Физика в технике - [18]
Ядерная физика и ядерная энергетика
После открытия Анри Беккерелем в 1896 году радиоактивности урана в физике появилось новое направление — ядерная физика, изучающая свойства и строение атомных ядер.
Представления об атомном ядре менялись по мере накопления количества наблюдений и экспериментов с «элементарными» частицами.
Пьер и Мария Кюри, Э. Резерфорд и другие ученые открыли три типа радиоактивных ядерных излучений: излучение α-частиц (ядер атомов гелия); β-излучение, т. е. излучение потока электронов атомными ядрами; γ-лучи — электромагнитное излучение, подобное свету, но с очень короткой длиной волны.
Каждое из этих излучений возникает при распаде атомных ядер и является, таким образом, одним из источников нашего познания о строении и свойствах ядер.
В 1932 году советский физик Д. Д. Иваненко высказал гипотезу, согласно которой атомные ядра рассматривались как состоящие из положительно заряженных частиц — протонов и нейтральных частиц — нейтронов, открытых незадолго перед этим англичанином Дж. Чедвиком при облучении элемента бериллия α-частицами.
В дальнейшем с развитием квантовой механики и экспериментальной ядерной техники появилась теория различных ядерных процессов, а также выявлен характер и особенности ядерных сил, действующих между протонами и нейтронами, находящимися на весьма близких расстояниях. Немалая заслуга в этом принадлежит советским физикам И. М. Франку, Л. В. Грошеву, А. И. Алиханову, Д. Д. Иваненко и др., труды которых наряду с работами Гейзенберга, Бора и Ферми послужили основой, на которой была построена современная теоретическая ядерная физика.
Что же представляют собой атомные ядра и каким образом происходит выделение внутриядерной энергии?
Как известно, атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, устойчиво соединяющихся в определенных соотношениях друг с другом. Самое легкое атомное ядро — ядро атома водорода — состоит из одного протона, ядро тяжелого водорода (дейтерия) — из протона и нейтрона (рис. 20).
Чтобы сложное ядро существовало устойчиво, число нейтронов и протонов должно быть одинаковым у более простых ядер, но у тяжелых ядер число нейтронов должно превышать число протонов в определенном соотношении.
Протоны несут на себе положительные электрические заряды и поэтому отталкиваются друг от друга. Нейтроны нейтральны, и на них не действуют никакие силы (кроме силы тяжести). Все это справедливо только до тех пор, пока протоны и нейтроны находятся друг от друга на расстоянии, значительно превышающем их собственный диаметр. Если же эти частицы подходят очень близко друг к другу, возникают силы притяжения, во много раз превышающие электрическое отталкивание протонов и сжимающие протоны и нейтроны в очень плотное, и очень небольшое по своим размерам атомное ядро.
Известно, что энергия движения частиц вещества выражается температурой: чем больше энергия вещества, тем выше температура. Например, чтобы сблизить ядра атомов водорода, нужно нагреть водород примерно до сотни миллионов градусов. Если необходимое сближение достигнуто и ядерные силы начали действовать, энергия, выделяемая ядерными силами, покидает атомное ядро или в форме нескольких мощных фотонов, или в виде энергии движения одной или нескольких частиц, выброшенных из ядра.
Энергия, выделяющаяся при образовании атомных ядер химических элементов, настолько велика, что заметно уменьшает массу и вес ядра. По этому уменьшению массы можно очень, точно и сравнительно просто определять энергию образования атомных ядер всех известных видов.
Таким образом, атомные ядра с энергетической точки зрения напоминают молекулы. Так же как молекулы образуются из атомов, ядра образуются из нуклонов, т. е. из протонов и нейтронов. Энергия выделяется как при образовании молекул, так и при образовании атомных ядер. Прочность молекулы тем больше, чем больше энергии выделяется при ее образовании. Прочность атомного ядра также увеличивается при увеличении энергии его образования. При этом в обоих случаях подразумевают удельную энергию, отнесенную к единице массы.
Разница между молекулами и атомными ядрами, несмотря на рассмотренное сходство, все же чрезвычайно велика. Размеры ядер в сотни тысяч раз меньше размеров самых небольших молекул, хотя массы их отличаются сравнительно незначительно. По энергии образования атомные ядра превосходят молекулы в десятки и сотни миллионов раз.
Энергия образования атомного ядра, отнесенная к единице массы или к одному нуклону, зависит от атомного веса ядра, который выражается числам, равным числу нуклонов в ядре. При увеличении атомного веса энергия образования ядра (отнесенная к одному нуклону) сначала растет и достигает максимального значения для железа и смежных с ним химических элементов (рис. 21). Это объясняется тем, что при увеличении массы ядра число взаимодействующих частиц растет и их взаимное притяжение усиливается, поскольку каждую частицу-нуклон притягивают все остальные. Такое увеличение наблюдается при изменении атомного веса с 1 до 56 (железо).
При дальнейшем возрастании атомного веса размеры ядер становятся настолько значительными, что взаимное притяжение нуклонов снижается и энергия образования атомного ядра, отнесенная к одному нуклону, уменьшается при увеличении атомного веса от 56 (железо) до конца периодической системы элементов.
