Синтез и распад ядер атомов

Изучение типов взаимодействий привело физиков к осознанию процессов превращений ядер атомов. Этот процесс имеет место как в случае синтеза ядер, так и их распада. Причем каждый из этих разнонаправленных процессов представляет особый интерес в связи с необходимостью обеспечения человечества должными объемами полезной энергии. В качестве активных существ люди нуждаются в источниках энергии высокой мощности. Природные источники энергии не приготовлены специально для людей. Поэтому люди вынуждены сами изобретать такие источники энергии, которые они могли бы эффективно использовать в своих интересах.

После открытия А. Эйнштейном замечательной формулы Е₀ = тс² стало очевидно, что в любых телах сосредоточены огромные запасы энергии. Но они заключены в этих телах в связанном состоянии. Как же извлечь эти запасы, превратив их в действительно полезную энергию? Ответ на этот вопрос появляется после сравнения масс исходных и конечных продуктов процессов синтеза и распада ядер.

Рассмотрим для начала реакцию синтеза ядер атомов:

Если.

то, добиваясь синтеза ядер, пришлось затратить энергию. Но нас интересует процесс, при котором высвобождается энергия. В соответствии с законом сохранения энергии это имеет место, если.

Действительно, в соответствии с законом сохранения энергии должно выполняться равенство.

И^ыд — это энергия, которая выделилась в результате реакции синтеза ядер. Она уже не является энергией связи и, следовательно, может при случае использоваться человеком. В результате синтеза произошла известная перестройка нуклонов, в которой решающую роль играли частицы, обеспечивающие сильные взаимодействия. В данном случае нам необязательно входить в тонкости этих вопросов. Достаточно отметить, что синтез закончился выделением свободной для использования энергии. Она может быть представлена кинетической энергией ядер, обладающих массой m_v а также энергией мезмассовых частиц, например фотонов и нейтрино.

Сравнение масс ядер атомов показывает, что интересующая нас реакция синтеза характерна для ядер легких элементов, например для ядер водорода, гелия и трития. Так, в звездах при температуре Т< 1,5 • 10⁷ К в основном реализуется следующая цепь превращении, включающая протоны (}Н верхний индекс, стоящий у символа слева, означает число нуклонов, а нижний — число протонов, или атомный номер соответствующего химического элемента; нижний индекс при записи реакций легких элементов часто опускается), изотоп водорода дейтерий (²Я), гелий ^АНе и его изотоп ³Яе, а также позитроны е⁺, нейтрино (v) и гамма-лучи (у):

В конечном счете четыре протона образовали ядро атома гелия. При этом выделяется энергия 26,7 МэВ, которая уносится электромагнитным излучением и нейтрино.

Установлено, что в звездах синтез ядер легких элементов может происходить многими путями. Но для его осуществления с выделением свободной энергии необходима высокая температура. При этом осуществляется так называемый туннельный эффект. При сближении протонов между ними возникают значительные силы отталкивания. Расчеты показывают, что возникающий энергетический барьер преодолевается благодаря квантовым свойствам протонов. Они таковы, что протоны или другие ядра, участвующие в реакции синтеза, просачиваются через энергетический барьер. Без учета квантовой природы частиц невозможно было бы объяснить синтез легких элементов, в том числе в звездах, которые, как известно, излучают ежесекундно гигантские объемы энергии (для Солнца эта величина составляет 1,9 • 10²⁶ Дж/с).

На Земле добиться осуществления термоядерного синтеза непросто. Следует добиться выполнения целого ряда условий, в частности необходимой плотности плазмы и соответствующей температуры в течение по крайней мере нескольких минут. В этой связи большие надежды возлагаются на строящийся в 60 км от Марселя (Франция) Международный экспериментальный термоядерный реактор (ITER). Его запуск ожидается в 2020 г. Есть все основания ожидать к 2030 г. решающих успехов. Намечается осуществление реакции синтеза дейтерия с тритием (³Я), заканчивающейся образованием ядра гелия и свободного нейтрона On):

Обратимся теперь к распаду атомов:

На этот раз свободная энергия появится в случае выполнения следующего равенства:

Указанное условие выполняется в случае распада ядер тяжелых элементов, например ядра урана ²Щи (нижний индекс указывает число протонов), сопровождаемого образованием ядер бария и криптона:

На рис. 2.14 изображена схема цепной ядерной реакции. Вторичные нейтроны, взаимодействуя с ядрами урана, вызывают новые реакции, причем продукты распада являются другими. Тем не менее при каждом акте деления выделяется свободная энергия, приблизительно равная 200 МэВ. В основном она представлена кинетической энергией, вторичных ядер, массы которых соотносятся, как правило, в пропорции 2: 3. В качестве ядерного топлива наиболее часто используется ²fft/, но в урановой руде его доля составляет всего 0,7%. Специальными операциями производится обогащение урановой руды.

Содержание урана в урановой руде должно быть не менее 3,5%. Хорошим ядерным топливом наряду с ²||?/ является также ²д|С и плутоний ²ЦР1-

Рис. 2.14. Схема цепной ядерной реакции Исторический экскурс

Деление ядер урана было открыто О. Ганом и Ф. Штрассманом в 1938 г. Уже в 1942 г. в США была осуществлена первая цепная ядерная реакция (руководителем коллектива был Э. Ферми). В СССР такого же типа реакция — в 1946 г. (И. В. Курчатов). Атомная бомба представляет собой неуправляемую ядерную реакцию. Впервые ядерный взрыв был проведен США в 1945 г. Создателем атомной бомбы был Р. Оппенгеймер. В СССР — в 1949 г. Проект возглавлял И. В. Курчатов.

Здесь же можно вспомнить о водородной бомбе, взрыв которой впервые был осуществлен в СССР в 1953 г. Главным разработчиком «изделия», как часто называли в целях конспирации водородную бомбу, был А. Д. Сахаров. Американцы взорвали аналогичную бомбу в 1954 г. (автор Э. Теллер, при активном участии С. У лама).

В мирных целях управляемую ядерную реакцию впервые использовали в СССР. В г. Обнинске (106 км южнее Москвы) была введена в эксплуатацию первая в мире АЭС. Сейчас в мире на АЭС производится около 12% электрической энергии. Схема работы АЭС представлена на рис. 2.15.

Рис. 2.15. Схема работы атомной электростанции.

В данном параграфе значительное внимание было уделено вопросам электроэнергетики. Если в этой связи сравнить эффективность соответственно 1 кг дейтерия, урана и угля, то получается следующая пропорция: 1: 10 ²: 10~⁷. Не правда ли, есть над чем призадуматься.

Выводы

• • Некоторые типы синтеза и деления ядер атомов сопровождаются выделением энергии, которая может быть использована людьми.
• • У казанное выделение энергии объясняется законами квантовой теории поля.
• • Новейшие открытия в физике стимулируют исключительно эффективные пути развития энергетики.