Реклама на сайте (разместить):



Реклама и пожертвования позволяют нам быть независимыми!

Атомная энергия

Материал из Викизнание
Перейти к: навигация, поиск

Атомная энергия. Соде р ж а н и е: I. Ядерные превращении, их типы и способы осуществления .....................437

II. Ндсрнь:е реакции и выделение атомио» энергии . 439 III. Практическое применение атомной энергии . . 441

IV. Определение запасов атомной энергии .....441

V. Изаимодействие нейтронов с ядрами ......445

VI. Источники атомной энергии............448

Атомная энергия - энергия, выделяемая в результате процессов, происходящих п наиболее глубоких центральных частях атомов, в так называемых атомных ядрах.

I. Ядерные превращения, их тины и способы осуществления.

Атомные ядра (см.) представляют собой образования (имеющие размеры весьма малые в сравнении с размерами самих атомов), построенные из так называемых элементарных частиц - цротонов и нейтронов. Протон, ядро атома водорода, - элементарная частица, заряженная положительным электрическим зарядом, по величине равным заряду электрона, но противоположным по знаку. Нейтрон- электрически нейтральная частица, имеющая массу, весьма близкую к массе протона. Некоторые ядра со временем испытывают т.н. спонтанные, т.е. «самопроизвольные», превращения без внешнего воздействия. Вместе с тем ядра могут изменяться вынужденно или искусственно в результате нек-рых сильных внешних воздействий. Можно различать два основных типа такого рода превращений.

1. Превращения, связанные с распадом ядер и происходящие в результате выбрасывания из данного ядра отдельной, простой или сложной, частицы или нескольких частиц, или же в результате «раскалывания» (деления) ядра на две примерно равные по массе части. Следуя общепринятой, хотя по существу и устаревшей, терминологии, мы условно относим к этой же категории ядерных превращений явления т. н. бета-распада. В этом случае наблюдается испускание ядром электрона, связанное с превращением внутри ядра одного из входящих в его состав нейтронов в протон. Или обратно, протона в нейтрон, если при бета-распаде испускается положительно заряженный электрон (позитрон).

2. Превращения, связанные с синтезом - образованием из данного ядра другого, более сложного ядра, путём присоединения к нему новой (простой или сложной) частицы.

Превращения атомных ядер, вызываемые искусственным путём в т. н. ядерных реакциях, обычно представляют собой сочетание двух вышеуказанных процессов: синтеза - присоединения или захвату

данным ядром новой частицы - с последующим (происходящим часто через ничтожно малое время) распадом образовавшегося промежуточного, более сложного ядра. Продуктом ядерной реакции является новое атомное ядро, образовавшееся взамен исходного, в результате взаимодействия данного исходного ядра с другой ядерной (простой или сложной) частицей.

Ядерные превращения могут происходить как с поглощением, так и с выделением энергии. Энергия (выделяемая или поглощаемая) в ядерных превращениях, как показывают соответствующие подсчёты и измерения, в миллионы раз больше энергии химических превращений. Необходимо, однако, иметь п виду, что, проводя такое сравнение, мы сопоставляем энергию, связанную в среднем с превращением какого-то определённого количества вещества в той или иной химической реакции, с одной стороны, с энергией превращения такого же количества вещества в результате нек-рого ядерного процесса, с другой стороны. Если, однако, в любом химическом процессе, применяемом для получения энергии (напр, путём сжигания топлива), мы без труда можем осуществить превращения вещества в любых, желательных для данных целей, количествах (обычно с полным, или практически с полным, использованием участвующих в данном процессе веществ), то использование значительных количеств веществ для выделения атомной (ядерной) энергии требует создания весьма сложных специальных условий.

Пользуясь циклотронами (см.), высоковольтными ускорителями и т. п. устройствами, применяемыми в ядерных исследованиях, можно осуществлять сотни различных ядерных реакций. Однако количество вещества, подвергающегося ядерным превращениям в этих случаях так же, к,ак и при «самопроизвольном» распаде радия и подобных ему радиоактивных элементов, оказывается ничтожным. В связи с этим и энергия, выделяемая при таких превращениях, незначительна. Радий, распадаясь, непрерывно выделяет тепло. Однако весьма сильный радиоактивный источник, состоящий из 1 г радия вместе с его продуктами распада, выделяет всего 136 кал в час (в виде тепла).

Известно, что атомы различных веществ сравнительно легко вступают в химические взаимодействия между собой (в результате чего происходят химические реакции), тогда как для осуществления ядерных реакций требуется применение специальных сложных, искусственно создаваемых условий. Причина этого в том, что атомные ядра (размеры которых ничтожны в сравнении с размерами атома) заключены в электронные оболочки, защищающие их от воздействия посторонних атомов. В любом твёрдом или жидком теле электронные оболочки соседних атомов постоянно соприкасаются. Такая близость оболочек атомов в химически реагирующих между собой тел ах может оказаться достаточной для осуществления данного химического превращения. Расстояние же между ядрами этих атомов, находящихся в центрах таких соприкасающихся оболочек, остаётся в десятки или сотни тысяч раз большим того расстояния, до к-рого эти ядра должны сблизиться для того, чтобы между ними осуществился контакт, необходимый для ядерного превращения. Сближение ядер до меньшего расстояния не происходит ввиду того, что оболочки (вследствие электрич. отталкивания между ними) оказываются взаимнонепроницаемыми. Впрочем, и взаимодействие ядер, освобождённых от своих электронных оболочек, при обычных условиях также не могло бы осу ществиться само собой, вследствие отталкиватель-ных сил между положительно заряженными ядрами. Для того, чтобы осуществить соударение ядра атома с посторонней ядерной частицей, физики с давних пор прибегают к следующему методу. Во-первых, путём особых приёмов, ядра каких-либо лёгких атомов (чаще всего водорода и гелия) освобождаются от своей электронной оболочки. Такие «голые» ядра разгоняются (в циклотронах или других ускорительных установках) до очень больших скоростей, при к-рых они могут проходить через электронные оболочки любых атомов. Мишень из вещества, в к-ром желательно осуществить ядерные превращения, подвергается бомбардировке быстрыми частицами, к-рые можно уподобить ядерным снарядам. Попадание такого снаряда в ядерную мишень •- ядро какого-либо атома - может вызвать соответствующее ядерное превращение.

В течение долгого времени эффективность такой бомбардировки была существенным образом ограничена тем, что в качестве снарядов цриходилосьполь-зоваться положительно заряженными частицами (например ядрами атомов гелия и водорода). Такие частицы при приближении к атомному ядру испытывают сильное отталкивание, поскольку само ядро также обладает положительным зарядом. Если скорость частицы недостаточно велика, то это отталкивание воспрепятствует её сближению с ядром при соударении. Для того, чтобы сделать возможным такое сближение, необходимо достижение больших скоростей, к-рые у ядер тяжёлых атомов оказываются весьма высокими. При этом, даже если такая скорость и сообщена частице в ускорителе, то по мере того, как эта частица пронизывает вещество бомбардируемой мишени, скорость постепенно рас ' трачииастся. Как показывают расчёт и опыт, при тех скоростях, к-рые достигаются в обычных ускорителях, частица бесполезно растрачивает практически всю свою энергию, прежде чем она натолкнётся на своём пути на атомное ядро (вероятность столкнове | ння её с атомным ядром чрезвычайно мала, вследствие ничтожных размеров последнего). Наконец, если даже ядерное столкновение и произойдёт, то оно лишь сравнительно редко сопровождается данным ядерным превращением. После того, как скорость частицы уменьшилась ниже известного предела, она уже не может вызвать ядерного превращения, т. к. положительно заряженное ядро отталкивает её от себя. Вследствие этого при использовании положительно заряженных ядерных снарядов большая часть этих снарядов растрачивается беспо • лезно. В случае попадания частицы в ядро, при соответствующим образом подобранной мишени, может быть выделена значительная энергия, но много раз превосходящая энергию самой частицы-снаряда. Но если подсчитать, сколько энергии потрачено на снаряды, растраченные понапрасну, и сколько получено взамен, в результате попаданий незначительной части таких снарядов, то выигрыш энергии оказывается ничтожно малым в сравнении с бесполезно растраченной энергией.

Положение несколько изменяется, если для обстрела ядер воспользоваться ядерными частицами, не несущими на себе электрич. заряда, - электрически нейтральными частицами - нейтронами. Такие частицы могут вступать по взаимодействие с ядрами и после того, как они замедлились до очень малой скорости. Оказывается, что вероятность столкновения и взаимодействия нейтрона с ядром при этом даже значительно возрастает. Использование нейтронов как эффективных возбудителей ядерных реак ний (после открытия нейтронов в 1932) весьма расширило возможности осуществления этих реакций.

II. Ядерные реакции и выделение атомной энергии.

При надлежащих условиях нейтроны могут быть использованы так, чтобы каждый затраченный нейтрон вызывал то или иное превращение одного атомного ядра. Если, однако, сравнить потери и полученный выигрыш энергии, то и в этом случае итог оказывается резко отрицательным: произведённые затраты в тысячи раз превышают выигрыш. Причина этого состоит в том, что сами нейтроны получаются в результате определённых ядерных реакций, для осуществления к-рых приходится использовать в качестве снарядов заряженные частицы. Получение каждого нейтрона связано, следовательно, с такой затратой энергии, для покрытия к-рой необходимо было бы подвергнуть ядерным превращениям тысячи ядер, тогда как в обычных условиях каждый нейтрон вызывает только одно такое превращение. Отсюда ясно, что для использования ядерных реакций, вызываемых нейтронами, необходимо осуществить такие условия, чтобы за счёт каждого затраченного нейтрона получалось, в результате ядерных процессов, ббльшсе количество новых нейтронов. В конце 30-\ гг. были открыты новые явления, к-рые сделали возможным решение этой задачи, чем и были созданы предпосылки для практического использования А. а. путём осуществления своеобразного цепного ядерного процесса - «цепной ядерной реакции».

