Мы рассмотрим энергию связи атомных ядер
и способы использования ядерной энергии.
Для того чтобы перейти к примерам
практического использования ядерной энергии,
нам необходимо познакомиться с понятием
энергия связи атомных ядер.
Это очень важное понятие,
одно из важнейших
в рамках сегодняшней лекции.
Я не думаю, что оно вызовет у вас
определенные трудности,
но хотелось бы,
чтобы вы научились понимать,
как можно вычислить энергию,
как можно выделить энергию,
которая выделяется в виде
радиационных распадов,
в ядерных реакциях,
как делать оценки, которые позволят
оценить величины значений этих энергий.
Поэтому начать придется с ядерных сил.
Ядерные силы – это силы взаимодействия
между нуклонами,
обеспечивающие большую величину
энергии связи атомных ядер
по сравнению с другими системами.
Ядерные силы являются наиболее важным
и распространенным примером
сильного взаимодействия.
Термин сильное взаимодействие был введен
для подчеркивания огромной величины
ядерных сил по сравнению с другими
известными в природе силами:
электромагнитными, слабыми и гравитационными.
То различие в миллион раз
между химической энергией
или квантами химической энергии
и ядерной энергией основано на том,
что ядерные силы
во много раз сильнее электромагнитных.
Радиус действия ядерных сил – 10 в –13 см –
сравним с размером атомного ядра,
поэтому ядерные силы действуют
только внутри ядра.
Стоит протону или нейтрону
удалиться из ядра,
как действие ядерных сил прекращается,
и протон и нейтрон начинают вести себя,
как обычнее частички.
Первою модель ядерных сил предложил
Хидеки Юкава в 1935 году.
По его модели нуклоны в ядре
обмениваются пи-мезонами –
квантами ядерного взаимодействия.
Тот факт, что квант ядерного взаимодействия
имеет массу и приводит к короткодействию
ядерных сил,
в отличие от фотона, который массы не имеет
и который, являясь переносчиком
электромагнитного взаимодействия,
обеспечивает его дальнодействие.
Все изотопы могут быть представлены
не только в карте нуклидов,
но и в таблицах нуклидов,
потому что в карте нуклидов мы не можем
в одной клеточке уместить все характеристики
данного нуклида.
Поэтому часто вместо карты нуклидов
используется таблица изотопов.
Здесь приведено начало
одной из подобных таблиц.
Символ нуклида, название,
масса изотопа в атомных единицах массы,
период полураспада.
Ну, например, Н-1, протий,
масса в атомных единицах массы – 1,00782 и т.д.,
стабильная частичка.
Его период полураспада, если он существует,
точно больше 6,6 на 10 в 33 лет.
Следующий изотоп дейтерий,
2,014000, стабилен.
Следующий изотоп водорода – тритий,
3,016 – это атомная масса в атомных единицах массы,
период полураспада – 12,33 года.
Эти три изотопа, наверное, вы знаете.
Но есть так же изотоп Н4 – квадий, 4,0278,
обратите внимание,
период полураспада 1,39 на 10 в –22 секунды.
Конечно, такой изотоп не может использоваться людьми.
Другие изотопы, которые здесь приведены:
пентий, гексий, септий,
тоже имеют слишком короткие периоды полураспада,
чтобы их можно было использовать.
В рамках этой таблицы можно увидеть,
что атомные массы различных изотопов
отличаются друг от друга,
причем они очень точно известны
в настоящее время,
потому что современная физика
позволяет точно измерять данные величины,
используя современные приборы.
Если внимательно присмотреться
и вспомнить атомную единицу массы равную 1,
то это 1/12 массы атома углерода,
можно увидеть, что для одних ядер
масса ядра или масса атома
превышает целое число,
а для других, наоборот, меньше целого числа,
которое равно количеству нуклонов
в данном ядре.
Этот факт является основой того,
что в одних ядрах
мы имеем плотную упаковку,
в других гораздо менее
плотную упаковку нуклонов.
Когда мы от более рыхлой упаковки
будем переходить к плотной упаковке,
может выделяться энергия –
вот, фактически, источник ядерной энергии
в земных условиях.
Для того чтобы посчитать,
какая энергия выделяется в ядерной реакции
или в реакции радиационного распада,
нам необходимо познакомиться
с двумя физическими величинами.
Первая физическая величина –
это энергия связи нуклонов в атомном ядре,
вторая величина – относительная энергия связи
или энергия связи, деленная
на количество нуклонов в ядре.
На слайде представлен очень важный график.
Это зависимость
относительной энергии связи нуклона
от массового числа.
График имеет максимум,
и в этом максимуме мы имеем
наиболее плотно упакованные ядра,
энергия которых одного нуклона
приблизительно равна 8,5–8,6 МэВ.
Все другие ядра имеют меньшую
энергию связи по сравнению с этой.
И это позволяет надеяться
на различные способы
получения ядерной энергии,
которую мы могли бы использовать.
Давайте рассмотрим эти способы.
Первый способ.
Мы можем получать энергию,
если будем объединять легкие ядра
в более тяжелые.
Обратите внимание на график энергии связи.
Если мы ядра гелия и дейтерия,
соединим между собой,
то получим более тяжелое ядро,
энергия которых будет больше.
А если мы помним, что масса ядра
при этом стане меньше, значит часть массы
(дефект массы) куда-то исчезнет.
Куда?
Она может превратиться в энергию.
Помните формулу дельта mс в квадрате –
вот именно эта энергия
выделится в результате ядерной реакции.
Это энергия, которую
мы потом будем использовать,
и данный способ реализован
в виде синтеза легких ядер.
На этом принципе разрабатываются
термоядерные реакции на Земле,
но также на этом принципе
работают все звезды,
потому что в звездах,
как раз протекают термоядерные реакции.
Другой способ
использовать термоядерную энергию –
это термоядерная бомба.
Супероружие, которое было разработано
в различных странах,
так же опирается на синтез легких ядер.
Термоядерные реакторы, по всем оценкам,
считаются будущим энергетики всего мира,
потому что потенциал топлива
этих реакторов очень большой –
дейтерия, который может служить топливом
для этих реакторов,
в мировом океане
практически бесконечное количество
с точки зрения потребности людей.
Однако, сегодня, не смотря на то,
что мы уже знаем все физические принципы,
на которых должны работать эти реакторы,
пока ни одного термоядерного реактора
на Земле нет.
Второй способ использования ядерной энергии –
это деление тяжелых ядер.
Обратите внимание опять на график.
Тяжелые ядра имеют энергию связи
не 8,5 МэВ, а 7,5 МэВ.
Это означает,
что их упаковка более рыхлая,
и, делясь на два осколка,
каждый из которых имеет
более плотную упаковку,
близкую к 8 или к 8,5 МэВ,
должна выделяться энергия.
Деление тяжелых ядер
было освоено раньше,
чем слияние легких ядер.
Причем раньше не только людьми,
но и природой.
Несколько миллиардов лет назад в природе
работали природные ядерные реакторы
(о которых я скажу в конце сегодняшней лекции).
Люди научились сначала использовать
ядерную реакцию деления в атомных бомбах,
и только потом в ядерных реакторах.
В настоящий момент около 16%
мирового производства электричества
происходит на атомных электрических станциях.
Этот путь уже освоен человечеством
и надеюсь, что мы будем идти по нему
еще очень долгое время.
Третий способ – это использование энергии
радиоактивных распадов.
На земле запасено очень много энергии
в виде ядер урана
и продуктов его распада,
которые мы можем использовать.
Более того,
мы может специально получать изотопы,
запасая в них небольшую энергию,
которую потом точечно использовать,
когда она нам понадобится.
Для этого существуют
либо ядерные реакторы,
либо специальные ускорители.
Использование энергии радиоактивных распадов
на сегодняшний день используется
в ядерной медицине,
радиоизотопных термоэлектрических генераторах
(или коротко РИТЭГах),
которые используются в местах,
где нет человека,
трудно доставлять обычные источники энергии,
например, в космосе.