Учебное пособие Павлодар Кереку 2010 удк 53 (075. 8) Ббк 22. 3я73

Вид материала

Учебное пособие

Содержание Тема Принципы получения голографий Метод получения объемных голограмм, предложенный Ю. Н. Денисюком. Тема Новые источники излучения – лазеры. Физические основы лазерного излучения Тема Элементы физики твердого тела, полупроводники: проблемы и перспективы Тема Актуальные вопросы ядерной энергетики Тема Типы взаимодействий элементарных частиц Лабораторные работы по спекурсу «избранные вопросы современной физики»

Подобный материал:

• Врамках программы «Прометей» Павлодар удк 94(574. 25)(075. 8) Ббк 63. 3(5Каз)я73, 3259kb.
• Учебное пособие Павлодар удк339. 9 (075. 8) Ббк 65., 1778.36kb.
• Учебное пособие Ульяновск 2010 удк 004. 8(075. 8) Ббк 32. 813я73, 1559.86kb.
• Учебное пособие Павлодар удк 94(574+470. 4/. 5+571. 1)(075. 8) Ббк 63. 3(5Каз+2Рос)5я73, 3633.95kb.
• Учебное пособие удк 159. 9(075) Печатается ббк 88. 2я73 по решению Ученого Совета, 5335.58kb.
• Учебное пособие тверь 2008 удк 519. 876 (075. 8 + 338 (075. 8) Ббк 3817я731-1 + 450., 2962.9kb.
• Учебное пособие Чебоксары 2007 удк 32. 001 (075. 8) Ббк ф0р30, 1513.98kb.
• Учебное пособие Уфа 2005 удк 338 (075. 8) Ббк, 1087.66kb.
• Учебное пособие Казань кгту 2007 удк 31 (075) 502/ 504 ббк 60., 1553.23kb.
• Учебное пособие Майкоп 2008 удк 37(075) ббк 74. 0я73, 4313.17kb.

Тема Механические и электромагнитные колебания и волны. Ограниченность мехнических и электромагнитных волн

Мир, окружающий нас, наполнен звуками. Безмолвие и абсолютная тишина немыслимы в человеческой жизни. Органы слуха человека способны воспринимать колебания с частотой от 15—20 герц до 16—20 тысяч герц. Механические колебания с указанными частотами называются звуковыми, пли акустическими (акустика — учение о звуке).

Звук — один из активнейших элементов живой и неживой природы. Он является одним из наиболее важных факторов в развитии человеческой цивилизации как универсальное средство общения между людьми. Но есть много звуков, которые не воспринимаются человеческим ухом. В быту их называют неслышимыми, в науке — инфразвуком, ультразвуком, гиперзвуком. Инфразвук еще мало изучен, ведутся поиски его практического использования, в то время как области применения ультразвука уже определены. Гиперзвук сравнительно недавно по-настоящему заинтересовал ученых, и его практическое использование в науке и технике все больше расширяется.

Были открыты поистине безграничные области его применения. Можно сказать, что двадцатый первый век — век атома, радиоэлектроники, космоса — стал и веком ультразвука.

Слышимые и неслышимые звуки — одно и то же физическое явление. Разница между ними — только в диапазоне частот. Почему же именно ультразвуковой диапазон частот привлек внимание ученых и инженеров самых различных специальностей? Дело ультразвук имеет некоторые особенности по сравнению со звуками слышимого диапазона.

Распространение ультразвука в газах, жидкостях и твердых телах сопровождается интереснейшими явлениями, многие из которых находят практическое применение в различных областях науки и техники. Сейчас ультразвук широко применяют в машиностроении, металлургии, химии, радиоэлектронике, строительстве, легкой и пищевой промышленности, горнорудном деле, сельском хозяйстве, рыбном промысле, медицине, военном деле т.д.

Ультразвук строит и разрушает, режет и сверлит, штампует и паяет, очищает, сортирует, стерилизует, разведывает. Текстильщикам он помогает красить ткани, пищевикам экономить жиры и осветлять соки, рыбакам находить косяки рыб, военным морякам обнаруживать подводные лодки, медикам выявлять злокачественные опухоли, машиностроителям определять в деталях скрытые дефекты. Его взяли на вооружение геологоразведчики и нефтяники. Химики получают с помощью ультразвука тонкие краски и различные эмульсии. Применение ультразвука в металлургии привело к разработке принципиально новой технологии. Благодаря ультразвуку стало возможным синтезирование дисперсных сплавов и создание антифрикционных материалов. Ультразвуковые устройства нашли применение в радиоэлектронике и при исследовании состава и свойств вещества в космосе. И это еще не все. Перечень применения ультразвука можно продолжить.

Все большее значение приобретает ультразвук в научных изысканиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений. Формируется новое направление химии — ультразвуковая химия, позволяющая ускорять многие химико-технологические про­цессы. Научные исследования в области физики способствовали зарождению нового раздела акустики.— молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазометрия, акустоэлектроника.