Как указано выше, для освобождения А. э. требуется, чтобы один затраченный нейтрон мог в ходе данного процесса создать большое число новых нейтронов. Если, например, созданы такие условия,

что, во-первых, ко-эфицнент использования нейтрона для данной реакции равенедшшце, т. е. что каждый появившийся нейтрон и конце-кон-цов вызывает данное ядерное iipo-1 вращение, и если, во-вторых, это цре • вращение таково,

что оно связано с испусканием, например, двух или большего числа нейтронов взамен одного поглощённого, то ясно, что созданы условия для лавинообразного накопления потока нейтронов - в том случае, если вновь образовавшиеся нейтроны также смогут вызывать дальнейшие превращения (см. рис. 1). Практически коэфициент использования нейтронов всегда меньше единицы. С другой стороны, при коэфициоите использования, равном единице, требование, чтобы взамен одного поглощённого нейтрона появлялось два (или большее число) новых нейтронов, было бы чрезмерно. Для осуществления ценного процесса необходимо только, чтобы произведение коэфпциента использования на число появляющихся вновь нейтронов было больше единицы. Число нейтронов в принципе может нарастать неограниченно или, во всяком случае, до тех пор, пока не будет израсходована значительная часть того ядерного вещества, в котором данная реакция протекает. При описанных условиях отпадает необходимость создавать заранее, искусственным путём, какие-либо потоки нейтронов. Для возникновения

гпс. 1.

данного процесса достаточно появления одного нейтрона, возникшего в ядерной среде, к-рая может поддерживать этот процесс. Т. к. нейтроны, хотя и в очень малом числе, постоянно образуются в природе под действием космических лучей и иными путями, то цепной процесс возникнет (и будет поддерживаться) сам собой, как только будут созданы условия для его поддержания.

В 1939 О. Ган и Ф. Штрасман открыли новое явление - деление ядер атомов урана и тория при поглощении этими ядрами нейтронов. В результате захвата 1 нейтрона ядра атомов этих элементов распадаются на 2, приблизительно одинаковых по массе осколка, причём на каждое распавшееся ядро выделяется энергия порядка 3'10~4 эрга, которая в десятки раз больше энергии, выделяемой обычно при других ядерных превращениях. Как было установлено позже, каждый акт деления сопровождается испусканием в среднем более двух нейтронов взамен одного поглощённого.

Таким образом, если действительно можно создать условия, при к-рых коэфициепт использования нейтронов близок к единице, то в соответствующем количестве урана сама собой возникнет описанная цепная реакция. В установках, созданных для этой цели и описываемых шике, называемых ядерными реакторами, или котлами, происходит выделение тепла (в весьма больших количествах при соответствующих размерах котлов) за счёт А. э. Это тепло может быть использовано для получения двигательной силы. Превращение путём ядерного деления 1 кг урана связано с выделением тепла в количестве, равном теплоте сгорания ок. 3 тыс. т угля.

Возбуждение цепного процесса может быть произведено в таких условиях, что выделяемое, практически мгновенно, тепло вызовет взрыв большой разрушительной силы. В качестве взрывчатого материала для этой цели мо/кст быть использован один из изотопов (см.) естественного урана, а также и нек-рые другие изотопы, получаемые искусственным путём как продукты ядерных реакций (см. Атомная бомба).

Такие вещества, к-рые способны под действием нейтронов подвергаться делению и к-рые, при соответствующих условиях, могут быть псиользованы для поддержания цепной ядерной реакции (а также и в качестве ядерных взрывчатых веществ), называются «ядерным горючим». В результате цепной реакции они, распадаясь, растрачиваются - «сгорают», выделяя тепло, хотя по существу происходящий при этом процесс не имеет ничего общего с процессом горения. Выделение (в цепном процессе) энергии ядерным горючим связано с распадом (делением) ядер атомов этого горючего.

Ядра атомов тех элементов, к-рые могут подвергаться делению, занимают места в конце периодической системы Д. И. Менделеева. Их способность к делению, сопровождающемуся освобождением весьма значительных количеств энергии, связана с тем, что они обладают значительным электрическим зарядом. Положительный электрический заряд ядра атома урана в 92 раза больше заряда протона - ядра атома водорода, занимающего первое место в системе Менделеева.

Механизм освобождения энергии при делении ядер урана и превращения сё в тепло весьма прост, и роль электрических зарядов в этом процессе проявляется весьма наглядно.

Процесс деления заключается в том, что ядро атома урана распадается на два осколка, каждый из них несет примерно половину заряда, которым

обладало первоначальное ядро. Эти осколки, отталкиваясь друг от друга, поскольку оба они заряжены одноименным положительным зарядом, разлетаются Е противоположных направлениях. Электрические силы отталкивания, разгоняя их до весьма больших скоростей, создают ту энергию (энергию движения-кинетическую энергию) этих осколков, к-рая, передаваясь затем другим атомам (в результате столкновения с ними осколков на своём пути), весьма быстро растрачивается, переходя в энергию беспорядочного теплового движения молекул среды, в к-рой происходит деление. Растраченная и рассеянная кинетическая энергия осколков идёт, таким образом, на нагревание этой среды.

Если для элементов конца системы Менделеева характерна тенденция к распаду, связанному с освобождением энергии, то, с другой стороны, рассматривая превращения наиболее лёгких ядер в самом начале системы Менделеева, можно заметить противоположную тенденцию: выгодными, в смысле выделения энергии, оказываются процессы синтеза более сложных ядер из простейших.

Рассмотрим пример такого простейшего превращения, представляющий интерес в связи с тем, что нек-рые теории связывают с ним возникновение энергии солнца и звёзд, именно образование ядра атома гелия-т.н. альфа-частицы,построенной из четырёх элементарных частиц (двух протонов и двух нейтронов).

Если бы четыре указанные частицы сблизились до расстояний порядка размеров атомных ядер, то они попали бы в сферу действия весьма мощных сил ядерного притяжения, к-рые проявляются только D пределах таких ничтожно малых расстояний (действуя между любой парой из указанных четырёх частиц). Эти силы могут при таких условиях связать их в устойчивую систему, представляющую собой ядро атома гелия. В процессе связывания четырёх частиц, составляющих ядро атома гелия, ядерные силы совершают значительную работу, к-рая затрачивается прежде всего на увеличение кинетической энергии самих этих взаимодействующих частиц: по мере сближения друг с другом они разгоняются ядерными силами до значительных скоростей. Устойчивая система, к-рая характеризуется вполне определённой величиной энергии внутреннего движения составляющих её частиц, могла бы образоваться лишь в том случае, если избыточная энергия, возникшая за счёт работы ядерных сил, была бы отдана в окружающую среду.

Такая избыточная энергия может быть, например, отдана посредством излучения, подобно тому, как отдаёт свою энергию остывающее тело. Выделяемая при таком процессе избыточная энергия называется энергией связи ядра - в данном случае ядра атома гелия (ири этом предполагается, что в исходном состоянии четыре соединяющиеся частицы не обладают кинетической энергией). В случае данной реакции энергия эта относительно очень велика (порядка 5-Ю"5 эргя), хотя она всё же примерно в 8 раз меньше энергии деления ядра урана.

Вероятность того, что при каких-то условиях встретятся и сконцентрируются в ничтожно малом объёме четыре частицы, необходимые для построения ядра атома гелия, ничтожно мала. Хотя бы уже по этой причине нельзя ожидать (с учётом условий, господствующих в настоящее время во Вселенной), чтобы рассматриваемый процесс происходил в действительности так, как он был нами описан. Он может, однако, осуществиться иным способом, а именно, если нек-рое постороннее ядро выполнит роль посредника-собирателя тех частиц, к-рые необходимы

для осуществления данного процесса. Онп могут накопиться внутри такого постороннего ядра постепенно, в результате повторного захвата им этих частиц последовательно, одна за другой, при ядерных столкновениях, к-рые могут произойти в течение, может быть, весьма длительного времени. Процесс синтеза может произойти вслед за захватом последней из четырёх частиц, необходимых для его осуществления. Этот процесс происходит тогда в недрах поглотившего все четыре частицы ядра посредника (или, как говорят, катализатора), после чего образовавшаяся внутри него а-частица (ядро атома гелия) выбрасывается наружу.

Окончательный итог тот же - из четырёх исходных частиц образовалось ядро атома гелия. Других же изменений но произошло, ибо ядро, накапливавшее соединившиеся частицы, возвращается в первоначальное состояние. В результате освобождается вполне определённая энергия - энергия связи ядра гелия. Она выделяется в виде кипетич. энергии выброшенной а-частицы и в виде энергии излучений, связанных с предварительными стадиями процесса.

Согласно гипотезе Бете, в условиях, господствующих внутри солнца и зпёзд, может происходить процесс, подобный описанному. Синтез ядра атома гелия служит, по Бете, источником энергии солнца.

Изложенное объяснение происхождения солнечной энергии основывается на предположении, что температура внутри солнца достигает двадцати миллионов градусов. При такой температуре скорости, к-рыми по расчёту должны обладать частицы, становятся в какой-то мере сравнимыми со скоростями, достигаемыми искусственным путём п современных ускорительных установках (циклотронах и т. п.).

Атомы не могут существовать в условиях теплового движения при таких скоростях, так как они должны потерять свои электронные оболочки при первых же столкновениях с другими атомами. Среда, нагретая до такой температуры, состоит из «голых» ядер и движущихся независимо от них электронов. Скорости теплового движения, к-рыми обладали бы эти ядра при указанной температуре, ужо достаточны для того, чтобы ядра более лёгких атомов могли в нек-рых случаях преодолевать тот «барьер» оттал-кивательных сил, к-рый при меньших скоростях препятствует сближению при столкновении их друг с другом. Таким образом, при условиях, к-рые по нек-рым астрофизическим данным господствуют внутри солнца и ярких звёзд, действие факторов, препятствующих возникновению ядерных взаимодействий в естественных условиях на земле, сказывается в значительно меньшой степени. Внутри солнца мыслимы условия, при к-рых сами собой могут возникнуть процессы взаимодействия и превращения ядер, которые можно назвать термоядерными реакциями. В частности, как сказано, имеются основания для предположения, что в условиях, имеющих место внутри солнца, может происходить процесс синтеза ядер гелия, подобный описанному выше. Роль посредника, или катализатора, выполняют ядра атомов углерода и ааота (см. об этом в конце статьи). Цикл, приводящий it синтезу ядра атома гелия, отличается от описанного выше по существу только тем, что во всех четырёх актах захвата, из к-рых он слагается, поглощаются протоны, т. с. ядра атомов водорода, содержащегося в веществе солнца. Однако в двух из этих четырёх случаев захвата поглощение протона сопровождается превращением его (внутри поглотившего его ядра) в нейтрон, с одновременным испусканием положительного электрона, так что результатом та кого цикла является накопление тех же четырёх частиц, составляющих ядро атома гелия. Весь процесс сводится в конечном итоге к превращению водорода в гелий.

