Министерство образования и науки Республики Казахстан

Павлодарский государственный университет

им. С. Торайгырова

Егоров В.В., Алинова М.Ш.

Избранные вопросы современной физики

Учебное пособие

Павлодар

Кереку

2010

УДК 53 (075.8)

ББК 22.3я73

Е50

Рекомендовано к изданию Ученым советом

ПГУ им. С. Торайгырова

Рецензенты:

Т.Ш. Саликбаева – кандидат физико-математических наук, заведующая кафедрой физики и профессионального обучения ИНЕу;

Ш.К. Биболов - кандидат физико-математических наук, заведующий кафедрой общей и теоретической физики ПГУ им. С. Торайгырова

Егоров В.В., Алинова М.Ш.

Е30 Избранные вопросы современной физики : учебное пособие для студентов специальности 050120-Профессиональное обучение /Егоров В.В., Алинова М.Ш. – Павлодар : Кереку, 2008. – 106 с.

ISBN

В дидактическом комплексе представлены тезисы лекций, физический практикум, материалы к практическим работам, СРС и СРСП к элективному курсу «Избранные вопросы современной физики» для студентов специальности 050120-Профессиональное обучение. Они предназначены для реализации связи физики с будущей профессиональной деятельностью педагогов профессионального обучения.

ISBN

УДК 53 (075.8)

ББК 22.3я73

ISBN

© Егоров В.В., Алинова М.Ш., 2010

© ПГУ им. С. Торайгырова, 2010

Введение

Содержание спецкурса опирается на знания по физике, которые получают студенты в процессе освоения основного курса на младшем курсе. Спецкурс имеет целью расширить и углубить научно-техническую и технологическую подготовку будущих педагогов профессионального обучения и тем самым открывает перспективу разработки новой техники и технологии.

С давних пор человек пытался узнать, почему всходит и заходит Солнце, возникают морские волны, сверкают молнии — иными словами, понять, как устроен окружающий мир. Поиски ответов на эти и многие другие вопросы привели к рождению физики — науки о природе.

Человек, вооруженный физикой, которую принято называть классической научился объяснять многие загадки природы. Однако, когда физика дает новые ответы, всегда вслед за этим возникают и новые вопросы. Это говорит о том, что наши знания непрерывно развиваются и что физическая наука далека от завершения. Чтобы сегодня все глубже и глубже проникать в сокровенные тайны природы, надо изучить современные достижения в физике, познакомиться с ее проблемами.

Это поможет вам увидеть пути и возможностями применения знаний, полученных при изучении физики, применить для решения многих вопросов в будущей профессиональной деятельности.

Предлагаемые лекции, лабораторные занятия, самостоятельная работа представляют собой обзор применения знаний физики в области техники и высоких технологий, народном хозяйстве и науке.

Библиографический список литературы можно разделить на две части, одну из которых, обычно составляет перечень основной литературы, другую – дополнительный. Приложенный список литературы данного спецкурса по тем или иным формам и темам занятий необходимо рассматривать как дополнительная литература и, если возникает необходимость глубже рассмотреть те или иные физические явления по теме, рекомендуется обратиться к традиционным учебникам по физике.

1. СОДЕРЖАНИЕ СПЕЦИАЛЬНОГО КУРСА «ИЗБРАННЫЕ ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ»

1.1 Тематический план

курса «Избранные вопросы современной физики»

Наименование темы	Лекции	СРСП	СРС	лаб
Введение	1 -	-	-
Релятивистская механика	1 -	2	-
Фазовые переходы 1 и 2 рода	2 -	4	-
Газовые разряды. Плазма и ее свойства	2 -		2
Принцип работы ускорителей заряженных частиц	2	4	-	2
Электромагнитная индукция, трансформаторы	1	-	1
Механические и электромагнитные колебания и волны Ограниченность мехнических и электромагнитных волн	1	2	2	-
Принципы получения голографии	1	1	-
Новые источники излучения - лазеры Физические основы лазерного излучения	1	-	4	2
Элементы физики твердого тела, полупроводники	2	-	2	3
Актуальные вопросы ядерной энергетики	-	-	1	6
Типы взаимодействий элементарных частиц	-	2	-
Всего, часов	15	15	15	15

