4. Ядерные реакции.

Современные представления о строении атома основываются на планетарной модели атома, предложенной английским физиком Э.Резерфордом, с «квантовыми дополнениями» Н. Бора и других физиков. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого двигаются отрицательно заряженные электроны. Общий вид очень напоминает Солнечную систему в мегамире: в центре звезда, вокруг которой вращаются планеты по разным орбитам.

Ядро и электроны, так же как звезды и планеты в Космосе, занимают ничтожную часть объема. Масштабные соотношения геометрии атома можно представить, например, так: две миллиметровые булавочные головки, одна из которых играет роль ядра (условный «диаметр» ~ 10^-15м), а другая - ближайшего к ядру электрона (условный «диаметр» ~ 10^-15м), следует разнести на расстояние примерно в 100 м. Таким образом, большая часть вещества в атоме сосредоточена в микроскопических сгустках, разделенных огромными расстояниями: в веществе в обширном пустом пространстве между очень тяжелыми ядрами двигаются легкие электроны, составляя электронные квантовые оболочки атомов, определяющие материальные свойства тел и обеспечивающие необходимые связи при образовании молекул и молекулярных структур.

На этом сходство атомов с планетными системами заканчивается. Все, что связано с современным описанием атома абсолютно расходится с привычными представлениями мега- и макромиров. Вместо классической механики - релятивистская квантовая механика, вместо детерминизма - статистическая физика и вероятностные процессы, вместо разделения дискретного и непрерывного - их единство, бесконечные взаимные переходы от непрерывного к дискретному и от дискретного к непрерывному, вместо траекторий - области возможного существования, вместо диаметров - объем области вероятного нахождения частицы и т.п.

Мечта человечества «найти элементарные частицы - частицы неделимые и составляющие первооснову материи» на сегодняшний день привела ученых к следующему заключению: вещество состоит из молекул, молекулы из атомов, атомы из лептонов и адронов, адроны состоят либо из трех, либо из двух кварков; лептоны электроны и кварки - не имеют структур.

Современное представление о строении атома таково: на внешней оболочке атома находятся отрицательно заряженные электроны, которые двигаются в неких областях, окружающих положительно заряженное ядро и называемых орбиталями; ядро составляют тяжелые частицы, входящие в группу адронов. Пространство между электронами и ядром называется физическим вакуумом, который заполнен полем и рождаемыми в нем виртуальными частицами всех типов. «Уходящий» из атома фотон свидетельствует о наличии электромагнитного поля в атоме.

Все частицы, составляющие атом, представляют собой динамические структуры, имеющиеся скорости, близкие к скорости света. Эти динамические структуры существуют не в виде самостоятельных единиц, а в виде неотъемлемых компонентов непрерывной сети частиц и античастиц, в которой происходят их взаимодействия со взаимопревращением частиц, рождением новых, аннигиляцией (уничтожением) старых частиц в непрерывных полях. Устойчивыми частицами в атомах являются только четыре: электрон, протон, нейтрон и фотон. Все остальные существуют как бы виртуально, возникая из поля, заполняющего физический вакуум, и превращаясь в поле.

Изменение числа нейтронов в ядре приводит к появлению изотопов - химических элементов, обладающих тождественными свойствами, но разными массами. Атомы, в которых ядра нестабильны, например, уран с массой 238 и многие изотопы, радиоактивны. Стабильность ядер может быть нарушена искусственно путем передачи ядру дополнительной энергии, тогда начинаются ядерные реакции. Для тяжелых элементов возможен процесс деления ядер, для легких - процесс синтеза.

Рассмотрим более подробно основные типы ядерных ре­акций, связанные с процессами превращения центральной части атомной системы.

Первый тип такого рода реакций носит название ядерного деления, которое состоит в потере устойчивости и разрушении ядер атомов химических элементов, находящихся главным образом в конце периодической системы. Последнее об­стоятельство связано с тем, что, несмотря на высокую ин­тенсивность сильного взаимодействия, объединяющего ней­троны и протоны в единое целое, постепенное увеличение числа частиц в ядре с ростом порядкового номера химического элемента приводит к ослаблению взаимных связей между ни­ми. Поэтому существование в природе атомных ядер со сколь угодно большим числом составляющих его частиц принципиально невозможно из-за полной потери ими внутренней устойчивости. В реальности, существует некоторое предельное отношение массового числа атома химиче­ского элемента к его порядковому номеру, превысить кото­рое в нормальных физических условиях не удается.

Разрушение атомного ядра может, таким образом, про­исходить либо самопроизвольно, либо под влиянием внеш­них воздействий высокоэнергетических элементарных час­тиц или осколков других, уже разрушившихся ядер. Дос­таточно эффективным, в частности, является использование в реакциях ядерного деления так называемых медленных нейтронов поскольку благодаря отсутствию у них собственного электрического заряда они легко входят но взаимодействие с ядрами тяжелых химических элементов и становятся причиной их распада (рис. 1.).

Рис. 1. Цепная ядерная реакция.

Важнейшей характеристикой ядерной реакции деления является количество выделяемой при этом энергии. Практическое значение имеет так называемая цепная реакция, при которой деление ядер изотопов урана, плутония или тория приводит к появлению свободных нейтронов, в свою очередь вызывающих новые процессы деления других ядер. Особенность ядерной цепной реакций заключается в ее лавинообразном нарастании, имеющем по сути взрывной характер и связанном с выделением огромного количества, энергии теплового, электромагнитного и радиоактивного излучений. Именно данный эффект используется при проведении взрывов ядерного оружия.

Мирное использование ядерной реакции деления осу­ществляется в разнообразных по конструкции ядерных реакторах, в которых цепное нарастание числа делящихся атомов радиоактивного топлива предотвращают введением в зону прохождения реакции специальных поглотителей вновь образующихся нейтронов, выполненных обычно из графита, кадмия или бериллия. Таким образом, интенсивность реакции ядерного деления автоматически поддер­живается на безопасном уровне, благодаря чему обеспечи­вается достаточно высокий (около 40%) коэффициент полезного действия подобных преобразователей энергии: внутриядерной — в тепловую и далее — в электрическую.

Второй тип ядерных реакций связан с процессами звездной эволюции, характеризующимися рядом последовательных превращений ядер атомов химических элементов звездного вещества на фоне все возрастающей температуры внутренней среды самой звезды. Подобные реакции получили название термоядерного синтеза и связа­ны с объединением ядер атомов легких химических элементов, находящихся главным образом, в начале периодической системы, в ядра атомов более тяжелых элементов.

Необходимым условием начала и дальнейшего протекания такого рода ядерных реакций является огромная температура, достигающая десятков и сотен миллионов градусов, при которой кинетическая энергия ядер атомов, протонов оказывается достаточной, чтобы преодо­леть силы электростатического отталкивания между ними и включить на сверхмалых расстояниях объединитель­ный механизм сильного взаимодействия. В результате происходит образование более массивных ядер новых химических элементов (рис. 2). При этом выделяется огромное ко­личество энергии излучения, более чем на порядок превышающее уровень энергии, выделяемой в реакциях ядерного деления. К сожалению, до сих пор практическое использование реакций термоядерного синтеза ограничивается лишь созданием мощнейшего водородного оружия.

Рис.2. Термоядерный синтез.

Вообще, термоядерное вооружение называется водородным из-за используемых в его составе изотопов водорода, которые вступают в реакцию термоядерного синтеза на втором этапе двухступенчатой схемы срабатывания после достижения необходимой температуры около 10 млн. градусов в результате первоначальной цепной реакции ядерного деле­ния заряда-детонатора из радиоактивного вещества. То есть по сути дела взрыв обычной атомной бомбы создает условия, требуемые для взрыва водородного оружия, которое является на порядок более мощным. Реализуемые при этом ядерные реакции двух типов полностью неуправляемы.

Все попытки реализации управляемого процесса термоядерного синтеза неизбежно наталкиваются на проблему получения и долговременного поддержания сверхвысоких температур в зоне проведения реакции при обеспечении надежной безопасности окружающей среды. Решить проблему как бы с другой стороны — путем создания условий для осуществления так называемого холодного термоядерного синтеза, который мог бы проходить при сравнительно невысоких и реально достижимых с технической точки зрения температурах — пока также не представляется возможным. Таким образом, остается признать, что в деле освоения ядерной энергии человечество добилось более существен­ных результатов в технологиях разрушения, а не созидания.