Длятого, чтобы дать представление о малой вероятности термоядерного процесса, можно указать, что по подсчётам, для осуществления внутри солнца описанного цикла (приводящего к образованию одного ядра атома гелия) требуется время порядка пяти миллионов лет. Тем не менее, если указанная гипотеза верна, то ежесекундно солнце расходует десятки миллионов тонн содержащегося в нём водорода, превращая его в гелий.

III. Практическое применение атомной энергии.

Развитие практического использования Л. э. было в очень большой степени задер?кано империалистической политикой США, обратившей временное монопольное обладание секретом атомной бомба, (см.) в средство военной угрозы другим государствам. Однако в результате работ советских учёных и инженеров А. а. перестала быть американской империалистической монополией и может быть использована для мирных целей.

Применение в мирных целях установок, производящих энергию за счёт ядерного горючего, может быть двояким.

Во-первых, путём использования чрезвычайно цепных отходов этого произнодстиа, получающихся в виде разнообразного набора искусственных радиоактивных веществ, к-рые образуются в ядерных котельных установках.Такие искусственные радиоактивные вещества подобны по своим свойствам радию в том отношении, что они являются источником возникающих без постороннего воздействия излучений (радиоактивных излучений). Самый процесс деления ядер неразрывно связап с образованием таких веществ, так как осколки ядер атомов, составляющих ядерное горючее, образующиеся при его превращении, большей частью радиоактивны. Подвергаясь радиоактивному распаду, они, в свою очередь, превращаются в другие радиоактивные вещества. Кроме того, искусственные радиоактивные продукты можно получать из большинства обычных (нерадиоактивных) элементов, подвергая их действию тех мощных потоков нейтронов, которые создаются внутри установок, служащих для получения атомной энергии. Таким путём могут быть изготовлены в очень разнообразном ассортименте радиоактивные препараты, интенсивность к-рых не меньше интенсивности сильных препаратов радия. При большом же масштабе атомного производства радиоактивные отходы могут быть получены в количествах, намного превышающих по активности количества радия, добываемого из природных источников. Перспективы использования искусственных радиоактивных продуктов методом меченых атомов (см. Атомы меченые), как орудия исследования в лабораториях и для контроля различных технологич. процессов в производстве, исключительно обширны и многообещающи. Большое значение для применения в области биологии и медицины имеет то обстоятельство, что в радиоактивном состоянии, и в больших количествах, могут быть получены атомы различных элементов (таких, как углерод, фосфор, иод), входящих в состав организма человека и животных и играющих существенную роль в основных процессах живой природы. ' Во-вторых, путём прямого исиользования А. э. как источника двигательной силы. Радиоактивность, сопутствующая получению А. э., к-рая при больших мощностях неизбежно достигает очень больших ин 66 В. С. Э. т. 3.

тенсивностей, а также чрезвычайно сильное нейтронное излучение, неразрывно связанное с ценным ядерным процессом, существенно затрудняют использование этой возможности. Во избежание вредного или даже смертельного действия нейтронов и радиоактивных излучений, для эксплуатации любой мощной установки, производящей энергию за счёт ядерного горючего, необходимо окружение её толстостенными, весом во много тонн, защитными сооружениями из бетона или тому подобных материалов. Это значительно ограничивает возможности осуществления портативных лёгких атомных установок, приспособленных для питания, например, соответствующих двигателей для транспорта.

Встречается много технических, хотя и не принципиальных, трудностей также и при сооружении заводских стационарных энергетических установок, использующих ядерное горючее. В капи-талистич. странах, кроме этих технических трудностей, имеются, как указывалось, и другие причины-социально-политического и экономич. характера, тормозящие прогресс в данном направлении.

За годы второй мировой войны США, территория к-рых оставалась вне сферы военных действий, смогли, пользуясь тем, что всю основную тяжесть войны нёс на себе Советский Союз, осуществить интенсивную деятельность по развёртыванию ядерной промышленности с целью создания атомного оружия, изготовленного из ядерных взрывчатых веществ. Две изготовленные на построенных ими заводах атомные бомбы и были сброшены в 1945 в Японии на города Нагасаки и Хиросима.

После окончания войны обозначилась всё усиливающаяся тенденция Соединённых Штатов Америки, направленная к использованию достигнутого ими временного преимущества в области атомной техники. Продолжая и после окончания войны производство атомных бомб и направляя все имеющиеся ресурсы на усиление этого производства, империалисты в США стремятся использовать атомное оружие в целях давления на другие страны и подчинения их политике США, направленной к установлению мирового господства монополистического капитала США. Этой тенденции противостоит твёрдо проводимая СССР политика, направленная на запрещение атомного оружия, как оружия агрессии и массового уничтожения мирного населения, и к установлению эффективного международного контроля над производством А. э. для обеспечения использования её только в мирных целях.

Перспективы прогресса в области атомной техники зависят от успеха мирной советской политики, достижению целей к-рой в настоящее время препятствует империалистическая политика правительств капиталистич. стран, вытекающая из самой природы государственного строя в этих странах.

IV. Определение запасов атомной энергии.

Физики в настоящее время располагают весьма надёжными методами и данными для вычисления заранее энергетического эффекта различных мыслимых ядерных реакций. Можно заранее учесть запасы ядерной энергии, к-рыми располагают природные источники.

Прежде всего следует дать определение единицы энергии, к-рой обычно пользуются в ядерной физике. Если свободная заряженная частица, например электрон с зарядом е, начинает двигаться в электрическом поле, находясь в начальный момент времени на уровне потенциала V (т. е. и некоторой точке поля, значение потенциала в которой равно V), ВД

имея в этот начальный момент скорости, то она будет ускоряться силами электрического поля, двигаясь в направлении к поверхностям низшего уровня. В тот момент, когда она достигнет нулевого уровня (т. е. той точки её пути, где потенциал F=0), она будет обладать кинетической энергией E-eV.

В атомной физике за единицу энергии обычно принимают кинетическую энергию, к-рую приобретает электрон за счёт разгона в электрическом поле, на пути между началом и концом к-рого в данном электрическом поле поддерживается разность потенциалов, равная одному вольту. При пользовании такими единицами энергия электрона, к-рому сообщена скорость за счёт напряжения между электродами разрядной трубки, служащей для ускорения заряженных частиц, окажется численно равной напряжению (разности потенциалов) между этими электродами, выраженному в вольтах. Эта единица энергии, называемая электрон-вольтом (эз, или eV), получила широкое распространение. В единицах электрон-вольт удобно выражать энергию любых частиц, п том числе, например, и кинетическую энергию нейтральных частиц, в частности нейтронов, хотя такие частицы и не могут подвергаться разгону в разрядных трубках.

При образовании сложного атомного ядра (напр. гелия из четырёх составляющих его частиц) отдаётся наружу в той или иной форме всегда определённая энергия, равная энергии связи сложной частицы.

Каждая из частиц, составляющих данное ядро, в свободном состоянии (т. е. когда эти частицы разрознены) находится на определённом энергетическом уровне, считающемся нулевым; в связанном же состоянии, внутри данного ядра, она находится на другом уровне, «глубина» к-рого относительно нулевого уровня равна энергии связи, делённой на число составляющих ядро частиц. Величину, к-рая получается в результате такого деления, называют удельной (или рассчитанной на одну внутриядерную частицу) энергией связи. Для расчётов имеют значение только разности уровней энергии. Если провести произвольно один из уровней, то система всех остальных становится вполне определённой.

Представление о том, что каждая внутриядерная частица находится на определённом энергетическом уровне, как бы независимо от других частиц, - условно, но им можно пользоваться для определения энергетических соотношений, характеризующих ядерные реакции. Всякий раз, когда в результате ядерной реакции одна из частиц переходит из состава одного ядра в состав другого, происходит отдача наружу энергии, равной разности уровней, на к-рых находятся частицы данных двух ядер. При этом необходимо учитывать связанные с данной реакцией перемещения всех частиц ядра с одного уровня на другой, считая отданную энергию положительной, если речь идёт о перемещении вниз (т. е. с более высокого уровня на низший), или отрицательной - при переходе вверх. Учтя все перемещения частиц, связанные с данной реакцией, с одних уровней на другие и взяв их сумму, можно получить энергию, выделенную в результате данной реакции, если эта сумма оказалась положительной, или поглощённую, если она отрицательна. Диаграммы такого рода можно (пользуясь экспериментальными данными) построить для всей совокупности изученных в настоящее время ядер.

Рис. 2 даёт грубо схематический вид такой диаграммы; на ней отдельными горизонтальными отрезками обозначены уровни, отложенные по вер-ТИКАЛИ, как указано выше,- от произвольного нуле вого уровня, соответствующего свободной частпце; но горизонтали отрезки расположены так, что положение средней точки каждого отрезка соответствует массовому числу - числу частиц, составляющих данное ядро.

««V

РИС. 2.

Пользуясь диаграммой, можно, например, определить энергию деления ядер урана. Предположим для упрощения, что ядро атома урана, в состав к-рого входит 238 частиц (уровень энергии к-рых отмечен на рисунке), разделилось на два равных по массе одинаковых осколка, положение уровней коюрых близко к уровню Sn120, отмеченному в середине диаграммы. В результате деления 238 частиц, составляющих ядро атома урана, переместятся с верхнего уровня (урана) на низший уровень (осколков). Энергия, выделяемая в процессе деления, получится, следовательно, умножением разности уровней, определённой из диаграммы (разность между уровнями U238 и Sn120), на 238. Как видно, она оказывается равной приблизительно 200 млн. аз.

