Если сблизить электрон и протон, высвободится энергия 13,6 эВ и масса атома водорода оказывается на 13,6 эВ меньше суммы масс свободного электрона и протона. Если их соединить, то они сольется с выделением энергии, кот. соответствует разности масс. Этот процесс называется синтезом ядер.
Если тяжелое ядро расщепляется на два, то их масса будет меньше первоначальной массы ядра примерно на 0,1%. Энергия атомной бомбы является энергией, высвобождающейся при делении ядер.
Энергия водородной бомбы- энергия ядерного синтеза.
Благодаря цепной реакции процесс деления ядер можно сделать самоподдерживающимся. При каждом делении ядер высвобождаются 2-3 нейрона которые могут вызвать деление другого ядра урана, тогда процесс станет самоподдерживающимся. Совокупность делящегося вещества, удовлетворяющая этому требованию, называется критической сборкой.
Массу можно сделать надкритической. Тогда возникающие при делении нейтроны будут вызывать несколько вторичных делений. Такое устройство называется атомной бомбой. Сферу из плутония переводят в надкритическое состояние обычно с помощью взрыва. Подкритическую сферу из плутония окружают химической взрывчаткой. При ее взрыве плутониевая сфера подвергается мгновенному сжатию. Скорость поглощения нейтронов оказывается выше скорости потери нейтронов за счет их вылета наружу. В этом и заключается условие надкритичности.
Взрыв атомной бомбы можно сделать эффективным, когда большая часть плутония прореагирует, а не разлетится.
Глава 9. Физика элементарных частиц.
Теория великого объединения.
Успехи единой электрослабой теории стимулировали в последнее время попытки включить ее и квантовую хромодинамику для сильного взаимодействия в рамки так называемой теории великого объединения. В одном варианте этой теории, включающей электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия, существует только один класс частиц- лептоны и кварки, принадлежащие одному семейству и способные свободно превращаться друг в друга, а три типа сил представляют собой различные аспекты единого взаимодействия. Если две частицы ( лептоны или кварки ) сближаются на расстоянии меньшем , то между ними перестает существовать какое-либо различие и кварк может легко превратиться в лептон или наоборот. Тогда слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия сливаются в одно. Такое превращение схоже с превращением протона в нейтрон.
То, что происходит на расстояниях , превышающих масштаб сближения ( ) называют нарушением симметрии, т.е. возникают три разных взаимодействия.
В простейшем варианте теории Великого объединения оценка времени жизни протона равна лет. Но эксперименты показали, что нижний предел времени гораздо больше. Другое предсказание говорило, что первые сек. после великого взрыва, в результате которого возникла наша Вселенная, температуры были столь высоки, что частицы обладали энергиями, соответствующими масштабу объединения. Это значит, что барионный заряд не сохранялся. Этим объясняется наблюдаемое в настоящее время преобладание вещества над антивеществом во Вселенной от пример показывает глубокую связь между исследованиями, проводимыми на противоположных концах шкалы размеров: теории занимающейся изучением элементарных частиц и теории Вселенной как целого. Еще более грандиозными являются попытки включить в единую схему и гравитационное взаимодействие, объединив тем самым в рамках единой теории все четыре фундаментальных взаимодействия.
Для увеличения энергии заряженных частиц до больших значений, используются ускорители. Частицам высоких энергий соответствуют очень малые длины волн, поэтому их можно использовать для получения подробной информации о строении бомбардируемых объектов. При столкновении частиц с высокой энергией происходит образование новых частиц.
Сильное взаимодействие переносится мезонами, обладающими массой покоя или безмассовыми глюонами.
Античастица имеет такую же массу, что и частица, но противоположный по знаку заряд. Во всех ядерных реакциях и реакциях с участием частиц выполняются следующие законы сохранения энергии: импульса, массы-энергии, момента импульса, электрического заряда, барионного и лептонного зарядов.
Частицы можно классифицировать как лептоны и адроны; фотон образует отдельный класс. Лептоны участвуют в слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны- еще и в сильном. Адроны подразделяются на мезоны (с нулевым барионным зарядом) и барионы (с ненулевым зарядом).
Последние теории элементарных частиц основаны на гипотезе кварков как составных частей адронов. Ожидается, что число кварков совпадает с числом лептонов (известны шесть кварков) и что кварки и лептоны являются истинно элементарными частицами. Кварки обладают цветом. Согласно квантовой хромодинамике переносчиками сильного цветового взаимодействия между зарядами служат глюоны.
