Ядерна фізика і будова Сонця

Введення

Більшість людей, які не мають відношення до науки, думають, що ядерна фізика - щось дуже складне, недоступне для розуміння нормальній людині. Це не так, друзі мої, переконайтеся самі! Перед вами підручник, у якому максимально доступною мовою і буквально на кількох сторінках викладено суть найважливіших розділів цієї галузі знань. Допитливий читач знайде тут багато корисного. Сподіваюся, підручник вам здасться цікавим і в скрутну хвилину допоможе блиснути своїми знаннями в компанії друзів!

Будова речовини

Всі оточуючі нас предмети, а також і живі істоти складаються з маленьких частинок, звичайно - молекул. Молекули ж, у свою чергу, складаються з атомів. У складі молекули може бути багато атомів, приклад тому - звичайний спирт. Молекула може складатися також з невеликої кількості атомів, буває, навіть з одного атома! Люди в таких випадках зазвичай говорять, що предмет просто складається з атомів. Мідна дріт, наприклад, складається з молекул, кожна з яких має в своєму складі єдиний атом. Можна сказати, що мідний дріт просто складається з атомів міді!

Пристрій атомів

Атоми, у свою чергу, теж складаються з частинок. У середині кожного атома знаходиться ядро, що складається з двох видів часток - протонів і нейтронів. Бувають ядра, в яких зовсім немає нейтронів (приклад тому - ядро атома водню), але це у нас трапляється рідко. Протони і нейтрони мають дуже маленьку масу, приблизно рівну масі атома водню. Кожен протон заряджений позитивно, і величина його заряду рівна 1. А ось нейтрон - той ні крапельки не заряджений, тобто заряд його просто дорівнює нулю! Якщо подивитися на ядро в зборі, то воно в цілому виявиться зарядженим позитивно, а заряд його буде дорівнює числу що містяться в ядрі протонів. Щоб врівноважити позитивний заряд ядра, необхідно оточити його в атомі негативно зарядженими частинками, що називаються електронами. Заряд одного електрона дорівнює -1, тобто для нейтралізації позитивного заряду необхідно розташувати стільки ж електронів, скільки протонів міститься в атомному ядрі. Маса кожного електрона в тисячі разів менша за масу протона (або нейтрона), тому будь-який атом важить приблизно стільки ж, скільки важить його ядро. Протон, нейтрон, електрон, а також і всякі інші трудноделімие частинки справжні фахівці в ядерному справі часто називають елементарними частинками.

Стан атомa

Якщо атом не чіпати, то він буде жити своїм життям у так званому "основному" стані, в якому електрони розташовуються навколо ядра в строго визначених місцях відповідно до відомими їм законами. Якщо на атом вплинути, добряче нагрів предмет або помістивши в сильне електромагнітне поле, то деякі електрони просто не зможуть втриматися на своїх місцях і почнуть від надлишку енергії переміщатися на більше від ядра відстань. Такий стан атома називають "порушених". Буває, однак, що через деякий час частина електронів повертається на свої законні позиції, при цьому той самий надлишок енергії вихлестивается назовні, викликаючи яскраве свічення. Саме таким чином виникає світіння електричної лампочки, коли під дією електричного струму численні атоми вольфраму дружно переходять то в збуджений стан, то назад. Якщо ще більше посилити вплив на атом, то частина електронів може зовсім полетіти, при цьому атом у цілому придбає позитивний заряд. Такий стан атома називають "іонізованою", а сам атом називають "іоном". На явищі улетанія електронів засновано пристрій кінескопа Вашого телевізора. З нагрітої нитки вилітають негативно заряджені електрони, які тут же прямують до позитивно зарядженого екрану телевізора, викликаючи його світіння. Якщо добре постаратися, то можна змусити полетіти з атома абсолютно всі електрони! Атом у такому стані вже ніяк не називається, тому що це тепер не атом, а звичайне ядро. У зовсім вже екстремально жарких умовах, наприклад, усередині Сонця, матерія як раз складається з таких от ядер!

