Моисей Нейман - Термоядерное оружие

Такие химические соединения, как взрывчатые вещества, отличаются недостаточно прочными связями между атомами. Молекулы взрывчатых веществ неустойчивы и могут распадаться, образуя более простые, но более устойчивые вещества.

Следовательно, при химических реакциях энергия в одних случаях выделяется при образовании сложных веществ из более простых (такая реакция называется синтезом или реакцией соединения), а в других случаях — наоборот, при распаде неустойчивых сложных веществ (такая реакция называется реакцией разложения).

Подобные явления наблюдаются и при ядерных процессах, только, энергия, освобождающаяся при этом на 1 г вещества, в миллионы раз превосходит величину химической энергии, приходящейся на 1 г вещества, вступающего в химическую реакцию.

При делении некоторых тяжелых ядер (например, урана, плутония) выделяется огромное количество энергии. Известны случаи, когда энергия выделяется при образовании сложных ядер из более простых или из протонов и нейтронов, например, внутри Солнца и звезд или при взрыве термоядерных бомб.

Несколько примеров ядерных реакций синтеза, при которых выделяются огромные количества энергии, приведено в табл. 2.

Таблица 2

Из этой таблицы видно, что ядра урана являются менее устойчивыми, чем ядра молибдена или олова. Малоустойчивые ядра могут распадаться, образуя ядра более устойчивых элементов. Ядра урана, например, могут распадаться на ядра бария и криптона или на ядра олова и молибдена. Так как при синтезе ядер атомов олова и молибдена выделяется 198 млрд. кал, а при синтезе урана — 177 млрд. кал на 1 г вещества, то при образовании олова и молибдена в результате распада урана выделится согласно закону сохранения энергии: 198–177=21 млрд. кал на 1 г вещества. Примерно такое же количество энергии освобождается при делении 1 г плутония.

Подобные расчеты могут быть выполнены с помощью кривой, изображенной на рис. 11, где показано, сколько энергии выделяется на каждый грамм вещества при образовании из протонов и нейтронов элементов периодической системы Д. И. Менделеева. На горизонтальной оси отложены массовые числа, а на вертикальной оси слева — энергия в миллиардах калорий, выделяющаяся на каждый грамм образовавшегося элемента.

Пользуясь этой кривой, легко определить, сколько энергии выделяется или поглощается при любых ядерных реакциях. Предположим, например, что нам нужно определить, сколько выделяется энергии при ядерной реакции водорода с литием, которая идет по уравнению:

Как показывает уравнение, при этой реакции из каждого ядра водорода и семи нуклонов, составляющих ядро лития с атомным весом 7, образуются два ядра гелия с атомным весом 4. Следовательно, при этой реакции из 1 г водорода и 7 г лития образуется 8 г гелия.

Из рис. 11 видно, что при образовании 3Li 7из протонов и нейтронов на 1 г лития выделяется 128 млрд. кал и, следовательно, на 7 г 128×7=896 млрд. кал. При образовании же 2Не 4на 1 г выделяется 165 млрд. кал, а на 8 г 165×8=1320 млрд. кал.

Ясно, что приведенная выше ядерная реакция будет сопровождаться выделением огромной энергии: 1320-896=424 млрд. кал на 8 г вещества, или 53 млрд. кал на каждый грамм вещества.

Вычислим еще, сколько энергии выделяется при реакции дейтерия с тритием, идущей по схеме:

Из этого уравнения следует, что из двух граммов дейтерия и трех граммов трития образуется 4 г гелия и 1 г нейтронов.

При образовании дейтерия на 1 г выделяется 25 млрд. кал, а на 2 г — 50 млрд. кал. Тритий образуется с выделением 3×64=192 млрд. кал на 3 г. При образовании 4 г гелия освобождается 4×165=660 млрд. кал. Следовательно, при упомянутой ядерной реакции взаимодействия дейтерия с тритием выделится 660-50-192=418 млрд. кал.

Значит, при рассматриваемой ядерной реакции на 1 г вещества выделяется более 80 млрд. кал. Как уже было сказано, при делении урана на 1 г ядерного горючего освобождается 21 млрд. кал. Таким образом, на 1 г вещества при ядерной реакции протон — литий и при реакции дейтерий — тритий выделяется соответственно в 2,5 и в 4 раза больше энергии, чем при делении урана или плутония.

Теперь познакомимся с законом взаимосвязи массы и энергии.

Как известно, энергия и масса являются свойствами материи. Энергия может передаваться частицами вещества другим частицам вещества (молекулам, атомам, электронам и т. д.) или материальным частицам света, которые называются фотонамиили квантами.

В 1905 году А. Эйнштейн установил закон взаимосвязи между энергией и массой. Согласно этому закону всякая передача энергии от одной частицы материи к другой сопровождается передачей соответствующей массы. Эта взаимосвязь выражается формулой

Скорость света в пустоте равна около 30 000 000 000=3∙10 10 см/сек.

Когда какое-нибудь тело передает энергию другому телу, то масса первого тела уменьшается, а второго тела увеличивается. Таким образом, совершается одновременный переход массы и энергии от одного тела к другому. О величине переданной энергии можно судить по уменьшению массы первого тела.

Например, уменьшение массы на 0,001 г согласно закону Эйнштейна свидетельствует об отдаче энергии =0,001∙9∙10 20= 9∙10 17 эргов= 22 млрд. кал [6] Соотношение между различными единицами энергии: 0,001 г массы соответствует 9∙10 17 эргов =2,5∙10 4 квт-ч =22∙10 9 кал энергии. Такое количество энергии выделяется при сгорании 2,7 т угля или при взрыве 22 т тротила. .

Таким образом, количество выделяющейся при ядерных реакциях энергии можно определить по уменьшению массы вступающих в реакцию атомов. Значительная часть данных, по которым построена кривая на рис. 11, получена с помощью формулы Эйнштейна.