Загальна фізика. Частина 2. Магнетизм. Коливання і хвилі. Оптика. Елементи атомної фізики, квантової механіки і фізики твердого тіла. Фізика ядра та елементарних часток

Оскільки запаси урану на Землі обмежені, перспективним є використання так званих реакторів-бридерів (розмножувачів), які працюють на швидких нейтронах. Тут миттєві нейтрони реактора використовуються частково для підтримання ланцюгової реакції, а частково – для відтворення ядерного пального. За рахунок радіаційного захоплення нейтронів ядрами   виникає ізотоп  , який після двох  –-розпадів перетворюється в  :

Цей ізотоп, як і  , являється активно подільчим матеріалом.

На цих засадах базується сучасна ядерна енергетика з усіма її використаннями у мирних і військових цілях та екологічними проблемами, які вона породила. Зокрема, дуже актуальна є проблема поховання радіоактивних відходів, що накопичуються.

8.4.3. Другою групою ядерних реакцій, які супроводжуються виділенням величезної енергії, є термоядерні реакції синтезу більш важких ядер (наприклад,  ) з більш легких (наприклад, ізотопів водню      ). Для їх реалізації необхідні високі температури  , щоб за рахунок кінетичної енергії ядра могли подолати потенціальний бар’єр і зблизитись до відстані 10-15 м – радіуса дії ядерних сил. В природних умовах такі реакції мають місце в надрах зірок, обумовлюючи їх величезне випромінювання. 

Як показав Г.Бете (1938 р), перетворення водню в гелій на зірках здійснюється за допомогою двох циклів (водневого і вуглецевого), які в кінцевому результаті еквівалентні реакції

 . (8.41)

При більш високих температурах реалізуються гелієвий і неоновий цикли, які надзвичайно важливі для розуміння нуклеогенезу – процесу синтезу хімічних елементів. Завдяки величезним размірам зірок на них ідеально вирішується проблема утримування (гравітаційного) і термоізоляції плазми (речовина при T  108 K являє собою високоіонізовану плазму). На Землі для цього треба шукати інші підходи. 

Термоядерна реакція синтезу на Землі поки що здійснена лише як вибухова у водневій бомбі (СРСР, США, 1953 р.), де детонатором служить атомна бомба, внаслідок вибуху якої у рівнокомпонентній суміші дейтерію і тритію виникають температура Т ~ 108 К і тиск Р ~ 1012 атм, що приводить до “підпалювання” термоядерної реакції синтезу

 . (8.42)

В цій реакції виділяється енергія ~ 17,6 МеВ, яка на одиницю маси реагуючої речовини в 4 рази більша, ніж в реакції поділу; тому енергія термоядерних бомб становить ~ 105 – 106 т тротилового еквіваленту.

Надзвичайно привабливими видаються перспективи керованого термоядерного синтезу (КТС) як з точки зору практичної невичерпності дешевого для КТС пального (дейтерію у водах океанів), так і з огляду на суттєво меншу екологічну загрозу реакторів КТС. Тому вивчення КТС розпочалося ще у 50-ті роки ХХ століття.

Створення реактора КТС передбачає: 

1) одержання плазми потрібної концентрації n, нагрітої до температур ~ 108 – 109 К;

2) утримання плазмової конфігурації протягом часу , необхідного для протікання термоядерних реакцій.

При цьому повинен виконуватись так званий критерій Лоусона:

  (8.43)

Керовано нагріти речовину до таких температур можна: потужним газовим розрядом, гігантським лазерним імпульсом або бомбардуванням інтенсивним пучком часток. Тому дослідження проблем КТС ведуться в напрямках створення квазістаціонарних реакторів з магнітним утримуванням плазми та імпульсних реакторів з інерційним утримуванням плазми. В обох підходах ще є принципові труднощі, пов’язані з нестійкістю плазмових конфігурацій та проблемою домішок у плазмі, що ведуть до надмірних енергетичних втрат. Але небезпідставним є і оптимізм, що реактор енергетики майбутнього буде побудований.

 

 

Елементарні частинки в точному розумінні – первинні, далі неподільні частинки, з яких, за припущенням, складається вся матерія. В сучасній фізиці цей термін вживається менш точно для найменування великої групи суб’ядерних часток, які, за винятком протонів, не являються атомами чи атомними ядрами. Крім протонів p, сюди входять: нейтрони n, електрони e, фотони , мюони , -мезони, важкі лептони , нейтрино , «дивні» частинки (К-мезони, гіперони Λ, , , ),  -частинки, -частинки, “чарівні”, “красиві” частинки, проміжні векторні бозони (w, z), різноманітні резонанси – всього ~ 400 часток, переважно нестабільних, кількість яких продовжує зростати. Фактично, більшість з них не є елементарними. Частинки, що претендують на роль первинних елементів матерії, прийнято називати істинно елементарними.

Відкриття складного, несподіваного світу елементарних часток – надбання квантово-релятивістської фізики ХХ століття. Деякі з елементарних часток були відкриті в зв’язку з вивченням будови атома (е–, ), ядра (р, n, e) і в космічних променях (е+, ,  ,  , Λ0), решта – на прискорювачах заряджених часток, які з 50-х років ХХ-століття стали основним інструментом дослідження елементарних часток.

Всі елементарні частинки є об’єктами винятково малих мас і розмірів, що обумовлює квантову специфіку їх поведінки. Найбільш важлива квантова властивість всіх елементарних часток