Страница 64 из 214
Существование нейтронов было предсказано Резерфордом на том основании, что массовое число ядра всегда больше количества протонов, так что наряду с протонами в ядре должны находиться и нейтральные частицы. Нейтроны открыл Джеймс Чедвик, бомбардируя фольгу из бериллия α-частицами. Он обнаружил, что бериллий становился источником нового излучения, которое при столкновении с атомами азота оставляло следы в газовой камере. Исследуя их, Чедвик доказал, что излучение состояло из незаряженных частиц, масса которых примерно равна массе протона.
См. также статьи «Деление ядра», «Радиоактивность 1–4».
ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ
Ядерный (термоядерный) синтез — это процесс слияния легких ядер, образующих более тяжелые ядра. В результате выделяется энергия при условии, что образовавшееся ядро содержит не более 50 нейтронов и протонов. Чтобы два ядра слились, они должны приблизиться друг к другу на расстояние порядка 2–3 х 10-15 м, оказавшись в радиусе действия ядерных сил. Начальная кинетическая энергия двух сливающихся ядер должна быть порядка МэВ; только в этом случае можно преодолеть электростатические силы отталкивания между ядрами и позволить им приблизиться на расстояние 2–3 х 10-15 м. Такие условия создаются внутри звезды в результате чрезвычайно высокой температуры, которая поддерживается энергией, выделяемой при слиянии ядер водорода (протонов) и образовании ядер гелия и других элементов. Энергия, выделяемая на одно ядро гелия, равна приблизительно 7 МэВ на нуклон, что значительно больше энергии, выделяемой при делении ядер.
Реакция синтеза может поддерживаться в термоядерном реакторе, где магнитные поля удерживают плазму из ионизированного водорода при пропускании через нее тока с очень большой силой, порядка 106 А. Этого тепла достаточно, чтобы вызвать реакцию синтеза, при которой из ядер водорода образуются ядра гелия и других более тяжелых элементов; при этом наблюдаются следующие стадии:
1) р + р —> 21H + 01β+ 0,4 МэВ (в плазме);
2) 21H + 31H1 —> 42Не + 10n + 17,6 МэВ (в плазме);
3) 63Li + 10n —> 42Не + 31H + 4,8 МэВ (в литиевой оболочке, окружающей реактор).
Тритий (31H), образующийся в литиевой оболочке, удаляется из нее и подается в плазму. Нейтроны, выделяемые в плазме, поглощаются ядрами лития; при этом образуются ядра трития и гелия. Таким образом, общий процесс выделяет 22,8 МэВ энергии на каждые четыре протона и нейтрона, из которых образуется ядро гелия. Сырьем служат водород и литий. Теоретически энергии, выделяемой при реакции синтеза, должно быть более чем достаточно для поддержания высокой температуры плазмы. Однако в настоящий момент невозможно добиться того, чтобы в таком реакторе выделялось больше энергии, чем необходимо для поддержания реакции синтеза.
Словарь
Адрон — любая элементарная частица, испытывающая сильное ядерное взаимодействие.
Активность — степень распада нестабильных ядер.
Амплитуда — максимальное смещение колеблющихся частиц относительно точки равновесия.
Барион — частица, состоящая из трех кварков.
Диффузия — постепенное и равномерное распространение хаотически движущихся частиц в веществе.
Длина волны — наименьшее расстояние между колеблющимися частицами, в один и тот же момент перемещенными на равное расстояние в том же направлении.
Дыра — переносчик положительного заряда в полупроводниках p-типа, обладающий зарядом, количественно равным заряду электрона. Фактически представляет собой вакансию электрона в атоме полупроводника.
Заряд — существует два типа заряда, положительный и отрицательный. Частицы, имеющие заряд одного типа, отталкиваются друг от друга, а частицы, имеющие разноименные заряды, притягиваются. Заряд измеряется целым числом е, соответствующим заряду электрона.
Изотопы элемента — это атомы, имеющие одно и то же число протонов, но различное число нейтронов в ядре.
Импульс — произведение массы на скорость тела.
