Бесплатный фрагмент - Использование ускорителей и явлений столкновения элементарных частиц с энергией высокого порядка для генерации электрической энергии. Проект «Электрон»

Предисловие

Наш мир погружён в огромный океан энергии, мы летим в бесконечном пространстве с непостижимой скоростью. Всё вокруг вращается, движется — всё энергия. Перед нами грандиозная задача — найти способы добычи этой энергии. Тогда, извлекая её из этого неисчерпаемого источника, человечество будет двигаться вперёд гигантскими шагами!

Никола Тесла

Энергия важна для всего человечества ещё с древних времён. С каждым днём человек потребляет всё больше и больше энергии, и если раньше основным источником энергии был огонь, то сегодня его роль всё чаще начинает выполнять электрический ток. При помощи электричества зажигаются лампы, работают компьютеры, печатаются книги, греется пища и уже ездят машины. Электричество вошло во все уголки жизнедеятельности человека и является важнейшим ресурсом.

Впервые работы по генерации электрического тока начинались с экспериментов по исследованию электромагнитной индукции Майклом Фарадеем, но долгое время эти работы не были реализованы в лице промышленных станций и установок. Изначально, использовались лишь паровые машины для выполнения определённой работы Джеймсом Уаттом, и лишь после изобретения обмотки якорей динамоэлектрических машин бельгийцем Зенобом Теофилом Граммом в 1871 году, стало возможно промышленно получать электрический ток.

Таким образом первой электростанций стала гидроэлектростанция, созданная в 1878 году английским инженером, бароном Уильямом Армстронгом в своём поместье Крэгсайд, в Англии. Вырабатываемое электричество применялось для освещения, отопления, горячего водоснабжения и других работ в хозяйстве.

Но для народа и всего человечества, электричество начало служить лишь через 4 года, зимой 12 января 1882 года в Лондоне, когда заработала первая в мире общественная угольная электрическая станция Томаса Эдисона, построенная по его же проекту. С тех пор человечество промышленно использует электрический ток, конечно с тех пор многое уже изменилось, были внедрены технологии знаменитого изобретателя Николы Тесла по использованию генераторов переменного тока, как и в системах электропередач, на той же основе переменного тока.

Но также, чтобы удовлетворить свои потребности человек изобрёл целый ряд способов и технологий для получения и генерации электрического тока в большом масштабе. Но все ли эти способы столь безопасны и удаётся ли им полноценно выполнять свою функцию?

На сегодняшний день для генерации электрического тока и удовлетворения потребностей человечества в данном ресурсе, используются технологии генерации электрической энергии из тепла (давления пара), что ярко выражено в технологиях ТЭС (теплоэлектростанций), где при помощи сжигания каменного угля, природного газа и других горючих ресурсов, имеющих в своей структуре некоторый энергетический потенциал, получают пар создающий достаточное давление для движения турбин парогенератора, который используя явление электромагнитной индукции преобразует кинетическую энергию (энергию движения, в данном случае энергия вращения, турбин под действием силы пара), то есть силу давления пара в электрический ток, который уже передаётся по ЛЭП (линиям электропередач) к потребителям для дальнейшего использования.

Также в качестве источников электрической энергии используются ГЭС (гидроэлектростанции), АЭС (атомные электростанции), ВЭС (ветряные электростанции), СПЭС (солнечные панельные электростанции). Также известны и другие технологии, наподобие методов получения тока из молний, волн и других природных сил, но они не применяются в большом масштабе, по этой причине достаточно рассмотреть только вышеуказанные типы электростанций, со своими методами генерирования большой электрической энергии.

Технология ТЭС, была рассмотрена, если останавливаться на ГЭС, то данная электростанция основана на генерации электрического тока из кинетической, а в случае нахождения на большой высоте потенциальной (энергией, которой обладает объект, находясь на определённой высоте благодаря гравитационной силе или силе тяжести, при этом потенциальная энергия участвует с дальнейшим переходом в кинетическую) энергии воды и вращение турбин генератора на большой скорости и последующей генерацией электрического тока, также с использованием явления электромагнитной индукции, на которой основаны принципы всех электрогенераторов.

Следующий тип электростанции, а именно АЭС, являются станциями, принцип которых основан на одной из самых прогрессирующих и новейших методах получения электрической энергии, а именно — на основе генерации электрического тока из атомной энергии, которая выделяется после распада ядер урана-235 или урана-238 в зависимости от типа станции после их бомбардировки тепловыми (имеющие энергию, которая численно равняется энергии при нормальной температуре) нейтронами. За счёт того, что после каждой последующей реакции, выделяется максимум 3, а чаще по 2 нейтрона дополнительно, возникает цепная реакция с выделением по 200 МэВ, при каждой реакции, со скоростным увеличением общей энергии тела, что приводит к увеличению температуры.

А при этом наступает момент, когда энергии достаточно для передачи её воде, которая облучается и передаёт тепло второму водяному контуру, по которому уже циркулирующая вода вращает парогенераторы, при этом температура не достигает критических температур, за счёт того, что вода находится под давлением, что повышает уровни постоянных температур для данной жидкости.

Описывая ВЭС, стоит отметить, что принцип электромагнитной индукции там также сохранён и используется не один генератор, которые вращаются под силой ветра, хоть они и вращаются с меньшей частотой, соответственно генерируя меньшую мощность.

Завершающим, также и с каждым днём становящий более популярным и актуальным является СПЭС. Этот тип станции по методу генерации электрического тока кардинально отличается от остальных. Этот тип станций основан на явлении фотоэлектронной эмиссии, который происходит при облучении солнечным светом специально изготовленных панелей, электрический заряд, образующийся при этом выводится и переводятся уже к линиям ЛЭП.

Но стоит также заметить, что каждый тип электрических станций имеет существенные минусы, разумеется не в своей конструкции, а в эффекте, оказываемом на природу и на окружающую среду. К примеру, ТЭС [8] генерируют огромное количество карбоната ангидрида, который выбрасывается в атмосферу и вызывает такой эффект, который именуется как глобальное потепление, являющееся следствием так называемого парникового эффекта.

Опишем все данные проблемы для последующих электростанций:

ГЭС [9]:

· Опасность катастроф (трудная конструкция в случае землетрясений и других природных катаклизмов);

· Опасность миграции рыб (могут погибнуть целые виды самых различных рыб);

· Опасность ближайших городов (в случае проблемы с пластиной в радиусе многих километров, города будут затоплены).

АЭС [10]:

· Уран является не возобновляемым ресурсом;

· Не может заменить ископаемое топливо;

· Зависит от ископаемого топлива;

· Добыча урана вредна для окружающей среды;

· Очень стойкие отходы, разлагаемые довольно долго;

· Опасность ядерных катастроф;

· Наличие эффекта изменения планетарного радиоактивного фона;

· Большая взрывоопасность;

· Трудность восстановления, в случае катастрофы.

ВЭС [11]:

· Наличие шума;

· Высокая стоимость построек;

· Большой срок окупаемости в случае реализации;

· Непостоянство и нерегулируемость ветрового потока;

· Малая энергетическая эффективность.

СПЭС [12]:

· Отсутствие добычи энергии ночью;

· Высокие затраты на хранение энергии;

· Относительно высокая цена солнечных элементов;

· Суточная и сезонная изменчивость солнечность радиации;

· Местные климатические изменения, неблагоприятные для использования солнечной энергии;

· Трудности с накоплением и концентрацией энергии;

· Низка дневная плотность потока энергии солнечной радиации;

· Установка занимает большие площади;

· Большие производственные и строительные затраты;

· Малая генерируемая мощность.

Анализируя вышеуказанные факты, становится ясно, что необходима разработка, способная генерировать электрический ток с большей эффективностью, в более большом масштабе, а также более безопасно, чем при помощи технологий, используемых сегодня. И если рассматривать все возможные способы получения электрической энергии, то находятся объяснение тому, по какой причине данное исследование, которое длится уже на протяжении более чем 12 лет, было так названо — «Электрон».

Изначально, поиск нового источника электрической энергии начинался ещё в 2010 году. Первый этап исследования заключался в поиске такого метода в классических механизмах. Было проанализировано более 500 самых различных механизмов, но все они не были эффективными, пока в 2016 году впервые не был презентован первый магнитный вид устройства, который при помощи силы магнитного отталкивания создавал колебания, вызывающий выход 3—4 струй воды, потенциальная энергия которых переходила в электрический ток. Но этот вариант устройства не был достаточно прочен и эффективен, а после экспериментальной проверки нашёлся целый ряд недостатков, что стало причиной отказа и от этой модели.

Далее следовали 34 механизма, которые отличились тем, что шли за первой более удачной версией. Но когда и они не нашли своего подтверждения, то было необходимо отказаться и от них. На протяжении 4 лет, начиная с 2014 года, шла так называемая «электрическая эра», когда исследовались различные механизмы электрического, магнитного и электромагнитного характера. И хотя были разработаны механизмы с электрическими генераторами, солнечными батареями, трансформаторами, диодами, транзисторами и многими другими элементами, но, к сожалению, и они не нашли своего подтверждения. Тогда, начиная с 2019 года началась «квантовая эра».

В марте 2019 года был разработан первый проект с элементарными частицами, и тогда проект сменил собственное название и принял наименование «Электрон», поскольку идея была основана на расщеплении электрона и проведении взаимодействий с созданием особой «конструкции» уже с гипотетическими составляющими частицы электрон. Благодаря чему были подробно исследованы составляющие в лице частиц Умидон и Раънон. Тогда впервые были опубликованы научные статьи на эту тему: «Поведение электрона в атоме», «Частица электрон», «Особенности электрона», «Линейный ускоритель электронов в энергетике» и многие другие. Также было принято участие на международном мероприятии InnoWEEK 2019.

Но после некоторых дебатов было установлено, что и эта модель, как и методы её реализации не могут быть воплощены в реальность. Следующей моделью послужила технология столкновения двух пучков электронов в выходом энергии, как предполагалось из-за некоторой аномалии, которая вытекала из выводов формул. Но появились проблемы, решение которых не было найдено, как и подробный ввод с представлением объяснения этого явления. Поэтому из этой модели нужно было перейти к технологиям по использованию ядерных реакций. На этом этапе с начала 2020 года, началась «Ядерная эра», когда же были исследованы сотни и даже тысячи ядерных реакций. Общее число исследованных ядерных реакций, которые были проанализированы на этом этапе с начала 2021 года до февраля 2021 года, составляет 1 062 реакции.

И благодаря определению ядерных реакций с большим энергетическим выходом, был создан целый комплекс из этих взаимодействий. И хотя технология уже не имела отношения с электроном, но наименование исследования не изменилось и по сей день. И хотя было опубликовано более 10 научных статей, также они были описаны в 2 томах произведения «Конструктор миров», а также презентованы нескольким компаниям, как Acwa Power в феврале и целый ряд энергетических компаний в сентябре 2021 года. Но на сегодняшний день эта технология была улучшена и имеет более упрощённый вид, что открывает целый ряд возможностей.

Именно эта технология описывается в этом исследований, которая считается на данный момент не имеющей аналогов во всём мире. Как можно видеть из истории данного исследования, путь этой технологии был не лёгким, и он является намного лучше своих «собратьев» и «предшественников», что демонстрирует большой опыт и сильное желание в достижении данной цели для всего человечество, что давало силы для преодоления целого ряда самых различных трудностей, и лишь часть из которых была описана выше при пересказе всей истории исследования.

В результате можно сделать вывод, что большего внимания заслуживают ядерные реакции в качестве новейшего источника электрической энергии в огромном масштабе. Конечно, урановые реакции уже активно используются на сегодняшний день, также очень даже популярны термоядерные реакции, для которых всё ещё ведутся поиски по применению их в мирных целях.

Но можно использовать и совершенно новые типы ядерных реакций с более большим выходом и большим сечением ядерной реакции. Но для начала необходимо подробнее разобраться с самих понятиях ядерных реакций. Этот труд повествует о технологии, которая позволит генерировать электрический ток именно с указанными параметрами и данными.

