Научные открытия России
Государственный реестр открытий СССР
 


ФИЗИКА, РАДИОАКТИВНОСТЬ

Научные открытия в области ядерной физики, физики элементарных частиц, нейтронной физики, химической физики, ядерной микроскопии, радиоактивности, трансуранов, физики плазмы.


Ядерная физика и физика элементарных частиц
Явление резонансного поглощения отрицательных мюонов атомными ядрами.
Явление образования мюонного свободного атома.
Явление захвата отрицательно заряженных пионов ядрами химически связанного водорода.
Явление существования мюония в конденсированных средах.
Ядерные свойства света (распад фи-ноль-мезона на электрон-позитронную пару) .
Явление образования и распада сверхтяжелого гелия – гелия-8.
Закономерность в энергетической зависимости полных сечений (Серпуховский эффект) .
Закон сохранения векторного тока о слабых взаимодействиях элементарных частиц.
Явление несохранения пространственной четности в ядерных электромагнитных переходах.
Явление образования сильно деформированных тяжелых атомных ядер в квазистанционарном состоянии.
Свойство электромагнитной поляризуемости сильно взаимодействующих элементарных частиц.
Явление прямого выбивания дейтронов из атомных ядер нуклонами высоких энергий.
Закономерность масштабной инвариантности сечений образования адронов.
Явление глубоконеупругой передачи нуклонов в ядерных реакциях.
Явление потенциального рассеяния протонов высоких энергий.
Явление асимметричного испускания легких и тяжелых осколков деления относительно направления поляризации ядер.
Закономерность подбарьерного фотоделения четно-четных ядер.
Закономерность нарушения дискретных симметрий в слабых взаимодействиях элементарных частиц.
Закономерность транс-упрочнения связей в октаэдрических комплексах непереходных элементов.
Явление вращения плоскости поляризации жестких гамма квантов.
Явление изменения знака поляризации протонов при их упругом рассеянии на протонах при высоких энергиях.

Мезонная физика и мезонная химия
Безрадиационные переходы в мезоатомах.
Явление двойной перезарядки пи-мезонов.
Распад омега-мезона на нейтральный пи-мезон и гамма-квант.
Явление двухчастотной прецессии спина положительного мю-мезона в атоме мюония в магнитном поле.
Явление изменения относительной интенсивности рентгеновских линий К-серии мю-мезоатома.
Квантовая некогерентная диффузия положительных мю-мезонов.
Образование элементарной частицы h–мезона.

Нейтронная физика
Явление удержания медленных нейтронов.
Явление ядерной прецессии нейтронов.
Закономерность изменения температуры тепловых нейтронов при диффузии.

Ускорение частиц
Автофазировка в циклических резонансных ускорителях.
Образование релятивистского стабилизированного электронного пучка.
Эффект самополяризации электронов или позитронов в магнитном поле.
Закономерность изменения радиуса сильного взаимодействия протонов при высоких энергиях.
Явление фокусировки пучка заряженных частиц в однородном вдоль оси пучка переменном электрическом поле.

Ядерная микроскопия
Эффект теней.

Исследование «антивещества»
Антисигма-минус-гиперон.
Явление образования антигелия-3.

Радиоактивность (типы деления атомных ядер)
Спонтанное деление ядер урана.
Спонтанное деление атомных ядер из возбужденного состояния (спонтанно делящиеся изомеры) .
Явление запаздывающего деления атомных ядер.
Протонный распад радиоактивных ядер.
Явление двунуклонной радиоактивности атомных ядер.
Закономерность конфигурационного расщепления гигантского дипольного резонанса у лёгких атомных ядер.

Открытие трансурановых элементов
Образование изотопа сто второго элемента периодической системы Менделеева.
Сто третий элемент.
Сто четвертый элемент.
Сто пятый элемент.

Физика плазмы
Явление изменения электропроводности плазмы и интенсивности ее излучения под действием оптической ориентации атомов.
Нейтронное излучение плазмы.
Удержание плазмы магнитным полем.
Тококонвективная неустойчивость плазмы.
Образование высокотемпературной плазмы в высокочастотном разряде.
Турбулентный нагрев и аномальное сопротивление плазмы.
Явление распадной параметрической неустойчивости волн в нелинейной волновой среде.
Закономерность понижения потенциала ионизации атомов в плотной слабоионизованной плазме.
Явление ионизационной турбулентности низкотемпературной плазмы.
Явление скрытого выстраивания атомов в плазме при её изотропном возбуждении.
Дрейфово-конусная неустойчивость горячей плазмы.
Явление эстафетного переноса электрического заряда в газах.

Термодинамика, квантовая электродинамика, газоразрядная физика, химическая физика, МГД-генераторы
Закономерность изменения теплоотдачи на стенках каналов с дискретной турбулизацией потока при вынужденной конвекции.
Явление конвекции газа под действием температурных напряжений – термострессовая конвекция.
Явление самостоятельного прямого перехода тлеющего разряда с потенциальными ловушками для электронов в дуговой разряд.
Резонансное образование мюонных молекул дейтерия.
Фотохимические фазовые переходы в молекулярных веществах.
Эффект Т-слоя.

