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 k — постоянная Больцмана. Количество частиц с достаточной кинетической энергией, способных преодолеть энергетический барьер Е, зависит от отношения E/kТ. 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^[2], 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 шгутоний-239, источник γ- и β-излучения. Отработанные твэлы около года охлаждают в бассейнах выдержки, а затем перерабатывают, получая плутоний и неиспользованный уран.

См. также статьи «Деление ядер», «Радиоактивность».

АТОМЫ И МОЛЕКУЛЫ

Атом — мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. Элемент — вещество, которое невозможно разложить на составляющие. Если атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженными электронами, то атомное ядро — из протонов, которые имеют одинаковый электрический заряд, и нейтронов, не имеющих заряда. Масса протона приблизительно равна массе нейтрона, а масса электрона значительно меньше массы протона или нейтрона.

Электроны в атомах располагаются в оболочках, окружающих ядро. Энергия электрона, находящегося в оболочке, постоянна. Нулевая энергия электрона в атоме соответствует энергии электрона вне атома, поэтому в атоме энергия электрона отрицательна. Чем дальше расположена оболочка, тем выше энергия электрона в оболочке. Каждая оболочка может содержать определенное максимальное количество электронов. В нормальном, невозбужденном, состоянии электроны обладают наименьшей энергией. Причем чем ближе к ядру расположены электроны, тем ниже их энергия. Атомы могут объединяться в молекулы с помощью межатомных связей, образующихся при взаимодействии их внешних электронов. Каждый тип атома условно обозначают как ^A_ZХ, где X — химический символ элемента, Z — количество протонов, соответствующих атомному числу, а А — массовое число, соответствующее числу протонов и нейтронов, вместе взятых.

Изотопы — атомы одного и того же элемента, но с разным количеством нейтронов в ядре. Например, у водорода может быть три изотопа: ¹₁Н состоящий из одного протона и одного электрона; ²₁H, состоящий из одного протона и одного нейтрона в ядре и одного электрона; а также ³₁H, в ядре которого находятся два нейтрона. Изотопы элемента обладают различными физическими свойствами, потому что из-за разного числа нейтронов каждый тип атома имеет разную массу. Поскольку все они представляют один и тот же элемент, т. е. имеют одинаковое число протонов и электронов, они обладают одинаковыми химическими свойствами.

См. также статьи «Типы межатомных связей», «Энергетические уровни атомов».

БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