Всё для Учёбы — студенческий файлообменник
1 монета
doc

Лекции по Концепциям современного естествознания (Белкова Ю. А.)

Самоорганизация сложных природных систем.

Иерархия структурных форм материи.

Познание природы предполагает изучение каждой формы материи в отдельности. К настоящему времени выделены следующие формы неживой материи: вакуум, поля, элементарные частицы, ядра атомов, атомы, молекулы, макротела, планеты и планетные системы, звезды, галактики, Вселенная. Эти формы обладают признаком иерархической системы:

Каждая последующая структурная форма является более сложной, т.к. включает в качестве составной части предыдущую, более простую форму, причем при переходе от менее сложных к более сложным формам появляются качественно новые свойства.

Так, из элементарных частиц образуются атомы, которые обладают качественно новым свойством – способностью к химическому взаимодействию с образованием молекул. Атомы объединяются в макротела, которые также приобретают качественно новые свойства, например упругость. Живым организмам, состоящим из молекул, присущи свойства, которых нет у других материальных форм. Наиболее сложной из известных материальных структур является человеческое общество (социум).

Структурное разнообразие в природе можно рассматривать как результат последовательно происходящих в ней качественных изменений. Описание процессов возникновения качественно новых структур связано с переходом к эволюционной парадигме, основанной на взглядах Дарвина. Существенной особенностью эволюционного естествознания является:

• Рассмотрение многообразия и иерархичности материальных структур как закономерного результата всеобъемлющего эволюционного процесса;

• Поиск закономерностей, единых для всех разнообразных процессов развития – фундаментальных законов эволюции.

Лекция 13.

Термодинамика и энергетика живых существ.

Живая система, как и любая иная природная система, подчиняется законам термодинамики. Ее элементы постоянно разрушаются и образуются вновь. Этот процесс называется биологическим обновлением. Для его обеспечения необходим постоянный приток вещества и энергии извне, а также вывод во внешнюю среду части продуктов биохимических процессов, включая тепло. Таким образом, любые живые организмы являются открытыми неравновесными термодинамическими системами. Если условия существования системы неизменны, т.е. потоки вещества и энергии остаются постоянными, то неравновесное состояние является стационарным. Для живых систем это означает следующее:

• В течение времени жизни системы ее элементы подвергаются распаду, обусловленному увеличением энтропии;

• Для компенсации неупорядоченности, возникающей в результате распада, в системе совершается работа по синтезу новых элементов взамен распавшихся; эта работа приводит к уменьшению энтропии (негоэнтропии) в живой системе, но одновременно повышает энтропию в окружающей среде.

Таким образом, для возникновения и существования живого организма необходимы источники, снабжающие его веществом и энергией, обладающие высокой негоэнтропией. Этими источниками являются органические вещества с запасенной в них химической энергией.

Круговорот веществ. Пищевые цепочки.

Часть организмов синтезируют органические вещества из неорганических веществ (например, углекислого газа и воды) под действием солнечного света (фотосинтез) или в процессе окисления (хемосинтез, характерный для некоторых бактерий). Такие организмы называются автотрофами. Большинство автотрофов – зеленые растения, осуществляющих фотосинтез. При фотосинтезе энергия ЭМ излучения аккумулируется в виде энергий химических связей органических соединений.

СО2 +Н2О (+hν)  углеводород + О2

Другая часть организмов (например, все животные и человек) называются гетеротрофами и потребляют энергию из готовых органических веществ, синтезированных автотрофами. Извлечение энергии из питательных веществ происходит при их расщеплении (катаболизме). Освободившаяся энергия расходуется на синтез необходимых веществ (анаболизм) при использовании кислорода (дыхании)

углеводород + О2  СО2 +Н2О + энергия

Регулирование притока кислорода при дыхании позволяет регулировать процесс выделения энергии и запасать ее часть для использования в определенной ситуации в нужном месте организма. Хранение энергии производится в виде химических связей промежуточных соединений аденозинтрифосфатов (АТФ) и затрачивается по мере необходимости на процессы синтеза в клатках, перенос веществ в организме, механическое движение, выделение тепла и др.