Теория, объединяющая взаимодействия, предполагает, сто на очень коротких расстояниях и при очень высоких энергиях слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия проявляются как единая сила, а фундаментальное различие между кварками и лептонами исчезает.
Глава 10. Самоорганизация и хаос.
Самоорганизация в неравновесных системах.
В середине Х1Х века были сформулированы второе начало термодинамики и законы биологической эволюции. Однако вопрос о совместимости концепции тепловой смерти (процесс хаотизации) с процессом самоорганизации оставался на протяжении целого столетия открытым.
Выяснилось, что самоорганизация присуща не только «живым» системам, но также и всем открытым системам (т.е. тем, в которых возможен обмен энергией с окружающей средой). При этом источником упорядоченности является неравномерность.
Жизнь на Земле стала возможна лишь благодаря негэнтропии (энтропии с обратным знаком) солнечного излучения. Сфера жизни на Земле- это упорядоченная структура, которая питается негэнергией.
Энергия солнечного излучения поступает на Землю из высокотемпературного источника и уходит в космическое пространство при низкой температуре. Если предположить, что в среднем энергия на Земле не накапливается, то поток энтропии от Солнца на Землю будет меньше потока энтропии от Земли в космическое пространство.
Т.е. Земля получает высококачественную энергию от Солнца, перерабатывает ее, что сопровождается ростом энтропии, и выбрасывает ее в космическое пространство вместе с наработанной энтропией. Это обеспечивает жизнедеятельность на Земле.
Явления, происходящие в жидкости, лазерах и химических реакциях имеют много общего. В ходе неравновесного процесса из пространственно-однородного состояния у всех них спонтанно возникает пространственная или временная структура, которая называется диссипативной. Такие структуры образуются в открытых системах.
В прошлом веке была широко распространена теория тепловой смерти Вселенной, но в настоящее время она оказалась непризнанной.
Глава 11. Астрофизика
Рождение Вселенной.
Одну из гипотез происхождения Вселенной предложил Джордж Гамов, которая получила название «теории большого взрыва». По этой теории начальным условием для рождения Вселенной было наличие в трехмерном пространстве физического вакуума.
Взрывная модель расширяющейся Вселенной заключается в том, что в начальный момент времени полная ее масса, энергия и давление были заключены в точечной сингулярности (области с бесконечно малыми размерами), и потом это сингулярность стала распространяться из этой точки со скоростью света. Температура огненного шара, которым была вначале Вселенная, была крайне велика. Простейшее предположение о начальном составе огненного шара- весь он состоял из излучения.
Столкновения фотонов в первые мгновения приводили к образованию частиц вещества (электронов, мезонов, и нуклонов). В последующих столкновениях фотонов с ними стали образовываться и многие другие частицы. Но при всех условиях частицы появлялись парами: «частица-античастица», т.о. возникало и вещество, и антивещество. Наконец, между полем излучения и веществом наступило равновесие.
Аннигиляция частиц уничтожала вещество и превращала его в излучение, а в столкновениях с фотонами оно вновь образовывалось. При последующих реакциях между элементарными частицами возникали также и ядра элементов, но расширение поля излучения было слишком быстрым, а температура слишком высокой, поэтому в этот период образовались только водород и гелий.
Особенностью огненного шара на первых стадиях было то, что он имел очень большую теплоемкость, а значит должны быть сильные флуктуации плотности. Постепенно некоторые флуктуации замораживались, т.е. области с высокой плотностью жили дольше и перемешивались с областями с низкой плотностью. Так в шаре постепенно возникли первые неоднородности, которые, возможно, стали первым скоплением галактик.
Излучение к тому моменту охладилось до такой степени, что перестало быть источником частично- античастичных пар. Огненный шар расширился, охладился и представлял собой облако из областей плотного вещества, перемежающихся областями, в которых практически не было вещества. Конденсированные области обладали своими гравитационными полями, которые «вытягивали» более тяжелые компоненты первичной плазмы- нуклоны и способствовали их отделению от более легких компонент-электронов. В этой плазме была смесь двух газов: одного, состоящего из электронов и позитронов, и другого, в 1840 раз более тяжелого, состоящего из протонов и антипротонов. Так эти два газа стали разделяться в гравитационном поле.