Термоядерные реакции
Другие рефераты
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 3
Глава I: элементарные частицы и история
Немного истории 5
Строение атома 6
Глава II: термоядерные реакции
Виды термоядерных реакций 8
Протон-протонная реакция 9
Углеродно-азотный цикл 10
Глава III: солнечная энергия
Термоядерные реакции на более тяжёлых элементах 14
Первые опыты использования солнечной энергии 15
Преобразование солнечной энергии в теплоту, работу
и электричество 15
Заключение 18
Список используемой литературы 19
ВВЕДЕНИЕ
Рождение энергетики произошло несколько миллионов лет тому назад,
когда люди научились использовать огонь. Огонь давал им тепло и свет, был
источником вдохновения и оптимизма, оружием против врагов и диких зверей,
лечебным средством, помощником в земледелии, консервантом продуктов,
технологическим средством и т.д.
На протяжении многих лет огонь поддерживался путем сжигания
растительных энергоносителей (древесины, кустарников, камыша, травы, сухих
водорослей и т.п.), а затем была обнаружена возможность использовать для
поддержания огня ископаемые вещества: каменный уголь, нефть, сланцы, торф.
Прекрасный миф о Прометее, даровавшем людям огонь появился в Древней
Греции значительно позже того, как во многих частях света были освоены
методы довольно изощренного обращения с огнем, его получением и тушением,
сохранением огня и рациональным использованием топлива.
Сейчас известно, что древесина - это аккумулированная с помощью
фотосинтеза солнечная энергия. При сгорании каждого килограмма сухой
древесины выделяется около 20 000 к Дж тепла, теплота сгорания бурого угля
равна примерно 13 000 кДж/кг, антрацита 25 000 кДж/кг, нефти и
нефтепродуктов 42 000 кДж/кг, а природного газа 45 000 кДж/кг. Самой
высокой теплотой сгорания обладает водород 120 000 кДж/кг.
Человечеству нужна энергия, причем потребности в ней увеличиваются с
каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти,
угля, газа и др.) конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива - урана
и тория, из которого можно получить в реакторах-размножителях плутоний.
Практически неисчерпаемы запасы термоядерного топлива - водорода, и вот, в
"атомный" век, учёные смогли контролировать ядерный распад атомов и
использовать большую энергию, выделяющуюся при этом процессе.
Эти реакции называются термоядерные. О них в дальнейшем и пойдёт
речь. Само название уже говорит за себя, ведь слово "термоядерные"
произошло от thermos, что означает температура. Таким образом, термоядерные
реакции - это реакции, протекающие при большой температуре, когда
кинетическая энергия атомов играет значительную роль. Как дальше будет
показано энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях, достигает
колоссальных величин. Сейчас уже достоверно известно, что термоядерные
реакции являются основным источником энергии в звёздах. Именно в них
природа создаёт такие условия, при которых имеют место эти реакции.
Основные примеры термоядерных реакций: протон-протонная цепочка (pp -цикл)
и углеродно-азотный цикл Г. Бёте (CNO - цикл). В pp-цикле четыре протона
образуют одно ядро гелия (при этом два протона должны превратиться в
нейтроны). Такое соединение протонов в ядро гелия может идти различными
путями, но результат один и тот же. Энергия, выделяющаяся при одной
реакции:
Е = ?m*c[pic];
где ?m - это избыток массы четырех протонов над массой одного ядра
гелия:
Е = (4*1,00727647 - 4,002603267)*931,5016 = 24,687 МэВ на одно ядро.
Эта энергия достаточно впечатлительная величина, если учесть, что
интенсивность протекания рр-цепочки в звёздах очень велика.
В CNO-цикле ядро атома углерода, с массовым числом 12, является
катализатором, т. е. в результате нескольких реакций ядро углерода
последовательно захватывает 4 протона и, испытывая ядерный распад, опять
становится [pic]С, испуская ядро He.
ГЛАВА I. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ИСТОРИЯ
НЕМНОГО ИСТОРИИ
В 1926 г. Эддингтон опубликовал свою книгу "The Internal
Constitution of the Stars" ("Внутреннее строение звёзд"). В этой книге были
блестяще изложены представления того времени о физических основах
процессов, происходивших в звёздах. Сам Эддингтон внёс существенный вклад в
формирование этих представлений. Ещё до него в принципе было ясно, как
функционируют звёзды. Однако не было точно известно, откуда берётся
энергия, которая поддерживает излучение звёзд.
