Главная >> В мире больших скоростей >> Специальная теория относительности

21. Путь к освобождению ядерной энергии

Теория относительности сулит исследователям заманчивые перспективы: если открыть возможность уничтожения массы покоя, то можно высвободить такие количества энергии, о которых прежде человечество не смело и мечтать. При исчезновении 1 г массы покоя освободилось бы такое же количество энергии, как при сгорании 2 800 т каменного угля.
 
Указанные теорией относительности перспективы были очень привлекательными, но не было видно ни одного пути для их реализации. Даже один из создателей ядерной физики Эрнест Резерфорд считал нереальным использование энергии, получаемой за счет массы покоя. Однако впоследствии физики все же нашли такой путь! Начало этому положило кажущееся на первый взгляд малозначащим несогласие опытных данных с теоретическими соображениями при измерении массы атомных ядер. Измерения массы ядра гелия показали,  что  она   равна   4,00158   атомных единиц массы. В то же время было известно, что масса протона равна 1,00727, а масса нейтрона — 1,00866 атомных единиц массы (все время говорится о массе покоя). Проделаем теперь простое вычисление.
 
Ядро гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов, сумма масс которых дает 4,03186. Однако масса ядра гелия оказалась на 0,03028 единиц меньше. Недостаточность массы обнаружили у всех ядер, ее стали называть дефектом массы. Дефект массы ядра угрожал таким основам физики, как закон сохранения массы: если при объединении в ядро гелия двух протонов и двух нейтронов теряется масса, равная 0,03028 единиц массы, то это показывает несостоятельность закона сохранения массы. Однако сомнения легко устраняет теория относительности.
 
Атомное ядро удерживается очень большими ядерными силами. Чтобы разделить ядро на составные части, необходимо затратить большое количество энергии. Эту энергию, затрачиваемую для разделения ядра на протоны и нейтроны, называют энергией связи ядра. Если для разделения ядра затрачивается определенная энергия, то, естественно, что такое же количество энергии должно выделяться при образовании ядра. Энергия связи будет, следовательно, равна той энергии, которая выделяется при объединении протонов и нейтронов в ядро.
 
Теперь предоставим слово теории относительности. Если при образовании ядра освобождается энергия, то, согласно соотношению эквивалентности массы и энергии, масса ядра должна быть меньше суммы масс образующих его нуклонов. Утраченная в виде энергии масса и составляет дефект массы. Дефект массы ядра эквивалентен энергии связи ядра.

Для ядра гелия дефект массы известен: он равен 0,03028 единицы массы. С помощью формулы (9) мы можем вычислить теперь энергию связи ядра гелия, которая оказывается равной 28,2 Мэв. Стоит только измерить массы ядер, и мы сможем вычислить аналогичным путем дефекты массы и энергию связи для всех них. Некоторые результаты вычислений представлены в табл. 8. Числа в последнем столбце таблицы показывают, какое количество массы потерял в среднем каждый протон или нейтрон ядра. Другими словами, числа последнего столбца таблицы показывают, какое количество энергии связи приходится на один нуклон.

Из таблицы видно, что энергия связи на один нуклон не изменяется от ядра к ядру в значительных пределах. Еще яснее это видно на графике рис. 45, где по горизонтальной оси отложено число нуклонов в ядре, а по вертикальной — энергия связи на один нуклон.
 
Энергия связи для различных элементов одного и того же порядка больше нескольких мегаэлектронвольт. Однако в этом различии кроется возможность освобождения и использования энергии атомного ядра, эквивалентной массе покоя.

Рис. 45. Зависимость энергии связи, приходящейся на один нуклон, от числа нуклонов в ядре

Ядро дейтерия содержит один протон и один нейтрон, ядро гелия — два протона и два нейтрона. Следовательно, при слиянии двух ядер дейтерия образуется ядро гелия. Какие энергетические изменения сопровождают этот процесс? Из табл. 8 видно, что каждый из нуклонов в ядре дейтерия потерял массу, эквивалентную 1,09 Мэв энергии. В ядре гелия потеря массы на каждый нуклон много больше: она  составляет  7,05 Мэв. Значит,  при  объединении двух ядер дейтерия в ядро гелия каждая частица должна излучать 5,96 Мэв энергии, теряя при этом соответствующую часть своей массы покоя. Это и есть один из путей превращения массы покоя в энергию. Другие пути нетрудно усмотреть из рис. 45:   атомное ядро следует изменять так, чтобы энергия связи на один нуклон (т. е. утраченная каждым нуклоном масса) стала возможно больше. Грубо говоря, для освобождения энергии есть два пути: соединение легких ядер и разрушение тяжелых. В обоих случаях образуются ядра со средним атомным весом.  При таких реакциях дефект массы будет наибольшим.
 
В современных ядерных реакторах по техническим причинам используются только процессы цепного самопроизвольного распада тяжелых ядер. При этом в качестве «горючего» в реакторах используются уран, торий, плутоний и другие тяжелые элементы. При радиоактивном распаде они выделяли бы энергию, но процесс их распада не мог бы идти без посторонней помощи. Расщепление таких элементов на более легкие элементы возможно только путем бомбардировки их быстрыми частицами. Такая «артиллерия» (ускорители частиц) имеется только в больших физических лабораториях. Кроме того, следует подчеркнуть, что затраты энергии для ускорения частиц будут намного больше той энергии, которую можно будет освобождать при распаде ядра. Это связано с тем, что нужно ускорять множество частиц, так как только небольшая часть ускоренных частиц попадет в цель и расщепит ядра. Таким образом, такое расщепление ядер может оправдать себя только в научных целях. В атомных реакторах, применяемых в народном хозяйстве, имеет смысл использовать только такие элементы, ядра которых могут распадаться спонтанно — без посторонней помощи.
 
Использовать в народном хозяйстве ядерную энергию, освобождающуюся при синтезе ядер легких элементов, пока не удалось, так как она требует поддержания устойчивых температур в сотни миллионов градусов. Такие реакции называются обычно термоядерными реакциями. В настоящее время ученые многих стран мира работают над проблемой создания управляемой термоядерной реакции. Сейчас уже удалось получить плазму с температурой в десятки миллионов градусов и удерживать ее в течение многих секунд.
 
Интенсивные термоядерные реакции происходят в недрах звезд и Солнца. Источником энергии звезд является ядерная энергия, высвобождающаяся за счет исчезновения массы покоя звезд. Вычислено, что Солнце, например, каждую минуту теряет на излучение 250 млн. т своей массы покоя. Для огромной массы Солнца это, однако, ничтожная величина. При сохранении теперешней интенсивности излучения Солнце может согревать нас еще сотни миллиардов лет.
 
Проблему освобождения ядерной энергии удалось решить только благодаря открытию теорией относительности закона эквивалентности массы и энергии. Тем самым была решена также и проблема получения энергии за счет массы покоя, хотя далеко не полностью. Невозможно добиться исчезновения, скажем, всего куска угля и использовать эквивалентную ему энергию. В нашем распоряжении имеются средства, позволяющие уничтожить только малую часть массы покоя некоторых элементов, но и это уже ведет к освобождению огромных количеств энергии. Например, при образовании 1 г гелия из ядер дейтерия теряется только 0,006 г массы покоя, но это приводит к освобождению 129 млн. ккал энергии. Такое количество энергии удалось бы получить при сжигании 17,2 т каменного угля. При распаде тяжелых элементов освобождается несколько меньше энергии. Так, распад всех атомов 1 г природного урана на две приблизительно равные части дает 19,6 млн. ккал энергии.
 
Для иллюстрации можно привести такой пример. 30 сентября 1964 г. был пущен первый блок Ново-Воронежской атомной электростанции. К утру 2 октября эта станция уже дала свой первый миллион киловатт-часов энергии. Для этого было израсходовано только 200 г урана. На тепловой же электростанции за это время сожгли бы 500—600 т каменного угля. Один грамм ядерного топлива заменяет тонны обычного топлива.
 
Всего лишь несколько десятилетий назад сокрушались о будущем человечества в связи с тем, что такие энергетические источники, как уголь, нефть и другие, будут полностью исчерпаны уже через несколько столетий. Теперь этой проблемы больше не существует. Одни только разведанные мировые запасы урана могут удовлетворить потребности человечества в энергии на протяжении почти десяти тысяч лет, не говоря уже о тории, которого в природе больше, чем урана. Кроме того, можно быть уверенным, что рано или поздно будет решен вопрос о получении энергии из других элементов. Практически человечеству не грозит больше призрак энергетического голода — и все это благодаря теории относительности! Закон эквивалентности массы и энергии указал человечеству путь к новым, практически неисчерпаемым источникам энергии.

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ: