Термоядерные реакции
Другие рефераты
Ростовский Государственный Университет
Физический факультет
Курсовая работа
На тему:
«Термоядерные реакции»
Выполнил
студент 2 к. 4гр.
Гапоненко А. Н.
Руководитель
____________
Ростов-на-Дону
2003 г.
Введение.
С давних пор человечество ищет универсальный источник энергии. Сначала
это было просто химическая энергия связи атомов в веществах, затем, с
помощью хитроумных механизмов, учёные старались преобразовать энергию из
других видов в тепловую. И вот, в "атомный" век, учёные смогли
контролировать ядерный распад атомов и утилировать большую энергию,
выделяющуюся при этом процессе.
Однако, существует ряд новых реакций. 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 это: протон-
протоная 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.
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 за пределы ядра (т. к. при распаде нейтрона энергия избытка масс
нейтрона над протоном и электроном переходит в кинетическую энергию и
распределяется между двумя последними частицами). Последний процесс физики
называют ?[pic]- распад. Так как при ?[pic]- распаде в ядре количество
протонов увеличивается на 1, а следственно и заряд, то порядковый номер
ядра увеличивается и оно становится уже ядром нового элемента. Кстати,
именно таким образом были синтезированы многие последние элементы таблицы
Менделеева. Но возвратимся к нашему нейтрону. Если каким-то образом, в ходе
эксперимента будет получен свободный нейтрон, то он нестабилен и через 17,3
минут распадается по выше указанному правилу. Поэтому можно считать, что
окружающий нас мир во всём своём многообразии построен только из протонов и
электронов. Интересно заметить, что химическое свойство атома определяет
заряд ядра. Это объясняется, прежде всего, тем, что электроны в атоме
образуют электронные оболочки согласно заряду ядра, а именно они (оболочки)
и определяют химические связи в молекулах. Поэтому ядра с разным массовым
числом, но с одинаковым зарядом ядра называются изотопами, т. к. они имеют
одинаковые химические, но разные физические свойства. Так, например, кроме
обычного водорода существует так называемый тяжёлый водород. В ядре этого
изотопа кроме одного протона есть ещё и один нейтрон. Такой изотоп
называется дейтерием. Он в небольшом количестве встречается в природе.
Однако количество изотопов для данного вещества ограниченно. Это связанно с
тем, что протоны и нейтроны в ядре создаю свою своеобразную структуру, т.
е. существуют некоторые подуровни, которые заполняются нуклонами (нуклоны -
это протоны и нейтроны, т. е. те которые в ядре) и, если количество
некоторых (протонов или нейтронов) больше критического значения, то ядро
претерпевает ядерную реакцию. Более тяжёлые элементы, такие как железо,
имеют в ядре 26 протонов и 30 нейтронов. Как видно нейтронов больше, чем
протонов. Всё дело в том, что 26 положительно заряженных частиц за счёт
кулоновского отталкивания стремятся разлететься в разные стороны, а их
удерживает так называемые ядерные силы. Эти силы обуславливаются взаимными
превращениями нуклонов в ядре. Нейтрон, в ядре, испускает новую частицу -
?[pic]-мезон и превращается в протон, а протон захватывает эту частицу,
превращаясь в нейтрон. Так происходит взаимопереход одних частиц в другие и
ядро не распадается. В лёгких ядрах силы отталкивания не очень велики и на
каждый протон хватает по одному нейтрону, а в более тяжёлых элементах, для
стабильного ядра нужен избыток нейтронов.
Классическая теория не может описать теорию строения ядра, т. к.
частицы микромира не подчиняются законам Ньютона. Это, прежде всего,
связано с исключительным свойством материи, о чём гласит один из законов
квантовой механики - энергия принимает дискретные значения. Так же
трудность состоит в том, что частицу микромира невозможно описать как
материальную точку. Об этом гласит уравнение Шрёдингера. Т. е. можно лишь с
некоторой вероятностью предсказать в какой точке пространства находится
исследуемый объект, имея скорость, заключённую в некоторый интервал
скоростей.
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
| |  скачать работу |
Другие рефераты
| 
