Физика. Теоретические курсы / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 3

562 Гл. XXIV. Атомные ядра и ядерная энергия

Если в ядре слишком много нейтронов, то один из нейтронов превращается в протон, т. е. ядро распадается с испусканием электрона (пример: 104 Be → 105 B + e− + ν). Напротив, если в ядре

избыток протонов, то один из протонов превращается в нейтрон, испуская позитрон (пример: 106 C → 105 B + e+ + ν).

Поскольку ядерные частицы — протоны и нейтроны — прочно удерживаются в ядрах, между ними должны действовать с и л ы п р и т я ж е н и я. Эти силы должны быть достаточно велики, чтобы противостоять грандиозным силам взаимного электростатического отталкивания протонов, сближенных на расстояние порядка размеров ядра (10−14–10−15 м). Особые силы, возникающие при сближении ядерных частиц (протонов, нейтронов) на малые расстояния и связывающие эти частицы в ядра, получили название ядерных сил 1).

С действием ядерных сил мы встречались уже при изучении захвата медленных нейтронов ядрами (§ 221). Ядерные силы проявляются и во всех других ядерных процессах — при ядерных реакциях и в явлениях радиоактивности. Хотя в настоящее время многие свойства ядерных сил подробно изучены, точные законы их действия все еще не выяснены. Установление этих законов является одной из центральных задач современной атомной физики.

§ 226. Ядерная энергия. Источник энергии звезд. На протяжении курса физики мы познакомились с различными формами энергии, способными превращаться друг в друга. Сюда относятся кинетическая энергия движущихся тел, потенциальная энергия тел в поле сил тяготения, энергия электромагнитных полей, внутренняя энергия тел и т. д. Изучение ядерных превращений свидетельствует о существовании еще одной формы энергии — так называемой ядерной энергии 2). Ядерная энергия — это энергия, запасенная в атомных ядрах и переходящая в другие виды энергии при ядерных превращениях — при радиоактивном распаде ядер и ядерных реакциях. Ядерная энергия проявляется при л ю б ы х превращениях ядер.

Рассмотрим в качестве примеров ядерные реакции α-частицы с бериллием и азотом, с которыми мы познакомились в § 218

1) Как показывает изучение ядер, ядерные силы притяжения действуют между любой парой частиц — двумя протоками, двумя нейтронами и протоном и нейтроном (подробнее см. § 232).

2) Вместо термина «ядерная энергия» часто употребляют менее точный термин «атомная энергия».

и 220. В результате реакции (220.1) образуются ядро углерода и нейтрон

Измерения показывают, что кинетическая энергия продуктов этой реакции б о л ь ш е (на 5,7 МэВ) кинетической энергии исходных ядер. В этой реакции происходит, следовательно, превращение скрытой ядерной энергии в кинетическую.

В реакции (218.1)

147 N + 42He → 178 O + 11H

суммарная кинетическая энергия ядра кислорода (178 О) и протона (11Н), как оказывается, м е н ь ш е (на 1,2 МэВ) кинетической энергии α-частицы, вызывающей реакцию (ядро азота в начальный момент покоилось). Таким образом, в этой реакции, наоборот, кинетическая энергия превращается в ядерную; запас последней в продуктах реакции больше, чем в исходных ядрах.

Ядерная энергия, переходящая в кинетическую или обратно, может быть вычислена, если известны точные значения масс всех участвующих в реакции ядер. Действительно, по закону сохранения энергии приращение кинетической энергии равно убыли внутренней энергии ядер. Убыль же внутренней энергии, согласно закона Эйнштейна, равна разности масс покоя исходных и конечных продуктов реакции, умноженной на c2. Рассмотрим, например, реакцию (226.1). Массы частиц, участвующих в реакции, приведены ниже:

n1,0090

Масса исходных частиц больше массы конечных продуктов на 13,0189 − 13,0128 = 0,0061 а. е. м. В результате реакции внутренняя

1) В первых трех строчках этой таблицы, как принято, приведены м а с- с ы п о к о я н е й т р а л ь н ы х а т о м о в. Они получены из измерений с масс-спектрометрами. Числа электронов в правой и левой частях уравнения ядерной реакции равны. Поэтому при вычислении разностей электронные массы сокращаются, и мы получаем разности масс ядер.

энергия частиц уменьшается на 1)

0,0061 · 930 = 5,7 МэВ.

Как отмечалось, прямые измерения показывают, что кинетическая энергия продуктов реакции как раз на такую величину (5,7 МэВ) превосходит кинетическую энергию исходных ядер. Мы имеем здесь еще одно доказательство справедливости соотношения E0 = mc2.

Ядерная энергия подобна химической в том отношении, что оба вида энергии проявляются в процессах п р е в р а щ е н и я ч а с т и ц. Химическая энергия проявляется в процессах превращения молекул (т. е. в химических реакциях), ядерная энергия — в процессах превращения атомных ядер (т. е. в ядерных реакциях). Между ядерной и химической энергиями существует резкое различие в масштабе. Энергия химических реакций измеряется электронвольтами (так, например, при горении углерода освобождается энергия 4,1 эВ на молекулу CO2). Энергия ядерных превращений измеряется уже не электронвольтами,

ам е г а э л е к т р о н в о л ь т а м и, т. е. по порядку величины она в м и л л и о н р а з б о л ь ш е. Большой масштаб энергии ядерных процессов обусловлен громадной величиной я д е р н ы х с и л (см. § 225).

Ядерные превращения, в которых запасы скрытой ядерной энергии переходят в другие виды энергии, играют большую роль в природе, а с 40-х годов нашего века и в технике. Простейшие из таких превращений — это явления радиоактивного распада. Как отмечалось в § 215, энергия радиоактивных излучений превращается в конечном счете в тепло. Радиоактивное тепло имеет важное геологическое значение: распад содержащихся в земной коре урана, тория и калия является тем источником энергии, который обеспечивает высокую температуру в недрах Земли. Однако значение естественной радиоактивности как технического источника энергии ничтожно: все сколько-нибудь распространенные на Земле радиоактивные элементы распадаются слишком медленно, и способов ускорить их распад пока не существует.

Вотличие от радиоактивности при ядерных реакциях скорость выделения энергии может изменяться в широких пределах,

авыделяемая энергия достигать грандиозных величин. Ядерные реакции являются единственным из известных источников,

1) Энергия покоя, приходящаяся на одну атомную единицу массы, равна 930 МэВ:

1а. е. м. · c2 = 1,66 · 10−27 · (3 · 108)2 = 1,49 · 10−10 Дж =

=1,49 · 10−10/(1,6 · 10−19) эВ = 9,3 · 108 эВ = 930 МэВ.

Ядерную реакцию, идущую за счет высокой температуры среды, называют т е р м о я д е р н о й. Встает вопрос, как «поджигаются» термоядерные реакции в звездах. Вероятной причиной первоначального нагрева, «поджигающего» реакцию, является сжатие звездного вещества под действием сил тяготения, т. е. превращение потенциальной энергии тяготения во внутреннюю энергию.

Освобождение больших количеств ядерной энергии в земных условиях долгое время казалось вряд ли достижимой мечтой. Способы получения огромных температур (миллионы градусов), необходимых для «поджигания» термоядерной реакции, не были тогда известны. Использование же частиц, ускоренных ускорителями, не сулило перспектив. Как отмечено в § 219, быстрые заряженные частицы при движении в среде расходуют энергию на ионизацию и возбуждение атомов и вызывают ядерные реакции лишь с малой вероятностью. Ввиду этого затрата энергии на предварительное ускорение частиц превосходит выигрыш энергии от ядерной реакции.

Положение коренным образом изменилось, когда в 1939 г. изучение свойств нейтронов увенчалось открытием нозой ядерной реакции — реакции деления атомных ядер, установленной немецкими физиками Отто Ганом (1879–1968) и Фрицем Штрассманом (1902–1980).

