Термоядерное оружие

Как показывает уравнение, при этой реакции из каждого ядра водорода и семи нуклонов, составляющих ядро лития с атомным весом 7, образуются два ядра гелия с атомным весом 4. Следовательно, при этой реакции из 1 г водорода и 7 г лития образуется 8 г гелия.

Из рис. 11 видно, что при образовании ₃Li⁷ из протонов и нейтронов на 1 г лития выделяется 128 млрд. кал и, следовательно, на 7 г 128×7=896 млрд. кал. При образовании же ₂Не⁴ на 1 г выделяется 165 млрд. кал, а на 8 г 165×8=1320 млрд. кал.

Ясно, что приведенная выше ядерная реакция будет сопровождаться выделением огромной энергии: 1320-896=424 млрд. кал на 8 г вещества, или 53 млрд. кал на каждый грамм вещества.

Вычислим еще, сколько энергии выделяется при реакции дейтерия с тритием, идущей по схеме:

₁H²+₁H³=₂He⁴ + ₀n¹

Из этого уравнения следует, что из двух граммов дейтерия и трех граммов трития образуется 4 г гелия и 1 г нейтронов.

При образовании дейтерия на 1 г выделяется 25 млрд. кал, а на 2 г — 50 млрд. кал. Тритий образуется с выделением 3×64=192 млрд. кал на 3 г. При образовании 4 г гелия освобождается 4×165=660 млрд. кал. Следовательно, при упомянутой ядерной реакции взаимодействия дейтерия с тритием выделится 660-50-192=418 млрд. кал.

Значит, при рассматриваемой ядерной реакции на 1 г вещества выделяется более 80 млрд. кал. Как уже было сказано, при делении урана на 1 г ядерного горючего освобождается 21 млрд. кал. Таким образом, на 1 г вещества при ядерной реакции протон — литий и при реакции дейтерий — тритий выделяется соответственно в 2,5 и в 4 раза больше энергии, чем при делении урана или плутония.

Закон взаимосвязи массы и энергии

Теперь познакомимся с законом взаимосвязи массы и энергии.

Как известно, энергия и масса являются свойствами материи. Энергия может передаваться частицами вещества другим частицам вещества (молекулам, атомам, электронам и т. д.) или материальным частицам света, которые называются фотонами или квантами.

В 1905 году А. Эйнштейн установил закон взаимосвязи между энергией и массой. Согласно этому закону всякая передача энергии от одной частицы материи к другой сопровождается передачей соответствующей массы. Эта взаимосвязь выражается формулой

Скорость света в пустоте равна около 30 000 000 000=3∙10¹⁰ см/сек.

Когда какое-нибудь тело передает энергию другому телу, то масса первого тела уменьшается, а второго тела увеличивается. Таким образом, совершается одновременный переход массы и энергии от одного тела к другому. О величине переданной энергии можно судить по уменьшению массы первого тела.

Например, уменьшение массы на 0,001 г согласно закону Эйнштейна свидетельствует об отдаче энергии =0,001∙9∙10²⁰ = 9∙10¹⁷ эргов=22 млрд. кал[6].

Таким образом, количество выделяющейся при ядерных реакциях энергии можно определить по уменьшению массы вступающих в реакцию атомов. Значительная часть данных, по которым построена кривая на рис. 11, получена с помощью формулы Эйнштейна.

Рассчитаем величину энергии, выделяющейся при образовании гелия из протонов и нейтронов по реакции

2₁Н¹+2₀n¹=₂Не⁴

Точный атомный вес протона — 1,00812, а атомный вес нейтрона — 1,00893. Вес двух протонов и двух нейтронов в атомных единицах равен, следовательно, 4,0341. Точный же атомный вес образовавшегося гелия меньше этой величины, он равен 4,0039.

Таким образом, при образовании 4 г гелия по указанной реакции окружающей материи будет передана масса, равная 4,0341-4,0039=0,0302 г, что соответствует передаче около 660 млрд. кал. Такое количество энергии получается при сгорании 80 т антрацита.

Из приведенного расчета следует, что при образовании 1 г гелия выделяется 660:4=165 млрд. кал. Именно этой величине на левой шкале рис. 11 и отвечает положение ₂Не⁴ на кривой.

Из графика рис. 11 видно, что наибольшее количество энергии выделяется при образовании ядер с атомными весами приблизительно от 40 до 120. Поэтому ядра атомов с такими атомными весами и являются наиболее прочными — разложить или соединить в более тяжелые ядра их можно только с затратой большой энергии.

Ядра атомов, расположенных в начале и в конце периодической системы элементов, образуются с меньшим выделением энергии, поэтому они и являются менее устойчивыми.

Ядра урана и других тяжелых элементов могут делиться, превращаясь в более легкие ядра элементов, расположенных в середине таблицы Менделеева. При этом выделяется большое количество энергии.

Еще большее количество энергии выделяется при образовании гелия и других легких элементов из нуклонов. Следует отметить относительную прочность гелия по сравнению с другими легкими элементами, например литием и бериллием. Поэтому гелий резко выпадает из кривой графика на рис. 11.

Из сказанного следует, что энергия любой ядерной реакции может быть вычислена при помощи закона Эйнштейна, если известны массы исходных и получающихся в результате реакции изотопов.

Цепной и тепловой взрывы