В. Жуков - Физика в бою
Мы рассмотрели основные направления, по которым физика — поистине безграничная в своих возможностях наука — влияет на современное военное дело. Как видно, это влияние огромно, и, несомненно, оно будет непрерывно возрастать. Точно так же обстоит дело и с другими областями современной науки. Это обязывает советских воинов всесторонне изучать не только тот вид техники, который им вверен, но и овладевать основами всех научно-технических знаний, связанных с прогрессом в военном деле. Широкие знания помогут воинам лучше усвоить свою роль и место как вооруженных защитников Родины, с большим эффектом выполнять задачи, связанные с дальнейшим укреплением оборонного могущества нашей страны.
ИЗ ГЛУБИН ВЕЩЕСТВА
Сейчас уже всем известно, какой огромной разрушительной мощью обладает ядерное оружие. Тротиловые эквиваленты термоядерных зарядов межконтинентальных баллистических ракет измеряются несколькими миллионами и даже десятками миллионов тонн. Эта цифра станет более понятной, если учесть, что общее количество взрывчатых веществ, использованных за всю вторую мировую войну, составило приблизительно 3 млн. т тротила.
Наряду с мощными ядерными зарядами, предназначенными для решения стратегических задач, созданы ядерные заряды для использования на поле боя. Их тротиловый эквивалент колеблется от нескольких десятков до десятков тысяч тонн. Создание столь разнообразного арсенала ядерного оружия обязано достижениям физики XX столетия — открытию ядерной энергии. Но само это открытие было бы невозможным без познания ряда физических закономерностей микромира.
В 1905 г. великий физик нашего столетия Эйнштейн опубликовал законы теории относительности. Согласно этой теории масса тела (частицы) не остается постоянной при движении. Зависимость массы тела от скорости движения определяется формулой
где m0 — масса покоящегося тела (масса покоя);
v — скорость движения тела;
с — скорость распространения света в пустоте.
Согласно этому закону для малых скоростей v масса m тела практически равна m0, но при приближении v к скорости света с масса тела m быстро возрастает.
Другой важный закон теории относительности — соотношение между массой тела m и его энергией E, которое равно:
Разложив в ряд это выражение для энергии Е, получим такую зависимость:
Выведенная формула дает общую энергию, которой обладает тело массы m0, движущееся со скоростью v. Постоянный член m0с2 представляет собой энергию, присущую самому телу. Второй член в формуле не что иное, как обычное выражение кинетической энергии тела (т. е. энергии механического движения), встречающееся в классической механике. Видно, что при малых скоростях тела v второй и последующие члены в формуле малы по сравнению с первым членом.
Этот фундаментальный закон теории относительности — закон взаимосвязи массы и энергии — сыграл выдающуюся роль в раскрытии многих тайн атома и его ядра. На его использовании основано получение энергии при расщеплении тяжелых ядер атомов, которое практически осуществляется в реакторах и ядерных боеприпасах. Этот закон показал и путь получения энергии при соединении легких ядер атомов — путь, используемый пока что лишь в термоядерных боеприпасах. Но недалек день, когда люди научатся управлять термоядерной реакцией по своему усмотрению. Эго навсегда избавит человечество от угрозы истощения энергетических ресурсов.
Но как же практически применяется закон взаимосвязи массы и энергии?
По современным представлениям, вся природа состоит из мельчайших частиц — атомов. Атом — сложная частица, состоящая из ядра, вокруг которого вращаются электроны. В ядро входят частицы, примерно равные по массе — протоны и нейтроны. В ядрах легких и средних элементов число протонов равно числу нейтронов. В более тяжелых ядрах число нейтронов несколько больше числа протонов, а в тяжелых ядрах количество нейтронов примерно в 1,5 раза больше, чем протонов. Число электронов на орбитах равно числу протонов в ядре. Интересно, что по весу протон (нейтрон) примерно в 1836 раз тяжелее электрона. Это значит, что в ядре атома сосредоточена почти вся его масса. Согласно закону взаимосвязи массы и энергии в ядре атома сосредоточена в основном и вся его энергия. Вот почему ученые обратили внимание на ядро атома, когда встал вопрос о выделении ядерной энергии.
