Материал: Лекция 1

14

Лекция 1. Понятие физической установки (фу). Микрочастицы и физические поля в фу. Коллективы микрочастиц в фу

Под ФУ понимается прибор, в рабочем объеме которого осуществляется целенаправленное взаимодействие различных коллективов микрочастиц и физических полей, обеспечивающее по заданной программе изменение их физические характеристики, поглощение, а также генерацию новых коллективов микрочастиц и физических полей. Такими коллективами микрочастиц могут быть ускоренные до различных энергий пучки заряженных частиц, направленные потоки плазмы и нейтральных атомов, нейтронные потоки в размножающих средах и т.д.

Физические поля в ФУ могут проявляться на макроскопическом и микроскопическом уровнях. В первом случае можно говорить об электромагнитных, термодинамических и механических полях (см. рис.1). Последние могут носить гравитационный, инерционный или упругий характер. На микроскопическом уровне взаимодействие коллективов микрочастиц между собой осуществляется посредством электромагнитных и ядерных полей, а также силовых полей молекулярного притяжения и расталкивания. На рис.1 представлена обобщенная блок- схема любой ФУ.

Предметом данного курса является изучение ФУ, которые находят применение в физике элементарных частиц, ядерной физике, физике твердого тела, ядерной энергетике, электронных и плазменных технологиях, промысловой и разведочной геофизике, геологии, элементном анализе состава вещества, неразрушающем контроле, медицине, биофизике, экологии и т.д. вплоть до криминалистики, археологии и истории.

Примеры ФУ (в соответствии с представленной схемой):

1. Линейный резонансный ускоритель электронов (ЛУЭ). 1. Инжектор электронов. 2. Ускоряющий волновод; 3. Система отклоняющая пучок, мишень и т.д.; 4. Блок управления и запуска инжектора; 5. СВЧ- генератор; 6- поглощающая нагрузка или рекуператор; 7- датчики параметров пучка электронов, детекторы γ- квантов или нейтронов; 8. Компьютерное устройство или оператор.

Первичный коллектив микрочастиц- электронный поток; вторичный коллектив- ускоренный электронный поток, γ- кванты, нейтроны.

2. Исследовательский ядерный реактор. 1- делящееся вещество, кадмий, ядра замедлителя; 2- активная зона; 3- нейтронные каналы; 4- блок управления кадмиевым поглотителем; 5- внешний источник нейтронов или γ- квантов (если такие используется); 6- нейтронный отражатель и биологическая защита; 7- детекторы нейтронов и γ- квантов.

3. Стиральная машина. 1- белье; 2- бак с горячей водой; 3- система вывода грязи с водой; 4- блок управления и запуска; 5- двигатель, создающей в баке поле центробежных сил; 6- канал для слива грязной воды в канализацию; 7- таймер; 8- процессор или домохозяйка.

Здесь и далее в качестве единиц энергии микрочастиц будут использоваться электрон-вольты, как это принято в атомной и ядерной физике. 1эВ=1.6 10^-19 Дж. Такую энергию приобретает элементарный электрический заряд е=1.6 10^-19 Кл пройдя разность потенциалов 1В. Для измерения больших энергий микрочастиц используются так же единицы: 1кэВ=10³эВ, 1МэВ=10⁶эВ, 1Гэв=10⁹эВ, 1ТэВ=10⁹эВ.

Энергии микрочастиц в действующих или проектируемых ФУ перекрывают диапазон от 10 эВ до 10 ТэВ.

В данном курсе будут рассмотрены принципы действия сильноточных источников ионов и электронов, нейтронных генераторов, управляемых источников гамма- квантов, масс-спектрометров, отдельных реакторных систем, проекты термоядерных установок, основы физики протекающих в этих ФУ процессов. связанных с ускорением заряженных микрочастиц, а так же взаимодействием и образованием заряженных и нейтральных микрочастиц.

