Атом и атомное ядро. Ядерная энергия

К 1932 г. было открыто строение атомного ядра. Основные положения:

1) все вещества состоят из атомов – нейтральных частиц размерами порядка м;

2) составной частью атома химического элемента с порядковым номером в периодической системе Д. И. Менделеева и с относительной атомной массой является электронная оболочка, содержащая электронов с общим зарядом ( – элементарный заряд). Масса оболочки составляет очень малую долю от всей массы атома. В центре атома находится массивное ядро очень малых размеров ( м), несущее положительный заряд .

3) ядро содержит протонов и нейтронов: всего частиц.

4) электронная оболочка может легко перестраиваться, претерпевая разного рода превращения, в том числе теряя или приобретая электроны.

5) атомное ядро – весьма устойчивое образование, обусловливает индивидуальность данного химического элемента.

Сейчас принципиальная правильность планетарной модели атома и протонно-нейтронной модели ядра не вызывает ни малейших сомнений.

Сумма масс протонов и нейтронов не совпадает с истинной массой ядра. Дефект масс составляет около 1% и определяет энергию связи протонов и нейтронов в ядре.

До 1950-х годов форма атомных ядер даже не обсуждалась, считалось само собой разумеющимся, что всякое ядро в основном состоянии имеет вид шарика. Дж. Рейнуотер выдвинул гипотезу о возможности заметного отклонения формы ядра от сферической. Эту гипотезу подробно развили О. Бор и Б. Моттельсон в 1951–1953 гг. Понятие формы ядра не имеет строго однозначного смысла, поскольку оно является квантовомеханической системой. Когда говорится о форме ядра, имеется в виду характер симметрии его самосогласованного поля.

Размеры ядер очень малы: они на 5 порядков меньше размеров атомов: 10^-15 м. Первые экспериментальные сведения о размерах ядра были получены Э. Резерфордом в 1911 г. при анализе результатов опытов по рассеянию -частиц.

Все сведения о поведении ядер извлекаются из соответствующих экспериментов. Главная цель теории атомного ядра состоит в объяснении и предсказании: характеристик основных состояний ядер с заданным составом; результатов того или иного ядерного превращения и т.д.

Реальное ядро в теории заменяется некоторой модельной системой, включающей ряд подгоночных параметров. Вычисляются характеристики этой системы, и на основе сравнения с экспериментально измеренными величинами отбирается та модель, которая лучше всего согласуется с той или иной совокупностью опытных данных. Подгоночные параметры определяются по известным свойствам небольшого числа ядер (или процессов), что позволяет предсказать соответствующие свойства других ядер (процессов). Универсальной ядерной модели, которая описывала бы все свойства всех атомных ядер, до сих пор не построено. Поэтому в ядерной физике используется множество разнообразных моделей. Они различаются степенью общности и широтой области применимости. Исходные посылки разных моделей зачастую противоречат друг другу: ядро – это сгусток жидкости или идеальный газ; взаимодействие между нуклонами в ядре сильное или ядро – совокупность независимых или слабо взаимодействующих частиц и т. д. Выделяют три вида ядерных моделей:

· коллективные (ядерные модели с сильным взаимодействием), ядро уподобляется жидкости или твердому телу;

· одночастичные (модели независимых частиц). Здесь каждая частица считается движущейся независимо от других в некотором самосогласованном поле, т. е. в потенциальном поле, создаваемом совокупным движением всех нуклонов ядра. Таким образом, ядро приближается к газу;

· обобщенные модели используют как коллективные, так и одночастичные предпосылки. Они трактуют ядро как двухфазную систему – сгусток жидкости (или деформируемое твердое тело), находящийся в динамическом равновесии со своим паром.

Нуклоны в ядре удерживаются специфическими ядерными силами. Согласно современным воззрениям, ядерные силы представляют собой одно из проявлений сильного взаимодействия, полностью завершенной теории которого пока не создано. В такой ситуации приходится прибегать к эксперименту и пользоваться полуэмпирическими зависимостями ядерных сил от расстояния между нуклонами, от их спинов и т. д. Приближения, используемые при анализе ядерных сил и их свойства:

1) для ядерных сил принимается двухчастичное приближение. В принципе могут существовать и многочастичные ядерные силы, обращающиеся в нуль при удалении на бесконечность хотя бы одного нуклона из данной их совокупности. В настоящее время роль таких сил до конца не выяснена. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что уже трехчастичные силы в ядре дают очень малый вклад. Заметим, что двухчастичное приближение равнозначно тому, что для ядерных сил справедлив принцип суперпозиции: силы взаимодействия между двумя нуклонами не изменяются из-за присутствия около них других нуклонов.

2) ядерные силы – интенсивны. Они на 2–3 порядка мощнее электромагнитных сил.

3) ядерные силы имеют конечный радиус действия м, являются короткодействующими;

4) на малых расстояниях притяжение между нуклонами сменяется отталкиванием.

5) ядерные силы хотя бы частично обусловлены обменом третьей частицей. В качестве такой частицы выступает -мезоны. В рамках обменной теории оказывается маловероятен обмен между одним и двумя другими нуклонами находящимися в пределе действия ядерных сил, откуда следуют свойства насыщения, постоянство удельной энергии связи и т. д. Мезонная теория ядерных сил содержит глубокое описание природы сил, однако, основана на сложных уравнениях.