Атомная энергетика
Термоядерная энергетика
Альтернативная энергетика






Ядерная физика и физика элементарных частиц

Как наука ядерная физика начала формироваться с конца прошлого века. Ее основатель Э. Резерфорд в 1881 году выступил с докладом об эволюции материи и высказал революционные для того времени идеи о том, что атомы делимы и разрушимы и что они состоят из более простых частей. Его утверждения были встречены насмешками. Это было время накануне начала новейшей революции в естествознании.
В 1896 г. А. Беккерель открыл явление радиоактивности. Год спустя Дж. Томсон открыл электрон, а еще через два года П. Кюри и М. Склодовская-Кюри открыли радий. Все эти открытия помогли Резерфорду научно обосновать свою идею. В 1902 г. вместе с Ф. Содди он выдвинул гипотезу о том, что радиоактивность есть самопроизвольный (спонтанный) распад элементов с выделением альфа-частиц. В противовес физическим идеалистам, считавшим, что выделение радием большого количества энергии сокрушает закон сохранения энергии, Резерфорд доказал, что эта энергия возникает как энергия распада атома. Он убедительно обосновал превращаемость форм и видов материи, которые считались вечными и неизменными. Этим был нанесен сокрушительный удар по старой метафизике и идеализму в науке того времени.
Позже Резерфорд заявил об открытии атомного ядра, диаметр которого в 100 тыс. раз меньше диаметра атома. В этом ядре сосредоточена почти вся масса атома и его положительный заряд, равный суммарному заряду всех электронов в нейтральном атоме. Эти выводы послужили ученому основанием для создания динамической модели атома по аналогии с моделью Солнечной системы: в центре - ядро (Солнце), вокруг - электроны (планеты). Позже, в 1920 году, Резерфорд предсказал существование нейтрона, спустя 12 лет открытого Д. Чедвиком.
Одной из основных задач современной науки стало исследование микромира, выяснение природы элементарных частиц, из которых состоят атомы и атомные ядра. Ее решение, несомненно, станет важнейшим этапом в познании материи, откроет перед человечеством невиданные перспективы в использовании пока неизвестных законов природы.
С тех пор как была открыта цепная реакция деления атомного ядра, ядерная физика играет исключительно важную роль в научно-технической революции. Изучение ядра породило многие открытия, на основе которых изобретены способы использования атомной энергии. Исследованиям в области физики элементарных частиц и атомного ядра уделяется большое внимание во всем мире. Проникая в глубь атома, ученые стремятся познать природу ядерных сил, обнаружить новые элементарные частицы, раскрыть свойства этих песчинок материального мира.
К началу двадцатого века физики установили существование электрона и протона. Все явления природы объяснялись действием только двух сил - тяготения (гравитации) и электромагнитных. Открытие новых элементарных частиц влекло за собой знакомство с новым классом физических явлений.

Сейчас науке известно более 300 элементарных частиц и по крайней мере четыре типа их взаимодействия. К гравитационным и электромагнитным прибавились так называемые сильные (ядерные) и слабые взаимодействия. Первые отличаются огромной величиной и коротким радиусом действия. Ядерные взаимодействия в тысячу раз превосходят электромагнитные. Они связывают протоны и нейтроны, обеспечивая устойчивость атомных ядер, и ответственны за рождение частиц при высоких энергиях.
Роль слабых взаимодействий, хотя они и слабее сильных взаимодействий в 100 тыс. миллиардов раз, также исключительно велика (кстати, слабые силы в 1025 раз превосходят гравитационные). Слабые взаимодействия определяют распад элементарных частиц. Их существованием объясняется, например, бета-распад атомных ядер. Целый ряд элементарных частиц, называемых лептонами, взаимодействует с другими частицами только посредством слабого или электромагнитного взаимодействия.
С тех пор как на вооружение ученых поступили ускорители огромных энергий, на первое место выдвинулись исследования множественной генерации частиц. Суть их в том, что при столкновении разогнанной в ускорителе частицы с частицей-мишенью рождаются другие, вторичные частицы, причем их число растет с увеличением энергии налетающей частицы. Элементарные частицы проявляют здесь одну из самых характерных своих черт - взаимопревращаемость.
Как упорядочить многочисленные микрочастицы, разложить их по полочкам? Эта задача давно волнует ученых. В 1965 году советский физик И. Л. Герловин попытался обосновать существование периодической закономерности элементарных частиц. На ряде примеров он показал, что анатомия атома непрерывно уточняется и что элементарные частицы, подобно атомам, подчиняются периодическому закону.
Число открытых элементарных частиц растет с каждым годом. Пока их принято делить на три группы: тяжелые (барионы), легкие (лептоны) и частицы средней массы (мезоны).
Тяжелые частицы - протон (положительно заряженная частица ядра) и нейтрон (частица нейтральная). Протоны и нейтроны, или, как их часто называют, нуклоны, удерживаются вместе, образуя атомные ядра. Они как бы склеены за счет ядерных сил. Масса протона в 1836 раз больше массы электрона. Число протонов в ядре того или иного элемента совпадает с его порядковым номером в периодической таблице Менделеева.
Ядрами испускается гамма-излучение. Получив избыток энергии, ядро переходит в возбужденное состояние, или, как говорят, на один из возбужденных уровней. Различные энергетические состояния называют изомерами. В 1958 г. немецкий физик Рудольф Мёссбауэр сделал важное открытие. Он установил, что если атомные ядра связаны друг с другом в кристаллической решетке, то энергия отдачи передается не отдельному ядру, а всей решетке в целом.
Электрон, относящийся к группе лептонов, - отрицательно заряженная частица. Нейтрино, также относящиеся к лептонам, в отличие от них обладают поразительной способностью беспрепятственно проходить сквозь любые преграды, в том числе сквозь галактики, звезды, планеты и т. п. Из-за слабого взаимодействия нейтрино с веществом их долгое время не удавалось обнаружить. Гипотезу о существовании нейтрино выдвинул в 1930 году швейцарский физик Вольфганг Паули, пытаясь объяснить безвозвратную потерю энергии при бета-распаде ядра.
Ядерная физика тех лет столкнулась с проблемой, которая снова ставила под сомнение закон сохранения энергии. Этой проблемой был бета-распад. Теперь известно, что случаи бета-распада ядер не что иное, как один процесс - превращение нейтрона внутри ядра в протон с одновременным рождением электрона. Но тогда нейтрон только предстояло открыть.
Понадобилась еще четверть века, чтобы доказать справедливость гипотезы о существовании нейтрино - частицы, не имеющей заряда, с массой, равной нулю (или близкой к нему), и длиной свободного пробега больше видимых размеров Вселенной. Основоположником новой области физики – физики нейтрино высоких энергий – стал академик Бруно Максимович Понтекорво. Неуловимая частица, которая не может находиться в состоянии покоя, уносит с собой не только "исчезнувшую" энергию, но и "исчезнувший" импульс. Пока никто не знает, куда они исчезают.
За последние годы были созданы очень чувствительные приборы, позволившие зафиксировать несколько нейтрино из Солнца. Это очень важно для исследования космоса.