Поскольку в действительности осколки различны и уровни энергии частиц, составляющих их, несколько отличны, следовало бы эти частицы рассмотреть отдельно и значения, полученные для каждого осколка в отдельности (в результате умножения числа частиц на соответствующие разности уровней), сложить.

Если взять ядро атома какого-либо элемента в средней части таблицы Менделеева (представленного нек-рым уровнем в средней части диаграммы рис. 2) и поставить вопрос о том, какую работу надо затратить для того, чтобы оторвать от этого ядра одну из частиц, входящих в его состав, то диаграмма даёт возможность сразу же приближённо определить эту работу.

Частица, отделяемая от ядра, переводится на уровень энергии свободных частиц, т. с на нулевой уровень. Уровень всех остальных частиц, входящих в состав данного ядра, при этом несколько изменится. Это изменение будет не совсем одинаково в двух возможных случаях, т. е. в зависимости от того, отделён ли от ядра протон или нейтрон. Однако в том и другом случае оно может быть незначительно, если речь идёт о ядрах, относящихся к средней части таблицы Менделеева или к её концу. Если этим изменением можно пренебречь, то работа отрывания одной ядерной частицы оказывается приблизительно равной глубине уровня (соответствующего данному ядру) относительно нулевого уровня, т. е., как показывает диаграмма, примерно 7-8 млн. э>.

Если для отрывания внутриядерной частицы нужно совершить такую работу и, следовательно, затратить равное ей количество энергии, то, наоборот, при присоединении частицы к ядру такая же энергия будет выделена и отдана наружу в той или иной форме. Нейтроны, создаваемые различными способами в лабораториях, если они замедлились до незначительных (тепловых) скоростей, в конце концов захватываются тем или иным ядром и присоединяются к нему. Освобождаемая при этом энергия испускается чаще всего посредством гамма-излучения, подобного по своей природе свету, но, одна ко, с длиной волны ничтожно малой по сравнению с длиной волны видимого света и существенно меньшей длины волны рентгеновых лучей. Радиацию, испускаемую при захвате, удаётся наблюдать. Если при захвате нейтрона возникнет один квант f-излучения, энергия его окажется равной работе отрывания нейтрона; при излучении нескольких квантов сумма энергий всех излученных квантов равна этой величине. Явление захвата нейтронов ядрами имеет большое значение для тех расчётов, о которых будет сказано ниже. Если этот захват сопровождается (как обычно в случае медленных нейтронов) излучением, то этот процесс называется радиационным захватом.

Определённая выше удельная энергия связи в случае среднетяжёлых и тяжёлых ядер близка по величине к работе отрывания (или к энергии связывания) отдельной частицы. Такое совпадение не имеет места в случае лёгких ядер. Например, в результате отрывания протона от атома ядра гелия частицы остаточного ядра тритона - ядра атома трития (помеченного на диаграмме символом IIs) - оказываются на уровне, расположенном существенно выше уровня, соответствующего а-частице (Не4). Работа отрывания в этом случае должна быть вычислена согласно вышеуказанному общему правилу и окажется равной сумме удельной энергии связи ядра атома гелия плюс энергия, необходимая для того, чтобы поднять три ядерные частицы с низшего уровня (Не4) на высший (IIs).

В диаграмме рис. 2 ядра различаются по полному числу всех частиц, входящих в их состав. Если сопоставлять эту диаграмму с периодической системой Менделеева, то окажется, что в одну и ту же клетку таблицы Менделеева понадут несколько ядер различных масс. Химические свойства атома определяются числом электронов, составляющих его оболочку, практически независимо от того, какую массу (при заданном числе электронов в оболочке) имеет ядро атома. Число же электронов в оболочке нейтрального атома, в свою очередь, равно числу протонов, имеющихся в составе его ядра. При одном и том же числе протонов внутри ядра возможно существование нескольких устойчивых ядер, отличающихся по числу содержащихся в них нейтронов и имеющих несколько различные массы при одинаковом заряде. Соответствующие атомы называются изотопами (см.).

Свойства тяжёлых изотопических ядер, относительно лишь мало отличающихся по массе, могут быть весьма различными. Например, ядра атомов (основного изотопа) урана I, содержащие 238 частиц, хотя и могут подвергаться делению, но не являются ядерным горючим в том смысле, как указано выше. Свойствами ядерного горючего обладает лишь так называемый актиноуран, имеющийся в очень небольшом количестве в естественном уране (см. ниже).

Ядра атомов урана I отличаются от ядер актино-урана только тем, что по сравнению с последним они имеют в своём составе три избыточных нейтрона. Полное число частиц в ядре атома актпноурана - 235, а урана I - 238. В дальнейшем в соответствующих случаях для сокращения эти изотопы обозначим: уран 235 и уран 238. Для обозначения ядер определённых изотопов употребляются также символы соответствующего химического элемента с числовыми значками (справа и снерху), указывающими полное число частиц, из к-рого построено ядро атома данного изотопа. Например, Н3, Не4 и т. Л.

56*

Ядрам изотопич. атомов, даже и в случае тяжёлых элементов, соответствуют несколько различные уровни удельной энергии связи. Эти уровни, вообще говоря, не ложатся на плавную кривую, отклоняясь от средней кривой (схематически намеченной на рис. 2) в ту и другую сторону. Различие свойств урана 238 и урана 235 в отношении деления их нейтронами вызвано, напр., тем, что разность энергий связи ядер урана 236 и урана 239 (получающихся после захвата нейтрона ядрами урана 235 и урана ! 238) оказывается значительной- порядка 1 млн. эв. Остановимся на выяснении того, как могут быть получены из измерений данные для построения диаграммы рис. 2. Возможность получения этих данных основывается на общем законе взаимосвязи массы и энергии (см. Масса, Энергия, Относительности теория). Закон этот может быть формулирован в следующих положениях: 1) энергия любого вида связана с массой; 2) масса эта пропорциональна энергии и численно равна энергии, делённой на нек-рую постоянную (при любых условиях одну и ту же) величину (с2), равную квадрату скорости распространения света в пустоте.

Обратно, всякая масса (т) связана с нек-рым запасом энергии (Е), определяемым универсальным соотношением:

?=тс2. (1)

Экспериментальной основой фундаментального закона, выраженного уравнением (1), явилось открытие (1899-1901) знаменитым русским физиком П. Н. Лебедевым явления светового давления.

На основании закона взаимосвязи энергии и массы измерение энергии связи ядер, необходимое для построения диаграммы рис. 2, оказывается возможным путём определения масс (или как бы взвешивания) этих ядер, если воспользоваться соотношением (1).Например, известно, что при соединении двух протонов и дмух нейтронов в ядро атома гелия, так же как и при образовании любого другого ядра, выделяется значительная энергия связи Е, к-рап уно сптся с определённой массой ~ . Если точно определить массы частиц, составляющих ядро, взвешивая эти частицы в свободном состоянии (обозначим их сумму I'm), и, кроме того, массу М данного ядра, то, согласно (1), М должна быть меньше &и на ве Е личину -J-:

с .... ,, ^

Е

~~:с>

Если т и М точно определены, уравнение (2) даёт энергию связи Е.

Уравнение (2) показывает, что масса частиц уменьшается в процессе построения данного ядра. В результате «унаковки» частицы эти теряют какую-то долю своей массы.

Согласно (1), энергию, делённую на с2, можно выражать в единицах массы, к-рыми частой пользуются в ядерной физике. Такими единицами обычно пользуются при рассмотрении диаграммы, подобной той, к-рая дана на рис. 2. Эту диаграмму и соответствующую кривую обычно представляют как кривую дефектов массы. Дефектом массы нек-рого ядра можно было бы назвать величину, стоящую в левой части уравнения (2). Величину •""'"Г/-(где N -массовое число данного ядра, т. е. ближайшее к М целое число) можно было бы назвать удельным дефектом масс. Однако удельные дефекты масс и самые эти дефекты принято отсчитывать иначе и именно так, что дефект массы ядра кислорода условно принимается равным пулю. Это связано с тем,

что за единицу массы ядер и атомов принята масса, близкая к средней массе то0, которую имеет одна ядерная частица (протон или нейтрон), «упакованная» в ядре атома кислорода. Точнее голоря, этой единицей является одна шестнадцатая часть массы атома основного изотопа кислорода, а не массы ядра этого атома, как это следовало бы из сформулированного только что определения. Поскольку, однако, масса атома кислорода отличается от массы ядра этого атома всего примерно на одну четырёхтысячную часть этой последней величины, различие между двумя указанными определениями не велико, хотя нри тех точностях, к-рые требуются в нек-рых ядерных расчётах, пренебрегать им нельзя.

Если бы масса частицы, упакованной в каком-либо ядре, была бы та же, что и масса этой частицы внутри ядра атома кислорода, то при сделанном пы-боре веса атома были бы целочисленными. При выборе атома кислорода в качестве эталона массы это приближение к целочисленности оказывается лучшим, чем это было бы, если бы за единицу массы выбрать, например, массу атома водорода (к-рая существенно больше т„).

Пренебрегая указанной разницей между массой атома и его ядра, отождествим в первом приближении массу атома и его ядра.

Пусть средняя масса ядерной частицы внутри ядра атома кислорода, выраженная, например, в граммах, есть та (примерно 10~24 г), а масса такой же частицы в ядре с массовым числом N есть ту (N - число всех частиц, составляющих данное ядро). Тогда, в принятых единицах, масса этого послед него ядра равна N

Согласно определению т0,

отношение -_ равно единице для кислорода. В т„

случае же других ядер -- несколько отличается

от единицы (хотя и незначительно, если исключить самые лёгкие ядра), в связи с чем атомный вес

mv N = N -!~ не есть целое число. При всех условиях

m

А оказывается, однако, ближайшим к числу N -- це т. лым числом.

Величина, получаемая от деления разности $А между атомным весом и ближайшим к нему целым числом (к-рую принято называть дефектом масс) на массовое число данного атома, называется коэфи циентом упаковки Р = -^-.

Как следует из изложенного, коэфициент упаковки

mN „

N _ N

N

N

(3)

т ц отличается от та вследствие того, что удельные дефекты масс (см. цветную диаграмму в ст. Атомное ядро, стр. 456) различных ядер различны.

