Проблема физики и химии антивещества: возможности исследования свойств, поиска во вселенной, синтеза и применений (стр. 3 )

В случае, если сближение ядер происходит «очень медленно», так что соблюдается адиабатичность, то есть v/Rc < ΔE, где v - скорость ядра, то при сближении осуществлялись бы только состояния без пар и рождение позитронов было бы невозможным. Например, относительная скорость двух ядер урана с энергией, достаточной для сближения до критического расстояния Rc

, (1)

где

Из выражения (1) можно заключить, что адиабатичность не выполняется и в процессе сближения смешиваются все три состояния. Для случая сильной неадиабатичности вес каждого из состояний равен 1/3. При достаточно большой начальной энергии ядер должны испускаться шесть различных по энергии и интенсивности линий. Трудность экспериментальной проблемы рождения позитронов заключается прежде всего в получении «голых» ядер урана, то есть полностью ионизованных атомов урана. Этого можно достичь двумя способами: 1)получение высокотемпературной «тяжелой» плазмы, состоящей из полностью ионизованных атомов урана (то есть голых ядер) и из электронов и 2)получение «голых» ядер урана на ускорителях заряженных ионов (частиц). Обе проблемы неимоверны сложны, особенно вопрос о получении высокотемпературной «тяжелой» плазмы и ее удержания магнитным полем. Но, по-видимому, в недалеком будущем этот вопрос может быть решен положительным образом. В такой плазме речь идет уже не о проблеме термоядерного синтеза, а о проблеме рождения позитронов при столкновениях тяжелых ядер. Получающиеся позитроны уходят из точки рождения и аннигилируют с электронами плазмы и отчасти с «рабочим веществом» стенок плазменного реактора. Электроны же, оставшиеся на К-оболочке и последующий процесс ионизации может осуществляться непрерывно.

Каким же может видится принципиальная схема позитронного аннигиляционного двигателя? Основой такого двигателя, как следует из вышесказанного, должен явиться «позитронный» реактор с тяжелой высокотемпературной плазмой (Z = Z1 + Z2 > Zc), системой ее получения и удержания. Рожденные при столкновениях голых тяжелых ядер позитроны аннигилируют на электронах плазмы и рабочего вещества стенок реактора с испусканием преимущественно двух аннигиляционных фотонов с энергиями 0,511 МэВ и выше. Естественно, что это излучение может иметь изотропный характер по направлениям. Тогда часть аннигиляционных фотонов будут отдавать энергию на ионизацию и возбуждение атомов стенок реактора и теплоносителя, входящего в контур преобразователя тепловой энергии в электрическую (за счет энергии фотонов) с целью получения и удержания тяжелой высокотемпературной плазмы.

Примерно четверть аннигиляционных фотонов в свою очередь могут быть использованы для создания реактивной тяги, обусловленной выходом фотонов через заднее рабочее сопло позитронного аннигиляционного двигателя.

Такова в общих чертах идея одного из видов позитронного аннигиляционного двигателя. Конечно, для реального воплощения этой идеи, по-видимому, очень далеко. Но такого рода идея проекта фотонного двигателя очень заманчива и привлекательна, ибо такого рода фотонные двигатели возможно смогут решить мечты человечества о межзвездных путешествиях.

Получение интенсивных потоков позитронов и их применение

В последние годы наблюдается интенсивное развитие позитроники различных веществ и их состояний. Интерес к изучению позитроники не случаен. Он связан, с одной стороны, с фундаментальными проблемами физики: рождением и эволюцией вселенной и/или вселенных, позитронной астрофизикой, взаимодействием вещества и антивещества, с изучением новых модификаций комплексов Уилера в веществе; с другой стороны, с поиском новых уникальных методов исследования электронной структуры и некоторых физико-химических характеристик вещества (в том числе и твердых тел) в дополнение к уже существующим методам (оптическим, электрическим, магнитным и другим методам), а также возможностей построения приборов и устройств, работающих на основе эффектов взаимодействия излучения с веществом. В связи с чем особый интерес представляет проблема получения пучков позитронов, суть которой излагается ниже

О проблеме получения интенсивных потоков позитронов

В ряде работ обсуждались и были предложены и реализованы методы получения достаточно интенсивных пучков медленных позитронов от радиоактивных источников 22Na, 64Cu и т. д., получения позитронов с использованием ускорителей заряженных частиц [55]. Особый интерес представляет возможность получения интенсивных потоков позитронов при перестройке физического вакуума в сильных полях [32,33]. При этом использование и действие позитронных потоков на технически важные материалы представляет серьезную самостоятельную проблему [55-59].

Особенности действия позитронной радиации на материалы

При воздействии интенсивных потоков позитронов участки облучения резко обедняются электронами, что приводит к нарушению электронейтральности в больших масштабах. Этот эффект естественно приводит к разлетанию ионов облученного позитронами вещества. Можно дать даже особый термин этому явлению – «аннигиляционное испарение вещества». Так как время жизни позитрона относительно аннигиляции составляет величину порядка 0,1 нс, то и процесс аннигиляционного испарения вещества должен протекать примерно за тот же период времени Использование резко сфокусированных пучков позитронов большой интенсивности, следовательно, имело бы большие технические применения..

Об аннигиляционных позитронных гразерах

При наличии интенсивных потоков позитронов привлекательным становится вопрос о создании аннигиляционных гразеров за счет индуцированном перехода 3S1→1S0. Здесь 1S0 – состояние синглетного атома позитрония в парасостоянии. Роль состояния с отрицательной температурой здесь играет атом позитрония в триплетном 3S1 состоянии, время жизни которого относительно трехквантовой аннигиляции составляет величину 1,4·10-7 с. Спектр гамма-излучения такого атома непрерывен. Время жизни парапозитрония относительно двухквантовой аннигиляции составляет величину 1,25·10-10. При этом испускается когерентное гамма-излучение с энергией порядка 0,51 МэВ, теория которого была разработана Летоховым [60]. Таким образом, техническая реализация аннигиляционных позитронных гразеров связана с получением больших количеств атома позитрония в 3S1 состоянии.

Об использовании энергии аннигиляции для передачи информации в космическом пространстве

Отмечалось [58,59], что проблема сбора, хранения и использования аннигиляционных источников энергии очень сложна и может осуществиться лишь в отдаленном будущем. Однако проблема сбора и хранения антивещества в небольших количествах и последующего его применения в электронике не очень фантастична и может быть решена уже в недалеком будущем. Обсудим, какие же пути возможны для создания электроники в диапазоне длин волн порядка 0,01 Å и менее.

В качестве источника передающего сигнала в электронике прежде всего могут быть использованы аннигиляционные гамма-кванты с энергией 0,511 МэВ, получающегося в результате аннигиляции парапозитрония, который аннигилирует двухквантовым образом, и энергия гамма-квантов для теплового позитрония равна почти строго 0,511 МэВ, то есть парапозитроний может служить монохроматическим источником жестких аннигиляционных гамма-квантов, способных проникать в космическое пространство на далекие расстояния, практически не теряя своей энергии. Кроме того, в случае передачи информации при помощи аннигиляционных гамма-квантов облегчаются условия их детектирования приемниками излучения и последующего их усиления.

Для получения передающих сигналов может быть в принципе также использован и протоний – водородоподобный атом, состоящий из протона и антипротона. Выше уже отмечали, что основными продуктами распада протония являются - мезоны и - мезоны. Энергия распада гамма-квантов от распада - мезонов на самом деле значительно размазана и получение монохроматических гамма-квантов такой энергии представляет собой трудную задачу. Но здесь следует отметить то обстоятельство, что эти гамма-кванты могут быть использованы для получения позитронов. Позитроны также получаются в каскадном многостадийном распаде - мезонов.

В заключение отметим, что использование энергии аннигиляции в электронике уже дает право постановки в рабочем порядке рассматриваемой проблемы и ее теоретического обоснования. Практическая же реализация этой проблемы естественно связана с прогрессом ядерной физики и физики высоких энергий, особенно физики элементарных частиц.

О проблеме использования антиводорода в космической технике будущего

Проблемы особенностей свойств антивещества и его взаимодействия с обычным веществом несомненно является одной из фундаментальных задач, стоящих перед Человечеством, ибо получение энергии при аннигиляции вещества и антивещества осуществляется с максимально возможным к. п.д.[58]. Возможно, что будущие межзвездные космические корабли, по-видимому, будут оснащены в первую очередь аннигиляционными двигателями, если не появятся более эффективные источники получения энергии. Идеальным аннигиляционным «топливом» несомненно может служить антиводород. История развития человеческой цивилизации показывает, что сколь бы не трудна и даже фантастична ни была задача осуществления тех или иных проектов (в частности и получения антиводорода), она в конце концов решается в процессе научного познания законов мироздания и развития технологий.

В настоящее время проводятся теоретические и экспериментальные исследования процесса аннигиляции антипротонов [58,59] и особенно интенсивно аннигиляции позитронов в веществе, в материалах космической техники и галактической среде с низкой плотностью [61-63]. Эти данные несомненно сыграют свою роль при решении проблем взаимодействия вещества и антивещества в будущем. Уже сейчас установлено, что в плотных средах антипротоны и позитроны замедляются практически до тепловых скоростей. В процессе замедления могут образовываться водородоподобные атомы: протоний (система, состоящая из протона и антипротона) и позитроний (связанная система, состоящая из электрона и позитрона). Тепловые позитроны и позитроний, вступая во взаимодействие с атомами вещества, во-первых, претерпевают процессы упругого и неупругого рассеяния, во-вторых, могут давать связанные состояния на атомах.