§ 22. ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНОГО ЯДРА

Что «тяжелее» — ядро или его нуклоны?

— Что такое энергия связи?

— Как «взвесили» ядра.

— Можно ли реализовать энергию связи?

Выше мы говорили, что любое атомное ядро состоит из некоторого количества (Z) протонов и (А—Z) нейтронов, удерживаемых вместе ядерными силами притяжения. Ядерные силы отличаются очень большой интенсивностью на расстояниях ·~ 10¹³ см и чрезвычайно быстро ослабевают с ростом расстояния.

Представьте себе, что мы обладаем способом извлекать из ядра по очереди один за другим протоны и нейтроны* и располагать их на таком расстоянии друг от друга, чтобы ядерные силы между ними не действовали (кулоновским отталкиванием протонов пренебрегаем). Что можно сказать о суммарной массе всех извлеченных из ядра нуклонов по сравнению с массой ядра: больше, меньше, равна? Ответ на этот вопрос будет получен сразу же после того, как вы сообразите, что для извлечения из ядра нуклона надо произвести работу на преодоление ядерных сил притяжения (сравните с работой на открывание двери на станции метро). Эта работа пойдет на увеличение энергии ядра при разделении его на отдельные нуклоны. Поскольку ядерное притяжение очень сильное, то эта работа должна быть достаточно велика.

Итак, энергия атомного ядра меньше энергии тех нуклонов, из которых ядро состоит. А так как Ε = Mс², то масса атомного ядра также меньше суммарной массы всех составляющих его нуклонов. Разность их значений, выраженная в энергетических единицах, называется энергией связи ядра AW:

(139)

Энергия связи любого ядра положительна; она должна составлять заметную часть от его энергии покоя.

Результат, который мы получили рассуждением, можно проверить на опыте. Опыт не только подтверждает сделанный вывод, но и позволяет получить численные значения энергии связи ядер.

Физики уже сравнительно давно (в 1919 г.) научились «взвешивать» атомные ядра. В большинстве случаев ядра «взвешивают» с помощью специальных приборов, называемых масс-спектрометрами. Принцип работы масс-спектрометра заключается в сравнении характеристик движения частиц с разными массами, но одинаковыми электрическими зарядами при прохождении их через электрическое и магнитное поля. Простейший расчет показывает, что частицы с разными массами движутся по разным траекториям, сравнение которых и позволяет оценить различие в массе. Масса нейтральных частиц (например, нейтрона) может быть определена по энергетическому балансу одной из ядерных реакций с участием данной частицы.

* Вы можете спросить, как это сделать? Ответ: неизвестно, но это неважно для мысленного опыта. Теоретики в подобных случаях говорят: «возьмем» руками протон и вынем его из ядра или «выключим рубильником электромагнитное взаимодействие» и т. п.

В настоящее время массы всех ядер, а также протона и нейтрона известны с очень большой точностью. И если сравнить массы любого ядра с массой всех содержащихся в нем протонов и нейтронов, то во всех случаях первое число оказывается примерно на 1% меньше другого. Таким образом, энергия связи ядра составляет приблизительно 1% всей его энергии покоя. (Сравните с 1/10 000 000 000 000 000 частью, которую составляет энергия скрученной пружины от ее энергии покоя.)*

Казалось бы, что этот 1 % энергии покоя реализовать уже значительно проще, чем все 100%. Ведь здесь не нужна встреча с антиядрами. Надо только научиться объединять разрозненные протоны и нейтроны в атомные ядра. И при таком объединении с неизбежностью должна выделяться энергия связи ядра. Энергия будет выделяться по той самой причине, по которой она поглощается при извлечении нуклонов из ядра. Действительно, для извлечения нуклонов из ядра надо было затратить энергию на совершение работы против ядерных сил притяжения («закрутить ядерную пружину»). Теперь, наоборот, нуклоны движутся в направлении действия ядерных сил, благодаря чему и появляется избыток энергии («ядерная пружина раскручивается»).

Рассуждение наше совершенно справедливо, но решить задачу в такой принципиальной постановке не удается из-за практической невозможности собрать в одном месте пространства необходимое количество нейтронов и протонов и сблизить их до расстояний 10^-13см.

Таким образом, реализовать полную мощь «ядерной пружины», т. е. всю величину энергии связи ядра, не удается**.

Тем не менее задача освобождения внутриядерной энергии становится разрешимой, если пожертвовать еще один порядок величины и вести борьбу уже не за 1%, а только за 0,1% энергии покоя. Так как это тоже не малая величина (вы помните, что с² = 9 · 10²⁰?), то «овчинка стоит выделки».

* В настоящее время физики рассматривают гипотетические системы, энергия связи которых превышает 90% энергии покоя (см. § 39). ** В природных условиях (например, на Солнце), по-видимому, протекает процесс синтеза, который в конечном итоге сводится к объединению разрозненных нуклонов в атомные ядра с освобождением всей энергии связи (см. гл.1, §7). В лабораторных условиях удается сблизить до расстояния ~ 10^-13 см только две частицы (элементарные или сложные, т. е. ядра), в результате чего происходит ядерная реакция.