Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 108
Текст из файла (страница 108)
Ядерная энергия проявляется при л ю б ы х превращениях ядер. Рассмотрим в качестве примеров ядерные реакции а-частицы с бериллпем и азотом, с которыми мы познакомились в 9 2!8 н 220. В результате реакцнн (220.1) образуются ядро углерода и нейтрон ,'В е + ,'Не — г»»С -~- и. (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, превращение скрытой ядерной энер"ии в кинетическую. В реакции (218.1) г»Х + .,'Не — "О+ ',Н суммарная кинетическая энергия ядра кислорода ("„0) и протона (',Н), как оказывается, м е н ь ш е (на 1,2 МэВ) кинетической энергии а-частицы, вызывающей реакцию (ядро азота в начальный момент покоилось).
Таким образом, в этой реакции, наооорот, кинетическая энергия превращается в ядернуго; запас последней в продуктах реакции больше, чем в исходных ядрах. Ядерная энергия, переходягцая в кинетическую или обратно, может быть вычислена, если известны точные значения масс всех участ.
ву1оптих в реакции ядер. Действительно, по закону сохранения энергии «) Вместо термина «ядерная энергия» часто употребляют менее точный термин «атомная энергия». 559 приращение кинетической энергии равно убыли внутренней энергии ядер. Убыль же внутренней энергии, согласно закона Эйнштейна, равна разности масс покоя исходных и конечных продуктов реакции, умноженной на сз. Рассмотрим, например, реакиню (226.1). Массы частиц, участвующих в реакпия, приведены ниже: Масса 1, и. с. м.
Сумма масс, а. с. м. Частица 13,0189 13,0128 ',Ве сНе "С с я 9,0150 4,0039 12,0038 1,0090 Л!асса исходных частиц больше массы конечных продуктов на 13,0189 — 13,0128=0,006! а, е, м. В результате'реакции внутренняя энергия частиц уменьшается за**) 0,0061 930=5,7 МзВ. Как отмечалосзч прямые измерения показывают, что кинетическая энер- гия продуктов реакции как раз на такую величину (5,7 МэВ) превосхо- дит кинетическую энергию исходных ндер. Мы имеем здесь еще одно до- казательство справедливости соотношения Ес= те'. Ядерная энергия подобна химической в том отношении, что оба вида энергии проявляются в процессах и р е в р аще н и я ч а ст и ц.
Химическая энергия проявляется в процессах превращения молекул (т. е. в химических реакциях), ядерная энергия — в процессах превращения атомных ядер (т. е. в ядерных реакциях). Между ядерной и химической энергиями существует резкое различие в масштабе. Энергия химических реакций измеряется электронвольтами (так, например, при горении углерода освобождается энергия 4,! эВ на молекулу СОс). Энергия ядерных превращений измеряется уже не электронвольтами, а м е г аз л е к т р о н в о л ь т а м и, т.
е. по порядку величины *) В первых трех строчках этой таблицы, как принято, приведены массы покоя нейтральных атомов. Они получены из измерений с масс-спектрометрами. Числа электронов в правой и левой частях уравнения ядерной реакпии равны. Поэтому при вычислении разностей электронные массы сокращаются, и мы получаем разности масс ядер. ") Энергия покоя, приходящаяся иа одну атомную единицу массы, равна 930 МэВ: 1 а. е. м. си=1,66 !О-з'(3.10')з=! 49.10-га Дж= =1,49 10-гс!(1,6 10 гс) эВ 93 10иэВ=930МэВ. она в миллион раз больше. Большой масштаб энергии ядерных процессов обусловлен громадной величиной ядерных сил (см. 5225). 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 превращается в конечном счете в тепло. Радиоактивное тепло имеет важное геологическое значение: распад содержащихся в земной коре урана, торня и калия является тем источником энергии, который обеспечивает высокую температуру в недрах Земли.
Однако значение естественной радиоактивности как технического источника энергии ничтожно: все сколько-нибудь распространенные на Земле радиоактивные элементы распадаются слишком медленно, и способов ускорить их распад пока не существует.
В отличие от радиоактивности при ядерных реакциях скорость выделения энергии может изменяться в широких пределах, а выделяемая энергия достигать грандиозных величин. Ядерные реакции являются единственным из известных источников, обладающих достаточным запасом энергии, чтобы поддерживать лучеиспускание звезд в течение всего времени их существования, т. е. миллиарды лет. Как показывают астрофизические данные, в недрах звезд господствуют температуры, измеряемые миллионами и десятками миллионов градусов.
Прн таких температурах атомы почти полностью ионизованы; вещество находится 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 заряженных ядер, между ними происходят столкновения, приводящие к ядерным реакциям. При достаточно высокой начальной температуре звезды число реагирующих ядер будет очень велико.
Приток освобождающейся ядерной энергии покроет потери энергии на световое излучение, и звезда не будет остывать илв даже будет нагреваться. 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 использованы способные реагировать ядра. 561 «Ядерным горючим» могут служить бериллий в сочетании с гелием (реакция (226.!)), литий, тяжелый водород и другие вещества. Но все эти вещества содержатся в звездах в относительно малых количествах и могут являться источником энергия только на отдельных сравнительно коротких этапах эволюции звезды. В вастоящее время принимается, что основным «ядерным горючнмл, способным обеспечивать звезды энергией в течение многих миллиардов лет, является водород.
Водород — главная составная часть звездного вещества. Опыты и теория ядерных реакцвй показывает, что путем нескольких псследова. тельных ядерных реакций водород способен превращаться в гелий. Суммарный результат этих реакций выражается уравнением 4(Н ~»Не+ 2е ' + 2», т. е. четыре протона образуют ядро гелия, два позитрона и два нейтрино. При зто»1 выделяется энергая (с учетом аннигиляции позитронов) около 27 5(эВ, т.
е. около 650 миллиардов джоулей на о д и н г р а м и водорода(!). Превращение водзрота в гелий служит по совреченныч представлениям истопнице»~ энергии заезд, в том числе и нашего Солнца. Нетруд. но подсчи тать, что расход водорода Солнцем за (00 лет составляет всего лишь около одной »1иллнардиой доли кассы Солнца"). Ядерную реакцию, идущую за счет высокой температу. ры среды, называют т е р и о я д е р н о й. Встает вопрос, как <поджигаются» термоядерные реакции в звездах. Вероятной причиной первоначального нагрева, «поджигающего» реакцию, является сжатие звездного вещества под действием сил тяготения, т. е. превращение потенциальной энергии тяготения во внутреннюю энершпо.
Освобождение больших количеств ядерной энергии в земных условиях долгое время казалось вряд ли достижимой мечтой. Способы получения огромных температур (миллионы градусов), необходимых для «поджнгания» термоядерной реакции, не были тогда известны. Использование же частиц, ускоренных ускорителями, не сулило перспектив. Как отмечено в 2 219, быстрые заряженные частицы при движении в среде расходуют энергию на ионизацию и возбуждение атомов и вызывают ядерные реакции лишь с малой вероятностью. Ввиду этого затрата энергии на предварительное ускорение частиц превосходит выигрыш энергии от ядерной реакции. Положение коренным образом изменилось, когда в 1939 г. изучение свойств нейтронов увенчалось открытием новой ядерной реакции — реакции деления атомных ядер, установленной немецкими физиками Отто Ганом (1879 †19) и Фрицем Штрассманом (1909 †19).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
