Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и для самообразования - Яворский Б.М.
Скачать (прямая ссылка):
500
ОТДЕЛ vi. ГЛ. 4. СВОЙСТВА АТОМНЫХ ЯДЕР
С периодом полураспада 14 минут в ядре 1IN происходит превращение (VI.4.10.3 ) Ip-^Jn+Je+Sv«, и образуется ядро изотопа "С:
— 1IC+ Je + Sv
Приблизительно через каждые 2,7 млн. лет ядро "С, захватив протон, образует ядро устойчивого изотопа азота 14N:
^C + ip-14N+ 7.
Спустя, в среднем, 32 млн. лет ядро 14N захватывает протон и превращается в ядро кислорода "О:
1JN+ Jp— 'SO+ Y-
Неустойчивое ядро "О с периодом полураспада 3 минуты испускает позитрон и нейтрино и превращается в ядро
»JO-H.»N + +Je + Jv,.
Цикл завершается реакцией поглощения ядром "N протона с распадом его на ядро углерода 12C и а-частицу. Это происходит приблизительно через 100 тысяч лет:
1JN+ 1P- 12C+ 4He.
Новый цикл начинается вновь с поглощением углеродом "С протона, происходящего в среднем через 13 млн. лет. Отдельные реакции цикла отдалены во времени промежутками, которые являются по земным масштабам времени непомерно большими. Однако цикл является замкнутым и происходит непрерывно. Поэтому различные реакции цикла происходят на Солнце одновременно, начавшись в разные моменты времени.
6°. В результате одного цикла четыре протона сливаются в ядро гелия с появлением двух позитронов и у-излучения. К этому нужно добавить излучение, возникающее при слиянии позитронов с электронами плазмы (VI.5.3.2°). При образовании одного грамматома гелия выделяется 700 тысяч кВт-ч энергии. Это количество энергии компенсирует потери энергии Солнца на излучение. Расчеты показывают, что количества водорода, имеющегося на Солнце, хватит, для поддержания термоядерных реакций и излучения Солнца на миллиарды лет.
7°, Осуществление термоядерных реакций в земных условиях создаст огромные возможности для получения энергии. Например, при использовании дейтерия, содержащегося в литре обычной воды, в реакции термоядерного син-
4.16. УСКОРИТЕЛИ
501
теза выделится столько же энергии, сколько выделяется При сгорании около 350 л бензина.
Условия, близкие к тем, которые реализуются в недрах Солнца, были осуществлены в водородной бомбе. Там происходит самоподдерживающаяся термоядерная реакция взрывного характера. Взрывчатым веществом является смесь дейтерия 2D и трития 3T. Высокая температура, необходимая для протекания реакции, получается за счет взрыва обычной атомной бомбы, помещенной внутри термоядерной.
8°. Изучение реакций, происходящих в высокотемпературной дейтериевой плазме (III.3.6.Г), является теоретической основой получения искусственных управляемых термоядерных реакций. Основной трудностью является поддержание условий, необходимых для осуществления самоподдерживающейся термоядерной реакции. Для такой реакции необходимо, чтобы скорость выделения энергии в системе, где происходит реакция, была не меньше, чем скорость отвода энергии от системы. При температурах порядка 108 К термоядерные реакции в дейтериевой плазме обладают заметной интенсивностью и сопровождаются выделением большой энергии. В единице объема плазмы при соединении ядер дейтерия выделяется мощность 3 кВт/м3. При температурах порядка 106 К мощность составляет всего лишь 10~*7 Вт/м3.
9°. Потери энергии в высокотемпературной плазме связаны главным образом с уходом тепла через стенки устройства. Плазму необходимо термоизолировать от стенок. С этой целью применяются сильные магнитные поля (магнитная термоизоляция плазмы). Если через столб плазмы в направлении его оси пропустить большой электрический ток, то в магнитном поле этого тока возникают силы, которые сжимают плазму в плазменный шнур, оторванный от стенок. Удержание плазменного шнура в отрыве от стенок и борьба с различными неустойчивостями плазмы являются сложнейшими задачами, решение которых должно привести к практическому осуществлению управляемых термоядерных реакций.
4.16. Ускорители
Г. Устройства для получения заряженных частиц с весьма большой кинетической энергией называются ускорителями. Различаются следующие методы ускорения частиц:
502
ОТДЕЛ VI. ГЛ. 4. СВОЙСТВА АТОМНЫХ ЯДЕР
прямой, индукционный и резонансный. По форме траекторий движения частиц ускорители делятся на линейные и циклические. В линейных ускорителях траектории движения частиц близки к прямым линиям. В циклических ускорителях траектории являются окружностями или спиралями.
2°. В прямых линейных ускорителях частица однократно проходит в электрическом поле большую разность потенциалов (ф2—(pi) и приобретает при этом большую кинетическую энергию то212, равную (111.1.8.5°) /m>2/2=g((p2—фі), где q — абсолютная величина заряда частицы.
3°. Индукционным ускорителем электронов является бетатрон. В основу его устройства положено явление возникновения в пространстве вихревого электрического поля под влиянием переменного магнитного поля (111.5.3.3°). На рис. VI.4.10 изображена схема бетатрона. Между полюсными наконечниками Л и С сильного электромагнита помещается вакууми-рованная кольцевая ускорительная камера D, имеющая форму замкнутого кольца. Ось камеры совпадает с осью симметрии 00' полюсных наконечников электромагнита. Изменение силы тока в обмотке электромагнита вызывает в пространстве между полюсами электромагнита изменение магнитного поля и возникновение вихревого электрического поля. Магнитное поле симметрично относительно оси 00'. Линии напряженности вихревого электрического поля (111.1.3.5°) в плоскости MN, перпендикулярной к оси 00' и проходящей через середину зазора между полюсами, имеют вид окружностей, центры которых находятся в точке К. Напряженность E электрического поля по модулю одинакова во всех точках каждой окружности.
