Реферат: Синтез лёгких ядер (дефект массы) и Парадокс моделей вселенной

Негосударственное общеобразовательноеучреждение

Высшего профессионального образования

Омский Юридический Институт

                    Р Е Ф Е Р А Т

По предмету: Концепциисовременного естествознания.

Тема: Синтез лёгких ядер(дефект массы) и Парадокс моделей вселенной.

Выполнил: студент группы   

             41-у Рековский В.Р.

                             Проверил: Гайдамакин А.А.

                 

                                  Омск — 2004

 

 

Ядерная энергетика синтеза основана на синтезе легких ядер,протекающего при высоких температурах Т ³ 100 * 106 К, когда реагирующая средаявляется полностью ионизированным газом – плазмой. Изучаются различныесхемы удержания горючей плазмы.

   Первые опытные энергетические ректоры синтеза –термоядерные реакторы, — вероятно, будут построены к концу этого века.

   В настоящее мировое производство энергиисоответствует сжиганию около 10 млрд. т обычного топлива в год. В следующемвеке эта величина, вероятно, возрастет в несколько раз. Ядерная энергетикаспособна обеспечить длительное развитие человечества без ограничений со сторонытопливных ресурсов.

Синтез легких ядер

Если W> 0, то распад ядра энергетическизапрещен. Но в обратном процессе — слиянии ядер X1 и X2 — энергия исходной системы должна уменьшится на величину W. Продуктысинтеза приобретут кинетическую энергию W.

Направой половине Рис. 5 изображена реакция слияния

2H + 2H --> 3He + n + 3,2 МэВ.

<p/>

Однаконаибольший интерес представляют реакции

21H + 31H --> 42He + n + 17,6 МэВ,

<p/>

21H + 32He --> 42He + 11H + 18,3 МэВ.

<p/>

Высвобождающаясяэнергия, отнесенная к одному нуклону дейтерия, значительно большеэнергетического выхода на один нуклон делящегося изотопа урана-235. Дляреализации таких реакций необходимо сблизить ядра на расстояние R ~ 10-14м, затратив энергию k0 e2/R~ 0,15 ¸0,3 МэВ, поэтому реакции остаются энергетическивыгодными. Поскольку тритий очень радиоактивен, то реакция с использованием 3Heболее безопасна.

Надеждына практическую реализацию управляемого термоядерного синтеза продолжают оставаться«умеренно оптимистическими» на протяжении более 40 лет.

Еслибы удалось осуществить управляемые термоядерные реакции в промышленных услових,то это дало бы доступ к практически неисчерпаемым источникам энергии и избавилобы человечество от угрозы энергетического кризиса. С другой стороны, есливзорвутся те огромные запасы водородных бомб, которые накоплены (и продолжаютнакапливаться многими странами, несмотря на окончание т.н. холодной войны),то человечество и большая часть всего живого на Земле будет уничтожено.

   Дефект массы – характеристикаатомного ядра, энергия связи.

 

Задача о нецелочисленности атомного веса изотопов долго волновала учёных,но теория относительности, установив связь между массой и энергией тела (E=mc2), далаключ к решению этой задачи, а протон-нейтронная модель атомного ядра оказаласьтем замком, к которому этот ключ подошёл. Для решения данной задачи понадобятсянекоторые сведения о массах элементарных частиц и атомных ядер (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Масса и атомный вес некоторых частиц Частица Символ

Масса, кг

Масса в физической шкале[1]

Электрон

e

(9,1083±0,0003)´10-31

(5,48763±0,00006)´10–4

Протон

/>

(1,67239±0,00004)´10-27

1,007593±0,000003

Нейтрон

/>

(1,67470±0,00004)´10-27

1,008982±0,000003

Альфа-частица

/>

(6,6433±0,0001)´10-27

4,002780±0,000006

(Массы нуклидов и их разности определяют опытным путемс помощью: масс-спектроскопических измерений; измере­ний энергий различныхядерных реакций; измерений энергий β- и α-распадов; микроволновыхизмерений, дающих отношение масс или их разностей.)