Твердый материал, сравнительно легко обрабатывается на ультразвуковом станке. В настоящее время наметилось несколько направлений использования ультразвуковых колебаний:

- ультразвуковая размерная обработка; совмещенная ультразвуковая и электрохимическая обработка; снижение усилия при механической обработке шаржированным инструментом;

- обработка свободным абразивом при ненаправленном воздействии ультразвука; снижение усилии при обработке резанием; ультразвуковая очистка поверхности шлифовального круга в процессе работы на обычных шлифовальных станках;

- интенсификация электросварочной обработки с помощью ультразвука; снижение усилий при пластической деформации металлов и сплавов.

Ультразвуковые станки впервые появились в 1953 г. Их наиболее ответственным элементом является акустическая головка, состоящая из трех основных частей: электромеханического преобразователя и рабочего инструмента.

Ультразвуковые станки не сразу заняли в промышленности подобающее место. Мешало этому то, что они не давали нужной точности. Кроме того, по мере углубления инструмента в материал, резко падала производительность. Проблему решили ученые и сейчас ультразвуковые станки заняли достойное место на производстве.


Тема Принципы получения голографий

Развитие голографии, принципы которой были разработаны в 1947 г. английским ученым Габором, является выдающимся достижением в области лазерной техники. Известно, что голография представляет собой метод получения объемных изображений путем восстановления структуры световой волны, отраженной от предмета.

Метод голографической записи и воспроизведения изображений коренным образом отличается от обычного фотографирования, основанного на построении на фотопластинке плоского изображения предмета с помощью оптических объектов по законам геометрической оптики. При получении голограммы необходимости в использовании объективов для построения изображений нет.

На самой голограмме не обнаруживается какого-либо сходства с оригиналом: она выглядит как хаотически сложное распределение черных и белых интерференционных полос, равномерно расположенных по всей плоскости фотопластинки. Лишь с появлением лазеров стало возможным получение четких и ясных голограмм.

Чтобы получить голограмму, необходимо иметь две интерферирующие монохроматические когерентные световые волны. Одна волна обычно исходит от объекта и падает на фотопластинку (объектная волна). Другая волна носит название опорной (рисунок 3). Таким образом, в голографии, как и при фотографировании, решается вопрос о записи информации, носителем которой является световая волна, отраженная от объекта.

Информация об объекте содержится частично в амплитуде (амплитудная информация), частично в фазе волны (фазовая информация). При фотографировании на пластинке (пленке) фиксируется интенсивность волны (амплитудная информация об объекте), тогда как в голографии на фотопластинке записывается и амплитудная, и фазовая информация. Основным условием получения высококачественных голограмм является высокая когерентность опорной и объектной волн, что и достигается применением лазера. Действительно, четкую интерференционную картину на фотопластинке получают, используя для освещения предмета и создания опорной волны один и тот же лазер.

На рисунке 3 приведена схема записи голограммы, которая не требует особых пояснений, а на рисунке 4 — схема считывания (воспроизведения) голограммы. При считывании голограммы проявленную фотопластинку освещают тем же лазерным светом от того же источника, который использовали ранее для получения опорной волны и наблюдатель видит восстановленное изображение предмета (объекта) во всех трех его измерениях.

Таким образом, можно сформулировать ряд важных положений:

1. Процесс голографии является двухступенчатым. На первой стадии голограмму записывают, на второй — считывают. При считывании голограммы воссоздается исходная объектная волна, как если бы сам объект отражал свет. Информация об объекте записывается интегрально: каждая точка видимой поверхности объекта записывается по всей поверхности голограммы, и, следовательно, информацию об объекте можно получить во многих случаях даже от части поверхности голограммы. В отличие от фотографии, метод голографии не требует применения линзовых систем.



Голограмма



Объект




Рисунок 3. Схема записи голограммы


В последнее время все большее распространение получает так называемая изобразительная голография, сформировавшаяся в самостоятельное направление, под которым понимают весь комплекс научных исследований и технику изготовления голограмм, предназначенных для демонстрации в музейных экспозициях, на выставках, в учебном процессе и в рекламных целях.

Метод получения объемных голограмм, предложенный Ю. Н. Денисюком. Речь идет о методе получения отражательных объемных голограмм, регистрируемых во встречных пучках и зафиксированной им объемной картины.





Рисунок 4

Этот метод был предложен Денисюком в 1958 г. в его кандидатской диссертации и осуществлен в первой голограмме (1962), в которой интерференционная картина была записана не только по поверхности, но и в глубине фотослоя и, согласно своему названию («голо» — полная, «грамма» — запись), отражала все стороны

Схема получения голограмм большого размера (до 1—2 м²) по методу Денисюка, выглядит следующим образом: луч света от лазера с помощью зеркала и расширяющего пучок объектива освещает фотопластинку и расположенный за ней предмет . Падающий на пластинку свет является опорным пучком, а рассеянный предметом — объектным.