Часть энергии атома, заключенная в электронной оболочке, выделяется при химических реакциях (горение топлива, взрыв обычных взрывчатых веществ) и называется химической. Взрыв одного килограмма тротила дает около тысячи больших калорий, сгорание килограмма хорошего каменного угля — до 7 тыс., а килограмма нефти — до 11 тыс. больших калорий химической энергии. Вся эта энергия выделяется только в результате перестройки электронных оболочек атомов, участвующих в реакциях взрыва или горения.
Поскольку электронная оболочка содержит незначительное количество энергии по сравнению с энергией ядра, то и изменение массы при сжигании 1 кг каменного угля очень ничтожное, равно 1,68×10-10 кг. Взвешивание такой массы находится в настоящее время за пределами наших возможностей. Наименьший вес, который можно взвесить микровесами, равен около 10-7 кг. Таким образом, измерить разницу в массах, возникающую при реакции горения, невозможно. Сказанное справедливо для любой химической реакции, поскольку в этом случае выделяется количество энергии того же порядка, что и при горении каменного угля. Совершенно иное положение получается при ядерных реакциях.
Образование ядер из протонов и нейтронов сопровождается выделением энергии. Откуда же она появляется? Измерения масс ядер различных элементов показали, что они меньше суммы масс входящих в них частиц — протонов и нейтронов. Эта убыль массы, проявляющаяся при образовании ядер, называется дефектом массы и обозначается Δm. По закону взаимосвязи массы и энергии можно вычислить энергию, которая выделяется при этом. Она будет равна: Е = Δm×с2. Эта энергия была названа энергией связи ядра, потому что такое же количество энергии нужно затратить на то, чтобы разбить ядро на составляющие его частицы.
Для всех ядер атомов дефект массы определен специальными приборами — масс-спектрографами. Следовательно, для всех ядер определена и энергия связи. Подсчитаем для примера энергию связи ядра гелия. Масса ядра атома гелия, определенная масс-спектрографическим методом, равна 4,003 атомных единиц массы (аем = 1,66×10-24 г). Сумма же масс двух протонов и двух нейтронов, входящих в ядро атома гелия, равна 4,033 аем. Значит, при образовании ядра гелия дефект (убыль) массы равен 0,03 аем.
На основании закона взаимосвязи массы и энергии энергия связи ядра атома гелия равна:
Е = Δm×с2 = 0,03×1,66×10-24×(3×1010)2 = 45×10-6 эрг;
здесь Δm — масса в граммах; с — скорость света в см/сек.
В ядерной физике обычно энергию связи выражают в специальных единицах — миллионах электронвольт (Мэв = 1,6×10-6 эрг). Это значит, что энергия связи ядра атома гелия равна 28 Мэв. Таким же образом можно вычислить энергию связи и других ядер атомов. Например, для ядра урана-235 энергия связи равна 1783 Мэв.
Очень важна величина энергии связи, приходящаяся на одну ядерную частицу — нуклон, E/A, где A — массовое число.
Как видно, энергия связи на нуклон равна величине общей энергии связи ядра Е, деленной на общее число нуклонов в ядре (массовое число А). Для дейтерия E/A равна 1,09 Мэв, трития — 2,77 Мэв, гелия — 7 Мэв, железа — 8,7 Мэв, урана — 7,6 Мэв и т. д.
Рис. 1. Зависимость энергии связи, приходящейся на один нуклонДля химических элементов энергия связи, приходящаяся на один нуклон, приведена на рис. 1. Здесь по горизонтальной оси отложено массовое число элементов А, по вертикальной — энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон E/A, в мегаэлектронвольтах (Мэв). Кривая имеет важное значение для ядерной физики. Она характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер, то есть показывает, какую энергию нужно потратить для того, чтобы оторвать один нуклон от ядра.
С другой стороны, кривая показывает, какое количество энергии выделяется на один нуклон при образовании ядра. Легко увидеть, что наибольшей прочностью обладают ядра атомов химических элементов с массовыми числами А, лежащими в пределах от 40 до 100, другими словами, элементов средней части периодической системы Д. И. Менделеева. Ядра атомов химических элементов, расположенных в начале и конце периодической системы, имеют меньшую прочность.
