§ 4.3 Ядерная энергия

Так как почти вся энергия атомов сосредоточена в их ядрах, то правильнее ее называть не атомной, а ядерной энергией. Когда стало известно, что в ядре атома заключается огромная энергия, то этот факт привлек к себе внимание ученых всего мира.

Все виды энергии, которые были известны ранее, обусловлены двумя видами сил - либо электрическими, либо силами тяготения (гравитационными). Силы, действующие внутри ядра атома, назвали ядерными.

Вопрос о связи между энергией и массой любого вещества был решен принципиально после создания А. Эйнштейном теории относительности. Он показал, что источником энергии может быть любое вещество. Количество заключенной в веществе энергии непосредственно связано с его массой соотношением:

W = mc2,

где W - энергия, заключенная в теле, Дж;

m - масса тела, кг;

с - скорость, м/с (с = 3  108 м/с).

Физическая сущность этого уравнения состоит в том, что в природе нет нематериального движения, как нет и не может быть материи без движения. Материя и движение неотделимы друг от друга. Выделение (или поглощение) энергии W системой ведет к уменьшению (или увеличению) ее массы на величину m, называемую дефектом массы:

W = mc2.

Энергия, которую необходимо затратить для разрушения ядра и разделения его на свободные нуклоны (без сообщения им кинетической энергии), названа энергией связи ядра, она идет на совершение работы против ядерных сил. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны между собой в данном ядре, тем большую работу нужно совершить для его разрушения.

При обратном процессе - процессе образования ядра из свободных нуклонов - ядерные силы совершают работу, поэтому и в процессе образования ядра также выделяется энергия. Высвобождаемая при этом энергия в миллионы раз превышает энергию, которая выделяется при образовании молекулы из атома или атомов из ядра и электронов.

Прочность различных ядер не одинакова. Наиболее прочными являются ядра с числом нуклонов около 60, легкие ядра (с меньшим числом нуклонов) и тяжелые (с большим числом нуклонов) менее прочны.

При рассмотрении энергетических характеристик и значений дефекта массы, энергия связи и удельной энергии связи элементов периодической системы Д.И. Менделеева можно сделать следующие важные выводы.

Во - первых, ядра атомов химических элементов, расположенных в начале или в конце периодической системы, имеют меньшую удельную энергию связи. Энергия связи ядра водорода - протона, являющегося элементарной частицей, равна нулю. Применяя выводы второго закона термодинамики (всякая система стремится к такому устойчивому состоянию, когда его внутренняя потенциальная энергия в данных условиях минимальна), следует сказать, что ядра средней части периодической системы являются наиболее устойчивыми, так как наибольшему дефекту массы соответствует минимальный общий запас внутренней энергии.

Во - вторых, для ядер атомов элементов, расположенных в начале и в конце периодической системы, должна существовать определенная вероятность перехода в более устойчивые состояния путем высвобождения части потенциальной энергии либо при делении тяжелых ядер на более легкие (“прочные”) ядра, либо при соединении (синтезе) легких ядер в более тяжелые. Оба эти пути высвобождения внутриядерной энергии и используются в ядерном оружии.

Процесс изменения структуры ядра называется ядерной реакцией.