§ 227. Деление урана. Цепная ядерная реакция. В результате опытов по облучению нейтронами урана было найдено, что п о д д е й с т в и е м н е й т р о н о в я д р а у р а н а делятся н а д в а я д р а ( о с к о л к а ) п р и м е р н о п о л о в и н н о й м а с с ы и з а р я д а ; э т о т п р о ц е с с с о п р о в о ж д а е т- с я и с п у с к а н и е м н е с к о л ь к и х (двух-трех) н е й т р о- н о в (рис. 402). Помимо урана, способны делиться еще некоторые элементы из числа последних элементов периодической системы Менделеева. Эти элементы, так же как и уран, делятся не только под действием нейтронов, но также и б е з в н е ш- н и х в о з д е й с т в и й (спонтанно) 1). Спонтанное деление было установлено на опыте советскими физиками К. А. Петржаком и Георгием Николаевичем Флеровым (р. 1913) в 1940 г. Оно представляет собой весьма редкий процесс. Так, в 1 г урана происходит всего лишь около 20 спонтанных делений в час.

1) С п о н т а н н о е д е л е н и е с л е д у е т отнести к разряду явлений р а- д и о а к т и в н о г о р а с п а д а, с которыми мы познакомились в предыдущей главе. Как и другие виды распада, спонтанное деление представляет собой внутриядерный процесс, протекающий без внешних воздействий.

то обстоятельство, что нейтроны, испущенные при делении уранового ядра (так называемые вторичные нейтроны деления), способны вызывать деление новых ядер урана. Благодаря этому можно осуществить цепную реакцию деления: однажды возникнув, реакция в принципе может продолжаться сама собой, охватывая все большее число ядер. Схема развития такой нарастающей цепной реакции изображена на рис. 404.

Осуществление цепной реакции деления на практике не просто; опыт показывает, что в массе природного урана цепная реакция не возникает. Причина этого кроется в потере вторичных нейтронов; в природном уране б´ольшая часть нейтронов выходит из игры, не вызывая делений. Как выявили исследования, потеря нейтронов происходит в наиболее распространенном изотопе урана — уране-238 (23892 U). Этот изотоп легко поглощает нейтроны по реакции, подобной реакции серебра с нейтронами (см. § 222); при этом образуется искусственно-радиоактивный изотоп 23992 U. Делится же 238U с трудом и только под действием быстрых нейтронов.

одним из тех способов, при помощи которых цепная реакция деления была осуществлена на практике.

Рис. 405. Развитие цепной реакции деления в 235U. а) В малой массе 235U большинство нейтронов деления вылетает наружу. б) В большой массе урана многие нейтроны деления вызывают деления новых ядер; число делений возрастает от поколения к поколению. Кружочки — осколки деления, стрелки — нейтроны деления

Наряду с этим цепная реакция была достигнута и другим способом, не требующим разделения изотопов урана. Этот способ несколько более сложен в принципе, но зато более прост в осуществлении. Он использует з а м е д л е н и е б ы с т р ы х в т о р и ч н ы х н е й т р о н о в д е л е н и я до скоростей теплового движения. Мы видели, что в природном уране н е з а м е д-

л е н н ы е вторичные нейтроны поглощаются главным образом изотопом 238U. Так как поглощение в 238U не приводит к де-

лению, то реакция обрывается. Как показывают измерения, при

замедлении нейтронов до тепловых скоростей поглощающая способность 235U в о з р а с т а е т с и л ь н е е поглощающей спо-

собности 238U. Поглощение нейтронов изотопом 235U, ведущее к делению, получает перевес. Поэтому, если замедлить нейтроны деления, не дав им поглотиться в 238U, цепная реакция станет возможной и с природным ураном.

На практике такого результата добиваются, помещая тонкие стержни из п р и р о д н о г о урана в виде редкой решетки в замедлитель (рис. 406). В качестве замедлителей используют вещества, обладающие малой атомной массой и слабо поглощающие нейтроны. Хорошими замедлителями являются графит, тяжелая вода, бериллий.