Уже тогда было понятно, что богатое водородом звёздное вещество
может быть идеальным источником энергии. Учёные знали, что при превращении
водорода в гелий освобождается столько энергии, что Солнце и другие звёзды
могут светить миллиарды лет. Таким образом, было ясно, что если
разобраться, в каких условиях идёт слияние атомов водорода, то был бы
найден великолепный источник энергии звёзд. Однако наука тех лет была ещё
очень далека от того, чтобы осуществить превращение водорода в гелий в
экспериментальных условиях.
Астрофизикам того времени оставалось только верить, что звёзды
представляют собой гигантские ядерные реакторы. Действительно, нельзя было
бы представить никакого другого процесса, который мог бы обеспечить
энергией Солнца в течение миллиардов лет. Наиболее последовательно это
мнение выразил Эддингтон. Он исходил из многочисленных и многократно
повторённых измерений светимости звёзд, которые проводили астрономы-
наблюдатели. К сожалению, физики того времени считали, что атомные ядра в
звёздах не могут реагировать друг с другом.
Эддингтон уже тогда смог рассчитать, какая температура должна
наблюдаться в недрах Солнца. По его расчётам она должна составлять
примерно 40 миллионов градусов. Такая температура, на первый взгляд очень
высокой, но ядерщики считали, что её недостаточно для протекания ядерных
реакций. При этой температуре атомы во внутренних областях солнца
перемещаются относительно друг друга со скоростями около 1000 километров в
секунду. При таких высоких температурах атомы водорода уже теряют свои
электроны, протоны уже свободно перемещаются в пространстве. Представим
себе, что два протона налетают друг на друга и, в следствия
взаимодействия, взаимно отталкиваются. При скоростях 1000 километров в
секунду протоны могут приблизится на очень малое расстояние, но под
действием силы электрического отталкивания они разлетятся прежде чем
смогут объединиться в одно ядро. Как показали расчёты, только при
температуре свыше 10 миллиардов градусов частицы движутся с такими
скоростями, что, несмотря на силы электрического отталкивания, они могу
приблизится друг другу и слиться. Солнце с температурой 40 миллионов
градусов казалось физикам слишком холодным, чтобы в его недрах могло
происходить превращение водорода в гелий. Однако Эддингтон был убеждён,
что только ядерная энергия может поддерживать излучение звезд, и оказался
прав.
СТРОЕНИЕ АТОМА
Всё что нас окружает, - горные породы, и минералы, вещества в
атмосфере и морях, клетки растений и животных, газовые туманности и звёзды
во Вселенной во всём их многообразии - всё это состоит из 92 элементарных
кирпичиков - химических элементов. Это было установлено наукой 19-го
столетия, которая тем самым упростила картину окружающего мира. Как
показывают опыты, существует 3 основных типа элементарных частиц, из
которых состоят атомы: электроны, протоны и нейтроны.
Например, ядро водорода состоит из протона, а вокруг него вращается
электрон.
Протон - это положительно заряженная частица, масса которой
[pic]1,672*10[pic] кг. Электрон - это отрицательно заряженная частица. Его
масса на три порядка меньше массы протона, а заряд электрона равен заряду
протона. Таким образом, атом в целом нейтрален. Электрон удерживается в
атоме кулоновскими силами взаимодействия и поэтому его удерживает ядро. В
следующем элементе - гелии, ядро состоит иначе, в нём есть ещё одна новая
частица (точнее две) - нейтрон. Нейтрон - это частица не имеющего заряда
(нейтральная). Как мы дальше выясним, она необходима в ядре для связи
протонов в ядре, т. к. протоны стремятся оттолкнуться друг от друга.
Целиком ядро гелия представлено двумя протонами и двумя нейтронами, а
вокруг ядра вращаются два электрона. Все атомы и ядра состоят из
определенного количества протонов и нейтронов. Сколько протонов находится в
ядре, столько же электронов обращается вокруг ядра в электронных оболочках.
Поэтому положительный заряд протонов ядра в точности компенсируется
отрицательным зарядом электронов. Собственно говоря, дело обстоит ещё
проще. Если быть более точным, то атомы состоят не из трёх типов
элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов, а всего из двух. В
атомных ядрах нейтрон может превратиться в протон и электрон, испустив
последний
| |  скачать работу |
Другие рефераты
| 