В 1938 г. немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины периодической системы – барий и лантан. Объяснение этого явления было дано немецкими учеными О. Фришем и Лизой Мейтнер. Они высказали предположение, что захватившее нейтрон ядро урана делится на две примерно равные части, получившие название осколков деления. Дальнейшие исследования показали, что деление может происходить разными путями. Всего образуется около 80 различных осколков, причем наиболее вероятным является деление на осколки, массы которых относятся как 2:3.

Удельная энергия связи для ядер средней массы примерно на 1 МэВ больше, чем у тяжелых ядер, поэтому деление ядер должно сопровождаться выделением большого количества энергии. Но особенно важным оказалось то обстоятельство, что при делении каждого ядра высвобождается несколько нейтронов. Относительное количество нейтронов в тяжелых ядрах заметно больше, чем в средних ядрах, поэтому образовавшиеся осколки оказываются сильно перегруженными нейтронами, в результате чего они выделяют по нескольку нейтронов. Большинство нейтронов испускается мгновенно (за время, меньшее ~ с), а часть, получившая название запаздывающих нейтронов, испускается с запаздыванием от 0,05 с до 1 мин. В среднем на каждый акт деления приходится 2,5 выделившихся нейтронов.

Испускание при делении ядер , и нескольких нейтронов делает возможным осуществление цепной ядерной реакции. Действительно, испущенные при делении одного ядра нейтронов могут вызвать деление ядер, в результате будет испущено новых нейтронов, которые вызовут деление ядер, и т. д. Таким образом, количество нейтронов, рождающихся в каждом поколении, нарастает в геометрической прогрессии. Нейтроны, испускаемые при делении ядер , имеют в среднем энергию МэВ, что соответствует скорости см/с. Поэтому время, протекающее между испусканием нейтрона и захватом его новым делящимся ядром, очень мало, так что процесс размножения нейтронов в делящемся веществе протекает весьма быстро. Часто нейтроны просто вылетают из вещества, не успевая вступить в реакцию. Цепная реакция возможна в случае, если масса активного вещества превышает критическую массу. Если взять кусок урана массой больше критической, то под действием атмосферных нейтронов, рожденных космическими лучами, он взорвется. На этом основано ядерное оружие. В ядерных реакторах используется управляемая цепная реакция деления ядер. Для управления реакцией необходимо регулировать количество нейтронов, вызывающих деление ядер топлива, что осуществляется стержнями из кадмия или бора, которые сильно поглощают нейтроны. Для повышения эффективности вторичные нейтроны замедляют графитом.

Применение ядерной энергии для мирных целей было впервые осуществлено в СССР под руководством И. В. Курчатова. В 1954 г. в Советском Союзе была введена в эксплуатацию первая атомная электростанция мощностью 5000 кВт. Побочными продуктами процессов, протекающих в ядерных реакторах, являются радиоактивные изотопы многих химических элементов, которые находят разнообразные применения в биологии, медицине и технике.

Ядерный синтез, т. е. слияние легких ядер в одно ядро, сопровождается выделением огромных количеств энергии. Поскольку для синтеза ядер необходимы очень высокие температуры, этот процесс называется термоядерной реакцией.

Для слияния двух простейших ядер водорода необходима энергия соответствующая температуре порядка К. Однако синтез легких ядер может протекать и при значительно меньших температурах. Дело в том, что из-за случайного распределения частиц по скоростям всегда имеется некоторое число ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение. Кроме того, что особенно существенно, слияние ядер может произойти вследствие туннельного эффекта. Поэтому некоторые термоядерные реакции протекают с заметной интенсивностью уже при температурах порядка К.

Особенно благоприятны условия для синтеза ядер дейтерия и трития. Именно эти вещества образуют заряд водородной, (или термоядерной) бомбы. Запалом в такой бомбе служит обычная атомная бомба, при взрыве которой возникает температура порядка К. Синтез ядер водорода в ядра гелия является источником энергии Солнца и звезд, температура в недрах которых достигает К.

В водородной бомбе термоядерная реакция носит неконтролируемый характер. Для осуществления управляемых термоядерных реакций необходимо создать и поддерживать в некотором объеме температуру порядка К. При столь высокой температуре вещество представляет собой полностью ионизированную плазму. Наряду с необходимостью получить чрезвычайно высокие температуры, возникает проблема удержания плазмы в заданном объеме. Соприкосновение плазмы со стенками сосуда приведет к ее остыванию. Кроме того, стенка из любого вещества при такой температуре немедленно испарится. В связи с этим для удержания плазмы в заданном объеме приходится использовать магнитное поле. Силы, действующие в этом поле на движущиеся заряженные частицы, заставляют их двигаться по траекториям, расположенным в ограниченной части пространства. Осуществление управляемого термоядерного синтеза даст человечеству практически неисчерпаемый источник энергии. Поэтому работы по овладению управляемыми термоядерными реакциями ведутся во многих странах.