Микрочастицы взаимодействующие в фу

К таким микрочастицам относятся:

Электрон (бета-минус частица). Стабильная элементарная частица. Символ е^-. Открыта Томпсоном в 1897г. Электрический заряд q_e=-e=-1.6.10^-19 Кл. Масса m=9.1.10^-31кг. Энергия покоя mс²=511 КэВ.

Позитрон (бета-плюс частица). Стабильная элементарная частица. Символ е⁺. Античастица по отношению к электрону. Предсказана Дираком в 1931г. Обнаружена экспериментально Андерсоном в 1932г. Электрический заряд q_e=+e=1.6.10^-19 Кл. Масса m=9.1.10^-31кг. Энергия покоя mс²=511 КэВ. Взаимодействие с электроном может привести к процессу аннигиляции:

е⁺+е^-2,

при которой электрон и позитрон исчезают с образованием двух гамма квантов (условное обозначение ).

Кванты электромагнитного излучения. Различаются по диапазонам длин волн. В атомной физике длину электромагнитной волны принято измерять в ангстремах: 1А=10^-10м. Радиочастотному и микроволновому излучению соответствует диапазон =(10¹⁵-10⁶)А, инфракрасному (10⁶-10⁴)А, видимому (10⁴-10³)А, ультрафиолетовому (10³-10²)А, рентгеновскому (10²-10^-2)А, гамма менее 10^-2А. Граница между микроволновым и инфракрасным излучением соответствует т.н. терагерцовому излучению плохо поглощаемому в атмосфере.

Энергия кванта может быть определена с использованием формулы Планка Е=h=hc/, где h=6.63 10^-34 Дж с- постоянная Планка, с=3 10⁸м/с- скорость света в вакууме, - частота электромагнитных колебаний. Масса кванта вычисляется по формуле Эйнштейна m_ф=E/c²=h/c. Импульс р=m_фc=h/. Энергию покоя электрона условно определяет границу между рентгеновским и гамма- излучением.

Протон. Стабильная заряженная микрочастица. Символ р. Простейший положительный ион- ядро атома водорода (протия). К представлению о протоне привели работы Резерфорда, Содди, Томпсона, Астона, выполненные в 1906-1919г. Электрический заряд q_р=e=1.6.10^-19 Кл. Масса М_р=1.673 10^-27кг. незначительно отличается от массы нейтрона. Энергия покоя М_рс²=940МэВ.

Нейтрон. Нейтральная микрочастица. Символ n. Открыт Чедвиком в 1932г. Масса М_n=1.675.10^-27кг1840m_e. Энергия покоя М_nс²=941МэВ. В свободном состоянии нейтрон нестабилен. Среднее время его жизни в вакууме 15.3 минуты. Он распадается на протон, электрон и антинейтрино (β – распад). Сумма энергий электрона и антинейтрино определяют разность масс нейтрона и протона.

Протоны и нейтроны принято называть нуклонами («начинка» ядра). Согласно результатам современных исследований в области элементарных частиц нуклоны имеют структуру. Они состоят из кварков- элементарных частиц с электрическими зарядами 2е/3 (u- кварк) и –е/3 (d- кварк) (Гелл-Ман и Цвейг, 1964). Протон состоит из двух u- кварков и одного d- кварка, нейтрон состоит из двух d - кварков и одного u – кварка.

Атом. Наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

В результате анализа опытов по рассеянию альфа-частиц в различных веществах в 1911г. Эрнестом Резерфордом (Англия) была предложена, ставшая общепринятой, планетарная модель атома. Согласно этой модели атом представляет собой квазинейтральную систему из положительно заряженного ядра сферической формы и, вращающихся вокруг него, Z электронов. По теории Нильса Хендрика Давида Бора (Дания), предложенной в 1913г., атом может существовать только в определенных дискретных энергетических состояниях соответствующих движению электронов по особым стационарным орбитам около ядра.

Молекула. Наименьшая устойчивая частица вещества, обладающая его основными химическими и физическими свойствами на микроуровне. Представляет собой систему атомов связанных определенными связями.

Ион. Электрически заряженная частица, образуемая при потере или присоединении электронов в атоме или молекуле. Количество таких электронов с определенным знаком, соответствующем их недостатку (+) или избытку (-) принято называть зарядностью иона- Z_i.

Ядро атома состоит из Z протонов и (A-Z) нейтронов, удерживаемых ядерными силами притяжения. Для обозначения типа ядра используется следующая символика:

^АХ_Z.

Например символ ¹Н₁- обозначает ядро водорода (протон), символ ⁴Не₂- альфа-частицу (ядро гелия с массовым числом 4), играющую большую роль в ядерной физике, символ ¹²С₆- ядро углерода с массовым числом 12, символ ³¹Р₁₅- ядро фосфора с массовым числом 31, символ ²³⁸U₉₂- ядро урана с массовым числом 238 и т.д.

Символ А называется массовым числом. Оно, в основном, определяет массы атома и ядра. Массу ядра данного элемента будем обозначать как

M(A,Z)=Z.М_р+(A-Z) М_n – E_св/с²,

где E_св – энергия связи нуклонов в ядре. В настоящее время для выражения масс ядер часто используется атомная единица массы, составляющая 1/12 массы стабильного нуклида ¹²С₆:

1.66·10^-27кг.

Эксперименты показали, что радиус ядра плавно возрастает с увеличением А по закону

R_я=r₀ A^1/3, (1-1)

где r₀–константа лежащая в пределах (1.2-1.5) 10^-15м=(1.2-1.5)Ф. Единица длины-“Ферми” (Ф=10^-15м) введена для удобства. Расстояния1Ф являются своего рода границей между характерными молекулярно-атомными и ядерно-нуклонными расстояниями. Заряд ядра составляет величину Ze.

Коллективы микрочастиц и их взаимодействие

Поток частиц означает коллектив частиц осуществляющих движение преимущественно в одном направлении, определяемым единичным вектором s, в заданном участке пространства. Величина средней скорости частиц параллельных этому направлению - <|V_|||> существенно превышает среднюю величину скорости частиц перпендикулярных этому направлению - <| |> (<|V_|||>»<| |>). В дальнейшем рассмотрении знаки усреднения для удобства будем опускать, используя обозначение: <|V_|||>=V_||, <| |>= .

Пучок частиц - поток частиц, пространственный размер которого ограничен по двум или одному (ленточные или трубчатые пучки) направлениям перпендикулярным вектору распространения s.

Плотность потока частиц – вектор

q=qs.

Его модуль означает число частиц из рассматриваемого потока, пересекающих в единицу времени площадку единичной площади, расположенную перпендикулярно к направлению распространения потока.

Дифференциал потока частиц определяется выражением

dQ=q(r) dS, dS=dSν(r),

где dS означает дифференциал площади в точке с радиусом- вектором r на поверхности S, пересекаемой рассматриваемым потоком частиц. ν(r) – единичная нормаль к поверхности S в точке поверхности с радиусом- вектором r.

Поток частиц через поверхность S:

.

Пучок частиц - поток частиц, пространственный размер которого ограничен по двум или одному (ленточные или трубчатые пучки) направлениям перпендикулярным вектору распространения s.

Дифференциальный энергетический спектр коллектива микрочастиц n(W), нормированный на полное число частиц, определяет число частиц n(W)dW, обладающих энергиями в интервале (W, W+dW). При этом полное число частиц в коллективе определяется нормировочным интегралом:

N₀- полное число частиц в рассматриваемом коллективе.

Дифференциальный энергетический спектр, нормированный на величину потока частиц Q₀ - q(W) определяет число частиц

dQ(W)=q(W)dW

с энергиями в диапазоне (W, W+dW), переносимых в рассматриваемом потоке в 1 времени. Нормировочный интеграл имеет вид:

Дифференциальный энергетический спектр, нормированный на 1- р(W) определяет вероятность

dP(W)=р(W)dW

нахождения частицы из коллектива в диапазоне энергий (W, W+dW) (плотность вероятности). При этом нормировочный интеграл имеет вид: