logo search
Макарычев С

3.3. Процессы в микромире

Энергия связи ядра (дефект массы)

Масса ядра определяется массой входящих в его состав нейтронов и протонов. Поскольку любое ядро состоит из Z протонов и N нейтронов, то N = А – Z (А – число нуклонов в ядре или массовое число). На первый взгляд масса ядра должна просто равняться сумме масс протонов и нейтронов. Однако, как показывают результаты измерений, реальная масса всегда меньше этой суммы. Их разность получила название дефекта масс.

Энергия – одна из важнейших характеристик любых физических процессов. Представим мысленно процесс, при котором ядро образуется из отдельных протонов и нейтронов путем их последовательного соединения. Сцепление частиц происходит под действием ядерных сил. При этом как только два нуклона окажутся в пределах зоны действия ядерных сил, они начинают под их действием двигаться навстречу друг другу с быстро нарастающей скоростью, так что в момент столкновения будут обладать большим запасом кинетической энергии. Затем либо частицы снова израсходуют запас энергии на преодоление сил ядерного притяжения, либо лишняя энергия уйдет из системы в виде фотона. В последнем случае нуклоны окажутся крепко связанными друг с другом, так как в системе не осталось энергии на преодоление ядерных сил. Выделение энергии в виде излучения будет происходить при присоединении каждого следующего нуклона, в результате чего в процессе образования ядра в пространство уйдет значительное количество энергии.

В этом смысле разорвать ядро на отдельные нуклоны можно, лишь введя в него извне каким-либо способом энергию не меньше той, что выделилась в процессе его образования. Это и будет полной энергией связи ядра (Есв). С энергией ядра непосредственно связано происхождение дефекта масс. В соответствии с формулой

Есв.= mс2

уменьшение энергии системы при образовании ядра на какую-то величину должно неизбежно приводить к уменьшению общей массы. Такое изменение массы происходит при любых процессах, связанных с передачей энергии. Но в привычных для нас явлениях изменения массы относительно малы и незаметны. В ядерных же из-за большой величины ядерных сил изменения массы весьма значительно. Так, для ядра неона дефект массы составляет почти 1% массы ядра.

Взаимопревращения элементарных частиц

Энергия связи. Если разделить величину «ушедшей» при образовании ядра энергии на полное число нуклонов, то получится средняя энергия связи, приходящаяся на один нуклон в ядре, или удельная энергия связи, равная Есв./А. Удельная энергия связи зависит от массового числа. Для большинства ядер значения средней удельной энергии связи оказываются примерно одинаковыми (исключение составляют легкие и тяжелые ядра).

У каждого нуклона есть ограниченный запас возможностей взаимодействия, и если этот запас уже израсходован на связь с двумя-тремя соседними нуклонами, то остальные связи оказываются ослабленными даже на очень близких расстояниях.

Наиболее прочными являются ядра со средними массовыми числами (например, Fe, Cu…). В легких ядрах все или почти все нуклоны расположены близко к поверхности ядра и поэтому не в полной мере используют свои возможности взаимодействия, что несколько уменьшает удельную энергию связи. С ростом массового числа увеличивается доля нуклонов, лежащих внутри ядра, которые свои возможности используют полностью, поэтому значение удельной энергии связи постепенно увеличивается. При дальнейшем увеличении массового числа начинает все сильнее сказываться взаимное отталкивание электрических зарядов протонов, которое стремится разорвать ядро и поэтому уменьшает удельную энергию связи. Это приводит к тому, что все тяжелые ядра оказываются нестабильными.

Естественная радиоактивность

В 1896 г. французский физик А. Беккерель обнаружил по почернению фотопластинки испускание солью урана невидимых лучей высокой проникающей способности. Вскоре он выяснил, что свойством лучеиспускания обладает сам уран. Радиоактивность оказалась привилегией самых тяжелых элементов таблицы Менделеева.