Для лучшего же понимания объясняемого материала, а также для создания удобств описания устройства, изначально в первом разделе подготовлен специальный вводный курс в саму тематику ядерной физики. Но поскольку данный курс не направлен на охват всего материала, указаны лишь необходимые или важные моменты из всего курса ядерной физики и физики высоких энергий.

После того, как читатель заинтригован необъяснёнными понятиями о ядерных реакциях и о цели всего исследования, объяснение начинается с самого объяснения этапов познания человек структуры материи. Первые познания и мысли Аристотеля, Геродота, великих мыслителей Авиценны, Бируни, сэра Ньютона и многих других. А также описывается история классификации.

Внезапная проблема радиоактивности, ещё больше интригующая читателя, становится дополнительной подмогой, после чего всё ведётся к описанию атома. Затем объясняются модели атома, созданные и описанные великими учёными с их экспериментальными подтверждениями, после чего речь плавно переходит к описанию атомного ядра и многих других частиц.

И наконец, наступает один из самых интригующих моментов, а именно описание ядерных реакции, вывод формул, расчётов, моделей и наконец, описание самых различных экспериментов, которые своими масштабами и конструкциями просто завораживают. И когда наш дорой читатель будет полностью подготовлен к исследованию и анализу новой технологии со всеми её сложностями, начинается второй раздел.

Там, приводится полное теоретическое описание, строятся разные предположения и доказательства, полностью поддерживающие основную идею и замысел. А уже в следующих разделах анализируется экспериментальное представление, как и вся картина реализации этого эксперимента в реальности.

Именно таким образом прямо на глазах у читателя формируется и восстаёт полноценная идея, отдельный замысел, который имеет колоссальную важность для всего человечества, обеспечив выработку электрической энергии в огромных масштабах, постройки станут более лёгкими и быстрыми по сравнению с другими электрическими станциями, впрочем, как и затраты на их постройки. Вместе с этим, возрастёт возможность обеспечения электрическим током всего населения. Исчезнет энергетический и информационный голод, уже можно будет не бояться больших потерь в проводах и увеличить переход на передачу электрической энергии без проводов, как это предсказывал Никола Тесла ещё в 1900-х годах.

Увеличится число самых разных экспериментов, проводимых в самых различных исследовательский институтах, которые сейчас находятся в ожидании новейшего источника электрической энергии. Человек сможет продлить время своего пребывания в космосе в несколько раз и даже может замахнуться на казалось бы безумные идеи о создании искусственных атомов из электрической энергии. Вместе с этим, увеличится число самых различных предположений и загадок, которые найдут отражения в произведениях фантастов и писателей. Весь человеческий мир колыхнётся и начнёт двигаться семимильными шагами и наступит великое будущее.

Но чтобы всё это реализовать нужно сделать первый шаг, а именно войти в глубины исследования «Электрон».

Ибратжон Хатамович Алиев

Фаррух Муроджонович Шарофутдинов

Раздел 1. Теоретические выкладки

Глава 1. История атомизма

Всё состоит из частиц… вещи отличаются друг от друга частицами, из которых состоят, их порядком и расположением…

Демокрит

Квантовый мир элементарных частиц и атомного ядра удивителен по своей красоте, структуре и масштабам. И далее также будет рассмотрен этот мир во всех сложностях. Но первоначально необходимо понять саму суть первых шагов в открытии атома, той самой частички с которой всё и начиналось. Первая глава кардинально отличается от остальных глав поскольку она создана специально не только для высших умов, которые уже оперируют с довольно сложными понятиями, но и для юного поколения, только вступающего на путь этой удивительной науки. Поэтому в этой главе всё описано максимально просто и элементарно. Итак, без лишних слов, история величайшей атомной науки начинается…

С самых древних времён люди пытались определить структуру нашего мира, понять из чего же он состоит. Изначально, все эти вопросы были чисто философскими, по этой причине возникло такое понятие как атомизм, по этой теории, все вещества, объекты, тела состояли из неделимых частиц — атомов. Эта идея широко поддерживалась ещё в древности, впервые появившись в самых различных точках нашей планеты от древней Индии до Древней Греции и Восточного мира.

К примеру, в Древней Греции атомизм широко поддерживался также и Демокритом Абдерским, Левкиппом и другими. Противники идей атомизма могли лишь утверждать, что материя делится до бесконечности. Также учение Демокрита было основано и на идее того, что атомы не только неделимы, но их количество бесконечно, они не сотворены, и они вечны, а свойства объектов зависят от атомов. Большой вклад в идею атомизма внёс также, и философ Эпикур, а уже позже поэт Лукреций. Но если с утверждением самого понятия атома всё было ясно, поскольку атом переводится с древнегреческого как «неделимый», то есть атомы не могли делится, то с их формами были проблемы. Впервые идею о формах атома выдвинул Платон, предположив, что атомы имеют формы Платоновских тел или правильных многогранников как куб, пирамида, тетраэдр, додекаэдр, октаэдр и другие, то есть многогранники, грани которых равны между собой. Большого внимания атомизм заслужил после активных ссылок на эту идею самого Аристотеля, после чего эта идея начала распространяться по всему миру.

В восточном же мире, где выдающиеся мыслители и гении проводили свои исследования и совершали великолепные исследования в академии Маъмуна были также отдельные мнения на тему атомизма. В самой академии Маъмуна проводили свои эксперименты такие выдающиеся учёные как Абу Райхан Бируни, ибн Сина, Абу Наср ибн Ирак, Махмуд Худжанди, Ахмад ибн Мухаммад Хорезми, Ахмад ибн Хамид Найсабури и многие другие. Многие из них являются выдающимися учёными, если Абу Али ибн Хусейн ибн Абдаллах ибн Сина, также известный как ибн Сина или Авиценна в Европе создал «Канон врачебной науки и считается отцом медицины, то Абу Райхан Бируни — учёный-энциклопедист, который проводил исследования в области физики, математики, астрономии, естественных наук, истории, хронологии, лингвистики, индологии, наук о Земле, географии, философии, картографии, антропологии, астрологии, химии, медицины, психологии, богословия, фармакологии, истории религии и минералогии. Также он считается создателем первого глобуса, также первый человек измеривший радиус планеты используя тригонометрические закономерности, а также первым кто, предсказал наличие материка Америки.

На сегодняшний день сохранились письма Абу Райхана Бируни и ибн Сины, вместе с их трудами, где учёные вели дебаты также по теме строения материи. По предположению учёных, мир состоял из частиц меньшими чем атом, именно там можно увидеть предположения, что и считавшаяся тогда неделимой частица атома делима, но не до бесконечности. Что же касается их формы, то тогда велись предположения, что атомы имеют сферическую форму, поскольку сфера считалась некой идеальной моделью, следовательно, атомы должны быть такими.

Проходит время и делаются самые различные открытия. Но про идеи Эпикура, впрочем, как и про атомизм забывают, поскольку идеи Эпикура противоречили христианским учениям и церковь запрещала её использование, как и утверждение того, что атомы существуют. Но французский католический священник Пьер Гассенди возродил идею атомизма, несколько изменив понятие того, что атомы были созданы Богом. А уже после защиты атомизма со стороны химика Роберта Бойля — выдающегося химика и автора труда «Скептический химик», а также со стороны сэра Исаака Ньютона, который сам по себе почитался как выдающийся учёный, атомизм был принят к концу 17 века.

Приведём цитаты самого сэра Ньютона на эту тему из перевода его трудов: «Мне представляется, что Бог с самого начала сотворил вещество в виде твёрдых, весомых, непроницаемых, подвижных частиц и что этим частицам он придал такие размеры, такую форму и такие другие свойства и создал их в таких относительных количествах, как ему нужно было для той цели, для которой он их сотворил. Эти первичные частицы абсолютно тверды: они неизмеримо более тверды, чем те тела, которые из них состоят, — настолько тверды, что они никогда не изнашиваются и не разбиваются вдребезги, так как нет такой силы, которая могла бы разделить на части то, что сам Бог создал неразделимым и целым в первый день творения. Именно потому, что сами частицы остаются целыми и неизменными, они могут образовывать тела, обладающие той же самой природой и тем же строением во веки веков; ведь если бы частицы изнашивались или разбивались на части, то зависящая от них природа вещей изменилась бы. Вода и земля, составленные из старых, изношенных частиц и осколков, отличались бы по строению и свойствам от воды и земли, построенных из ещё целых частиц в начале творения. Поэтому, для того чтобы природа могла быть долговечной, все изменения тел природы могут заключаться лишь в перемене расположения, в образовании новых комбинаций и в движений этих вечных частиц… Бог мог создать частицы вещества обладающими разными размерами и может разной формой, поместить их на разных расстояниях друг от друга, наделить их, быть может, разными плотностями и разными действующими силами. Во всём этом я, по крайней мере, не вижу никаких противоречий… Итак, по-видимому, все тела были построены из вышеупомянутых твердых непроницаемых частиц, которые были в первый день творения размещены в пространстве по указанию Божьего разума».

И если тогда были установлены идеи Бойля о том, что существуют «простые тела» (химические элементы) и «совершенные смеси» (химические соединения) и любые «совершенные смеси» можно разделить на «простые тела», то в книге «Новая система химической философии» 1808 года, Джон Дальтон выдвинул первую мысль о том, что из веществ, к какому виду подлежит. Но перед этим, Лавуазье доказал, что масса постоянна, она никуда не исчезает и не появляется из ниоткуда. Также Дэви открыл целый ряд химических элементов: водород, кислород, азот, углерод, сера, фосфор, натрий и калий были открыты им в 1807 году, а уже в 1808 году им же были открыты такие элементы как кальций, стронций, барий и магний. Также были открыты железо, цинк, медь, свинец, серебро, платина, золото и ртуть.

Их открытие не заняло большего труда, поскольку многие из них выделялись из руд, выделялись из химических соединений. А уже вода, аммиак, углекислый газ и многие другие соединения считались уже совершенными смесями. И теперь, Дальтон располагая всем необходимым, решил определить атомные массы всех химических элементов, а также ввести их все в таблицы, то есть классифицировать. Итак, Дальтон ввёл для каждого химического элемента своё обозначение, к примеру, для водорода он ввёл значок круга с точкой в центре, для кислорода был свой знак — обычный круг, а для углерода был знак закрашенного чёрного круга и т. д. Чтобы вычислить массы атомов, Дальтон провёл некоторые эксперименты.

Изначально, он выпаривал воду, а на верхней части устанавливал вещества с которыми лучше реагировал водород, вычислив изменения как в массе вещества, с которым происходило взаимодействие или от объёма пара, Дальтон мог определить какая часть воды состоит из водорода, а какая из кислорода. Таким образом определив, что 1/8 часть от всей массы воды состоит из водорода, а 7/8 из кислорода, Дальтон решил, что кислород тяжелее водорода и присвоил водороду массу, равную 1, а кислороду 7. Такой же анализ аммиака показал для водорода 1, а для азота 5. Именно так проанализировав, Дальтон составил собственную таблицу химических элементов.

Стоит ли говорить, что хоть это и было первым шагом на пути познания, все эти утверждения были не верными. Но она держалась довольно долго и на её основе строились различные предположения. Одна из таких гипотез была опубликована в журнале «Философские анналы» со стороны лондонского врача Уильяма Праута и была посвящена идее того, что все атомы состоят из водорода. Но конечно, эта гипотеза была не верной как многие другие, предположения того времени.

И если тогда, атомная единица массы была взята как масса атома водорода, то сегодня точной единицей, считается 1/12 часть массы атома углерода и названа как а. е. м. или атомная единица массы. А химические элементы сегодня принято обозначать от первых двух или одной буквы их названия на латыни, к примеру, водород обозначается как H благодаря названию Hydrogenium («Порождающий воду» на латыни), Азот — N или Nitrogenium — «Рождающий селитру», железо — Fe или Ferrum, медь — Cu — Cuprum, углерод — C — Carboneum. Эта система была принята 3 сентября 1860 года после того как итальянский химик Станислао Канниццаро на Международном конгрессе в Карлсруэ предложил данной метод на своём выступлении.