Обычно схему собирают на каменных или металлических плитах с пневматическими амортизаторами и на массивном основании. Для создания нечувствительности к вибрациям, оказывающим в этой схеме губительное действие на качество голограммы. Изображение восстанавливают в свете, длина волны которого совпадает с излучением лазера, создающего опорную волну.


Тема Новые источники излучения – лазеры. Физические основы лазерного излучения

Использование лазеров в УТС предопределяется возможностью фокусировки лазерного луча на площадку малых размеров (1-10^-2 см и меньше), высокой мощностью излучения, достигающей в настоящее время 10¹³—-10'⁴ Вт (10—100 ТВт). Такая высокая мощность лазерного излучения позволяет обеспечить колоссальное удельное энерговыделение (~ 10¹⁶ — 10¹⁷ Вт/см³). Столь высокое значение энергии в единичном объеме превосходит возможности других источников энергии и дает возможность осуществить мгновенный нагрев малых порций вещества до высоких температур и значительных давлений, так как давление всегда пропорционально тепловой энергии, приходящейся на единичный объем вещества.

Возникшая с появлением мощных лазеров физика УТС по мере развития лазерной техники (увеличения мощности и энергии когерентного излучения) накапливала все более и более удивительные открытия и быстро превращалась в совершенно новую область науки. Были открыты и изучены эффекты оптического пробоя (1964), лазерного испарения вещества и передачи механического импульса мишени (1964 1906), лазерного нагрева твердого вещества до высоких температур (1964—1966), обнаружены термоядерные реакции в плазме, образованные излучением мощного лазера (1968).

На повестке дня стоят проблемы создания лазерных систем нового поколения (мегаджоульного уровня) для достижения эффективной термоядерной вспышки и разработки термоядерного реактора. Внедрение его в мировую энергетику и является конечной целью лазерно-термоядерного направления науки и техники.


Тема Элементы физики твердого тела, полупроводники: проблемы и перспективы

Полупроводниковые приборы нашли широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. В на стоящее время трудно представить жизнь современней человека без телевидения, радио. В телевизорах и других бытовых приборах нашли широкое применение полупроводниковые приборы.

Полупроводниковый диод нашел себе применение во множестве областей. Так, фотодиоды используют для преобразования световой энергии в электрический ток. На многих установках и обрабатывающих станках стоят фотодиоды, обеспечивающие безопасность рабочего: стоит лишь по рассеянности протянуть руку в опасную зону, как световой луч прерывается, и сигнал фотодиода мгновенно останавливает станок.

Фотодиоды в сочетании с электрическими счетчиками ведут учет изготовленной продукции или количества пассажиров в метро. Они могут контролировать параметры изготовляемой продукции. С помощью полупроводниковой техники в настоящее время электроэнергию можно получать непосредственно из различных форм лучистой энергии — радиоактивной или тепловой.

Солнечные батареи очень удобны для спутников: в космосе никогда не бывает пасмурно. Если полупроводниковый диод расположить рядом с радиоактивным материалом, получим атомную батарею, которая способна давать электрическую энергию в течение многих лет.

До изобретения полупроводникового триода физика твердого тела была главным образом теоретической университетской наукой и являлась областью исследований специализированных институтов и лабораторий. На примере стремительного развития исследований полупроводников видно, как могут взаимно обогатить друг друга «чистая» наука и практические разработки. Областей применения полупроводников существует сейчас так много, что даже простой перечень их занял бы много страниц.

Полупроводниками интересуются специалисты множества областей. И не только специалисты. Полупроводники нужны всем. Научно-технический прогресс немыслим без электроники, использующей полупроводниковые приборы. В свою очередь, интенсивное развитие электроники связано с появлением новых разнообразных полупроводниковых приборов и интегральных схем, которые находят широкое применение в автоматике, радиотехнике, телевидении, в измерительной технике, биологии, вычислительной технике и т. д.

Главным достоинством, вызвавшим такой большой интерес к полупроводникам, является возможность создания в малом пространстве таких функциональных элементов и целых схем, которые работают практически безынерционно. Компактность и быстродействие полупроводников позволили перейти на качественно новый уровень исследований и работы, просто невозможный до «полупроводниковой эры». Яркий тому пример — ЭВМ. Только с использованием в них элементной базы на полупроводниках стали они тем, чем являются сейчас, — подлинным катализатором научно-технического прогресса.

Использование полупроводников позволило уменьшить размеры, а также вес радиоэлектронной аппаратуры в десятки и сотни раз, резко увеличить ее надежность. При создании полупроводниковых устройств с заданными свойствами можно управлять распределением примесей (мышьяка, бора, алюминия и т. д.) в кристаллических решетках чистых кристаллов, которые могут при этом выступать в роли диодов, триодов, конденсаторов, сопротивлений и т.д.

Влияние, которое оказала полупроводниковая электроника на столь многие отрасли науки и техники, явилось, прямым результатом появления возможности обработки с ее помощью огромного количества информации любого сорта.

Особенностью современного этапа развития полупроводниковой техники характеризуется в нашей стране большим объемом научно-исследовательских и технологических работ, направленных на совершенствование имеющихся и е.проводниковых приборов.

В последние годы активизировались фундаментальные исследования тонких поликристаллических полупроводниковых пленок. Особенно обещающим остается внедрение полупроводниковых пленок, созданных методом облучения подложки в высоком вакууме раздельными атомными и молекулярными пучками от нескольких источников, интенсивность которых позволяет выращивать пленки с заданным составом и свойством. Такой метод нашел широкое применение при изготовлении полупроводникового материала для специальных диодов — полевых транзисторов, лазеров и интегральных оптических схем.

Современные интегральные схемы отличаются весьма незначительными размерами составных элементов. Дальнейшая миниатюризация включает в себя уменьшение линейных размеров размещенных на пластинке элементов, ширины соединительных линий и диаметров отверстий. Для размещения всех составных элементов на пленке применяют литографический способ. Наиболее употребительная форма литографии — фотолитография, при которой фотоэкспозиция меняет свойства светочув­ствительного вещества пленки. Световая экспозиция, естественно, не может передавать изображение, размеры которого меньше, чем длина волны используемого света. Поэтому еще недавно размеры порядка 1 или 0,5 мкм были крайним пределом размеров микроструктуры интегральной схемы.

В настоящее время в качестве метода, обеспечивающего создание значительно более тонкой структуры схемы, используют электронный или протонно-ионный пучки.

Увеличение плотности элементов на единичной пло­щади монокристаллов приводит к уменьшению времени необходимого для распространения сигнала от одной цепи к другой. Однако при этом возникают новые сложности. Известно, что каждая схема превращает определенное количество энергии в теплоту. Теплота, в конце концов, должна быть вынесена из системы. При миниатюризации процесс теплоотвода усложняется. Для обеспечения нормального охлаждения монокристаллы должны быть разнесены, но это увеличивает время прохождения сигнала от одного кристалла к другому.

Существует несколько интересных предложений для устранения вышеуказанных проблем. Среди них — переход от полупроводниковой техники к сверхпроводящей электронике, предполагающий, что работа кремниевых устройств будет происходить при низких температурах (обычно при 77 К), т. е. при температуре кипения жидкого азота. При низких температурах возрастает, прежде всего, проводимость. Понижение сопротивления металлов позволит сделать более узкими соединительные линии и снизит, таким образом, пространственные требования. При низких температурах уменьшается мощность рассеяния энергии. А это значит, что для обеспечения теплоотвода потребуется меньшая площадь.

Еще над одним направлением в совершенствовании полупроводниковой техники работают физики. Это замена кремния и германия полупроводниковыми элементами III и V групп таблицы Менделеева. Подвижность электронов в полупроводниковых элементах этих групп значительно выше, чем в других. Так, в сравнении с кремнием подвижность электронов в них в 20 раз больше. В настоящее время арсенид галлия и фосфид индия уже применяют в микроволновых транзисторах и интегральных микроволновых схемах.

Полупроводниковую технику все шире и шире внедряют во все отрасли народного хозяйства. Особенно это показательно для развития микропроцессорной техники и ЭВМ, которые стали важным и надежным инструментом в организации производства, технологических процессов и в конструировании. Это обусловливает необходимость ускоренного развития малых ЭВМ высокой производительности, а также персональных ЭВМ, которые призваны автоматизировать не только производственные процессы, но сделать более производительными и инженерный труд, и учебный процесс на всех уровнях, и быт людей.


Тема Актуальные вопросы ядерной энергетики

Целенаправленный поиск новых методов получения энергии — характерная особенность научно-технического прогресса на данном этапе. Энергетический кризис заставил интенсифицировать разработки в этой области, в первую очередь проектов термоядерной энергетики и методов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую

Будущее атомной энергетики зависит от решения двух основных задач, связанных с повышением коэффициента полезного действия ядерных энергетических установок. Дело в том, что такие устройства для получения энергии как МГД-генераторы или термоядерные реакторы, способны работать с большим КПД, чем любые другие. К тому же МГД-установки могут использовать «пылевидный» уголь самых низких сортов, а запасы топлива для термоядерных агрегатов неограничены. Повысить же КПД атомных станций можно двояко.

Во-первых, увеличением температуры теплоносителя. Здесь сразу серьезнейшая проблема — разработка конструкционных материалов с особыми свойствами. Это требует времени и средств. Нередко отсутствие нужных материалов — неявная, но главная причина изменения первоначальных планов работ. Так, в Англии в 1969 г. работы по МГД-генерации были прекращены на неопределенный срок именно из-за этого.