Радиоактивность – самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного элемента в изотоп другого, при котором происходит испускание электронов, протонов, нейтронов, ядер гелия (альфа-частиц). Было установлено, что радиоактивность – весьма распространенное явление. Атомные ядра, которые отличаются числом нейтронов и протонов, имеют общее название – нуклиды. Из 1500 известных нуклидов только 265 – стабильные. Среди элементов, содержащихся в земной коре, радиоактивными являются все с порядковыми номерами более 83, т.е. расположенными в периодической системе после висмута. У них вообще нет стабильных изотопов (изотопы – разновидности атомов одного и того же химического элемента, отличающиеся числом нейтронов в составе ядра). Естественная радиоактивность обнаружена у отдельных изотопов и других элементов. Природные радиоактивные изотопы испытывают распад, сопровождающийся испусканием альфа- или бета-частиц электронов. Электромагнитное излучение не приводит к превращениям элементов и потому не считается видом радиоактивных превращений.

В 1934 г. И. Жолио-Кюри (1897-1956) и Ф. Жолио-Кюри (1900-1958) наблюдали явление искусственной радиоактивности. В результате ядерных реакций (при облучении различных элементов альфа-частицами или нейтронами) образуются не существующие в природе радиоактивные изотопы. И. и Ф. Жолио-Кюри осуществили ядерную реакцию, продуктом которой был радиоактивный изотоп фосфора с массовым числом 30. Этот тип превращений называют бета-плюс распадом, тогда как под бета-минус подразумевается испускание электрона. В ходе бета – плюс распада заряд ядра уменьшается на 1. Такое же изменение происходит при так называемом орбитальном захвате: некоторые ядра могут захватывать электрон с ближайших оболочек. Это тоже вид радиоактивных превращений. Принято бета-плюс, бета-минус распады и эпсилон – захват объединять под общим названием бета-распада.

Радиоактивность характеризуется не только видом испускаемых частиц, но и их энергией, которая может в миллионы раз превосходить энергию химических процессов. Для каждого отдельного ядра предсказать заранее момент распада абсолютно невозможно. Время жизни ядра – случайная величина. На скорость радиоактивного распада нельзя повлиять внешними факторами – давлением, температурой и др. Спонтанный характер распада является одной из наиболее важных его особенностей. В этом заключается вероятностный характер естественной радиоактивности.

Хотя все ядра живут разное время от момента образования до момента распада, для каждого радиоактивного вещества существует вполне определенное среднее время жизни ядер, а скорость распада подчиняется закону радиоактивного распада.

Основные виды радиоактивного распада:

альфа- и бета-распады, деление

При исследовании излучения солей урана опыты показали, что оно неоднородно: одна его часть поглощается алюминиевой фольгой, а другая нет. Их назвали, соответственно, альфа- и бета-излучением. Альфа-частицы – это ядра атома гелия – 4 (), одни из самых простых и устойчивых ядер. Частицы в них связаны так прочно, что многим другим ядрам было бы энергетически выгодно распасться на α-частицы и более легкое ядро. Однако этого не происходит, распадаются лишь тяжелые элементы: уран, радий, торий и некоторые другие. Причина устойчивости ядер к α-распаду весьма необычна и объясняется квантовой механикой. Альфа-частица испускается тяжелым ядром и имеет при этом кинетическую энергию не более 10 МэВ. Теперь представим, что частица с такой энергией стремится проникнуть обратно, вглубь ядра. По законам классической механики это невозможно, силы электростатического отталкивания помешают ей войти в радиус действия ядерных сил, если энергия частицы не будет превышать некоторую критическую величину, так называемый потенциальный барьер. Величина барьера обратно пропорциональна радиусу ядра. Для близких к урану ядер () она составляет 30 МэВ. Выходит, что природа, «разрешив» прямой процесс распада, «запретила» обратный, однако по принципу симметрии во времени в микромире такого быть не может: любая система способна проходить все стадии некоторого процесса и в обратном порядке.

В отличие от классической механики, квантовая допускает прохождение частицы сквозь барьер – так называемый туннельный переход. При этом нельзя сказать с достоверностью, что это обязательно произойдет, но имеется определенная вероятность этого. Здесь играет роль соотношение неопределенностей. Вероятность тем больше, чем меньше разность «высоты барьера» и реальной энергии частицы и чем меньше масса частицы. Для многих ядер это ничтожно малая величина, и поэтому они не испытывают альфа-распада. В то же время периоды полураспада активных ядер меняются в очень широких пределах: от 7,13 ∙ 108 лет до 3 ∙ 10-7 с, в зависимости от проницаемости барьера.

ß-распад. Этот распад становится возможным тогда, когда замена в атомном ядре нейтрона на протон (или наоборот) энергетически выгодна, и получающееся новое ядро имеет меньшую массу покоя, т.е. большую энергию связи. Избыток энергии распределяется между продуктами реакции.

Различают три вида бета-распада:

Рис. 10. Схема распада нейтрона

Когда началось изучение ß-распада, о существовании нейтрино, обладающего огромной проникающей способностью, ничего не было известно. Загадка, с которой столкнулись экспериментаторы, – сплошной энергетический спектр излучаемых электронов. В процессе распада на долю дочернего ядра приходится ничтожная часть освобождаемой энергии. Вся она идет на электрон, и поэтому все ß-частицы должны были бы иметь одинаковую энергию, а на опыте испускались электроны совершенно разных энергий. В результате дальнейших экспериментов была выстроена теория бета-распада с участием электрически нейтральной и более легкой, чем электрон, частицы – нейтрино, обнаруженной в 1934 г. Э. Ферми (1901-1954). Граничная энергия ß-частиц колеблется от нескольких КэВ до примерно 17 МэВ, время жизни ядер – от 1,3 · 10-2 с до 2 · 1013 лет. Тенденция к ß-превращению возникает в силу наличия у изотопов избытка нейтронов по сравнению с количеством, отвечающим максимальной устойчивости.

Деление атомных ядер – это особый процесс, характерный только для самых тяжелых ядер, начиная от тория и далее в сторону больших порядковых номеров (Z). Этот процесс может происходить под действием различных частиц (в основном нейтронов) или спонтанно и носит характер ядерной реакции. Суть процесса деления состоит в раскалывании тяжелого ядра на два осколка с примерно равными зарядами и массами, причем в качестве сопутствующего излучения возникают также быстрые нейтроны и γ-кванты.

Чтобы деление произошло, ядро должно деформироваться, вытянуться, что требует первоначальных затрат энергии. Эту энергию оно получает при захвате какой-то частицы. Выделяющаяся при таком процессе энергия может оказаться достаточной, чтобы заставить ядро колебаться.

Другой способ – все тот же туннельный проход «под барьером». Он происходит при спонтанном делении. Чем тяжелее ядро, тем меньше период спонтанного деления. Ядра с Z > 120 должны делиться мгновенно.

Цепная реакция деления ядер урана. Эта реакция была открыта в 1939 г. Выяснилось, что при попадании в ядро одного нейтрона оно делится на две-три части. При делении одного ядра освобождается около 200 МэВ. На кинетическую энергию движения осколков уходит около 165 МэВ, остальное уносит γ-излучение (часть электромагнитного излучения с очень малой длиной волны) – поток фотонов. Можно подсчитать, что при полном делении 1 кг урана выделится 80 000 млрд Дж. Это в несколько миллионов раз больше, чем при сжигании 1 кг угля или нефти.

Также было обнаружено, что при делении ядер урана, кроме осколков, вылетают 2-3 свободных нейтрона. При благоприятных условиях они могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление (рис. 11).

Рис. 11. Цепная реакция

Практически осуществление цепных реакций затруднено некоторыми обстоятельствами. В частности, вторичные нейтроны способны вызывать деление лишь ядер изотопа урана с массовым числом 235: для разрушения же ядер изотопа 238U их энергия оказывается недостаточной. Необходимое условие для осуществления цепной реакции – наличие достаточно большого количества 235U, так как в образце малых размеров большинство нейтронов вылетает наружу, не взаимодействуя ни с одним ядром. Минимальная (критическая) масса для возникновения цепной реакции в чистом уране 235 составляет около 9 кг (объем порядка апельсина).

Термоядерные реакции. Так как между атомными ядрами на малых расстояниях действуют ядерные силы притяжения, то при сближении двух ядер возможно их слияние, т.е. синтез более тяжелого ядра. Чтобы ядра могли преодолеть электростатическое отталкивание и сблизиться, они должны обладать достаточной кинетической энергией. Соответственно, проще всего осуществляется синтез легких ядер с малым электрическим зарядом.

В природе реакции синтеза происходят в очень горячем веществе, например, в недрах звезд, где при температуре порядка 14 млн градусов (центр Солнца) энергия теплового движения некоторых частиц достаточна для преодоления сил отталкивания. Ядерный синтез, происходящий в разогретом веществе, называется термоядерным (рис. 12).

Рис. 12. Термоядерный синтез

Особенность термоядерных реакций как источника энергии – очень большое ее выделение на единицу массы реагирующих веществ – в 10 млн раз больше, чем в химических реакциях. Вступление в синтез 1 г изотопов водорода эквивалентно сгоранию 10 т бензина. В принципе уже сегодня энергию термоядерного синтеза можно получить на Земле. Нагреть вещество до звездных температур можно, используя энергию атомного взрыва. Так устроена водородная бомба, где взрыв ядерного запала приводит к мгновенному нагреву смеси дейтерия с тритием и последующему термоядерному взрыву. Но это неуправляемый процесс.

Для осуществления управляемого ядерного синтеза требуется несколько условий. Во-первых, нужно нагреть термоядерное горючее до температуры, когда реакции синтеза могут происходить с заметной вероятностью. Во-вторых, необходимо, чтобы при синтезе выделялось больше энергии, чем ее затрачивается на нагрев вещества (или, еще лучше, чтобы рождающиеся быстрые частицы сами поддерживали требуемую температуру). Это возможно при условии хорошей термоизоляции.

Легче всего осуществить синтез между тяжелыми изотопами водорода – дейтерием и тритием.

Пример реакции: +→++ Q.

Дейтерий имеется на Земле в огромных количествах в морской воде (1 атом на 6000 атомов водорода); тритий можно получить искусственно, облучая литий нейтронами.

Для осуществления термоядерной реакции наиболее выгодна температура около 100 млн градусов. Что касается времени удержания энергии, т.е. качества изоляции, то в данном случае условие следующее: плазма с плотностью 1014 ионов в 1 см3 должна заметно остывать не быстрее чем за 1 с.

Удержание плазмы от попадания на теплоизолирующие стенки осуществляется при помощи магнитных полей, направляющих поток частиц по спирали, замкнутой в кольцо. Так как плазма состоит из ионов и электронов, магнитное поле имеет на нее прямое влияние.

Для нагрева можно использовать ток, протекающий по плазменному «шнуру». Есть и другие способы нагрева – высокочастотными электромагнитными волнами, пучками быстрых частиц, световыми пучками, генерируемыми лазерами. Чем больше мощность нагревающего устройства, тем быстрее можно нагреть плазму до требуемой температуры. Последние разработки позволяют это делать за столь малое время, что вещество успевает вступить в реакцию синтеза раньше, чем разлететься из-за теплового движения. В таких условиях дополнительная термоизоляция оказывается ненужной. Единственное, что удерживает частицы от разлета, это их собственная инерция. Поэтому инерционный термоядерный синтез усиленно развивается в последнее время.