После этого, было принято записывать химические соединения при помощи этих символов, а число атомов указывалось в нижнем правом углу, так к примеру соединение углерода и водорода (вода) записывается как H2O, аммиак — NH3, серная кислота H2SO4 и т. д. Данный метод весьма удобен, поскольку создаёт возможности для использования символьной записи и нет необходимости записывать все символы несколько раз, к примеру, для молекулы тростникового сахара — C6H12O6 (6 атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода). Вместо CCCCCCHHHHHHHHHHHHOOOOOO можно легко и просто записать С6Н12О6.

Если с обозначениями уже всё ясно, то остаётся одно очень интересное следствие. При учёте того, что 1 атомная единица массы равняется 1/12 атома углерода, то это даёт возможность вычислить массы всех химических элементов используя соединения с углеродом. Для лучшего объяснения, приведём пример. Пусть имеется некоторое соединение углерода и водорода, если воздействовать на его при помощи электрического тока или нагревать его, то можно, если оно твёрдое расплавить, если жидкое выпарить и получить конечный объём углерода и водорода. Из соотношения их масс и объёмов, можно определить сколько атомов водорода приходится на один атом углерода, а уже из соотношения их масс, можно вычислить массу водорода. Так если разделить соединение метан на составляющий углерод и водород, то получается в 4 раза больше, в объёме, водорода, чем углерода, благодаря чему можно сделать вывод, что на 1 атом углерода, приходится 4 атома водорода и получается соединение CH4. А что касаемо масс, то в данном соотношении получается, что масса 1 атома водорода равна почти 1/12 массы атома углерода или 1,00811 а. е. м. Ровно таким же методом можно определить массы для всех остальных атомов (Табл. 1.1).

Но чему же точно равняется это значение в 1 а. е. м.? Если ответить на этот вопрос, то можно найти массы всех остальных типов атомов, заодно доказать их реальность. Но ни один из атомов, даже самый большой из них невозможно увидеть ни в каком микроскопе на тот момент. Положение спасает открытие, сделанное в 1828 году английским ботаником Робертом Броуном. Когда Роберту Броуну привезли новый микроскоп, он оставил его в саду, а на утро, на «столике» микроскопа образовались капли росы, а сам Броун забыл их протереть и автоматически посмотрел в микроскоп. Какое же было его удивление, когда он увидел, что частички пыльцы, находящиеся в капле росы хаотично двигаются. Частицы не живые и не могут двигаться сами по себе. Этого просто не могло быть. Но затем, когда это движение было зафиксировано появились некоторые предположения и гипотезы, объясняющие это явление.

Возможно, это движение объяснялось тем, что в самой капле имеются потоки из-за разности давлений и температур, как к примеру, движение пылинок в воздухе. Ведь если такое движение есть у микроскопических объектов, значит оно должно быть и у частиц с большим размером, как у пылинок. Ведь движение пылинок объясняется именно потоками воздуха. Но эта идея не подтвердилась, потому что частицы не двигались в одном направлении. Ведь в потоке или течении струи воздуха, воды или другой среды, частицы должны двигаться только в одном направлении, а движение микроскопических частиц в броуновском движении, не зависит друг от друга.

В таком случае, возможно это движение результат окружающей среды? От внешних звуков, сотрясений стола и других объектов? Это утверждение опроверг уже французский физик Гуи. Проведя ряд экспериментов, он сравнил хаотичное броуновское движение с движением в глухом подвале в деревне с движением посреди шумной улицы. Движения, конечно сказывались, но сказывались только на всей капле целиком, а не на самом броуновском движении частиц. Притом, такое же движение было и в газах, как и в жидкостях, ярким примером такого движения являются движения частичек угля в табачном дыме. Для визуального примера можно сравнить две картины. То как образуется и расплывается табачный дым в воздухе и картина в воде, после того как в неё капнуть каплю краски или красителя.

Объяснение всему этому даёт Карбонель, именно он объясняет, что частицы попадают под толчки со всех сторон, что и вызывает их такое хаотичное движение. И чем частицы меньше, тем их движение становится активнее, поскольку толчки отбрасывают их всё сильнее, а если тела большие, то и число толчков со всех сторон так или иначе становится почти равным, поэтому мебель, здания и сами люди не вибрируют сами по себе и не наблюдается броуновского движения. Также выясняется, что насколько температура больше, настолько больше и скорость этих частиц.

Эта картина становится ещё более ясной, когда Рихард Зигмонди, удалось изобрести свой ультрамикроскоп, на основе которого уже можно было увидеть ещё более мелкие частицы. И их движение уже не было простым движением, это было мельканием, прыганьем и всплеском, описал бы сам Зигмонди. Но чтобы лучше разглядеть эту картину, помог метод Сведберга, который уменьшал время прохода света в микроскоп, благодаря чему удавалось зафиксировать именно точно указываемый момент, то есть можно было сфотографировать это движение. И при уменьшении промежутка времени, делая всё меньше и меньше, стало возможно дойти до того момента, когда частицы на фотографии просто застывали на месте.

И наконец, настаёт 1908 год, когда окончательно было установлено, что атомы существуют, имеют массу и являются основными единицами вещества, а соединяясь друг с другом образуют молекулы — частички любого сложного соединения, будь то вода, кислота, человеческое тело и т. д.

Итак, Жан Перрен — французский физик решает изучить атомы и находит очень даже удивительный способ сделать это. Он берёт каплю «гуммигута», кусочки резиновой смолы или жёлтой краски, если угодно. Растерев этот кусок в воде как кусок мыла, он получал желтоватую воду. Но когда он брал каплю и рассматривал её в микроскоп, то получалось, что гуммигут не совсем пропал, а просто разделился на тысячи и тысячи мелких частичек разных размеров. Перрен решил, что если они разных размеров и все это гуммигутовые частички, значит имеют различные массы, следовательно, их можно отделить использовав центрифугу. То есть если вращать эту жидкость, то более тяжёлые частички логично отделят к стенке, а более лёгкие останутся.

И с увеличением скорости сила увеличивается не дважды, а во столько же раз, во сколько увеличилась скорость, из-за второй степени в формуле центростремительного ускорения. Следовательно, господин Перрен, легко мог утверждать, что может отделить сильным вращением тяжелые частички от лёгких и использовал он для этого центрифугу, тот самый аппарат, который не расплёскивая всю жидкость вращал с определённой частотой. Перрен использовал центрифугу, которая таким образом вращалась 2500 раз в минуту. И даже тогда лишь в маленькой части центра образовывались места с однородными частичками, а остальные отлетали к краям. Поэтому господину Перрену приходилось по нескольку раз так использовать центрифугу. Даже с учётом того, что эта центробежная сила, даже на радиусе в 15 см, уже превосходила силу тяжести (силу притяжения Земли) в 1 000 раз. В чём можно убедиться, учитывая, что сила тяжести определяется произведением (умножением) массы на ускорение падения любого объекта g, которое одинаково для всех объектов и равняется 9,81 м/с2 (метров в секунду в квадрате). А исходя из того, что совершается 2500 оборотов в минуту, можно вычислить, что угловое ускорение по (1.1).

Остаётся лишь вычислить отношение и получить результат (1.2).

Получаемое число действительно больше 1 000, то есть сила на расстоянии всего 15 см уже больше силы притяжении всей планеты в 1 046,9 раз. Таким образом, в конце концов, Перрену удалось получить воду только с указанными диаметром частиц — 0,5 (5 из 10 частей), 0,46, 0,37, 0,21 и 0,14 микрона (1 тысячная доля миллиметра или 10—6 м, что соответствует делению 1/1000000). Ну и наконец, получив такие жидкости только с определённым типом частиц гуммигута (такие жидкости называются эмульсиями), Перрен решил поэкспериментировать и понаблюдать за ними в микроскопе. Наблюдая за ними повернув всю кюветку на бок, Перрен заметил, что эти частички уменьшаются с увеличением высоты. Если вначале они заполняли равномерно или хаотично всю жидкость, то затем они уменьшались с высотой, ровно также как уменьшается воздух в верхних слоях атмосферы. А это уже была мысль! Если это сравнить с уменьшением воздуха на больших высотах, то можно установить закономерность. Но чтобы это проверить Перрен решил сосчитать эти зёрнышки на каждой высоте.

Увы, фотографировать их не получалось, ведь фотографии получались слишком не чёткие из-за малого размера в менее чем 0,5 микрон и Перрен по нескольку раз измерял число частиц гуммигута на разной высоте, поскольку частички двигались, не получалось точного подсчёта, поэтому Перрену приходилось даже на одной высоте считать несколько раз, а потом говорить среднее число. Так в один раз, он провёл расчёт на высоте 5, 35, 65 и 95 микрон. И получалось, что число частиц на высоте 35 микрон было равно почти половине числа частиц на высоте 5 микрон, а высоте 65 — половине 35 и т. д. А это уже прекрасно попадало под закон уменьшение атмосферного давления (силы давления кислорода на нашу планету) с высотой, которую ещё 17 столетии определил Блез Паскаль, знаменитый французский учёный. Он измерял количество кислорода, при помощи барометра Торричелли, устройства для измерения давления, принцип которой состоит в том, что при нормальном давлении воздуха сверху, ртуть в трубке находится на определённой высоте, когда давление становится меньше, ртуть может подниматься, а если давление увеличивается, то наоборот — спадает, если же давления нет, как и притяжения — то это некое подобие невесомости. Вычислив разницу в слоях атмосферы, Паскаль ещё тогда определил, что кислород уменьшается с увеличением высоты на каждые 5 км. Но почему здесь уменьшение частиц гуммигута в 2 раза только с 5 до 35, а в атмосфере с 5 до 10, даже если не учесть масштабы?

А всё дело в частицах, ведь в атмосфере — кислород, а здесь частички гуммигута, насколько причём большие, что их можно увидеть в микроскоп, их диаметр 0,21 микрон. Также закон изменяется и для азота, и для углекислого газа и т. д. из-за разности масс молекул. И если считать э4ту эмульсию как маленькую атмосферу, то уже можно вычислить настоящую массу атома! Проделать этот расчёт не так уж и сложно, высота, на которой плотность кислорода становится в 2 раза меньше — 5 км, а для гуммигута — 30 микрон. А 5 км в 165 000 000 раз больше, чем 30 микрон, следовательно, 1 такой шарик гуммигута с диаметров в 0,21 микрона в 165 000 000 раз больше молекулы воздуха. А подсчитать массу этого гуммигутового шарика проще простого.

Отношение массы 1 кубического метра гуммигута (в объёме куба с размерами в 1 метр ширины, 1 метр высоты и 1 метр длины) на его массу, такое же, как и у этого шарика гуммигута и равно 1 000 кг/м3 (килограмм на кубический метр) или 103 кг/м3 (10 в кубе). А объём сферы для шарика гуммигута, также находится просто. Ведь для того, чтобы вычислить объём сферы, необходимо круг прокружить в пространстве, то есть умножить на его площадь, площадь второго круга и тогда получится и заодно вычесть ту часть круга, где такой «оборот» прошёлся 2 раза. В итоге получается формула, выводимая наподобие формулы для площади круга (1.3).

Такой объём соответствует массе, с учётом силы Архимеда, то есть силой, которая выталкивает из воды, поскольку частички гуммигута находятся в воде, а не в воздухе составляет примерно 10—14 грамм. И если это зерно больше молекулы кислорода в 165 миллионов раз, следовательно, масса атома кислорода составляет 5,33*10—23 грамм. А это уже, как можно узнать из сравнений масс водорода и кислорода (с учётом, что в молекуле кислорода 2 атома, поскольку это газ) в 32 раза больше чем масса водорода, следовательно, масса атома водорода составляет 1,674*10—27 кг, то есть в 1 грамме водорода уже содержится 597 371 565 113 500 597 371 565 114 атомов водорода! И так, можно было уже сравнивать массу атома с а. е. м., получив, что масса атома водорода составляет 1,007825 а. е. м. Именно таким образом Перрен смог сделать казалось бы невозможное — взвесить атомы и молекулы и теперь атомы и молекулы были не сказкой, а настоящей наукой с точными расчётами, формулами и указаниями!

