Часто говорят, что существуют два вида наук — большие науки и малые. Расщепление атома — большая наука. Она располагает гигантскими экспериментальными установками, колоссальными бюджетами и получает львиную долю Нобелевских премий.
Зачем физикам понадобилось расщеплять атом? Простой ответ — чтобы понять, как устроен атом, — содержит лишь долю истины, но есть и более общая причина. Говорить буквально о расщеплении атома не вполне правильно. В действительности речь идет о столкновении частиц высокой энергии. При столкновении субатомных частиц, движущихся с большими скоростями, происходит рождение нового мира взаимодействий и полей. Несущие огромную анергию осколки материи, разлетающиеся после столкновений, таят в себе секреты природы, которые от “сотворения мира” оставались погребенными в недрах атома.
Установки, на которых осуществляется столкновение частиц высоких энергий, — ускорители частиц — поражают своими размерами и стоимостью. Они достигают нескольких километров в поперечнике, и по сравнению с ними даже лаборатории, в которых изучаются столкновения частиц, кажутся крошечными. В других областях научных исследований оборудование размещается в лаборатории, в физике высоких энергий лаборатории пристраиваются к ускорителю. Недавно Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН), расположенный недалеко от Женевы, выделил несколько сотен миллионов долларов на строительство кольцевого ускорителя. Длина окружности сооружаемого для этой цели туннеля достигает 27 км. Ускоритель, получивший название ЛЭП (LEP, Large Electron-Positron ring—большое электрон- позитронное кольцо), предназначен для ускорения электронов и их античастиц (позитронов) до скоростей, всего лишь “на волосок” отличающихся от скорости света. Чтобы иметь представление о масштабах энергии, вообразим, что вместо электронов до таких скоростей разгоняется монетка достоинством в один пенни. В конце цикла ускорения она обладала бы энергией, достаточной для производства электроэнергии на сумму 1000 млн. долл.! Неудивительно, что подобные эксперименты принято относить к физике “высоких энергий”. Двигаясь внутри кольца навстречу друг другу, пучки электронов и позитронов испытывают лобовые столкновения, при которых электроны и позитроны аннигилируют, высвобождая энергию, достаточную для рождения десятков других частиц.
Что это за частицы? Некоторые из них — те самые “кирпичики”, из которых построены мы с вами: протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, и обращающиеся вокруг ядер электроны. Другие частицы обычно в окружающем нас веществе не встречаются: их век чрезвычайно короток, и по истечении его они распадаются на обычные частицы. Число разновидностей таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно: их известно уже несколько сотен. Подобно звездам, нестабильные частицы слишком многочисленны, чтобы их различать “по именам”. Многие из них обозначены только греческими буквами, а некоторые — просто числами.
Важно иметь в виду, что все эти многочисленные и разнообразные нестабильные частицы отнюдь не являются в прямом смысле составными частями протонов, нейтронов или электронов. Сталкиваясь, электроны и позитроны высоких энергий вовсе не разлетаются на множество субатомных осколков. Даже при столкновениях протонов высоких энергий, заведомо состоящих из других объектов (кварков), они, как правило, не расщепляются на составные части в обычном смысле. То, что происходит при таких столкновениях, лучше рассматривать как непосредственное рождение новых частиц из энергии столкновения.
Лет двадцать назад физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью и разнообразием новых субатомных частиц, которым, казалось, не будет конца. Невозможно было понять, для чего столько частиц. Может быть, элементарные частицы подобны обитателям зоопарка с их неявно выраженной принадлежностью к семействам, но без какой-либо четкой систематики. Или, возможно, как полагали некоторые оптимисты, элементарные частицы таят в себе ключ к Вселенной? Что такое наблюдаемые физиками частицы: малозначительные и случайные осколки материи или возникающие на наших глазах очертания смутно ощущаемого порядка, указывающего на существование богатой и сложной структуры субъядерного мира? Ныне в существовании такой структуры нет никаких сомнений. Микромиру присущ глубокий и рациональный порядок, и мы начинаем понимать, каково значение всех этих частиц.
Первый шаг к пониманию микромира был сделан в результате систематизации всех известных частиц, подобно тому как в XVIII в. биологи составляли подробнейшие каталоги видов растений и животных. К числу наиболее важных характеристик субатомных частиц относятся масса, электрический заряд и спин.
Поскольку масса и вес связаны между собой, частицы с большой массой часто называют “тяжелыми”. Соотношение Эйнштейна Е =mc^ 2 указывает, что масса частицы зависит от ее энергии и, следовательно, от скорости. Движущаяся частица тяжелее покоящейся. Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку эта масса не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света. Наиболее очевидный пример частицы с нулевой массой покоя — фотон. Считается, что электрон — самая легкая из частиц с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон почти в 2000 раз тяжелее, тогда как масса самой тяжелой частицы, которую удалось создать в лаборатории (Z-частицы), примерно в 200 000 раз больше массы электрона.
