Александр Проценко - Энергия будущего
А умудрись мы таким образом создать 44 килограмма углерода (это вес исходных продуктов в рассмотренной выше химической реакции), то энергии получилось бы 7,8*10^12 килокалорий, что примерно в сто миллионов раз больше, чем при обычной химической реакции соединения углерода и кислорода! А это уже немало, и уже стоит обращать внимание на уменьшение массы в 0,1 а.е.м.
Все это хорошо, но у данного способа освобождения энергии есть существенный недостаток: наука еще не знает, как из отдельных элементарных частиц получать атомы углерода или других тяжелых элементов.
Ну что ж, придется искать другие способы освобождения энергии из недр атомов. Это делать уже легче, так как теперь ясно, что они должны быть основаны на использовании недостатка массы у элементов.
Недостаток массы присущ каждому элементу. Физики назвали его дефектом массы. Приведем для ясности небольшую таблицу нескольких элементов с их дефектами масс, а также их массовые числа, равные сумме протонов и нейтронов.
___________________________________________________.
_____________________________________________Дефект.
Элемент_____Число________Число____Массовое____массы.
___________нейтронов___ протонов___число____в а.е.м.
Дейтерий_____1____________1_________2_______0,0024_.
Тритий_______2____________1_________3_______0,009__.
Гелий________2____________2_________4_______0,03___.
Литий________3____________3_________6_______0,034__.
Углерод______6____________6________12_______0,1____.
Молибден____54___________42________96_______0,88___.
Лантан______82___________57_______139_______1,23___.
Уран_______143___________92_______235_______1,91___.
___________________________________________________.
Если соединить ядра таких двух элементов, чтобы у образовавшегося нового недостаток (дефект) массы был больше суммарного дефекта масс исходных элементов, то наверняка можно сказать, что при этом соединении (ядерной реакции) выделилась энергия, пропорциональная изменению дефекта массы.
Из таблицы видно, что такому условию удовлетворяет, например, реакция соединения двух ядер дейтерия с образованием гелия, при их соединении должна выделиться энергия. Такой же эффект получится, если соединить атомы дейтерия и лития и образовать два атома гелия.
Заметим, что дефект массы возрастает (а это означает больший выход энергии), если к любому элементу присоединить нейтрон. Так, с добавлением нейтрона дейтерий преобразовывается в тритий с большим дефектом массы, Значит, простое присоединение нейтрона к любому элементу сопровождается выделением энергии.
Два пути
Подобные ядерные реакции соединения легких элементов уже осуществлены. Интересно посмотреть, чего можно ожидать от реакций с тяжелыми элементами, приведенными в конце таблицы?
"Соединив" молибден с лантаном, мы получим элемент с массовым числом 235. Это уран-235 (такое написание применяется и для других элементов). Оказывается, в такой реакции результирующий дефект массы не возрастает, а уменьшается, и никакой энергии не выделяется, напротив, для осуществления такой реакции необходимо затратить ее пропорционально полученному изменению дефекта массы. Если сделать подобные расчеты для всех известных элементов, то окажется, что при соединении элементов с массовым числом, большим 60, новый элемент может быть получен лишь при затрате энергии на эту реакцию.
Вернемся к нашему примеру получения урана из молибдена и лантана. Будем рассуждать так: если при соединении атомов молибдена и лантана затрачивается энергия и получается атом урана, то при проведении реакции наоборот, то есть при делении атома урана на атомы молибдена и лантана, должна выделиться энергия. Действительно, пусть теперь исходным продуктом будет уран-235. Предположим, что каким-то путем нам удалось его разделить на молибден и лантан. Оказывается, сумма масс атомов этих элементов меньше массы атома урана, то есть дефект массы при такой реакции увеличивается, а значит, реакция пойдет с выделением энергии. Так на смену синтезу элементов пришел другой путь освобождения внутриядерной энергии - деление ядер. Так учеными был преодолен еще один рубеж на пути познания природы.
Конечно, достигли они этих высот не сразу. Ими создавались новые и отбрасывались отжившие теории, проводились многочисленные эксперименты и разрабатывались новые методы исследований. Лишь одно описание путей освобождения энергии может занять несколько томов. Перелистывая страницы этого описания, можно встретить многие славные имена наших современников, чьими трудами открыта эта тайна вещества. Среди них англичане Э. Резерфорд и Д. Чэдвик, датчанин Н. Бор, итальянец Э. Ферми, физики Советского Союза Д. Иваненко, И. Гуревич, Л. Ландау, И. Померанчук, Г. Флеров, И. Курчатов, немцы О. Ган и Ф. Штрассман, французы И. и Ф. Жолио-Кюри, а также многие, многие Другие.