И даже Освальд, ярый противник атомистической теории, в предисловии к своему курсу химии написал: «Теперь я убеждён, что в последнее время мы получили опытное доказательство прерывного, или зернистого, строения материи — доказательство, которого тщетно искала атомистическая гипотеза в продолжении сотен и тысяч лет. Совпадение броуновского движения с требованиями этой гипотезы даёт право самому острожному учёному говорить об опытном доказательстве атомистической теории вещества. Атомистическая гипотеза сделалась, таким образом, научной, прочно обоснованной теорией».

И наконец, можно было смело утверждать, что всё в этой вселенной от планет и звёзд, до нас с Вами, до всего, что видит глаз состоит из атомов, но насколько верным было это утверждение? И возможно, учёным предстояло найти и другие частицы…

Изображения к 1 главе

Глава 2. Внутри атома и особенности ядра

Атом долгое время считали неделимым, само его название означает «неделимый», но со временем, всё же пришлось согласится с тем фактом, что атом делим и имеет структуру, не смотря на то, что прошло достаточно много времени. Описание дальнейших ступеней развития физики атомного ядра и элементарных частиц тесно граничит с разными математическими операциями, подробные описания которых уже не будут приведены, как и многие упрощения к общим теориям, что сильно увеличило бы объём информации, а некоторые «азы» уже были описаны в предыдущей вводной главе. В данной же главе будут описываться явления радиоактивности с использованием анализа при помощи полного математического аппарата.

Мир элементарных частиц, микрообъектов и квантов удивителен по своему строению, образу существования и законам. Познавая структуру материи, неизбежно приходится принять тот факт, что структура любой материи в близи сама по себе представляет собой отдельный мир, как уже говорилось. Сегодня уже широко известна теория атомизма, которая полагала, что все на свете состоит из мельчайших частиц — атомов. И если впервые эти идеи начинались еще со времен Левкиппа, Платона, Аристотеля и многих других ученых древности, во времена которых эти мысли в основном не выходили за пределы философских умозаключений. Впрочем, как во времена таких великих ученых как Абу Райхан Бируни, Абу Али ибн Сина, Аль-Хорезми, Ахмад Аль-Хорезми и других ученых Востока.

Так было даже время, когда атомизм даже был запрещен. И наконец, когда сам сэр Исаак Ньютон наряду с другими учёными защитил эту грандиозную идею, ее начали признавать и начались активные исследования в этой области. Но для полной победы и доказательства действительности существования атомов, нужно было предъявить какие-либо экспериментальные доказательства. Многие ученые как Джон Дальтон, Дмитрий Иванович Менделеев, Жан Перрен и многие другие пытались провести этот эксперимент, пока наконец, Жан Перрен не провел свой эксперимент с гуммигутовой эмульсией. Проведя аналогию изменения числа частичек гуммигута с изменением атмосферного давления по высоте, Перрен смог впервые определить вес атома.

А после того, как атом полностью был признан существующей частицей, начались работы по определению его структуры. И теперь после ряда исследований и экспериментальных подтверждений таких гениальных ученых экспериментаторов и теоретиков как Джон Томпсон, Эрнест Резерфорд, Нильс Бор и многих других была определена структура атома. И сегодня доказано не только при помощи косвенных экспериментов, но и с помощью прямых экспериментальных доказательств, ярким примером которых является сегодня наличие настоящей фотографии атома, что атом имеет четкую и ясную структуру.

Но как же можно прийти к этой структуре? На этом вопросе стоит остановится несколько более подробно. Как известно, все объекты электризуются, обмениваются зарядами, но где же они расположены? Если зарядами обладают все тела, в том числе и диэлектрики (хоть и малыми), следовательно, заряды имеются в структуре вещества. Вещество как уже было доказано состоит из молекул, а те из атомов, следовательно, заряды находятся внутри атомов.

И история открытия структуры атома начинается в 1897 году, когда Джозеф Джон Томпсон открывает электроны, при изучении электрического тока в газах. То есть когда в трубке, в которой имелись два электрода — катод и анод пропускался ток, то катод испускал некоторые лучи, так называемые «катодные лучи», честь точного определения типа этих лучей и принадлежит господину Томпсону, который отклоняя их в магнитном поле, а также ускоряя в электрическом поле, установил, что это ничто иное как некоторые частицы, испускаемые катодом, с отрицательным электрическим зарядом, благодаря чему они и были названы электронами.

И последующие изучения привели к выводу, что электроны являются частью атома и когда они вылетают под действием электрического поля, это приводит к превращению атома в ион. Но обычный атом электрически нейтрален, следовательно, чтобы уравновешивать этот заряд в атоме должна быть часть с положительным зарядом. То есть атом состоит из зарядов, которые каким-то образом взаимодействуют. Как представляется это взаимодействие и является ли это взаимодействие объяснением поведения атомов в химических реакциях, в реакциях с поглощением и излучением света с определёнными длинами волн. Ведь атомы вполне могут быть источниками света, тот же разряженный газ излучает свет с определёнными спектрами, на строгих длинах волн и как это объясняется при помощи этих взаимодействий?

Чтобы это объяснить в 1902 году, господин Уильям Томпсон, более известный как Лорд Кельвин, предложил свою модель строение атома, а уже Джон Томпсон её исследовал более подробно, поэтому эта модель известна как модель Томпсонов. Эта модель была популярна до 1904 года и более известна как «модель пудинга с изюмом». По этой модели атом полностью состоит из положительной материи, а внутри неё находятся электроны, свободно перемещаясь. И при помощи этой модели, вполне получалось описывать некоторые результаты.

К примеру, можно описать атом водорода. Если представить в такой модели атом водорода, то электрон будет «плавать» в положительном заряде, но его будет тянуть к центру этой положительной «капле», благодаря силе электростатического равновесия. Если допустить, что электрон отходит от центра на некоторый радиус, меньший радиуса самого атома, то его будет притягивает мысленная сфера, образуемая этим радиусом. Но поскольку он заряжен равномерно, то его можно сконцентрировать в центре и просто записать по формуле Кулона (2.1).

А для определения заряда мнимой сферы, образуемой внутри общего большого заряда, можно использовать отношение этой мнимой сферы ко всей сфере, а поскольку заряд общей сферы уже известен и равен с зарядом электрона, чтобы атом был нейтрален, то и получается выражение (2.2), где и выводится заряд мнимой сферы.

И если уже подставить это значение под силу Кулона, получается (2.3), довольно интересное выражение, которое прямо пропорционально расстоянию, на которое отдаляется электрон от центра.

Также для дальнейшего удобства здесь можно ввести понятие, что коэффициент вне радиуса мнимой сферы, это колебательная жёсткость (2.4), а если записывать с этой жёсткостью уже не саму формулу силы Кулона, а его проекцию на радиус мнимой сферы, то получится выражение (2.5), причём отрицательный, за счёт того, что вектор силы и само расстояние (направление электрона) противоположны.

А теперь, если предположить, что электрон таким образом колеблется, то это напоминает конструкцию осциллятора или точнее математического маятника со своей жёсткостью и частотой, определяемой по (2.6).

И если подставить под (2.6) необходимую жёсткость, а в качестве массы взять массу электрона, то частота будет иметь порядок оптических волн. То есть атом светится в видимой области и даже эффект свечения можно объяснить при помощи модели Томпсона, но увы, тут возникла иная проблема. Даже если допустить, что атом водорода светится, то по этой модели он светится лишь с 1 частотой, когда как в реальности он испускает свет с 4 частотами. Так было доказано, что модель Томпсонов не верна и было необходимо создать новые модели.

Следующей моделью является модель Эрнеста Резерфорда 1908—1910 годов, который облучая металлические пластины тонкой золотой фольги радиоактивными излучениями, или точнее особыми альфа-частицами. При этом, если убрать пластинку на круговом экране (люминофоре, который светился), возникала точка, когда же ставилась пластина, то эта точка рассеивалась образуя пятно, но кроме того, часть этих лучей отражалась более чем на 90 градусов (прямой угол). И если предположить, что атом состоит так как предполагались Томпсоны, то из-за такого просто огромного «размазанного» положительного заряда на размер атома, отклонение не должно было превышать сотые доли градуса, а здесь было отклонение почти на 180 градусов.

Тогда Резерфорд и предположил, что для удовлетворения результатам эксперимента, нужно предположить, что положительный заряд сильно сконцентрировать в малой области, а всё оставшееся пространство практически пустует, поэтому частицы лишь немного рассеивались под действием электрического поля или же наталкивались на электроны, которые просто вращались вокруг атомного ядра. Именно так Резерфорд впервые и создал планетарную модель атома, по которой внутри имеется единое ядро, а вокруг него вращаются уже электроны по своим орбитам. Правда следовало ещё многое доказать, к примеру, почему электроны не падали атом, тратя свою энергию на вращение, излучая при этом энергию?

Но и на этот вопрос нашёлся ответ, благодаря коллеге Резерфорда — Нильсу Бору, который и создал модель атома водорода Бора, по его модели принимались некоторые постулаты. А именно утверждения того, что электрон не излучает энергию находясь на стационарных орбитах и могут выделять энергию в виде электромагнитного излучения (фотонов или частиц света) лишь при переходе из одной орбиты на другую, причём строго с той энергией, какой равняется разность энергии на этих двух орбитах. Из этого уже вытекало утверждение о квантовании энергии, то есть об оперировании с энергией, частицами, другими их параметрами только в виде порций. То есть не может быть плавного перехода, электрон либо он здесь есть, либо его здесь нет, либо он выделил определённое количество энергии, либо не выделил. Эта идея также поддерживалась ещё Максом Планком при изучении «совершенно чёрного тела», темы которая объясняла бы свечение при нагревании объектов.

Так при нагревании объектов часть энергии от столкновения атомов перетекает к ядру, а после передачи её электрону и переходу его на другой энергетический уровень, а затем обратно, наблюдается выделение фотона с определённой длиной волны, поэтому при нагревании тел они излучают свет. А уже при попадании на атом фотона внешнего, также наблюдается выход через переход электрона, но уже с более большой длиной волны и соответственно, меньшей частотой, благодаря чему и наблюдается такое явление как поглощение и отражение света. Что же касается прохода альфа-частиц при бомбардировке Резерфордом золотой фольги, то именно ядро с большим потенциалом и было причиной наличия таких результатов, как и тот факт, что практически на 99,9% атом пустой и на эти же 99,9% масса атома сосредоточена в его ядре. Таким образом модель Резерфорда смогла объяснить не только результаты того самого эксперимента Резерфорда, но и многие другие явления, что и подтверждает верность этой модели.

Также уместно указать, что электроны располагаются не только по круговым орбитам, но и по собственным отдельно определённым путям, формы которых напоминают «8» на разных осях. Это позволяет расположить гораздо большее число электронов к примеру, для таких больших атомов как уран, с порядковым номером 92, нептуний-93, кюрий-96, калифорний-98 и многие другие. Эти пути приведены из отдельной теории орбиталей, которая также доказывает явление квантования в мире элементарных частиц, откуда можно сделать вывод, что электроны не двигаются, впрочем, как и все микрообъекты, они появляются-пропадают, появляются-пропадают, такова их природа существования.

И всё это образует полную структуру атома. Эта структура образует так называемую «квантовую лестницу», которая отчетливо проявляется при определении размеров всех частиц. Сам атом имеет диаметр порядка 10—8 см, конечно он рознится у каждого атома, но средний размер равен именно этому показателю. В центре атома имеется собственное ядро с радиусом порядка 10—12 см. Вокруг ядра вращаются электроны с диаметром меньше 10—17 см, но это точечная частица для экспериментаторов, поскольку точный размер электрона на данный момент сложен в рассмотрении и даже при рассмотрении с таким показателем как 10—17 см потерей в точности не будет наблюдаться. Если только не учитывать эксперименты с повышенной точностью, направленные на исследование более высоких разрешений.

Ядро же само является составным и состоит из частиц именуемые нуклонами, при дальнейшим приближении можно убедиться, что внутри ядра имеется 2 типа нуклонов: протоны и нейтроны. Каждый из них по собственному размеру приблизительно составляет 10—13 см. А при дальнейшем приближении можно наблюдать уже более малые частицы — кварки. Кварки сами по себе являются уже точечными частицами и имеют размер также меньший 10—17, как и электроны.

Если говорить о дальнейшем увеличении и прохождении ещё дальше в глубины материи, то что там будет и как это выглядит, сегодня неизвестно. Но факт в том, что это сделать даже сегодня довольно трудно.

И сегодня квантовый мир предстаёт именно в этом виде. Производятся удивительные операции с этими и многими другими частицами, образуются многие другие частицы. Само же изучение квантового мира является очень даже важным, поскольку уже сегодня изучение в этой области привело к целому ряду открытий, ярким примером которого является создание технологий АЭС, создание ускорителей элементарных частиц, исследования в области проведения термоядерных реакций, широко известных под названием «создание искусственного Солнца» и многие другие исследования получили истоки именно в этой области. А также именно в этой области было зарождено исследование «Электрон», к которому и ведётся это повествование.

Открытие Конрадом Рентгеном особых лучшей испускаемых катодной трубкой, которые в дальнейшем получили имя самого Рентгена, вызвало большой фурор. Многие учёные начали активные исследования, но не успел мир оправится от этого удивления, как внезапно были открыты удивительные материалы, которые испускали эти удивительные лучи. Анри Беккерель, являющийся одним из знаменитых учёных, исследовавших флюоресценцию, решил доказать факт связи этого явления с радиоактивным источником — урановой солью. Именно тогда Беккерель в 1896 году оставил на фотопластинке материал без освещения по случайности и заметил, что на фотопластинке имелись потемнения, доказывающие, что соль сама по себе испускает удивительные лучи. Многие учёные исследовали это явление, пока не было доказано, что эти излучения — результат радиоактивного распада атомных ядер.

Именно по этой причине 1896 год считается годом начала исследования в области атомного ядра. Также было известно, что если направить сфокусированное излучение из радиоактивного источника (урановую соль) поместив её в свинцовую камеру с единственной щелью, а затем на пути этого изучения расположить магниты, то это излучение будет разделено на 3 типа. При этом поток излучения, которое было направлено направо имеет отрицательный заряд, поток, который был повёрнут налево же имеет положительный заряд, что легко доказывается из закона Лоренца. А третье излучение, которое не было отклонено не имеет заряда.

Таким образом положительное излучение получило название альфа-частиц, а после измерения масс этих частиц исходя из формулы силы Лоренца при изменении индукции магнитного поля (принцип действия масс-спектрометра) можно было убедится, что это ядра атома гелия. Отрицательные частицы, которые были названы бета-частицами, при таком же анализе оказались просто быстрыми электронами, а лучи, которые не были отклонены, получили название гамма-излучения.

После того, как первоначально был проведён анализ структуры радиоактивного излучения, можно убедится, что само излучение состоит из 2 типов частиц и 1 типа волн, а именно гамма-излучения, благодаря чему уже можно привести общее определение радиоактивности:

Радиоактивность — самопроизвольное испускание атомными ядрами различных частиц и излучений.

Говоря уже более подробно о датах определения и исследования радиоактивности необходимо указать, что к 1900 году все типы радиоактивности уже были исследованы, хотя само атомное ядро было открыто Эрнестом Резерфордом лишь в 1911 году. Первое излучение — альфа-излучение, которое как уже было определено состоит из ядер гелия было открыто в 1898 году тем же Эрнестом Резерфордом и стало известным как альфа-распад. Также бета-распад или вылет электронов был открыт тем же Резерфордом в том же 1898 году. Но вот гамма-излучение было определено и исследовано лишь в 1900 году Полем Ульришем Виллардом.

Эти исследования и доказали, что потемнения пластин, наблюдаемые Беккерелем вызывалось именно радиоактивным излучением. Следовательно, теперь можно прийти к понятию радиоактивного распада:

Радиоактивный распад — спонтанный процесс, характерный для явлений микромира на квантовом уровне. При этом результат радиоактивного распада невозможно предсказать точно, лишь определить вероятность. Такая природа явлений не является несовершенством приборов, а является представлением уже самих процессов квантового мира.

Из этого утверждения можно сделать вывод, что должен быть некий общепринятый закон объясняющий это явление. Вывод закона радиоактивного распада представляется следующий образом:

Пусть в некий момент времени t имеется N (t) одинаковых радиоактивных ядер или нестабильных частиц и вероятность распада отдельного ядра (частицы) в единицу времени равняется λ.

В таком случае, за промежуток времени dt число радиоактивных ядер (частиц) уменьшится на dN, откуда вытекает следующее выражение (2.7).

Если же вывести из этого соотношения изменение по времени, то получается (2.8).

В (2.8) понятие τ, определяется в (2.9) и является средним временем жизни ядра (до распада), что довольно удобно к использованию, а N (0) в этом случае — это число ядер в начальный момент времени.

Также можно представить ещё один более упрощённый вид (2.8) в (2.10).

Где время с половинным индексом является периодом полураспада и вычисляется по (2.11) и равняется отдельному значению для каждого радиоактивного ядра.

Если же необходимо определить среднее число распадов (для распада с малой скоростью) вычисляется по (2.12).

При преобразовании данной закономерности образуется кривая радиоактивного распада (Рис. 2.8).

Из графика может увидеть, что закономерность экспоненциальная и при этом уменьшается каждый раз на половину периода с последующим уменьшением.

В качестве экспериментального анализа этого явления, можно показать следующее. Было проведено 100 измерений за одинаковый промежуток времени и при этом измерено число распадов. В результате был получен график на (Рис. 2.9), где среднее число распадов равное 77,47 совпало со значением в (2.12), что является ярким доказательством верности общей закономерности.

Общий вид распределения этой статистике представляется уже по иному закону. То есть вероятность Pn за время t на испытание n числа распадов выдаётся распределением Пуассона (2.13).

Этот вывод уже присущ теории вероятности, и если полагаться на него, то также для случая, когда (n>> 1) используются уже распределения Гаусса (2.14).

Если же выражать эти две закономерности на графиках, можно получить почти совпадающие картины с увеличением среднего числа распадов. К примеру если среднее число распадов равно 2, то имеет место некоторая разница в результатах по распределению Пуассона и Гаусса, но когда это число, к примеру, достигает 7 и больших значений, эта разность становится всё менее значительной, что показано на (Рис 2.10).

После того как с вероятностью на нулевой скорости было решено, можно обратить внимание на случаи, когда в дело вступают эффекты теории относительности. В микромире, где размеры изучаемых объектов практически невидимы, к примеру, для атомов с их размерами в 10—8 см, для атомных ядер с их 10-12-10-13 см и для прочих частиц с 10-13-10-17 см, скорости часто бывают сопоставимы, близки или даже равны скорости света. Благодаря этому в микромире отчётливо проявляются все особенности и эффекты теории относительности.

По этой причине, важно подробнее рассмотреть соотношения и основные уравнения из теории относительности.

Одним из важнейших элементов в теории относительности является Лоренц-фактор (2.15), который участвует почти во всех формулах теории относительности, который также можно вывести из формулы кинетической энергии (2.16).

Из этих соотношений можно сделать вывод, что полная энергия, которая является суммой кинетической энергии и энергии покоя частицы определяется по (2.17).

Наличие этого равенства приводит к тому, что решается проблема отсутствия формулы для вычисления энергии частиц, не имеющих масс (пример, фотон или глюон). А уже из (2.16) также можно вывести более упрощённую запись для кинетической энергии (2.18). В случае же применения (2.15) для формулы импульса (2.19), получается также упрощённый вид.

Скорость же частицы выводимая из формул полной энергии (2.17) выглядит следующим образом (2.20).

Важным элементом также в вычислениях, также это полная энергия безмассовых частиц, является формула (2.21), где выводы которой приводятся также из соотношения полной энергии (2.17).

Понятие инварианта также играет роль в этом определении. Инвариант — это неизменная величина, вне зависимости от системы отчёта, с которого ведётся наблюдение. В данном случае, инвариантом является квадрат массы или (2.22).

И при этом не имеет значение, это одна частица или система частиц, поэтому полная энергия Е также относится к частице или системе частиц, также и импульс частицы относится как к частице или же системе частиц.

Одним из самых важных моментов в изучении физики атомного ядра и элементарных частиц, является знакомство с системой единиц, которой легче всего проводить вычисления — это Гауссовая система единиц вместе с некоторыми внесистемными величинами.

Говоря о единицах энергии, то благодаря малому количеству энергий, удобно использовать единицу электронвольт (эВ), что равняется 1,6*10—19 Дж или 1,6*10—12 эрг. Эта величина представляет собой энергию, которую приобретает электрон, проходя разность потенциалов в 1 Вольт. Также уместны значения в 1 кэВ (килоэлектронвольт) или 103 эВ, 1 МэВ или 106 эВ, 1 ГэВ или 109 эВ и 1 ТэВ или 1012 эВ, что активно применяются в физике элементарных частиц и атомного ядра.

Единицей длины или расстояний принято использовать значение в 1 Ферми (Фм) в честь знаменитого учёного Энрико Ферми, что также совпадает со значением в 1 фемтометр (фм), где 1 Фм равняется 10—13 см. Что же касается массы, то она выражается в энергетических единицах mc2, к примеру, масса электрона, которая в обычной системе единиц СИ составляет 9,11*10—28 грамм, то в энергетических единицах составляет 0,511 МэВ. А масса протона, которая составляет 1,6727*10—24 грамма, в энергетическом эквиваленте составит 938,27 МэВ.

Специальная и общая теория относительности имеют множество эффектов, то большего внимания заслуживают 3 из них. Первый из них — это замедление времени для релятивисткой частицы, второй — эффект сокращения расстояния в направлении движения релятивисткой частицы и третий эффект, который между прочим, выходит из общей теории относительности — замедление времени в гравитационном поле, также известный как гравитационное красное смещение излучения. Для лучшего понятия этих эффектов, рассмотрим 3 случая.

Пусть некоторые частицы испытывают распад по закону радиоактивного распада (2.23), где τ0 — время жизни в покоящемся состоянии.

В таком случае, если частицы двигаются с некоторой скоростью, то время их жизни, за счёт замедления времени возрастает и становится равным (2.24), где Лоренц-фактор известен (2.25) и отсюда уже можно сказать, что закон радиоактивного распада для релятивистских частиц представляется в виде (2.26).

Рассмотрим пример. Большую часть из всех частиц, которые падают на Землю вместе с космическим излучением составляют протоны с энергиями порядка 1020 эВ. При этом когда они попадают в Земную атмосферу, то они сталкиваются с атомами азота и кислорода рождаются заряжённые пионы (некоторые частицы, которые имеют обозначение π+ или π- для положительно и отрицательно заряжённого пиона соответвенно), они в своём свободном полёте распадаются на уже релятивистские мюоны (иные типы частиц, которые обозначаются уже как μ+ или μ- также для положительно и отрицательно заряженного мюона соответственно), также выделяются из пионов мюонные нейтрино νμ либо их антинейтрино. А время жизни пиона составляет 2,6*10—8 сек. Таким образом образуется своеобразный «ливень» из вторичных частиц, который рождается протоном в атмосфере Земли. И эти реакции, образующие «ливень» можно записать как (2.27), (2.28) и (2.29), а также проиллюстрировать на (Рис. 2.11).

Но также важно отметить, что (2.28) и (2.29) имеют своё продолжение в (2.30) и (2.31) соответственно.

При этом собственное время жизни мюона составит 2,2*10—6 секунды. Пусть на высоте 5 км над поверхностью Земли рождаются мюоны с кинетическими энергиями в 1 ГэВ, смогут ли они долететь до поверхности и если да, то какая часть?

Для получения ответа на этот вопрос воспользуемся 2 путями, с и без эффекта теории относительности. Если пренебречь эффектами вызываемыми теорией относительности, даже зная, что при энергии в 1 ГэВ скорости будут почти равны скорости света, особенно для такой лёгкой частицы как мюоны, то за время 2,2*10—6 секунды эти частицы преодолеют лишь расстояние в (2.32), и доля мюонов достигших поверхности Земли по закону радиоактивного распада будет составлять (2.33).

