§ 226. Ядерная энергия. Источник энергии звезд.

На протяжении курса физики мы познакомились с различными формами энергии, способными превращаться друг в друга. Сюда относятся кинетическая энергия движущихся тел, потенциальная энергия тел в поле сил тяготения, энергия электромагнитных полей, внутренняя энергия тел и т. д. Изучение ядерных превращений свидетельствует о существовании еще одной формы энергии — так называемой ядерной энергии. Ядерная энергия — это энергия, запасенная в атомных ядрах и переходящая в другие виды энергии при ядерных превращениях — при радиоактивном распаде ядер и ядерных реакциях. Ядерная энергия проявляется при любых превращениях ядер.

Рассмотрим в качестве примеров ядерные реакции -частицы с бериллием и азотом, с которыми мы познакомились в § 218 и 220. В результате реакции (220.1) образуются ядро углерода и нейтрон

.                                                 (226.1)

Измерения показывают, что кинетическая энергия продуктов этой реакции больше (на ) кинетической энергии исходных ядер. В этой реакции происходит, следовательно, превращение скрытой ядерной энергии в кинетическую.

В реакции (218.1)

суммарная кинетическая энергия ядра кислорода () и протона (), как оказывается, меньше (на ) кинетической энергии -частицы, вызывающей реакцию (ядро азота в начальный момент покоилось). Таким образом, в этой реакции, наоборот, кинетическая энергия превращается в ядерную; запас последней в продуктах реакции больше, чем в исходных ядрах.

Ядерная энергия, переходящая в кинетическую или обратно, может быть вычислена, если известны точные значения масс всех участвующих в реакции ядер. Действительно, по закону сохранения энергии приращение кинетической энергии равно убыли внутренней энергии ядер. Убыль же внутренней энергии, согласно закона Эйнштейна, равна разности масс покоя исходных и конечных продуктов реакции, умноженной на . Рассмотрим, например, реакцию (226.1). Массы  частиц, участвующих в реакции, приведены ниже:

Частица	Масса, а. е. м.	Сумма масс, а.е.м.
	9,0150
	4,0039
	12,0038
	1,0090

Масса исходных частиц больше массы конечных продуктов на  В результате реакции внутренняя энергия частиц уменьшается на

Как отмечалось,  прямые измерения показывают, что кинетическая энергия продуктов реакции как раз на такую величину () превосходит кинетическую энергию исходных ядер. Мы имеем здесь еще одно доказательство справедливости соотношения .

Ядерная энергия подобна химической в том отношении, что оба вида энергии проявляются в процессах превращения частиц. Химическая энергия проявляется в процессах превращения молекул (т. е. в химических реакциях), ядерная энергия — в процессах превращения атомных ядер (т. е. в ядерных реакциях). Между ядерной и химической энергиями существует резкое различие в масштабе. Энергия химических реакций измеряется электронвольтами (так, например, при горении углерода освобождается энергия  на молекулу ). Энергия ядерных превращений измеряется уже не электрон вольтами, а мегаэлектронвольтами, т. е. по порядку величины в миллион раз больше. Большой масштаб энергии ядерных процессов обусловлен громадной величиной ядерных сил (см. §225).

Ядерные превращения, в которых запасы скрытой ядерной энергии переходят в другие виды энергии, играют большую роль в природе, а с 40-х годов нашего века и в технике. Простейшие из таких превращений — это явления радиоактивного распада. Как отмечалось в § 215, энергия радиоактивных излучений превращается в конечном счете в тепло. Радиоактивное тепло имеет важное геологическое значение: распад содержащихся в земной коре урана, тория и калия является тем источником энергии, который обеспечивает высокую температуру в недрах Земли. Однако значение естественной радиоактивности как технического источника энергии ничтожно: все сколько-нибудь распространенные на Земле радиоактивные элементы распадаются слишком медленно, и способов ускорить их распад пока не существует.

В отличие от радиоактивности при ядерных реакциях скорость выделения энергии может изменяться в широких пределах, а выделяемая энергия достигать грандиозных величин. Ядерные реакции являются единственным из известных источников, обладающих достаточным запасом энергии, чтобы поддерживать лучеиспускание звезд в течение всего времени их существования, т. е. миллиарды лет. Как показывают астрофизические данные, в недрах звезд господствуют температуры, измеряемые миллионами и десятками миллионов градусов. При таких температурах атомы почти полностью ионизованы; вещество находится в состоянии, называемом плазмой, т. е. представляет собой газ из электронов и «голых» атомных ядер, хаотически движущихся с огромными скоростями. Скорости хаотического движения так велики, что, несмотря на электрическое отталкивание заряженных ядер, между ними происходят столкновения, приводящие к ядерным реакциям.

При достаточно высокой начальной температуре звезды число реагирующих ядер будет очень велико. Приток освобождающейся ядерной энергии покроет потери энергии на световое излучение, и звезда не будет остывать или даже будет нагреваться. В этом случае ядерная реакция, начавшись, обеспечивает условия для своего продолжения (т. е. поддерживает высокую температуру среды). Она будет продолжаться поэтому, пока не истощится запас «ядерного горючего», т. е. пока не будут использованы способные реагировать ядра.

«Ядерным горючим» могут служить бериллий в сочетании с гелием (реакция (226.1)), литий, тяжелый водород и другие вещества. Но все эти вещества содержатся в звездах в относительно малых количествах и могут являться источником энергии только на отдельных сравнительно коротких этапах эволюции звезды. В настоящее время принимается, что основным «ядерным горючем», способным обеспечивать звезды энергией в течение многих миллиардов лет, является водород.

Водород — главная составная часть звездного вещества. Опыты и теория ядерных реакций показывает, что путем нескольких последовательных ядерных реакций водород способен превращаться в гелий. Суммарный результат этих реакций выражается уравнением

,

т. е. четыре протона образуют ядро гелия, два позитрона и два нейтрино. При этом выделяется энергия (с учетом аннигиляции позитронов) около , т. е. около 650 миллиардов джоулей на один грамм водорода.

Превращение водорода в гелий служит по современным представлениям источником энергии звезд, в том числе и нашего Солнца. Нетрудно подсчитать, что расход подхода Солнцем за 100 лет составляет всего лишь около одной миллиардной доли массы Солнца.

Ядерную реакцию, идущую за счет высокой температуры среды, называют термоядерной. Встает вопрос, как «поджигаются» термоядерные реакции в звездах. Вероятной причиной первоначального нагрева, «поджигающего» реакцию, является сжатие звездного вещества под действием сил тяготения, т.е. превращение потенциальной энергии тяготения во внутреннюю энергию.

Освобождение больших количеств ядерной энергии в земных условиях долгое время казалось вряд ли достижимой мечтой. Способы получения огромных температур (миллионы градусов), необходимых для «поджигания» термоядерной реакции, не были тогда известны. Использование же частиц, ускоренных ускорителями, не сулило перспектив. Как отмечено в § 219, быстрые заряженные частицы при движении в среде расходуют энергию на ионизацию и возбуждение атомов и вызывают ядерные реакции лишь с малой вероятностью. Ввиду этого затрата энергии на предварительное ускорение частиц превосходит выигрыш энергии от ядерной реакции.

Положение коренным образом изменилось, когда в 1939г. изучение свойств нейтронов увенчалось открытием новой ядерной реакции — реакции деления атомных ядер, установленной немецкими физиками Отто Ганом (1879—1968) и Фрицем Штрассманом (1902—1980).