Между автотрофами и гетеротрофами существует пищевая (трофическая) связь. Живые системы образуют пищевые цепочки:

энергия солнечного ЭМ излучения  растения, осуществляющие фотосинтез  травоядные  хищники  … микробы, перерабатывающие вещество отмерших организмов в неорганическое вещество. Впоследствии молекулы этих веществ могут участвовать в образовании живых существ. Таким образом, в биосфере сформирован глобальный круговорот веществ, который обусловлен т.н. геохимическими циклами.

Сохранение энергии и изменение энтропии.

Питательные органические вещества, поглощаемые гетеротрофами, обладают большей упорядоченностью (негэнтропией), чем выделяемые продукты обмена, т.е. гетеротрофы переносят упорядоченность из внешней среды в самих себя. Для автотрофом эта же цель достигается за счет выполнения работы и высокой негэнтропии поглощаемого ЭМ излучения Солнца.

Таким образом, назначение обмена веществ живой системы с внешней средой (метаболизма) состоит в поддержании определенного уровня организации этой системы и ее частей. Метаболизм необходим для противодействия увеличению энтропии, обусловленному необратимыми процессами в живой системе. Он состоит в отборе извне химических веществ и энергии для синтеза необходимых организму веществ, а также вывод из живой системы всего, что не может быть использовано.

С точки зрения глобального энергетического баланса источником энергетического потока, проходящего через все пищевые цепочки, служит солнечное ЭМ излучение, а финалом - выделение тепла при переработке бактериями органических останков. Высвободившаяся в биосфере энергия возвращается в мировое пространство главным образом в виде ЭМ волн инфракрасного диапазона (теплового). Принципиально важно, что энтропия поступающего на Землю коротковолнового ЭМ солнечного излучения меньше, чем излучаемого землей инфракрасного излучения. За счет этой отрицательной разности энтропий поддерживается упорядоченность в биосфере Земли.

Объекты живой природы являются открытыми системами. Обмен живых организмов веществом и энергией с окружающей средой способствует росту свободной энергии и отрицательной энтропии в них, т.е. оттоку энтропии из организма, и тем самым поддерживается их неравновесное состояние. Для сохранения стационарного неустойчивого состояния живой организм непрерывно потребляет энергию извне. Такая ситуация полностью аналогична поведению диссипативной структуры.

В 1935 г. Э. Бауэр предложил механизм биологической эволюции, основанной на представлении, что живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет свободной энергии постоянную работу против равновесия, т.е. по существу до появления синергетики он рассматривал живой организм как открытую неравновесную систему. Неравновесное состояние живой материи и ее сохраняющаяся работоспособность обеспечиваются ее молекулярной структурой, причем эта работоспособность обусловлена свободной энергией, присущей данной молекулярной структуре. Бауэр ввел для живого организма понятие устойчивого термодинамического неравновесия, которое проявляется при наличии трех условий:

• само наличие свободной энергии, проявляющееся без всякого внешнего воздействия, т.е. свойства спонтанной деятельности организма.

• реакция на внешние воздействия, выравнивающая градиент энергии и восстанавливающая его первоначальное значение (в биологическом понимании это свойства раздражимости и возбудимости).

• накопление свободной энергии путем работы против факторов, ведущих к равновесию, что в биологии означает свойства целесообразного поведения и приспособительной деятельности.

А что означает с точки зрения физики целесообразное поведение системы? Ответ на этот вопрос, как и на многие другие вопросы современного естествознания, пока не является однозначным. С одной стороны, это выполнение этой системой основных физических законов и, прежде всего, законов сохранения, поддержание состояния устойчивости и стабильности системы. Для человека с общебиологической точки зрения - это устойчивое стабильное состояние существование его как вида, т.е. сохранение человеческой жизни на Земле.

