Джим Брейтот - 101 ключевая идея: Физика

• Название: 101 ключевая идея: Физика
• Автор: Джим Брейтот
• Издательство: ФАИР-ПРЕСС
• Жанр: Справочники
• Год: 2001
• ISBN: 5-8183-0357-8 (рус.); 0-340-79048-2 (англ.)

Цель книги — доступным и увлекательным способом познакомить читателя с физикой, привлечь внимание к знакомым предметам, раскрыть их незнакомые стороны.

Здесь объясняется 101 ключевая идея великой науки, расширяющей наши знания о мире. Факты и основные понятия физики изложены так, что развивают любознательность, помогают преодолеть косность рутинного мышления, обостряют интерес к вещам, не затрагивающим нашего существования, но без которых это существование уже не мыслится; а где есть интерес, там есть желание новых знаний. От читателя не потребуется особой подготовки, кроме способности воспринимать и удивляться. Статьи расположены в алфавитном порядке. Книга предназначена для широкого круга читателей, а также учащихся школ и вузов.

---

Существование нейтронов было предсказано Резерфордом на том основании, что массовое число ядра всегда больше количества протонов, так что наряду с протонами в ядре должны находиться и нейтральные частицы. Нейтроны открыл Джеймс Чедвик, бомбардируя фольгу из бериллия α- частицами. Он обнаружил, что бериллий становился источником нового излучения, которое при столкновении с атомами азота оставляло следы в газовой камере. Исследуя их, Чедвик доказал, что излучение состояло из незаряженных частиц, масса которых примерно равна массе протона.

См. также статьи «Деление ядра», «Радиоактивность 1–4».

ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ

Ядерный (термоядерный) синтез — это процесс слияния легких ядер, образующих более тяжелые ядра. В результате выделяется энергия при условии, что образовавшееся ядро содержит не более 50 нейтронов и протонов. Чтобы два ядра слились, они должны приблизиться друг к другу на расстояние порядка 2–3 х 10-15 м, оказавшись в радиусе действия ядерных сил. Начальная кинетическая энергия двух сливающихся ядер должна быть порядка МэВ; только в этом случае можно преодолеть электростатические силы отталкивания между ядрами и позволить им приблизиться на расстояние 2–3 х 10-15 м. Такие условия создаются внутри звезды в результате чрезвычайно высокой температуры, которая поддерживается энергией, выделяемой при слиянии ядер водорода (протонов) и образовании ядер гелия и других элементов. Энергия, выделяемая на одно ядро гелия, равна приблизительно 7 МэВ на нуклон, что значительно больше энергии, выделяемой при делении ядер.

Реакция синтеза может поддерживаться в термоядерном реакторе, где магнитные поля удерживают плазму из ионизированного водорода при пропускании через нее тока с очень большой силой, порядка 106 А. Этого тепла достаточно, чтобы вызвать реакцию синтеза, при которой из ядер водорода образуются ядра гелия и других более тяжелых элементов; при этом наблюдаются следующие стадии:

Тритий (31Н), образующийся в литиевой оболочке, удаляется из нее и подается в плазму. Нейтроны, выделяемые в плазме, поглощаются ядрами лития; при этом образуются ядра трития и гелия. Таким образом, общий процесс выделяет 22,8 МэВ энергии на каждые четыре протона и нейтрона, из которых образуется ядро гелия. Сырьем служат водород и литий. Теоретически энергии, выделяемой при реакции синтеза, должно быть более чем достаточно для поддержания высокой температуры плазмы. Однако в настоящий момент невозможно добиться того, чтобы в таком реакторе выделялось больше энергии, чем необходимо для поддержания реакции синтеза.

Словарь

Адрон — любая элементарная частица, испытывающая сильное ядерное взаимодействие.

Активность — степень распада нестабильные ядер.

Амплитуда — максимальное смещение колеблющихся частиц относительно точки равновесия.

Барион — частица, состоящая из трех кварков.

Диффузия — постепенное и равномерное распространение хаотически движущихся частиц в веществе.

Длина волны — наименьшее расстояние между колеблющимися частицами, в один и тот же момент перемещенными на равное расстояние в том же направлении.

Дыра — переносчик положительного заряда в полупроводниках р-типа, обладающий зарядом, количественно равный заряду электрона. Фактически представляет собой вакансию электрона в атоме полупроводника.

Заряд — существует два типа заряда, положительный и отрицательный. Частицы, имеющие заряд одного типа, отталкиваются друг от друга, а частицы, имеющие разноименные заряды, притягиваются. Заряд измеряется целым числом е, соответствующим заряду электрона.

Изотопы элемента — это атомы, имеющие одно и то же число протонов, но различное число нейтронов в ядре.

Импульс — произведение массы на скорость тела.

Интенсивность — количество энергии, переносимой в секунду волной или излучением через единицу площади поверхности.

Ион — атом, имеющий заряд. В незаряженные атомах число электронов равно числу протонов. При удалении электрона атом становится положительным ионом, при добавлении электрона — отрицательные.

Лептон — любая частица, испытывающая слабое взаимодействие.

Масса — мера инерции или сопротивления движению тела.

Напряжение — то же, что и разность потенциалов.

Нейтрон — незаряженная частица, масса которой немного больше массы протона. Ядро каждого атома состоит из одного или более протонов и нейтронов.

Перемещение — расстояние, пройденное от некоей точки в определенном направлении.

Период полураспада — время, необходимое для распада половины! ядер радиоактивного изотопа.

Протон — положительно заряженная частица, представляющая собой ядро самого легкого атома (атома водорода)

Связь — любые силы, удерживающие вместе две частицы.

Сила — любое взаимодействие, служащее причиной движения тела.

Скорость — быстрота перемещения тела в определенном направлении.

Скорость света — скорость света в вакууме, приблизительно равная 300 000 км/с. Ни одно тело не может перемещаться с большей скоростью.

Спин — собственный угловой момент частицы. Он постоянен и равен s(h/2n), где s — спиновое число, выражаемое как целое число, умноженное на 1/2 Спин электрона равен 1/2. Частицы с полуцелым спином (1/2, 3/2 и т. д.) называются фермионами, а с нулевым или целым (0, 1 и т. д.) — бозонами.

Среднеквадратичная скорость — квадратный корень из суммы квадратов всех скоростей молекул, деленной на число молекул в идеальном газе. Смысл среднеквадратичной скорости заключается в том, что она пропорциональна абсолютной температуре газа.

Угловой момент (количество движения) — произведение импульса частицы на длину перпендикуляра, опущенного из неподвижной точки к направлению ее движения.

Удельным заряд — отношение заряда к массе заряженной частицы.

Ускорение — быстрота изменения скорости.

Фаза — часть цикла колеблющегося тела, повторяющаяся через определенный интервал времени.

Частота — количество циклов колебаний колеблющегося тела, каждый цикл определяется колебанием от одного максимума до другого и обратно.

Электрон-вольт — 1,6 x 10-19 Дж; количество работы, образующееся при перемещении электрона по проводнику с разницей потенциалов в 1 вольт. 1 МэВ = 1,6 x 10-13 Дж.

Электронная оболочка — наиболее вероятное местоположение электрона в атоме. Энергия электрона в каждой оболочке постоянна.

Энергия (механическая) — способность тел перемещаться или взаимодействовать.

Примечания

1

Аннигиляция — превращение частицы и античастицы при их столкновении в другие частицы, например превращение электрона и позитрона в фотоны. — Здесь и далее прим. ред.

2

Реверсивный — служащий для изменения направления движения.

3

Соленоид — цилиндрическая катушка с током, состоящая из большого числа витков проволоки, которые образуют винтовую линию.

4

Репликация — биол. создание себе подобной структуры.

5

Коллиматор — оптическая система для получения пучка параллельных лучей.