Величина PN даёт непосредственно (выраженную в массовых единицах) разность удельных энергий связи ядра ./V и ядра кислорода.

В самом деле, согласно определению

(4)

(5)

т„ = т,,- -,

16с'

где ЕХ и Еа - энергия связи ядра N и ядра кислорода соответственно.

Через топ обозначено нек-рое среднее из массы атома водорода и массы нейтрона (речь идёт о среднем значении массы в свободном состоянии, т. е. о средней массе всех тех частиц, из к-рых может быть составлено при соединении этих частиц данное ядро), так что входящая в уравнение (2) вели чина S»=./V>rc в (3), получаем:

j[

Подставляя (4) и (5)

JL^L = к« -р,

Л'т0с* 16muc2 ~

лг ЕЛГ is

Обозначив

<б)

?д/ есть именно та величина (названная выше удельной энергией связи), знание к-рой позволяет построить диаграмму рис. 2.

Уравнение (6) показывает, что если удельную энергию связи выражать в массовых единицах (т. е., выразив её, напр., в эргах, разделить на величину т0с2, также выраженную в эргах), то она получается вычитанием величины Ру-коэфи-циента упаковки для данного ядра-из нек-рой постоянной величины [равной, как можно убедиться, основываясь на уравнении (6), упаковочному коэфп-циенту Рп водорода]

-,i т„с'

Если атомные веса определены с достаточной точностью (а при современной технике измерений они определяются с очень высокой точностью), то уравнение (7) непосредственно даёт искомую удельную энергию связи ?лу.

При выводе (7) допускалась небольшая неточность: предполагалось при подстановке (4) и (5) в (3), что ти (см. выше) для любого атома то же, что и для атома кислорода, т. к. допускалось, что значение это одинаково в (4) и (5). Это было бы так, если бы массы протона и нейтрона были точно равны одна другой. Даже и при отсутствии такого точного равенства это было бы верно, если бы отношение числа нейтронов к числу протонов для всех ядер было одинаково. В действительности это отношение (равное единице для ядер начала таблицы Менделеева) сохраняется лишь в пределах первых рядов этой таблицы. При переходе же к концу периодической системы это отношение растёт. Вследствие этого величина С в уравнении (7) оказывается не внолне строго постоянной и несколько, хотя и очень мало, возрастает при переходе к более тяжёлым атомам, оставаясь строго постоянной величиной лишь для лёгких элементов.

В этом последнем случае С=0,0081.

Величина поправки, которую приходится вводить для того, чтобы учесть непостоянство значения С, не превышает, однако, одной десятой доли процента этого значения. Характерно всё же, что и такие поправки могут в некоторых случаях иметь значение при определении энергетического баланса ядерных реакций,

Кривая поличипы упаковочного коэфицпента приведена на цветной диаграмме (стр. 456). Ниже приводятся соотношения между различными единицами массы и энергии:

Мае = 1 ,07-10- 3 ME = 1,6-10-» эрга •= 4,45-10- !0 квт-ч.

ME = 931 Мэв = 1,49-10-' Яр1.а = 4,15-10-" квт-ч.

эрг = 671 ME = 6,24-10= Мм = 2,78-10-" квт-ч.

квт-ч. = 2, 41-Ю'8 МЕ= 2, 25-Ю1» Мое = 3,60-Ю13 эрга.

г= 9.1020 эрга = 25,02-10' квт-ч.

(Мэв- один миллион яв или мэгаплектроп-вольт; ME - 1 атомная единица массы, или 1 массовая единица).

Таким образом видно, что величина т0г2 в формулах (6), (7) равна т,,':2- 931 млн. аз=1,49-10~3 эрга.

В качестве примера применении закона взаимосвязи массы и энергии рассмотрим расщепление ядер лития протонами. Эксиерименталыю установлено, что при бомбардировке мишени из лития иротонами с энергией в несколько сот кэз происходит испускание а-частиц. При этом в отдельном элементарном акте расщепления испускаются две а-частицы, разлетающиеся в прямо противоположные стороны практически с одинаковыми скоростями (каждая из них имеет кинетическую энергию 8,55 Mai). Следовательно, данное ядерное превращение может быть записано следующей формулой:

Li' + H1- "Не*+Ие4.

На основании закона сохранения массы эта реакция может быть записана в виде равенства:

i+- TI = He4+IIe4+2 J1? ,

а

где символы Li, He и Н обозначают массы соответствующих атомов, находящихся в покое, Е\л, Eiie и ЕЦ - кинетич. энергию соответствующих частиц.

Исходя из значений масс атомов, измеренных в масс-спектрографе, находим для суммы масс атомов лития и водорода величину 8,02633 атомн. ед. и для масс двух атомов гелия 8,00777 атомн. ед. массы. Как видим, они неравны. Их разность составляет 0,01855 атомн. ед. массы, или, п переводе на энергию, 17,2 Мэв.

С другой стороны, энергия, выделяющаяся в дан-ной реакции, равна сумме кинетических энергии днух и-частиц - 2?Пе,'т. е. 8,55 Мэзх2 = 17,1 Мае (здесь пренебрегаете!! сравнительно малой кинетической энергией падающих протонов Еп и практически равной нулю SLJ). Сопоставление этих двух цифр показывает, что они одинаковы. Таким образом, здесь на конкретном примере подтверждается закон взаимосвязи массы и энергии. В данном случае происходит ядерная реакция, к-рая характерна также сравнительно высоким выделением энергии, составляющим 17 Мэв на один элементарный акт.

V. Взаимодействие пейтропов п ядрами.

Для освобождения А. э. весьма большое значение имеют действия нейтронов на ядра. Не обладая электрическим зарядом, нейтроны при прохождении через вещество ведут себя совсем иначе, чем положительно заряженные частицы: протоны, дейтроны, а-частицы.

В отличие от заряженных частиц нейтроны практически не вступают во взаимодействие с электронами атомной оболочки. Они теряют свою энергию только в результате взаимодействия с атомными ядрами. Результат взаимодействия нейтрона с атомным ядром может быть диояким: 1) сталкиваясь с ядром, нейтрон не вызывает его расщепления, но при соударении передаёт ому часть своей кинетической энергии, подобно тому, как это иро исходит при ударе двух

упругих шариков; в этих случаях говорят о рассеянии нейтронов атомными ядрами; 2) попадая в ядро, нейтрон вызывает его расщепление (эти расщепления могут быть весьма разнообразными). Этому процессу способствует то обстоятельство, что нейтрон, не обладая электрическим зарядом, не испытывает отталкивающего действия электрического поля ядра.

Остановимся сначала на рассеянии нейтронов ядрами. Известно, что когда один упругий шарик сталкивается с другим, более тяжёлым, то передаваемая энергия зависит от соотношения их масс. Чем тяжелее второй упругий шарик, тем меньшую долю своей энергии передаёт ему первый. Наибольшая передача энергии происходит при равенстве масс шарикои. Если при этом удар лобовой, то первый шарик передаёт полностью всю свою энергию второму, а сам останавливается. При косых ударах передаваемая доля энергии уменьшается, в среднем же, с учётом всех возможных случаев соударений, она составляет половину начальной энергии. Аналогичная картина имеет место и при столкновениях нейтронов с атомными ядрами, происходящих по законам «упругого удара».

Нейтроны, возникающие в различных ядерных превращениях, как правило, имеют энергию порядка одного или нескольких миллионов электрон-вольт. Такие нейтроны обычно называют быстрыми.

Допустим, что пучок таких нейтронов проходит через какое-либо тяжёлое вещество, например свинец, ядра которого во много раз тяжелее нейтронов. В таком веществе нейтроны в результате рассеяния на ядрах будут терять свою энергию очень малыми порциями и, следовательно, смогут проходить в нём большие расстояния, прежде чем потеряют значительную долю своей начальной энергии.

Совсем иная картина наблюдается, когда быстрые нейтроны проходят через вещества (например воду, парафин и т. д.), содержащие водород. В этом случае нейтрон при каждом соударении с протоном теряет в среднем половину своей энергии. Таким образом, его энергия очень быстро уменьшается. Быстрые нейтроны с начальной энергией в несколько Маз после 12-15 столкновений с иротонами становятся медленными, имеющими небольшую кинетическую энергию. Для них предельная энергия равна энергии теплового движения атомов (несколько сотых долей эк). В этом продельном случае говорят о тепловых нейтронах.

Быстрые и медленные нейтроны различаются между собой также и в отношении вызываемых ими ядерных расщеплений. Обычно вероятность расщепления ядер медленными нейтронами значительно больше, чем быстрыми. При этом, чем меньше скорость медленных нейтронов, тем эта вероятность больше.

Среди ядерных расщеплений, вызываемых медленными нейтронами, особенно большую роль играет рассмотренный выше процесс, называемый радиационным захватом. В этом случае происходит простой захват нейтрона ядром, не сопровождаемый выбрасыванием какой-либо вещественной частицы. В результате его в облучаемом веществе образуются ядра изотопа с массой на единицу большей. Эти ядра возникают, как принято говорить, в возбуждённом состоянии, поскольку нейтрон приносит в ядро избыточную энергию. Возникающая таким образом энергия возбуждения испускается в виде радиации, т. е. одного или нескольких квантов 7-лучей, о чём уже шла речь, когда рассматривалась работа связывания или отрыва ния частиц. Атомные ядра, возникающие при радиационном захвате нейтронов, обычно оказываются радиоактивными.

Радиационный захват практически не происходит при расщеплении атомных ядер быстрыми нейтронами. Здесь пдерноо превращение обычно сопровождается выбрасыванием одной из следующих частиц: нейтрона, протона, а-частицы.

При взаимодействии нейтронов с веществом во многих случаях проявляется своеобразное явление т. н. резонансного ядерного поглощен и я, представляющего большой практический интерес. Оно заключается в том, что ядра данного типа особенно сильно поглощают нейтроны вполне определённой энергии. Небольшое смещение от этой энергии в сторону больших или меньших значений приводит к резкому уменьшению поглощения.

10000

?

/000

е 345 ersat

100

10 i

0.01

3 4 5 S 7 SSI

10

Рис. 3.