Но вернемся к синтезу и делению - так будем называть два рассмотренных пути освобождения внутриядерной энергии - атомных ядер. Говоря о реакции синтеза, надо заметить, что в ряде случаев наряду с образованием нового элемента происходит высвобождение злементарных частиц: протона или нейтрона. Так, в реакции соединения двух атомов дейтерия образуется тритий, или гелий-3, и высвобождается протон или нейтрон. Возможна реакция синтеза дейтерия и трития с образованием атома гелия и вылетом нейтрона. Величина выделяющейся на грамм соединившихся веществ энергии составляет около 80 миллионов килокалорий. При делении же урана на один его грамм освобождается только около 20 миллионов килокалорий.
Итак, сопоставим: при синтезе дейтерия и трития выделяется 80*10^6 килокалорий на грамм; при делении урана - 20*10^6; при сжигании углерода всего лишь 7.
Количество энергии, выделяющейся при сгорании углерода, приведено для сравнения. Ее по сравнению с энергией синтеза и деления меньше (в расчете на один грамм вещества) в несколько миллионов раз. Это цифры, за которые стоит бороться. Как же осуществить реакцию синтеза?
Обратимся опять к химическим реакциям. Попробуйте при обычной комнатной температуре провести реакцию соединения (горение) древесины с кислородом. Дерево повсюду окружает нас, но, находясь в непосредственном контакте с кислородом, оно не соединяется с ним. Для того чтобы эта реакция началась, его нужно поджечь, повысив температуру.
Еще со школьной скамьи каждому из нас известно, что при нагревании вещества изменяется характер движения его атомов и молекул. Эти частицы всегда находятся в состоянии хаотического, беспорядочного движения. Так, при минусовой температуре молекулы, скажем, воды, прочно связанные друг с другом, лишь слабо колеблются, образуя кристаллики льда.
При повышении температуры колебания их становятся все быстрее и быстрее, при ноле и выше градусов прочные связи между ними разрываются и лед превращается в жидкость, воду.
С дальнейшим увеличением температуры энергия молекул возрастает настолько, что они начинают вылетать из воды, при 100 градусах она закипает и переходит в пар.
Если продолжать нагревать пар, то начнут распадаться сами молекулы воды на отдельные молекулы водорода и кислорода. Когда температура станет еще большей, распадутся все молекулы и перейдут в свободные атомы водорода и кислорода.
Итак, вещество из твердого переходит в жидкое, а затем в газообразное состояние.
При дальнейшем повышении температуры от атомов станут отрываться электроны и образовываться смесь ядер и электронов. Говорят, вещество переходит в так называемое четвертое состояние - в плазму.
Конечно, чтобы зажечь дерево, не нужно переводить его в четвертое состояние. Уже при температуре около 400 градусов его молекулы (точнее, молекулы целлюлозы) и молекулы кислорода движутся настолько интенсивно, что при соударении соединяются друг с другом, "сцепляются" своими электронными оболочками и образуют новое вещество. Выделяющейся при этой реакции энергии с избытком хватает на то, чтобы прошла такая же реакция соединения соседних молекул. От них энергия передается к следующим и так далее. Так возникает цепная реакция горения.
Мы обратились к химическим реакциям, чтобы на их примере показать, как можно осуществить реакцию синтеза атомных ядер, то есть заставить соединиться, например, два ядра дейтерия. Оказывается, надо дейтерий также разогреть, но до такой высокой температуры, при которой движущиеся атомы лишились бы своих электронных оболочек, дейтерий перешел бы в четвертое состояние, и лишь потом его ядра при соударении будут образовывать ядро трития и свободный протон.
Не нужно забывать, что химические и ядерные реакции (в данном случае реакция синтеза) качественно различны. В первой из них соединение атомов или молекул приводит к образованию нового вещества, но не нового элемента. Для осуществления химической реакции достаточно придать атомам или молекулам относительно небольшие скорости движения. В реакции синтеза совершенно другая ситуация. Чтобы соединить ядра, их нужно разогнать до гораздо больших скоростей движения.
