Реферат синтез легких ядер (дефект маси) і парадокс моделей всесвіту

Недержавне загальноосвітній заклад

Вищої професійної освіти

Омський Юридичний Інститут

По предмету: Концепції сучасного природознавства.

Тема: Синтез легких ядер (дефект маси) і Парадокс моделей всесвіту.

Виконав: студент групи

41-у Рековскі В.Р.

Перевірив: Гайдамакин А.А.

Перші дослідні енергетичні ректори синтезу - термоядерні реактори, - ймовірно, будуть побудовані до кінця цього століття.

В даний світове виробництво енергії відповідає спалюванню близько 10 млрд. Т звичайного палива в рік. У наступному столітті ця величина, ймовірно, зросте в кілька разів. Ядерна енергетика здатна забезпечити тривалий розвиток людства без обмежень з боку паливних ресурсів.

Синтез легких ядер

Якщо W> 0, то розпад ядра енергетично заборонений. Але в зворотному процесі - злиття ядер X1 і X2 - енергія вихідної системи повинна зменшиться на величину W. Продукти синтезу придбають кінетичну енергію W.

На правій половині Рис. 5 зображена реакція злиття

Вивільняється енергія, віднесена до одного нуклони дейтерію, значно більше енергетичного виходу на один нуклон ділиться ізотопу урану-235. Для реалізації таких реакцій необхідно зблизити ядра на відстань R

0,15 ¸0,3 МеВ, тому реакції залишаються енергетично вигідними. Оскільки тритій дуже радіоактивний, то реакція з використанням 3 He більш безпечна.

Надії на практичну реалізацію керованого термоядерного синтезу продовжують залишатися "помірковано оптимістичними" протягом більше 40 років.

Якби вдалося здійснити керовані термоядерні реакції в промислових услових, то це дало б доступ до практично невичерпних джерел енергії і позбавило б людство від загрози енергетичної кризи. З іншого боку, якщо вибухнуть ті величезні запаси водневих бомб, які накопичені (і продовжують накопичуватися багатьма країнами, не дивлячись на закінчення т.зв. холодної війни), то людство і велика частина всього живого на Землі буде знищено.

Дефект маси - характеристика атомного ядра, енергія зв'язку.

Завдання про нецілочисельне атомної ваги ізотопів довго хвилювала вчених, але теорія відносності, встановивши зв'язок між масою і енергією тіла (E = mc 2), дала ключ до вирішення цього завдання, а протон-нейтронна модель атомного ядра виявилася тим замком, до якого цей ключ підійшов. Для вирішення даного завдання знадобляться деякі відомості про маси елементарних частинок і атомних ядер (табл. 1.1).

Маса і атомний вага деяких часток

(Маси нуклідів і їх різниці визначають дослідним шляхом за допомогою: мас-спектроскопічних вимірювань; вимірювань енергій різних ядерних реакцій; вимірювань енергій # 946; - і # 945; розпадів; мікрохвильових вимірювань, що дають відношення мас або їх різниць.)

Порівняємо масу a-частинки, тобто ядра гелію, з масою двох протонів і двох нейтронів, з яких воно складається. Для цього з суми подвоєною маси протона і подвоєною маси нейтрона віднімемо масу a-частинки і отриману таким чином величину назвемо дефектом маси

Атомна одиниця маси

Користуючись формулою зв'язку між масою і енергією, що робиться теорією відносності, можна визначити величину енергії, яка відповідає цій масі, і виразити її в джоулях або, що більш зручно, в мегаелектронвольт (1 МеВ = 10 6 ев). 1 МеВ відповідає енергії, що купується електроном, що пройшли різниця потенціалів в мільйон вольт.

