Термоядерное оружие

Рассмотренные три примера перехода потенциальной энергии в другие виды энергии имеют много общих черт. Это указывает на существование общего закона природы, управляющего подобными процессами.

Рассмотрим теперь процессы перехода потенциальной химической и ядерной энергии в другие виды энергии с иной точки зрения.

Ясно, что чем больше химические силы, связывающие атомы в молекуле вещества, тем большее количество энергии выделится при образовании соответствующих химических соединений и тем устойчивее будут молекулы этих соединений. Так, химические силы, связывающие атомы водорода и кислорода в молекуле воды, весьма велики, вследствие чего при образовании воды из водорода и кислорода выделяется большая энергия — около 30 000 кал тепла на 1 г водорода. Эта энергия называется энергией связи атомов.

Химические силы, действующие между водородом и кислородом в молекуле перекиси водорода, несколько меньше. При образовании перекиси водорода из водорода и кислорода на каждый грамм участвующего в реакции водорода выделится только около 20 000 кал. Значит, молекулы перекиси водорода менее устойчивы, чем молекулы воды. Именно поэтому перекись водорода самопроизвольно может разлагаться на кислород и воду.

Одним из важнейших законов природы является закон сохранения энергии. Этот закон гласит: энергия не создается из ничего и не исчезает; она только может переходить из одного вида в другой. Из этого закона мы можем сделать практический вывод для нашего примера. Если на 1 г водорода при образовании воды выделяется 30 000 кал тепла, а при образовании перекиси водорода — 20 000 кал, то, следовательно, согласно закону сохранения энергии при разложении перекиси водорода с образованием воды и кислорода выделится 10 000 кал тепла на 1 г водорода.

Такие химические соединения, как взрывчатые вещества, отличаются недостаточно прочными связями между атомами. Молекулы взрывчатых веществ неустойчивы и могут распадаться, образуя более простые, но более устойчивые вещества.

Следовательно, при химических реакциях энергия в одних случаях выделяется при образовании сложных веществ из более простых (такая реакция называется синтезом или реакцией соединения), а в других случаях — наоборот, при распаде неустойчивых сложных веществ (такая реакция называется реакцией разложения).

Подобные явления наблюдаются и при ядерных процессах, только, энергия, освобождающаяся при этом на 1 г вещества, в миллионы раз превосходит величину химической энергии, приходящейся на 1 г вещества, вступающего в химическую реакцию.

При делении некоторых тяжелых ядер (например, урана, плутония) выделяется огромное количество энергии. Известны случаи, когда энергия выделяется при образовании сложных ядер из более простых или из протонов и нейтронов, например, внутри Солнца и звезд или при взрыве термоядерных бомб.

Несколько примеров ядерных реакций синтеза, при которых выделяются огромные количества энергии, приведено в табл. 2.

Таблица 2

Выделение энергии при образовании некоторых элементов из нуклонов
Число нуклонов		Название элемента, атом которого образуется	Выделение энергии на каждый грамм вещества в млрд. кал
протонов	нейтронов
2	2	Гелий	165
1	1	Дейтерий	25
3	4	Литий	128
42	54	Молибден	198
50	70	Олово	198
92	143	Уран 235	177

Из этой таблицы видно, что ядра урана являются менее устойчивыми, чем ядра молибдена или олова. Малоустойчивые ядра могут распадаться, образуя ядра более устойчивых элементов. Ядра урана, например, могут распадаться на ядра бария и криптона или на ядра олова и молибдена. Так как при синтезе ядер атомов олова и молибдена выделяется 198 млрд. кал, а при синтезе урана — 177 млрд. кал на 1 г вещества, то при образовании олова и молибдена в результате распада урана выделится согласно закону сохранения энергии: 198–177=21 млрд. кал на 1 г вещества. Примерно такое же количество энергии освобождается при делении 1 г плутония.

Подобные расчеты могут быть выполнены с помощью кривой, изображенной на рис. 11, где показано, сколько энергии выделяется на каждый грамм вещества при образовании из протонов и нейтронов элементов периодической системы Д. И. Менделеева. На горизонтальной оси отложены массовые числа, а на вертикальной оси слева — энергия в миллиардах калорий, выделяющаяся на каждый грамм образовавшегося элемента.

Рис. 11. Кривая выделения энергии при образовании элементов из нуклонов

Пользуясь этой кривой, легко определить, сколько энергии выделяется или поглощается при любых ядерных реакциях. Предположим, например, что нам нужно определить, сколько выделяется энергии при ядерной реакции водорода с литием, которая идет по уравнению:

₁H¹+₃Li⁷=2₂Не⁴