47. Квантовомеханическое строение атома водорода. Энергетические уровни свободных атомов. Квантовые числа. Спин электрона. Принцип Паули.

51.Реакция синтеза атомных ядер.

Реакция синтеза атомных ядер – образование из легких ядер более тяжелых – называется ядерным синтезом и протекает с выделением большего, чем при ядерной реакции, количества энергии. Согласно современным представлениям, все химические элементы в природе первоначально образовались в ходе ядерного синтеза. Ныне ядерный синтез происходит в недрах звезд, в том числе и нашего Солнца. Именно этот процесс и служит источником испускаемого ими мощного светового излучения. Возможность использования энергии ядерного синтеза и создания термоядерного реактора весьма заманчива, но до сих пор проблема построения термоядерного реактора до конца не решена.

К сожалению, на пути создания надежно действующего термоядерного реактора все еще стоят значительные трудности удержания термоядерного горючего в течение достаточно большого промежутка времени при высокой температуре. Они обусловлены тем, что все ядра имеют положительный заряд и

поэтому отталкиваются друг от друга. Можно оценить, какая энергия необходима для преодоления потенциального барьера кулоновского отталкивания ядер: , где м – радиус действия ядерных сил; Кл. Для водородной среды : W 7,0 МэВ. На долю каждого атома водорода приходится энергия 0,35 МэВ, соответствующая температуре ~ 2*10⁹ K.

Поэтому реакции синтеза легких ядер эффективно могут протекать лишь при сверхвысоких температурах порядка 10⁸ - 10⁹ K, при этом атомы будут ионизованы. Такие реакции называются термоядерными реакциями синтеза. Возникающая при этом среда – частично или полностью ионизированный газ – называется плазмой и состоит из электрически заряженных и нейтральных час-тиц, суммарный электрически заряд которых равен нулю (условие квазинейтральности). Газовую плазму принято разделять на  криогенную (температуры, близкие к абсолютному нулю), низкотемпературную (до 10⁵ K) и высокотемпе-ратурную (от 10⁶ до 10⁸ K). Обычные материалы испаряются при температуре в лучшем случае несколько тысяч кельвинов и, следовательно, не пригодны для удержания высокотемпературной плазмы. Реакторы, в которых происходит ядерный синтез, называют термоядерными установками.

В действительности из-за статистического характера процесса слияния ядер, а также возможности туннельного эффекта некоторые термоядерные ре-акции протекают с заметной интенсивностью уже при температурах ~ 10⁷ K. К таким реакциям относится синтез ядер дейтерия ²₁H и трития ³₁H , носящий ре-зонансный характер. Эта реакция используется в водородной или термоядерной бомбе

и сопровождается выделением энергии 17,6 МэВ, что равно 3,5 МэВ/нуклон. Таким образом, в реакциях синтеза выделяется значительно больше энергии в расчете на один нуклон, чем в реакциях деления.

Наиболее вероятно осуществление термоядерного реактора на следую-щих реакциях синтеза с участием изотопов водорода – дейтерия и трития (в скобках указано энерговыделение), включая реакцию (1)

В качестве горючего термоядерного реактора можно использовать дейте-рий, в изобилии встречающийся в воде океанов (распространенность составляет 0,015 %, или около 1 г дейтерия на 60 л воды). При термоядерном син-тезе не столь остра проблема захоронения радиоактивных отходов.

В настоящее время в рамках нескольких международных научных про-грамм построены токамаки (сокращение от «тороидальная камера с магнит-ными катушками») – специальные установки, удерживающие плазму в магнитном поле. Если ученые смогут осуществить управляемый термоядерный синтез в устройстве типа токамак или другом устройстве для магнитного удержания плазмы, то будет получен практически неисчерпаемый источник энергии.

Термоядерные реакции на Солнце, в которых ядра водорода превращают-ся в ядра гелия, предположительно могут протекать в форме одного из двух термоядерных циклов:

1) протон-протонный цикл:

Сначала происходит синтез двух протонов с образованием дейтрона, позитрона и электронного нейтрино:

В завершении цикла исчезают четыре протона и образуется одна a -частица. Количество ядер углерода не изменяется. Эти ядра выступают в роли катализа-тора реакции.

Специфика ядерных реакций в звездах состоит в том, что, как правило, реакции протекают при энергиях значительно более низких, чем те энергии, при которых их изучают в лабораторных условиях. В астрофизических услови-ях важны ядра, свойства которых затруднительно изучать в земных экспери-ментах (например короткоживущие нуклиды, переобогащенные нейтронами). Поэтому в настоящее время исследователи вынуждены экстраполировать полу-чаемые результаты к астрофизическим условиям или применять сложные тео-ретические модели ядерной физики. Сейчас в ядерной физике активно изуча-ются нейтронно-избыточные ядра, что позволит понять эволюцию крупных космических и астрофизических объектов, таких как нейтронные звезды.

Современные достижения ядерной физики используются для объяснения источников энергии астрономических объектов, происхождения химических элементов. Актуальные проблемы ядерной физики связаны с изучением структуры ядра и ядерными явлениями: состоянием оболочечной модели, коллектив-ным возбуждением, легкими и сверхтяжелыми ядрами, ядрами с крайним дефицитом нейтронов и ядрами, богатыми нейтронами, суббарьерными реакции-ми, релятивистскими столкновениями тяжелых ионов и т. д. Например, обсуждаются вопросы взаимодействия тяжелых ионов и образования новой материи в результате их столкновения при высоких энергиях.