Енергія, відповідна однієї атомної одиниці маси, дорівнює

Наявність у атома гелію дефекту маси (Dm = 0,03037 а.е.м.) означає, що під час його утворення була випромінюючи енергія (Е = DMС 2 = 0,03037 × 931 = 28 МеВ). Саме цю енергію потрібно прикласти до ядра атома гелію для того, щоб розкласти його на окремі частки. Відповідно на одну частку припадає енергія, в чотири рази менша. Ця енергія характеризує міцність ядра і є важливою його характеристикою. Її називають енергією зв'язку, що припадає на одну частинку або на один нуклон (р). Для ядра атома гелію р = 28/4 = 7 МеВ. для інших ядер вона має іншу величину.

У сорокові роки ХХ століття завдяки роботам Астона, Демпстера та інших вчених з великою точністю були визначені значення дефекту маси і обчислені енергії зв'язку для ряду ізотопів. На рис.1.1 ці результати представлені у вигляді графіка, на якому по осі абсцис відкладений атомний вага ізотопів, а по осі ординат - середня енергія зв'язку частинки в ядрі.

Аналіз цієї кривої цікавий і важливий, тому що по ній, і дуже наочно, видно, які ядерні процеси дають великий вихід енергії. По суті ядерна енергетика Сонця і зірок, атомних електростанцій і ядерної зброї є реалізацією можливостей, закладених в тих співвідношеннях, які показує ця крива. Вона має кілька характерних ділянок. Для легкого водню енергія зв'язку дорівнює нулю, тому що в його ядрі всього одна частинка. Для гелію енергія зв'язку на одну частинку становить 7 МеВ. Таким чином, перехід від водню до гелію пов'язаний з великим енергетичним стрибком. У ізотопів середнього атомного ваги: ​​заліза, нікелю і ін. Енергія зв'язку частинки в ядрі найбільша (8,6 МеВ) і відповідно ядра цих елементів найбільш міцні. У більш важких елементів енергія зв'язку частинки в ядрі менше і тому їх ядра відносно менш міцні. До таких ядер відноситься і ядро ​​атома урану-235.

Чим більше дефект маси ядра, тим більша енергія випромінюючи при його утворенні. Отже, ядерне перетворення, при якому відбувається збільшення дефекту маси, супроводжується додатковим випромінюванням енергії. Малюнок 1.1 показує, що є дві області, в яких ці умови виконуються: перехід від найлегших ізотопів до більш важких, наприклад, від водню до гелію, і перехід від найважчих, наприклад урану, до ядер атомів середньої ваги.

Так само є часто використовувана величина, що несе в собі ту ж інформацію, що і дефект мас - пакувальний коефіцієнт (або множник). Пакувальний коефіцієнт характеризує стабільність ядра, його графік представлений на малюнку 1.2.

Мал. 1.2. Залежність пакувального коефіцієнта від масового числа

Сучасні космологічні моделі Всесвіту.

Як вказувалося в попередньому розділі, в класичній науці існувала так звана теорія стаціонарного стану Всесвіту, відповідно до якої Всесвіт завжди була майже той-який же, як зараз. Астрономія була статичною: вивчалися руху планет і комет, описувалися зірки, створювалися їх класифікації, що було, звичайно, дуже важливо. Але питання про еволюцію Всесвіту не ставилося.

Класична ньютонівська космологія явно чи неявно брала наступні постулати [2]:

• Всесвіт - це всесуществующая, «світ в цілому». Кос-Молога пізнає світ таким, як він існує сам по собі, безвідносно до умов пізнання.

• Простір і час Всесвіту абсолютні, вони не за-висять від матеріальних об'єктів і процесів »

• Простір і час метрично нескінченні.

• Простір і час однорідні і ізотропні.

• Всесвіт стаціонарне, що не зазнає еволюції. Через змінюватися можуть конкретні космічні системи, але не світ в цілому.

У ньютонівської космології виникали два парадоксу, свя-занние з постулатом нескінченність Всесвіту.

Перший парадокс отримав назву гравітаційного. Суть його полягає в тому, що якщо Всесвіт нескінченний і в ній існує нескінченна кількість небесних тіл, то сила тяго-тенія буде нескінченно велика, і Всесвіт повинна сколлапсіровать, а не існувати вічно.

