Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

В настоящее время известны изотопы у всех химических элементов. Многие элементы имеют по нескольку изотопов.

Так, например, у водорода известны три изотопа. Обычный легкий водород — протий — 1Н 1, ядра его — протоны. В 1932 г. был обнаружен второй изотоп водорода — тяжелый водород ( дейтерий— 1D 2), который присутствует в природном водороде в количестве около 0,02%. Ядро тяжелого водорода, называемое дейтероном, имеет один протон и один нейтрон. Вода, молекулы которой построены по известной формуле химии из атомов тяжелого водорода и обычного кислорода, называется тяжелой водой. Тяжелая вода присутствует в природной воде в малом количестве. По своим физическим свойствам она несколько отлична от обыкновенной воды: замерзает тяжелая вода при +3,8° Ц, кипит при +101,4°.

Третий изотоп водорода — сверхтяжелый водород, или тритий( 1Т 3). Ядра его — тритоны— построены из одного протона и двух нейтронов. Тритоны радиоактивны и распадаются, испуская бета-частицу (электрон). Строение атомов изотопов водорода показано на рис. 18.

Большое значение в ядерной физике имеют изотопы урана, различающиеся тремя нейтронами: уран 235, в ядрах которого по 92 протона и 143 нейтрона, и уран 238, в ядрах которого по 92 протона и 146 нейтронов. Физические свойства этих изотопов урана несколько различны в силу различия в числе нейтронов.

Большинство известных в настоящее время изотопов получается искусственным путем по методу «ядерной» артиллерии.

Все протоны и нейтроны в атомном ядре удерживаются друг около друга особыми ядерными силами притяжения. Эти силы имеют сложную природу, которая к настоящему времени изучена еще недостаточно. Ясно только, что ядерные силы не похожи на силы всемирного тяготения и на электрические силы и уменьшаются с увеличением расстояния между взаимодействующими нуклонами значительно быстрее и тех и других. Ядерные силы действуют лишь в самом ядре, имея там огромную величину, и в непосредственной близости от него. С увеличением расстояния между частицами ядра (нуклонами) ядерные силы настолько быстро уменьшаются до нуля, что радиус их действия не превосходит 7∙10 -13 см .

В этом отношении ядерные силы напоминают собой силы молекулярного сцепления в капле жидкости, которые удерживают молекулы жидкости друг около друга и стремятся придать капле сферическую форму как наиболее устойчивую.

Учитывая характер изменения ядерных сил с расстоянием и ряд других фактов, относящихся к ядру, Я. И. Френкель в СССР и Дж. Уилер за рубежом предложили «капельную» модель ядра. Согласно этой модели атомное ядро подобно положительно заряженной капле жидкости очень большой плотности и построено из нуклонов (протонов и нейтронов) наподобие того, как капля жидкости построена из молекул.

В капле жидкости действуют силы молекулярного сцепления, придающие капле сферическую форму. Помимо этого, в заряженной капле между одноименно заряженными частицами действуют силы электрического отталкивания, стремящиеся разорвать каплю. Подобно этому и внутри атомного ядра действуют силы двоякого рода: помимо ядерных сил притяжения, связывающих все нуклоны воедино, там действуют еще электрические силы отталкивания между положительно заряженными протонами. Ядерные силы внешне подобны силам молекулярного сцепления в жидкости и придают ядру сферическую форму как наиболее устойчивую.

Атомные ядра отличаются обычно большой прочностью (устойчивостью), так как ядерные силы притяжения в десятки миллионов раз больше электрических сил отталкивания, действующих в ядре между протонами.

Капельная модель позволяет рассматривать процесс искусственного расщепления атомных ядер быстрыми частицами — «снарядами» — следующим образом. Кинетическая энергия частицы, попавшей в ядро, перераспределяется между всеми нуклонами ядра благодаря тесному взаимодействию между ними. Ядро приходит от этого в возбужденное состояние, что аналогично нагреванию капли жидкости. Поэтому можно, как впервые показал советский физик Л. Д. Ландау, условно говорить о «температуре» ядра и ее повышении за счет энергии попавшего в ядро «снаряда». В результате этого частица или группа частиц возбужденного ядра, составляющих новое ядро, может вылететь за его пределы подобно тому, как вылетают молекулы жидкости при ее испарении.

В свете сказанного процесс расщепления ядра атома азота альфа-частицей, осуществленный Резерфордом, можно рассматривать следующим образом. При удачном попадании быстрая альфа-частица проникает внутрь ядра атома азота и захватывается им. В результате получается составное или промежуточное ядров сильно возбужденном («нагретом») состоянии. В последующее время это возбужденное ядро, выбрасывая («испаряя») протон (ядро водорода), превращается в ядро кислорода с атомным весом 17. Схематически этот процесс показан на рис. 19.

Для объяснения некоторых свойств атомных ядер пользуются также так называемой «оболочечной»моделью ядра. Согласно этой модели протоны и нейтроны движутся внутри ядра вокруг некоторой средней точки, образуя слои (оболочки), подобно тому как электроны в атоме движутся вокруг ядра, располагаясь слоями.

Ядро — самая тяжелая часть атома и заключает в себе почти всю его массу. На долю легких электронов приходится менее 0,05% всей массы атома.

Соответственно этому распределяется в атоме и энергия. Почти вся энергия, скрытая в атоме, заключена (сосредоточена) внутри его ядра; на долю электронной оболочки приходится менее 0,05% всей энергии атома. Такое заключение о распределении энергии в атоме вытекает из закона взаимосвязи массы и энергии и подтверждается практикой.

Как известно, энергия и масса являются свойствами материи. Масса — физическая величина, характеризующая инерцию материи, то есть свойство ее сохранять состояние своего движения при отсутствии внешних воздействий. Энергия — это мера физического движения материи во всех ее формах. К такому пониманию энергии наука пришла не сразу.