Энтропия, связанная с равномерным распределением вероятности состояний, максимальна в хаосе, и, следовательно, хаос не предполагает развития системы, т.е. ее эволюции (не забываем, правда, из синергетики следует, что в диссипативных системах из хаоса может возникнуть порядок). А как отмечал Ф. Ауэрбах, принцип изменения - это принцип поведения энтропии: «Принцип сохранения энергии имеет то единственное значение, что ничто не может совершаться вопреки его требованиям, но это не значит, что что-нибудь действительно истекает из него, по его инициативе. Он является надсмотрщиком, но не предпринимателем. Он имеет распределительный, но не производственный характер». Из первого закона термодинамики следует, что развитие, эволюция подчиняется закону сохранения и превращения энергии в том смысле, что энергия переходит в процессах жизнедеятельности из одной формы в другую. С другой стороны, изменение энтропии по Ауэрбаху приводит к развитию, т.е. в конечном счете к возникновению жизни. С точки зрения физики, жизнь - это есть борьба живого с энтропией. Конечно, надо осторожно относиться к прямому применению понятий термодинамики к развитию живой природы. Тем не менее - это разумный и следующий шаг по отношению к описательному биологическому пониманию эволюции.

Без развития система перестает существовать. Развитие сложных систем, происходит через неустойчивости, которые могут быть и стационарными, устойчивыми («устойчивое неравновесие» по Бауэру). Налицо философский постулат единства и борьбы противоположностей. В этом смысле устойчивость живой системы и состоит в ее развитии, но это развитие определяется возникающими неустойчивостями. Заметим, что вдали от равновесия вещество становится более активным.

Лекция 14.

Биологическая эволюция.

Концепция происхождения жизни.

Проблема происхождения жизни является одной из важнейших в естествознании и имеет большое мировоззренческое значение. Исторически сформировалось несколько концепций возникновения жизни:

• Концепция сверхъестественного (божественного) происхождения живого – креационизм – основана на вере и не относится к области науки, ничего не дает в познавательном плане;

• Концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества возникла в древности, ее придерживался еще Аристотель. В 17 веке биолог Ф.Реди сформулировал т.н.принцип Реди: живое возникает только из неживого. В 19 веке Луи Пастер окончательно опроверг концепцию самопроизвольного зарождения жизни, показав, что якобы наблюдаемый эффект появления жизни там, где она отсутствовала, связан с жизнедеятельностью бактерий. Он разработал методику избавления от бактерий, которая получила название пастеризации.

• Концепция стационарного состояния предполагает, что Земля и жизнь на ней существовала всегда, причем в неизменном состоянии. Эта концепция противоречит данным, накопленным различными науками (палеонтологией, эмбриологией, селекцией и др.).

• Концепция панспермии связывает появление жизни на Земле с ее занесением из космического пространства. Эта концепция подтверждается обнаружением органических веществ в метеоритном и кометном веществе, она разделяется многими учеными, интерес к ней периодически возрастает.

• Концепция биохимической эволюции является общепринятой в естествознании в настоящее время. Она предполагает, что жизнь зародилась на Земле естественным путем в результате химических, а затем биохимических процессов.

Научная постановка проблемы происхождения жизни принадлежит Ф.Энгельсу, считавшему, что жизнь возникла не внезапно, а сформировалась в ходе эволюции материи. Современные представления о происхождении жизни восходят к гипотезам А.И.Опарина в России и Дж.Холдейна в Англии в 1920-х годах.

Земля, образовавшаяся из протопланетного облака 4.5 млрд лет назад, имела температуру в несколько тысяч градусов. По мере остывания сформировалась земная кора и атмосфера, состоящая, в основном, из тяжелых газов (аммиак, двуокись углерода, метан, пары воды). Отсутствие в атмосфере кислорода было, вероятно, необходимым, т.к. формирование предбиологических соединений лучше происходит в восстановительной среде, чем в окислительной. С изменением температуры и давления конденсация воды привела к возникновению океанов. Осадочные породы, свидетельствующие о появлении крупных водоемов, датируются временем 3.8 млрд лет назад. Опарин полагал, что сложные органические вещества могли синтезироваться из более простых при активационном воздействии мощного солнечного коротковолнового излучения, существовавшего в то время из-за отсутствия защитного слоя, характерного для современной атмосферы. Разнообразия находящихся в древнем океане простых соединений, громадная площадь поверхности, высокие температуры и интенсивности активирующего излучения, а также длительность процессов химической эволюции позволяют предположить, что в приповерхностном слое водной среды синтезировались и накопились органические вещества. Они стали тем «первичным питательным бульоном», в котором могли сформироваться предбиологические структуры – белки и нуклеиновые кислоты. Предположительно они образовались в первый миллиард лет существование Земли, не оставивший следов в ее палеонтологической летописи. Возраст древнейших организмов, следы которых обнаружены в геологических отложениях, оценен в 3.2-3.5 млрд лет. Это минерализованные микроорганизмы, похожие на простейшие бактерии и микроводоросли. Это не относительно сложные и не самые древние формы простейших организмов. Таким образом, остается открытым вопрос о характере предбиологической системы, появившейся в результате химической эволюции в «темный» миллиард лет земной истории.

Существует два основных подхода к решению этого вопроса:

Идея голобиоза, которой придерживался и Опарин, опирается на экспериментально установленную возможность образования коллоидных гелей (студнеобразных смесей) при смешивании белков (коацервация). Согласно гипотезе Опарина, образование поверхностно обособленных гелевых структур непосредственно предшествовало началу биогенеза.

Идея генобиоза утверждает первичность возникновения в результате химической эволюции молекулярной системы со свойствами генетического кода. В рамках этого подхода возник вопрос о первичности одного из двух типов информационных молекул РНК и ДНК и установлена первичность РНК.

Переход от неживого к живому осуществился после того, как на базе предшествующих предбиологических структур возникли и развились зачатки двух основных жизненных систем:

• Система обмена веществ (метаболизм);

• Система воспроизводства живой клетки.

Переход «аминокислоты – живая клетка» до сих пор остается необъяснимым, а разработка целостной модели – комплексной научной задачей. Первоначально допускалась возможность случайной «сборки» молекулы, способной нести и передавать генетическую информацию, в результате многократных актов взаимодействия простых органических веществ. Однако оценки показали, что вероятность подобного события имеет порядок 1/102000 и не может реализоваться за время, отведенное геологической историей. Современная точка зрения на биохимическую эволюцию базируется на идеях самоорганизации в открытых сильнонеравновесных системах.

Итак, при рассмотрении проблемы возникновения жизни естественным путем, т.е. в ходе биохимической эволюции, можно выделить три основных этапа:

• Синтез исходных органических соединений их неорганических веществ в условиях первичной атмосферы и состоянии поверхности ранней Земли;

• Синтез биополимеров из накопившихся органических соединений;

• Самоорганизация сложных органических соединений, возникновение и совершенствование процессов обмена веществ и воспроизводства органических структур, завершающееся образованием простейшей клетки.

Не все пока ясно относительно первых двух этапов, а в отношении третьего этапа некоторый прогресс в понимании наметился лишь в последние годы. Пока не удается прояснить конкретные механизмы перехода от неживого к живому. Но можно надеяться, что это произойдет по мере разработки уже выдвинутых гипотез или появления новых идей. Концепция биохимической эволюции совместно с представлениями о возможности и закономерностях самоорганизации в открытых неравновесных системах указывает принципиальный путь решения проблемы происхождения жизни.

Лекция 8

Физика атомного ядра и элементарных частиц

В древности считалось, что простейшими частицами вещества являются атомы. Развитие физики показало, что это не так. Была обнаружена субатомная структура материи.

Ядро простейшего атома – атома водорода – состоит из одного протона. Ядра всех остальных атомов состоят их двух видов частиц – протонов и нейтронов – которые называются нуклонами.

Протон (p)обладает зарядом +е и массой m=1.67*10-27 кг , Е0= 938,28 МэВ, mp=938.28 МэВ/с2 ( в ядерной физике принято выражать массы в единицах энергии, умножая их для этой цели на с2). Для сравнения укажем, что масса покоя электрона mе=0.511 МэВ, следовательно, mp= 1836 mе..

Нейтрон (n) обладает зарядом +е и массой m=1.68*10-27 кг , Е0= 939,57 МэВ.

У протона и нейтрона спин равен ½.

Разность масс покоя нейтрона и протона составляет 1.3 МэВ, т.е. 2.5 mе. В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен), он самопроизвольно распадается и превращается в протон, испуская электрон (е-) и антинейтрино (*).

Период полураспада, т.е. время, за которое распадается половина первоначального количества нейтронов, равен примерно 16 мин. Схему распада можно написать следующим образом :

n  p + e- + * .

Заметим, что масса нейтрона превышает суммарную массу частиц в правой части схемы распада на 1.5 mе ( масса нейтрино равна нулю), следовательно, энергия 0.78 МэВ выделяется при распаде нейтрона в виде кинетической энергии образующихся частиц.

Характеристики атомного ядра.

Одной их важнейших характеристик атомного ядра является зарядовое число Z, равное количеству протонов, входящих в состав ядра. Z определяет заряд ядра, который равен +Ze, а также номер химического элемента в периодической системе Менделеева. Число нуклонов ( т.е. суммарное число протонов и нейтронов) в ядре обозначается буквой А и называется массовым числом ядра. Число нейтронов в ядре равно N = A – Z. Для обозначения ядер применяется символ ZAX, где под X подразумевается химический символ данного элемента. Ядра с одинаковыми Z, но разными А называются изотопами. Большинство химических элементов имеет несколько стабильных изотопов. Например, водород имеет три изотопа : обычный водород, или протий 11Н, тяжелый водород, или дейтерий 12Н, и тритий 13Н. Протий и дейтерий стабильны, а тритий радиоактивен.

Известно около 1500 ядер, различающихся либо Z, либо А, либо и тем и другим. Примерно 1/5 часть этих ядер устойчива, остальные радиоактивны. В природе встречаются элементы с атомными номерами Z от 1 до 92 (исключая технеций и прометий), остальные трансурановые элементы получены искусственным путем с помощью ядерных реакций. Размер ядра соответствует размеру шара с радиусом R1.3 A1/3 фм, 1 фм=10-11см.

Масса и энергия связи ядер.

Масса ядра всегда меньше суммы масс входящих в него частиц. Это обусловлено тем, что при объединении нуклонов в ядро выделяется энергия связи нуклонов друг с другом. Энергия покоя частицы связана с ее массой соотношением Е0=mc2. Следовательно, энергия покоящегося ядра меньше суммарной энергии невзаимодействующих покоящихся нуклонов на величину

Есв = с2 { [ Zmp+ (A – Z ) mn ] – mя }. (1)

Эта величина и есть энергия связи нуклонов в ядре. Она равна работе, которую необходимо совершить, чтобы разделить ядро на нуклоны и удалить их на такие расстояния, на которых они практически не взаимодействуют друг с другом ( при этом считается, что в конечном состоянии кинетическая энергия нуклонов равна нулю).

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон Есв / А, называется удельной энергией связи нуклонов в ядре. Величина

m = [ Zmp+ (A – Z ) mn ] – mя

называется дефектом массы ядра. Дефект массы связан с энергией связи соотношением m = Есв / с2.

Пример. Энергия связи в ядре атома гелия.

Есв=(2*938.3+2*939.6)-3726.028 МэВ

На рис. 1 изображен график, показывающий зависимость удельной энергии связи Есв/A от массового числа А. Сильнее всего связаны нуклоны в ядрах с массовыми числами порядка 50-60 ( для элементов от Cr до Zn ). Такая зависимость делает энергетически выгодными два процесса: 1) деление тяжелых ядер на несколько более легких ядер и 2) слияние легких ядер в одно ядро. Оба процесса должны сопровождаться выделением большого количества энергии. Так, деление одного ядра с массовым числом А=240 (Есв/A =7.5 МэВ) на два ядра с массовыми числами А=120 (Есв/A =8.5 МэВ) привело бы к высвобождению энергии в 240 МэВ. Слияние двух ядер тяжелого водорода 12Н в ядро гелия 24Не привело бы к выделению энергии равной 24 МэВ.

