонами, глюонами, бозонами и гравитонами.