Дефект массы и энергия связи

 

Масса ядра определяется массой входящих в его состав нейтронов и протонов. Поскольку любое ядро состоит из Z протонов и N = А – Z нейтронов, где А – массовое число (число нуклонов в ядре), то, на первый взгляд, масса ядра должна просто равняться сумме масс протонов и нейтронов. Однако, как показывают результаты измерений, реальная масса всегда меньше такой суммы. Их разность получила название дефекта массы Dm.

Энергия – одна из важнейших характеристик протекания любых физических процессов. В ядерной физике ее роль особенно велика, поскольку незыблемость закона сохранения энергии позволяет делать достаточно точные расчеты даже в случаях, когда многие детали явлений остаются неизвестными.

Разорвать ядро на отдельные нуклоны можно, лишь введя в него извне каким-либо способом энергию не меньше той, что выделилась в процессе его образования. Это и есть полная энергия связи ядра Е_св.
С энергией связи обусловливается дефект массы Dm. В соответствии с формулой

Е_св = Dmс²

уменьшение энергии системы при образовании ядра на какую-то величину должно неизбежно приводить к уменьшению общей массы. Такое изменение массы происходит при любых процессах, связанных с передачей энергии, но в привычных для нас явлениях изменения массы относительно малы и незаметны. В ядерных же явлениях из-за большого значения ядерных сил изменение массы весьма значительно. Так, для ядра неона дефект массы составляет почти 1% массы ядра.

Атомные ядра, которые отличаются числом нейтронов и протонов, имеют общее название – нуклиды. Из 1500 известных нуклидов только 265 – стабильные. Среди элементов, содержащихся в земной коре, радиоактивными являются все с порядковыми номерами более 83, т.е. расположенные в периодической системе после висмута. У них вообще нет стабильных изотопов (изотопы – разновидности атомов одного и того же химического элемента, отличающиеся числом нейтронов в составе ядра). Естественная радиоактивность обнаружена у отдельных изотопов и других элементов. Природные радиоактивные изотопы подвержены распаду, который сопровождается испусканием альфа- или бета-частиц (очень редко обоих видов).

В 1940 г. советские ученые Г.Н. Флеров и К.А. Петржак обнаружили новый вид радиоактивных превращений – спонтанное деление ядер. Испускание гамма-лучей не приводит к превращениям элементов и потому не считается видом радиоактивных превращений. Таким образом, число способов радиоактивного распада природных изотопов весьма ограниченно. Ныне известны и другие способы. В результате ядерных реакций (например, при облучении различных элементов альфа-частицами или нейтронами) образуются не существующие в природе радиоактивные изотопы.

Радиоактивность характеризуется не только видом испускаемых частиц, но и их энергией, которая может в миллионы раз превосходить энергию химических процессов. Для каждого отдельного ядра предсказать заранее момент распада абсолютно невозможно. Время жизни ядра – случайная величина. На скорость радиоактивного распада нельзя повлиять внешними факторами – давлением, температурой и др. Спонтанный характер распада – одна из наиболее важных его особенностей.

Хотя все ядра живут разное время от момента образования до момента распада, для каждого радиоактивного вещества существует вполне определенное среднее время жизни ядер. Скорость распада подчиняется закону радиоактивного распада.

Цепная реакция деления ядер урана. Эта реакция была открыта в 1939 г. Выяснилось, что при попадании в ядро одного нейтрона оно делится на две–три части. При делении одного ядра освобождается около 200 МэВ энергии. На кинетическую энергию движения осколков уходит около 165 МэВ, остальное уносит гамма-излучение (часть электромагнитного излучения с очень малой длиной волны) – поток фотонов. Можно подсчитать, что при полном делении 1 кг урана выделится
80000 млрд. Дж. Это в несколько миллионов раз больше, чем при сжигании 1 кг угля или нефти. При делении ядер урана, кроме осколков вылетают также 2–3 свободных нейтрона. При благоприятных условиях они могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление.

Термоядерный синтез. В связи с тем, что между атомными ядрами на расстояниях действуют ядерные силы притяжения, при сближении двух ядер возможно их слияние, т.е. синтез более тяжелого ядра. Чтобы ядра могли преодолеть электростатическое отталкивание и сблизиться, они должны обладать достаточной кинетической энергией. Соответственно проще всего осуществляется синтез легких ядер с малым электрическим зарядом.

В природе реакции синтеза происходят в очень горячем веществе, например в недрах звезд, где при температуре порядка 14 млн градусов (центр Солнца) энергия теплового движения некоторых частиц достаточна для преодоления отталкивания. Ядерный синтез, происходящий в разогретом веществе, называют термоядерным.

Особенность термоядерных реакций как источника энергии – очень большое ее выделение на единицу массы реагирующих веществ –
в 10 млн раз больше, чем в химических реакциях. Вступление в синтез
1 г изотопов водорода эквивалентно сгоранию 10 т бензина. В принципе уже сегодня энергию термоядерного синтеза можно получить на Земле. Нагреть вещество до звездных температур можно, используя энергию атомного взрыва. Так устроена водородная бомба, где взрыв ядерного запала приводит к мгновенному нагреву смеси дейтерия с тритием и к последующему термоядерному взрыву. Однако это неуправляемый процесс.

Для осуществления управляемого ядерного синтеза требуется несколько условий. Во-первых, нужно нагреть термоядерное горючее до температуры, когда реакции синтеза могут происходить с заметной вероятностью. Во-вторых, необходимо, чтобы при синтезе выделялось больше энергии, чем ее затрачивается на нагрев вещества. Это возможно при условии хорошей изоляции.

Для осуществления термоядерной реакции наиболее выгодна температура около 100 млн градусов. Что касается времени удержания энергии, т.е. качества изоляции, то в данном случае условие следующее: плазма с плотностью 10¹⁴ ионов в 1 см³ должна заметно остывать не быстрее чем за 1 сек.

Удержание плазмы от попадания на теплоизолирующие стенки осуществляется при помощи магнитных полей, направляющих поток частиц по спирали, замкнутой в кольцо. Ввиду того, что плазма состоит из ионов и электронов, магнитное поле имеет на нее прямое влияние. Для нагрева можно использовать ток, протекающий по плазменному «шнуру». Есть и другие способы нагрева – с помощью высокочастотных электромагнитных волн, пучков быстрых частиц, световых пучков, генерируемых лазерами. Чем больше мощность нагревающего устройства, тем быстрее можно нагреть плазму до требуемой температуры. Последние разработки позволяют это делать за столь малое время, что вещество успевает вступить в реакцию синтеза раньше, чем разлететься из-за теплового движения. Данное направление – инерционный термоядерный синтез в последнее время усиленно развивается.

Вся классическая физика строится, исходя из представления о непрерывной природе пространства, времени, движения, непрерывного характера изменения всех физических величин. Гениальная гипотеза, высказанная Максом Планком в связи с разрешением кризисной ситуации, которая сложилась в физике в конце XIX века при исследовании законов излучения абсолютно черного тела, постулирует, что вещество не может излучать или поглощать энергию иначе, как конечными порциями (квантами), пропорциональными излучаемой (или поглощаемой) частоте. Энергия одной порции (кванта) Е = hv,где v– частота излучения, a h– некоторая универсальная константа, получившая название постоянной Планка или элементарного кванта действия.

Постоянная Планка является универсальной константой, что означает: через нее могут быть выражены любые физические характеристики, которыми обмениваются два объекта, один из которых является микрообъектом.

Классическая физика исходит из коренного различия между понятиями частицы и волны. Открытие Планка не перечеркивало ряд эффектов, в которых свет проявляет свои волновые свойства. Но при этом были открыты явления, свидетельствующие о корпускулярной природе света. Таким образом, заговорили о корпускулярно-волновом дуализме света: в одних ситуациях свет ведет себя как волна, а в других – как поток частиц (фотонов).

Основополагающей в квантовой механике является идея о том, что корпускулярно-волновая двойственность свойств, установленная для света, имеет универсальный характер. В 1924 г. Луи де Бройль распространил идею о двойственной корпускулярно-волновой природе света на все материальные объекты, введя представление о волнах, названных волнами де Бройля. Все частицы, обладающие конечным импульсом Р, обладают волновыми свойствами, и их движение сопровождается некоторым волновым процессом.

В разных экспериментальных ситуациях микрообъект ведет себя по-разному: в одних – как частица, а в других – как волна. Этот совершенно неожиданный с точки зрения классической физики результат свидетельствовал о том, что в квантовой физике объект не может быть исследован сам по себе, а исследуется целостная система,состоящая из объекта и тех макроусловий (экспериментальной ситуации), в которой объект находится. В классической физике также подразумевается, что о свойствах объекта мы узнаем благодаря показаниям приборов, используемых в данном эксперименте. Однако здесь считается, что воздействие прибора на объект полностью контролируемо и никак не искажает информацию о характеристиках изучаемого объекта. В квантовой же физике развивается неклассическая стратегия мышления, трансдисциплинарной концепцией которой становится диалектическая концепция целостности,согласно которой целое, хотя и состоит из частей, в принципе не может быть на них поделено без утраты специфики как целого, так и его частей.

Неклассическое поведение объектов в микромире требует критического пересмотра самого понятия «частицы», точно локализованной во времени и пространстве. Можно говорить лишь о вероятноститого, где в данный момент времени находится частица, и это является неизбежным следствием введения в физическую теорию постоянной Планка, представлений о квантовых скачках. Физическая интерпретация «неклассического» поведения микрообъектов была впервые дана Вернером Гейзенбергом, указавшим на необходимость отказа от представлений об объектах микромира, как об объектах, движущихся по строго определенным траекториям, для которых однозначно с полной определенностью могут быть одновременно указаны и координата и импульс частицы в любой заданный момент времени. Надо принять в качестве закона, описывающего движение микрообъектов, тот факт, что знание точной координаты частицы приводит к полной неопределенности ее импульса, и наоборот, точное знание импульса частицы – к полной неопределенности ее координаты. Исходя из созданного им математического аппарата квантовой механики, Гейзенберг установил предельную точность, с которой можно одновременно определить координату и импульс микрочастицы, и получил следующее соотношение неопределенностей этих значений:

∆Х∆Рх ≥ h,

где ∆Х – неопределенность в значении координаты; (Рх – неопределенность в значении импульса.