Принцип действия водородной бомбы основан на реакции термоядерного синтеза. Термоядерные реакции синтеза, как правило, представляют собой процессы образования сильно связанных ядер из ядер с меньшей энергией связи и потому сопровождаются выделением энергии (избыточной кинетической энергии, равной энергии связи). Бомба названа водородной, потому что в ней во время термоядерных реакций синтеза происходит возникновение ядер гелия при соединении ядер изотопов водорода. Например при синтезе Трития и Дейтерия образовывается  17,6 МэВ энергии:
Эта энергия идет на приращение массы покоя частиц, участвующих в реакции, согласно формуле Эйнштейна:
Порядка 80% выделяющейся энергии уносят нейтроны – 14.1 МэВ. Остальные 20% энергии приходятся на альфа-частицы с энергией - 3,5 МэВ. При равных весовых количествах реагирующих веществ в реакции синтеза дейтерия и трития выделяется в четыре раза больше энергии, чем при делении ядра атома урана.
Основной трудностью осуществления реакции синтеза процесса связаны с кулоновским отталкиванием взаимодействующих заряженных частиц. Для его преодоления надо сообщить большую скорость частицам, следовательно, повысить их кинетическую энергию. Так как температура служит мерой средней кинетической энергии, то для преодоления кулоновского барьера надо нагреть реагирующее вещество. Оценим температуру, требующуюся для этого. Для сближения изотопов водорода на расстояние r= м необходимо затратить энергию
 ,
где  - постоянная Больцмана  ,
e= - элементарный заряд электрона, Кл.
Поэтому термоядерные реакции протекают при очень высоких температурах (порядка  К и выше). Без этого невозможно сближение ядер на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил, а, следовательно, и преобразование ядер, происходящее при термоядерных реакциях. Поэтому термоядерные реакции в природных условиях протекают лишь в недрах звёзд, а для их осуществления на Земле необходимо сильно разогреть вещество ядерным взрывом, мощным газовым разрядом, гигантским импульсом лазерного излучения или бомбардировкой интенсивным пучком частиц [2].
Основной величиной, характеризующей вероятность термоядерной реакции, есть её максимальное эффективное поперечное сечение. Эффективное сечение является мерой вероятности столкновения двух частиц и в простейшем случае определяется формулой для потока частиц, падающих на мишень и вступающих во взаимодействие с частицами мишени :
Здесь  -угол рассеяния,  число частиц, вылетевших под этим углом в единицу времени ( в секунду) в единичном телесном угле I - величина потока частиц А, падающих на мишень. n - полное число частиц в мишени, находящихся в пучке. Полное (или интегральное) эффективное сечение реакции является интегралом от по углу рассеяния:
Размерность эффективного сечения реакции - см2. Поскольку эффективные сечения процессов микромира в единицах см2 представляют собой очень малые величины, они измеряются, как правило, в единицах 1 барн, 1 б =10-24 см2. Сечение реакции дейтерия с тритием достигает максимальной величины (5 барн), когда взаимодействующие частицы имеют энергию относительного сближения порядка 108 кэВ. Это явление называется резонансом. Для процесса выделения энергии очень важна скорость термоядерных реакций. Термоядерные реакции происходят в результате парных столкновений между ядрами, поэтому число их в единице объёма в единицу времени равно
где  ,  — концентрации ядер 1-го и 2-го, v — относительная скорость сталкивающихся ядер (угловые скобки означают усреднение по скоростям ядер реагентов v), распределение которых в дальнейшем принимается максвелловским. Температурная зависимость скорости термоядерных реакций определяется множителем  В практически важном случае "не очень высоких" температур T... К, достижимых при ядерном взрыве, она может быть приближённо выражена в виде, одинаковом для всех термоядерных реакций. В этом случае относительные энергии Е сталкивающихся ядер, как правило, значительно ниже высоты кулоновского барьера (последняя даже для комбинации ядер с наименьшим зарядом z = 1 составляет 200 КэВ, что соответствует, по соотношению
где  K
Следовательно, вид s(v) определяется в основном вероятностью "туннельного" прохождения сквозь барьер, а не собственно ядерным взаимодействием. Результат имеет вид:
где const — постоянная, характерная для данной реакции, , — заряды сталкивающихся ядер,  их приведённая масса, е — заряд электрона, h — постоянная Планка, k — постоянная Больцмана [3].
|
Скачать 245.28 Kb.