Ядерные реакторы

В разных областях науки ученые пользуются различными, наиболее удобными единицами измерения энергии. В атомной физике, где исследуется электронная оболочка атома и рассматривается сравнительно медленное движение электрона, в качестве единицы измерения энергии принята такая энергия, которую приобретает электрон при прохождении в электрическом поле разности потенциалов в один вольт. Эта единица называется электронвольт (эв).

Но энергия связи частиц в ядре в миллионы раз больше, нежели энергия связи электрона в атоме. Поэтому в ядерной физике пользуются единицей энергии, равной миллиону электронвольт (мегаэлектронвольт — Мэв). Конечно, эти единицы энергии, поскольку они относятся к ничтожно малым ядрам и ядерным частицам, очень малы. При подъеме шарика весом в один грамм на высоту одного сантиметра вы затрачиваете энергию, равную примерно 10⁹ Мэв. Однако не следует забывать, что в одном грамме вещества находится огромное число атомов. Для того чтобы поднять один атом на эту же высоту, понадобилась бы энергия, равная всего 10^-12 Мэв.

На рис. 5 приведена кривая зависимости энергии связи ядер от их массового числа. На оси ординат отложены средние значения энергии связи, приходящиеся на одну ядерную частицу, то есть — , где Е — энергия связи ядра, а на оси абсцисс — массовое число М.

^{Рис. 5. Кривая зависимости энергии связи от массового числа ядер. Наиболее сильно связанными, то есть самыми устойчивыми, являются ядра, имеющие среднее массовое число}

Так как мы условились, что энергия связи определяется затраченной на удаление частицы работой, она является по существу отрицательной величиной. Увеличение энергии связи ядра приводит к более устойчивому его состоянию, то есть к уменьшению всей энергии ядра. Переход из менее устойчивого состояния в более устойчивое всегда сопровождается выделением энергии. Вспомните, какую работу совершает падающая с высоких гор вода или какое-нибудь нагретое тело при охлаждении.

При взгляде на кривую рисунка сразу бросается в глаза, что мы можем ожидать выделения энергии только в таких ядерных превращениях, в результате которых будут образованы самые устойчивые ядра — ядра средней величины, то есть при соединении (синтезе) легких ядер или при делении тяжелых.

Если бы нам удалось узнать энергию системы до и после ядерного превращения, мы могли бы определить величину выделяющейся при этом энергии.

Около пятидесяти лет тому назад выдающийся физик А. Эйнштейн установил закон взаимосвязи массы и энергии, который играет настолько большую роль в изучении ядерной физики, что его наравне с законами сохранения энергии и массы считают одним из основных законов природы. Этот закон может быть выражен очень простой формулой Е=тс², где т — масса вещества и с — скорость света, равная 300 тысячам километров в секунду, или с=3∙10¹⁰ см/сек.

Очевидно, из этого закона следует, что если какое-нибудь тело или частица приобретает или теряет энергию, то вместе с энергией приходит или уходит некоторое количество массы:

Величина знаменателя в этой формуле с²=9∙10²⁰ говорит о том, что нужно очень большое выделение энергии, чтобы мы могли заметить маленькое изменение массы, или, как его называют, дефект массы.

Например, в химической реакции образования воды выделяется довольно большая энергия, и можно утверждать, что масса молекулы воды меньше массы двух атомов водорода и одного атома кислорода. Но энергия, выделяющаяся в химических реакциях, все же недостаточно велика, чтобы мы даже очень точными приборами смогли обнаружить это различие в массах.

В ядерных же реакциях энергии выделяется в миллионы раз больше, чем в химических, и поэтому дефект массы, получающийся в различных ядерных реакциях, будет значительным. Если взвесить ядро какого-либо атома, то окажется, что его масса всегда меньше суммы масс протонов и нейтронов, составляющих это ядро.

Возьмем, например, ядро гелия. Оно состоит из двух протонов и двух нейтронов и весит 4,004[3]. Сумма же массы всех четырех частиц будет 4,034. Таким образом, дефект массы при образовании ядра гелия будет 0,03. Пользуясь формулой взаимосвязи массы и энергии, можно определить, какой энергии соответствует это уменьшение массы. И оказывается, что при образовании одного килограмма гелия дефект массы составляет 80 граммов. При этом выделяется энергия, равная примерно 4,47∙10²⁸ Мэв, или 1,7∙10¹¹ больших калорий, что равноценно теплу, получающемуся при сгорании 20 тысяч тонн угля.

3

За единицу массы в атомной физике, так же как и в химии, обычно принимается ¹/₁₆ массы атома кислорода.