Общий курс физики Том 3. Электричество - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
•s,\x\a0<.YB0lB. (88.5)
Если же угол а в некоторой точке достигает 90°, то частица начнет двигаться в обратном направлении, т. е. отразится. Явление напоминает полное отражение света в оптике. Точка, где произойдет отражение, определяется уравнением
sin = В0/В. (88.6)
6. В связи с изложенным уместно упомянуть о проблеме управляемых термоядерных реакций. Легкие атомные ядра при определенных условиях могут соединяться между собой с выделением энергии в несколько МэВ или десятков МэВ на каждую ядерную реакцию. Таковы, например, реакции соединения ядер дейтерия друг с другом или с ядрами трития. По энерговыделению такие реакции в миллионы раз превосходят обычные химические реакции. В естественных условиях они идут в недрах звезд, а искусственно осуществляются в водородных бомбах. Но в водородных бомбах реакции
синтеза атомных ядер носят взрывной, неуправляемый характер.
Заманчивой является идея, интенсивно разрабатываемая во всех передовых странах мира, придать этим реакциям спокойный, управляемый характер. Если бы это удалось сделать, то человечество получило бы практически неисчерпаемый источник энергии, так как запасы дейтерия на Земле достаточно велики. (На каждые 5000—6000 атомов водорода в Мировом океане приходится один атом дейтерия.) Для того чтобы легкие атомные ядра начали интенсивно реагировать друг с другом, вещество необходимо нагреть до температуры 10 кэВ и выше. При таких температурах вещество переходит в состояние полностью ионизованной плазмы, состоящей из элек-
АДИАБАТИЧЕСКИЙ ИНВАРИАНТ
397
тронов и голых атомных ядер. Плазму необходимо получить, нагреть, изолировать от стенок камеры, в которой она находится, удерживая ее в таком состоянии в течение времени, достаточного для того, чтобы большая часть ядер успела вступить в ядерные реакции. Для этой цели предлагались различные ловушки, в которых плазма должна удерживаться в течение необходимого времени магнитными полями.
Проблема управляемого термоядерного синтеза сначала начала разрабатываться в СССР в 1951 г., а затем в США и в других промышленно развитых странах. Сначала в качестве ловушки предполагалось использовать магнитное поле внутри тороидальной катушки (см. рис. 151). Такое поле вынуждает частицы плазмы двигаться вдоль магнитных силовых линий, имеющих форму коаксиальных окружностей, центры которых расположены на
геометрической оси тора. Однако тороидальное магнитное поле возрастает в направлении к указанной оси. Вследствие этого положительно заряженные частицы дрейфуют в направлении бинормали Ь, а отрицательно заряженные — в противоположном направлении. Плазма поляризуется, и возникает электрическое поле, направленное вниз (рис. 223). Теперь появляется электрический дрейф. Так как его направление не зависит от знака заряда частицы, то он приводит к тому, что плазма в целом отбрасывается к наружной стенке тороидальной камеры. В таком виде описанное устройство еще не может служить магнитной ловушкой. Мы не можем здесь входить в подробности, как этот «тороидальный дрейф» компенсируется в современных термоядерных установках — стел-лараторах и токомаках, из которых последние в настоящее время считаются наиболее перспективными при решении проблемы управляемого термоядерного синтеза.
Упомянем только о другой магнитной ловушке, основанной на идеях настоящего параграфа. Это — открытая ловушка, схема которой представлена на рис. 224. Магнитное поле создается прямолинейной катушкой. В центральной части ловушки оно почти однородно и равно В0. На краях с помощью дополнительных кату-
В
Рис. 223.
Рис. 224.
398
ДВІІЖЕНИЕ ЧАСТИЦ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЯХ
[ГЛ. V
шек магнитное пате усиливается до максимального значения В. Области усиленного магнитного поля называются магнитными зеркалами или магнитными пробками. Ловушка удерживает только такие частицы, которые удовлетворяют условию
sina0> \ГВ0/В. (88.7)
Такие частицы, отражаясь от магнитных зеркал, совершают финитное движение, пока из-за взаимодействия с другими частицами не нарушится условие (88.7). Если же угол а0 удовлетворяет условию
(88.5), то частицы ловушкой удерживаться не могут. Конус, определяемый уравнением (88.6), называется конусом потерь. Ловушка удерживает только такие частицы, направления движения которых (в области однородного поля) лежат в пределах «конуса потерь». Все прочие частицы уходят из ловушки.
Ограничимся этими отрывочными замечаниями. Управляемый термоядерный синтез — это большая нерешенная проблема, с которой можно ознакомиться по книге Л. А. Арцимовича «Управляемые термоядерные реакции».
7. Заметим в заключение, что земное магнитное поле играет роль магнитной ловушки космического масштаба, аналогичной открытой ловушке, изображенной на рис. 224. Магнитное поле Земли минимально на экваторе и максимально вблизи магнитных полюсов. Заряженная частица, если только направление ее движения не попадает в «конус потерь», будет совершать колебательное движение вдоль магнитной силовой линии, испытывая отражения вблизи магнитных полюсов и медленно дрейфуя в восточном или западном направлении. Частица окажется «запертой», поскольку ее движение ограничено определенной областью вокруг земного шара. Частицы высоких энергий постоянно образуются в верхних слоях атмосферы в результате ядерных реакций, происходящих под действием космических лучей. Некоторые из этих частиц покидают околоземное пространство, другие оказываются запертыми. Так образуются вокруг Земли радиационные пояса, обнаруженные в 1958 г. Ван-Алленом и С. Н. Верновым (р. 1910) в результате исследований, выполненных с помощью искусственных спутников. Эти исследования показали, что наша планета, помимо газообразной оболочки, окружена слоями заряженных частиц большой энергии, которые и называются радиационными поясами. По современным данным, существуют два электронных пояса и один протонный, в значительной степени перекрывающиеся между собой. Протонный и внутренний электронный пояса начинаются на высоте примерно 1000 км над земной поверхностью. Максимум концентрации протонного пояса удален от центра Земли примерно на три земных радиуса. Энергия протонов меняется примерно от 40 МэВ на внутренней границе пояса до 0,5 МэВ во внешних зонах. Максимум концентрации внутреннего электронного пояса удален от центра Земли при-
