Сторінка
2
Сучасна ядерна фізика досить чітко розпадається на двох органічно взаємозалежні «галузей» – теоретичну й експериментальну ядерну фізику. Теоретична ядерна фізика «працює» з моделями атомного ядра і ядерних реакцій; вона спирається на фундаментальні фізичні теорії, створені в процесі дослідження фізики мікросвіту. Експериментальна ядерна фізика використовує найбагатший арсенал сучасних дослідницьких засобів, включаючи в себе ядерні реактори (як джерела могутніх пучків нейтронів), прискорювачі заряджених часток (як джерела пучків прискорених електронів, протонів, іонів, а також мезонів і гіперонів), різноманітні детектори часток, що виникають у ядерних реакціях. Ядерно-фізичні дослідження мають величезне чисто наукове значення, дозволяючи людині глибше проникати в таємниці будівлі матерії. У той же час ці дослідження надзвичайно важливі й у практичному відношенні (у ядерній енергетиці, медицині і т.д.)
Ядро - центральна частина атома. В ядрі атома зосереджені позитивний і негативний електричні заряди та основна частина маси атома.
В порівнянні з розмірами атома, який визначається радіусом електронних орбіт, розміри ядра назвичайно малі 10–15–10–14 м, тобто приблизно в 10 мільйонів разів менші від розміру самого атома.
Ядра всіх атомів складаються з протонів і нейтронів, котрі мають однакову масу, але лише протони несуть електричний заряд. Повне число протонів називаєтся атомним номером Z атома і співпадає з числом електронів в нейтральному атомі. Протони і нейтрони, їх ще називають нуклонами, утримуються разом дуже великими силами. По своїй природі ці сили не можуть бути ні електричними, ні гравітаційними, а по величині вони на багато порядків перевищують сили, які пов'язують електрони з ядром.
Ядро найпростішого атома – атома водню – являє собою лише протон.
У фізиці, ядерний синтез це процес під час якого два атомних ядра об'єднуються формуючи більше ядро та виділяючи енергію. Ядерний синтез є джерелом енергії в зірках та водневій бомбі.
Потрібна дуже значна кількість енергії для того щоб об'єднати два ядра, навіть для найлегшого елементу, водню. Але внаслідок об'єднання двох легших ядер, що утворюють важче ядро та вільний нейтрон виділяється більше енергії ніж затрачається на саму реакцію, тобто така реакція є екзотермічним процесом, що може продукувати самопідтримну реакцію.
Енергія що виділяється в більшості ядерних реакцій набагато більша ніж в хімічних реакціях, тому що зв'язуюча енергія що утримує частинки в ядрі разом набагато більша ніж енергія що утримує електрони в атомі. Наприклад, енергія іонізації що отримується додаванням електрону в атом водню складає 13.6 електрон-вольт — менше ніж одна мільйонна від 17 MeV що виділяються під час D-T реакції описаної нижче.
Дейтерій-тритієва реакція синтезу вважається найбільш перспективною як джерело ядерної енергії
Передумови реакції синтезу. В атомному ядрі діють дві різні сили: сильна (strong nuclear force), що утримує протони та нейтрони разом та трохи слабша електростатична між однаково зарядженими протонами ядра, що намагається розірвати ядро. Сильна сила діє на дуже коротких відстанях: між протонами та нейтронами що безпосередньо межують один з одним, що також означає що протони та нейтрони на поверхні ядра слабше утримуються аніж протони та нейтрони всередині ядра. Сила електростатичного відштовхування натомість діє на більших відстанях та є пропорційною оберненому квадрату відстані між зарядами, що означає, що кожени протон в ядрі взаємодіє з кожним іншим протоном в ядрі. Це призводить до того, що сили що утримують ядро зростають до певного розміру ядра (атом заліза), а потім починають слабшати, починаючи з урану зв'язуюча сила стає від'ємною і ядра важчих елементів стають нестабільними.
Таким чином, для здійснення реакції ядерного синтезу слід затратити певну енергію для подолання сили електростатичного відштовхування між двома атомними ядрами та звести їх на відстань де починає діяти сильна ядерна сила. Енергія що потрібна для подолання сили електростатичного відштовхування називається бар'єром Кулома (Coulomb barrier).
Бар'єр Кулома найнижчий для ізотопів водню, оскільки вони містять лишень один протон в ядрі. Для D-T суміші, результуючий енергетичний бар'єр складає 0.1 MeV. Для порівняння, щоб прибрати електрон із атому водню вимагається всього 13 eV, що в 7,500 разів менше. Коли реакція синтезу завершується, нове ядро переходить на нижчий енергетичний рівень та виділяє додаткову енергію випромінюючи нейтрон із енергією 17.59 MeV, що є суттєво більше ніж було потрібно для запуску реакції, що означає що реакція D-T синтезу є дуже екзотермічною, та є джерелом енергії.
Якщо ядра є частиною плазми поблизу стану теплової рівноваги, реакція синтезу називається термоядерним синтезом. Оскільки температура є мірою середньої кінетичної енергії часток, нагріваючи плазму можна надати ядрам достаню енергію для подолання бар'єру в 0.1 MeV. Перевівши eV в Кельвіни отримаємо температуру понад 1 GK, що очевидно є надзвичайно високою температурою.
Є однак два явища що дозволяють знизити потрібну температуру реакції. По-перше, температура відображає середню кінетичну енергію, що означає, що навіть при нижчих температурах ніж еквівалент 0.1 MeV частина ядер матиме енергію суттєво вищу ніж 0.1 MeV, решта матимуть енергію суттєво нижчу. По-друге, слід врахувати явище так званого квантового тунелювання, коли ядра що мають майже достатньо енергії для подолання бар'єру Кулома тунелюють його. Це дозволяє отримати (повільніші) реакції синтезу при нижчих температурах.
Завантажити реферат