Для примера на рис. 3 приведена кривая, показывающая зависимость вероятности поглощения нейтрона ядрами золота от его энергии. На рисунке в логарифмических масштабах отложена по оси абсцисс энергия нейтронов Еп в ав, по оси ординат - вероятность поглощения нейтронов ядрами золота в условных единицах. Из рисунка видно, что ядра золота очень сильно поглощают нейтроны с энергией около 5 эз. В этой области энергии поглощение нейтронов приблизительно в 70 раз сильнее, чем нри энергии в 1 ов.

Положение пиков резонансного поглощения характерно для ядер каждого сорта. Например, у золота этот пик лежит при энергии около 5 эв (см. рис. 3), у иода - около 100 эз и т. д. При этом у данного изотопа может иметься и несколько различных резонансных пиков.

У нек-рых элементов, например у кадмия, пик резонансного поглощения находится в области тепловых нейтронов, к-рые и в отсутствие резонанса весьма сильно поглощаются. Такие элементы являются особенно хорошими поглотителями тепловых нейтронов. Например, слой кадмия толщиной 0,5 мм практически полностью их поглощает. Подобные элементы, как выяснится ниже, находят большое практич. применение. Рассмотренное избирательное или резонансное поглощение нейтронов связано с внутренней структурой атомных ядер, а именно: с распределением их энергетич. уровней (речь идёт об

энергетических уровнях возбуждённых ядер). Его изучение позволяет получить ценные сведения о структуре ядер.

До 1939 были изучены сотни самых разнообразных искусственных ядерных превращений, вызываемых нейтронами, протонами, дейтронами, а-частицами и квантами -(-лучей. Все они сопровождаются обычно выбрасыванием одной из упомянутых частиц. В силу этого, образующиеся в результате реакции новые ядра по своей массе отличаются от исходных ядер не больше, чем на несколько единиц.

Исключительно важное значение имеет, однако, особый тип ядерных превращений при поглощении нейтронов, о котором уже шла речь выше, а именно вызываемое нейтронами деление атомных ядер. Выше указывалось, что явление деления ядер позволяет осуществить такие условия, при которых возникает цепная ядерная реакция. Если такие условия созданы, то цепная реакция возникает сама собой. Начало её может быть вызвано любым возникшим в данной системе одиночным нейтроном. Таковым может оказаться нейтрон, входящий в состав космических лучей или возникший в результате того или иного обычного ядерного расщепления.

Другим источником нейтронов может служить явление спонтанного деления ядер урана, открытое советскими физиками Г. Н. Флёровым и К. А. Петржаком, происходящее в отсутствие какого-либо внешнего воздействия. Это самопроизвольное деление ядер урана и тория, подобно делению их нейтронами, также сопровождается испусканием вторичных нейтронов, к-рые и могут вызвать начало цепного процесса. Оно происходит с очень малой вероятностью. Найдено, например, что 1 г урана в результате спонтанного распада испускает в 1 час несколько десятков нейтронов. Несмотря на это, спонтанное деление играет очень существенную роль, поскольку для запуска цепного процесса в принципе достаточно одного единственного нейтрона.

В реальных условиях ценной ядерный процесс развивается не так просто, как это было описано выше. Частично это связано с наличием бесполезной нотери нейтронов в системе, обусловленной поглощением их ядрами, не сопровождающимся делением, а частично с нек-рыми еще не рассмотренными особенностями деления. Одна из них заключается в следующем.

Естественный уран состоит из смеси трёх изотопов с массами 234, 235 и 238. Первым из них пренебрегают ввиду его очень малого содержания. Остальные два изогона, имеющиеся в естественном уране в количестве 0,7% и 99,3% соответственно, ведут себя в отношении деления нейтронами не одинаково. Опыт показывает, что основной изотоп урана с массой 238 делится только быстрыми нейтронами, энергия к-рых превышает некоторое пороговое значение, лежащее где-то между 1 и 2 Мае. В отличие от ^нсго, изотоп 235 делится нейтронами любых энергий. Однако с наибольшей вероятностью этот процесс протекает при малых энергиях нейтронов. Поэтому с хорошим приближением можно полагать, что в условиях котельных установок, к-рые будут описаны ниже, уран 235 делится в основном только медленными нейтронами.

Вторичные нейтроны, возникающие при делении урана, как показывает опыт, оказываются быстрыми, имея энергию около 1-2 Мэа. В первые моменты после появления они могут еще вызывать деление изотопа урана 238. Однако вероятность этого очень мала, так как нейтроны деления, взаимодействуя с ядрами, теряют свою энергию, и она быстро снижается

Ниже порогового значения для деления изотопа урана 238. Таким образом, основная доля делений должна происходить на изотопе 235. Деление этого изотопа с наибольшей вероятностью происходит в области малых энергий нейтронов. По этой причине нейтроны деления должны быть по возможности быстро и без заметных потерь переведены в область малых энергий, где они используются для деления ядер с гораздо большей эффективностью. С этой целью в систему, содержащую уран, добавляется лёгкое вещестио, называемое замедлителем. При столкновении с его ядрами нейтроны теряют свою энергию сравнительно большими порциями и быстро переходят в область малых энергии. Однако необходимо, чтобы примешиваемое лёгкое вещество, замедляя нейтроны, в то же время мало их поглощало, так как поглощение приводит к бесполезной их потере. В частности, именно по этой причине в качестве замедлителя не может быть использована обычная вода. Содержащиеся в ней протоны наиболее быстро снижают энергию нейтронов, но зато они сравнительно сильно их и поглощают. В качестве замедлителя приходится выбирать другие лёгкие вещества. Они по сравнению с водородом хуже замедляют нейтроны, но поглощают их очень мало. Такими веществами являются упоминавшаяся выше тяжёлая вода и углерод (графит). Последнее вещество в отношении замедления нейтронов менее эффективно, чем тяжёлая вода. Однако оно более доступно и поэтому находит большее применение.

Будем в дальнейшем для конкретности рассматривать системы, состоящие из урана и графита. В таких системах вторичные нейтроны, возникшие в результате деления ядер урана, быстро замедляются в графите и, достигая малых энергий, вызывают деление изотопа 235. Однако одновременно с процессом деления ядер происходят также и другие ядерные процессы, связанные с бесполезной потерей нейтронов. В основном потери вызываются тремя причинами:

1. Имеющиеся в системе медленные нейтроны, кроме деления ядер изотопа урана 235, могут претерпевать радиационный захват в уране 238. В результате захвата нейтронов ураном 238 образуется радиоактивный изотон урана с массой 239. Нейтроны поглощаются также ядрами замедлителя и других веществ, присутствующих в системе. Различают нормальный радиационный захват и описанный выше резонансный захват, хотя это последнее явление по существу представляет собой также радиационный захват.

2. Основной изотоп урана с массой 238 обладает резонансным поглощением при нек-рых дискретных значениях энергии. В этих областях энергий он очень сильно поглощает нейтроны, переходя в радиоактивный изотоп 239. Так как при замедлении быстрых нейтронов до медленных они проходят через промежуточные значения энергии, то часть из них попадает в области резонансного захвата урана 238 и бесполезно пропадает, не вызывая деления.

3. Некоторая часть нейтронов, возникших внутри системы, уходит через её внешнюю поверхность в окружающее пространство и остаётся неиспользованной в ценном ядерном процессе.

Если в системе, состоящей из урана и графита, хотят создать условия, необходимые для развития в ной ценного ядерного процесса, все эти бесполезные потери нейтронов должны быть сведены к минимуму. Рассмотрим, при каких условиях в такой системе может происходить развитие цепной ядерной реакции. Пусть один медленный нейтрон вызвал

деление ядра урана. Возникшие при этом вторичные нейтроны замедляются в графите. Часть из них исчезает бесполезно. Другая часть приводит к делению. Следовательно, не каждый возникший нейтрон вызывает в конце концов деление. Нейтроны используются для деления только в каком-то проценте случаев •- лишь с какой-то вероятностью, меньшей единицы. Зато, если деление произойдёт, то сразу возникнет 2-3 нейтрона взамен одного поглощённого. При таких условиях число нейтронов, появляющихся вновь на один исчезнувший нейтрон, может оказаться большим единицы, что необходимо для поддержания цепного процесса. Это число называется коэфициен-том мультипликации. Обозначим его буквой k.

Из определения /с сразу вытекает, что если в данной системе k < 1, то в ней ценной процесс развиваться не может. Каково бы ни было количество нейтронов в системе в начальный момент, с течением времени (при k < 1) их число будет уменьшаться. Процесс будет затухать.

В отличие от этого при k > 1 число нейтронов в системе с течением времени будет нарастать и, следовательно, в ней будет происходить развитие цепного ядерного процесса. Таким образом, условием его возникновения является выполнение неравенства k > 1. При этом превышение k над единицей может быть и небольшим. От его величины будет зависеть быстрота развития цепного процесса.

При расчёте и конструировании атомных котлов основная задача заключается в сведении к минимуму бесполезных потерь нейтронов. В отношении борьбы с указанными выше источниками бесполезных потерь можно указать следующее.

1. Нормальный радиационный захват. В естественном уране радиационное поглощение медленных нейтронов изменено быть не может. Снижение его роли может быть достигнуто использованием урана, обогащённого изотопом 235. Уменьшение поглощения в замедлителе и других применяемых веществах достигается тщательной их очисткой от примесей, сильно поглощающих нейтроны.

2. Резонансный захват. Для уменьшения, насколько возможно, резонансного захвата ураном 238 желательны такие условия, при к-рых нейтрон, прежде чем он успеет существенно замедлиться, переходил бы в замедляющую среду (графит) и двигался бы в ней до тех пор, пока скорость его не снизится ниже самого низкого уровня резонансного захвата урана. После этого, чтобы вызвать

Рис. 4. Заштрихованные квадраты обозначают урановые стержни, погружённые в графитовую массу (не покапанную на рисунке). При целении ядра V-" (А) возникают 2-3 нейтрона, которые, двигаясь зигзагообразно, вследствие столкновения с ядрами углерода замедляются и могут вылвать деление при попадании в ядро VJ"5 (В), лис'о же при захвате ядром U*38 образовать U"1, превращающийся п плутоний Ри!" (С), либо же, наконец, вылететь из котла (D).

