Физика в технике

Что же представляют собой атомные ядра и каким образом происходит выделение внутриядерной энергии?

Как известно, атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, устойчиво соединяющихся в определенных соотношениях друг с другом. Самое легкое атомное ядро — ядро атома водорода — состоит из одного протона, ядро тяжелого водорода (дейтерия) — из протона и нейтрона (рис. 20).

_{Рис. 20. Схемы атомных ядер}

Чтобы сложное ядро существовало устойчиво, число нейтронов и протонов должно быть одинаковым у более простых ядер, но у тяжелых ядер число нейтронов должно превышать число протонов в определенном соотношении.

Протоны несут на себе положительные электрические заряды и поэтому отталкиваются друг от друга. Нейтроны нейтральны, и на них не действуют никакие силы (кроме силы тяжести). Все это справедливо только до тех пор, пока протоны и нейтроны находятся друг от друга на расстоянии, значительно превышающем их собственный диаметр. Если же эти частицы подходят очень близко друг к другу, возникают силы притяжения, во много раз превышающие электрическое отталкивание протонов и сжимающие протоны и нейтроны в очень плотное, и очень небольшое по своим размерам атомное ядро.

Известно, что энергия движения частиц вещества выражается температурой: чем больше энергия вещества, тем выше температура. Например, чтобы сблизить ядра атомов водорода, нужно нагреть водород примерно до сотни миллионов градусов. Если необходимое сближение достигнуто и ядерные силы начали действовать, энергия, выделяемая ядерными силами, покидает атомное ядро или в форме нескольких мощных фотонов, или в виде энергии движения одной или нескольких частиц, выброшенных из ядра.

Энергия, выделяющаяся при образовании атомных ядер химических элементов, настолько велика, что заметно уменьшает массу и вес ядра. По этому уменьшению массы можно очень, точно и сравнительно просто определять энергию образования атомных ядер всех известных видов.

Таким образом, атомные ядра с энергетической точки зрения напоминают молекулы. Так же как молекулы образуются из атомов, ядра образуются из нуклонов, т. е. из протонов и нейтронов. Энергия выделяется как при образовании молекул, так и при образовании атомных ядер. Прочность молекулы тем больше, чем больше энергии выделяется при ее образовании. Прочность атомного ядра также увеличивается при увеличении энергии его образования. При этом в обоих случаях подразумевают удельную энергию, отнесенную к единице массы.

Разница между молекулами и атомными ядрами, несмотря на рассмотренное сходство, все же чрезвычайно велика. Размеры ядер в сотни тысяч раз меньше размеров самых небольших молекул, хотя массы их отличаются сравнительно незначительно. По энергии образования атомные ядра превосходят молекулы в десятки и сотни миллионов раз.

Энергия образования атомного ядра, отнесенная к единице массы или к одному нуклону, зависит от атомного веса ядра, который выражается числам, равным числу нуклонов в ядре. При увеличении атомного веса энергия образования ядра (отнесенная к одному нуклону) сначала растет и достигает максимального значения для железа и смежных с ним химических элементов (рис. 21). Это объясняется тем, что при увеличении массы ядра число взаимодействующих частиц растет и их взаимное притяжение усиливается, поскольку каждую частицу-нуклон притягивают все остальные. Такое увеличение наблюдается при изменении атомного веса с 1 до 56 (железо).

При дальнейшем возрастании атомного веса размеры ядер становятся настолько значительными, что взаимное притяжение нуклонов снижается и энергия образования атомного ядра, отнесенная к одному нуклону, уменьшается при увеличении атомного веса от 56 (железо) до конца периодической системы элементов.

Существуют два различных способа получения ядерной энергии.

Во-первых, можно соединять легкие атомные ядра в более тяжелые (путь от водорода к железу). При этом, как правило, энергия, затраченная в процессе соединения легких ядер, будет меньше, чем энергия, выделяющаяся при образовании более тяжелого конечного ядра. Разность энергий выделится в виде энергии ядерной реакции.

_{Рис. 21. График зависимости энергии, выделяемой нуклоном при образовании ядра, от атомного веса (числа нуклонов)}

Во-вторых, можно «раздроблять» тяжелые ядра на более легкие. Это относится к ядрам — изотопов (разновидностей) урана и искусственно получаемого плутония.

Первый способ заключается в назревании легких химических элементов до очень высоких температур. Хорошо соединяются при температурах порядка десятков и сотен миллионов градусов ядра дейтерия (тяжелого водорода), образуя ядра гелия (рис. 22). Реакции такого типа называют термоядерными.