В гл. 2 мы ввели еще одну характеристику частиц — спин. Он также всегда принимает значения, кратные некоторой фундаментальной единице, которая по историческим причинам выбрана равной 1/2. Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин 1/2, а спин фотона равен 1. Известны также частицы со спином 0, 3/2 и 2. Фундаментальных частиц со спином больше 2 не обнаружено, и теоретики полагают, что частиц с такими спинами не существует.
Спин частицы — важная характеристика, и в зависимости от его величины все частицы разделяются на два класса. Частицы со спинами 0, 1 и 2 называются “бозонами” — в честь индийского физика Чатьендраната Бозе, а частицы с полуцелым спином (т.е. со спином 1/2 или 3/2 — “фермионами” в честь Энрико Ферми. Принадлежность к одному из этих двух классов является, вероятно, наиболее важной в перечне характеристик частицы.
Другая важная характеристика частицы — ее время жизни. До недавнего времени считалось, что электроны, протоны, фотоны и нейтрино абсолютно стабильны, т.е. имеют бесконечно большое время жизни. Нейтрон остается стабильным, пока он “заперт в ядре, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 мин. Все остальные известные частицы в высшей степени нестабильны, их времена жизни колеблются в пределах от нескольких микросекунд до 10-23 с. Такие интервалы времени кажутся непостижимо малыми, однако не следует забывать, что частица, летящая со скоростью, близкой к скорости света (а большинство частиц, рождающихся на ускорителях, движутся именно с такими скоростями), успевает пролететь за микросекунду расстояние в 300 м.
Нестабильные частицы претерпевают распад, представляющий собой квантовый процесс, и поэтому в распаде всегда есть элемент непредсказуемости. Продолжительность жизни конкретной частицы невозможно предсказать заранее. На основе статистических соображений можно предсказать лишь среднее время жизни. Обычно говорят о периоде полураспада частицы — времени, за которое популяция тождественных частиц сокращается наполовину. Эксперимент показывает, что уменьшение численности популяции происходит по экспоненте (см. рис. 6) и период полураспада составляет 0,693 от среднего времени жизни.
Физикам недостаточно знать, что та или иная частица существует — они стремятся понять, какова ее роль. Ответ на этот вопрос зависит от перечисленных выше свойств частиц, а также от характера сил, действующих на частицу извне и внутри ее. В первую очередь свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются андронами. Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами, что означает “легкие”. Познакомимся кратко с каждым из этих семейств.
Как расщепляется ядро.
uCrazy.ru
Навигация
ЛУЧШЕЕ ЗА НЕДЕЛЮ
ОПРОС
СЕЙЧАС НА САЙТЕ
КАЛЕНДАРЬ
Пн
Вт
Ср
Чт
Пт
Сб
Вс
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Сегодня день рождения
Рекомендуем
Достижения теоретической и экспериментальной физики: расщепление ядра атома
Первая половина 20-го века окатила физику ушатом ледяной воды. Крепкий и высокий ньютоновский фундамент, на котором более 200 лет зиждилась физика, вмиг обрушился под натиском катапульт и пушек Эйнштейна, Лоренца, Пуанкаре и Минковского; «Пудинг» Томсона был со смаком съеден Резерфордом и Бором; а Гейзенберг, Паули, Шредингер и все тот же Бор продемонстрировали миру новый, «коньковый», ход по лыжной трассе физики микромира, оставив далеко позади себя консерваторов, пытавшихся ползти по этой трассе «классическим» стилем. После этих событий атомы и атомные ядра стали объектами пристального внимания и многочисленных исследований большой кагорты ученых.
Итак, в 1932 Джеймс Чэдвик открыл нейтрон. На рисунке ниже показан незамысловатый аппарат, с помощью которого Чэдвик совершил свое открытие. А если быть точным, то он просто доказал существование нейтрона, практически после 10-летних исследований и экспериментов. Ведь гипотезу о необходимом существовании нейтрализующих частиц, препятствующих взаимоотталкиванию протонов в атомном ядре, высказал еще Резерфорд, он же и назвал эту гипотетическую на тот момент частицу «нейтроном».
После открытия Чэдвика во многих лабораториях мира стали методично бомбардировать уран медленными нейтронами, чтобы исследовать возникающие при этом радиоактивные вещества. В Берлине Отто Ган и Фриц Штрассманн уже на протяжении трех лет осуществляли бомбардировку урана нейтронами и вместе с Лизой Мейтнер были близки к тому, чтобы обнаружить более легкие, чем уран, элементы.
Однако результаты эксперимента были неоспоримы. Ган имел за плечами более чем тридцатилетний опыт работы в радиационной химии и, как никто другой, был в состоянии однозначно определить состав обнаруженного продукта деления средствами точнейшего химического анализа. Я приведу вам текст письма, которое Отто Ган написал вечером 19 декабря Лизе Мейтнер, к тому времени уже находившейся в Швеции. По мере написания письма Ган всё более осознавал, что в своей лаборатории он стал свидетелем события мировой значимости и пока еще сложно представимых последствий. Вот текст этого письма: «Дорогая Лиза. В «изотопах радия» присутствует нечто столь замечательное, что пока мы можем рассказать о них только Вам. Возможно, Вам удастся предположить какое-нибудь фантастическое объяснение происходящего. Если Вы сможете придумать нечто достойное публикации, это все же будет в некотором смысле результатом работы нас троих! Отто Ган.»
Ган и Штрассман надеялись получить от Мейтнер какое-то объяснение, потому что они все более утверждались в том, что их изотопы радия вели себя не как радий, а как барий. Лиза Мейтнер окажется первой, кто проинтерпретирует этот процесс, жуткие последствия использования которого проявятся лишь позднее. Очевидно, что удалось осуществить «расщепление» атомного ядра, но ученые пока пребывают в неведении относительно того, какая игра была начата на простом рабочем столе Гана в его Институте.
К Лизе Мейтнер, на Рождество 1938 года находящейся в заснеженном Кунгэльве неподалеку от Гетеборга, приезжает ее племянник Отто Фриш, также бежавший из Германии и теперь работающий как один из ассистентов Нильса Бора в его копенгагенском Институте. Они вместе отправляются на прогулку по засыпанным снегом окрестностям. Фриш одевает лыжи, Лиза Мейтнер сопутствует ему пешком, стараясь не отставать, но оставаясь погруженной в размышления о заданном ей Ганом вопросе. Наконец, они останавливаются у поваленного дерева и долго дискутируют. Они уже замерзли, но не могут двинуться с места, пока здесь и сейчас не решат эту мучительную проблему. Тезис о том, что при бомбардировке от ядра отщепляется лишь его частичка, ведет в тупик. Сама декабрьская постановка вопроса Ганом указывает в правильном направлении: не имеем ли мы здесь дело с «разрывом» уранового ядра на барий и радий? То, что Отто Ган без сомнений выделяет барий как одну из двух фракций разделяющегося уранового ядра, подтверждает и расщепление, но из чего состоит остаток? Это не может быть радием.
Сидя вместе с Отто Фришем на стволе шведского дерева, Лиза Мейтнер формулирует первое теоретическое истолкование экспериментальных изысканий Гана. Отчего же она отталкивалась в этом теоретическом истолковании? А отталкивалась она от теории Нильса Бора, который рассматривал ядро не как твердый металл, а скорее как каплю жидкости. Коротко представлю смысл этой теории. В ядре атома протоны, как носители положительного заряда, отталкиваются друг от друга. Но подобно каплям воды, которые сохраняют свою целостность благодаря силам поверхностного натяжения, действующим в их тонкой оболочке, протоны в ядре удерживаются вместе благодаря сильному взаимодействию, которое противостоит кулоновским силам отталкивания. В ядрах малого размера (например, углерод), сильное взаимодействие настолько существенно, что у кулоновских сил, стремящихся разорвать ядро, просто нет шансов. Ну а что же происходит в больших ядрах, еще к тому же и набитых кучей нейтронов (например, уран!)? Сильное взаимодействие между протонами уже не так велико, и ядро является нестабильным. А если такое ядро бомбануть еще одним нейтроном? Капля может разорваться!
Через несколько дней, в Копенгагене, Отто Фриш рассказал об этом открытии Нильсу Бору, на что Бор запричитал: «О, какими идиотами мы все были! Да, но это прекрасно! Именно так и должно быть!». В этот же день Бор улетает в Америку и на протяжении своего трансатлантического вояжа производит расчеты, согласно которым при поглощении медленного нейтрона должен отщепляться изотоп урана U-235.
26 января 1939 года на открытии 5-й конференции American Physical Society в Вашингтоне Бор сразу же делает доклад об открытии Гана и своих исчислениях. Новость оказывается настолько будоражащей, что некоторые из физиков сразу же бросаются вызванивать своих сотрудников или же устремляются в собственные лаборатории, чтобы проверить результаты Гана.
Тогда наука еще была свободной. В начале 1939-го выкладки Мейтнер и Фриша публикуются в английском академическом журнале Nature, так что весь мир моментально оказывается оповещен об этом прорыве. Сам обнаруженный феномен Фриш называет nuclear fission, т.е. расщеплением ядра. Понятием fission с ним делится один американский биолог, отвечая на его вопрос, как в биологии называется процесс разделения клетки.