Во-вторых, тепловую энергию, даже сравнительно низкотемпературного теплоносителя можно прямо использовать в химических комплексах или даже в бытовой теплоэнергетике. И это существенно сказывается на КПД.

Типичным тепловой элемент состоит из связанных вместе стержней диаметром по 12,7 см. Стержень — большое количество брикетов урана в оболочке. Брикеты в каждом отдельном стержне имеют одинаковую концентрацию U²³⁵, но разные стержни в топливной сборке могут содержать различный процент обогащенного U²³⁵ (например, один стержень с концентрацией его 2,6%, а соседний с ним — 2,2%). Эти концентрации выбираются исходя из особенностей активной зоны реактора (в условиях полной загрузки топлива с его структурными компонентами) и с учетом положения стержня в элементе.

Большинство продуктов деления содержат слишком много нейтронов, чтобы образовать устойчивые ядра. Распад этих ядер сопровождается бета- и гамма-излучением. Очень небольшая часть бета- и гамма-излучений «выходит» из реактора наружу. Остальная часть излучения преобразуется в тепловую энергию. Это тепло продолжает выделяться и после остановки реактора — приблизительно 0,1% от мощности реактора после того, как он охлаждался в течение 100 дней.

Переработка ядерного топлива — это извлечение делящихся и воспроизводящихся материалов из использованных топливных элементов. Для таких работ необходимы специальные заводы со специальными средствами защиты окружающей среды. Каждый завод, каждый реактор должен выдерживать ураганы, землетрясения, наводнения и др.

Типичный перерабатывающий завод строится в основном из армированного бетона. Толщина стен — от 1 до 1,5 м. Оборудование размещено в отсеках, оно сделано из лучших сортов нержавеющей стали и устойчивых к коррозии сплавов. Устройства для радиоактивной жидкости изготовляют из цельносварных конструкций. На таких заводах обязательно дистанционное управление. Причем все измерительные приборы и органы управления располагают в отдельных помещениях за изолирующими стенами.

Ядерные отходы могут быть низкого и высокого уровня активности. Отходы низкого уровня не выделяют такого количества тепла или радиации, чтобы требовалось специальное охлаждение или экранировка. Это почти побочные продукты работы АЭС, продукты активации и деления, которые улавливаются ионообменными смолами или фильтрами. Их отверждают, смешивая с бетоном или асфальтом. В таком виде они удобны для захоронения. В группу отходов с низким уровнем радиации входят также загрязненная бумага, одежда, инструмент.

Отходы высокого уровня образуются в процессе переработки топлива: некоторые продукты деления и небольшое количество трансурановых элементов. Наиболее значительные продукты деления — стронций Sr⁹⁰ (период полураспада 28 лет) и цезий Cs¹³⁷ (30 лет). Недавно внимание было привлечено к йоду J¹²⁹ (период полураспада 1.6Х10⁷ лет), который присутствует в очень небольших количествах. Куски арматуры, механически отделенные от топливных элементов, также относятся к отходам с высоким уровнем радиации.

Было предложено много способов хранения отходов высокого уровня, и большинство, увы, пришлось отвергнуть. Изучались способы хранения их в твердом состоянии, в капсулах в естественных солевых образованиях. Основное преимущество хранилищ такого типа — минимальные затраты по надзору. Другое предложение — переведенные в твердое состояние отходы упаковать в экранированные многостенные контейнеры, вывезти в удаленные охраняемые районы, где и установить на бетонированные подушки. Площадь такого хранилища вплоть до 2000 г. не превысила бы 2,5 км². В обоих случаях твердые отходы должны быть пропитаны силикатным стеклом, у него чрезвычайно низкая способность к выщелачиванию. Атомная электростанция мощностью 1000 МВт будет потреблять около 1 т урана U²³⁵ ежегодно.

Отходы такой электростанции, после переработки отработанного топлива, составляют около 28 м³. Для сравнения: тепловая электростанция на твердом топливе потребляет ежегодно около 2,8 млн. т угля и производит при этом около 211 тыс. м³ золы.

С появлением возможности использовать энергию деления ядер определилось генеральное направление ее применения — электроэнергетика. Но даже если все электростанции перевести на атомное горючее, эффект был бы не очень значительным: потребление природного топлива уменьшилось бы лишь на 20%, а расход нефти и газа и того меньше — лишь на 10% (поскольку около половины электростанций работает на угле).

Возможности мирного использования атомной энергии, в частности тепла, вырабатываемого ядерными реакторами, практически безграничны. Вспомним физику процесса, который лежит в их основе: в каждом акте деления выделяется огромная энергия в форме кинетической энергии осколков ядер урана.