Ярко видно, что часть долетающих частиц просто ничтожно, но если применить релятивизм, в таком случае необходимо вычислить Лоренц-фактор по (2.34), а затем подставив его, получить результат в (2.35), тем самым уже в (2.36) показав, что расстояние прилично из-за этого увеличилось.

Итак, релятивистское замедление позволяет почти половине мюонов с кинетической энергией 1 ГэВ, родившихся на высоте 5 км, и двигающихся в направлении Земли, достичь её поверхности.

После того, как эффект замедления времени был продемонстрирован, то стоит доказать эффект сокращения продольного размера объекта при больших скоростях. Ярким примером такого эффекта могут быть те же протоны, ускоряющиеся в Большом Адронном Коллайдере (БАК) или в Large Hadron Collider (LHC) (Рис. 1.5), ускоряются до энергий 6 500 ГэВ или приближённо 7 ТэВ. Такие протоны должны уменьшать свои размеры за счёт эффекта теории относительности и при этом это сокращение должно определяться через (2.37), где L и L0 — продольные размеры движущегося и покоящегося тела, в нашем случае протона с кинетической энергией примерно 7 ТэВ.

И если вычислить Лоренц-фактор (2.38), получится 7463. То есть радиус протона сократиться в 7463 раза или почти до 10—4 Фм или 10—17 см, то есть почти до размера электрона, демонстрируя картину (Рис. 2.12).

В Коллайдере частицы ускоряются до невероятных скоростей, отличных от скорости света всего на 10—8 её части или примерно на 3 м/с, что уже даёт понятие того, насколько важны учёты всевозможных эффектов теории относительности в этой системе.

И теперь, когда и этот эффект был объяснён, можно переходить к эффекту гравитационного красного электромагнитного излучения (замедления времени в гравитационном поле). Поскольку объект имеющий массу искривляет пространство-время, это приводит и к искривлению самого времени, благодаря чему время на больших высотах идёт быстрее, а с увеличением гравитации время также замедляется. Это действует таким образом, что на большой высоте атомы увеличивают свои характерные частоты. И если фотон (безмассовая частица света) также попадает под такой эффект, то есть проходит через поля с разностью гравитационного поля, то и он уменьшает свою частоту, то есть «краснеет» за счёт малой частоты у красных фотонов, по этой причине этот эффект и назван эффектом гравитационного красного смещения, а за счёт того, что фотоны — это частицы электромагнитного излучения, поэтому этот эффект также применим и к таким безмассовым частицам.

Чтобы доказать этот эффект теоретически возможно не прибегать к формальностям Общей Теории Относительности (ОТО), хотя он предсказывается именно ОТО, а достаточно принять формулу для полной энергии фотона — hν.

Теперь стоит подробнее остановится на понятии того, что и сами атомы, а точнее их ядра могут играть роль часов и об изменении их частоты. Дело в том, что все атомы и атомные ядра вполне обладают свойствами точнейших идеальных часов. Их скорость или темп и определяется их энергиями, ну или частотами, если представить будто бы частицы волны и их энергии определяются как энергии фотонов. И эта энергия перехода атома или его ядра между его любыми уровнями. То есть атом или любой другой микрообъект не может находится просто в каком-то положении, а потом переходя в другое состояние плавно в него переходить, он обязательно будет переходить скачками, хоть это будет увеличение энергии при ускорении протона, хоть это будет возбуждение электрона с переходом на другую орбиту, хоть это будет изменение частоты фотона. И для атомов также справедливо это утверждение, благодаря чему можно и утверждать, что частота в формуле (2.39) и есть ход атомных часов.

Теперь, пусть зафиксирован некоторый атом на определённой малой высоте. И он перешёл из одного энергетического уровня в другой, более высокий, под действием внешних сил, затем обратно. При этом когда он понижает свой энергетический уровень, он испускает фотон с частотой соответствующий разности этих атомных или ядерных энергетических уровней, а с ростом высоты за счёт наличия у верхних атомов большей потенциальной или гравитационной энергии, испускаемые уже ими фотоны будут иметь меньшую частоту, за счёт уменьшения разности энергетических уровней, поскольку и начальный уровень из-за гравитационной энергии увеличивается. Следовательно, у верхних атомов темп быстрее, а у нижних он меньше, благодаря чему и утверждать о замедлении времени при увеличении гравитации. А верхний наблюдать воспринимает это снижение темпа нижних часов как покраснений (увеличение длины волны с уменьшением частоты) прилетевшего снизу фотона, что наглядно видно на (Рис. 2.13).

Или:

Часы идут медленнее, если они установлены вблизи весомых масс. Отсюда следует, что спектральные линии света, попадающего к нам с поверхности больших звёзд, должны сместиться к красному концу спектра.

Альберт Эйнштейн

Именно по этой причине, когда возбуждается массивный излучатель водорода и лёгкий излучатель того же водорода, получается смещение его спектра, что можно также видеть на (Рис. 2.14).

И рассмотрев эти моменты, которые также привели и к ознакомлению с явлениями теории относительности, были подробно описаны и рассмотрены сами понятия ядерных реакций и теперь, наконец настало время для подробного изучения самого главного понятия — ядерных реакций.

Глава 3. Ядерные реакции

После подробного изучения всех эффектов относительно атома, теперь пришло время для проведения операций с атомным ядром, а именно настало время для объяснения ядерных реакций. Итак, говоря о ядерных реакциях понимается следующее утверждение:

Ядерные реакции — это превращения атомных ядер, при взаимодействии с элементарными частицами и друг с другом.

То есть, на ядро налетает другое ядро или частица, либо сталкиваются уже два ядра между собой или любые частицы между собой, образуя тем самым новые продукты реакции. Напоминаем также, что ядра состоят из нуклонов — протонов и нейтронов, а они в свою очередь из кварков. При этом протоны заряжены положительно и именно они создают положительный заряд ядра, а нейтроны как можно заметить из наименования, электрически нейтральны и необходимы для того, чтобы ядро само по себе удерживалось. При этом ядро находясь вне ядра распадается на электрон, протон и антинейтрино, а внутри ядра нейтрон перебрасывает протону некоторую часть энергии, что позволяет ему стать на время протоном, а протону нейтроном, затем обратно. И этот цикл постоянно продолжается, тем самым и нейтрон не распадается, и протоны из-за своей одноимённости не разлетаются, и ядро остаётся целым. Чтобы определить число нейтронов в ядре достаточно отнять от массы всего ядра массу всех протонов, что легко можно вычислить умножив заряд ядра на массу протона, которая равна 1,00728 а. е. м., а уже после это значение разделить на массу 1 нейтрона или 1,00866 а. е. м. К слову, стоит отметить, что нельзя использовать массу атома, поскольку имеются ещё и электроны, каждая с массой 0,00055 а. е. м. Поэтому предварительно, если известна только атомная масса, необходимо вычесть массу всех электронов, получив массу ядра.

А теперь, возвращаясь к ядерным реакциям, стоит сказать, что ярким примером реакции под действием альфа-частиц, является первая реакция, осуществлённая Эрнестом Резерфордом (3.1). При этом в левой части записываются элементы до реакции, а в правой, после проведения реакции.

Реакция (3.1) вызвана под действием альфа-частиц или точнее ядра атома гелия. Но также ядерные реакции могут быть вызваны другими частицами, к примеру, под действием протона или же ядра атома водорода (3.2).

При второй реакции на атом лития-7 (атомная масса равна примерно 7 а. е. м., а заряд — 3, то есть в ядре 3 протона и 4 нейтрона), налетает протон с зарядом 1 элементарный заряд и примерно 1 а. е. м., получается 2 альфа-частицы с зарядом в 2 элементарных заряда и массой почти 4 а. е. м.

Теперь, важно отметить такой факт, как кулоновский барьер. То есть, факт того, что ядра благодаря своей одноимённости отталкиваются и отталкиваются с приличной силой. И чтобы вычислить эту силу необходимо использовать (3.3) или формулу для определения кулоновского барьера.

Определяется кулоновский барьер уже с использованием некоторых постоянных. Вычислим кулоновский барьер для реакции (3.1). Для этого, необходимо переписать формулу в виде (3.4).

Хотя по сути ничего не изменилось, нам удалось добавить 2 постоянный. Отношение квадрата элементарного заряда на произведение приведённой постоянной планка и скорости света, это постоянная названная постоянной тонкой структуры и равняется 1/137, это второй множитель. А третий множитель — это уже константа конверсии и равняется 197,3 МэВ*Фм. Именно поэтому радиус указывается также в Фм и в результате получается результат в МэВ. Но в этом случае, радиус ядра также определяется по своей формуле, которую также необходимо привести (3.5).

В (3.5) был определён радиус ядра атома азота, с которым и провёл реакцию Резерфорд, следовательно, можно перейти к (3.6), где уже предстоит определить сам кулоновский барьер (3.6).

То есть, при проведении этой ядерной реакции, альфа-частица тратит 5,97536 МэВ на то чтобы приблизится к ядру на достаточное расстояние, чтобы началась ядерная реакция, то есть на радиус где действуют те волшебные ядерные силы, которые пересиливают электрические и тем самым происходит реакция.

Важно отметить и факт обратный, когда кулоновские силы действуют обратно, отталкивая продукты реакции друг от друга. К примеру, для того, чтобы определить какую энергию приобретает протон, после прохождения ядерной реакции, только благодаря кулоновским силам, также возможно использование этой энергии, но уже относительно ядра атома кислорода-17, как можно видеть в (3.7), где определяется радиус кислорода-17 и (3.8), где вычисляется выходящий кулоновский барьер.

И это как видно из результата вполне справедливо, что вполне подтверждается экспериментально. Но эта энергия лишь прибавляется в конце, а точно какую энергию приобретают частицы находясь внутри ядра. Только предстоит узнать.

Теперь важно сказать пару слов о каналах ядерных реакций. Дело в том, что существует целый ряд вариантов исхода одного взаимодействия. К примеру, для той же реакции бомбардировки азота могли пройти следующие результаты (3.9).

И перечислять можно эти варианты очень долго, но лишь некоторые из них имеют возможность к осуществлению. К примеру, первая реакция может произойти, только при этом ничего не изменится, и они лишь обменяются энергиями, тогда ядро азота перейдёт в возбуждённое состояние, о чём и говорит значок «*». А поскольку изменений в структуре не происходит, этот вариант, их ещё называют каналами реакции, открыт, и упругий. Ровно, как и упругое взаимодействие. А остальные каналы неупругие, поскольку, в них уже происходит изменение структуры первоначальных ядер.

Чтобы понять какой из неупругих каналов открыт, а какой закрыт, необходимо уже перейти к законам сохранения. И говоря о них, в первую очередь необходимо отметить закон сохранения нуклонного числа и заряда. Как видно, во всех реакциях, сумма всех нуклонов одинакова, ровно, как и сумма зарядов. Это первые два закона сохранения.

За ними следует закон сохранения энергии и импульса. То есть энергия частиц до реакции, имеется ввиду полная энергия, равна полной энергии частиц после реакции. Также и у импульса — полный импульс до реакции равен полному импульсу после реакции. Существуют и другие законы сохранения, к ним можно отнести закон сохранения изоспина, чётности, количества момента движения и другие, но на данный момент, нам необходимы только перечисленные законы сохранения. Итак, говоря уже о законах сохранения, можно дать ответ на вопрос о том, что же определяет открытость и закрытость канала. А определяет именно выполнение данных законов. То есть если законы для одного канала выполняются — он открыт, если нет — он закрыт. А если открытых каналов уже несколько, то какой из них произойдёт, определяет вероятность, или такой показатель как сечение ядерной реакции, но об этом позже.

После того, как были описаны законы сохранения, важно отметить следующие парадоксы. Первый парадокс касается атомного ядра. Если определить массу атомного ядра экспериментально, то есть сначала определить массу атома, затем из него вычесть массу электронов. А масса электронов была определена благодаря углу отклонения в магнитном поле, когда находилась вне атома в катодных лучах, о которых говорилось ранее и таким образом получить массу ядра, то по сути, он должен быть равен сумме масс всех протонов и нейтронов. Проверим действительность этого утверждения на примере ядра атома гелия или уже широко известной альфа-частицы.

Масса альфа-частицы составляет 4,001506179 а. е. м., уже без электронов, при этом он состоит из 2 протонов с массой в 1,00728 а. е. м. и 2 нейтронов с массой 1,00866 а. е. м., общая масса которых составит 4,03188 а. е. м. Получается разница в 0,030373821 а. е. м., это и есть дефект массы и определяется по формуле (3.10), а эта же величина, но уже в виде энергии определяется по формуле (3.11). И за счёт того, что 1 а. е. м. в энергетическом эквиваленте составляет 931,5 МэВ, то и квадрат скорости света для таких формул, где нужно вывести ответ в МэВ равняется 931,5 МэВ.

Определяемая в (3.11) энергия является энергией связи ядра и альфа-частицы она составляет 28,2932 МэВ. У любого ядра имеется своя энергия связи, также важен параметр энергии связи на нуклон (3.12), к примеру для альфа-частицы энергия связи на нуклон составляет 7,0733 МэВ.

У любого ядра есть этот параметр и если проанализировать все эти значения, получается общая диаграмма, благодаря которой можно определить к примеру то, что для тяжёлых ядер (урану, плутонию и т.д.) выгодно разделяться на более лёгкие, с большим выделением энергии, или для более лёгких ядер (водороду, гелию и т.д.) соединяться в более тяжёлые.

На этом основан первый парадокс, но также имеет место второй парадокс, уже для ядерных реакций. Этот парадокс основан на самих ядерных реакциях. Если сложить массы всех элементов ядерной реакции до и после, получится некоторая разница. К примеру, если проверить на реакции Резерфорда, то масса азота-14 составляет 14,0030740048 а. е. м., а альфа-частицы, как уже было указано — 4,001506179 а. е. м., их сумма составит 18,0045801838 а. е. м., а масса протона 1,00728 а. е. м. и кислорода-17 — 16,9991317012 а. е. м., эта сумма уже составит 18,0064117012 а. е. м. Разница масс составляет 0,0018315174 а. е. м. Откуда взялась эта масса?

Ответ удивителен, эта масса появилась из кинетической энергии бомбардирующей альфа-частицы. И разница масс в энергетическом эквиваленте и называется выходом реакции (3.13).

К примеру для реакции (3.1) составит -1,7060584581 МэВ, а поскольку это значение меньше нуля, это значит, что альфа-частица затратила столько энергии для прохождения этой реакции. Есть реакции из которых выходит энергия, к примеру, та же реакция с ураном, где выход порядка 200 МэВ. Такие реакции называются экзо-энергетическими или экзотермическими, а реакции с поглощением, где выход реакции меньше нуля, называются эндо-энергетическими или эндотермическими.

Изучать ядерную реакцию можно в системе центра инерции и лабораторной системе координат. Если же рассматривать реакцию в системе центра инерции, то это ситуация, когда две частицы сталкиваются, а общий центр масса неподвижен, как до реакции так и после. А в лабораторной системе координат, центр масс движется с определённой скоростью, к примеру, мишень неподвижна, и на неё налетает частица — это рассмотрение в лабораторной системе координат. И если рассматривать с такой точки зрения, то действительно верно равенство (3.14).

Уже из (3.14), вполне можно вывести пороговую кинетическую энергию налетающей частицы (3.15) и соответственно упростить её (3.16).

А теперь очень даже интересный момент. Энергия выделяемая при реакции направляется сразу на все продукты реакции, но какую часть из этой энергии какой продукт получит?

Чтобы понимать это, необходимо указать, что при прохождении реакции используется так называемая «капельная модель», то есть частица влетая в ядро, перед тем как вылететь в виде продукта, на некоторое время остаётся внутри общего ядра, и только потом вылетает. Это даёт возможность полагать, что импульс в некой степени постоянен и здесь рассматриваются четырёхмерные векторы, то есть векторы в пространстве и во времени. При этом частица, общая забывает каким образом она образована, поэтому эта даёт шанс полагать, что её импульс нулевой. Весь вошедший импульс пропадает в самом ядре между нуклонами и уходит на возбуждение. И можно записать два равенства следуя из зависимости между энергией и импульсом (3.17), (3.18) с учётом (3.19).

А ещё важно указать, что для каждого из продуктов реакции имеется своё соотношение, между их импульсом и массой (3.20) и (3.21), из которых можно вывести выражение (3.22).

Из этих выражений образуется система (3.23) с точно выводимыми решениями.

А уже (3.23) легко преобразовать в (3.24) и (3.25).

Так можно вывести формулы для энергий каждой из продуктов ядерной реакции. Но теперь встаёт вопрос, какая же часть из всех налетающих частиц будет взаимодействовать? А уже чтобы ответить на этот вопрос, вполне целесообразно воспользоваться понятием сечения ядерной реакции. Сечением ядерной реакции принято считать такую область, попадая в которую частица входит во взаимодействие. Конечно это площадь самого ядра, но также не стоит забывать, что частица сама по себе ещё и волна и имеет свою длину волны, как излучение, поэтому к радиусу этой окружности прибавляется и длина волны этого излучения.

Следовательно, можно записать формулу для сечения ядерной реакции следующим образом (3.26).

А длину волны легко определить из формулы де Бройля (3.27).

Для измерения сечения ядерной реакции введена отдельная единица — барн, которая составляет 10—28 м2. При этом имеется постоянная ядерной реакции деления урана — 584 бн, и для некоторых реакций, целесообразно вводить некоторые дополнительные константы, для ввода значений в нужную область.

Если, это площадь, попадая на которую частица входит во взаимодействие, то какую часть она занимает от всей площади бомбардировки? Для того, чтобы вывести формулу для частиц, вошедших во взаимодействие, необходимо представить саму мишень. Если мишень имеет толщину dx, площадь А, а также на неё падает N0 частиц, то для того, чтобы выразить площадь, которую могут задеть эти частицы, необходимо вычислить число атомов на кубический метр в этом веществе. Для этого достаточно разделить массу кубического метра вещества (плотность) на атомную массу в тех же единицах (3.28). Затем уже вычислив объём бомбардируемого тела, умножив его площадь на толщину, умножить его на число полученное в (3.28), получив (3.29).

А если уже умножить на сечение или точнее площадь для каждого ядра, на котором произойдёт взаимодействие, получится общая площадь взаимодействия (3.30).

Теперь, если перед мишенью влетало одно число частиц, а выходит другое, то отношение этого уменьшения числа частиц ко всему числу налетевших будет равно отношению этой всей бомбардируемой площади к общей площади (3.31).

В случае, если необходимо найти общее число, всех этих взаимодействий, то легко проинтегрировать обе части (3.29), тем самым получив некоторое общее равенство, откуда можно вывести полную формулу для числа взаимодействий (3.32) и (3.33). Интегрирование ведётся для левой части по числу частиц, а в правой по толщине мишени. При этом идёт уменьшение числа частиц, а не увеличение, поэтому добавляется минус перед правым интегралом в выражении.

Именно таким образом была выведена необходимая формула, для определения числа взаимодействий, а для процента взаимодействовавших частиц, достаточно взять отношения из (3.34).

На этом моменте и завершился полный анализ ядерных реакций. Благодаря этому анализу, стало возможно полностью пронаблюдать не только за энергетическими параметрами, теоретическими факторами, войти в глубины атома, но также пронаблюдать за самим процессом и практическим движением в сторону вычисления необходимых данных для любой ядерной реакции.

Выводы к 1 разделу

Первый раздел был целиком и полностью посвящён только анализу уже имеющихся данных, которые могут быть полезны в последующем анализе поставленных вопросов. Конечно, до сегодняшнего дня было проведено достаточно много работ в области физики элементарных частиц и атомного ядра, квантовой физики, физики электромагнитных явлений, физики ускорителей и многих других областях и каждый из результатов не менее важен, но для того, чтобы анализировать уже поставленные новые вопросы, которые будут представлены в последующем разделе, было необходимо представить только самые необходимые данные.

В объяснении хода событий, всегда важен порядок, последовательность трактовки и повествования по возрастанию, именно поэтому первая глава была создана без каких-либо закономерностей и формул, усложняющих процесс. Благодаря первой главе читатель изначально войдёт в атмосферу физики атомного ядра и элементарных частиц, почувствует её азарт и все ощущения.

А уже во второй главе, где речь уже шла внутри самих исследований, впервые были введены понятия радиоактивности и распада частиц, что сыграет не маловажную роль в анализе распадов во втором разделе. Затем же, вводились основные понятия теории относительности, как первостепенные и важнейшие данные, необходимые при исследовании физики элементарных частиц.

И наконец, в третьей главе уже была рассмотрена сама тематика ядерных реакции, благодаря чему были указаны самые основные формулы и порядок анализа ядерных реакций. Ведь при анализе ядерной реакции изначально важно определить её выход, то есть её энергетический потенциал, в случае если она положительна, то исследование над реакцией можно продолжать уже определяя кинетическую энергию, которую приобретают каждые из продуктов реакции, в обратном же случае определяется порог ядерной реакции, то есть минимальная кинетическая энергия, которую необходимо придать ядру, чтобы произошло необходимое возбуждение.

Но даже если исследуется ядерная реакция с выходом энергии, важно перед этим учесть факт наличия у любого ядра отталкивающего потенциала или кулоновского барьера, который также не маловажен. Но на процессах прохода самих реакций и их понимании важно остановится немного подробнее. Когда частица, налетает на ядро и если кинетическая энергия является достаточной для преодоления кулоновского барьера и барьера самой реакции, если в ней есть порог, то после этого ядро и налетающая частица соединяются образуя одно общее ядро, которое непременно распадётся, за определённое время, и само ядро «забывает» то каким образом оно было образовано. Поэтому после того как был проанализирован единый канал, важно указать, что он может удовлетворять и другим каналам распада, которые также важно проанализировать при исследовании любой ядерной реакции.

Важным моментом, который также был описан в предыдущей главе, является наличие у каждой реакции её сечения или площади воздействия налетающей частицы. И насколько, эта площадь будет большей, настолько большое количество взаимодействий происходит, при прохождении через слой мишени. Таким образом завершается данный раздел и теперь можно полностью переходить к подробному анализу ядерных реакций в проекте «Электрон», который направлен на использование новых ядерных реакции с выделением энергий.

Раздел 2. Проект «Электрон»

Глава 1. Об исследовании

И наконец, настало время для перехода уже к полноценному описанию самой идеи данного проекта, к чему уже изначально шло всё повествование, которое начиналось ещё с первых истоков атомизма, прошло через ряд трудностей на пути определения масс атомов относительно друг друга, затем уже к определению массы самого лёгкого атома. Затем это повествование прошло через исследование радиоактивности, идей теории относительности, эффектов замедления времени, после чего перешло к исследованию о структуре и механизмах действий ядерных реакции.

По сути, само исследование, имеет некоторую цель, а именно: «Генерация огромного количества электрической энергии при помощи новейших безопасных ядерных реакций на электростанции „Электрон“ с последующей его передачей для потребления». То есть, анализируя ядерные реакции, среди которых также имеются и термоядерные, были отобраны некоторые ядерные реакции, максимально пригодные для использования их как новые источники электрической энергии, а для большего удобства в организации данного процесса была разработана полная модель общего устройства.

Изначально, в последующих главах будут описаны сами ядерные реакции, а в специальных главах будут кратко с теоретическими выкладками описаны методы реализации этого устройства.

Всего проанализировано 6 ядерных реакции, каждая из которых образует свой ядерный блок с определённым выходом и для каждого блока необходимо выделение протонов, которыми и будут бомбардироваться мишени с точно указанной энергией.

1. Б-блок

Для первого блока, который также известен под наименованием Б-блок, поскольку реакция основана на бериллии, необходима генерация протонов с кинетической энергией в 2,312691131 МэВ, данное значение определяется уже при последующем исследовании ядерных реакций. При этом общий заряд протонов должен составлять 2,845368 мКл, этот заряд выходит из того соображения, что для ионизации атомов водорода, после чего образуются отдельно ядра атома водорода (протоны) и электроны, достаточно напряжения в 300 В. Даже не смотря на то, что энергия электрона на первой орбите атома водорода составляет порядок в 13,6 эВ, а это соответствует 13,6 В, но для придаче достаточной кинетической энергии образовавшимся ионам и электронам, необходимо создание должного электрического поля между катодом и анодом, благодаря напряжению в 300 В. А уже для наличия большого заряда и числа протонов, достаточно использование силы тока порядком в 15 кА, а время прохождения заряда, приравнивается ко времени, необходимому для приобретения протоном данной энергии в ускорителе заряженных частиц, что определяется при последующих расчётах и составляет 189,691 нс.