РАСЩЕПЛЕНИЕ ЯДРА
Смотреть что такое «РАСЩЕПЛЕНИЕ ЯДРА» в других словарях:
расщепление (ядра) — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN scission … Справочник технического переводчика
расщепление ядра — branduolio skaidymas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. fragmentation of nucleus vok. Fragmentation, f; Kernzertrümmerung, f rus. расщепление ядра, n; фрагментация ядра, f pranc. fragmentation du noyau, f … Fizikos terminų žodynas
расщепление ядра — branduolio skaldymas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. nuclear spallation vok. Kernsplitterung, f; Kernzersplitterung, f; Kernzertrümmerung, f rus. расщепление ядра, n pranc. désintégration nucléaire, f; fission du noyau, f … Fizikos terminų žodynas
Расщепление ядра — Вынужденное деление ядра. Ядро урана 235 захватывает медленный нейтрон и делится на два осколка с испусканием нейтронов деления. Деление ядра процесс расщепления атомного ядра на два ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В… … Википедия
вынужденное расщепление ядра — priverstinis branduolio skilimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. induced nuclear decay; induced nuclear disintegration; induced nuclear transformation vok. induzierte Kernumwandlung, f; induzierter Kernzerfall, m rus. вызванный… … Fizikos terminų žodynas
Ядра деление — * ядра дзяленне * nuclear fission 1. Расщепление ядра живой клетки на две части (дочерние ядра) путем прямого (амитоз, см.), непрямого (митоз, см.) или др. видов деления. 2. Трансформация атомного ядра, характеризующаяся его расщеплением по… … Генетика. Энциклопедический словарь
расщепление атомного ядра — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN atom smashing … Справочник технического переводчика
расщепление атома — Деление атомного ядра при цепной реакции [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN atomic fission … Справочник технического переводчика
расщепление атомного ядра — деление атомного ядра … Cловарь химических синонимов I
расщепление — я; ср. к Расщепить расщеплять и Расщепиться расщепляться. Р. волокон. Р. атомного ядра … Энциклопедический словарь
Атомная энергетика сегодня, типы реакторов и переход к экологически чистой энергии
реклама
реклама
реклама
Внутри активной зоны атомы урана расщепляются естественным образом. При этом часть мощной силы, связывающей атомы вместе, высвобождается в виде гамма-излучения, а также пары нейтронов. Пока нейтроны летят, вода действует как замедлитель. То есть она замедляет эти нейтроны, увеличивая вероятность того, что они будут взаимодействовать с другими атомами урана.
Если один из этих нейтронов поглощается атомом урана-235, этот атом становится нестабильным и расщепляется, высвобождая больше энергии и больше нейтронов. Этот каскад нейтронов и расщепляющихся атомов перерастает в цепную реакцию, в результате которой выделяется энергия, достаточная для питания города в течение десятилетий. Чтобы реакция не вышла из-под контроля и не расплавила активную зону, можно вставить управляющие стержни, поглощающие нейтроны и гасящие выход.
Все это включает в себя множество очень сложных физических моментов, но в результате получается «гигантский чайник», который нагревает воду. Эта горячая вода проходит через теплообменник и нагревает еще один контур воды для создания пара, который затем вращает турбину, которая приводит в действие генератор, вырабатывающий электричество.
реклама
Современные типы реакторов
Вот краткая информация о том, как работают основные типы реакторов, используемых сегодня. Следует иметь в виду, что некоторые из этих основных конструкций были разработаны еще в 1950-х годах и на протяжении более 60 лет постоянно совершенствовались, чтобы сделать их более безопасными и эффективными.
Pressurized Water Reactor
Наиболее распространенным типом реактора является реактор с водой под давлением (PWR), который первоначально был разработан в США для питания атомных подводных лодок, а в настоящее время используется в более чем 20 странах. Это конструкция, описанная выше, в которой вода используется и как замедлитель, и как теплоноситель.
В современных конструкциях реакторов PWR топливо обогащается примерно до 3,2 процента урана-235 и формируется в таблетки весом около 10 граммов, которые запечатываются в стержни из циркониевого сплава. Контейнер из нержавеющей стали, окружающий реактор, предназначен как для герметизации всех ядерных продуктов, так и для использования в качестве сосуда под давлением, который поддерживает жидкую воду при более высокой температуре, как в скороварке, для большей эффективности. Контейнер, в свою очередь, закрыт стальным и бетонным щитом, чтобы удержать содержимое реактора даже в случае расплавления.
В старых конструкциях реакторов PWR вода с теплоносителем выходила из защитного экрана и использовалась для выработки электроэнергии. Чтобы поддерживать активную зону реактора холодной, вода должна была постоянно активно прокачиваться. Оба варианта создавали проблемы с безопасностью, как это было во время катастрофы на острове Три-Майл, поэтому в более поздних реакторах использовалась серия контуров теплообменников и резервные пассивные системы циркуляции воды для поддержания охлаждения активной зоны даже в случае полной остановки.
Кипящий водо-водяной реактор (BWR)
Boiling water reactor
Следующий по распространенности реактор, известный как реактор с кипящей водой (BWR), является более простым и практически менее безопасным, чем PWR. Как следует из названия, воде в контуре теплоносителя дают возможность закипеть, и пар поступает непосредственно в турбину из защитной оболочки, а после повторной конденсации возвращается в реактор. Это обеспечивает большую вероятность радиоактивного заражения.
Схема кипящего водо-водяного реактора
Heavy Water Reactor
Улучшенный реактор с газовым охлаждением AGR
Для охлаждения в этих реакторах используется двуокись углерода. Поскольку прежний реактор Магнокс был предназначен в основном для производства плутония, он был не очень эффективен, поэтому был создан реактор AGR, который работает при более высокой температуре для лучшего производства пара и работы турбин.
Реактор большой мощности канальный
Реактор большой мощности канальный, РБМК был разработан в СССР примерно в то же время, что и Magnox, и имеет некоторые общие конструктивные особенности, хотя это совершенно другая машина. В РБМК используется очень мощная графитовая активная зона с водяным охлаждением, состоящая примерно из 1700 вертикальных каналов, содержащих оксид урана, обогащенный до 1,8 процента урана-235. Вода циркулирует под давлением и затем используется для выработки пара.
Хотя большое количество РБМК все еще работает в бывших странах СССР, их печально известная небезопасная конструкция была продемонстрирована Чернобыльской катастрофой в 1986 году, когда инженеры нарушили протоколы безопасности во время имитации испытания на отключение электроэнергии, в результате чего активная зона одного из реакторов комплекса была разорвана паром, после чего произошло возгорание графитового замедлителя.
Реакторы будущего
Термоядерный синтез на пальцах: от азов до практики
Меня уже несколько раз просили подробнее рассказать о термоядерном синтезе, термоядерных реакциях и вот этом вот всём. Тема действительно важная, ведь этот процесс является одним из ключевых источников энергии в современной Вселенной (благодаря нему, например, светит наше Солнце) и, возможно, в будущем станет почти неисчерпаемым источником энергии для Человечества, то есть для нас с вами.
Самая знаменитая формула на свете
Если вы интересуетесь физикой, то, думаю, хоть раз в жизни видели эту формулу:
Обычно её принято расшифровывать как формулу энергии, которой обладает каждый физический объект вне зависимости от прочих условий просто потому, что он имеет массу. То есть, даже тело, находящееся в состоянии покоя вне каких-либо полей и имеющее температуру, равную абсолютному нулю, всё равно обладает некоей энергией, то есть масса является «скрытой» энергией сама по себе. И эту энергию можно высвободить при определённых условиях.
Например, при столкновении частицы с её античастицей (скажем, электрона и позитрона) они взаимно уничтожаются с выделением энергии. То есть, их масса полностью переходит в энергию, и величина выделившейся энергии в точности определяется вышеупомянутой формулой, где под массой имеется в виду суммарная масса позитрона и электрона.
Но верно и обратное: не только масса способна превращаться в энергию, но и энергия способна превращаться в массу – или по крайней мере всё будет выглядеть так, что тело приобрело дополнительную массу в результате наделения его энергией.
Например, если мы разгоним частицу в ускорителе, то с точки зрения внешнего наблюдателя она начнёт вести себя так, как будто её масса выросла. Более яркий пример – фотоны, или кванты, т.е. мельчайшие порции, электромагнитного излучения. Согласно современным представлениям (с существенной точностью подтверждённым экспериментами) они вообще не имеют массы. Однако они обладают энергией, и поэтому в реальности ведут себя так, как будто масса у них есть.
Правда, в современной физике, дабы избежать путаницы, от термина «релятивистская масса» постепенно отказываются и в научной литературе его употреблять не принято. Это связано с некоторыми терминологическими тонкостями, способными привести к путанице в научных дискуссиях, однако нам, рассуждающим об этих вопросах весьма поверхностно и «на пальцах» подобное простительно. Поэтому мы можем говорить о полной эквивалентности энергии и массы: масса это энергия, а энергия это масса с точностью до множителя, равного квадрату скорости света.
И более того: в подавляющем большинстве случаев, когда мы говорим о массе, на самом деле мы имеем в виду выглядящую как массу энергию. Объясню, что я имею в виду.
Несуществующая масса
Окружающие нас тела состоят из молекул, молекулы состоят из атомов, а почти вся масса атомов сосредоточена в атомных ядрах. Атомные ядра, в свою очередь, состоят из протонов и нейтронов, то есть, получается, что масса окружающих нас тел в значительной степени определяется исключительно тем, какую массу имеют составляющие их протоны и нейтроны (с некоторыми оговорками, о которых речь пойдёт ниже).
Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из кварков: в каждом из них их по три. Так вот: если мы просуммируем массу кварков, составляющих, например, протон, то окажется, что их суммарная масса составляет лишь около 1/10 от массы протона. Откуда же берутся остальные 9/10, ведь внутри протона кроме кварков других массивных, т.е. имеющих массу, частиц нет?
Всё дело в том, что кварки внутри протона или нейтрона находятся в поле ядерного взаимодействия, которое называется сильным взаимодействием. Это одна из фундаментальных физических сил, известных нам на сегодняшний день, наряду с силой тяжести, электромагнитной силой и ещё одним видом взаимодействия, именуемого слабым: в повседневной жизни мы с ним не сталкиваемся, в нашем тексте о нём речи также не будет, так что пока отложим его в сторону.
Мы знаем, что тело, помещённое в некоторое поле, в результате получает определённую энергию. Например, камень, поднятый над землёй, начинает обладать потенциальной энергией, пропорциональной его массе, ускорению свободного падения (то есть характеристике гравитационного поля Земли) и высоте. Будет обладать потенциальной энергией и заряженное тело, помещённое в электрическое поле.
Точно также и кварки внутри протона и нейтрона обладают определённой (и весьма значительной!) энергией, обусловленной их участием в сильном взаимодействии друг с другом.
Но так как эта энергия как бы «скрыта» внутри протона или нейтрона, то «снаружи» мы её не видим – за исключением наблюдаемого увеличения массы протона или нейтрона в результате эквивалентности массы и энергии.
Зафиксируем: 9/10 массы протонов и электронов – это на самом деле «законсервированная» в них энергия. И эта энергия может быть высвобождена, что и происходит в результате процессов, называемых ядерными реакциями.
Пойдём дальше, и соединим протоны и нейтроны в более сложные структуры – атомные ядра. Например, одно из простейших сложных ядер – это ядро атома дейтерия, состоящее из одного протона и одного нейтрона. Дейтерий – старший брат обычного водорода, ядро которого по сути представляет собой одиночный протон.
Так вот, масса протона составляет примерно 1,0073 т.н. атомной единицы массы, или а.е.м (1/12 массы атома углерода). Масса протона составляет 1,0087 а.е.м. Чему же будет равна масса ядра дейтерия? По идее, 1,0073 + 1,0087 = 2,016 а.е.м, не так ли?
А вот и не угадали. На самом деле масса ядра дейтерия – 2,0136 а.е.м, то есть примерно на 0,0024 меньше, чем должна быть.
То есть, сложив 2 и 2 (протон и нейтрон) мы получили не 4, как должны были бы, а 3 с чем-то. Мистика? Ничуть, если вспомнить, что на самом деле мы имеем дело не только и не столько с массой, сколько в виде «замаскированной под массу» энергией связи частиц внутри протона и нейтрона. А в физике ситуации, когда энергия связи сложной системы оказывается меньше энергии связи её элементов, нередки, и мы наблюдаем подобное чуть ли не каждый день.
Классическим примером является поведение мелких капель воды на оконном стекле или капель жира на поверхности супа. Вы, думаю, видели, как такие мелкие капельки сливаются в более крупные. В целом любые жидкие капли проявляют склонность к такому слиянию. Причина – более крупные капли обладают меньшей энергией, а точнее, меньшей энергией поверхностного натяжения.
Действительно, энергия поверхностного натяжения пропорциональна площади поверхности. А площадь поверхности двух отдельных капель до слияния оказывается большей, чем площадь поверхности «суммарной» капли после их слияния.
При этом надо помнить, что энергия поверхностного натяжения – это, в конечном счёте, энергия взаимодействия молекул внутри жидкости (которая, кстати, имеет электрическую природу, но об этом тоже в другой раз). И вот оказывается, что объект с большим числом частиц (большим объёмом, т.е. в данном случае большей массой) обладает меньшей энергией.
Куда же девается «лишняя» масса протонов и нейтронов, оказывающаяся «ненужной» в их новом связанном состоянии, характеризующимся более низкой энергией (массой)? А она высвобождается в виде чистой энергии – в основном тепловой (т.е. кинетической энергии движения частиц, например, тех же атомов и/или других частиц, получающихся в ходе ядерной реакции). При этом понятно, что количество высвобождающейся энергии можно определить всё по той самой формуле Эйнштейна про «эмцэ в квадртате», где в качестве массы будет стоять разница массы компонентов и массы получившейся из них системы: в нашем случае, протона, нейтрона и составленного из них ядра дейтерия.
В русскоязычной физической литературе эту разницу принято называть дефектом массы (имея в виду, что масса итогового ядра меньше суммы масс компонентов), в англоязычной же говорят об избытке массы (mass excess), имея в виду, что исходные компоненты по сумме тяжелее, чем получившееся из них ядро.
Зафиксируем: в результате соединения протонов и нейтронов в ядра часть их массы, обусловленной энергией связи составляющих их кварков оказывается «лишней» и высвобождается.
Больше – значит… легче?
Дефект массы сохраняется и для более сложных протон-нейтронных систем, и более того. Если мы будем «собирать» более сложные ядра не из отдельных протонов и нейтронов, а из других, более простых ядер (как это происходит на практике), то тоже будем наблюдать, что итоговое ядро будет иметь меньшую массу, чем сумма масс ядер, из которых мы его составили.
Например, если мы «склеим» три ядра атома гелия (точнее, гелия-4, в котором два протона и два нейтрона, масса 4,0026 а.е.м), то получим ядро атома углерода-12 (6 протонов, шесть нейтронов) с массой 12 а.е.м. ровно. Соответственно, при таком синтезе «лишней» окажется масса исходных ядер гелия в 0,007 а.е.м., которая выделится в виде энергии.
Эта тенденция характера для всех лёгких атомов: чем больше количество протонов и нейтронов в атоме, тем меньшая масса приходится на каждый протон и нейтрон. А значит, при слиянии более простых атомов в более сложные будет выделяться энергия. Именно этот процесс называется ядерным (термоядерным) синтезом.
Стоит добавить, что принцип «чем больше, тем легче» работает только для лёгких атомов – а именно, для элементов, чьи порядковые номера в таблице Менделеева (т.е. количество протонов в ядре) меньше чем 56, т.е. меньше чем железа. При синтезе более тяжёлых ядер энергия уже не выделяется, а поглощается, так как результат реакции оказывается тяжелее компонентов.
