ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы МОЩНОСТЬ И ЭНЕРДЕЛЕНИЕ И СИНТЕЗ ЯДРА из "Атомы сегодня и завтра " С + Оз--СОа -f энергия (тепло). [c.35] Атомная единица массы (а. е. м.), используемая в этой книге, равна Vie массы атома кислорода-16, состоящего из ядра (с 8 нейтронами и 8 протонами) н 8 орбитальных электронов. Как мы увидим дальше, из-за дефекта массы ядро кислорода-16 имеет меньшую массу, чем просто сумма масс его нуклонов. [c.35] Внесистемная единица, равная кинетической энергия, которую приобретает электрон при перемещении в электрическом поле между двумя точками с разностью потенциалов один вольт 1 мегаэлектрон-вольт (МэВ) = 1,6-Дж= 1,6-10 эрг. На основании соотношения Эйнштейна эта единица используется также и для измерения масс элементарных частиц. [c.36] Сопровождаются выделением энергии и ядерные реакции от распада радиоактивных ядер. В этом случае величина энергии достигает нескольких мегаэлектронвольт. А деление ядра урана сопровождается выделением энергии около 200 МэБ. Несколько далее мы подробнее рассмотрим этот процесс деления ядра, но прежде познакомимся с очень важным для нас понятием внутриядерной связи, обусловленной в конечном счете наличием дефекта массы. [c.37] Энергия 2,19 МэВ, необходимая для преодоления огромной силы притяжения между двумя нуклонами и разрушения ядра дейтерия, называется энергией связи данного ядра, и мы видим, что она численно равна дефекту массы, выраженному в единицах энергии. Необходимое количество энергии может быть обеспечено при бомбардировке ядра дейтерия подходящими снарядами , например протонами или альфа-частицами, направленный поток которых получают в ускорителях. Рис. 6 весьма условно иллюстрирует протекание этого процесса. [c.37] Таким образом, суммируя наш качеотвенный анализ зависимости В от А, представленной на рис. 7, можно сказать следующее. В ядрах с Л 25 каждый нуклон притягивается ядерными силами ко всем остальным нуклонам, в ядрах с А = 25—30 ядерные силы начинают насыщаться и В остается примерно постоянной, и, наконец, в ядрах с Л 50 сила электрического отталкивания между протонами все заметнее противодействует силам ядерной связи, что ведет к уменьшению В. [c.40] Еще одно явление, которым мы пренебрегли при рассмотрении энергии связи ядра,— это стремление нуклонов сгруппироваться внутри ядра в определенные оболочки, подобные электронным оболочкам в атоме, о чем уже упоминалось во второй главе. Ядра с полностью заполненными оболочками являются наиболее стабильными, то есть обладают исключительно большой энергией связи. Следовательно, значения В для таких ядер будут находиться несколько выше кривой, приведенной на рис. 7. Точки С я D как раз соответствуют таким ядрам с заполненными оболочками — соответственно ядрам гелия-4 и кислорода-16. [c.41] Количества протонов и нейтронов, определяющие полное заполнение ядерных оболочек, называют магическими числами , они равны 2, 8, 20, 50, 82 и 126. Гелий-4 и кислород-16 являются дважды магическими , поскольку в их ядрах и протоны и нейтроны полностью заполняют свои оболочки ядро гелия-4 состоит из двух протонов и двух нейтронов, а ядро кислорода-16 — из восьми протонов и восьми нейтронов. Эти дважды магические ядра являются наиболее стабильными. [c.41] Зная величину энергии связи ядер, являющихся начальным и конечным продуктами реакции деления, можно подсчитать примерное количество выделяемой энергии в этом процессе. Ранее мы проделали расчет выделяемой энергии при делении ядра дейтерия. Он является наиболее простым примером подобных расчетов, поскольку протон и нейтрон, будучи самостоятельными частицами, не имеют собственной энергии связи. Для оценки энергии, выделяемой при делении большого ядра на два меньших, можно использовать зависимость В от А (см. рис. 7). Предположим, что ядро с Л = 236 (например, уран-236) делится на два одинаковых ядра с А = 118. Из рис. 7 получаем, что В равно примерно 7,5 МэВ при А — 236 и около 8,3 МэВ при Л = 118. Следовательно, общая энергия свяэв ядра урана-236 составляет 7,5 X 236 = 1770 МэВ, а полная энергия связи каждого из ядер-осколков составляет 8,3 X X 118 = 979,4 МэВ. Разница между суммарной энергией связи ядер-осколков и энергией связи ядра урана-236, приблизительно равная 189 МэВ, и есть искомая энергия, выделяющаяся при делениг данного ядра (она примерно в 100 раз больше энергии, выделяющейся при радиоактивном распаде ядра). Таким образом, деление ядра является источником огромной энергии. Например, в результате деления всех ядер в одном грамме урана, где содержится 2,6-10 атомов, выделится 2,3-10 кВт-ч энергии, или около одного мегаватт X дня. Этого количества энергии достаточно для того, чтобы миллион ламп мощностью в один киловатт горели в течение целого