Явище радіоактивності

Ядра в різних атомах можуть бути стабільними і нестабільними. У першому випадку з атомами нічого цікавого не відбувається. У другому випадку, навпаки, відбувається розпад ядра. Явище, коли ядра самі по собі розпадаються, називається радіоактивністю. Розпад ядер зазвичай супроводжується вилітання назовні ряду частинок. Найчастіше вилітають позитивно заряджені альфа-частинки (це ядра гелію, що складаються з двох протонів і двох нейтронів) і негативно заряджені бета-частинки (це - просто електрони). Радіоактивний розпад часто супроводжується гама-випромінюванням, це щось на зразок радіохвиль. При розпаді деяких атомів бувають випадки, коли відбувається вилітання та інших часток, скажімо, нейтронів. У деяких випадках вилітає і найменша з відомих частинок (до цих пір невідомо, чи є у цієї частки взагалі хоч яка-небудь маса!) - нейтрино. Про нейтрино ми ще обов'язково з вами поговоримо під час вивчення пристрої Сонця. Також зустрічаються атоми, розпад яких супроводжується не гамма-випромінюванням, а яким-небудь іншим, наприклад, рентгенівським. Що таке рентгенівські промені, я думаю, вам пояснювати не треба.

Радіаційна безпека

Утворені при радіоактивному розпаді частки і промені дуже небезпечні для здоров'я. На щастя, ці промені і частки поглинаються різними матеріалами. Тому людям можна і потрібно захищатися від шкідливих проявів радіоактивності. Краще всього поглинаються альфа-частинки, адже вони повністю застряють навіть у звичайному аркуші паперу! Також зовсім нескладно захиститися від бета-частинок. До речі, нам пощастило: альфа-і бета-частинки - найнебезпечніші. Але оскільки вони практично не проходять через шкіру, боятися таких радіоактивних препаратів не треба (важливо тільки не брати їх усередину - інакше речовина швидко потрапить у кров і все закінчиться погано). До жаль, чисто альфа-і бета-випромінювачі зустрічаються вкрай рідко, і розпад переважної кількості радіоактивних атомів супроводжується досить небезпечним гамма-випромінюванням, від якого захиститися значно важче, ніж від неповоротких альфа і бета-частинок. Чим товще і важче шар захисного матеріалу, тим ефективніше вийде наш захист від проникаючої радіації. Від потужного гамма-випромінювання цілком вдається захиститися багатометровими шарами бетону. Непогано також для виготовлення захисту використовувати матеріали зі свинцю і вольфраму. Але і тут не все так гладко. Наприклад, надзвичайно небезпечні частинки - нейтрони - як раз досить легко проходять через свинець і вольфрам, але зате вони непогано застряють в поліетилені і навіть у звичайній воді! Найкращі проникаючі частинки (на щастя, безпечні) - це нейтрино. Ці частинки проходять через будь-які матеріали, абсолютно в них не поглинаючись. Вони примудряються безперешкодно пролетіти навіть крізь земну кулю!

прискорювальна фізика

Елементарні частки дивовижним чином з'являються не тільки при радіоактивному розпаді. Як ми з Вами вже знаємо, якщо помістити абсолютно стабільні атоми в будь-які страшні умови (сильне магнітне поле, висока температура і т.п.), то все електрони швидко полетять і ми отримаємо голі заряджені ядра. Ці ядра можна потім розігнати до високих швидкостей і енергій у електромагнітному полі. Зазвичай люблять розганяти ядра атомів водню - ці ядра найлегші, тому що кожен складається лише з одного протона. Пучок розігнаних частинок, спрямований на який-небудь матеріал - "мішень", виб'є із цієї мішені інші цікаві частинки, які можна вивчати і спрямовувати на інші мішені. Для розгону часток існують спеціальні пристрої - прискорювачі. Бувають лінійні прискорювачі, де частинки розганяють вздовж прямої лінії, і кільцеві прискорювачі, "циклотрони", в яких частинки прискорюються, весело літаючи по колу. Використання прискорювачів дозволяє вивчати властивості елементарних частинок і випромінювань в самих різних умовах. Піддаючи певні мішені бомбардуванням цими частками, можна отримати атоми інших елементів, у тому числі - і досі невідомих. Саме таким способом отримують в науковому центрі в Дубні нові елементи Періодичної системи Д. І. Менделєєва!

Реакторна фізика

Існують атоми, ядра яких при розпаді крім інших часток виділяють нейтрони. До таких атомів відносяться, наприклад, деякі різновиди урану і плутонію. У природному урані цих атомів небагато, але уран-то можна "збагатити", відокремивши і відкинувши всі непотрібні атоми. У результаті отриманий зразок урану буде випромінювати дуже інтенсивний потік нейтронів. Чим більше ми візьмемо такого урану і чим більш щільно його упакуємо, тим більше буде у нас інтенсивність нейтронного потоку. При досить великий інтенсивності виділяються нейтронів вже вистачить на те, щоб почати вибивати додаткові нейтрони з сусідніх атомів урану. Ті, у свою чергу, також будуть вибивати ще більше нейтронів з сусідніх до них атомів. Піде так звана "ланцюгова реакція". Нейтронів буде ставати все більше і більше, і, врешті-решт, справа закінчиться погано -- весь уран зруйнується з утворенням великої різноманітності інших радіоактивних атомів. Що цікаво, при цьому виділиться величезна енергія. Явище, тільки що розглянуте нами, називається "ядерним вибухом", а пристрій, що стискає зразок збагаченого урану до необхідної щільності, називається "атомною бомбою". Люди сконструювали пристосування, яке при необхідності вводить в зону з великим потоком нейтронів спеціальні матеріали, ці нейтрони поглинають. Регулюючи ступінь вдвіганія цих матеріалів, можна керувати швидкістю ланцюгової реакції, змушуючи енергію виділятися поступово. Такий пристрій фахівці називають "ядерний реактор". Виділяється тепло подібних реакторів можна використовувати для отримання електроенергії (така електростанція називається атомної), а інтенсивний потік нейтронів - для проведення всіляких ядерних досліджень.

Термоядерні процеси

Розглянуті нами до цих пір процеси засновані на радіоактивному розпаді ядер або на взаємодії ядер з елементарними частинками. Дивно, але існує такий собі особливий клас реакцій, заснованих на злитті двох або більше ядер в одне. Такі процеси супроводжуються величезним виділенням енергії і називаються "реакціями термоядерного синтезу ". Ось вам найпростіший приклад такої реакції. Береться суміш двох типів ядер водню - ядра першого типу складаються з одного протона і одного нейтрона, а другого типу - з одного протона і вже двох нейтронів. Реакцію проводять при дуже великій температурі: вона нам необхідна вже хоча б для того, щоб отримати ці самі ядра, вигнавши електрони з атомів. При взаємодії двох різних ядер водню вони з'єднуються в ядра гелію (що складаються з двох протонів і двох нейтронів), а виникає зайвий нейтрон летить геть. Реакція супроводжується таким величезним виділенням тепла, що його з великим запасом вистачає для мимовільного продовження з'єднання інших атомів водню. Пристрій, у якому з успіхом проводять описану вище реакцію, фахівці називають "водневої бомбою", а сам процес синтезу - "термоядерним вибухом". За аналогією з ланцюговою реакцією поділу ядер урану люди багато років намагаються знайти спосіб управління термоядерними процесами, щоб отримувати енергію поступово, а не у вигляді вибуху. На жаль, поки науці невідомо, які матеріали слід у цьому випадку всовуються у зону реакції, і ця проблема до цих пір не вирішена.

Будівля Сонця

Наше Сонце - це величезне джерело енергії. Без нього все живе на Землі давно б загнувся. Не дивно, що люди споконвіку намагаються розібратися в пристрої нашого світила і зрозуміти, звідки ж там береться енергія. На жаль, Сонце саме по собі дуже щільне, і тому вченим вдається спостерігати тільки його поверхню. Але навіть убогі знання про інтенсивність світіння поверхні, спектрі, наявність плям і температурі дозволяють розробити струнку теорію процесів, що відбуваються в надрах Сонця. І така теорія вже побудована! В основі неї лежить розгалужена система реакцій термоядерного синтезу, продукти яких вступають в аналогічні термоядерні реакції, що призводять до утворення все більше важких ядер. Вченим вдалося підібрати такі реакції, які повинні в кінцевому підсумку призвести до спостережуваних ними властивостями поверхні Сонця. Але як перевірити цю теорію? Начебто нескладно, адже в результаті термоядерних процесів утворюється велика кількість самих різних елементарних часток і ядер, які можна було б дослідити. Не тут то було! Ці частинки не долітають до нас з простої причини - Сонце велике і щільне, і всі продукти реакції застряють в ньому, як в гарній захисту, навіть близько не підходячи до поверхні. Єдина частинка, нейтрино, яка володіє найвищою проникаючу здатність, легко проходить крізь товщу Сонця і вилітає до нас назовні. Реакції в центрі світила супроводжуються утворенням декількох видів нейтрино з відомими з сонячної теорії властивостями. Всі ці нейтрино без всякого сумніву долітають до Землі. Ось б вдалося їх дослідити, щоб перевірити, чи вірна теорія будови Сонця!

нейтрино астрофізика

Спіймати сонячне нейтрино, а тим більше, досліджувати його - непросте завдання. Тим не менше, люди її успішно вирішують. Справа в тому, що нейтрино все ж взаємодіє з атомами, тільки от погано. Але зате цих нейтрино дуже багато - кожну секунду через нас з вами пролітають багато мільярдів мільярдів мільярдів нейтрино! Якщо, приміром, підставити під нейтринної потік велику мішень, що складається з страшного кількості атомів (а число це - з тридцятьма нулями!), то іноді інше нейтрино ні-ні, та й провзаімодействует з одним з цих атомів. Тут-то й постає завдання - виявити цей видозмінений атом і збагнути, що він утворився саме від нейтрино: адже крім нейтрино, зі всілякими мішенями куди більш охоче взаємодіють інші частинки, яких навколо повно! І вони утворюють в мішенях в мільярди мільярдів разів більше таких видозмінених атомів. Щоб зменшити вплив непотрібних гостей необхідно сховати від них мішень, відокремити спеціальними захисними матеріалами (які, по можливості, самі не випромінюють ніяких частинок). Найбільш небезпечні для мішені частки - це мюони, в безлічі прилітають до нас з космосу. Мюони запросто проходять навіть через дуже товсту захист. Щоб врятуватися від них, лабораторію з мішенню поміщають глибоко під землю. Як правило, товщини скельної породи в 2-3 км буває достатньо, щоб захиститися від дурних мюонів. Але залишається багато інших проблем. Зокрема, мішень під землю привозять все ж таки з її поверхні, де, завдяки тим же мюона, вона насичена мільярдами мільярдів видозмінених атомів, від яких мішень треба ще очистити! Тут на допомогу приходить хімія. Друга проблема - це проблема реєстрації. Справа в тому, що зовсім від джерел радіоактивності позбутися неможливо навіть під землею. Сама гірська порода випромінює радіацію, навіть співробітники, що працюють з мішенню, теж у достатній мірі є для неї радіоактивними предметами. І доводиться розбиратися, які з утворилися атомів з'явилися від нейтрино, а які - від інших, так званих "фонових" впливів. В даний час завдання реєстрації сонячних нейтрино в основному успішно вирішується двома способами, про які розповімо нижче.

Радіохімічні детектори

В основі радіохімічних методів детектування нейтрино лежить вибір мішені, в якої під впливом тривалої дії нейтринного потоку утворюється нехай зовсім небагато атомів, але зате яких! Чи повинні виходити атоми, які потім не дуже важко відокремити і порахувати. Легше за все порахувати радіоактивні атоми, помістивши їх після відділення від мішені всередину спеціального лічильника. Для детектування сонячних нейтрино є дві зручні мішені - це хлор (у вигляді з'єднання зі складною назвою "тетрахлоретилену", воно просто менш небезпечно, ніж сам хлор) і галій (легкоплавкий метал). Нейтрино при взаємодії з хлором перетворюють його на радіоактивний аргон, а при взаємодії з галієм - на радіоактивний германій. Галієвих і хлорний експерименти чутливі до різних видів нейтрино, тому, порівнюючи результати, можна дійти висновку про те, які нейтрино і в якій пропорції летять до насз Сонця. У будь-якому з експериментів мішень повинна бути великою. Наприклад, щоб з галієвих мішені отримати за місяць стояння під потоком сонячних нейтрино хоча б 20 штук радіоактивних атомів германію, необхідно взяти близько 60 тонн цього самого галію. Атоми германію накопичуються приблизно за місяць, після чого хитрими хімічними прийомами їх відділяють від мішені і поміщають в спеціальний лічильник, який дає сигнали про розпад атомів германію (адже вони радіоактивні!). Крім того, лічильник дає багато інших сигналів, і розумні математики розбираються, які з сигналів в тій чи іншій мірі обумовлені нейтрино походженням. Недолік радіохімічного методу - велика інерційність. Ми бачимо, що нейтрино потрапило в мішень за минулий звітний місяць, але не знаємо - в які саме дні, години, хвилини і секунди непрохані гості застрявали в галієвих атомах. Зате цей метод дозволяє ловити нізкоенергетічние нейтрино, а метод з електронними детекторами - не дозволяє.

Електронні детектори

Електронний метод реєстрації сонячних нейтрино заснований на тому, що при попаданні нейтрино в атом мішені, останній іноді переходить в збуджений стан. Ну і потім, пізніше, він переходить назад, в основне. Оскільки перехід атома із стану в стан, як ми знаємо, пов'язаний з переміщенням електронів, відповідний метод так і назвали - електронним. При поверненні атома в нормальний стан виникає світлова спалах. Щоб її спостерігати, мішень повинна бути прозорою. Якщо взяти мішень об'ємом більше (кілька мільйонів літрів) і помістити її глибше під землю - то цілком можна реєструвати спалаху від нейтрино. Це роблять, розвісивши навколо мішені світлочутливі прилади - фотопомножувач (часто - по кілька десятків тисяч штук) і підключивши їх до комп'ютера. У як мішень люблять використовувати спеціально оброблений гас або дуже чисту воду. Один з відомих науці електронних детекторів розташований на дні озера Байкал, він використовує воду прямо з озера, вона там дуже чиста, а поблизу дна - досить темно. До того ж - озеро настільки глибоке, що небезпечні мюони практично не долітають до дна. Інші подібні детектори розташовані в глибоких шахтах. Недолік електронного методу - дуже високі вимоги до чистоті мішені. Адже в тій же воді містяться радіоактивні атоми (радію, урану, торію), що при розпаді влаштовують спалаху! Навіть в дуже чистій воді з декількох тисяч спостережуваних спалахів тільки один викликана дією нейтрино. І розумні програми повинні цей спалах відрізнити! Перевага електронного методу очевидно - вчені точно бачать, в який момент наше нейтрино вразило мішень, і можуть, наприклад, простежити, не приходять чи нейтрино частіше по понеділках у обідній час, ніж рано вранці по вівторках. Найбільш сучасні електронні детектори дозволяють навіть визначити, з якого боку прилетіло то або інше нейтрино. Частіше за все, воно прилітає з сонячної сторони, але буває і з другий теж. Ото ж бо й вчені дивуються! Однак наука - вона на те й наука, щоб пояснити всі природні курйози.

Висновок

Результати що проводяться у світі ядерних досліджень далеко не завжди узгоджуються з теорією. Наприклад, величина потоку сонячних нейтрино, реєстрована в численних експериментах, не вписується в уявлення вчених про будову Сонця. Щоб все зійшлося, діячі науки спочатку намагалися придумати інший пристрій Сонця. Але не зуміли. Тепер теоретики вже говорять, що Сонце тут не причому, просто у нейтрино є особлива властивість, що дозволяє йому багато разів змінювати свою енергію на шляху від Сонця до Землі. Почувши про такий поворот подій, вчені стали будувати все більш сучасні і дорогі детектори, які дозволять перевірити, чи дійсно властивості нейтрино змінюються від пройденого ним відстані. Подібні казуси відбуваються у всіх областях ядерної фізики. І так буде до тих пір, поки людина не розбереться в найменших подробицях устрою світу, що її оточує. Головний парадокс науки полягає саме в те, що цього не станеться ніколи.

Ми з вами розглянули тут тільки найголовніші поняття ядерної фізики. Існують ще й кварки, антиречовину, гравітаційні хвилі, багато чого іншого, важко зрозуміле й важко зрозумілий. Вчених цікавить Теорія Великого Вибуху, походження Всесвіту, їх хвилює, чи є життя на Марсі та інших далеких планетах. І в міру того, як ми пізнаємо таємниці матерії, набуті знання і досвід починають служити людині, приносити йому користь. Адже якби не було ядерної фізики, хіба б ми знали про флюорографічне обстеження, про атомні станції, криголам "Ленін", радіоактивні мітки, кристалографію, ізотопних експертизу і договір ОСВ-2! З часом ядерна фізика глибоко увійде в наше життя і нам залишиться тільки дивуватися, як же раніше жили люди, не маючи протонної грубки на своїй кухні.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://ermine.narod.ru