Тема Релятивистская механика

Классическая механика Ньютона прекрасно описывает движение макротел, движущихся с малыми скоростями (v<с). Однако в конце XIX в. выяснилось, что движение быстрых заряженных частиц не подчиняется законам классической механики.

Одновременно было обнаружено противоречие между классической теорией и уравнениями Дж. К. Максвелла, описывающими электромагнитную теорию света. А. Эйнштейну удалось преодолеть возникшие противоречия. Свой взгляд на свойства пространства и времени он изложил в специальной теории относительности (релятивистская механика).

В основе специальной теории относительности лежат постулаты Эйнштейна:

I. Принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные внутри данной инерциальной системы отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой.

II. Принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Первый постулат Эйнштейна, являясь обобщением механического принципа относительности Галилея на любые физические процессы, утверждает, таким образом, что физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы отсчета, а уравнения, описывающие эти законы, одинаковы по форме во всех инерциальных системах отсчета. Согласно этому постулату, все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, т. е. явления (механические, электродинамические, оптические и др.) во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково.

Согласно второму постулату Эйнштейна, постоянство скорости света — фундаментальное свойство природы, которое констатируется как опытный факт.

Специальная теория относительности потребовала отказа от привычных представлений о пространстве и времени, принятых в классической механике, поскольку они противоречили принципу постоянства скорости света. Потеряло смысл не только абсолютное пространство, но и абсолютное время строенная на их основе, установили новый взгляд на мир и новые пространственно-временные представления, такие, например, как относительность длин и промежутков времени, относительность одновременности событий. Эти и другие следствия из теории Эйнштейна находят надежное экспериментальное подтверждение, являясь тем самым обоснованием постулатов Эйнштейна — обоснованием специальной теории относительности.

Тема Фазовые переходы 1 и 2 рода

Фазой называется термодинамически равновесное состояние вещества, отличающееся по физическим свойствам от других возможных равновесных состояний того же вещества. Если, например, в закрытом сосуде находится вода, то эта система является двухфазной: жидкая фаза — вода; газообразная фаза — смесь воздуха с водяными парами. Если в воду бросить кусочки льда, то эта система станет трехфазной, в которой лед является твердой фазой. Часто понятие «фаза» употребляется в смысле агрегатного состояния, однако надо учитывать, что оно шире, чем понятие «агрегатное состояние». В пределах одного агрегатного состояния вещество может находиться в нескольких фазах, отличающихся по своим свойствам, составу и строению (лед, например, встречается в пяти различных модификациях — фазах). Переход вещества из одной фазы в другую — фазовый переход — всегда связан с качественными изменениями свойств вещества. Примером фазового перехода могут служить изменения агрегат, связанные с изменениями в составе, строении и свойствах вещества (например, переход кристаллического вещества из одной модификации в другую).

Различают фазовые переходы двух родов. Фазовый перед I рода (например, плавление, кристаллизация и т. д.) сопровождается поглощением или выделением теплоты, называемой теплотой фазового перехода. Фазовые переходы I рода характеризуются постоянством температуры, изменениями энтропии и объема. Объяснение этому можно дать следующим образом. Например, при плавлении телу нужно сообщить некоторое количество теплоты, чтобы вызвать разрушение кристаллической решетки. Подводимая при плавлении теплота идет не на нагрев тела, а на разрыв межатомных связей, поэтому плавление протекает при постоянной температуре. В подобных переходах — из более упорядоченного кристаллического состояния в менее упорядоченное жидкое состояние — степень беспорядка увеличивается, т. е., согласно второму началу термодинамики, этот процесс связан с возрастанием энтропии системы. Если переход происходит в обратном направлении (кристаллизация), то система теплоту выделяет.