Сравним массу a-частицы, т.е.ядра гелия, с массой двух протонов и двух нейтронов, из которых оно состоит.Для этого из суммы удвоенной массы протона и удвоенной массы нейтрона вычтеммассу a-частицы и полученную такимобразом величину назовём дефектом массы

Dm=2Mp+2Mn-Ma=0,03037 а.е.м.                           (1.1)

Атомная единица массы

mа.е.м.= (1,6597±0,0004)´10-27 кг.                         (1.2)

Пользуясьформулой связи между массой и энергией, делаемой теорией относительности, можноопределить величину энергии, которая соответствует этой массе, и выразить её вджоулях или, что более удобно, в мегаэлектронвольтах (1 Мэв=106эв). 1 Мэв соответствует энергии, приобретаемой электроном, прошедшимразность потенциалов в миллион вольт.

Энергия, соответствующая одной атомной единице массы, равна

E=mа.е.м.×с2=1,6597×10-27×8,99 ×1016=1,49 ×10-10 дж=931 Мэв.          (1.3)

Наличие у атомагелия дефекта массы (Dm = 0,03037 а.е.м.)означает, что при его образовании была излучена энергия (Е=Dmс2=0,03037× 931=28 Мэв).Именно эту энергию нужно приложить к ядру атома гелия для того, чтобы разложитьего на отдельные частицы. Соответственно на одну частицу приходится энергия, вчетыре раза меньшая. Эта энергия характеризует прочность ядра и является важнойего характеристикой. Её называют энергией связи, приходящейся на одну частицуили на один нуклон (р). Для ядра атома гелия р=28/4=7 Мэв, длядругих ядер она имеет иную величину.

/> <td/> />
В сороковые годы ХХ века благодаря работам Астона, Демпстера и других ученых сбольшой точностью были определены значения дефекта массы и вычислены энергиисвязи для ряда изотопов. На рис.1.1 эти результаты представлены в виде графика,на котором по оси абсцисс отложен атомный вес изотопов, а по оси ординат – средняяэнергия связи частицы в ядре.

Анализ этой кривой интересен и важен, т.к. по ней, и очень наглядно,видно, какие ядерные процессы дают большой выход энергии. По существу ядернаяэнергетика Солнца и звёзд, атомных электростанций и ядерного оружия являетсяреализацией возможностей, заложенных в тех соотношениях, которые показывает этакривая. Она имеет несколько характерных участков. Для лёгкого водорода /> энергия связи равна нулю,т.к. в его ядре всего одна частица. Для гелия /> энергиясвязи на одну частицу составляет 7 Мэв. Таким образом, переход от водорода кгелию связан с крупным энергетическим скачком. У изотопов среднего атомноговеса: железа, никеля и др. энергия связи частицы в ядре наибольшая (8,6 Мэв) исоответственно ядра этих элементов наиболее прочные. У более тяжёлых элементовэнергия связи частицы в ядре меньше и поэтому их ядра относительно менеепрочные. К таким ядрам относится и ядро атома урана-235.

Чем больше дефект массы ядра, тем большая энергия излучена при егообразовании.  Следовательно, ядерное превращение, при котором происходитувеличение дефекта массы, сопровождается добавочным излучением энергии. Рисунок1.1 показывает, что имеются две области, в которых эти условия выполняются:переход от самых лёгких изотопов к более тяжёлым, например, от водорода кгелию, и переход от самых тяжёлых, например урана, к ядрам атомов среднеговеса.

Так же есть часто используемая величина, несущая в себе ту же информацию,что и дефект масс – упаковочный коэффициент (или множитель).Упаковочный коэффициент характеризует стабильность ядра, его график представленна рисунке 1.2.

/> <td/> />
Рис. 1.2. Зависимостьупаковочного коэффициента от массового числа

Современные космологические модели Вселенной.

Как указывалось впредыдущей главе, в классической науке существовала так называемаятеориястационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда былапочти та­кой же, как сейчас. Астрономия была статичной: изучались движенияпланет и комет, описывались звезды, создавались их классификации, что было,конечно, очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.

Классическая ньютоновская космология явноили неявно принимала следующие постулаты[2]:

• Вселенная — это всесуществующая, «мир в целом». Кос­мологияпознает мир таким, как он существует сам по себе, безотносительно к условиямпознания.

• Пространство и время Вселенной абсолютны, они не за­висятот материальных объектов и процессов»

• Пространство и время метрически бесконечны.

• Пространство и время однородны и изотропны.

• Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Из­менятьсямогут конкретные космические системы, но не мир в целом.

В ньютоновской космологии возникали двапарадокса, свя­занные с постулатом бесконечности Вселенной.

Первый парадокс получил названиегравитационного. Суть его заключается в том, что если Вселенная бесконечнаи в ней существует бесконечное количество небесных тел, то сила тяго­тениябудет бесконечно большая, и Вселенная должна сколлапсировать, а не существоватьвечно.

Второй парадокс называетсяфотометрическим: если сущест­вует бесконечное количество небесных тел, тодолжна быть бесконечная светимость неба, что не наблюдается.

Эти парадоксы, не разрешимые в рамкахньютоновской космологии, разрешает современная космология, в границах которойбыло введено представление о расширяющейся и эво­люционирующей Вселенной.

Современные космологические моделиВселенной основы­ваются на общей теории относительности А. Эйнштейна, со­гласнокоторой метрика пространства и времени определяется распределениемгравитационных масс во Вселенной. Ее свой­ства как целого обусловлены среднейплотностью материи и другими конкретно-физическими факторами.

Современная релятивистская космологиястроит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения,введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности. Уравнение тяготенияЭйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличиемногих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработанасамим А. Эйнштейном в1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновскойкосмологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени. Всоответствии с космологической моделью Вселен­ной А. Эйнштейна мировоепространство однородно и изо­тропно, материя в среднем распределена в нейравномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсаль­нымкосмологическим отталкиванием. Модель А. Эйнштейна носит стационарный характер,поскольку метрика пространства рассматривается как независимая от времени.Время существования Вселенной бесконечно, т.ё. не имеет ни начала, ни конца, апространство безгранично, но конечно.

Вселенная в космологической модели А.Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве.

Эта модель казалась в то время вполнеудовлетворительной, поскольку она согласовалась со всеми известными фактами.

Но новые идеи, выдвинутые А. Эйнштейном,стимулировали дальнейшие исследования, и вскоре подход к проблеме решительноизменился.

         В том же 1917 году голландскийастроном Виллем де Ситтер предложил другую модель, представляющую собой такжерешение уравнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оносуществовало бы даже в случае “пустой” Вселенной появились массы, то решениепереставало быть стационарным: возникало некоторого рода космическогоотталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга и растворитьвсю систему. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру, становилась заметнойлишь на очень больших расстояниях.

         В 1992г. русский математик игеофизик А.А Фридман отбросил постулат классической космологии остационарности  Вселенной и получил решение уравнения Эйнштейна, описывающееВселенную с “расширяющимся” пространством.

         Решение уравнения А.А. Фридманадопускает три возможности. Если средняя плотность вещества и излучения воВселенной равна некоторой критической величине, мировое пространствооказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначальноготочечного состояния. Если плотность меньше критической, пространство обладаетгеометрией Лобачевского и также неограниченно расширяется. И, наконец, еслиплотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым,расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть допервоначального точечного состояния.

         Поскольку средняя плотностьвещества во Вселенной неизвестна, то сегодня мы не знаем, в каком из этихпространств Вселенной мы живем.

         В 1927 г. бельгийский аббат иученый Ж. Леметр связал “расширение” пространства с данными астрономическихнаблюдений. Леметр ввел понятие начала Вселенной как сингулярности (т.е.сверхплотного состояния) и рождения Вселенной как Большого   взрыва.

         В 1929 году американский астрономЭ.П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием искоростью галактик:  все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, — система галактик расширяется.

         Расширение Вселенной считается научно установленнымфактом

www.wowanium.narod.ru

wowanium@mail.ru

icq 205968979