Для осуществления ядерной реакции под действием положительно заряженной частицы необходимо, чтобы частица обладала кинетической энергией, достаточной для преодоления действия сил кулоновского отталкивания. Незаряженные частицы, например нейтроны, могут проникать в атомные ядра, обладая сколь угодно малой кинетической энергией. Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы, ионы).
Первая реакция бомбардировки атомов быстрыми заряженными частицами была осуществлена с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году:
73Li + 11H → 42He + 42He
Однако наиболее интересными для практического использования являются реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их превращения. Выдающийся итальянский физик Э. Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями.
Для осуществления ядерной реакции под действием положительно заряженной частицы необходимо, чтобы частица обладала кинетической энергией, достаточной для преодоления действия сил кулоновского отталкивания. Незаряженные частицы, например нейтроны, могут проникать в атомные ядра, обладая сколь угодно малой кинетической энергией.
Ускорители заряженных частиц (сообщение ученика)
Чтобы проникнуть в тайны микромира, человек изобрел микроскоп. Со временем выяснилось, что возможности оптических микроскопов весьма ограничены – они не позволяют «заглянуть» с глубь атомов. Для этих целей более подходящими оказались не световые лучи, а пучки заряженных частиц. Так, в знаменитых опытах Э.Резерфорда использовался поток α-частиц, испускаемых радиоактивным препаратами. Однако природные источники частиц (радиоактивные вещества) дают пучки очень малой интенсивности, энергия частиц оказывается относительно невысокой, к тому же эти источники неуправляемы. Поэтому возникла проблема создания искусственных источников ускоренных заряженных частиц. К ним относятся, в частности, электронные микроскопы, в которых используются пучки электронов с энергиями порядка 105 эВ.
|
|
В начале 30-х годов 20-го столетия появились первые ускорители заряженных частиц. В этих установках заряженные частицы (электроны или протоны), двигаясь в вакууме под действием электрических и магнитных полей, приобретают большой запас энергии (ускоряются). Чем больше энергия частицы, тем меньше ее длина волны, поэтому такие частицы в большей степени подходят для «прощупывания» микрообъектов. В то же время с возрастанием энергии частицы расширяется число вызываемых ею взаимопревращений частиц, приводящих к рождению новых элементарных частиц. Следует иметь в виду, что проникновение в мир атомов и элементарных частиц обходится недешево. Чем выше конечная энергия ускоряемых частиц, тем более сложными и крупными оказываются ускорители; их размеры могут достигать нескольких километров. Существующие ускорители позволяют получать пучки заряженных частиц с энергиями от нескольких МэВ до сотен ГэВ. Интенсивность пучков частиц достигает 1015 – 1016 частиц в секунду; при этом пучок может быть сфокусирован на мишени площадью всего нескольких квадратных миллиметров. В качестве ускоряемых частиц чаще всего используются протоны и электроны.
|
|
Наиболее мощные и дорогостоящие ускорители строятся с чисто научными целями – чтобы получать и исследовать новые частицы, изучать взаимопревращения частиц. Ускорители относительно невысоких энергий широко применяются в медицине и технике – для лечения онкологических больных, для производства радиоактивных изотопов, для улучшения свойств полимерных материалов и для многих других целей.
Многообразие существующих типов ускорителей можно разбить на четыре группы: ускорители прямого действия, линейные ускорители, циклические ускорители, ускорители на встречных пучках.
Где находятся ускорители? В Дубне (Объединенный институт ядерных исследований) под руководством В.И.Векслера в 1957 году построен синхрофазотрон. В Серпухове – синхрофазотрон, длина его кольцевой вакуумной камеры, находящейся в магнитном поле, составляет 1,5 км; энергия протонов 76 ГэВ. В Новосибирске (институт ядерной физики) под руководством Г.И.Будкера введены в действие ускорители на встречных электрон-электронных и электрон-позитронных пучках (пучки по 700 МэВ и 7 ГэВ). В Европе (ЦЕРН, Швейцария – Франция) работают ускорители со встречными протонными пучками по 30 ГэВ и с протон-антипротонными пучками по 270 ГэВ. В настоящее время в ходе сооружения Большого адронного коллайдера (БАК) на границе Швейцарии и Франции завершен ключевой этап строительных работ – монтаж сверхпроводящих магнитов ускорителя элементарных частиц.
|
|
Коллайдер строится в туннеле с периметром 26650 метров на глубине около ста метров. Первые тестовые столкновения в коллайдере планировалось провести в ноябре 2007 года, однако происшедшая в ходе испытательных работ поломка одного из магнитов, приведет к некоторой задержке в графике ввода установки в строй. Большой адронный коллайдер предназначен для поиска и изучения элементарных частиц. После запуска БАК будет самым мощным ускорителем элементарных частиц в мире, почти на порядок превосходя своих ближайших конкурентов. Сооружение научного комплекса Большого адронного коллайдера ведется более 15 лет. В этой работе участвуют более 10 тысяч человек из 500 научных центров всего мира.
Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Энергетическим выходом ядерной реакции называется величина:
Q = (M A + M B – M C – M D) c 2 = Δ Mc 2, где M A и M B – массы исходных продуктов, M C и M D – массы конечных продуктов реакции. Величина Δ M называется дефектом масс. Ядерные реакции могут протекать с выделением (Q > 0) или с поглощением энергии (Q < 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину | Q |, которая называется порогом реакции.
Для того чтобы ядерная реакция имела положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна быть меньше удельной энергии связи нуклонов в ядрах конечных продуктов. Это означает, что величина Δ M должна быть положительной.