До недавних пор практически вся информация о звездах и галактиках была основана главным образом на наблюдениях идущего от них света, радиоизлучения или рентгеновских квантов - одним словом, фотонов. Но фотоны легко поглощаются веществом, и до нас доходят лишь те из них, которые родились в ближайших к Земле слоях Вселенной. А нейтрино, возникшее при ядерных процессах в далеких звездах, свободно достигают Земли, неся с собой важную информацию. Уже сейчас есть нейтринные телескопы, которые в отличие от обычных сооружают глубоко под землей, чтобы до них не доходили никакие другие элементарные частицы.
Возможность постановки нейтринных исследований на ускорителях была обоснована советскими физиками. Ускоренные протоны ударяют в мишень и при столкновении с ядрами вещества рождают пи- и к-мезоны, от распада которых получаются нейтрино. На Серпуховском ускорителе Института физики высоких энергий вступил в строй комплекс - канал для пучка нейтрино высоких энергий, образующихся при распаде пи- и к-мезонов.

Совершенно уникальной считается российская установка "Скат" (камера тяжеложидкостная в Институте физики высоких энергий в Серпухове). Она позволяет проводить измерения с высочайшей точностью. При ее сооружении был использован многолетний отечественный и зарубежный опыт, накопленный в процессе создания и эксплуатации пузырьковых камер. За каждый цикл работы Серпуховского ускорителя пучок частиц, который мощные магниты выхватывают с кольца, рождает 1010 нейтрино. В среднем лишь примерно за 30 циклов ускорителя нейтрино оставляет след – рожденные им частицы дают тонкую цепочку газовых пузырьков.
В связи с получением в конце 1975 года с помощью установки "Скат" первых фотографий нейтринных взаимодействий вице-президент АН СССР А. А. Логунов отмечал: "Нейтринная физика вторгается в пока еще неведомую область слабых взаимодействий и обещает открыть факты, необходимые для развития теории, которая объединит и, возможно, объяснит природу этого и других видов взаимодействий. Нет сомнения в том, что такое познание даст в руки человеку ключи к неисчерпаемым запасам энергии, скрытым в веществе. Конечно, пока это фантазия. Заманчивая конкретная цель, которая, возможно, окажется достижимой в наших нейтринных экспериментах, - поиск гипотетических частиц, обладающих очарованием. Таким ненаучным термином назвали предполагаемое квантовое число, характеризующее частицу".

Информацию о механизме генерации энергии внутри звезд способны дать прямые методы наблюдения за процессами в их недрах. Таким принципиально новым методом изучения природы является нейтринная астрофизика. Ввиду актуальности проблем нейтринной астрофизики было принято решение о создании специализированного комплекса для проведения соответствующих исследований. В Кабардино-Балкарии был построен уникальный физический комплекс – Баксанская нейтринная обсерватория Института ядерных исследований Академии Наук СССР. Здесь пущен в постоянную эксплуатацию крупнейший в мире подземный нейтринный телескоп, открывающий новые пути познания фундаментальных законов, управляющих эволюцией Вселенной. Телескоп полностью оснащен отечественным оборудованием, позволяющим регистрировать нейтрино, возникающие при гравитационном коллапсе звезд в любой точке нашей Галактики. Сооружение второй очереди обсерватории, которая будет оснащена радиохимическими детекторами высокой чувствительности, позволит регистрировать нейтрино от Солнца, осуществить программу его нейтринной спектроскопии, окончательно проверить представления о механизме генерации солнечной энергии.
Как предполагается, нейтрино проходит через Вселенную не изменяясь. Не идеальный ли это вариант для связи с иными цивилизациями? Об этом также мечтают исследователи этой частицы.
Науке предстоит пополнять наши сведения об элементарных частицах. Отмечая главные задачи в этой области, заведующий лабораторией теоретической физики Института атомной энергии имени И. В. Курчатова профессор, доктор физико-математических наук Я. А. Смородинский рассказывает:
"В последние годы, вероятно, именно в области элементарных частиц экспериментальные открытия были наиболее сенсационными. Во-первых, это открытие так называемых очарованных частиц – некоего класса частиц, которые возникают и наиболее четко фиксируются при столкновении электрона с позитроном, имеют массу, равную примерно 3,5 массы протона, и очень медленно распадаются. В отличие от огромного семейства частиц, так называемых резонансов, очарованные частицы живут необычайно долго – целых 10–19 с . В сравнении с коротким мигом жизни многих представителей микромира это вечность. Очарованных частиц сейчас открыто целое семейство. Появление этих новых, почти стабильных частиц с довольно простыми свойствами заставляет подозревать, что существуют очень простые системы с очень простыми законами, которых мы пока не понимаем.

Вторая область - это область слабых взаимодействий. Сейчас очень важно узнать, связаны ли со слабым взаимодействием какие-то новые частицы, которые иногда называют промежуточными. Предполагается, что они вылетают при распаде, скажем, нейтрона, превращаясь потом из протона в электрон и нейтрино. А может быть, процесс идет как-то иначе. Необычайно важен вопрос, как связано слабое взаимодействие с другими процессами, как оно вписывается в нашу картину мира. Очевидно, предстоит строить очень большие ускорители, чтобы понять чрезвычайно важные, фундаментальные вопросы: есть ли промежуточный мезон или его нет, есть ли частицы, которые ответственны за слабое взаимодействие, например за бета-распад, в том же самом смысле, как фотоны – кванты света – ответственны за все электромагнитные процессы?"

Большой интерес для науки и практики представляют частицы третьей группы - мезоны. В настоящее время насчитывается более 30 их разновидностей. Пучки мю-мезонов, пи-мезонов и т. п. удается получать на ускорителях. Физики научились добывать и мезоатомы, т. е. атомы, поглотившие мезоны. Их можно использовать по аналогии с веществами, меченными обычными радиоактивными атомами.
Мезоны интенсивно исследуются более 30 лет. Именно они определяют ядерные силы, или сильные взаимодействия, связывающие протоны и нейтроны в ядрах атомов.


Радиоактивность (типы деления атомных ядер)

Открытие радиоактивности, сделанное Анри Беккерелем в 1986 году, и становление новой области науки, связанной с изучением этого явления, представляет собой яркий пример резкого революционного скачка уровня знаний об окружающем нас материальном мире. Мы продолжаем узнавать все новые явления и закономерности радиоактивного распада атомных ядер. В наши дни открываются новые виды радиоактивности, и каждое такое открытие оказывает существенное воздействие на ядерную физику.
Пока еще нет общепринятого строгого определения радиоактивности. Специалисты-физики обычно подразумевают под этим понятием любое превращение атомных ядер, связанное с изменением их заряда или массы, которое происходит самопроизвольно, за счет особенностей внутреннего строения ядра.
"Приняв такое определение, - полагает академик Георгий Николаевич Флеров, - можно схематично представить развитие учения о радиоактивности за 75 лет. Советская школа радиоактивности, сделавшая значительный вклад в эту область физики, впервые заявила о себе в конце 20-х - начале 30-х годов. Ее направление и традиции были окончательно сформированы крупнейшим ученым нашей страны И. В. Курчатовым".
Ныне ядерной физике известны несколько типов деления атомных ядер. В 1938 году немецкие физики О. Ган и Ф. Штрассман, облучая уран нейтронами, обнаружили, что возбужденное ядро урана разваливается на две примерно равные части. Так был установлен первый тип деления атомных ядер – вынужденное деление. Советские физики открыли еще три типа деления атомных ядер:
в 1940 г. – спонтанный,
в 1961 г. – изомерный,
в 1971 г. – запаздывающий.


Открытие трансурановых элементов

Когда Дмитрий Иванович Менделеев сделал свое открытие, миру было известно только 62 элемента из 92, вошедших в его знаменитую таблицу. За истекшее столетие найдены все предсказанные им элементы.
Долгое время в таблице Менделеева самым тяжелым элементом был девяносто второй – уран. С помощью новейших исследований удалось открыть и синтезировать 15 элементов тяжелее урана. Их называют трансурановыми. Таким образом, в настоящее время в таблице Менделеева заполнено 118 клеток. Известно, что номер элемента определяется числом протонов в его ядре. Если рассматривать элементы в таблице слева направо, то у каждого следующего элемента ядро содержит на один протон больше.
Атом урана состоит из 92 протонов и 146 нейтронов. Уран - последний из природных долгоживущих тяжелых элементов. Продолжительность жизни урана сопоставима с продолжительностью существования Земли - 4,5 млрд. лет.
Трансурановые элементы распадаются значительно быстрее, и поэтому в естественных условиях их почти не сохранилось. В природе в небольших количествах встречаются нептуний (девяносто третий элемент) и плутоний (девяносто четвертый элемент).

Несколько трансурановых элементов, в том числе сто первый, названный менделевием, было синтезировано в Беркли (США) Гленном Сиборгом. Элементы легче менделевия были получены путем обстрела ядер урана нейтронами. Для элементов тяжелее такой метод синтеза оказался непригоден. Российские физики, открывшие последующие элементы, пользовались другим методом.
Когда сталкиваются ядро-снаряд и ядро-мишень, они сливаются, образуя так называемое составное ядро. Число его протонов и характеризует новый элемент. Для мишени при синтезе, например, сто шестого элемента предпочтительнее свинец, а для снарядов - хром. Расчет простой: в ядре хрома 24 протона, в сумме с 82 протонами ядра свинца они составят необходимую цифру 106.

С начала 1960-х годов, среди ядерных лабораторий мира, занимающихся синтезом и изучением свойств трансурановых элементов, ведущее место заняла Лаборатория ядерных реакций в Дубне, возглавляемая академиком Г. Н. Флеровым. В активе лаборатории открытие элементов от 102 до 110 (17 новых изотопов). В ряде случаев изотопы этих элементов были впоследствии синтезированы в США.
Следует особо подчеркнуть, что в ходе работ по синтезу и изучению изотопов сто четвертого и более тяжелых элементов была обнаружена новая закономерность в свойствах ядер трансурановых элементов, резко изменившая привычные представления об их структуре и устойчивости по отношению к делению. Оказалось, что при переходе от сотого - сто второго элементов к сто четвертому и далее не наблюдается катастрофического уменьшения времени жизни, предсказывавшегося на основании расчетов и экстраполяции экспериментальных данных. По-видимому, действует влияние ядерных оболочек, которое служит источником стабильности сверхтяжелых ядер.
Ученые ряда стран ведут поиск сверхтяжелых элементов с атомным весом 124 и 126. По предположению, продолжительность жизни таких элементов составляет примерно миллиард лет, поэтому их можно считать стабильными. По словам П. Дирака, эти элементы, видимо, являются побочным продуктом распада более тяжелых атомов.
В лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований впервые в мире ускорены ионы кальция-48. В научной печати давно обсуждаются исключительные преимущества, которые могут дать для синтеза сверхтяжелых сверхурановых элементов ускоренные ионы кальция-48. Тяжелый изотоп кальция-48 содержится в природной смеси изотопов кальция в очень малых количествах – всего сотая доля процента. Выделение его - задача весьма сложная и дорогостоящая. Мировые запасы кальция-48 составляют всего несколько десятков граммов. Чрезвычайно сложным является также ускорение кальция-48 до скоростей, необходимых для осуществления ядерных реакций.