Первооткрыватели процесса деления назвали его поэтому микровзрывом. Чем больше скорость деления в реакторе, тем большее количество тепла возникает в твэлах и может быть передано теплоносителю. Главное — обеспечить теплосъем необходимой интенсивности, чтобы не вызвать перегрева и расплавления топлива с аварийными последствиями.

К проектам ACT предъявляют дополнительные требования, главным из которых является наличие мер, исключающих плавление твэлов при повреждениях корпуса реактора. Наиболее опасной является авария с разгерметизацией первого контура. Для исключения обезвоживания активной зоны при таких авариях на ACT корпус реактора размещают в герметичной шахте, рассчитанной на давление, которое возникает в момент аварии, выбирают соответствующие объемы корпуса и шахты реактора, используют быстродействующую запорную арматуру и систему охлаждения активной зоны.

При таком выбросе дозы облучения щитовидной железы и внешнего облучения критической группы населения на расстоянии 1 км от ACT будут порядка 10^-2 мбэр. В результате любых аварий на ACT индивидуальные дозы облучения населения не превысят 10^-3 мбэр, коллективные дозы — 10^-5 чел-бэр. Это составляет не более тысячной доли процента дозы естественного радиационного фона!

Ближайшее будущее ядерной энергетики — широкое развитие быстрых реакторов-размножителей — неизбежно связано с ростом производства плутония и других трансурановых элементов (ТУЭ). При переходе к замкнутому топливному циклу с использованием регенерируемого урана и плутония и уран-плутониевой загрузкой теплового реактора содержание ТУЭ в облученном топливе возрастает более чем в 4 раза. При эксплуатации быстрого реактора той же мощности ежегодные потоки плутония увеличиваются примерно в 8 раз.

Ядерная энергетика в будущем найдет применение еще в одной области народного хозяйства. Речь идет о применении высокотемпературных газовых реакторов-бридеров в водородной энергетике, в частности, для получения этого газа путем термохимического или электролитического разложения воды. Использование водорода в качестве восстановителя вместо кокса в металлургических процессах позволит перевести эти процессы на прямое восстановление металлов из руд. В результате резко повысится качество стали и долговечность получаемых из нее изделий.

Перевод металлургических процессов и транспорта, работающего сейчас на углесодержащем горючем, на водород имеет очень важное преимущество. При обычном сгорании водорода или сгорании его в топливном элементе, а также при восстановлении руды образуется вода, а кислорода на процесс горения потребляется столько, сколько его образовалось при электролитическом разложении воды на кислород и водород. Таким образом, ни обеднения атмосферы кислородом, ни накопления в ней углекислого газа при реализации таких технологических процессов происходить не будет. А в результате прямого электрохимического восстановления железа из руды атмосфера будет даже обогащаться кислородом, выделяющимся на аноде».

Добавим к этому, что при сжигании водорода не образуются токсичные продукты вроде углеводородов, угарного газа, окислов серы Окислов азота образуется в 200 раз меньше, чем при сжигании бензина. Выхлопные газы автомобиля, работающего на водороде, в сущности, представляют собой чистые пары воды. При его использовании значительно уменьшается износ двигателя. «Водородный» двигатель в ряде случаев может быть примерно на 50% эффективнее бензинового главным образом потому, что он работает на обедненной смеси, имеет более высокую степень сжатия, очень небольшое опережение зажигания и полное сгорание. Водород заключает в себе гораздо больше энергии по сравнению с бензином. Получение дешевого водорода — одна из важнейших перспектив ядерной энергетики, путь вхождения ее в транспорт, металлургию и химическую промышленность.

Судя по темпам исследований в области управляемого термоядерного синтеза, успех близок. По мнению ведущих специалистов, можно ожидать решения этой проблемы на физическом уровне в течение ближайших лет. Уже сейчас закладываются основы для перехода к следующему сложному и ответственному этапу: инженерно-технологическому. Первые десятилетия нашего века можно уверенно назвать началом эры термоядерной энергетики с ее практически безграничными ресурсами.

Только развитие ядерной и термоядерной энергетики' может обеспечить прогрессирующему человечеству любые потребные ему количества энергии, изобилие промышленных и продовольственных продуктов, чистый воздух и питьевую воду — таков магистральный путь развития энергетики будущего


Тема Типы взаимодействий элементарных частиц

Согласно современным представлениям, в природе осуществляется четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное, или ядерное, взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях.

Электромагнитное взаимодействие характеризуется как взаимодействие, в основе которого лежит связь с электромагнитным полем. Оно характерно для всех элементарных частиц, за исключением нейтрино, антинейтрино и фотона. Электромагнитное взаимодействие, в частности, ответственно за существование атомов и молекул, обусловливая взаимодействие в них положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.

Слабое взаимодействие — наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. Оно ответственно за взаимодействие частиц, происходящих с участием нейтрино или антинейтрино (например, β-распад, µ-распад), а также за безнейтринные процессы распада, характеризующиеся довольно большим временем жизни распадающейся частицы (τ ≥10^-10 с).

Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц оно пренебрежимо мало и, по-видимому, в процессах микромира несущественно.

Сильное взаимодействие примерно в 100 раз превосходит электромагнитное и в 10¹⁴ раз — слабое. Чем сильнее взаимодействие, тем с большей интенсивностью протекают процессы. Так, время жизни частиц, называемых резонансами, распад которых описывается сильным взаимодействием, составляет примерно 10^-23 с; время жизни π° -мезона, за распад которого ответственно электромагнитное взаимодействие, составляет 10^-16с; для распадов, за которые ответственно слабое взаимодействие, характерны времена жизни 10^-10 — 10^-8 с. Как сильное, так и слабое взаимодействия — короткодействующие. Радиус действия сильного взаимодействия составляет примерно 10^-15м, слабого—не превышает 10^-19м. Радиус действия электромагнитного взаимодействия практически не ограничен.

Для всех типов взаимодействия элементарных частиц выполняется закон сохранения энергии, импульса, момента импульса и электрического заряда.

Характерным признаком сильных взаимодействий является зарядовая независимость ядерных сил. Как уже указывалось, ядерные силы, действующие между парами р-р, n-n или р-n, одинаковы. Поэтому если бы в ядре осуществлялось только сильное взаимодействие, то зарядовая независимость ядерных сил привела бы к одинаковым значениям масс нуклонов (протонов и нейтронов) и всех π-мезонов. Различие в массах нуклонов и соответственно π-мезонов обусловлено электромагнитным взаимодействием: энергии взаимодействующих заряженных и нейтральных частиц различны, поэтому и массы заряженных и нейтральных частиц оказываются неодинаковыми.

Зарядовая независимость в сильных взаимодействиях позволяет близкие по массе частицы рассматривать как различные зарядовые состояния одной и той же частицы. Так, нуклон образует дублет (нейтрон, протон), π-мезоны— триплет (π+, π^-, π°) и т.д. Подобные группы «похожих» элементарных частиц, одинаковым образом участвующих в сильном взаимодействии, имеющие близкие массы и отличающиеся зарядами, называют изотопическими мультиплетами. Каждый изотопический мультиплет характеризуют изотопическим спином (изоспином) — одной из внутренних характеристик адронов, определяющей число (n) частиц в изотопическом мультиплете: n = 2I+1. Тогда изоспин нуклона (число членов в изотопическом мультиплете нуклона равно двум), изоспин пиона I=1 (в пионном мультиплете n = 3) и т.д. Изотопический спин характеризует только число членов в изотопическом мультиплете и никакого отношения к рассматриваемому ранее спину не имеет.

Исследования показали, что во всех процессах, связанных с превращениями элементарных частиц, обусловленных зарядово-независимыми сильными взаимодействиями, выполняется закон сохранения изотопического спина. Для электромагнитных и слабых взаимодействий этот закон не выполняется. Так как электрон, позитрон, фотон, мюоны и нейтрино и антинейтрино в сильных взаимодействиях участия не принимают, то им изотопический спин не приписывается.


Список рекомендуемой литературы

1. Трофимова Т.И. Курс физики. - М. : Издательский центр «Академия», 2004. - 560 с.

2 Савельев И.В. Курс общей физики. - М. : Наука, 1989. -Т.1. -

350 с.

3 . Савельев И.В. Курс общей физики. - М. : Наука, 1988. - Т.2. -

496 с.

4 . Савельев И.В. Курс общей физики. - М. : Наука, 1989. - Т.З. -

496 с.

5. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М. : Наука, 1996.- 622 с.

6. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. - М. : Высшая школа, 2001. - 608 с.

7. Трофимова Т.И., Павлова З.Г. Сборник задач по общему курсу физики с решениями. М. : Высшая школа, 2005. - 303 с.


2. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО СПЕКУРСУ «ИЗБРАННЫЕ ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ»

2.1 Определение удельного заряда электрона

I. Цель работы: исследование поведения заряженных частиц в электрических и магнитных полях, ознакомление методом магнетрона.

П. Оборудование: измерительная катушка, милливеберметр, реостат, триод.

Ш. Теоретическое введение

Электрон элементарная частица, несущая отрицательный заряд. Величина заряда электрона в настоящее время определена с достаточной точностью и равна: е =(1,60096 ± 0,00009) 10^-19 Кл.

Масса электрона равна m =(9,1085 ± 0,0006) 10^-31 кг. В экспериментах обычно определяют е/m и, по известному из других источников значений элементарного заряда, определяют массу.