Фазовые переходы, не связанные с поглощением или выделением теплоты и изменением объема, называются фазовыми переходами II рода. Эти переходы характеризуются постоянством объема и энтропии, но скачкообразным изменением теплоемкости. Общая трактовка фазовых переходов II рода предложена советским ученым Л. Д. Ландау (1908—1968). Согласно этой трактовке, фазовые переходы II рода связаны с изменением симметрии: выше точки перехода система, как правило, обладает более высокой симметрией, чем ниже точки перехода. Примерами фазовых переходов II рода являются: переход ферромагнитных веществ (железа, никеля) при определенных давлении и температуре в парамагнитное состояние; переход металлов и некоторых сплавов при температуре, близкой к 0 К, в сверхпроводящее состояние, характеризуемое скачкообразным уменьшением электрического сопротивления до нуля; превращение обыкновенного жидкого гелия (гелия I) при Т= 2,9 К в другую жидкую модификацию (гелий II), обладающую свойствами сверхтекучести.

Многие металлы вблизи абсолютного нуля переходят в особое состояние, получившее название сверхпроводящего. Переход сопровождается резким изменением электрических и магнитных свойств металла: металл полностью теряет сопротивление току и превращается в идеальный диамагнетик (эффект Мейснёра). Достаточно сильное магнитное поле разрушает сверхпроводимость. Переход «сверхпроводящее состояние — нормальное» есть фазовый переход второго рода, если он происходит в нулевом магнитном поле, и первого рода — в присутствии поля..

Сверхпроводимость сорок пять лет (1911 —1956) была дразнящей загадкой теории металлов и получила объяснение благодаря открытию феномена «спаривания» электронов путем обмена виртуальными фононами (Купер). «Спаривание» приводит к тому, что электроны проводимости образуют связанную систему (конденсат), способную, однако, двигаться как целое. Движение конденсата осуществляет перенос заряда без сопротивления (сверхпроводимость).

При помещении сверхпроводника в магнитное поле в нем возникает сверхпроводящий ток, магнитный момент которого компенсирует приложенное поле. Конечно, истинное основное состояние сверхпроводника — это состояние, при котором конденсат покоится, но если в сверхпроводящем кольце течет ток, то он не затухает.

Построение теории сверхпроводимости сыграло стимулирующую роль в развитии физики сверхпроводимости. В последнее десятилетие из уникального явления, имеющего малое отношение к основному пути развития физики и техники, сверхпроводимость стала источником новых идей и методов в самых различных областях физики (физика ядра, физика элементарных частиц) и техники (сверхпроводящие магниты, сверхпроводящие интерферометры).

Тема Газовые разряды. Плазма и ее свойства

Термин «плазма» был введен в физику в двадцатых годах для описания проводящего газа, в котором заряженные частицы образовались в результате разрушения атомов и молекул. Такая система подобна газу. Образование плазмы требует более высоких температур, чем химические превращения. Однако плазма как ионизованный газ не является новым состоянием вещества и, следовательно, новой формой материи, а представляет собой газ, т.е. систему свободных атомных частиц. В большинстве реальных случаев плазма является слабо ионизованным газом с малой степенью ионизации.

Это имеет место в газовом разряде, где ионизованный газ находится во внешнем электрическом поле. газовый разряд является примером плазмы, которая поддерживается под действием внешних полей. Если температура электронов и газовых частиц одинакова, плазма называется равновесной; в противном случае мы имеем дело с неравновесной плазмой.

Принципиальное свойство ионизованного газа определяется взаимодействием заряженных частиц. Специфическое свойство плазмы, как ионизованного газа, является коллективное взаимодействие заряженных частиц, которое определяет характер реакции плазмы на внешние поля.