дня. [c.42] Ради простоты в вычислениях мы примем, что ядро урана-2.36 делится на две одинаковые части, хотя в действительности оно чаще расщепляется на неравные ядра-осколки. [c.42] На самом деле эта цифра дах е несколько нио/се действительного значения выделенной энергии, полученного экспериментально и приближающегося к 200 МэВ. [c.42] На основе результатов расчета, приведенных в предыдущем разделе, можно прийти к заключению, что расщепление тяжелых ядер происходит самопроизвольно, освобождая при этом значительное количество энергии. К счастью, природа позаботилась о своеобразном предохранителе против подобного явления, иначе мы бы обнаружили, что все элементы с Л 100, к которым принадлежат такие хорошо известные нам вещества, как серебро и олово, находятся в процессе постоянного самопроизвольного деления. Можно представить, к каким бы катастрофическим результатам это могло привести Однако существует некоторое обстоятельство, затрудняющее всеобщее самопроизвольное деление элементов. Оказывается, для того чтобы тяжелое ядро могло начать делиться, требуется некоторая затравочная энергия, которая называется критической, или энергией активации. Для ядер с Л 210 величина этой энергии очень велика, и она может быть обеспечена лишь при специальных условиях, папртгаер при бомбардировке нейтронами или другими элементарными частицами, имеющими энергию более 50 МэВ. Такие частицы высокой энергии есть в космических лучах, которые постоянно падают во внешний слой атмосферы Земли из космтеского пространства. И действительно, как было доказано экспериментально, эти частицы при столкновении с ядрами химических элементов могут вызвать их деление. Но это исключительно редкое явление и касается лишь отдельных ядер. В частности, для его обнаружения требуются специальные приборы. [c.43] Чтобы понять, почему возникает условие необходимой критической энергии, мы вновь и более детально рассмотрим процесс деления ядра, при этом будем нс-пользовать уж приводившуюся аналогию между большим ядром и каплей жидкости. [c.43] Если слегка ударить по шарообразной капельке достаточно плотной жидкости (например, ртути) можно пронаблюдать, как изменение ее формы претерпевает ряд стадий некоторые из них показаны на рис. 10. Сразу же после возмущения капля примет форму эллипсоида (стадия б), и если деформирующая сила не слишком велика, колебания капли вскоре прекратятся — она вновь приобретет шарообразную форму (стадия а). [c.44] Известно, что капля жидкости (воды, ртути), находящаяся на твердой поверхности, деформируется под действием силы тяжести и превращается в сплюснутый сфероид. Поэтому чтобы капля была действительно шарообразной, требуется, чтобы она была достаточно плотной и. кроме того, малой по своим размерам. [c.44] Критическая деформация, соответствующая критической энергии, изображенной на графике (рис. 12), зависит от массы и поверхностного натяжения капли. [c.45] Энергия, приобретаемая таким образом ядром, включает не только кинетическую энергию нейтрона, но и энергию, выделенную в результате наличия разницы в дефектах массы (или в энергиях связи) ядер с массовыми числами Л и Л -I- 1 (иногда этой последней достаточно, чтобы вызвать деление ядра). [c.46] Практически для деления ядра, урапа-235 необходима энергия 6,5 МэВ, а для деления ядра урана-238 (см. рис, 13) — 7,0 МэВ. [c.46] В конце этой главы хотелось бы предостеречь читателя от некоторых скороспелых выводов относительно очень близкого сходства между ядрами и каплями жидкости. Хотя эта аналогия оказалась очень удобной для качественного понимания процесса ядерного деления, она не может отразить все детали этого процесса, поскольку в ядре имеется множество разнообразных сил в отличие от капли жидкости, где действует лишь одна-единственная сила поверхностного натяжения. Так, например, в капле жидкости нет ничего похожего на стремление нуклонов сгруппироваться в оболочки, с чем связано наличие магических чисел , о которых говорилось раньше. Благодаря последнему свойству ядро урана-236 легче расщепить асимметрично — на два осколка с разными массовыми числами (обычно с Л = 96 и 140). [c.47] До сих пор мы ограничивались описанием процесса деления отдельного ядра. Но подобно тому как одна ласточка не делает весны , так и одно расщепляющееся ядро не может выделить такого количества энергии, которого хватило бы для практического использования (энергия, выделяемая при делении одного ядра урана-236,— 200 МэВ, переведенная в обычные единицы, составляет всего лишь 10 кВт-ч). Однако в следующей главе мы увидим, как при соответствующих условиях деление одного ядра влечет за собой деление еще одного и еще одного и еще — до тех пор, пока суммарная энергия не достигнет внушительной величины. [c.48] Вернуться к основной статье