Другий парадокс називається фотометричним: якщо сущест-яття нескінченну кількість небесних тіл, то повинна бути нескінченна світність неба, що консенсусу немає.

Ці парадокси, які не розв'язні в рамках ньютонівської космології, дозволяє сучасна космологія, в межах якої було введено уявлення про розширюється і ево-люціонірующей Всесвіту.

Сучасні космологічні моделі Всесвіту основи-ються на загальній теорії відносності А. Ейнштейна, з-гласно якої метрика простору і часу визначається розподілом гравітаційних мас у Всесвіті. Її свій-ства в цілому обумовлені середньою щільністю матерії та іншими конкретно-фізичними факторами.

Сучасна релятивістська космологія будує моделі Всесвіту, відштовхуючись від основного рівняння тяжіння, введеного А. Ейнштейном у загальній теорії відносності. Рівняння тяжіння Ейнштейна має не одне, а безліч рішень, чим і зумовлена ​​наявність багатьох космологічних моделей Всесвіту. Перша модель була розроблена самим А. Ейнштейном в 1917 р Він відкинув постулати ньютонівської космології про абсолютність і нескінченності простору і часу. Відповідно до космологічної моделлю Вселить-ної А. Ейнштейна світовий простір однорідний і з-тропних, матерія в середньому розподілена в ній рівномірно, гравітаційне тяжіння мас компенсується універс-ним космологічним відштовхуванням. Модель А. Ейнштейна носить стаціонарний характер, оскільки метрика простору розглядається як незалежна від часу. Час існування Всесвіту нескінченно, т.ё. не має ні початку, ні кінця, а простір безмежно, але звичайно.

Всесвіт в космологічної моделі А. Ейнштейна стаціонарне, нескінченна в часі і безмежна в просторі.

Ця модель здавалася в той час цілком задовільною, оскільки вона узгоджувалася з усіма відомими фактами.

Але нові ідеї, висунуті А. Ейнштейном, стимулювали подальші дослідження, і незабаром підхід до проблеми рішуче змінився.

У тому ж 1917 голландський астроном Віллем де Сіттер запропонував іншу модель, яка була також рішення рівнянь тяжіння. Це рішення мало те властивість, що воно існувало б навіть у випадку "порожній" Всесвіту з'явилися маси, то рішення переставало бути стаціонарним: виникало деякого роду космічного відштовхування між масами, що прагне видалити їх один від одного і розчинити всю систему. Тенденція до розширення, за В. де Сіттер, ставала помітною лише на дуже великих відстанях.

Рішення рівняння А.А. Фрідмана допускає три можливості. Якщо середня щільність речовини і випромінювання у Всесвіті дорівнює деякої критичної величини, світовий простір виявляється евклідовому і Всесвіт необмежено розширюється від початкового точкового стану. Якщо щільність менше критичної, простір має геометрією Лобачевського і також необмежено розширюється. І, нарешті, якщо щільність більше критичної, простір Всесвіту виявляється рімановим, розширення на певному етапі змінюється стисненням, яке триває аж до початкового точкового стану.

Оскільки середня щільність речовини у Всесвіті невідома, то сьогодні ми не знаємо, в якому з цих просторів Всесвіту ми живемо.

У 1927 р бельгійський абат і вчений Ж. Леметр пов'язав "розширення" простору з даними астрономічних спостережень. Леметр ввів поняття початку Всесвіту як сингулярності (тобто надщільного стану) і народження Всесвіту як Великого вибуху.

У 1929 році американський астроном Е. П. Хаббл виявив існування дивної залежності між відстанню і швидкістю галактик: всі галактики рухаються від нас, причому зі швидкістю, яка зростає пропорційно відстані, - система галактик розширюється.

Розширення Всесвіту вважається науково встановленим фактом

[1] В фізичної шкалою атомних ваг атомний вага ізотопу кисню прийнятий рівним точно 16,0000.

[2] Див. Мостепаненко А.М. Методологічні та філософські проблеми сучас-менной фізики. - Л. ЛДУ, 1977. - С. 101.