В результате длительной и напряженной работы коллектива физиков, химиков, рабочих, инженеров и техников Дубны трудности были преодолены. Создан новый мощный источник многозарядных ионов плазменного типа с рабочим веществом в твердом состоянии. Это позволило экономно ускорять ионы кальция-48, а также ионы ряда других химических элементов. Успех дубненских физиков открывает новые возможности для получения еще неизвестных трансурановых и сверхтяжелых элементов.
Используя мощный пучок ионов кальция-48, физики лаборатории ядерных реакций провели предварительные опыты, синтезировав известный трансурановый элемент с порядковым номером 102. Они использовали разработанный в лаборатории эффективный метод синтеза, позволяющий получать тяжелые и сверхтяжелые ядра в более устойчивых "холодных" состояниях. Опыты показали, что при облучении различных изотопов свинца ионами кальция-48 сто второй элемент образуется в десятки и сотни раз эффективнее, чем в любой другой ядерной реакции, применявшейся до сих пор. Ведется подготовка к синтезу и изучению свойств сверхтяжелых ядер в реакциях с ионами кальция-48.
Установки, на которых образуются новые элементы, находят широкое практическое применение. Так, пучки тяжелых ионов, с помощью которых синтезируют в Дубне трансурановые элементы, ныне уже используют как "микроиглы" для производства фильтров сверхточной очистки во многих отраслях народного хозяйства.

Экспериментальные данные, полученные в Дубне в процессе исследований сто второго - сто седьмого элементов, позволили провести более реальные оценки ожидаемых радиоактивных и химических свойств последующих элементов и подготовили базу для разработки методов их получения.
Рассказывая о перспективах дальнейших исследований по синтезу новых элементов, академик Г. Н. Флеров сообщил: "Открытые в Дубне элементы были получены одинаковым путем - при полном слиянии бомбардирующего иона с ядром мишени в реакциях с испарением из составного ядра только нейтронов. Дальнейшее развитие физики ядерных реакций между сложными ядрами связано с использованием в этих реакциях быстрых ионов таких тяжелых элементов, как криптон, ксенон и уран, взамен используемых сейчас ионов неона и аргона. Причем, если при обычном синтезе элементов физикам сильно мешают возникающие в процессе деления "осколки", образующиеся с интенсивностью, в сотни миллионов раз большей, чем сами ядра, то синтез новым способом как раз и предполагает получать новые атомы в качестве "осколков". Для этого в лаборатории в 1971 году специально соединены в тандель-систему два циклотрона: У-300 и У-200. Цель соединения двух ускорителей - получение высокоэиергичных ионов ксенона и экспериментальная проверка путей, которые могут привести к синтезу сверхтяжелых химических элементов в предполагаемой области стабильности вблизи порядкового номера, равного 114. Получение сверхтяжелых элементов, возможно, позволит использовать их в будущем как эффективные и компактные источники энергии".
Физики предсказывают, что элементы с порядковыми номерами 110 – 126 могут оказаться очень долгоживущими. Не исключено, что некоторые из них настолько стабильны, что существуют в природе, хотя и в малых количествах.
Французский ученый профессор Ж. Тейяк (Центр ядерных исследований в Сакле) отметил важность исследований трансурановых элементов. "Очень интересны, - сказал он, - работы по поиску сверхтяжелых ядер - трансурановых элементов (работы, которые успешно проводит в СССР группа Г. Н. Флерова). Это тот путь, на котором будут открыты более сложные системы, чем ядро".

"Атом - не солдат, атом - рабочий" – эти слова, четко выписанные на торце одного из зданий, встречают каждого въезжающего в Дубну. Они определяют смысл и цели всех работ, которые ведутся в расположенном здесь Объединенном институте ядерных исследований – первом Международном физическом центре социалистических стран Европы и Азии.


Физика плазмы

До недавнего времени считалось, что все вещества, окружающие нас, находятся в одном из трех состояний: твердом, жидком или газообразном. Открытием нашего века стало четвертое состояние вещества - плазма.
Что же такое плазма? По существу, это газ, в атомах которого в результате сильного нагрева или других физических воздействий электроны отрываются от своих ядер. Плазма – это Солнце, звезды, туманности, межпланетное вещество в ионизированном состоянии. Не случайно плазму иногда называют звездным состоянием вещества.
Плазму мы наблюдаем и в земных условиях – это вспышки молний, электрические разряды, пламя ракеты, свечение неоновой трубки и т. д. Но земная плазма относится к категории низкотемпературной, холодной плазмы, так как степень ионизации газа в данном случае не слишком высока и зависит не только от температуры, но и от энергии связи электронов в атомах. А вот, например, молодые голубые звезды имеют температуру свыше 100 млн. градусов, при которой практически все электроны отрываются от своих ядер. Такую плазму относят к категории горячей, высокотемпературной.
По своему строению плазма отличается от простого газа тем, что в ней заметная часть атомов находится в ионизированном состоянии, т. е. атомы ее потеряли принадлежавшие им электроны и превратились в положительно заряженные ионы. Таким образом, плазма представляет собой смесь из положительных ионов, свободных электронов и нейтральных атомов.
Свойства плазмы резко отличаются от свойств обычного газа. Если нейтральный газ - электрический изолятор (электрические и магнитные силы не оказывают на него почти никакого влияния), то плазма (она также в целом как бы нейтральна), напротив, хорошо проводит электрический ток и взаимодействует с магнитным полем. Это качество плазмы имеет огромное значение для ее использования в технике. Необычное свойство плазмы в том, что ее электропроводность растет с увеличением температуры, в противоположность металлам, которые при нагревании проводят ток хуже, чем при охлаждении.


Атомная энергетика

На основе открытий в области ядерной физики родилось важнейшее направление современной научно-технической революции – атомная энергетика и атомная техника.
Выступая на годичном собрании Британской ассоциации физиков в 1933 году, Эрнест Резерфорд заявил, что человечество никогда не сможет использовать энергию, дремлющую в атоме. Он утверждал, что люди, толкующие о возможности получения атомной энергии в больших масштабах, говорят вздор. При таком мнении он оставался до последних дней своей жизни. Да и многие известные физики долгое время придерживались примерно той же точки зрения.
Через 40 лет после выступления Резерфорда академик Анатолий Петрович Александров писал: "В первой трети двадцатого века исследования в области ядерной физики казались далекими от практики, направленными на решение лишь фундаментальных проблем. И вот сейчас открытия в этой области дали человечеству новые энергоресурсы и такие методы их использования, при которых угроза исчерпания ресурсов может быть снята".

