Например, при делении ядра урана 23592U
осколок деления 13954Xe в результате трех актов b--распада превращается в стабильный изотоп лантана 13957La:
13954Xeb-®13955 Csb-®
® 13956Bab-®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-, vе, , ), 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