Ядерные реакторы

Рис. 5. Кривая зависимости энергии связи от массового числа ядер. Наиболее сильно связанными, то есть самыми устойчивыми, являются ядра, имеющие среднее массовое число

Так как мы условились, что энергия связи определяется затраченной на удаление частицы работой, она является по существу отрицательной величиной. Увеличение энергии связи ядра приводит к более устойчивому его состоянию, то есть к уменьшению всей энергии ядра. Переход из менее устойчивого состояния в более устойчивое всегда сопровождается выделением энергии. Вспомните, какую работу совершает падающая с высоких гор вода или какое-нибудь нагретое тело при охлаждении.

При взгляде на кривую рисунка сразу бросается в глаза, что мы можем ожидать выделения энергии только в таких ядерных превращениях, в результате которых будут образованы самые устойчивые ядра — ядра средней величины, то есть при соединении (синтезе) легких ядер или при делении тяжелых.

Если бы нам удалось узнать энергию системы до и после ядерного превращения, мы могли бы определить величину выделяющейся при этом энергии.

Около пятидесяти лет тому назад выдающийся физик А. Эйнштейн установил закон взаимосвязи массы и энергии, который играет настолько большую роль в изучении ядерной физики, что его наравне с законами сохранения энергии и массы считают одним из основных законов природы. Этот закон может быть выражен очень простой формулой Е=тс², где т — масса вещества и с — скорость света, равная 300 тысячам километров в секунду, или с=3∙10¹⁰ см/сек.

Очевидно, из этого закона следует, что если какое-нибудь тело или частица приобретает или теряет энергию, то вместе с энергией приходит или уходит некоторое количество массы:

Величина знаменателя в этой формуле с²=9∙10²⁰ говорит о том, что нужно очень большое выделение энергии, чтобы мы могли заметить маленькое изменение массы, или, как его называют, дефект массы.

Например, в химической реакции образования воды выделяется довольно большая энергия, и можно утверждать, что масса молекулы воды меньше массы двух атомов водорода и одного атома кислорода. Но энергия, выделяющаяся в химических реакциях, все же недостаточно велика, чтобы мы даже очень точными приборами смогли обнаружить это различие в массах.

В ядерных же реакциях энергии выделяется в миллионы раз больше, чем в химических, и поэтому дефект массы, получающийся в различных ядерных реакциях, будет значительным. Если взвесить ядро какого-либо атома, то окажется, что его масса всегда меньше суммы масс протонов и нейтронов, составляющих это ядро.

Возьмем, например, ядро гелия. Оно состоит из двух протонов и двух нейтронов и весит 4,004[3]. Сумма же массы всех четырех частиц будет 4,034. Таким образом, дефект массы при образовании ядра гелия будет 0,03. Пользуясь формулой взаимосвязи массы и энергии, можно определить, какой энергии соответствует это уменьшение массы. И оказывается, что при образовании одного килограмма гелия дефект массы составляет 80 граммов. При этом выделяется энергия, равная примерно 4,47∙10²⁸ Мэв, или 1,7∙10¹¹ больших калорий, что равноценно теплу, получающемуся при сгорании 20 тысяч тонн угля.

Наибольшая энергия должна, очевидно, выделяться при образовании средних ядер. При образовании из протонов и нейтронов одного килограмма хрома выделяется энергия, равная 2,1∙10¹¹ больших калорий. Для подсчета энергии, выделяющейся при различных ядерных реакциях, можно также воспользоваться кривой графика рис. 5, которая вычислена из известных масс различных ядер.

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон для тяжелых ядер, примерно на 1 Мэв меньше, чем энергия связи средних.

Радиоактивный распад тяжелых элементов и определяется как раз тем обстоятельством, что ядра этих элементов менее устойчивы. Переход этих ядер в более устойчивое состояние всегда сопровождается выделением энергии. Так, при распаде одного грамма радия на ядра гелия и радона выделяется энергия, равная примерно 3,5∙10⁶ больших калорий. Но использовать эту энергию нельзя, так как радий распадается чрезвычайно медленно. За 1590 лет из одного грамма радия распадается только половина. Если бы можно было ускорить этот процесс, то энергии, выделяемой одним граммом радия, было бы достаточно, чтобы электрическая лампа мощностью 50 ватт могла гореть в течение семи лет. Однако физики пока еще практически не умеют влиять на скорость естественного радиоактивного распада радия.