Другой фундаментальной характеристикой ионизованного газа является частота плазменных колебаний или ленгмюровская частота. Обратная величина является временем, за которое плазма откликается на изменение, действующих на нее электрических полей, благодаря движению электронной компоненты. По определению эта величина является частотой коллективных колебаний электронов при смещении их от равновесного положения. Наличие коллективных колебаний в плазме, которые определяются кулоновским взаимодействием заряженных частиц в ней, принципиально отличает плазму от нейтральных газов и отражается на многих процессах в ней.

Обычно плазма является квазинейтральной, т.е. полный положительный и отрицательный заряды в ней равны. В противном случае в ней возникают высокие электрические поля.

Методы генерации плазмы. Простейший способ генерации плазмы использует действие электрического поля на газ, в результате которого зажигается газовый разряд.

Газовый разряд, как и газоразрядная плазма, имеют долгую историю, которую удобно начать с 1705 года, когда английский ученый Хоксби создал электростатический генератор, так что его мощность позволяла получать светящиеся электрические разряды в газах. В 1734 году Дюфай (Франция) установил, что воздух вблизи нагретых тел является проводником. В 1745 году фон Клейст (Германия) и Мушенброк (Нидерланды) сконструировали независимо электрический конденсатор, который получил название «лейденские купола». С его помощью изучался пробой в воздухе. В 1752 году американский ученый Бенджамин Франклин разработал теорию молнии на основе наблюдений. В полном соответствии с современными представлениями, он рассматривал это явление как поток электричества. Таким образом, все эти исследования дали первое понимание характера распространения электрических зарядов через газы и в большей или меньшей степени они основывались на исследовании газовых разрядов.

Газоразрядная плазма является наиболее распространенной формой плазмы и характеризуется широким набором параметров. В зависимости от внешних полей эта плазма может быть как стационарной, так и импульсной. После выключения электрического поля плазма распадается в результате процессов рекомбинации заряженных частиц, а также под действием диффузии электронов и ионов в газе. Эта плазма называется плазмой послесвечения и используется для нахождения параметров ионизации, рекомбинации и диффузии с участием заряженных и возбужденных атомных частиц.

Плазма может быть создана различными способами: через возбуждение газа резонансным излучением, Лазерная плазма, прохождение электронного пучка через газ, химический способом. Плазма, содержащаяся в различных лабораторных приборах и системах, считается низкотемпературной или горячей в зависимости от средней энергии заряженных частиц. В горячей плазме тепловая энергия заряженных частиц значительно превышает характерную атомную энергию или потенциал ионизации атомов, в противоположность низкотемпературной плазме. Соответственно, системы, содержащие низкотемпературную и горячую плазму, принципиально различаются. Примером горячей плазмы является плазма термоядерного реактора, термоядерная плазма. Термоядерная реакция происходит с участием ядер дейтерия и трития - изотопов водорода. Чтобы обеспечить эту реакцию, необходимо, чтобы горячие ионы дейтерия и трития некоторое время находились в зоне реакции, что дает им возможность участвовать в реакции. Это требует высокой температуры ионов (около 10 кэВ) и высокой плотности. Последнее значение достигнуто в лабораторных установках, так что мы находимся на пути создания промышленного термоядерного реактора.

Плазма в современной технологии. Плазма широко используется в производстве в различных технологических процессах, причем круг таких процессов расширяется. Основой плазменной технологии являются следующие особенности плазмы. Во-первых, здесь можно достигнуть более высоких температур, чем при использовании химического топлива. Во-вторых, в плазме генерируются радикалы и химически активные частицы. Кроме того, плазма характеризуется высокими удельными энергиями и перерабатываемыми мощностями. Все это составляет основу различных приложений плазмы.

