ядерная энергия

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ

внутренняя энергия атомного ядра, вьщеляющаяся при ядерных превращениях. Обусловлена действием внутри атомных ядер сил притяжения между составляющими ядра нуклонами — протонами и нейтронами. Силы притяжения между нуклонами действуют только на очень небольших расстояниях, сопоставимых с размерами ядер (10⁻¹³ см). В результате действия ядерных сил при образовании ядер из протонов р и нейтронов n вьщеляется большое количество энергии, подобно тому, как при химических реакциях вьщеляется энергия, соответствующая энергии возникающих хим. связей между атомами.

Полная энергия, высвобождающаяся при образовании ядра из нуклонов (она равна энергии связи ядра Е_св, см. ядро атомное) отвечает дефекту массы, т. е. уменьшению массы образовавшегося ядра по сравнению с общей исходной массой составляющих его протонов и нейтронов. Так, при образовании ядра ⁴Не из двух протонов и двух нейтронов дефект массы равен ок. 0,0293 а. е. м. и эквивалентен выделению ок. 28 МэВ. Отношение энергии связи к числу составляющих ядро нуклонов Е_св/А, где А — массовое число, наз. уд. энергией связи ядра.

Быстрое уменьшение сил ядерного притяжения между нуклонами с ростом расстояния приводит к слабой зависимости уд. энергии связи от массового числа ядра (рис.). У легких ядер уд. энергия связи невелика (ок. 7 МэВ/нуклон в случае ⁴Не). С ростом А число соседей у каждого нуклона возрастает, и растет значение Е_св/А. Оно достигает максимума при А = 50–60 (так, у ядер ⁵⁶Fe Е_св/A 8,5 МзВ/нуклон), а затем вновь убывает. Снижение уд. энергии связи с ростом А происходит довольно медленно, у ядер ⁷³⁸U Е_св/A = 7,4 МэВ/нуклон. Из этой зависимости следует, что экзотермич. являются реакции ядерного синтеза (образование легких ядер из легчайших) и реакции деления тяжелых ядер, а также спонтанныйраспад.

Зависимость удельной энергии связи ядра от массового числа.

Энергия, освобождающаяся при образовании ядер из протонов и нейтронов в расчете на 1 моль, примерно в 10⁹ раз больше, чем энергия, которая вьщеляется при химических реакциях. Однако точно так же, как при проведении хим. реакций обычно не удается освободить всю энергию, отвечающую энергии хим. связей атомов в образующихся соединениях, так и при проведении ядерных превращений вьщеляется энергия, значительно меньшая, чем Я. э., отвечающая всей энергии связи нуклонов в ядрах. Исключение составляют только процессы синтеза легких ядер (⁴Не и др.), имеющие место, напр., в звездном веществе. Так, по совр. представлениям, энергия Солнца обусловлена выделением энергии связи нуклонов в ядрах ⁴Не, которые образуются в недрах Солнца из протонов и нейтронов в результате цикла последоват. превращений.

В земных условиях освободить и использовать Я. э. удается в двух процессах. Во-первых, при термоядерном синтезе, т. е. при синтезе ядер сравнительно легких элементов из еще более легких ядер, у которых энергия связи меньше. Примером такого процесса служит ядерная реакция с участием двух ядер дейтерия, приводящая к образованию ядра ³Не и выделению нейтрона. Во-вторых, высвобождение Я. э. наблюдается при делении тяжелых ядер (²³⁵U, ²³⁹Pu и др.) на два осколка — ядра элементов середины периодич. системы элементов, у которых энергия связи больше, чем у тяжелых ядер.

Первый способ реализован пока только в неуправляемом термоядерном взрыве т. наз. водородной бомбы. Попытки реализовать управляемый термоядерный синтез и в результате получать Я. э. в регулируемых условиях до сих пор к успеху не привели. Второй способ получения Я. э. осуществляется как при неуправляемом взрыве ядерного боеприпаса, так и благодаря управляемой ядерной цепной реакции деления в ядерном реакторе (используется, как правило, ²³⁵U или ²³⁹Ри). Во всех этих случаях удается освободить гл. обр. в виде тепловой энергии менее 10% общей энергии связи, отвечающей участвующим в превращениях ядрам. Тем не менее, Я. э., освобождающаяся в расчете на 1 моль подвергшегося превращению вещества, в 10⁶–10⁷ раз превышает энергию, которую можно получить при проведении хим. превращения с 1 молем реагента (напр., при сжигании 1 моля углерода).

В ядерных превращениях Я. э. освобождается в виде кинетич. энергии частиц (новых синтезированных ядер, осколков деления и др.), движущихся с огромными скоростями, а также в виде жесткого электромагн. излучения (рентгеновского и у). Торможение частиц сопровождается переходом кинетич. энергии гл. обр. в тепловую.

В литературе, особенно издававшейся в 40-50-е гг. 20 в., часто вместо термина "Я. э." использовали термин "атомная энергия", что не вполне оправдано, т. к. речь идет именно об энергии, заключенной внутри ядра.

^{Лит.: Физические величины. Справочник, М., 1991.}

_{С. С. Бердоносов}