Высвобождение ядерной энергии стало выдающимся событием в мировой науке. В СССР были приняты все необходимые меры для мирного решения атомной проблемы.
Научное руководство всеми работами возглавил академик Игорь Васильевич Курчатов. Весь огромный комплекс сложнейших задач по изучению ядерных реакций, развитию теории ядра, нейтронной физики, теории реакторов на тепловых и быстрых нейтронах и других решался на высоком научном уровне и в короткие сроки. Выдающимся достижением советских физиков явилось сооружение и пуск в декабре 1946 года первого атомного уран-графитового реактора в нашей стране, всего через четыре годи после начала работ. Была отлажена уранодобывающая промышленность, организованы беспрецедентное производство разделения изотопов урана и извлечение плутония, построены специальные металлургические заводы, разработаны и пущены в ход промышленные реакторы для получения делящихся материалов. Так закладывалась основа атомной энергетики.


Термоядерная энергетика

"Первая половина 20 века., - говорил Игорь Васильевич Курчатов, - завершилась крупнейшей победой науки - техническим решением задачи использования громадных запасов энергии тяжелых атомных ядер урана и тория. Этого вида топлива, сжигаемого в атомных котлах, не так уж много в земной коре. Если все электростанции земного шара перевести на него, то при современных темпах роста потребления энергии урана и тория хватит лишь на 100-200 лет. За этот же срок исчерпаются запасы угля и нефти".
В термоядерных реакциях происходит выделение энергии в процессе превращения водорода в гелий. Быстро протекающие термоядерные реакции осуществлены в нашей стране, в США и в Англии в водородных бомбах. Сейчас перед наукой и техникой стоит задача осуществления термоядерной реакции не в виде взрыва, а в форме управляемого, спокойно протекающего процесса. Решение этой задачи даст возможность использовать громадные запасы водорода на Земле в качестве ядерного топлива.

Что же происходит, когда разновидности водорода (дейтерий, тритий) на мгновение подвергаются очень сильному нагреву и огромному давлению? Связи между элементарными частицами нарушаются, атомные ядра теряют электронную оболочку, скорости движения частиц сильно повышаются, и ядра все больше преодолевают действующие между ними электрические (кулоновские) силы отталкивания. В этих условиях атомные ядра могут соединяться друг с другом, образуя ядра других химических элементов и высвобождая при этом огромную энергию.

На пути создания звездного вещества – плазмы, т. е. на пути овладения термоядерным синтезом, стоят многие трудности. Успешное разрешение этой величайшей проблемы, очевидно, во многом будет зависеть от новых открытий в области магнитной гидродинамики, физики плазмы и ядерной физики.
Никогда нельзя точно предсказать, как будет развиваться та или иная отрасль науки. Можно надеяться, что в недалеком будущем люди найдут до сих пор неизвестные способы управления термоядерным синтезом.


Альтернативная энергетика

Для средств транспорта весьма перспективен водород, не загрязняющий атмосферу. Водородная энергетика будет особенно эффективна, если удастся получить достаточно устойчивый металлический водород. Получение дешевого водорода – одна из важнейших задач ядерной энергетики. Многие ученые считают, что сочетание ядерной реакции как источника энергии с водородом как энергоносителем – наиболее эффективный путь решения главных проблем энергетики.
В обычных условиях водород, как известно, образует молекулу из двух атомов и представляет собой газ. Охлаждение примерно до -250° превращает его в жидкость, а до -259° – в твердое тело.
Природа располагает весьма незначительным количеством чистого водорода. Зато в связанном состоянии его много. Вода, покрывающая две трети поверхности планеты, состоит из водорода и кислорода. Водород горит ровным бесцветным пламенем, дает в несколько раз больше тепла, чем бензин. При его горении выделяется только водяной пар, который быстро превращается в воду и не засоряет атмосферы. Ученые приходят к выводу, что водород следует получать из воды с помощью электроэнергии от атомных электростанций и перекачивать по трубопроводам к местам потребления.
Особый интерес представляет возможность применения водорода для автомобильного транспорта. В 1968 году в Институте теоретической и прикладной механики в Новосибирске были проведены успешные испытания двигателя ГАЗ-652 на водородном топливе. КПД двигателя был значительно выше, чем у существующих, двигатель меньше нагревался, следовательно, меньше изнашивался и практически не загрязнял атмосферу вредными выбросами. Специалисты считают, что благодаря водороду появится возможность существенно улучшить летные данные самолетов.
Заманчивые перспективы открывает водород в металлургии. Он может быть применен не только в качестве источника тепла при сгорании, но и как вещество, заменяющее уголь и кокс в процессе прямого восстановления железа. Перспективен водород и для использования в быту. Он даст энергию для отопления и освещения квартир и т. д.

Во всем мире идут исследования по эффективному использованию солнечной энергии.
Солнечная радиация – колоссальнейший энергетический резерв. Не случайно в свое время Фредерик Жолио-Кюри пришел к следующему выводу: "Хотя я и верю в будущее атомной энергии и убежден в важности этого изобретения, однако я считаю, что подлинный переворот в энергетике мира наступит только тогда, когда мы сможем осуществлять массовый синтез молекул, аналогичных хлорофиллу или даже более высокого качества".

Огромные энергетические ресурсы таятся в геотермальных водах. Уже на пятикилометровой глубине от земной поверхности количество тепла в тысячи раз превышает потенциальную энергию всех существующих горючих ископаемых, вместе взятых, - угля, нефти, газа и др. Носителем ее служат горячие подземные воды. Порой они изливаются в виде гейзеров либо просто горячих ключей, но очень часто обнаруживаются при бурении, например, разведочных скважин. Бурение в целях поиска полезных ископаемых и геотермическое картирование территории СССР дали возможность подсчитать запасы термальных вод с температурой от 40 до 250° и оценить их суммарный суточный дебит в 20 млн. м3.

Один из богатейших источников энергии – ветер. По расчетам академика П. П. Лазарева, энергия воздушных потоков в атмосфере Земли превосходит энергию годового потребления каменного угля в 3-4 тыс. раз.

Все большее внимание ученых привлекают проблемы энергетической инверсии. В Москве создан Общественный институт энергетической инверсии (ЭНИН), основателем и руководителем которого является заслуженный деятель науки и техники РСФСР, профессор, доктор технических наук Павел Кондратьевич Ощепков.
"Едва ли не самой дерзновенной мечтой человечества, - пишет он, - является овладение процессами естественного круговорота энергии в природе. Энергия также неуничтожима, как и несотворима, поэтому совершенно естественно, что процессы рассеяния энергии и процессы ее сосредоточения существуют в единстве.
Есть люди, которые утверждают, что эта идея противоречит закону термодинамики. Это неверно. Второй закон термодинамики, оправдавший себя в тысячах и тысячах случаев, указывающий путь при решении многих научных и технических задач, - безусловно правильный закон для любой замкнутой системы. Оспаривать справедливость его для этих систем просто бессмысленно. Но в реальном мире абсолютно замкнутых систем нет. Мир бесконечен во времени и пространстве, и взаимодействие между материальными субстанциями происходит по более сложным законам, чем второе начало термодинамики. Открыть эти законы суждено науке грядущего.
Использование процесса естественного круговорота энергии в природе на благо человечества не несет с собой угрозы перегрева поверхности Земли, так как оно не может изменить теплового баланса нашей планеты. Оно свободно и от радиоактивной опасности, от загрязнения атмосферы продуктами сгорания. Оно несет с собой несравнимое ни с чем изобилие энергии, составляющей главную основу жизни... Необходимость решения проблемы использования процессов естественного круговорота энергии в природе – это веление нашего времени".

Вопросы круговорота энергии привлекали внимание ученых еще в позапрошлом веке. Так, известный немецкий естествоиспытатель Эрнст Геккель в своей замечательной книге "Мировые загадки" в 1899 году писал: "Если бы учение об энтропии было правильно, то предполагаемому "концу" мира должно было бы соответствовать и "начало", минимум энтропии, при котором температурное различие между обособленными частями Вселенной было бы наибольшим... Начала мира так же не существует, как и конца. Как мир бесконечен, так он и пребывает в вечном движении. ...Защитники же энтропии справедливо ее отстаивают, пока имеют в виду лишь отдельные процессы, при которых в известных условиях связанная теплота не может быть вновь превращена в работу... В огромном же целом мироздания господствуют совершенно иные отношения: здесь даны условия, в которых может иметь место и обратное превращение скрытой теплоты в механическую работу".

Такими же представлениями руководствовался и знаменитый исследователь, изобретатель в области электротехники сербский учёный-физик Николо Тесла . Свою лекцию 20 мая 1892 года в американском Институте инженеров-электриков Н. Тесла закончил такими вещими словами:
"Мы проходим с непостижимой скоростью через бесконечное пространство; все окружающее нас находится в непрерывном движении, и энергия есть повсюду. Должны найтись и прямые способы утилизации этой энергии. И когда свет получится из окружающей нас среды, и когда таким же образом будут получаться все другие формы энергии из своего неисчерпаемого источника, человечество пойдет вперед гигантскими шагами. Одно созерцание этой величественной перспективы поднимает наш дух, укрепляет нашу надежду и наполняет наши сердца величайшей радостью".

Дальнейшее развитие этих идей, составляющих основу диалектико-материалистического миропонимания, мы находим в работах выдающегося российского ученого Константина Эдуардовича Циолковского о круговороте энергии. Он пишет, что в природе должны быть условия перехода тепла не только от более нагретых тел к более холодным, но и обратного, что оба процесса – и рассеяние энергии, и концентрация энергии – "равны и обеспечивают вечное возникновение юности Вселенной".
Занимаясь проблемой дальних и сверхдальних космических полетов, К. Э. Циолковский глубоко задумывался над проблемой источников энергии. Он понимал, что без энергии не может быть получено никакое целенаправленное изменение скорости движения материальных тел ни на Земле, ни в космосе.
Так же как и Д. И. Менделеев, К. Э. Циолковский пришел к выводу, что сжигать минеральное топливо, являющееся прекрасным химическим сырьем, в топках котлов безрассудно, что человечество рано или поздно неминуемо придет к полному истощению природных запасов топлива и, следовательно, должно будет овладеть и второй ветвью всеобщего процесса круговорота энергии в природе – её концентрацией.

В апреле 1975 года Общественный институт энергетической инверсии совместно с Комитетом космонавтики ДОСААФ СССР провел третью научно-техническую сессию, на которой были заслушаны и творчески обсуждены 39 докладов ученых по проблеме энергетической инверсии. В решении этой сессии, в частности, отмечается, что "новейший идеализм, стремясь отнять у человека право на познание жизни, стойко защищает модифицированную теорию "тепловой смерти" мира, ретушируя, видоизменяя и приспосабливая ее к новым факторам. Материалистическая наука не может примириться со взглядами "физического" идеализма на эволюцию энергии в природе, с идеалистическим извращением проблемы всеобщего круговорота концентрируемой и рассеиваемой энергии. Сегодня все более острым становится вопрос управления энергетической инверсией, которая есть единый процесс превращения энергии из одного состояния в другое, протекающий в двух направлениях - концентрации и рассеяния".


МГД-генераторы

Решая задачу термоядерного синтеза, в основе которого лежит горячая, высокотемпературная плазма, физики ведут всесторонние исследования холодной, низкотемпературной плазмы в целях широкого использования ее в технике.
Глядя на уходящую ввысь ракету, можно видеть вырывающийся из реактивного сопла огнедышащий шлейф. Это низкотемпературная плазма. Ученые смогли разглядеть в ней могучее средство для прямого превращения тепловой энергии в электрическую. Появились чертежи необычной электростанции - без парового котла, турбин и электрогенератора с традиционным вращающимся ротором. Первая промышленно-экспериментальная установка такого рода позволила говорить о новом направлении в энергетике.
На базе изучения космических туманностей и оболочек звезд родилась наука, получившая название магнитогидродинамики. Отсюда и общепринятый сегодня термин МГД-генератор. Основная деталь электростанции нового типа - топочный агрегат, похожий на камеру сгорания ракетного двигателя. В него подается нагретый воздух и впрыскивается топливо. Оно мгновенно сгорает, и температура в камере поднимается до 2500°. Раскаленные газы с ревом устремляются сквозь расширяющееся сопло. Этот ураган представляет собой холодную плазму.
Струя плазмы пролетает между полюсами магнита, пересекает магнитные силовые линии, и в ней возникает электрический ток. Его снимают электроды, расположенные с обеих сторон огненного потока. Здесь нет ни длинной цепи превращения энергии, ни передачи ее от одного носителя к другому, ни вращающихся деталей. Все просто и экономично.
Если в обычном электрическом генераторе проводником, в котором индуцируется ток, является обмотка якоря, то в МГД-генераторе им служит низкотемпературная плазма.
В чем же сложность создания таких машин? В том, что их работа возможна только при исключительно высокой температуре. Если температура окажется недостаточной, газ не превратится в плазму, а значит, не будет проводить электричество.
Нужны совершенно особые материалы, чтобы удержать огненную плазму в камере МГД-генератора. Ведь в магнитогидродинамическом канале, словно в мощной аэрогидродинамической трубе, скорость газов достигает сотен метров в секунду.

Российские ученые впервые в истории осуществили прямое преобразование энергии огня в электричество. Расчеты свидетельствуют, что коэффициент полезного действия у МГД-генератора, составляющий 55-60%, в полтора раза больше, чем у лучших современных тепловых электростанций. Значит, только одна станция мощностью миллион киловатт, переведенная на новейшую технику, смогла бы ежегодно экономить 500 тыс. т топлива.
Созданию опытно-промышленной МГД-электростанции предшествовала большая работа. В соответствии с программой исследований метода магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую в 1964 г. Институт высоких температур АН СССР совместно с организациями Министерства энергетики и электрификации СССР создал модельную экспериментальную установку У-0,2, включающую основные элементы будущей электростанции с МГД-генератором. Проведенные на ней исследования позволили приступить к сооружению более мощных опытно-промышленных станций.
В 1971 г. в Москве введен в строй первый в мире МГД-генератор У-25, пригодный для промышленного получения электроэнергии. Об этом советская делегация сообщила на 5-м международном симпозиуме по магнитогидродинамическому производству электроэнергии.
В генераторе У-25 мощностью 25МВт тепло сжигаемого природного газа непосредственно преобразуется в электрическую энергию трехфазного тока. Принцип его действия состоит в следующем. Обогащенный до 40% углекислым газом воздух нагревается до температуры 1200° и горит при температуре 2400°. Сильно нагретый газ истекает из сопла со скоростью 850 м/с, а затем проходит через магнитное поле напряженностью 20 тыс. гаусс. Вследствие высокой температуры и добавки карбоната калия или других щелочных металлов газ ионизируется и приобретает способность проводить электричество, поэтому от установленных с двух сторон газового потока 48 парных электродов получают электрический ток.
Присадка вводится для того, чтобы чрезмерно не повышать температуру продуктов сгорания. Одного процента ее достаточно, чтобы сделать газы электропроводными. На выходе из канала присадку улавливают специальными фильтрами и вновь пускают в дело.
Газ, который выходит из канала МГД-генератора, для повторного использования непригоден. Сначала он поступает в воздухоподогреватель, а затем в обычную паросиловую установку, являющуюся как бы второй ступенью МГД-генератора. Она служит для получения электрической энергии по обычной схеме.

Простая на первый взгляд идея МГД-генератора воплотилась в жизнь только в наши дни. Трудность заключалась в подборе материала для футеровки внутренней поверхности канала генератора. Материал этот должен обладать высокой термо- и коррозиестойкостью и к тому же быть хорошим изолятором. Другой, не менее сложной проблемой было создание электродов для вывода тока из струи плазмы во внешнюю электрическую цепь. Пока еще не решены некоторые технические проблемы, связанные с прочностью и долговечностью МГД-генераторов.
Обратимость МГД-действия позволила создать плазменный двигатель - ускорить плазму при пропускании через нее тока во внешнем магнитном поле. Плазменные двигатели хорошо зарекомендовали себя в космосе. Еще в 1964 г. впервые в мире на советской автоматической станции "Зонд-2", удалившейся от Земли на миллионы километров, были успешно проведены испытания плазменных электрореактивных двигателей.
В плазменных электрореактивных двигателях рабочее тело (плазма) разогревается с помощью электрической энергии. Затем на плазму воздействуют электромагнитным полем, при этом она движется, подобно тому как в электромоторе движется проводник, по которому течет ток. Отсюда вытекает возможность ускорения частиц рабочего тела до скоростей в десятки и сотни километров в секунду, недостижимых в двигателях, работающих на химическом топливе или сжатом газе.
Электроэнергию для питания плазменных электрореактивных двигателей можно брать в космосе от солнечных батарей или от специального источника электроэнергии. Тягу плазменных двигателей очень легко регулировать в широких пределах изменением параметров их электропитания. Такие двигатели обладают большим ресурсом работы. Все это делает плазменные двигатели очень перспективными для применения на космических объектах с длительным временем полета.






Главная
КОСМОС
ЗЕМЛЯ
ЧЕЛОВЕК, БИОЛОГИЯ
ФИЗИКА, РАДИОАКТИВНОСТЬ
ХИМИЯ, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
МЕХАНИКА, АВТОМАТИКА, ЭЛЕКТРОНИКА
МАТЕМАТИКА
Сайт создан в системе uCoz