Интенсивность — количество энергии, переносимой в секунду волной или излучением через единицу площади поверхности.
Ион — атом, имеющий заряд. В незаряженных атомах число электронов равно числу протонов. При удалении электрона атом становится положительным ионом, при добавлении электрона — отрицательным.
Лептон — любая частица, испытывающая слабое взаимодействие.
Масса — мера инерции или сопротивления движению тела.
Напряжение — то же, что и разность потенциалов.
Нейтрон — незаряженная частица, масса которой немного больше массы протона. Ядро каждого атома состоит из одного или более протонов и нейтронов.
Перемещение — расстояние, пройденное от некоей точки в определенном направлении.
Период полураспада — время, необходимое для распада половины ядер радиоактивного изотопа.
Протон — положительно заряженная частица, представляющая собой ядро самого легкого атома (атома водорода).
Связь — любые силы, удерживающие вместе две частицы.
Сила — любое взаимодействие, служащее причиной движения тела.
Скорость — быстрота перемещения тела в определенном направлении.
Скорость света — скорость света в вакууме, приблизительно равная 300 000 км/с. Ни одно тело не может перемещаться с большей скоростью.
Спин — собственный угловой момент частицы. Он постоянен и равен s(h/2n), где s — спиновое число, выражаемое как целое число, умноженное на 1/2.
Спин электрона равен 1/2. Частицы с полуцелым спином (1/2, 3/2 и т. д.) называются фермионами, а с нулевым или целым (0, 1 и т. д.) — бозонами.
Среднеквадратичная скорость — квадратный корень из суммы квадратов всех скоростей молекул, деленной на число молекул в идеальном газе. Смысл среднеквадратичной скорости заключается в том, что она пропорциональна абсолютной температуре газа.
Угловой момент (количество движения) — произведение импульса частицы на длину перпендикуляра, опущенного из неподвижной точки к направлению ее движения.
Удельный заряд — отношение заряда к массе заряженной частицы.
Ускорение — быстрота изменения скорости.
Фаза — часть цикла колеблющегося тела, повторяющаяся через определенный интервал времени.
Частота — количество циклов колебаний колеблющегося тела, каждый цикл определяется колебанием от одного максимума до другого и обратно.
Электрон-вольт — 1,6х10-19 Дж; количество работы, образующееся при перемещении электрона по проводнику с разницей потенциалов в 1 вольт. 1 МэВ = 1,6 х 10-13 Дж.
Электронная оболочка — наиболее вероятное местоположение электрона в атоме. Энергия электрона в каждой оболочке постоянна.
Энергия (механическая) — способность тел перемещаться или взаимодействовать.
ПРАКТИКА
Выращивание грибов (часть книги)
Превратить грибы в такую же сельскохозяйственную культуру, как зерновые злаки, овощи, фрукты, люди пытаются с давних пор. Еще две тысячи лет тому назад в странах Юго-Восточной Азии начали культивировать произрастающий на древесине гриб Спитаке. В Китае и Корее уже в VI столетии культивировали аурикулярию уховидную, или иудино ухо, а также близкие к нему виды, называемые древесными ушами, — хрящеватые студенистые грибы, развивающиеся преимущественно на мертвой древесине и по форме напоминающие ушную раковину человека или животных. Имеются сведения, что в Древней Греции в 300-м году до нашей эры пытался заниматься разведением грибов Теофраст. В 50-х годах нашей эры отдельные съедобные грибы размножали путем закапывания их в землю или поливания участков (в местах, по условиям соответствующих естественному обитанию этих грибов) водой, в которой какое-то время содержались грибы. Почти таким же способом в середине XVII столетия садовники Парижа возделывали культуру шампиньона — воду, в которой промывали грибы, они выливали на гряды с отходами от дынь. Вначале эти грибы разводили в окрестностях Парижа, в старых заброшенных каменоломнях, где некогда брали камень для его постройки, в частности в местах, где в течение всего года сохраняются благоприятные для роста шампиньонов температура (12–14 °C) и аэрация. Первую книгу о культивировании шампиньонов написал в 1600-м году известный во Франции агроном-литератор Оливье.