yavor2 (553175), страница 98
Текст из файла (страница 98)
Перевод вещества бомбы и такие условия, при которых может произойти неуправляемая цепная реакция, должен производиться максимально быстро. Для этой цели вначале ядерный заряд бомбы делится, например, на две части, каждая вз которых находится еще в условиях, когда реакция невозможна. В момент осуществления взрыва одна из половин заряда выстреливается и другую и при их соединении почти мгноненно происходит взрывная цепная реакция. 3. Взрывная реакция приводит к выделению колоссальной энергии.
Температура, развивающаяся при этом, достигает 10' градусов. Разрушительная сила бомбы, сброшенной на Хиросиму, была эквиналентна взрыву 20 000 тонн тринитротолуола. В поздних образцах атомного оружия разрушительная сила доиедена до эквивалента в сотни тысяч тонн и более.
Если к этому добавить, что прн атомном взрыве возникает огромное иоличество радиоактивных осколков деления, в том числе и весьма долго живущих, то станет очевидным, что ядерный взрыв представляет собой ужасную катастрофу. Тем большее значение приобретает та борьба, которую последоиательно проводит Советский Союз за запрещение нспользоиания ядерного оружия. й 82.12. Термоядерные реакции 1. Кроме реакции деления тяжелых ядер, существует еще один путь выделения ядерной энергии — синтез ядер гелия из ядер изотопов водорода. Водород имеет три изотопа: легкий водород, илн протий, с относительной атомной массой 1,008, тяжелый водород, или дейтерий, с атомной массой 2,015 и сверхтяжелый водород, илн тритий, с атомной массой 3,017.
Ядра этих изотопов называются соответственно протон, дейтрон (или дейтерон) и тритон и обозначаются:,Н' или,р',,Н' или,Р',,Н' или,Т'. Удельная энергия связи ядра гелия (з 80.4) значительно превышает удельную энергию связи ядер изотопов водорода. Поэтому при синтезе ядер гелия из водородных ядер будет выделяться энергия. Весьма эффективной в отношении выделения энергии является следующая реакция: ,1)'+,Т' —,Не'-)- и'. (82.! 3) Оказывается, что при этой реакции выделяется энергия, равная 17,6 МэВ. 2. Выделение энергии на один нуклон в реакции синтеза в несколько раз больше, чем при делении тяжелых ядер. Так, при делении ядер урана, как уже говорилось, выделяется энергия около 200 МэВ, что составляет на один нуклон 200/238 ж 0,85 МэВ.
В реакции.же (82.13) на один нуклон выделяется 17,6/5 ж 3,5 МэВ, т. е. в четыре раза больше. Еще ббльшая энергия выделяется при синтезе ядра гелия из четырех протонов: (82.13') 4,р' —,Не'+ 2„,,е'+2р',. В этой реакции выделяется энергия, равная 26,8 МэВ, т. е. выделение энергии на одну частицу составляет 26,8/4 = 6,7 МэВ. 3. Для осуществления реакции синтеза, для слияния легких ядер, нужно преодолеть потенциальный барьер, обусловленный кулоновским отталкиванием одноименно заряженных ядер. Оценим качественно высоту этого барьера. Для слияния ядер дейтронов их нужно сблизить вплотную, т. е. на расстояние между центрами, равное удвоенному радиусу ядра водорода, г ж 3 !О "м.
Для этого нужно совершить работу, равную электростатической потенциальной энергии ядер, находящихся на этом расстоянии друг от друга: (/=еЧ4пе,г. Подставив числа, найдем, что высота потенциального барьера составляет примерно О,! МэВ. Ядра дейтрона смогут преодолеть этот барьер, если при столкновении оии будут обладать соответствующей кинетической энергией. Средняя кинетическая энергия теплового движения дейтронов ('/, АТ) равна 0,1 МэВ и достаточна для преодоления потенциального барьера при Т = 2 10' К, т. е.
при температуре порядка миллиардов градусов. Это значительно больше температуры внутренних областей Солнца, которая оценивается примерно в !0' К. Из приведенных данных видно, что реакции синтеза ядер требуют нагрева до очень высоких температур. Поэтому эти реакции называются термоядерными. 4.
Однако термоядерные реакции синтеза могут происходить н при температурах меньших, чем 10' К. Дело в том, что скорости ядер распределены по закону Максвелла, н поэтому при темпера. туре, меньшей 10' К, например при Т ж 10" К, имеется некоторая 424 доля ядер, энергия которых превышает высоту потенциального барьера и которые, следовательно, могут начать реакцию синтеза. Частицы, находящиеся в <хвосте» максвелловского распределения при Т ж 10' К, имеют энергии порядка десятков килоэлектронвольт, что еще, однако, значительно ниже кулоновского барьера.
В ядерных реакциях заряженных частиц при обычных температурах вероятность туннельного проникновения сквозь кулоновскнй барьер при столкновении ядер невелика. Однако она очень быстро увеличивается с ростом энергии сталкивающихся частиц. Например, для двух ядер дейтерия эта вероятность при средней энергии частиц 1,7 кэВ (соответствующей температуре 2 10' К) превышает в 1О" раз вероятность туннельного слияния двух ядер дейтерия, обладающих средней энергией !7 эВ (Т =- 2 10' К). Температура 10' К оказывается достаточной для того, чтобы начала протекать термоядерная реакция за счет туннельного слияния ядер, находящихся в «хвосте» максвелловского распределения. Кроме того, благоприятную роль для протекания термоядерных реакций играет то обстоятельство, что с повышением температуры интенсивнее происходят столкновения ядер, находящихся иа <хвосте» максвелловского распределения, что способствует проникновению ядер друг в друга сквозь кулоновский потенциальный барьер.
5. Температура порядка 10' К характерна для центральной части Солнца. С другой стороны, спектральный анализ излучения Солнца позволяет установить, что в составе Солнца, как и в составе многих других звезд, имеется значительная часть водорода (около 80%) и гелия (до 20%). Углерод, азот н кислород составляют не более 1% массы звезд. Впрочем, если учесть, что масса Солнца колоссальна (1,99 10" кг), то на Солнце имеется достаточное количество этих газов. Сопоставление всех этих данных с условиями протекания термоядерных реакций привело к выводу, что термоядерные реакции должны происходить на Солнце и звездах и являться источником энергии, компенсирующим их излучение. Ежесекундно Солнце излучает энергию 3,8 10*' Дж, что соответствует уменьшению его массы покоя на 4,3 млн.
тонн. Полезно отметить, что удельное выделение энергии Солнца, т. е. выделение, приходящееся на единицу массы в одну секунду, оказывается прн этом весьма малым, всего 1,9 10 ' Вт!кг. Оно составлят лишь 1»» от удельного выделения энергии в живом организме в процессе обмена веществ. Малое удельное выделение Солнцем энергии за ! с обьясняет, почему мощность излучения энергии нашим светилом практически не изменилась за несколько миллиардов лет существования солнечной системы.
б. В 1938 г. было высказано предположение о возможном протекании термоядерных реакций на Солнце в форме так называемого протонно-протонного цикла. В одном из вариантов протонно-протонного цикла происходят, как считают, следующие реакции. Цикл начинается с соединения двух протонов с образованием дейтрона и 42х испусканием позитрона и электронного нейтрино: ,рг+ р~ — ~ ~Р'+ э,сч+ юте. Далее дейтрон реагирует с протоном, образуя ядро легкого изотопа гелия,Не', а избыток энергии выделяется в виде у-излучения: !)'-(-,р', Нез -~- у. Заметим, что позитрон, образовавшийся на первом этапе цикла, соединяясь с электроном плазмы, также дает у-излучение. С 1951 г.
считают, что наиболее вероятным продолжением цикла является соединение ядер гелия,Не' с образованием ядра,Не' (я-частицы) и двух протонов: ,Не'+,Не' —,Не'+ 2,р'. Результатом цикла является синтез водородных ядер в ядро гелия, сопровождающийся выделением энергии. 7. В 1939 г. Г. Бете рассмотрел цикл термоядерных реакций, называемый углерадно-азотным циклом или циклом Бегле. В этом цикле соединение ядер водорода в ядро гелия облегчается при помощи ядер углерода ,С", играющих роль катализаторов термоядерной реакции. Началом цикла является проникновение быстрого протона в ядро углерода,С" с образованием ядра неустойчивого радиоактивного изотопа азота,йм и с излучением у-кванта: ы + р 1 Я ы + у С периодом полураспада !4 мин в ядре,Х" происходит превращение (82.4),р' -~-,п' + ч,е' + р~ и образуется ядро изотопа углерода,С": ,1Ф~ .еС~в 1 +,со+от,'.
Приблизительно через каждые 2,7 млн. лет ядро,С", захватив протон, образует ядро устойчивого изотопа азота,Я": С +р--й) +у Спустя в среднем 32 млн. лет ядро,Ыы захватывает протон и превращается в ядро кислорода,О": ,1 ("+,р —,О-+ у. Неустойчивое ядро,О" с периодом полураспада 3 мин испускает позитрон и нейтрино и превращается в ядро,ЬР': аО~з ~ Хтз 1 + еа 1 оте ° Завершается цикл реакцией поглощения ядром,о(м протона и распадом его на ядро углерода,С" и а-частицу, происходящими приблизительно через !00 тысяч лет: ,ЬРз+,р',С" +,Не'.
Новый цикл начинается вновь с поглощения углеродом,С" протона, происходящего в среднем через 13 млн. лет. Отдельные реакции цикла отделены временами, которые с точки зрения земных масштабов времени являются непомерно большими. Однако нужно учесть, что этот цикл является замкнутым и непрерывно происходяи4им. Поэтому различные реакции цикла происходят на Солнце одновременно, начавшись в разные моменты времени. Результатом одного цикла является превращение четырех про тонов в ядро гелия с появлением двух позитронов и у-излучения, к которому следует добавить излучение, возникающее при слиянии позитронов с электронами плазмы. Количество энергии, выделяющейся на одно ядро гелия, составляет 26,8 МэВ. В пересчете на грамм-атом гелия это составляет 700 тыс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