Ядра со значениями А от 50 до 60 являются наиболее устойчивыми. Почему ядра с другими значениями А оказываются стабильными? Для того чтобы тяжелое ядро разделилось на несколько частей, оно должно пройти ряд промежуточных состояний, энергия которых превышает энергию основного ядра. Следовательно, для начала процесса деления ядру необходима дополнительная энергия (энергия активации). В обычных условиях ядро не получает энергии активации, поэтому спонтанного деления тяжелых ядер не происходит.

Энергия активации может быть передана тяжелому ядру захваченным им дополнительным нейтроном. Процесс деления ядер урана или плутония под действием захватываемых ядрами нейтронов лежит в основе действия ядерных реакторов и атомной бомбы. Что касается легких ядер, то для их слияния в одно ядро они должны подойти друг к другу на весьма близкое расстояние ( 10-13 см ). Такому сближению ядер препятствует кулоновское отталкивание между ними. Для преодоления этого отталкивания ядра должны иметь очень большую кинетическую энергию, соответствующую температурам порядка нескольких миллионов Кельвинов. Поэтому процесс синтеза легких ядер называется термоядерной реакцией. Термоядерные реакции протекают в недрах Солнца и других звезд. В земных условиях пока были осуществлены только неуправляемые термоядерные реакции

при взрывах водородных бомб.

Модели атомного ядра.

Построение теории ядра затруднено 1) недостаточностью знаний о силах, действующих между наклонами и 2) сложностью квантовомеханической задачи многих тел. Поэтому существует несколько моделей, каждая из которых описывает лишь некоторую совокупность свойств ядра.

Капельная модель ядра была предложена в 1939 г. Я.Френкелем и развита Н.Бором и др. В основе модели лежит сходство атомного ядра с каплей жидкости, которое выражается в короткодействующем характере сил, как межмолекулярных, так и действующих между нуклонами в ядре. Капельная модель позволила описать процесс деления тяжелых ядер.

Оболочечная модель, развитая Марией Гепперт-Майер и др., предполагает, что нуклоны движутся независимо друг от друга в усредненном центрально-симметричном поле. Тогда существует дискретные уровни энергии нуклонов в ядре, которые группируются в оболочки, и заполняются нуклонами в соответствии с принципом запрета Паули.

В соответствии с экспериментальными данными наиболее устойчивыми оказываются ядра, у которых число протонов, либо нейтронов, либо оба этих числа равны

2, 8, 20, 28, 50, 82, 126

Эти числа называются магическими, и соответствуют полностью заполненным оболочкам. Дважды магические ядра:

Ядерные силы

Ядерное взаимодействие отличается высокой интенсивностью и носит характер притяжения, удерживая нуклоны в ядре на расстояниях порядка 1фм. Ядерные взаимодействия называются сильными и описываются с помощью ядерных сил:

1) Ядерные силы являются короткодйствующими ( r1 фм);

2) Сильное взаимодействие не зависит от заряда нуклона, т.е. является зарядовонезависимым;

3) Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов ( в дейтроне спины нуклонов параллельны);

4) Ядерные силы не являются центральными;

5) Ядерные силы обладают свойством насыщения. Каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов. Поэтому удельная энергия ядра не растет, а остается примерно постоянной.

6) Ядерные силы имеют обменный характер.

В электродинамике взаимодействие между заряженными частицами осуществляется через электромагнитное поле, которое есть совокупность фотонов. Каждая частица создает вокруг себя поле, непрерывно испуская и поглощая фотоны. Тогда процесс взаимодействия между заряженными частицами можно представить как обмен фотонами. Фотоны, посредством которых осуществляется взаимодействие, являются не реальными, а виртуальными.

e-  e- +ħ

Суммарная энергия электрона и фотона больше, чем для покоящегося электрона, т.е. имеет место нарушение закона сохранения энергии. Однако, если виртуальный фотон поглощается за время t ħ/ ħ, определяемое соотношением неопределенности, то нарушение закона сохранения энергии не может быть обнаружено. При сообщении дополнительной энергии виртуальный фотон может стать реальным.

В 1934 г. И.Е.Тамм высказал предположение об обменном характере сильных взаимодействий. В 1935 г. Юкава высказал предположение о существовании частиц с массой , в 200-300 раз больше электронной, и в 1936 г. Андерсоном и Неддмейером были обнаружены частицы с m=207me. Эти частицы были названы -мезонами, однако впоследствии выяснилось, что они очень слабо взаимодействуют с нуклонами и не могут переносить сильные взаимодействия. В 1947 г. в космических лучах были открыты частицы с примерно m=270me, которые были названы -мезонами, которые и оказались носителями сильного взаимодействия.

Существуют +, -, 0 мезоны, все они в свободном состоянии нестабильны. Виртуальные - мезоны образуют поле ядерных сил вокруг каждого нуклона. Поглощение этих мезонов другими нуклонами приводит к сильному взаимодействию, например

p + n  n+ + + n  n + p.

Этот процесс находит экспериментальное подтверждение. При прохождении пучка нейтронов через водород в этом пучке появляются протоны, имеющие ту же энергию и направление движения, что и падающие нейтроны. Соответствующее число практически покоящихся нейтронов обнаруживается в водородной мишени. Вероятность того, что такое большое число нейтронов передаст свою энергию протонами в результате лобового удара, практически равна нулю. Поэтому считается установленными, что часть нейтронов захватывает виртуальные мезоны, превращаясь в протоны.

Если нуклону сообщить дополнительную энергию, то мезон может стать реальным.

Радиоактивный распад ядер

Согласно современным представлениям, радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц. Такие превращения претерпевают только нестабильные ядра. Радиоактивность, наблюдаемая у ядер, существующих в природных условиях, называется естественной. Радиоактивность ядер, полученных посредством ядерных реакций на ускорителях заряженных частиц или в ядерных реакторах, называется искусственной. К числу радиоактивных процессов относятся 1) -распад, 2)-распад, 3) - излучение ядер, 4) спонтанное деление тяжелых ядер.

Отдельные радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга, поэтому можно считать, что число ядер dN, распадающихся за малый промежуток времени dt, пропорционально как числу имеющихся ядер атомов радиоактивного элемента N, так и промежутку времени dt:

dN= -   N dt , (2)

где  - постоянная распада. Знак минус показывает, что число радиоактивных ядер уменьшается со временем. Интегрируя это выражение, получаем

N = N0  e-t , (3)

где N0 - число ядер в начальный момент времени, N- количество не распавшихся ядер в момент времени t.

Для каждого радиоактивного элемента постоянная распада имеет определенное значение и является основной его характеристикой. Обратная величина  = 1/ называется временем жизни изотопа и равна времени, за которое число радиоактивных ядер уменьшится в е раз . Другой временной характеристикой радиоактивного элемента является его период полураспада, равный времени, за которое число радиоактивных ядер и активность радиоактивного изотопа уменьшится в 2 раза. Нетрудно показать, что период полураспада Т=ln2/=ln2 .

Опыт показывает, что интенсивность излучения при прохождении через вещество убывает по экспоненциальному закону

I = I0 e-x , (5)

где I0- интенсивность излучения на входе в поглощающий слой; x – толщина слоя; - постоянная, зависящая от свойств поглощающего вещества и называемая коэффициентом поглощения.

Убывание интенсивности излучения при прохождении через вещество обусловлено разнообразными процессами взаимодействия с атомами среды. Это взаимодействие позволяет регистрировать и даже наблюдать элементарные частицы по тем следам, которые они оставляют при своем прохождении через вещество. Заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своем пути. Нейтральные частицы следов не оставляют, но они могут обнаружить себя в момент распада на заряженные частицы или в момент столкновения с каким-либо ядром. Следовательно, в конечном счете, нейтральные частицы также обнаруживаются по ионизации, вызванной порожденными ими заряженными частицами.

-лучи представляют собой поток ядер 24Не. Примером может служить распад изотопа урана 92238U 90234Tr + 24Не. Из схемы распада видно, что атомный номер дочернего ядра на две единицы, а массовое число на четыре единицы меньше, чем у исходного ядра. Альфа-распад обычно сопровождается испусканием дочерним ядром -лучей. Скорости, с которыми -частицы вылетают из распавшегося ядра, очень велики, их кинетическая энергия имеет порядок несколько МэВ. Пролетая через вещество, -частица постепенно теряет свою энергию, затрачивая ее на ионизацию молекул вещества, и в конце концов останавливается. Так, в воздухе при нормальном давлении пробег -частиц составляет несколько сантиметров, а в твердом веществе имеет величину порядка 10-3 см = 10 мкм.

Описание -распада основано на туннельном эффекте. Т.к. покидая ядро, -частица преодолевает потенциальный барьер, высота которого больше энергии -частицы.

Существует три разновидности -распада. В одном случае ядро, претерпевающее превращение, испускает электрон, в другом - позитрон, в третьем случае, называемом электронным захватом, ядро поглощает один из электронов К-оболочки ( реже L- или М- оболочки). Электронный захват сопровождается рентгеновским излучением, которое испускается при заполнении освобожденного захваченным электроном места в электронной оболочке электронами из вышележащих оболочек. При -распаде имеют место слабые взаимодействия частиц .

При исследовании -распада было обнаружено нарушение закона сохранения энергии, что и привело к предположению о существовании новой частицы , для которой заряд и масса равны нулю.

Спонтанное деление ядер было обнаружено в 1940 г. советскими физиками под руководством Г.Н.Флерова как реакция деления ядра урана на два примерно равных осколка. Впоследствии это явление наблюдалось для других тяжелых ядер.

Для осуществления вынужденного деления ядер необходима ядерная реакция- процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другим ядром, приводящий к преобразованию ядра.

В 1938 г. немецкие физики О.Ган и Ф.Штрассман обнаружили, что при обличении урана нейтронами образуются элементы из середины периодической системы. Один из возможных путей деления

92 235U + n  55 140Cs + 37 94Rb +2n

с последующими превращениями осколков деления. Испускание при делении ядер U и Pt нескольких нейтронов делает возможным осуществление цепной реакции. В куске чистого урана или плутония каждый захваченный ядром нейтрон вызывает деление с испусканием примерно 2.5 новых нейтронов. Однако, если масса такого куска меньше некоторого критического значения, то большинство испущенных нейтронов вылетает наружу, не вызывая деления, т.е. цепная реакция не возникает. При массе, большей критической, происходит быстрое размножение нейтронов, и реакция принимает характер взрыва, что имеет место при взрыве атомной бомбы. Для управления цепной ядерной реакцией в ядерных реакторах используются специальные поглотители ( графитовые стрежни, содержащие кадмий и бор).

Ядерный синтез, т.е. слияние легких ядер, сопровождается выделением огромной энергии. Для синтеза необходимо преодолеть кулоновское отталкивание ядер, поэтому требуются очень высокие температуры ( порядка 109 К) , и подобные реакции называются термоядерными.

С некоторой вероятностью реакции могут иметь место при 107 К, в том числе и в результате туннельного эффекта. Особенно благоприятны условия для синтеза дейтерия и трития

12d + 13H  24He + n

сопровождаемого выделением примерно 17.6 МэВ, что используется в водородной бомбе. На Солнце и других звездах могут иметь место и другие термоядерные реакции ( протонно-протонный и углеродно-азотный циклы).

Осуществление управляемого термоядерного синтеза связано с огромными техническими трудностями, т.к. необходимо нагретое до 109 К вещество, представляющее собой полностью ионизированную плазму, удерживать в ограниченном объеме пространства, изолировав от стенок камеры. Для удержания плазмы используется магнитное поле. В 2006 г. в Европе подписано соглашение о совместном строительстве первой установки по осуществлению управляемого термоядерного синтеза.

Показать полностью…
Похожие документы в приложении