Реакция синтеза атомных ядер

Ядерный синтез, т. е. слияние легких ядер в одно ядро, сопровождается, как и деление тяжелых ядер, выделением огромного количества энергии. Поскольку для синтеза ядер необходимы очень высокие температуры, этот процесс называется термоядерной реакцией.

Чтобы преодолеть потенциальный барьер, обусловленный кулоновским отталкиванием, ядра с порядковыми номерами Z₁ и Z₂ должны обладать энергией:

(15.7)

где r_ядра – радиус действия ядерных сил. Эта энергия составляет величину ~ 0.7 МэВ, т.е. на долю каждого сталкивающегося ядра приходится 0.35 МэВ. Чтобы покрыть дефицит такой энергии за счет теплового движения, температура в зоне реакции должна составлять примерно 10⁹ К. Однако синтез легких ядер может протекать и при значительно меньших температурах. Дело в том, что из-за случайного распределения частиц по скоростям всегда имеется некоторое число ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение.

Кроме того, что особенно существенно, слияние ядер может произойти вследствие туннельного эффекта. Поэтому некоторые термоядерные реакции протекают с заметной интенсивностью уже при температурах порядка 10⁷ К.

Особенно благоприятны условия для синтеза ядер дейтерия и трития. Именно эти вещества образуют заряд водородной (или термоядерной) бомбы. Запалом в такой бомбе служит обычная атомная бомба, при взрыве которой возникает температура порядка 10⁷ К. При такой температуре протекает реакция синтеза дейтрона d и ядра трития :

(15.8)

Эта реакция сопровождается выделением энергии, равной 17.6 МэВ, что составляет около 3.5 МэВ на один нуклон. Для сравнения укажем, что деление ядра урана приводит к высвобождению приблизительно 0.85 МэВ на нуклон. Осуществление управляемого термоядерного синтеза даст человечеству практически неисчерпаемый источник энергии.

До недавнего времени считалось, что синтез ядер водорода в ядра гелия является основным источником энергии Солнца и других звезд, температура в недрах которых достигает 10⁷ – 10⁸ К. Эта теория подвергнута сомнениям, т.к. в раскаленных звездах должно протекать бесчисленное множество реакций синтеза, и они должны сопровождаться выделением нейтрино. Однако, количество выделяющихся на солнце нейтрино крайне мало.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящем пособии были рассмотрены основные вопросы квантовой физики - квантовая природа электромагнитного излучения, физика атомов, молекул, кристаллических тел и ядер, представлены элементы квантовой механики. Уделено внимание тому, как квантовые свойства микрообъектов отражаются на макроскопических характеристиках тел. Приведен ряд примеров прикладного использования квантовых явлений в науке и технике.

Пособие предусмотрено для использования в качестве дополнительного материала при самостоятельном изучении курса студентами-бакалаврами 1-2 курсов инженерно-технических специальностей ВТУЗов.

Приведенный в пособии материал, с одной стороны, является достаточным для формирования целостной картины природы квантового мира, с другой стороны, изложен достаточно кратко, чтобы его можно было изучить в рамках отведенного времени.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Савельев И.В. Курс общей физики / И.В. Савельев. М.: Наука, 1989. Т. 1 – 3.

2. Типлер П. А.Современная физика: пер. с англ.: в 2-х т. / П. А. Типлер, Р. А. Ллуэллин: Т. 1. М.: Мир, 2007. 496 с.

3. Гольдин Л. Л. Квантовая физика. Вводный курс /Л. Л. Гольдин, Г. И Новикова. М: Институт компьютерных исследований, 2002. 490 с.

4. Бейзер А. Основные представления современной физики: пер. с англ. / А. Бейзер. М.: Атомиздат, 1973. 548 с.

5. Трофимова Т. И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т. И. Трофимова. М.: Издательский центр «Академия», 2006. 560 с.

6. Джанколи Д. Физика: пер. с англ.: в 2-х т. / Д. Джанколи. Т. 2. М.: Мир, 1989. 673 с.

7. Белонучкин В.Е. Основы физики. Курс общей физики: учебник в 2-х т. Т. 2. Квантовая и статистическая физика. / В.Е. Белонучкин, Д. А. Заикин, Ю.М. Ципенюк: М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. 504 с.

8. Дмитриева В.Ф. Основы физики / В.Ф. Дмитриева, В.Л. Прокофьев. М.: Высшая школа, 2001. 527 стр.

9. Детлаф А.А. Курс физики: учеб. пособие для втузов /А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. 4-е изд., испр. М.: Высшая школа, 2002. 718 с.

