101 ключевая идея: Физика - Джим Брейтот

Джим Брейтот

101 ключевая идея: ФИЗИКА

Введение

Вы держите в руках книгу из серии «Грандиозный мир. 101 ключевая идея». Надеемся, что как данная книга, так и серия в целом окажется для вас интересной и полезной. Цель этой серии — доступным и увлекательным образом познакомить читателя с самыми разными областями знания.

В каждой книге содержится объяснение 101 ключевой идеи и понятия, относящихся к той или иной области знания. Для удобства пользования статьи расположены в алфавитном порядке. Все книги серии написаны таким образом, что от читателя почти не требуется никаких специальных знаний и подготовки. Они будут полезны и для студентов, и для тех, кто только еще готовится к поступлению в высшее учебное заведение, и просто для любознательных.

На наш взгляд, большинство учебников слишком объемны, чтобы служить справочными пособиями, а статьи в словарях слишком кратки, чтобы сформировать у читателя более или менее полное представление о предмете.

Книги этой серии совмещают в себе лучшие стороны и учебника, и словаря. Их вовсе не обязательно читать от корки до корки и в строго определенном порядке. Обращайтесь к ним, когда нужно узнать значение того или иного понятия, и вы найдете краткое, но содержательное его описание, которое, без сомнения, поможет вам выполнить задание или написать доклад. Материал в книгах излагается четко, с тщательным подбором необходимых научных терминов.

Итак, если вам потребуется быстро и без больших затрат получить сведения по какой-либо теме — воспользуйтесь книгами данной серии!

Желаем удачи!

Пол Оливер, издатель серии

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данная книга предназначена для тех, кто не обладает специальными знаниями по физике, но тем не менее хочет ознакомиться с ее ключевыми понятиями. Последние идеи этой области, такие, как антивещество, кварки и сверхпроводимость, видимо, составят основу инженерной и технологической мысли будущего. Прочно утвердившиеся понятия, разработанные в течение нескольких веков, продолжают служить основными принципами различных естественных наук; без них также немыслимы современные средства коммуникации, компьютерные технологии, инженерное искусство. Многие задачи, стоящие перед человечеством в наступившем столетии, будут решены с применением уже известных законов к новым открытиям в области материальных наук. Например, более дешевые и эффективные солнечные батареи могут генерировать дешевую электроэнергию, которая могла бы значительно повысить уровень жизни в развивающихся странах. Физика всегда шла в авангарде научной мысли, и ключевые открытия ученых, такие, как рентгеновское излучение и транзисторы, оказывались полезными для всех.

Знание законов физики позволяет неспециалистам оценить влияние новых технологий и осознать значение новых научных открытий. Эта книга предлагает краткие сведения по ключевым идеям физики в доступной для всех форме. Ключевые идеи охватывают как новейшие передовые представления, так и основные понятия, знание которых необходимо для тех, кто хочет познакомиться с физикой; при этом описания понятны и не требуют глубоких математических познаний.

АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА

Вещество может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Некоторые вещества находятся в состоянии, которое трудно отнести к какому-то одному из вышеперечисленных.

Твердое тело имеет строго определенную форму и поверхность. Атомы и молекулы твердого вещества, имеющие межмолекулярные и межатомные связи, сохраняют свое положение относительно друг друга. Атомы совершают небольшие колебания относительно положений равновесия; при повышении температуры повышается и их энергия. При нагревании твердое тело начинает плавиться. Энергия, необходимая для плавления твердого тела, тратится на преодоление связей между атомами, удерживающих их в фиксированном положении относительно друг друга.

Жидкость имеет поверхность, может течь и принимает форму сосуда, в которую налита. Молекулы жидкости двигаются хаотично, не теряя контакта друг с другом.

Таким образом, доля частиц с достаточной кинетической энергией повышается по мере повышения температуры. Следовательно, при повышении температуры реактивов повышается скорость химической реакции.

Количество энергии, необходимое для активационного процесса, подобно энергетическому барьеру, не пропускающему частицы с недостаточной энергией. Для большого количества частиц при температуре Т их средняя кинетическая энергия равна kТ, где к — постоянная Больцмана. Количество частиц с достаточной кинетической энергией, способных преодолеть энергетический барьер Е, зависит от отношения E/kT. С повышением температуры это отношение уменьшается (другими словами, энергетический барьер понижается), и, следовательно, больше частиц могут «преодолеть» его. Еще один пример активационного процесса — испарение. Молекулы расходуют некоторое количество энергии на преодоление сил притяжения других молекул, чтобы покинуть поверхность твердого тела или жидкости. Поэтому скорость испарения повышается при повышении температуры вещества.

См. также статьи «Идеальные газы», «Температура».

АНТИВЕЩЕСТВО

Вещество состоит из частиц, а антивещество — из античастиц. Для каждого известного типа частиц существует соответствующий тип античастиц. Античастица имеет массу покоя, равную массе покоя соответствующей частицы. Ее заряд равен по величине и противоположен по знаку заряду частицы. Первой открытой античастицей был позитрон — античастица электрона.

Античастицы и соответствующие им частицы могут быть созданы двумя способами:

• фотон высокоэнергетического электромагнитного излучения в результате создания частицы и соответствующей ей античастицы прекращает свое существование, его энергия преобразуется в материю. Таким образом, происходит реакция: высокоэнергетический фотон —> электрон + позитрон;

• две частицы сталкиваются друг с другом со скоростью, приближающейся к скорости света, и создают частицу вместе с соответствующей античастицей.

Часть энергии столкновения при этом преобразуется в материю. Например, может происходить такая реакция: протон + протон —> протон + протон + протон + антипротон.

Чтобы высокоэнергетический фотон мог образовать частицу и античастицу, его энергия hf должна быть больше или равна общей энергии покоя частицы и античастицы (которая определяется формулой 2m0с2,где m0 — масса покоя частицы). При столкновении друг с другом частица и соответствующая ей античастица аннигилируют,[1] образуя в результате два фотона.

Галактики состоят из вещества, а не из антивещества. Астрономы предполагают, что Вселенная возникла около 12 миллиардов лет назад в результате Большого Взрыва и что энергия Большого Взрыва образовала частицы и античастицы. Возможно, что после охлаждения Вселенной частиц в ней стало больше, чем античастиц, поэтому все последние могли быть аннигилированы частицами, в результате чего образовывались фотоны. Причиной такой асимметричности мог послужить распад высокоэнергетической античастицы определенного типа, поскольку вероятность распада соответствующей ей частицы мала.

См. также статьи «Большой Взрыв», «Взаимодействия частиц», «Фотон».

АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ

Атомную энергию получают в результате деления урана-235. В высокотемпературных ядерных реакторах тепловыделяющие элементы (твэлы) из обогащенного урана-238 содержат около 2–3 % урана-235. При каждой реакции распада ядро урана-235 расщепляется на два осколка, испуская 2–3 нейтрона с кинетической энергией порядка МэВ. Разлетающиеся осколки имеют кинетическую энергию порядка 100 МэВ и больше, перенося ее к соседним атомам. Нейтроны деления не могут продолжить реакцию деления, если их не замедлить.

Тепловыделяющие элементы сконструированы так, что быстрые нейтроны покидают элемент и входят в окружающее его вещество — замедлитель. В результате упругих столкновений с ядрами замедлителя нейтроны деления теряют кинетическую энергию до тех пор, пока она не становится равной средней кинетической энергии ядер замедлителя. Нейтроны движутся в замедлителе хаотично, и те из них, которые попадают обратно в твэлы, продолжают реакцию деления, если их кинетическая энергия достаточна для этого. Таким образом, в активной зоне реактора реакция продолжается с постоянной скоростью, поддерживаемой поглотителями (замедлителями, графитовыми стержнями) излишних нейтронов. Только один из нескольких нейтронов, образовавшихся при делении ядра, продолжает реакцию.

Внутри герметичной стальной камеры, по которой протекает жидкость-теплоноситель, удаляющая избыток тепла из замедлителя, находится активная зона. Горячий теплоноситель, проходя через теплообменник, образует пар, который приводит в движение турбины, вырабатывающие электрический ток. Нейтроны, покидающие пределы активной зоны, поглощаются либо стенками стальной камеры, либо толстыми бетонными стенами, окружающими реактор. После отработки в атомном реакторе тепловыделяющие элементы очень радиоактивны, так как содержат много осколков с нейтронами и являются источником β-излучения. Кроме того, ядра урана-238 также поглощают нейтроны и становятся нестабильными, образуя цепь изотопов, в числе которых находится плутоний-239, источник γ- и β-излучения. Отработанные твэлы около года охлаждают в бассейнах выдержки, а затем перерабатывают, получая плутоний и неиспользованный уран.