§ 23. ДЕЛЕНИЕ И СИНТЕЗ ЯДЕР

Какие ядра прочнее и почему?

— Мысленный опыт с ядром урана.

— Энергия синтеза.

Энергия связи ΔW, которую мы с вами ввели в предыдущем разделе, только приблизительно составляет 1 % энергии покоя ядра. Если же мы заинтересуемся ее точными значениями для различных ядер и подсчитаем их по формуле (139), то убедимся, что они довольно сильно колеблются, в особенности у легких ядер. Энергия связи ядра водорода равна нулю (ведь это ядро состоит только из одного протона); энергия связи ядра дейтерия (тяжелый водород, ядро которого состоит из протона и нейтрона) составляет ~0,1% его энергии покоя; ядра трития (сверхтяжелый водород, в ядре которого один протон и два нейтрона) — 0,27%; гелия — 0,74%; кислорода— 0,85%. Для ядер, содержащих 50—60 нуклонов, энергия связи достигает 0,92% энергии покоя, а для более тяжелых ядер постепенно уменьшается до 0,78% (рис. 28). Таким образом, доля, которую составляет энергия взаимодействия нуклонов от энергии покоя, зависит от числа взаимодействующих нуклонов. G ростом числа нуклонов она сначала возрастает, а затем уменьшается. Другими словами, нуклоны особенно прочно связаны в средних (по весу) ядрах, слабее в тяжелых и очень легких ядрах.

Главные причины различия в энергии связи разных ядер заключаются в следующем. Все нуклоны, из которых состоит ядро, можно условно разделить на две группы: внутренние и поверхностные. Внутренние нуклоны окружены соседними нуклонами со всех сторон, поверхностные же — только с внутренней стороны (рис. 29). Поэтому внутренние нуклоны взаимодействуют с остальными нуклонами сильнее, чем поверхностные (вспомните поверхностное натяжение жидкостей). Но процент внутренних нуклонов особенно мал у легких ядер (у самых легких ядер все нуклоны можно считать поверхностными) и постепенно повышается номере их утяжеления. Поэтому и энергия связи должна расти вместе с ростом числа нуклонов в ядре. Однако этот рост не может продолжаться очень долго, так как начиная с некоторого достаточно большого числа нуклонов (А — 50-=-60) количество протонов в ядре становится настолько большим*, что делается заметным их взаимное электрическое отталкивание даже на фоне сильного ядерного притяжения. Это отталкивание и приводит к уменьшению энергии связи у тяжелых ядер.

Различие в энергии связи разных ядер может быть использовано для освобождения внутриядерной энергии. Это видно из следующего мысленного опыта.

Рассмотрим атомное ядро урана, которое представляет собой систему из 238 сильно взаимодействующих тесно расположенных

* Вы помните, что практически в любом ядре протоны составляют не менее 40% общего числа нуклонов.

129

Рис. 29

нуклонов. Пусть масса этой системы равна Μ_υ. Увеличим размеры системы (как? руками!) настолько, чтобы входящие в нее нуклоны перестали взаимодействовать (предполагается, что электромагнитное взаимодействие «выключено рубильником»). Так как для этого нам придется произвести работу против ядерных сил притяжения, то в систему должна быть внесена добавочная энергия, равная энергии связи AW, которая пойдет на увеличение массы системы. Из рис. 22 видно, что это увеличение масс ΔΜ/Μ = ΔΨ/Ε при А = 238 составляет ~0,8%, так что общая масса системы из 238 невзаимодействующих нуклонов равна 1,008 Μ_υ.

Если теперь разрешить нуклонам вновь объединиться в ядро урана, то масса системы снова уменьшится на 0,8%, т. е. вернется к прежней величине Ми, и вся энергия, затраченная на извлечение нуклонов из ядра, освободится. Разумеется, никакого выигрыша или проигрыша в энергии при этом не будет. Однако если мы позволим нуклонам объединиться не в одно ядро урана, а в два ядра меньших размеров (по 119 нуклонов в каждом), тогда в соответствии с рис. 28 масса невзаимодействующей системы уменьшится не на 0,8%, а на 0,9%, т. е. на большую величину, чем возросла при расширении системы. В результате суммарная масса двух половинных ядер окажется равной 0,999 Ми, т. е. на 1/1000 меньше массы исходного ядра урана.

Нетрудно догадаться; что нет никакой необходимости вынимать из урана все нуклоны, а затем складывать их в две кучки меньших размеров. Тот же самый результат получится, если мы просто «разрежем» ядро урана пополам (без предварительного извлечения из него нуклонов, рис. 30). И в этом случае суммарная масса обеих половинок будет также равна 0,999 массы исходного ядра, а избыток (0,1%) массы ядра урана «превратится в энергию». В этом и заключается принцип получения энергии из урана. Процесс «разрезания» ядра на две половинки (на самом деле они получаются неравными) называется делением урана.

В рассмотренном рассуждении особенно хорошо видна ценность «постановки» невыполнимых практически, но простых и наглядных по идее мысленных опытов. В данном случае такой опыт привел нас к практически осуществимому (в принципе) способу получения энергии из урана. Конечно, от слова «в принципе» до действительного осуществления дистанция очень большого размера. У вас, вероятно, сразу же возник целый ряд вопросов по этому поводу. Например, каким «ножом» резать ядра урана? Как сделать процесс разрезания ядер урана массовым и длительным (или, наоборот,

130

Рис. 30

мгновенным)? Почему мы все время говорим только об уране, хотя проведенное рассуждение е принципе справедливо для всех тяжелых ядер? Но этот разговор мы отложим до гл. 6, в которой будет рассказано о том, как физики преодолели колоссальные научные и практические трудности прежде, чем они заставили уран служить человечеству.

В заключение этого параграфа несколько слов о другом принципиальном вопросе: откуда берется энергия при синтезе легких ядер, т. е. при слиянии их в более тяжелые? Здесь все обстоит вполне аналогично делению. Дело в том, что при слиянии легких ядер, так же как при делении тяжелых, получаются более прочные (более устойчивые) ядра (с большей взаимосвязанностью нуклонов), чем исходные. Другими словами, энергия, которую надо затратить, чтобы «вынуть» из двух легких ядер все нуклоны, меньше энергии, которая выделится при слиянии всех этих нуклонов в одно более крупное ядро. Так же, как в случае деления, это заключение остается справедливым и для процесса слияния ядер без предварительного «разбора» их на нуклоны. Поэтому при слиянии легких ядер должна выделяться энергия. Количественно энергия синтеза, приходящаяся на единицу массы, может в несколько раз превосходить удельную энергию деления. Проблема практического осуществления синтеза весьма сложна. Мы уже говорили, что она решена пока только наполовину: освоен взрывной синтез. На пути осуществления управляемой термоядерной реакции встретились большие трудности, которые пока еще не удалось преодолеть (см. § 7)*.

* Подробнее о термоядерной реакции можно прочесть в книге Л. А. Арцимо-еича. Элементарная физика плазмы. Изд. второе. Μ., Атомиздат, 1966.