Удельный заряд является важнейшей характеристикой любой заряженной частицы. Метод определения е/m в данной работе основан на влиянии на движение электрона электрических и магнитных полей. В данной работе удельный заряд электрона определяется методом «магнетрона». Под действием электрического поля между катодом и анодом движутся по радиальным траекториям (при отсутствии магнитного поля). Если двухэлектродную лампу поместить в аксиальное магнитное поле (на лампу надеть соленоид), то на движущийся заряд будет действовать сила Лоренца:

F_л = еBvsin α (1)

где В — индукция магнитного поля, е — заряд электрона, v — скорость электрона.

Cила, Лоренца всегда перпендикулярна к скорости, следовательно α=90 градусов (sin α=1) и, следовательно, работы она не производит, кинетическую энергию заряженной частицы не изменяет, а значит не изменяет и величины ее скорости Магнитное поле () только искривляет траекторию полета электронов и потому сила Лоренца является центростремительной силой еBv=mv2/R, где R- радиус кривизны траектории.

По мере усиления напряженности магнитного поля траектории электронов будут все более искривляться, и при некотором «критическом» значении магнитного поля (Н_к,,В_кр) электроны перестанут достигать анода и начиная с этого момента начнут двигаться по замкнутым круговым траекториям. За «критическое» значение напряженности (индукции) магнитного поля принимается то минимальное значение напряженности (индукции) магнитного поля, начиная с которой электроны не будут достигать анода (рисунок 1).








Рисунок 1

Скорость электронов можно определить из формулы работы перемещения заряда от катода к аноду (при известной разности потенциалов между катодом и анодом U_а). Эта работа равна кинетической энергии электрона. По закону сохранения энергии работа сил электрического поля будет равна приращению кинетической энергии электронов. Для электронов с нулевой начальной скоростью можно записать:

eU = mV²/2 (2).

Решая совместно (1) и (2) получим:

e/m = 4U_a/B_кр² а² (3).

1У. Описание установки и метода измерений





Рисунок 2


Магнетроном называется электронная лампа с накаливаемым катодом, в которой поток электронов управляется одновременно электрическим и магнитным полями.

Для этого трехэлектродная электронная лампа с цилиндрическим анодом помещается в соленоид так, чтобы нить накала лампы (катод - К), проходящая вдоль оси анода А, была параллельна оси соленоида (рисунок 2).

Принципиальная схема установки приведена на рисунке 3. При замыкании цепи анода лампы Л выключателем К₁ в ней возникает радиальное электрическое поле. При замыкании выключателем К₂ в цепи соленоида L в нем возбуждается магнитное пола, индукция

которого направлена вдоль его оси и перпендикулярна вектору Е напряженности электрического поля (рисунок 3).



Рисунок 3

Электрическое поле увеличивает скорость электронов, летящих от катода к аноду, магнитное поле изменяет ее направление.

Сетка лампы в установке соединена с анодом. Поэтому электроны движутся ускоренно только в пространстве между катодом и сеткой.

По данным, полученным при измерении анодного тока I_а для U_а=const при увеличении тока соленоида I_с можно построить кривую зависимости I_а=f(I_с). Вид кривой будет таким, как на рисунок 4. Значение B_к можно найти по началу спада кривой.

Величина Bк может быть измерена с помощью милливеберметра. Кольцевая измерительная катушка милливеберметра помещена на соленоиде в той его части, где расположен триод. Если в соленоиде установить ток I_кр, а затем его выключить, то

Магнитный поток через измерительную катушку измениться от величины Ф = B_крSN до нуля (S -площадь витка, N - число витков измерительной катушки). По изменению потока ΔФ = B_кSN (до нуля), получим

B_{кр =} ΔФ/SN (4)

У. Порядок выполнения работы

1. Разобраться в схеме электрической цепи установки (рисунок3).
   
2. Замкнуть анодную цепь лампы Л и потенциометром R₁ установить напряжение на аноде равное 60-100 в. Во время работы поддерживать U_а постоянным.
   
3. Замкнуть цепь соленоида L и потенциометром R₂ изменять ток через каждые 0.1 А в пределах от 0 до 1,6 А. Величины токов соленоида I_с заносить в таблицу. Одновременно следят за спадом силы анодного тока 1_а по миллиамперметру А в цепи анода. Построить кривую I_а=f(I_с) и отметить начало спада кривой, найти I_кр.
   
4. Установив в соленоиде ток I_кр, подготовить к измерению милливеберметр; выключателем К₂ разомкнуть цепь соленоида, и по отбросу указателя милливеберметра определить ΔФ.
   
5. Опыт повторить три раза. По среднему значению изменения потока, используя (5), найти B_кр. Величины S, N и а указаны в паспорте установки на стенде.
   
6. По формуле (4) вычислить - e/m.
   
7. Оценить точность полученного результата, используя табличные, значения e и m.
   
8. Данные измерений и вычислений занести в таблицу 2.
   

Таблица 1

Uca	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
IА, µа
Ic, mа