атомная( энергия) - внутренняя энергия атомных ядер,выделяющаяся при ядерных превращениях ядерных( реакциях). Энергия связиядра. Дефект массыНуклоны (протоны и нейтроны) в ядре прочно удерживаютсяядерными силами. Чтобы удалить нуклон из ядра, надо совершить большуюработу, т. е. сообщить ядру значительную энергию. Под энергией связи ядрапонимают энергию, которая необходима для полного расщепления ядра наотдельные нуклоны. На основании закона сохранения энергии можноутверждать, что энергия связи равна энергии, которая выделяется приобразовании ядра из отдельных частиц. Энергия связи атомных ядер оченьвелика по сравнению с энергией связи электронов с атомным ядром.Определитьэнергию связи ядра можно, зная массу ядра и массы частиц - протонов инейтронов, из которых оно состоит. Существует т. н. дефект массы: массапокоя ядра всегда меньше суммы масс покоя входящих в него нуклонов.Энергия связи ядер вычисляется с помощью известного соотношения Эйнштейнадля связи энергии Е и массы m: E = m/c2 (где с - скорость света) и равнапроизведению дефекта массы (т. е. суммарной массы свободных нуклонов минусмасса ядра) на квадрат скорости света.Удельная энергия связиВажнуюинформацию о свойствах ядер дает знание удельной энергии связи ядра, т. е.энергии связи, приходящейся на один нуклон. Она определяется делениемэнергии связи на массовое число, равное числу нуклонов в ядре. Сувеличением массового числа удельная энергия связи, начиная с гелия,сначала слабо растет, достигает максимума в области железа массовое( число56), после чего плавно снижается. Для большинства химических элементов (заисключением самых легких ядер) эта энергия примерно равна 8 МэВ/нуклон.Наиболее устойчивыми являются ядра, обладающие самой большой удельнойэнергией связи, т. е. железо и близкие к нему химические элементыпериодической системы.Рост энергии связи легких элементов с увеличениематомного номера происходит из-за того, что значительная доля нуклонов этихэлементов находится на периферии ядра. Каждый нуклон из-за короткодействияядерных сил взаимодействует лишь с небольшим числом соседних нуклонов, ичем меньше массовое число, тем меньше число нуклонов участвует вполноценной ядерной связи со своими соседями. Уменьшение удельной энергиисвязи у тяжелых ядер обусловлено растущей с увеличением атомного номераэнергией отталкивания протонов и означает относительную неустойчивостьтаких ядер. Становится энергетически выгодно их деление. Использованиеядерной энергии основано на осуществлении цепных реакций деления тяжелыхядер и реакций термоядерного синтеза - слияния легких ядер; и те, и другиереакции сопровождаются выделением энергии.Механизм деления ядерВ тяжелыхядрах, наряду с большими силами электрического отталкивания, стремящимисяразорвать ядро на части, действуют еще значительные ядерные силы, которыеудерживают ядро от распада.Под влиянием поглощенного нейтрона ядровозбуждается и начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму. Онорастягивается до тех пор, пока силы отталкивания половинок ядра неначинают преобладать над силами притяжения, действующими в перешейке. Врезультате ядро разрывается на две части (так называемые осколки) Поддействием кулоновского отталкивания осколки разлетаются со скоростью,равной 1/30 скорости света; одновременно испускается излучение высокойчастоты. Большая часть выделяемой энергии приходится на кинетическуюэнергию осколков.Ядерная цепная реакцияНе все ядра способны к делению.Наиболее легко делится изотоп урана 23592U, составляющий всего 1/140 отболее распространенного изотопа 23892U. Это деление вызывается какмедленными, так и быстрыми нейтронами, попавшими в ядро. При каждом актеделения ядра испускается 2-3 нейтрона, которые в свою очередь могутвызывать деление других ядер. В результате возникает ядерная цепнаяреакция. Она сопровождается выделением огромной энергии. При деленииодного ядра выделяется около 200 МэВ. При полном же делении ядер,находящихся в 1 г урана, выделяется энергия 2,3*104 кВтч. Это эквивалентноэнергии, получаемой при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.Управляемаяреакция деления ядер используется в ядерных реакторах. Вероятность захватаядрами урана медленных нейтронов с последующим делением ядер в сотни разбольше, чем быстрых. Поэтому в ядерных реакторах, работающих наестественном уране, используются замедлители нейтронов. Лучшимзамедлителем нейтронов является тяжелая вода. Хорошим замедлителемсчитается также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. Цепнаяреакция начинает идти, как только масса делящегося вещества превышаетнекую критическую массу. Управление реактором осуществляется при помощистержней, содержащих кадмий или бор, являющиеся хорошими поглотителяминейтронов.Неуправляемая цепная реакция осуществляется в атомной бомбе. Длятого, чтобы происходило практически мгновенное выделение энергии (ядерныйвзрыв), реакция должна идти на быстрых нейтронах (без замедлителей).Взрывчатым веществом служит чистый уран 23592U или плутоний23994Pu.Термоядерные реакцииВыделение энергии при слиянии ядер легкихатомов дейтерия, трития или лития с образованием гелия происходит в ходетермоядерных реакций. Эти реакции называются термоядерными, так как могутпротекать лишь при очень высоких температурах. В противном случае, силыэлектрического отталкивания не позволяют ядрам сблизиться настолько, чтобыначали действовать ядерные силы притяжения. Реакции ядерного синтезаявляются источником звездной энергии. Эти же реакции протекают при взрывеводородной бомбы.Осуществление управляемого термоядерного синтеза на Землесулит человечеству новый, практически неисчерпаемый источник энергии.Наиболее перспективна в этом отношении реакция слияния дейтерия и трития.Экономически выгодная реакция может идти только при нагревании реагирующихвеществ до температуры порядка 108 К при большой плотности вещества(1014-1015 частиц в 1 см3). Такие температуры могут быть достигнуты путемсоздания в плазме мощных электрических разрядов. Основная трудностьзаключается в том, чтобы удержать плазму столь высокой температуры внутриустановки в течение 0,1-1,0 с. Из-за неустойчивости высокотемпературнойплазмы эта задача пока остается нерешенной, и в качестве промышленногоисточника ядерной энергии в настоящее время используются только реакцииделения ядер.Литература:Ландау Л. Д., Смородинский Я. А. Лекции по теорииатомного ядра. М., 1955.Давыдов А. С. Теория атомного ядра. М.,1958.Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. М., 1980.Г. Я. МякишевЯДЕРНОЕ ВРЕМЯ - характерное время протекания процессов, обусловленныхсильным взаимодействием (напр., ядерными силами); составляет по порядкувеличины 10-23с.
|
