Термоядерное оружие - [14]
При падении гири со шкафа на полку лишь часть запасенной потенциальной энергии перейдет в кинетическую. При падении же гири на пол весь запас потенциальной энергии окажется израсходованным.
Когда происходит реакция соединения водорода с кислородом, освобождается потенциальная (скрытая химическая) энергия, которая может перейти в тепло, электрическую, кинетическую или другие виды энергии. При этом потенциальная энергия может лишь частично перейти в тепло, если водород с кислородом образуют перекись водорода, как схематически показано на рис. 10,б. Если водород с кислородом образуют воду, то потенциальная химическая энергия полностью переходит в тепло или другие виды энергии. В этом примере потенциальная энергия связана с наличием междуатомных химических сил притяжения, имеющих электрическую природу.
Так как нуклоны притягиваются друг к другу с огромной силой, то всегда при образовании из них различных ядер освобождается потенциальная ядерная энергия, которая переходит в тепло, лучистую и другие виды энергии.
Если 92 протона и 143 нейтрона соединятся, образовав ядро урана 235, то при этом выделится не вся потенциальная ядерная энергия протонов и нейтронов, как схематически показано на рис. 10,в. Чтобы израсходовалась вся потенциальная энергия протонов и нейтронов, они должны образовать ядра ксенона 141 и стронция 92. Ясно, что в ядре урана 235 еще заключается некоторый запас потенциальной ядерной энергии, которая и выделяется при его расщеплении с образованием ядер ксенона 141, стронция 92 и трех нейтронов. При этом потенциальная ядерная энергия переходит в кинетическую энергию движения образовавшихся частиц и в другие виды энергии.
Рассмотренные три примера перехода потенциальной энергии в другие виды энергии имеют много общих черт. Это указывает на существование общего закона природы, управляющего подобными процессами.
Рассмотрим теперь процессы перехода потенциальной химической и ядерной энергии в другие виды энергии с иной точки зрения.
Ясно, что чем больше химические силы, связывающие атомы в молекуле вещества, тем большее количество энергии выделится при образовании соответствующих химических соединений и тем устойчивее будут молекулы этих соединений. Так, химические силы, связывающие атомы водорода и кислорода в молекуле воды, весьма велики, вследствие чего при образовании воды из водорода и кислорода выделяется большая энергия — около 30 000 кал тепла на 1 г водорода. Эта энергия называется энергией связи атомов.
Химические силы, действующие между водородом и кислородом в молекуле перекиси водорода, несколько меньше. При образовании перекиси водорода из водорода и кислорода на каждый грамм участвующего в реакции водорода выделится только около 20 000 кал. Значит, молекулы перекиси водорода менее устойчивы, чем молекулы воды. Именно поэтому перекись водорода самопроизвольно может разлагаться на кислород и воду.
Одним из важнейших законов природы является закон сохранения энергии. Этот закон гласит: энергия не создается из ничего и не исчезает; она только может переходить из одного вида в другой. Из этого закона мы можем сделать практический вывод для нашего примера. Если на 1 г водорода при образовании воды выделяется 30 000 кал тепла, а при образовании перекиси водорода — 20 000 кал, то, следовательно, согласно закону сохранения энергии при разложении перекиси водорода с образованием воды и кислорода выделится 10 000 кал тепла на 1 г водорода.
Такие химические соединения, как взрывчатые вещества, отличаются недостаточно прочными связями между атомами. Молекулы взрывчатых веществ неустойчивы и могут распадаться, образуя более простые, но более устойчивые вещества.
Следовательно, при химических реакциях энергия в одних случаях выделяется при образовании сложных веществ из более простых (такая реакция называется синтезом или реакцией соединения), а в других случаях — наоборот, при распаде неустойчивых сложных веществ (такая реакция называется реакцией разложения).
Подобные явления наблюдаются и при ядерных процессах, только, энергия, освобождающаяся при этом на 1 г вещества, в миллионы раз превосходит величину химической энергии, приходящейся на 1 г вещества, вступающего в химическую реакцию.
При делении некоторых тяжелых ядер (например, урана, плутония) выделяется огромное количество энергии. Известны случаи, когда энергия выделяется при образовании сложных ядер из более простых или из протонов и нейтронов, например, внутри Солнца и звезд или при взрыве термоядерных бомб.
Несколько примеров ядерных реакций синтеза, при которых выделяются огромные количества энергии, приведено в табл. 2.
Таблица 2
| Выделение энергии при образовании некоторых элементов из нуклонов | |||
|---|---|---|---|
| Число нуклонов | Название элемента, атом которого образуется | Выделение энергии на каждый грамм вещества в млрд. кал | |
| протонов | нейтронов | ||
| 2 | 2 | Гелий | 165 |
| 1 | 1 | Дейтерий | 25 |
| 3 | 4 | Литий | 128 |
| 42 | 54 | Молибден | 198 |
| 50 | 70 | Олово | 198 |
| 92 | 143 | Уран 235 | 177 |
Из этой таблицы видно, что ядра урана являются менее устойчивыми, чем ядра молибдена или олова. Малоустойчивые ядра могут распадаться, образуя ядра более устойчивых элементов. Ядра урана, например, могут распадаться на ядра бария и криптона или на ядра олова и молибдена. Так как при синтезе ядер атомов олова и молибдена выделяется 198 млрд.
