Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра

1 H 1+ 3 Li 7= 2 He 4+ 2 He 4.

Протоны налетают с энергией около 150 000 эв. Каждая родившаяся альфа-частица имеет энергию 8 500 000 эв, т. е. обе частицы — 17 Мэв. Следовательно, можно сказать, что

1 H 1 + 3 Li 7 + (0,15) Мэв = 2 Не 4+ 2 Не 4+ (17) Мэв,

где Мэв означает миллион электронвольт. Альфа-частицы рождаются с кинетической энергией, гораздо большей, чем приносит с собой протон. Когда они сталкиваются с молекулами воздуха, то теряют свою энергию на ионизацию атомов, а также время от времени на столкновения с ядрами. Эта энергия в основном переходит в тепло. Сравните получающиеся количества тепла — 17 000 000 эв от одного атома лития с 4 эв, приходящимися на один атом сгоревшего угля.

Фиг. 126. Схематическое изображение атомных ядер.

( Замечание. Остальная часть атома — его электронное облако — в выбранном по схеме масштабе простирается на десятки метров от рисунка.)

Изображение ядерных событий, представленных на последующих рисунках, заимствовано из книги «Classical and Modern Physics», by H. White , D. Van Nostrand Соmр., Princeton. 1940.

Фиг. 127. Первое искусственное расщепление ядра.

Фиг. 128. Излучение альфа-частицы.

Фиг. 129. β-излучение.

Фиг. 130. γ-излучение.

Фиг. 131. Деление атома лития при бомбардировке его протонами.

Ядерная энергия. Никакой надежды на практическое использование

В данном случае имеет место гигантское выделение «ядерной энергии». В отличие от огромной энергии, получаемой при естественной радиоактивности атомов, ядерной энергией можно управлять: ее можно получать при помощи бомбардировки протонами. Нельзя ли на ней построить электростанцию? Нет! Хотя энергии выделяется и много, при этом едва лишь окупится стоимость деления одного атома. Во-первых, необходим ускоритель, постройка и эксплуатация которого весьма дороги. Во-вторых, только один из десятков тысяч протонов способен расщепить атом лития, поэтому каждый «удачный» протон обходится гораздо дороже стоимости его кинетической энергии.

Фиг. 132. Фотоснимок в камере Вильсона.

«Деление» ядра атома лития на две α -частицы при бомбардировке ядрами водорода на ускорителе. Снимок приведен в случае бомбардировки ядрами тяжелого водорода (дейтронами Н 2), а ядра лития были ядрами легкого лития Li 6. Видно несколько пар α -частицы, разлетающихся к стенкам камеры. (В этой реакции α -частицы образуются с энергией 11 Мэв каждая.) Видны также более короткие треки α -частиц, образующихся наряду с нейтронами в других ядерных реакциях.

Итак, получение энергии слишком дорого и выход ее слишком мал, чтобы это было выгодно. Вот если бы энерговыделение было самоподдерживающимся , т. е. если бы каждый взрывающийся атом лития вызывал деления соседних атомов, подобно тому как это происходит при горении обычного топлива, когда одна частичка поджигает другую, вот тогда бы существовал удивительный источник тепла. Тогда частичка лития, «зажженная» протоном, давала бы начало целой цепи реакций деления [157], где выделялась бы энергия в количестве, которое даже не снилось ни одному поставщику топлива. Но один атом лития не может «зажечь» другой атом: при распаде не возникает протона, способного это сделать.

По тем же причинам нет никакой надежды на практическое использование многих других ядерных превращений, полученных с помощью более мощных ускорителей. Однако изучение этих ядерных превращений дало исключительно ценную информацию — начала проясняться внутренняя структура ядер.

Количественное изучение этих реакций показало, что масса вещества точно не сохраняется. Если составить суммы масс вещества : вначале сумму масс ядер мишени и бомбардирующей частицы, а затем сумму масс ядер образующихся частиц, то сумма масс ядер, вступающих в реакцию, не совпадает с таковой после реакции. Но если точно так же, как и веществу, энергии приписать массу, то баланс окажется правильным: полная сумма [масса вещества + масса энергии] одинакова до и после каждого ядерного превращения.

Масса и энергия. Е = mс 2

С самого начала нашего столетия существовало мнение, что энергия обладает массой [158]. В гл. 26 изложена довольно правдоподобная история, на основании которой можно предположить, что любой энергии Е отвечает масса величиной Е / с 2. В настоящее время в результате многочисленных экспериментальных проверок выяснено, что энергия в любой форме имеет массу Е / с 2и поэтому соотношение Е= mс 2является универсальным.

Реакция деления атомов лития послужила прекрасным подтверждением точки зрения, согласно которой энергия обладает массой. Массы частиц, участвующих в этом событии, были тщательно измерены с помощью масс-спектрографа. В стандартной шкале масс, в которой масса атома О 16равна 16,0000, частицы имели следующие массы:

Бомбардирующая частица: протон 1H 1, M = 1,0076

мишень: ядро лития 3Li 7, М = 7,0165

Полная масса до взаимодействия М = 8,0241

продукты взаимодействия:

альфа-частица 2Не 4, М = 4,0028

альфа-частица 2Не 4, М = 4,0028

Полная масса после взаимодействия М = 8,0056

Полная масса после события несколько меньше, чем до него, если сложить массы частиц точно так же, как складываются массы частичек обычного вещества. Если теперь учесть массы, соответствующие начальным и конечным значениям кинетических энергий, то можно сказать, что каждая такая масса равна кинетической ЭНЕРГИИ/с 2. Затем следует выразить результаты в шкале масс, в которой массе О 16соответствует 16,0000 или атому водорода — масса 1,0081. Для того чтобы выразить результат в новых единицах измерения, вычислите энергию, которой соответствует точно такая же масса, как масса протона, и выразите ее сначала в джоулях, а затем в электронвольтах.

Вычисление переводного множителя. Масса протона равна 1,67∙10 -27кг [159], энергия, которой соответствует такая масса, равна

Е= Mс 2= (1,67∙10 -27кг)∙(3,00∙10 8м/сек) 2= 1,50∙10 -10кг∙м 2/сек 2,

или ( кг ∙ м / сек 2)∙ м ,

или ньютон ∙ м , или дж .

Любая энергия, кинетическая, потенциальная и т. д., равная 1,50∙10 -10дж, обладает массой 1,67∙10 -27кг, т. е. массой протона.

Но обычно энергии ядерных превращений выражаются в эв или Мэв. Вспомним здесь, что энергия в 1 эв равна энергии, приобретаемой зарядом, равным заряду электрона, т. е. 1,60∙10 -19кулон, прошедшим разность потенциалов в 1 в.

Следовательно,

1 эв = (1,60∙10 -19)∙(1 дж/кулон) = 1,60∙10 -19дж.

Таким образом, энергия, которая обладает массой, точно такой же, как масса протона, равна