Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

Еще около 200 лет назад М. В. Ломоносов сформулировал закон сохранения материи и ее движения (закон Ломоносова), согласно которому «все перемены, в натуре (природе. — В. М. ) случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего от одного тела отнимется, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте… Сей всеобщий естественной закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Этими словами Ломоносов утверждал неуничтожимость материи и ее движения. Одним из частных проявлений всеобщего закона Ломоносова был экспериментально установленный им самим закон сохранения вещества (массы). Значительно позже, лишь в XIX веке, в связи с развитием производства, складывается в науке понятие об энергии. Широкое использование в промышленности тепловой энергии и начавшееся овладение электрической энергией привело немецких физиков Р. Майера и Г. Гельмгольца и английского физика П. Джоуля к открытию в середине XIX века закона сохранения и превращения энергии. Согласно этому закону энергия в вечном круговороте материи не исчезает и не создается вновь, а лишь превращается из одной формы в другую. Этот закон подтвердил гениальное предвидение Ломоносова о переходе одних видов движения в другие и явился дальнейшим развитием и конкретизацией его закона.

С помощью понятия энергии физика выражает неуничтожимость движения материи, его способность к бесконечным превращениям из одной формы в другую.

Открытие в дальнейшем закона сохранения электрического зарядаи, наконец, закона взаимосвязи массы и энергииеще полнее раскрыло глубочайшее содержание всеобщего закона природы, усмотренного Ломоносовым.

Современная физика научно доказала, что в природе нет нематериального движения, то есть движения без материи, как нет и не может быть материи без движения. Материя и движение неразрывно связаны между собой, неотделимы друг от друга. Отражением этой объективно существующей связи материи и ее движения является закон взаимосвязи массы и энергии, указанный в 1905 г. выдающимся немецким физиком А. Эйнштейном.

Если массу любого материального объекта в граммах обозначить через m , а его полную энергию в эргах — через E , то этот закон выразится формулой

где с — скорость света в пустоте, составляющая 30 миллиардов сантиметров в секунду (3∙10 10 см/сек ).

Пользуясь этой формулой, можно подсчитать, какая энергия заключена в кусочке вещества, обладающем массой, например в 1 г :

что составляет около 21 млрд. ккал . Такое количество энергии могло бы обеспечить работу установки мощностью в 1 тыс. л.c. в течение 4 лет. Как видим, с очень небольшой массой связана огромная скрытая в материи энергия.

По отношению к свету, являющемуся одной из форм материи, с несомненностью установлено, что именно соотношением (2) связаны между собой энергия и масса света. Существование такой связи вытекает из классических опытов П. Н. Лебедева по световому давлению. Опыты Лебедева показывают, что материальные частицы света — фотоны, падая на поверхность освещаемого тела, производят на него давление точно так же, как и молекулы газа, бомбардирующие стенки сосуда. Полная энергия фотона в соответствии с формулой (2) равна его массе, умноженной на квадрат скорости света.

По отношению к обычной материи, то есть к веществу, пока установлено, что всякое изменение энергии тела на Е эргов сопровождается одновременным изменением массы на m граммов по формуле (2). Если, например, изменение энергии тела происходит путем передачи ее другому телу, то одновременно с этим совершается передача второму телу и соответствующей массы. По уменьшению массы первого тела, пользуясь формулой (2), можно определить количество переданной энергии. При этом, как это видно из приведенного выше расчета, малым изменениям массы соответствуют огромные изменения энергии.

Закон взаимосвязи массы и энергии составляет основу энергетических расчетов современной ядерной физики.

Часть энергии, заключенной в электронной оболочке атомов, выделяется при излучении атомами света и особенно в химических реакциях. Химические реакции, происходящие при горении топлива и взрыве обычных взрывчатых веществ, являются пока основным источником энергии для человечества.

Трудами многих ученых, среди которых выдающуюся роль сыграли работы А. М. Бутлерова, было установлено, что в химических реакциях молекулы одних сложных веществ превращаются в молекулы других веществ. При этом изменяются (перестраиваются) лишь электронные оболочки атомов, а ядра остаются неизменными.

Химические реакции могут происходить как с выделением энергии и соответствующей массы, так и с их поглощением. Энергия, которая выделяется в химических реакциях, называется химической.

В химической реакции взрыва 1 кг тротила (тола) выделяется немногим больше тысячи килокалорий химической энергии, превращающейся при взрыве в другие формы энергии. Из 1 кг хорошего каменного угля, сжигая его, мы можем получить в виде тепла до 7000 ккал энергии. Килограмм нефти дает до 11 000 ккал .

Значительно большие количества энергии могут быть получены из атомных ядер, поскольку запасы энергии в них превосходят во много раз энергию электронных оболочек.

Для освобождения химической энергии дерева, угля, нефти людям пришлось в свое время научиться зажигать их, то есть вызывать в них химические реакции, в которых изменяются электронные оболочки атомов. Для использования энергии атомных ядер нужно научиться осуществлять ядерные реакции, в которых изменялись бы сами ядра.

Ядерные реакции — это процессы превращения атомных ядер, в которых происходит изменение (перестройка) самих ядер:протоны и нейтроны перегруппировываются в более сложные ядра, либо, наоборот, сложные ядра распадаются на более простые. При ядерных превращениях происходит либо выделение энергии и массы, либо их поглощение. Энергию, которая выделяется в ядерных реакциях, принято называть атомной, или ядерной.

Количество ядерной энергии, выделяющейся на каждый грамм вещества в используемых в настоящее время реакциях, превышает в миллионы раз химическую энергию, освобождающуюся при сжигании одного грамма лучшего топлива.

Впервые с ядерными реакциями человечество познакомилось около 50 лет назад при изучении радиоактивности. Распад ядер радиоактивных атомов представляет собой пример естественной самопроизвольно протекающей ядерной реакции с выделением части энергии, заключенной в ядрах. Поэтому открытие и изучение радиоактивности справедливо считают первым шагом на пути овладения ядерной энергией.