Старейшее применение плазмы как теплоносителя относится к процессам резки и сварки металлов. Поскольку максимальная температура горелок на химическом топливе не превышает 3000К, они не подходят для жаропрочных металлов. Дуговой разряд позволяет достичь втрое более высокие температуры, что обеспечивает плавление и испарение любых материалов. Поэтому плазменные методы используются в металлургии с начала двадцатого века. В настоящее время различные плазменные горелки мощностью до 10 МВт используются для плавления железа в вагранках и домнах, переработки металлического лома, производства сплавов сталей, экстракции металлов из руды и т.д. В некоторых случаях плазменные методы конкурируют с традиционными, основанными на химическом нагревании материалов. Сравнивая плазменные и химические методы там, где и те, и другие могут быть использованы, можно заключить, что плазменные методы являются более компактными, обеспечивают более качественный продукт, требуют меньшего количества воды и других дополнительных материалов и дают меньшее количество отходов. Но они используют более дорогое оборудование и связаны с более высокими затратами энергии. Это определяет выбор между традиционными и плазменными методами, но по мере развития цивилизации наблюдается тенденция в сторону плазменных методов.

Другое применение плазмы как теплоносителя относится к топливной энергетике. Введение плазмы в зону горения низкосортных углей может улучшить энергетические и экологические параметры процесса, несмотря на малый вклад плазмы в энергетику полного процесса. Плазма используется для пиролиза, а также для очистки и улучшения выходных параметров топлива.

Разные плазменные методы используются для обработки поверхности, которые основаны на характере взаимодействия плазмы с поверхностью. Плазма является хорошим теплоносителем, и взаимодействие нагретой плазмы с поверхностью не изменяет ее состав, но может улучшить некоторые параметры поверхности. Другое приложение плазмы использует присутствующие в ней активные частицы, которые реагируют с верхним слоем поверхности, изменяя его химический состав. Например, этот метод используются для увеличения твердости металлической поверхности в результате образования нитридов и карбидов металлов в приповерхностном слое. Эти соединения образуются в результате проникновения в приповерхностный слой металла атомов азота и углерода, генерируемых в плазме.

Третий способ воздействия плазмы на поверхность реализуется, если материал плазмы покрывает поверхность в форме тонкой пленки. Эта пленка может иметь специфические механические, термические, электрические, оптические и химические свойства в зависимости от используемой плазмы, ее параметров и решаемых задач. Для этой цели удобно использовать поток плазмы, истекающей из сопла. Такой поток в процессе его истекания из сопла может быть преобразован в пучок кластеров, и в этом случае метод высаживания материала на поверхность носит название метода ионного кластерного пучка. Пучковые методы осаждения микронных пленок широко используются в микроэлектронике для изготовления разных элементов, а также для получения специальных зеркал и поверхностей с высококачественным покрытием.

Важная область применений плазмы - плазмохимия имеет дело с производством химических соединений. Первый индустриальный плазмохимический процесс - производство аммония был осуществлен в начале двадцатого века. Далее он был заменен более дешевым методом производства аммония из азота и водорода в высокотемпературном реакторе высокого давления с платиновым катализатором. Другой плазмохимический процесс, отвечающий производству озона в барьерном и других разрядах, реализуется десятки лет.

Наряду с производством неорганических материалов, плазмохимические методы используются для получения органических соединений. Сюда относятся процессы производства полимеров и полимерных мембран, тонкий органический синтез в холодной плазме и т.д. Суммируя различные приложения плазмы для этих целей, следует отметить, что их основой являются тонкие и простые методы, что делает их перспективными.

В этой области используются плазменные ножи и другие инструменты подобного типа для хирургических операций, где плазма имеет свои преимущества благодаря сильному воздействию плазмы на живую материю и высокой неоднородности плазмы. Далее, плазма в виде коронного разряда используется для очистки комнат и уничтожения микробов, позволяя иметь чистые медицинские комнаты. Кроме того, уничтожение медицинских отходов (использованных бинтов и т.д.) плазменными методами является наиболее удобным методом. Наконец, плазменные методы удобно использовать для производства некоторых лекарств. Как видно, во всех этих случаях используется селективность плазменных процессов и возможности создания неоднородной плазмы, тогда как в энергетических приложениях на первое место выходит высокая энергетическая емкость плазмы и высокая скорость обмена энергией с внешними полями.