деление, он должен снова вернуться в уран (к-рый уже не может поймать нейтрон на один из своих резонансных уровней, поскольку он уже замедлился до скорости ниже уровня самого низкого из них).

Осуществить такие условия полностью невозможно, но нек-рого приближения к ним удалось достичь за счёт того, что уран не смешивается с графитом в виде однородной смеси, а вводится в графит в виде правильно расположенных на нек-ром расстоянии друг от друга кусков или стержней (см. рис. 4).

3. Отток нейтронов наружу. Этот фактор является решающим. С. ним связано то обстоятельство, что атомный котёл может действовать лишь в том случае, если его размеры превышают нек-рую величину. Причина существования критических размеров котла заключается в том, что при увеличении размеров системы относительное влияние ухода нейтронов наружу уменьшается, так как поверхностные эффекты меняются пропорционально квадрату размеров, а объёмные - пропорционально кубу. При размерах атомных котлов ниже критических отток нейтронов наружу еще настолько велик, что ири любых других условиях величина k всегда меньше 1 и развитие в нём цепного ядерного процесса происходить не может. При увеличении размеров влияние оттока уменьшается, что приводит к повышению k. При достижении критических размеров k делается равным единице и при дальнейшем увеличении их становится больше единицы.

Уменьшение числа уходящих наружу нейтронов может быть достигнуто также окружением атомного котла т. н. отражателем, т. е. толстым слоем вещества, например графита, к-рое возвращает обратно в котёл часть уходящих нейтронов. Такое вещество не должно их сильно поглощать.

VI. Источники атомной энергии.

Прежде чем перейти к описанию атомных котлов, отметим ещё два следующих обстоятельства. Протекание ядерного цепного процесса в атомном котле очень легко регулируется путём введения внутрь системы одного или нескольких стержней из вещества, сильно поглощающего нейтроны, например кадмия. Введение кадмия в котёл приводит к увеличению вредного поглощения нейтронов, т. е. к уменьшению величины k, и может сделать ядерный процесс затухающим. Однако путём постепенного выдвижения кадмиевых стержней условия для протекания

Н силовой установив

Цирнулирующио охладитель

Защита

Стермни ядерного горючего

Рис. 5.

цепного ядерного процесса улучшаются, и но достижении нек-рого положения стержней такой процесс начинает развиваться. Дальнейшее уменьшение кадмия в системе приводит к увеличению быстроты развития процесса ы к повышению мощности атомного котла.

Ранее предполагалось, что вторичные нейтроны, возникающие при делении урана, появляются прак тически одновременно с самым актом деления. Однако более детальное изучение показало, что в процессе деления, кроме таких мгновенных нейтронов, испускаются в небольшом количестве (около 1%) заиаздывающие нейтроны. Число таких нейтронов

Защита

от излучений

Горячий Турбина

газ Теплообменник \ Генератор

Элситрич

^ Гамма-пучи Замедлитель

Рис. 6.

с течением времени уменьшается, по часть их может быть еще замечена через одну или несколько минут после деления.

Запаздывающие нейтроны обусловливают известную инертность в развитии цепного ядерного процесса. Можно, например, представить себе, что без их учёта в системе имеет место условно k<l н процесс не развивается, и только постепенное добавление запаздывающих нейтронов приводит к тому, что k становится > 1 и делается возможным протекание цепного процесса. В таких условиях его развитие будет происходить не очень быстро и, следовательно, может легко контролироваться. Запаздывающие нейтроны сглаживают также всевозможные резкие изменения числа нейтронов в системе.

Для примера на рнс. 5 приведена схема атомного котла с графитовым замедлителем. Из рисунка видно, что атомный котёл представляет собой нек-рый объём графита, являющегося замедлителем. Он окружён отражающей оболочкой и наружной защитой. Последняя предназначается для поглощения испускаемых системой нейтронов и -(-лучей в целях защиты от них работающего персонала и аппаратуры. Внутри графитового замедлителя проделаны сквозные горизонтальные каналы, в к-рыо заложены урановые стержни. В этих стержнях происходят процессы деления, соировождающиеся выделением энергии. Возникающее ири этом тепло снимается протекающим циркулирующим охладителем. Нагретый жидкостный охладитель поступает в теплообменник, где он тем или иным способом передаёт своё тепло, и охлаждённый перекачивается насосом обратно в котёл. Здесь он вновь нагревается, н весь процесс начинается снова и т. д. Тепло, передаваемое охладителем в теплообменник, может быть использовано для питания соответствующей силовой установки.

На рнс. 6 показана схема силовой установки, работающей на атомном котле. В данной схеме для охлаждения атомного котла применяется не жидкость, а газ. Поступая в теплообменник, он обогревает змеевик и превращает поступающую в него воду в пар, к-рый приводит в действие турбину. Отработанный пар конденсируется в воду и насосом перекачивается обратно в змеевик теплообменника. Здесь вода вновь превращается в пар, процесс повторяется и т. д.

На рнс. 7 дана схема французского атомного котла, в к-ром в качестве замедлителя используетсятяжёлая вода. Котёл представляет собой большой чан, нанол пенный тяжёлой водой. В неё опущены правильным образом расположенные урановые стержни. Для уменьшения критических размеров котла чан окружён графитовым отражателем. Снаружи котёл со всех сторон окружён толстой бетонной защитой, предохраняющей персонал и аппаратуру от излучений. В центральной части над котлом имеется аварийный стержень, сильно поглощающий нейтроны. В случае превышения намеченной мощности котла этот стержень автоматически опускается вниз и вызывает затухание протекающего цепного ядерного процесса. Сбоку возле котла находится аналогичный стержень, поглощающий нейтроны. Он служит для регулировки цепного процесса в котле (см. выше).

В рассмотренном котле охлаждение производится путём перекачивания тяжёлой воды из верхней части котла в нижнюю, причём по дороге она проходит через охлаждающее устройство с проточной обычной водой. В левой части котла в замедлителе проделано нек-рое количество каналов. В одних из них помещаются ионизационные камеры - специальные приборы, измеряющие интенсивность нейтронных потоков и тем самым мощность котла. Одна из таких камер обеспечивает автоматическое погружение поглощающего центрального стержня внутрь котла в тех случаях, когда мощность его превышает намеченный уровень.

Другие каналы служат для облучения образцов, чтобы получить искусственно-радиоактивные элементы, создаваемые нейтронами. В них же производятся различные экспериментальные исследовании.

Управляющий стержень

Урании ые стер/пни

Рис. 7.

Приведённая схема дана в произвольном масштабе. Об истинных размерах атомного котла с тяжёлой водой можно судить но рис. 8. На нём дан общий вид котла. Ввиду лучших замедляющих свойств тяжёлой воды по сравнению с графитом критический размер атомного котла с тяжёлой водой значительно меньше, чем для котла с графитовым замедлителем.

Резюмируя сказанное, можно заключить, что разработка методов практического использования атомной энергии для мирных целей находится цока еще в начальной стадии своего развития. Ближайшее будущее должно разрешить вопрос о наиболее рациональных и практически удобных методах использования громадных запасов атомной энергии, скрытой в недрах вещества.

57 Б. с. э. т. з.

В рассмотренных выше атомных котлах основную роль играют медленные нейтроны. Поскольку сами процессы замедления нейтронов в графите требуют времени порядка тысячных долей секунды, протекание цепной ядерной реакции в таких котлах не

Гис.

может происходить очень быстро. Поэтому, когда требуется произвести выделение А. э. в течение очень коротких промежутков времени-порядка миллионных долей секунды (атомный взрыв), такие системы совершенно непригодны. В этом случае развитие цепного ядерного процесса должно происходить не на медленных, а на быстрых нейтронах. Такой процесс может развиваться в системе без замедлителя, состоящей из чистого изотопа урана 235 или из нового искусственно-радиоактивного изотопа плутония с массой 239. Последний, подобно урану 235, делится нейтронами любой энергии.

Плутоний 239 получается в атомных котлах в результате следующих радиоактивных превращений. В котле при радиационном захвате нейтронов образуется радиоактивный уран 239. Путём р-распада с периодом в 23 минуты он превращается в новый элемент-нептуний 239, стоящий в 93-й клетке таблицы Менделеева. Этот элемент также радиоактивен и р-распадом превращается в плутоний 239, находящийся в 94-й клетке таблицы Менделеева. Оба эти элемента являются представителями т. н. заурано-вых элементов.

Получение плутония 239 значительно проще получения урана 235. Последний, являясь изотопом урана 238, очень трудно отделим от него. В отличие от этого плутоний представляет собой химический элемент, отличный от урана. Поэтому он может быть выделен из урана химическим путём. Такое выделение должно производиться с учётом огромной радиоактивности от накопившихся в уране осколков деления и требует поэтому применения автоматически действующей аппаратуры.

Цепной ядерный процесс на быстрых нейтронах может развиваться также только в том случае, если система имеет размеры, превышающие нек-рые критические. Такая система в иринцине может быть создана следующим способом. Берутся две системы, состоящие из ядерного горючего, причём каждая из них имеет размеры меньше критических и поэтому не может поддерживать цепной процесс. Если после сближения этих частей размеры системы в целом превысят критические и если это сближение будет произведено в течение весьма малого промежутка

Рис. 9.

времени, так что ценной процесс сможет развиться за время порядка миллионных долей секунды, то в результате произойдёт взрыв ядерного горючего.

Доклад Научно-технического комитета эксперт тов (1946) при Атомной комиссии Организации объединённых наций констатирует существование следующих трёх ядерных горючих: урана 235, плутония 239 (к-рые были уже упомянуты,» выше) и урана 233, получаемого из тория при дё|фтвии на него нейтронов.