Для получения таких частиц необходимо использование ионизатора или точнее газоразрядной трубки в которой имеет катод и анод. При впрыскивании в газоразрядную трубку порций водорода, с наличием числа атомов водорода, не меньший чем число протонов с указанным зарядом, это число определяется в (1.1), атомы подвергаются ионизации и выделяются при этом протоны с кинетической энергией в 300 эВ. При этом, общая работа за секунду составит (1.2), но сейчас больше интересна работа за 1 акт (1.3), которую стоит взять на заметку.

Таким образом за секунду проходит общий заряд равный 15 кКл в проводах, но для того, чтобы проводники могли пропускать такой ток будут использованы проводники больших размерностей, что позволит в дальнейшем генерировать энергии больших мощностей.

Образовавшиеся протоны вылетают из газоразрядной трубки под действием электрического поля дуантов циклотрона, на которые подаётся высокое напряжение. При этом важно указать, что число дуантов — делений одного общего металлического цилиндра равно не 2, как у обычных циклотронов, а гораздо больше, в данном случае — 8 частей. Таким образом, при условии того, что газоразрядная трубка расположена в центре циклотрона, также в магнитном поле, которое приводит лишь к движению по винтовому пути, радиус (1.6) при этом составляет для электронов (1.7), а для протонов (1.8), при том условии, что индукция магнитного поля составляет 1 Тл, а скорость частиц из энергии в 300 эВ определяется для электронов в (1.4), протонов в (1.5), которая уже была указана ранее.

После этого небольшого вращения и притяжения одним из дуантов протонов, они начинают вращаться по плоской спирали, за счёт разности потенциалов. При этом за каждый оборот протон приобретает энергию в 800 кэВ, поскольку напряжение между дуантами составляет 100 кВ. Сила тока для этой подачи равняется также 15 кА, поскольку именно этот ток захватывает циклотрон при ускорении частиц, а говоря уже об изменении полярности или точнее о частоте циклотрона, то оно определяется по формуле (1.10), а соответственно и период (1.9).

При входе в циклотрон, протон уже обладает энергией в 300 эВ, таким образом, энергия необходимая для приобретения энергии в 2,312691131 МэВ, составляет 2,312391131 МэВ, для которого необходимо совершить 2,890488914 оборотов, а при учёте, что один оборот занимает 65,626 нс, как было вычислено в (1.9), то общее время акта составляет 189,691 нс, что и учитывалось ранее, зная это время легко определить, что частота актов будет составлять 5 271 725,13 акт/с. При таком учёте, работа, выполняемая циклотроном за одно ускорение по (1.11) легко определить, при заряде 2,845368 мКл и напряжении 100 кВ, а для общего ускорения, уже необходимо использовать (1.12), где указывается также то, что эта работа равна самой работе выходящих частиц.

Таким образом, общая потребляемая энергия на 1 акт составляет для ионизатора 0,853610515 Дж, а для циклотрона 6 579,60461 Дж, а для всей ускоряющей установки 6 580,458221 Дж. При этом, если учесть, что за секунду происходит 5 271 725,13 актов, то общая выполняемая работа составляет 34 690 366 963,83 Дж, а если указать, что 1 Вт*с составляет 3 600 Дж, то это значение также равняется 9 636 213,05 Вт*ч.

Все описанные данные представлены в (Табл. 1.1).

Для второго Б1-блока, необходимо наличие протонов с энергией в 1,978143029 МэВ с током уже 5 кА. Если указать, что на дуантах также имеется напряжение в 100 кВ и 8 дуантов, а также вектор индукции магнитного поля катушки равно 1 Тл, то для получения такой энергии необходимо совершить 2,472303786 оборотов. При этом период циклотрона также равен 65,626 нс и 15 237 863,04 Гц, а период актов составляет (1.13) и их общая частота составляет (1.14).

Таким образом, общее время акта составит 1,62247*10—7 секунд, а частота актов составит 6 163 426,65 актов в секунду. При известном времени акта, имеет место указать и параметры ионизатора, который работает под напряжением в 300 В и током 5 кА или 5 кКл в секунду, соответственно за время акта, проходящий заряд составляет 811,237 мкКл, соответственно работа за 1 акт для ионизатора составляет уже 0,243371112 Дж из-за большего числа оборотов. А уже если учитывать, что при известном заряде и напряжении 100 кВ, благодаря проведению за время акта в 162,247 нс всего 2,472303786 оборота, то работа для осуществления 1 ускорения составляет 81,12370415 Дж (1.15), а общая работа самого циклотрона, выполняемая за 1 акт, составляет 1 604,499527 Дж (1.16).

Таким образом, при потреблении ионизатором 0,243371112 Дж, а циклотроном 1 604,499527 Дж, общая работа составляет 1 604,742899 Дж за 1 акт, соответственно при частоте актов в 6 163 426,65 актов за секунду, общая работа составляет 9 890 715 145,83 Дж, что соответствует 2 747 420,87 Вт*ч.

Все описанные данные представлены в (Табл. 1.2).

3. Л-блок

Л-блок запускается при входе протонов с энергией в 1,613245483 МэВ и током 15 кА. Для этого ускорителя также напряжение составляет 100 кВ и всего имеется 8 дуантов и вектор магнитной индукции равен 1 Тл, а число оборотов для этой энергии — 2,016181854, при периоде в 65,626 нс для одного оборота и циклотронной частоты 15 237 863,04 Гц. А период одного акта соответственно, при известных энергиях, равняется 132,314 нс и совершается 7 557 782,06 актов в секунду.

При этом, если учесть, что на ионизаторе имеется 300 В, а сила тока составляет 15 кА, то заряд за 1 акт равняется 1,984709 мКл, при известном времени акта. А работа, выполняемая ионизатором составляет 0,595412776 Дж, а для циклотрона 3 201,227828 Дж, следовательно, общее потребление составляет 3 201,823241 Дж за акт, 24 198 682 244,29 Дж за секунду или 6 721 856,18 Вт*ч.

При этом частота актов вычисляется по (1.17), а период по (1.18), откуда вытекают формулы для работы ускорения в циклотроне (1.19), а для всего акта в (1.20).

Все описанные данные представлены в (Табл. 1.3).

4. А-блок

А-блок действует уже под действием протонов с энергиями в 4,457595117 МэВ, с током в 5 кА. При этом, напряжение в 100 кВ, 8 дуантов и вектор магнитной индукции в 1 Тл также сохраняется, при этом число оборотов составляет 5,571618896, при том же периоде 65,626 нс и частоте 15 237 863,04 Гц, при периоде акта 365,643 нс (1.21) и частоте 2 734 904,63 актов в секунду (1.22). Для ионизатора напряжение составляет всё те же 300 В, при токе 5 кА, что соответствует 5 кКл в секунду или 1,828215 мКл за акт или выполняемую работу за акт в 0,548464592 Дж.

При таком раскладе, работа за 1 ускорение составляет 182,8215308 Дж (1.23) и общей работе циклотрона в 8 148,895166 Дж за акт (1.24). При этом общая трата за акт составляет 8 149,443631 Дж или 22 287 975 583,59 Дж в секунду или 6 191 104,33 Вт*ч.

Все описанные данные представлены в (Табл. 1.4).

5. Д-блок

Основным отличие этого и следующего блоков является то, что они действуют на дейтерии. Для генерации дейтерия будет применён всё тот же метод, единственным отличием будет лишь то, что протоны становятся свободными лишь при энергии 13,6 эВ, которая действует на 1 электрон и только потом он приобретает энергию в 300 эВ между пластинами ионизатора. В этом же случае, картина сильно не изменится по той причине, что энергия ионизации дейтерия лишь немного отлична и составит 14,9 эВ. Сам по себе дейтерий стабилен и производится вместе с «тяжёлой водой», объёмы производства которой сегодня впечатляют. Следовательно, для получения дейтерия достаточно провести электролиз тяжёлой воды и получить дейтерий, который превращается в дейтроны в ионизаторе.

Важно также отметить такой факт, как выбор толщины мишени для каждой из реакций. Частица, обладая определённой энергией после прохода в пластину-мишень проходит лишь до определённого расстояния. Ниже представлена таблица пробегов протона в алюминии с разными энергиями, откуда и были использованы все толщины пластин реакций (Табл. 1.5), также с указанием в единицах см и мг/см2, а также пробеги альфа-частицы в воздухе, биологической ткани и алюминии (Табл. 1.6).

Численно потеря энергии для некоторой частицы определяется через формулу Бете-Блоха, где учитываются параметры как атома, так и налетающей частицы, но в целом, для изучаемых реакции нет необходимо в использовании формулы Бете-Блоха по той причине, что используется толщина, соответствующая энергии меньшей, чем налетающая, это даёт возможность красиво округлить все эти значения.

Д-блок действует уже под действием протонов с энергиями в 1,613245383 МэВ, с током в 15 кА. При этом, напряжение в 100 кВ, 8 дуантов и вектор магнитной индукции в 1 Тл также сохраняется, при этом число оборотов составляет 2,016556729, при том же периоде 65,626 нс и частоте 15 237 863,04 Гц, при периоде акта 132,339 нс (1.25) и частоте 7 556 377,08 актов в секунду (1.26). Для ионизатора напряжение составляет всё те же 300 В, при токе 15 кА, что соответствует 15 кКл в секунду или 1,985078 мКл за акт или выполняемую работу за акт в 0,595523483 Дж.

При таком раскладе, работа за 1 ускорение составляет 198,5078278 Дж (1.27) и общей работе циклотрона в 3 202,418367 Дж за акт (1.28). При этом общая трата за акт составляет 3 203,013891 Дж или 24 203 180 744,29 Дж в секунду или 6 723 105,76 Вт*ч.

Все описанные данные представлены в (Табл. 1.8).

6. Д1-блок

Д1-блок действует уже под действием протонов с энергиями в 1,698306298 МэВ, с током в 15 кА. При этом, напряжение в 100 кВ, 8 дуантов и вектор магнитной индукции в 1 Тл также сохраняется, при этом число оборотов составляет 2,122882873, при том же периоде 65,626 нс и частоте 15 237 863,04 Гц, при периоде акта 139,316 нс (1.29) и частоте 7 177 910,4 актов в секунду (1.30). Для ионизатора напряжение составляет всё те же 300 В, при токе 15 кА, что соответствует 15 кКл в секунду или 2,089745 мКл за акт или выполняемую работу за акт в 0,626923401 Дж.

При таком раскладе, работа за 1 ускорение составляет 208,9744671 Дж (1.31) и общей работе циклотрона в 3 549,026538 Дж за акт (1.32). При этом общая трата за акт составляет 3 549,653461 Дж или 25 479 094 476,34 Дж в секунду или 7 077 526,24 Вт*ч.

Все описанные данные представлены в (Табл. 1.9).

После того, как система потребления была указана и обсуждена, а для более подробного описания ускоряющей системы для каждой из блоков будет проведено дополнительно исследование, имеет место переход уже к полноценному анализу ядерных реакций для блоков.

Примечание: В данном разделе применяются формулы, описанные в первом разделе, но в нумерации номер раздела не вводится при ссылке на формулы.

Глава 2. Первый Б-энергоблок

Первая ядерная реакция представляется следующим образом (2.1).

Протон с энергией в 2,312691131 МэВ и массой в 1,00728 а. е. м., налетает на бор-11 с атомной массой в 11,00930517 а. е. м., с выделением трёх альфа-частицы массы, которых составляют 4,001506179 а. е. м.

Изначально, необходимо определить, какое количество энергии затратит протон, приближаясь к ядру бора-11, а именно высоту кулоновского барьера (2.3), определив радиус ядра бора-11 в (2.2).