Экологические приложения плазмы в настоящее время развиваются в двух направлениях. Первое из них связано с переработкой мусора и отходов производства, разложением токсических веществ и взрывчатых материалов. Для этой цели используются мощные энергетические установ­ки, так что в необходимых случаях плазма способна разложить вводимый в нее материал на компоненты. Второе экологическое приложение относится к очистке воздуха. Обычно для этой цели используется коронный разряд, который генерирует активные атомные частицы, в том числе, атомы кислорода. Эти активные частицы находят химически активные компоненты воздуха и реагируют с ними. Действие такого разряда ведет к уничтожению микробов, но оно не опасно для человека в силу низкой концентрации генерируемых им активных частиц.

Тема Принцип работы ускорителей заряженных частиц

Ускорители делятся на непрерывные (в них выходит равномерный по времени поток) и импульсные (из них частицы им летают порциями — импульсами). Последние характеризуются длительностью импульса. По форме траектории и механизму ускорения частиц ускорители делятся на линейные, циклические и индукционные ускорители. В линейных ускорителях траектории движения частиц близки к прямым линиям, в циклических и индукционных ускорителях - траекториями частиц являются окружности или спирали.

Рассмотрим некоторые типы ускорителей заряженных частиц.

Линейный ускоритель. Ускорение частиц осуществляется электростатическим полем, создаваемым, например, высоковольтным генератором Ван-де-Граафа Заряженная частица проходит поле однократно: заряд q проходя разность потенциалов (1 — 2), приобретает энергию W=q(1 — 2). Таким способом частицы ускоряются до 10 МэВ. Их дальнейшее ускорение с помощью источников постоянного напряжения невозможно из-за утечки зарядов, пробоев и т. д.

Линейный резонансный ускоритель. Ускорение заряженных частиц осуществляется переменным электрическим полем сверхвысокой частоты, синхронно изменяющимся с движением частиц. Таким способом протоны ускоряются до энергий порядка десятков мегаэлектрон-вольт, электроны — до десятков гигаэлектрон-вольт.

Циклотрон — циклический резонансный ускоритель тяжелых частиц протонов, ионов).

Его принципиальная схема приведена на рисунке 1. Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два электрода в виде полых металлических полуцилиндров, или дуантов. К дуантам приложено переменное электрическое поле. Магнитное поле, создаваемое электромагнитом, однородно и перпендикулярно плоскости дуантов.

Если заряженную частицу ввести в центр зазора между дуантами, то она, ускоряемая электрическим и отклоняемая магнитным полями, войдя в дуант, опишет полуокружность, радиус которой пропорционален скорости частицы.

Рисунок 1

К моменту ее выхода из дуанта полярность напряжения изменялся (при соответствующем подборе изменения напряжения между дуантами), поэтому частица вновь ускоряется и, переходит в другой дуант, описывает там уже полуокружность большего радиуса и т. д.

Для непрерывного ускорения частицы в циклотроне необходимо выполнить условие синхронизма (условие «резонанса») — периоды вращения частицы в магнитном поле и колебаний электрического поля должны быть равны. При выполнении этого условия частица будет двигаться по раскручивающейся спирали, получая при каждом прохождении через зазор дополнительную энергию. На последнем нитке, когда энергия частиц и радиус орбиты доведены до максимально допустимых значений, пучок частиц посредством отклоняющего электрического поля выводится из циклотрона.

Циклотроны позволяют ускорять протоны до энергий примерно 20 МэВ. Дальнейшее их ускорение в циклотроне ограничивается релятивистским возрастанием массы со скоростью, что приводит к увеличению периода обращения и синхронизм разрушается.