Все рассмотренные выше способы получения атомной энергии основаны на применении деления нейтронами атомных ядерчнек-рых элементов, расположенных в конце таблицы Менделеева. Выше уже отмечалось, что образование лёгких сложных ядер из более простых также может явиться источником А. э. Невидимому, именно такие процессы происходят в недрах Солнца и звёзд и являются источником тех колоссальных потоков световой энергии, которые исиускаются ими на протяжении миллиардов лет. При количественных расчётах таких процессов весьма существенным является следующее обстоятельство. В газе при заданной температуре атомы (или молекулы) обладают самыми различными кине-тич. энергиями. Наибольшее число их имеет некоторую среднюю энергию, но встречаются и большие и меньшие величины энергий. Распределение

энергии между атомами даётся законом Максвелла (см. Максвелла закон распределения скорост°й). На рис. 9, где по оси абсцисс отложена в произвольных единицах кинетическая энергия атома, по оси ординат-относительная доля таких атомов, кривая А соответствует распределению Максвелла. Повышение температуры газа приводит к тому, что максимум кривой перемещается к большим энергиям, причём так, что средняя энергия теплового движения растёт пропорционально температуре. Поэтому, если в центре Солнца вещество находится при температуре 20 млн. градусов, то, кроме атомов со средней энергией около У, кап, имеются атомы с большими энергиями. Они будут иметь особенно большое значение для ядерных превращений. При малых энергиях вероятность ядерных превращений плавно возрастает с увеличением энергии бомбардирующих частиц. Эта зависимость также изображена па рис. 9 в виде кривой В. Перемножение кривых А и В (см. кривую ЛП рис. У) даёт относительное число ядерных превращений, вызываемых частицами разных энергий. Из кривой АВ видно, что в термической ядерной реакции основную роль играют ядра с энергией в 2-3 рана больше средней. Термические ядерные реакции могут протекать с большим выделением энергии лишь при очень высоких температурах, когда кривые А и В в значительной степени перекрываются друг другом. Для пояснения рассмотрим приводившуюся ранее реакцию расщепления лития протонами:

Li' + Hl = lle4+ IIo4+ ^f'

В отдельном акте этой реакции выделяется энергия &Е=П Мак =^3-10~4 эрга. Если бы в результате такой реакции 1 г смеси, содержащей 7 частей лития и 1 часть водорода, полностью превратился в гелий, то, выделилась, бы атомная энергия в количестве

2,2-1018 эргов. Однако при наивысших температурах, доступных в лабораторных условиях, эта термическая ядерная'реакция протекала бы настолько медленно, что для её полного завершения потребовались бы миллиарды миллиардов лет. Выделение А. э. составляло бы несколько эргов в столетие на 1 г такой смеси. При температуре в 1 млн. градусов 1 кг такой смеси давал бы энергию, достаточную для работы мотора автомашины. При температуре и 20 млн. градусов водород и литий превращались бы полностью в гелий в течение нескольких секунд. Аналогичным образом можно показать, что и другие термические реакции на самых лёгких ядрах протекали бы очень быстро. Поэтому они не могут происходить в центре Солнца, иначе они взорвали бы его.

С другой стороны, можно показать, что при температуре в 20 млн. градусов не могут происходить с заметной быстротой термические ядерные реакции на более или менее тяжёлых элементах. Напр., реакция между водородом и хлором для 50% превращения потребовала бы 1026 лет.-. Она сопровождалась бы слишком медленным выделением А. э. Тем самым устанавливается достаточно узкий интервал значений Z, при к-ром термические ядерные реакции могут давать энергию, достаточную для объяснения излучения Солнца. Причина этого заключается в следующем. Для того чтобы вызвать расщепление ядра, частица должна попасть внутрь его. Положительно заряженная частица, напр. протон, должна при этом преодолевать отталкивающее действие электрического поля ядра. Для ядер данного заряда вероятность такого проникновения в ядро будет возрастать с увеличением энергии падающей частицы. Это обстоятельство и отображено ходом кривой В (рис. 9). При малых энергиях эта кривая лежит довольно высоко и сильно перекрывается с кривой Л, что и вызывает слишком быстрое протекание термической ядерной реакции. Увеличение заряда атомного ядра при заданной энергии падающей частицы приводит к сильному возрастанию тормозящего действия электрич. поля ядра и тем самым к большому снижению вероятности проникновения бомбардирующей частицы внутрь ядер. Этим и обусловливается исключительно медленное протекание термических ядерных реакций при не очень малых Z.

Рассмотренные выше обстоятельства весьма сильно сужают круг возможных термических ядерных реакций, пригодных для объяснения излучения Солнца. Основную роль в таких реакциях, вне сомнения, должны играть протоны. Имея наименьший положительный заряд, они по сравнению со всеми другими атомными ядрами наиболее легко могут проникать в другие ядра и вызывать их расщепления. Кроме того, по астрофизическим данным, в Солнце и звёздах на долю водорода приходится основное количество атомов.

Теоретическое сопоставление выделения энергии для различных термических ядерных реакций с участием протонов при температуре 20 млн. градусов, проведённое Бете, показало, что основную роль в выделении энергии Солнца долита играть не какая-то отдельная изолированная тормич. реакция, а целая последовательность их. Отличительная особенность этой последовательности заключается в том, что она является замкнутой. Это означает, что, начавшись на каком-то ядре, она после нескольких промежуточных реакций вновь приводит к исходному ядру. Таким образом, данное ядро в результате замкнутого цикла реакций полностью восстанавливается. На обычном языке химии это означает, что ядро в данном случае является катализато ром - оно лить способствует протеканию цикла реакций, само же остаётся неизменным. На рис. 10 изображена последовательность ядерных реакций, к-рые, по теории Бете, являются основными поставщиками энергии Солнца. Из рисунка видно, что основную роль в реакциях играют ядра углерода н азота. Они расщепляются прогонами, движущимися с тепловыми энергиями.

Данная последовательность реакции не имеет пи начала, ни конца. Её началом можно избрать любое звено цени. Для конкретности выберем в качестве начального ядра С12, являющееся основным изотопом Углерода, на долю к-рого в земных условиях

I

а частица

°+

J'nc. 10.

приходится 9;)% атомов этого ало-мента. В результате превращения С1а при взаимодействии с тепловым прото-ном образуется искусственно ра-| двоактивное яд-* ро изотопа азота с массовым чгс-лом Hi. Оно получается в т. н. возбуждённом состоянии, в к-ром оно обладает излишком энергии. ,'!а очень короткое время, порядка 10"11 сек., эта энергия испускается в виде фотона -[•-лучей. При этом ядро переходит в своё основное состояние. Образовавшийся изо той 1\13 претерпевает радиоактивный ,'.- распад сие риодом по [ураспада Т- -10 мин. Испуская положительный электрон, он превращается в С13, другой стабильный изотоп углерода (на Земле на долю С13 приходится около 1% атомов углерода)

Подобно ядру С13, ядро С13 тоже может быть расщеплено тепловым протоном. В таком процессе появляется основной изотоп азота М14. Он, как и IV3, образуется также в возбуждённом состоянии. Переходя в основное состояние, он даёт фотон -улучен. При соединении N14 с тепловым протоном образуется радиоактивный изотоп кислорода О15 и фотон '^-лучей. Этот изотоп имеет период полураспада около 2 мин. и в результате ji-раеиада превращается в устойчивый изотоп азота JN'15, испуская при этом положительный электрон (в земных условиях па долю N16 приходится около 0,4% атомов азота).

Расщеплением N15 тепловым протоном заканчивается замкнутый цикл ядерных реакций. При этом снова образуются изотоп углерода С12 л а-.частица. Но в результате замкнутого цикла исчезли четыре протона, а вместо них образовались а-частица и ещё два позитрона. Таким образом, в подобном цикле мы но существу имеем дело с воссоединением более лёгких ядер - протонов в более сложные лёгкие ядра - а-частицы. Следует подчеркнуть, что все ядерные превращения, входящие в состав замкнутого цикла, получаются и в лабораторных условиях. Однако в атом случае реакции расщепления лёгких ядер протонами изучены лишь при значительно больших энергиях бомбардирующих upo'io-нов, прик-рых вероятность расщепления достаточно велика.

Очевидно, что количество Л. л., выделяемое веди-вицу времени в рассмотренном замкнутом цикле, в существенной степени зависит от процентного со 57*

держания углерода (или азота) в вещество Солнца; Учитывая данные о содержании углерода в Солнце^ Бет,1 показал, что энергия, выделяемая за какое-то время в рассмотренном замкнутом цикле термических ядерных реакций при температуре 20 млн. градусов, томно совпадает с энергией, испускаемой Солнцем за то же время. Это и позволило ому заключить, что рассмотренный цикл реакций является основным источником энергии Солнца. Напомним, что при температуре 20 млн. градусов изображённый на рис. 10 цикл для своего завершения требует около 5 млн. лет. Это означает, что в среднем за этот интервал времени ядро исходного изотопа углерода или азота, на к-ром начались реакции цикла, образуется вновь.

Изложенное объяснение происхождения солнечной анергии существенным образом зависит от предщь ложепия, что в центре Солнца имеется температура около 20 млн. градусов. Только при такой высокой температуре цикл ядерных реакций Бете может обеспечить выделение достаточной энергии для поддержания наблюдаемого излучения Солнца.

Лит.: Френкель Я. И., Освобождение внутри, атомной энергии. М.~ Л., 1946; К о р с у н с к и и М. И., Атомное ядро, М.-Л., 1949; III п о л ь с к и и Э. В., Атомная физика, т. 1-2, М.-Л.,1949-50; Ферми а.; Элементарная теория нотлов с цепными ядерными реакциями, [пер.], «Успехи физических наук», 1947, т. 32, вып. 1; Научные и технические основы ядерной энергетики, сост. группой авторов под ред. К. Гудмена, пер. i англ., т. 1 - 2, м., 1948-50; Смит Г. Д., Атомная энергия для военных целей, пер. с англ., М.. 1946.


Требуется проверка викификации!
Шаблон:Проверить источники

Шаблон:БСЭ2:Опущен рисунок


Статья из Большой советской энциклопедии

Эта статья подлежит модернизации и корректировке!

Если Вы заметили неточность — Вы можете исправить её с помощью ссылки редактировать (или править) на этой странице.
Статью можно улучшить?
✍ Редактировать 💸 Спонсировать 🔔 Подписаться 📩 Переслать 💬 Обсудить
Позвать друзей
Вам также может быть интересно: