Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика

562

Гл. XXIV. Атомные ядра и ядерная энергия

Если в ядре слишком много нейтронов, то один из нейтронов

превращается в протон, т. е. ядро распадается с испусканием

электрона (пример:

10

4

Be

→

10

5

B + e

−

+ ν). Напротив, если в ядре

избыток протонов, то один из протонов превращается в нейтрон,

испуская позитрон (пример:

10

6

C

→

10

5

B + e

+

+ ν).

Поскольку ядерные частицы — протоны и нейтроны — прочно

удерживаются в ядрах, между ними должны действовать с и л ы

п р и т я ж е н и я. Эти силы должны быть достаточно велики,

чтобы противостоять грандиозным силам взаимного электроста-

тического отталкивания протонов, сближенных на расстояние

порядка размеров ядра (10

−

14

–10

−

15

м). Особые силы, возни-

кающие при сближении ядерных частиц (протонов, нейтронов)

на малые расстояния и связывающие эти частицы в ядра,

получили название ядерных сил

1

).

С действием ядерных сил мы встречались уже при изучении

захвата медленных нейтронов ядрами (§ 221). Ядерные силы

проявляются и во всех других ядерных процессах — при ядер-

ных реакциях и в явлениях радиоактивности. Хотя в настоящее

время многие свойства ядерных сил подробно изучены, точные

законы их действия все еще не выяснены. Установление этих

законов является одной из центральных задач современной атом-

ной физики.

§ 226. Ядерная энергия. Источник энергии звезд. На протя-

жении курса физики мы познакомились с различными формами

энергии, способными превращаться друг в друга. Сюда относятся

кинетическая энергия движущихся тел, потенциальная энергия

тел в поле сил тяготения, энергия электромагнитных полей,

внутренняя энергия тел и т. д. Изучение ядерных превращений

свидетельствует о существовании еще одной формы энергии —

так называемой ядерной энергии

2

). Ядерная энергия — это

энергия, запасенная в атомных ядрах и переходящая в другие

виды энергии при ядерных превращениях — при радиоактив-

ном распаде ядер и ядерных реакциях. Ядерная энергия прояв-

ляется при л ю б ы х превращениях ядер.

Рассмотрим в качестве примеров ядерные реакции α-частицы

с бериллием и азотом, с которыми мы познакомились в § 218

1

) Как показывает изучение ядер, ядерные силы притяжения действуют

между любой парой частиц — двумя протоками, двумя нейтронами и протоном

и нейтроном (подробнее см. § 232).

2

) Вместо термина «ядерная энергия» часто употребляют менее точный

термин «атомная энергия».

Гл. XXIV. Атомные ядра и ядерная энергия

563

и 220. В результате реакции (220.1) образуются ядро углерода и

нейтрон

9

4

Be +

4

2

He

→

12

6

C + n.

(226.1)

Измерения показывают, что кинетическая энергия продуктов

этой реакции б о л ь ш е (на 5,7 МэВ) кинетической энергии

исходных ядер. В этой реакции происходит, следовательно, пре-

вращение скрытой ядерной энергии в кинетическую.

В реакции (218.1)

14

7

N +

4

2

He

→

17

8

O +

1

1

H

суммарная кинетическая энергия ядра кислорода (

17

8

О ) и про-

тона (

1

1

Н), как оказывается, м е н ь ш е (на 1,2 МэВ) кинети-

ческой энергии α-частицы, вызывающей реакцию (ядро азота

в начальный момент покоилось). Таким образом, в этой реак-

ции, наоборот, кинетическая энергия превращается в ядерную;

запас последней в продуктах реакции больше, чем в исходных

ядрах.

Ядерная энергия, переходящая в кинетическую или обратно, может

быть вычислена, если известны точные значения масс всех участву-

ющих в реакции ядер. Действительно, по закону сохранения энергии

приращение кинетической энергии равно убыли внутренней энергии

ядер. Убыль же внутренней энергии, согласно закона Эйнштейна, равна

разности масс покоя исходных и конечных продуктов реакции, умно-

женной на

c

2

. Рассмотрим, например, реакцию (226.1). Массы частиц,

участвующих в реакции, приведены ниже:

Частица Масса

1

), а. е. м. Сумма масс, а. е. м.

9

4

Be

9,0150

13,0189

4

2

He

4,0039

12

6

C

12,0038

13,0128

n

1,0090

Масса исходных частиц больше массы конечных продуктов на

13,0189

−

13,0128

=

0,0061 а. е. м. В результате реакции внутренняя

1

) В первых трех строчках этой таблицы, как принято, приведены м а с-

с ы п о к о я н е й т р а л ь н ы х а т о м о в. Они получены из измерений

с масс-спектрометрами. Числа электронов в правой и левой частях уравнения

ядерной реакции равны. Поэтому при вычислении разностей электронные мас-

сы сокращаются, и мы получаем разности масс ядер.

564

Гл. XXIV. Атомные ядра и ядерная энергия

энергия частиц уменьшается на

1

)

0,0061

·

930

=

5,7 МэВ

.

Как отмечалось, прямые измерения показывают, что кинетическая

энергия продуктов реакции как раз на такую величину (5,7 МэВ)

превосходит кинетическую энергию исходных ядер. Мы имеем здесь

еще одно доказательство справедливости соотношения

E

0

= mc

2

.

Ядерная энергия подобна химической в том отношении, что

оба вида энергии проявляются в процессах п р е в р а щ е н и я

ч а с т и ц. Химическая энергия проявляется в процессах пре-

вращения молекул (т. е. в химических реакциях), ядерная энер-

гия — в процессах превращения атомных ядер (т. е. в ядерных

реакциях). Между ядерной и химической энергиями существу-

ет резкое различие в масштабе. Энергия химических реакций

измеряется электронвольтами (так, например, при горении уг-

лерода освобождается энергия 4,1 эВ на молекулу CO

2

). Энер-

гия ядерных превращений измеряется уже не электронвольтами,

а м е г а э л е к т р о н в о л ь т а м и, т. е. по порядку величины

она в м и л л и о н р а з б о л ь ш е. Большой масштаб энергии

ядерных процессов обусловлен громадной величиной я д е р н ы х

с и л (см. § 225).

Ядерные превращения, в которых запасы скрытой ядерной

энергии переходят в другие виды энергии, играют большую роль

в природе, а с 40-х годов нашего века и в технике. Простейшие

из таких превращений — это явления радиоактивного распада.

Как отмечалось в § 215, энергия радиоактивных излучений пре-

вращается в конечном счете в тепло. Радиоактивное тепло имеет

важное геологическое значение: распад содержащихся в земной

коре урана, тория и калия является тем источником энергии,

который обеспечивает высокую температуру в недрах Земли. Од-

нако значение естественной радиоактивности как технического

источника энергии ничтожно: все сколько-нибудь распростра-

ненные на Земле радиоактивные элементы распадаются слишком

медленно, и способов ускорить их распад пока не существует.

В отличие от радиоактивности при ядерных реакциях ско-

рость выделения энергии может изменяться в широких пределах,

а выделяемая энергия достигать грандиозных величин. Ядер-

ные реакции являются единственным из известных источников,

1

) Энергия покоя, приходящаяся на одну атомную единицу массы, равна

930 МэВ:

1 а. е. м.

· c

2

= 1,66 · 10

−

27

· (3 · 10

8

)

2

= 1,49 · 10

−

10

Дж =

= 1,49 · 10

−

10

/(1,6

· 10

−

19

) эВ = 9,3 · 10

8

эВ = 930 МэВ.