Ускорение релятивистских частиц в циклических ускорителях можно, однако, осуществить, если применять предложенный в 1944 г. советским физиком В. И. Векслером (1907—1966) и в 1945 г. американским физиком Э. Мак-Милланом (р. 1907) принцип автофазировки. Его идея заключается в том, что для компенсации увеличения периода вращения частиц, ведущего к нарушению синхронизма, изменяют либо частоту ускоряющего электрического, либо индукцию магнитного полей, либо то и другое. Принцип автофазировки используется в фазотроне, синхротроне и синхрофазотроне.

Фазотрон (синхроциклотрон) — циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (например, протонов, ионов, -частиц), в котором управляющее магнитное поле постоянно, а частота ускоряющего электрического поля медленно изменяется с периодом. Движение частиц в фазотроне, как и в циклотроне, происходит по раскручивающейся спирали. Частицы в фазотроне ускоряются до энергий, примерно равных 1 ГэВ (ограничения здесь определяются размерами фазотрона, так как с ростом скорости частиц растет радиус их орбиты).

Синхротрон — циклический резонансный ускоритель ультрарелятивистских электронов, в котором управляющее магнитное поле изменяется во времени, а частота ускоряющего электрического поля постоянна. Электроны в синхротроне ускоряются до энергий 5—10 ГэВ.

Синхрофазотрон — циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (протонов, ионов). В нем объединены свойства фазотрона и синхротрона, т. е. управляющее магнитное поле и частота ускоряющего электрического поля одновременно изменяются во времени так, чтобы радиус равновесной орбиты частиц оставался постоянным. Протоны ускоряются в синхрофазотроне до энергий 500 ГэВ.

Бетатрон — циклический индукционный ускоритель электронов, в котором ускорение осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым переменным магнитным полем, удерживающим электроны на круговой орбите. В бетатроне в отличие от рассмотренных выше ускорителей не существует проблемы синхронизации. Электроны в бетатроне ускоряются до энергий 100 МэВ. При W> 100 МэВ режим ускорения в бетатроне нарушается электромагнитным излучением электронов. Особенно распространены бетатроны на энергии 20—50 МэВ (выпускаются серийно).

Тема Электромагнитная индукция, трансформаторы

Трансформатор — это электромагнитный аппарат, служащий для изменения напряжения и силы тока в цепях переменного тока. Потребность в изменении основных величин тока возникает при передаче и распределении электрической энергии. В любой цепи имеются потери электрической энергии в связи с переходом части ее в тепло. Эти потери энергии пропорциональны квадрату силы тока. Кроме того, чем больше сила тока, тем больше должно быть сечение проводов и, следовательно, больше расход проводниковых материалов. Для повышения экономичности передачи необходимо уменьшить силу тока. Для того чтобы передаваемая мощность при этом осталась неизменной необходимо в том же соотношении увеличить напряжение. В конечных точках передачи необходимо снизить напряжение до уровня, требуемого для токоприемников; сила тока при этом соответственно увеличивается. Эту задачу повышения и понижения напряжения, сопровождаемые соответствующими изменениями силы тока, выполняют трансформаторы.

Трансформаторы изобретены в конце семидесятых годов прошлого столетия. Первыми создателями трансформатора являются выдающийся русский изобретатель — электротехник П. Н. Яблочков и препаратор кафедры физики Московского университета И. Ф. Усагин. Роль трансформаторов в электроэнергетике чрезвычайно велика. Изобретение трансформатора раскрыло основное преимущество электрической энергии: возможность дальней передачи ее и экономичного распределения по огромным территориям, что позволяет концентрировать производство электрической энергии на мощных, технически совершенных и высакоэкономичных электрических станциях. Применение трансформаторов открыло возможность широкого использования гидроэнергетических ресурсов.

Помимо силовых трансформаторов, участвующих в передаче и распределении потоков энергии, большое значение на современных электроустановках имеют измерительные трансформаторы. Они позволяют контролировать работу электроустановок, управление и надежную защиту всех элементов установок при каких-либо нарушениях нормального режима работы.

Принцип действия трансформатора. На рисунке 2, а дана конструктивная схема однофазного трансформатора. Основными конструктивными элементами трансформатора являются:

а) замкнутый стальной сердечник, служащий магнитопроводом;

б) первичная и вторичная обмотки, тщательно изолированные электрически одна от другой и от сердечника, с разным числом витков.

К первичной обмотке трансформатора подводится напряжение. Магнитный поток Ф, замыкающийся по сердечнику, сцеплен с обеими обмотками, как среднее звено трехзвеньевой цепи. Поток пропорционален току и потому каждое изменение тока будет сопровождаться изменением потока. При этом исчезающие или вновь возникающие магнитные линии будут (как это видно из рисунка 2) пересекать обе обмотки и по закону электромагнитной индукции создавать в них э. д. с. При питании первичной обмотки переменным током, изменения тока будут непрерывны и, таким образом, в обеих обмотках будут непрерывно наводиться электродвижущие силы. При замыкании вторичной обмотки на какое-либо сопротивление, э. д. с. этой обмотки 2 создаст ток i2: от вторичной обмотки будем, таким образом, получать электрическую энергию.

Решающую роль в физическом процессе работы трансформатора играет магнитный поток, связывающий первичную и вторичную обмотки и переносящий энергию от первичной цепи к вторичной; в первичной обмотке подведенная к ней электрическая энергия превращается в магнитную, во вторичном обмотке и магнитная энергия потока Ф превращается опять в электрическую энергию, но с измененными параметрами.

Рисунок 2. Конструктивная схема однофазного трансформатора

Как следует из сказанного выше, э.д.с. в обмотках трансформатора создается только при изменениях потока Ф. Поэтому трансформатор — аппарат только переменного тока. Производительность трансформатора характеризуется коэффициентом трансформации.

Таким образом, трансформатор имеет две раздельно замкнутые электрические цепи. Цепь, к которой подводится напряжение, называется первичной цепью, или первичной обмоткой трансформатора; цепь, от которой получаем напряжение, называется его вторичной цепью, или вторичной стороной. Рассматривай раздельно явления в каждой из этих цепей и применяя к ним второй закон Кирхгофа, можно найти соотношение между их э.д.с. и напряжениями.

Трансформатор без вторичной обмотки аналогичен катушке со стальным сердечником. Если вторичная цепь трансформатора не замкнута, имеем режим холостого хода. При холостом ходе трансформатора ток в его первичной обмотке тоже очень мал и в первом приближении может быть принят равным нулю.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Тема Принципы получения голографий

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

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

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

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

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

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

Таким образом, можно сформулировать ряд важных положений:

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

Голограмма

Объект

Рисунок 3. Схема записи голограммы

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

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

Рисунок 4

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

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

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

Тема Новые источники излучения – лазеры. Физические основы лазерного излучения

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

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

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

Тема Элементы физики твердого тела, полупроводники: проблемы и перспективы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Тема Актуальные вопросы ядерной энергетики

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Тема Типы взаимодействий элементарных частиц

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Список рекомендуемой литературы

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

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

350 с.

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

496 с.

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

496 с.

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

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

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

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

2.1 Определение удельного заряда электрона

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

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

Ш. Теоретическое введение

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

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

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

Fл = еBvsin (1)

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

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

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

Рисунок 1

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

eU = mV2/2 (2).

Решая совместно (1) и (2) получим:

e/m = 4Ua/Bкр2 а2 (3).

1У. Описание установки и метода измерений

Рисунок 2

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

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

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

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

Рисунок 3

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

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

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

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

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

Bкр = Ф/SN (4)

У. Порядок выполнения работы

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

Таблица 1