А начиная со свинца (атомный номер 82, т.е. 82 протона в ядре) ядра «включается» обратный процесс: энергетически выгодным (то есть, приводящим к уменьшению общей энергии системы) является процесс распада сложного атома на более простые компоненты: например, висмут-209 (83 протона, 126 нейтронов) «выплёвывает» ядро атома гелия-4 (2 протона, 2 нейтрона), превращаясь в таллий-205 (81 протон, 124 нейтрона). При этом масса гелия-4 (4,0026 аем) и таллия-205 (204,9744 а.е.м) в сумме оказывается меньше массы исходного висмута-209 (208,9804 а.е.м) на 0,003 а.е.м. Избыточная масса при распаде тяжёлых элементов выделяется в виде энергии весьма похоже на то, как это происходит при синтезе лёгких.
Последний вариант превращения массы в энергию мы уже освоили и используем в атомных реакторах, радиоизотопных электрогенераторах и других устройствах. Однако эта технология обладает рядом недостатков: для реакторов необходимо достаточно редкое и дорогое топливо, запасы которого к тому же ограничены; кроме того, побочным продуктом реакции являются высокорадиоактивные отходы, обращение с которыми представляет известную трудность.
Ядерный синтез перспективнее, однако освоить его сложнее: если тяжёлые радиоактивные ядра в принципе распадаются сами по себе, и нам остаётся лишь собирать выделившуюся энергию. Но для того, чтобы заставить склеиться лёгкие ядра, надо приложить немало сложностей.
Вопреки кулону
Вернёмся к нашему примеру с каплями на стекле (или, скажем, на поверхности супа): мы видим, что они достаточно легко сливаются без всяких усилий с нашей стороны, так как природа склонна переводить системы в состояние с минимальной энергией. Но если мы придадим нашим каплям некий одноимённый электрический заряд, то мы увидим, что сливаться капли перестали. Причина понятна: сила электростатического отталкивания препятствует их достаточному сближению.
Так вот: наши атомные «капельки»-ядра как раз имеют положительный заряд, так как состоят из нейтральных нейтронов и положительно заряженных протонов. В результате силы электростатического отталкивания также препятствуют их слиянию.
Физики говорят, что электрические силы создают между атомами потенциальный барьер, который ещё называют кулоновским. Для того, чтобы атомы могли преодолеть этот барьер и столкнуться, запустив процесс ядерного синтеза, они, во-первых, должны находиться достаточно близко друг к другу, а во-вторых иметь достаточную скорость. На языке параметров вещества это означает, что для запуска термоядерного синтеза вещество должно находиться под большим давлением и иметь высокую температуру.
Причём высокую – это мягко сказано: речь идёт о миллионах и даже десятках миллионов градусов. Для сравнения, самый жаростойкий материал, сегодня известный человечеству, а именно особый вид карбонитрида гафния (Hf-CN) имеет температуру плавления порядка 4000 градусов. Увы, это примерно в две тысячи раз меньше, чем нужно.
В принципе, мы уже умеем запускать термоядерные реакции в земных условиях – собственно, именно это происходит в термоядерных бомбах. Но там экстремальные давления и температуры возникают в эпицентре ядерного взрыва: огромная энергия выделяется за доли секунды, что отлично подходит для произведения чудовищных разрушений.
Но мирно собрать и использовать выделившуюся таким образом энергию сложновато: в термоядерном реакторе, в отличие от бомбы, энергия должна выделяться постепенно, небольшими порциями, то есть, быть устойчивой.
Устойчивые термоядерные реакции вполне прекрасно идут, например, в недрах звёзд, в том числе нашего Солнца – именно благодаря выделяющейся в результате этих реакций энергии оно и светит. Однако там экстремальные условия (температура и давление) возникли в результате гравитационного сжатия колоссальных масс вещества. Гравитация системы также обеспечивает устойчивость реакции.
Солнечная топка
В Солнце основым видом термоядерной реакции является многоступенчатое превращение водорода в гелий.
Сначала два атома водорода – по сути, обычные протоны – сливаются в нестабильную систему под названием дипротон, т.е. пару протонов, он же изотоп гелий-2. Этот изотоп крайне нестабилен и распадается в среднем через миллиардную долю секунды. Но иногда за это время один из протонов может спонтанно превратиться в нейтрон, и тогда дипротон превратится в стабильный тяжёлый водород – дейтерий (1 протон, 1 нейтрон).
Впоследствии дейтерий поглощает ещё один протон, превращаясь в стабильный изотоп гелий-3 (2 протона, 1 нейтрон). Затем два ядра гелия-3 сталкиваются, в результате чего образуется «нормальный» гелий-4 (два протона, два нейтрона), а два «лишних» протона улетают прочь.
На каждом из этих этапов выделяется энергия, благодаря которой, повторимся, и светит Солнце.
Однако на Земле осуществить подобный цикл невозможно по ряду причин.
Превращение дипротона в дейтерий – процесс вероятностный, причём вероятность того, что это случится, на самом деле невелика с учётом малого времени жизни дипротона. Для того, чтобы такая реакция шла и давала выход энергии, нужны колоссальные массы вещества. Но это полбеды, можно было бы работать, скажем, с уже готовым дейтерием (он в достаточных количествах содержится в любом количестве водорода, например, того, который можно получить из простой воды). К сожалению, это не единственная сложность.
Например, можно вместо гравитации использовать для обжатия и нагрева термоядерного топлива электромагнитные поля.
Например, можно поместить топливо в специальную конструкцию в виде полого тора (проще говоря, бублика) покрытую проводящей обмоткой. Если через эту обмотку пропускать электрический ток, то возникнет магнитное поле, которое сдавливать плазму, обжимая её от краёв канала к центру и удерживая в своеобразной магнитной ловушке без непосредственного контакта материалов реактора с раскалённым веществом.
В результате – в теории – можно в земных условиях реализовать температуры и давления, характерные для звёздных недр и запустить термоядерный синтез. Именно такие конструкции «бубликовидных» реакторов сегодня являются мейнстримом термоядерных исследований. Хотя существуют и другие перспективные схемы компоновки реакторов.
На практике же реализовать всё это достаточно сложно, ведь находящееся в столь экстремальном состоянии вещество обладает особенностями поведения, в которых мы пока что недостаточно хорошо разбираемся. И сейчас тысячи учёных по всему миру усиленно работают над тем, чтобы приручить электромагнитные поля и раскалённое вещество, заставив их подчиняться нашей воле.
На пути к искусственному Солнцу
В настоящий момент мы уже научились инициировать «медленную» реакцию в смеси вышеупомянутого дейтерия (1 протон, 1 нейтрон) с тритием (1 протон, 2 нейтрона, т.н. сверхтяжёлый водород).
В результате такой реакции образуется ядро гелия (2 протона, 2 нейтрона). Но в исходных ядрах два протона и три нейтрона, то есть, образуется «лишний» нейтрон, который улетает прочь. А это плохо.
Во-первых, с собой этот нейтрон уносит значительную (80 %) часть энергии, вырабатываемой при реакции синтеза, что сильно уменьшает её КПД.
Во-вторых, нейтронный поток негативно влияет на конструктивные свойства сооружений реактора, разрушая их. То есть, необходимо придумать и использовать какие-то «нейтронно-устойчивые» материалы.
Наконец, в-третьих, тритий очень дорог: его стоимость – 30 тысяч долларов за грамм. При сжигании в реакторе 1 грамма дейтериево-тритиевой смеси выделится энергия, эквивалентная сжиганию примерно 20 тонн угля стоимостью примерно в 2 тысячи долларов. И это без учёта того факта, что в дейтериево-тритиевой схеме мы сможем собрать лишь небольшую часть выделившейся энергии. Поэтому дейтериево-тритиевое топливо вряд ли пригодно для использования в качестве практического источника энергии, и работающие на нём реакторы имеют прежде всего научное значение: в их можно изучить и освоить технологии «управления» раскалённым газом (плазмой), полноценное овладение которыми откроет путь к использованию других видов топлива и реакций.
Например, если бы удалось создать условия, в которых сможет протекать более требовательная к ним реакция между атомами только дейтерия (без трития), то это уже вывело бы перспективы термоядерной энергетики на совершенно новый уровень. Увы, пока мы их запускать не умеем.
Ещё более интересны так называемые безнейтронные схемы: реакции, не приводящие к возникновению «паразитного» нейтронного потока. Например, использование из дейтерия и гелия-3 (2 протона, 1 нейтрон), дающие на выходе «полноценный» гелий-4 (2 протона, 2 нейтрона) и «лишний» протон.
К сожалению, гелий-3 на Земле практически не встречается, и его надо либо получать искусственно (возможно, но дорого, хотя и дешевле трития), либо можно привезти с Луны, где его по идее много. Какой путь окажется дешевле –пока неясно (космические технологии тоже не стоят на месте!), но сначала нужно научиться нормально работать с раскалённой плазмой.
Именно для этого, к слову, строят крупнейший в истории термоядерный реактор ITR во Франции: в строительстве принимают участие Россия, Казахстан, США, ЕС, Китай, Индия, Япония и Южная Корея – уже сам состав участников свидетельствует о масштабе проекта. ITR вряд ли будет давать «коммерческую» энергию, но позволит отработать все необходимые для этого технологии для применения в будущем.
Существует и альтернативный подход: так называемые импульсные термоядерные реакторы, в которых не предполагается поддерживать постоянные условия солнечного ядра, а создавать их на краткое время – достаточное, впрочем, для того, чтобы какая-то часть термоядерного топлива успела прореагировать. В таких реакторах небольшие объёмы топлива быстро «сплющиваются» мощными лазерами или потоками заряженных частиц высоких энергий.
Импульсные реакторы являются конкуретами проектов вроде ITR – какая из конструкций первой «придёт к финишу» покажет время.