Гл. XXIV. Атомные ядра и ядерная энергия

565

обладающих достаточным запасом энергии, чтобы поддерживать

лучеиспускание звезд в течение всего времени их существо-

вания, т. е. миллиарды лет. Как показывают астрофизические

данные, в недрах звезд господствуют температуры, измеряемые

миллионами и десятками миллионов градусов. При таких темпе-

ратурах атомы почти полностью ионизованы; вещество находит-

ся в состоянии, называемом плазмой, т. е. представляет собой газ

из электронов и «голых» атомных ядер, хаотически движущихся

с огромными скоростями. Скорости хаотического движения так

велики, что, несмотря на электрическое отталкивание заряжен-

ных ядер, между ними происходят столкновения, приводящие

к ядерным реакциям.

При достаточно высокой начальной температуре звезды чис-

ло реагирующих ядер будет очень велико. Приток освобожда-

ющейся ядерной энергии покроет потери энергии на световое

излучение, и звезда не будет остывать или даже будет нагре-

ваться. В этом случае ядерная реакция, начавшись, обеспечивает

условия для своего продолжения (т. е. поддерживает высокую

температуру среды). Она будет продолжаться поэтому, пока не

истощится запас «ядерного горючего», т. е. пока не будут исполь-

зованы способные реагировать ядра.

«Ядерным горючим» могут служить бериллий в сочетании с гелием

(реакция (226.1)), литий, тяжелый водород и другие вещества. Но все

эти вещества содержатся в звездах в относительно малых количествах

и могут являться источником энергии только на отдельных сравнитель-

но коротких этапах эволюции звезды. В настоящее время принимается,

что основным «ядерным горючим», способным обеспечивать звезды

энергией в течение многих миллиардов лет, является водород.

Водород — главная составная часть звездного вещества. Опыты

и теория ядерных реакций показывает, что путем нескольких последо-

вательных ядерных реакций водород способен превращаться в гелий.

Суммарный результат этих реакций выражается уравнением

4

1

1

H

→

4

2

He

+

2

e

+

+

2

ν

,

т. е. четыре протона образуют ядро гелия, два позитрона и два нейтри-

но. При этом выделяется энергия (с учетом аннигиляции позитронов)

около 27 МэВ, т. е. около 650 миллиардов джоулей на о д и н г р а м м

в о д о р о д а (!).

Превращение водорода в гелий служит по современным представле-

ниям источником энергии звезд, в том числе и нашего Солнца. Нетруд-

но подсчитать, что расход водорода Солнцем за 100 лет составляет

всего лишь около одной миллиардной доли массы Солнца

1

).

1

) Энергия, излучаемая Солнцем, принята равной 3,8

· 10

26

Дж/с, масса

Солнца равна 2,0

· 10

30

кг.

566

Гл. XXIV. Атомные ядра и ядерная энергия

Ядерную реакцию, идущую за счет высокой температуры

среды, называют т е р м о я д е р н о й. Встает вопрос, как «под-

жигаются» термоядерные реакции в звездах. Вероятной причи-

ной первоначального нагрева, «поджигающего» реакцию, явля-

ется сжатие звездного вещества под действием сил тяготения,

т. е. превращение потенциальной энергии тяготения во внутрен-

нюю энергию.

Освобождение больших количеств ядерной энергии в земных

условиях долгое время казалось вряд ли достижимой мечтой.

Способы получения огромных температур (миллионы градусов),

необходимых для «поджигания» термоядерной реакции, не были

тогда известны. Использование же частиц, ускоренных ускори-

телями, не сулило перспектив. Как отмечено в § 219, быстрые

заряженные частицы при движении в среде расходуют энергию

на ионизацию и возбуждение атомов и вызывают ядерные реак-

ции лишь с малой вероятностью. Ввиду этого затрата энергии на

предварительное ускорение частиц превосходит выигрыш энер-

гии от ядерной реакции.

Положение коренным образом изменилось, когда в 1939 г.

изучение свойств нейтронов увенчалось открытием нозой ядер-

ной реакции — реакции деления атомных ядер, установленной

немецкими физиками Отто Ганом (1879–1968) и Фрицем Штрас-

сманом (1902–1980).

жүктеу/скачать 6,71 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: