Радиоактивные изотопы и их применение

В качестве единицы энергии в атомной физике принят электрон-вольт (эв) — кинетическая энергия, приобретенная электроном при прохождении им электрического поля с разностью потенциалов 1 вольт. Используются также более крупные единицы: 1 килоэлектрон-вольт (Кэв), равный 1000 эв, и 1 мегаэлектрон-вольт (Мэв), равный 1 000 000 эв[6]. В лабораторных условиях большая энергия заряженных частиц, необходимая для осуществления ядерных реакций, может быть получена в специальных установках, называемых ускорителями.

Оказывается, что полная энергия связи ядра тем больше, чем больше нуклонов в ядре. Энергия же связи, приходящаяся на один нуклон, изменяется неравномерно, что видно из приводимой ниже таблицы. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, больше всего у элементов, расположенных в середине периодической системы элементов Менделеева, таких, например, как криптон. У более тяжелых элементов она становится меньше. Она велика у гелия и мала у лития и дейтерия.

Изотоп	Масса изотопа	Сумма масс нейтронов и протонов[7]	Разность масс	Полная энергия связи в миллионах электрон-вольт	Число нуклонов в ядре	Масса, приходящаяся на 1 нуклон	Средняя энергия связи нуклона в миллионах электрон-вольт
1	2	3	4	5	6	7	8
1H2	2,01470	2,01705	0,00235	2,18	2	1,00735	1,09
1H3	3,01700	3,02598	0,00898	8,33	3	1,00567	2,78
2Не4	4,00390	4,03419	0,03029	28,20	4	1,00098	7,05
3Li6	6,01697	6,05131	0,3431	31,92	6	1,00283	5,32
5В10	10,01618	10,08539	0,06921	64,4	10	1,00162	6,44
8O16	16,0000	16,1361	0,13661	128,16	16	1,00000	8,01
10Ne20	19,99877	20,17043	0,17186	154,4	20	0,99991	7,72
30Kr82	81,939	82,695	0,756	712,58	82	0,9993	8,69
78Pt196	196,039	197,690	1,651	1536,64	196	1,0002	7,84
93Bi209	209,057	210,232	1,175	1623,93	209	1,0003	7,77
92U235	235,109	237,024	1,915	1645,00	235	1,0004	7,00

В то же время различна и масса, приходящаяся на нуклон в ядрах различных атомов. Она больше всего у дейтерия, велика у лития, значительна у урана и других тяжелых элементов. Меньше всего значение массы, приходящейся на 1 нуклон, у элементов середины периодической системы элементов Менделеева (атомные веса от 40 до 100).

Если будет происходить процесс перехода ядер атомов элементов с большей массой, приходящейся на 1 нуклон, в ядра с меньшей массой на один нуклон, то в силу взаимосвязи массы и энергии будет происходить выделение атомной энергии. Эта энергия представляет собой разницу в энергиях связи конечных и исходных ядер, участвующих в ядерной реакции.

3. Как получить атомную энергию

Из сказанного выше следует, что для получения атомной энергии можно идти двумя путями: во-первых, превращением легких элементов с большей массой, приходящейся на один нуклон, в элементы с меньшей массой, приходящейся на один нуклон, путем их соединения (синтеза). Примерами таких процессов являются превращение водорода или дейтерия в гелий, соединение ядер лития и протонов с переходом их в ядра гелия и т. п. Второй путь заключается в превращении ядер тяжелых элементов, например урана, в ядра со средней массой, например, в ядра таких элементов, как криптон и барий, или другие пары ядер атомов, сумма зарядов которых равна заряду ядра атома урана 92. Ядро атома урана обладает большей массой на один нуклон, чем ядра атомов элементов середины периодической системы, в частности такие, как криптон и барий.

В этом заключается принципиальная возможность получения атомной энергии. Такого рода процессы были открыты физиками в тридцатых годах двадцатого века. Один из них — превращение лития под действием протонов в гелий — мы уже описывали. В 1939 году был открыт другой — деление ядер атомов урана под действием нейтронов на два «осколка» с близкими массами. Сумма масс «осколков» была приблизительно равна массе делящегося ядра атома урана.

Однако для получения атомной энергии необходимо, чтобы процесс синтеза или распада ядер протекал самопроизвольно, так же как он происходит, например, при горении каменного угля. В угле, подожженном в одном месте, горение распространяется самопроизвольно, переходя от атома к атому.

Кроме условия самопроизвольного распространения ядерных процессов, идущих с выделением энергии, необходимо знать условия возникновения ядерных превращений. Эти условия в результате упорной работы ученых были найдены. В настоящее время процессы синтеза ядер и их распада используются для получения атомной энергии.

4. Синтез гелия в природе