Coulomb gát - a választ fizika
Coulomb gát
Atommag a pozitív elektromos töltés. Abban a nagy távolságok, a díjakat lehet fedni a elektronokat. Annak érdekében azonban, hogy egyesült magok, meg kell megközelíteni, hogy a távolság, amelyen egy erős kölcsönhatást jár. Ez a távolság - körülbelül akkora a magok magukat, és sokszor kisebb, mint az atom. Ezeken a távolságokon, az elektron pályák az atomok (akkor is, ha túlélte) már nem kerülheti el a díjakat a magok, így azok erősen
elektrosztatikus taszítás (lásd. ábra). Az erőssége a taszítás, a Coulomb-törvény. fordítottan arányos a távolság négyzetével között díjakat. Távolságokra nagyságrendű mérete atommagok az erős kölcsönhatás (pion csere), ami általában köti őket növekedni kezd gyorsan és nagyobb lesz, mint a Coulomb-taszítás.
Így, hogy indítsa el a reakciót, a magok kell legyőzni a potenciális akadályt. Például, a reakciót a deutérium - trícium nagyságát ezen akadály körülbelül 0,1 MeV. Összehasonlításképpen, az ionizációs energia a hidrogén - 13 eV. Ezért az anyag részt vesz a fúziós reakció lesz szinte teljesen ionizált plazmát.
0,1 MeV energiájú megfelelő hőmérsékleten a sorrendben szeptember 10 K Van azonban két hatás, amelyek csökkentik a szükséges hőmérséklet fúziós reakciók. Először is, a hőmérséklet jellemzi csak az átlagos kinetikus energia, egy részecske, mint kevesebb energiával és így tovább. Tény, hogy egy fúziós reakcióban részt kis számú atommagok energiák sokkal magasabb, mint az átlagos (a „farok a Maxwell eloszlás”). Másrészt, mivel a kvantum hatások mag nem szükséges a energia meghaladja a Coulomb gát. Ha ők egy kicsit kevésbé energia gát, akkor nagyobb valószínűséggel alagút rajta.
Az alapvető szintézis reakció magok
(1) D + T. 4 Ő (3,5 MeV) + n (14,1 MeV)
(2) D + D. T (1,01 MeV) + p (3,02 MeV) (50%)
3 Ő (0,82 MeV) + n (2,45 MeV) (50%)
(3) D + 3 Ő. 4 Ő (3,6 MeV) + p (14,7 MeV)
(4) T + T. 4 2 He + n + 11,3 MeV
(5) 3 He + 3 He. 4 He + p 2
(6) 3 He + T. 4 He + p + n + 12,1 MeV (51%)
4 Ő (4,8 MeV) + D (9,5 MeV) (43%)
4 Ő (0,5 MeV) + n (1,9 MeV) + p (11,9 MeV) (6%)
(7) D + 6 Li. Február 4 He + 22,4 MeV
(8) p + 6 Li. 4 Ő (1,7 MeV) + 3 Ő (2,3 MeV)
(9) 3 He + 6 Li. Február 4 He + p + 16,9 MeV
(10) p + 11 B. március 4 He + 8,7 MeV
Zárójelben az energiát a megfelelő részecskék, és aránya százalékban a reakció ág, ha lehetséges elágazó folyamat.
Passage i- töltött részecske sugarak az anyagon keresztül.
Tekintsük áthaladó anyag a töltött részecskék, - és az X-sugarak a nagy energiák, vagyis azokat az energiákat, hogy több vagy sok nagyságrenddel felülmúlja az átlagos ionizációs potenciálja az elektron az elektron héj az atom ... A legnagyobb gyakorlati jelentősége magfizikai, dozimetriai és képviseli az energia tartományban néhány keV és 10 MeV .
Annak ellenére, hogy komoly nehézséget a kapcsolódó folyamatok a folyosón a részecskék anyagon keresztül, ezeket a folyamatokat adnak arra, hogy viszonylag pontos számításokat, vagy legalábbis, a becslések szerint.
Ez főként annak a ténynek, hogy az alapvető szerepet a folyosón a töltött részecskék, - és az X-ray keresztül anyagot játszanak jól tanulmányozott elektromágneses kölcsönhatás. A szerepe a nukleáris kölcsönhatások a legtöbb esetben viszonylag alacsony, ami a rövid hatótávolságú jellege a nukleáris erők, valamint annak a ténynek köszönhető, hogy az elektronok a anyag sokkal nagyobb, mint az atommagok.
A mechanizmus természetétői áthaladó anyag részecskék vannak osztva: 1) könnyű töltött részecskék (elektronok és pozitronokat); 2) a nehéz töltött részecskék (ez magában foglalja az összes részecske mellett elektronok és pozitronokat), és 3) - sugarak és a fotonok röntgensugárzás.
Csak neutronok kölcsönhatásba az atommagok nukleáris erők, és így áthaladás az anyag külön kell megvizsgálni. Neutrínók vannak kitéve csak gyenge kölcsönhatások, és szabadon haladhatnak az anyagban csillagászati távolságokat.
A tudás a törvények az anyagon keresztül a töltött részecskék és - sugarak megértéséhez szükséges készülékek üzembehelyezése atomfizikai, rögzítésére használt és tulajdonságainak tanulmányozására ezek a részecskék, valamint a számítás elleni védelem nukleáris sugárzás a tudományos kutatás, a nukleáris energia és egyéb alkalmazások a nukleáris fizika.
Passage nehéz töltött részecskék révén számít
1. Nehéz töltött részecske tömege M és nagy energiájú elektronok kölcsönhatásba elektromos mezők és atommagok. Ez akár ionizálja vagy izgatja atomok. Végrehajtani a tiszta és a nukleáris kölcsönhatása a részecske egy atommag. Ezeken a folyamatokon keresztül, az energia a részecskék csökken, és a mozgás lelassul. Ha a részecske pozitív töltésű, az eredmény a lassulás kezdődik erőteljesen elfog elektronok, kikeresi azokat a környezet tartalmaz. Ennek eredményeképpen, ez lesz a semleges atom vagy ion, és kerülnek a termikus egyensúlyt a környezettel. Ez ugyanaz a sors és a gyors negatív részecskéket.
Feltételezzük, hogy a fő szerepet lassítja a részecskék játszanak folyamatait ionizációs és gerjesztési az elektron pályák az atom. Mindegyik úgynevezett együttesen az ionizációs veszteséget. Mivel a hosszú távú jellegét Coulomb erők részecske közvetlen kölcsönhatásban sok elektront az atomi héjak, ami viszont törvény a részecske. Ez a hatás véletlenszerű, kaotikus jellegét, hogy az utat a részecskék egy anyag szinte egyértelmű. Egyenesre utat is jár a nagy tömegű nehéz részecskék, mint a tömege elektron fény, miáltal minden egyes interakció az elektron ez eltér nagyon kevés, és elveszti egy nagyon kis töredéke az eredeti energia.
A fő célja az átlagos ionizációs energia vesztesége a részecske - d / dx, egységnyi utat, valamint a teljes körű R a kérdésben. Tekintsük a megoldás a problémára, feltételezve, hogy a klasszikus mechanika, majd minőségileg veszi figyelembe azt a hatást a kvantum hatások.
2. Először kiszámítjuk az energiaveszteség bevezetett egy elektron, majd összegezni ezeket a veszteségeket az összes elektron közegben. Így, azt feltételezzük, hogy minden egyes elektron kölcsönhatás a részecske a kérdéses megy végbe, ha nem volt más elektronok. nagy energiájú részecskék feltételezzük, ezért az elektron, amelyekkel kölcsönhatásba lép, feltételezheti a szabad és nyugalomban.
Csak miután ionizációs elektron elveszíti a kapcsolatot egy olyan molekula vagy atom és gyorsan elkezd gyorsulni, és ezért a feltételezés mozdulatlanság az elektron nem végezhető egyáltalán. De az ionizációs folyamat játszódik le a kis távolságokban mozgó részecskék, így a elektrongyorsító végezzük rövid, és azt feltételezhetjük, hogy nem játszanak jelentős szerepet. A részecske önmagában tekinthető kiszámításakor egyenes vonalban halad állandó sebességgel .
Charge számú mozgó részecskék jelöljük egy kis levél Z, így nagy a Z betű jelzi a felelős az atommagok a környezetével.
Egy részecske töltés ze, mozgó múltban az elektron tengely X irányban (lásd a. Ábra), vonzza az elektron a F erő = ZE 2 / r 2. Utoljára a időben dt tájékoztatja őt impulzus Fdt. A longitudinális komponens ezen impulzus nem számít, mert amikor elhaladnak a részecskéknek az ponton változik jel. Ennek eredményeként a növekedés a longitudinális komponens lesz ellensúlyozza az csökkenése. A kamat csak egy keresztirányú komponense az elektron impulzus. Jelöljük a keresztirányú összetevője a lendület p. Ezután dp = -F sin dt, vagy
ahol dx - pályaszakaszának által a részecske alatt az idő dt. De x = bctg , r = b / sin, és b egy konstans hozzáállásunk feltételezett.
Így, elfogadásával a független változó szög , megkapjuk
Teljes keresztirányú lendület elektron van integráló tartományban 0 . Így találunk
Elektronikus kapnak teljesítmény p 2 / 2m, és ugyanaz a részecske energiát veszít (m - elektron tömeg).
3. Tegyük fel most, hogy a részecske bejárja számít DX végtelen rétegvastagság egységnyi térfogatra, mely n elektronokat. Része ez a réteg korlátozza hengeres felületek sugarú B és B + dB, DN = 2 nb dB dx elektronokat. Ha, mint fentebb említettük, az elektronok egymástól függetlenül, a kölcsönhatás a részecske DN elvesztésével elektronok által az összeg az energiát - DNP 2 / 2m.
Teljes veszteség egységnyi utat a részecske energia tehát
ahol az integráció az egész terület tele elektronok, jelentősen befolyásolná fékezés részecskéket. A szempontból a matematika nem tudja végrehajtani az integráció tartományban b = 0 és b = + , mivel ez vezet a divergens integrál. Az integrációs kell lennie a tartományban a minimális érték b = bmin egy maximális érték b = Bmax. A legtöbb esetben elegendő, hogy esetükben az viszonylag durva fizikailag igazolt eddig határait integráció.
4. korlátozása a felső határ van társítva a kvantum tulajdonságait a közeg tartalmaz. Gerjeszti atom külső fellépés elég erősnek kell lennie. Meg kell tenni, hogy az atom az egyik energiából szintről a másikra. Ellenkező esetben, egy atom nem lesz izgatott. Egy ilyen atom nem befolyásolja a lassulása mozgó részecske és nem járul hozzá az integrál. A következő általános becslést lehetővé teszi, hogy megértsék a lényegét nem.
Mozgó részecske hatékonyan hat a elektron idő alatt
b / . Coulomb erő hat az elektron, F
2 ze / b 2 A lendület által megszerzett egy elektron arányos F
2 ze / b, azaz ez a kisebb, a nagyobb b. Ha b meghalad egy bizonyos értéket bmax. a megfelelő elektron nem kell figyelembe venni. De ha az elektron tartják az idők folyamán , a bizonytalanság az energia? korlátozott arányban ?
órán át. Nagyjából atom gerjesztett csak? nem kevesebb, mint az átlagos ionizációs potenciálja atom. Abban a hitben? = a becslés
h / idő hatékony elektron kölcsönhatás a részecske megfontolás alatt.
Egy átlagos atomi ionizációs energia általában vett empirikusan megállapított formula
Közben részecske átmegy el
A nemrelativisztikus részecskeméret, és ez lehet venni, mint egy durva közelítését a felső határ b.
Formula (*) kapott nemrelativisztikus közelítés. Amikor egy részecske mozog relativisztikus sebességgel, ez a képlet korrigálni kell. Lényeg az, hogy
használják a levezetés Coulomb törvény az elektromos mező egy pont ellenében. Amikor relativisztikus sebességek a mozgó töltés változik az elektromos mező. Elektromos erővonalak egy mozgó töltés marad egyenes, hanem az egész képet a távvezetékek tömörítést a menetirány. Ezt mutatja a sematikus ábrája. Figyelembe véve a relativisztikus korrekciók, megkapjuk
ahol részecskesebesség változott s, mivel most a relativisztikus mozgást. Ami az elektron, még mindig várható, hogy a mozgás fordul elő, hogy az ütközés után a részecske, nem-relativisztikus. Ezért, a felső határ az integráció egyenlő (Sze A (*))
5. Most meghatározza az alsó határ az integráció.
Szerint a reláció lendület a részecske és az a B távolság az elektron kell felelniük bp órán át. Ezért, egy kvantum szempontból, az alsó határérték természetes, hogy az expressziós
Ennek eredményeként a kombináció a kifejezést kapjuk kapott Bohr képletű:
A becslések szerint az határait integráció nagyon durva. Van azonban valamivel pontosabb kifejezéseket -d / dx. Az egyik legegyszerűbb ilyen kifejezéseket:
Mert protonok energiája 1 MeV levegőn normál hőmérsékleten és nyomáson a logaritmikus kifejezés az utóbbi képlet mintegy 9, és a relativisztikus távon 2 nem haladhatja meg az 1 Nyilvánvaló, hogy pontosabb kifejezést nem nyújtanak semmi újat szempontjából megértéséhez a fizika az energia veszteség nehéz részecskék .
6. Bohr képletű, legalább minőségileg, mennyiségileg és részben nyilvánvalóvá teszi, hogy mi által meghatározott értékek gátlása nehéz töltött részecskék miatt ionizációs veszteségek az anyag széles energia tartományban részecske (1 MeV több tíz és száz GeV). Amint a Formula Bohr, jelentős veszteségeket határozza meg a töltés, és a részecske sebessége, az elektronok száma egységnyi térfogatban a közeg és az átlagos ionizációs potenciálja a közeg tartalmaz. Függés logaritmikus, így gyenge.
A növekvő részecskesebesség veszteség egységnyi hossza az első csökkenés. De a megközelítési sebesség a relativisztikus limit, azaz, ha az, helyébe növekedése bomlási mivel a számláló a logaritmus 2m 2 válik lényegében állandó, a nevező 1 - .. ß 2 közelít a nullához. Ennek eredményeként, a veszteségek növekedése során -d / dx sebesség energiájú részecskék áthaladnak a minimális, ami megközelítőleg mintegy 2 ms = 2. Ez egy tisztán relativisztikus hatást.
Végül a másodfokú z függőség abban nyilvánul meg, erős fékezés - és többszörösen töltött részecskék számít.
Igen alacsony és nagyon nagy sebességgel részecskék Bohr képletű ad túl magas értéket a részecske energia veszteséget.
7. Alacsony sebességnél kezd befolyásolja a részecskék befogása mozgó elektronok. Az ilyen elkülönítési legalább néhány számának csökkenése egyenértékű Z, és ez vezet a kisebb energia veszteséget képest, hogy ad Bohr képlet. Különösen erős rögzítés esetén következik a mozgás többszörösen töltött ionok pozitív, azaz a. E. atomok, elektronok sok elveszett. Mivel a csapdába elektronok a csökkenés részecskesebesség veszteséget görbe nem megy a végtelenbe, mivel ez lenne az alábbi képlet szerint Bora, és eléri a maximális, majd elkezd fokozatosan csökkenni.
Ezeket a hatásokat figyelembe véve empirikusan, és az eredményeket a formában kifejezve görbék futott - energia.
8. A távolság, amelyet a részecske közép- és teljes megállás, azaz a. E., addig a pillanatig, amikor a termikus egyensúlyt a környezet, az úgynevezett kilométer. Kiszámításához az utat R észre, hogy az elérési út dx kinetikus energiája a részecske = m 2/2 változik d, úgy, hogy dx = (dx / d) d = (dx / d) M d. Behelyettesítve d / dx Bohr képletű megkapjuk a differenciálegyenlet, amelynek integrációs hozamok
ahol 0 - kezdősebessége a részecske mozgás, és az f függvény által meghatározott viszonylag bonyolult integrál. Alapvető fontosságú, hogy ezt a funkciót egy adott közeg azonos minden részecskék. Nagyjából f függvény lehet meghatározni a kezdeti sebesség a részecskék mozgásának
Azonban a alkalmazhatósága korlátozott Bohr képletű közegben elektronbefogás hatásokat. Finomított képlet R lehet beszerezni a következő megfontolások. Elosztjuk az egész utat a részecske mozgás két részből áll: az a része, ahol az elektron befogási nem kerül sor, és alkalmazza Bohr formulája, és a fennmaradó rész, ahol fontos szerepe van a fogók. Az első rész a kifejezés alkalmazható (**). A hossza a második része az utat a kezdeti sebesség független, azaz. E. C egy állandó, értéke a konstans eltérő a különböző részecskék, és a média, amelyben mozognak. Ily módon kapjuk meg a teljes távon a közelítő általános képletű
A -részecskék a levegőben szobahőmérsékleten és normál nyomáson tapasztalatok ad R = 0,2 cm alumínium proton távon 5 MeV egyenlő 0,06 mm, és az energia a 10 MeV -. 0,17 mm.