10. Астахов А. В. Курс физики: учеб. пособие в 3-х т. Т. 3. Квантовая физика / А. В. Астахов, Ю. М. Широков:. М: Наука, 1983. 240 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..3

I. КВАНТОВАЯ ПРИРОДА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ………………………………………………3

1.1. Свойства теплового излучения…………………………………...4

1.2. Функция Кирхгофа. Абсолютно черное тело……………………6

1.3. Закон Стефана-Больцмана. Формула Рэлея-Джинса. Закон смещения Вина……………………………………..………………9

1.4. Теория Планка……………………………………………………11

2. КВАНТОВЫЕ СВОЙСТВА ИЗЛУЧЕНИЯ…………………………….13

2.1. Фотоэффект………………………………………………………13

2.2. Энергия, масса и импульс фотона. Давление света……………18

2.3. Эффект Комптона………………………………………………..20

II. ОСНОВЫ АТОМНОЙ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ…………………..24

3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ В АТОМНЫХ СПЕКТРАХ………………...…24

4. ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ……………………………32

4.1. Волновые свойства вещества. Гипотеза де Бройля……………32

4.2. Принцип неопределенности Гейзенберга………………………35

4.3. Волновая функция………………………………………………..38

5. КВАНТОВЫЕ УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ………………………...…41

5.1.Уравнение Шредингера………………………………………….41

5.2. Уравнение Шредингера для свободной частицы………………41

5.3. Уравнение Шредингера для частицы в силовом поле…………42

5.4. Стационарное уравнение Шредингера…………………………42

5.5. Уравнение Шредингера для частицы в потенциальной яме…43

6. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ………………………………………………………………..47

6.1. Прохождение частицы через потенциальный барьер. Туннельный эффект........................................................................47

6.2. Гармонический осциллятор. Фононы…………………………..50

7. КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ АТОМА ВОДОРОДА…………………………………………………………………54

7.1. Уравнение Шредингера для атома водорода. Главное квантовое число………………………………………………………………...54

7.2. Момент импульса атома. Орбитальное и магнитное квантовые числа…………………………………………………...56

7.3. Правила отбора. Спектры атомов……………………………….59

7.4. Собственный момент электрона………………………………...62

8. ФИЗИКА МНОГОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ………………………..66

8.1. Спектры многоэлектронных атомов. Принцип Паули………...66

8.2. Эффект Зеемана…………………………………………………..70

8.3. Природа химической связи. Виды молекул……………………72

9. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРОВ………………………………….79

9.1. Спонтанное и вынужденное излучение………………………...79

9.2. Принцип работы и устройство лазеров…………………………82

III. ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ СТАТИСТИКИ………………………………..86

10. Статистика Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака……………………….86

IV. ЗОННАЯ ТЕОРИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ………………………………………..90

11. МЕТАЛЛЫ, ПОЛУПРОВОДНИКИ, ДИЭЛЕКТРИКИ……………...90

12. СОБСТВЕННАЯ И ПРИМЕСНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ……………………………………………………99

12.1. Собственная проводимость……………………………………..99

12.2. Примесная проводимость……………………………………..101

12.3. Квантовая теория проводимости металлов……………….....105

12.4. Сверхпроводимость……………………………………………107

V. ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ……………………………………………110

13. ХАРАКТЕРИСТИКИ АТОМНОГО ЯДРА………………………….110

13.1. Состав и характеристики атомных ядер……………………..110

13.2. Модели ядра: капельная и оболочечная……………………..113

13.3.Ядерные силы…………………………………………………...117

13.4. Образование ядер. Дефект масс……………………………....119

14. РАДИОАКТИВНОСТЬ И ЕЕ ВИДЫ………………………………..120

14.1. Закон радиоактивного превращения……………..……..........120

14.2. Альфа-распад…………………………………………………..123

14.3. Бета-распад……………………………………………………..124

14.4. Спонтанное деление тяжелых ядер Гамма излучение…….....126

15. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ………………………………………………..126

15.1. Вынужденные ядерные процессы............................................126

15.2. Реакция деления ядра..................................................................128

15.3. Реакция синтеза атомных ядер.................................................130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................132

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................................133

Учебное издание

 

 

Рембеза Екатерина Станиславовна

Железный Владимир Семенович

Косякова Екатерина Александровна

 

 

КВАНТОВАЯ,

АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА:

КУРС ЛЕКЦИЙ

 

В авторской редакции

 

Компьютерный набор Е.А. Косяковой

 

 

Подписано к изданию 02.12.2011.

Объем данных 3,95 МБ.

 

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический

университет»

394026 Воронеж, Московский просп., 14