В. Жуков - Физика в бою
Это-то обстоятельство и дало возможность открыть способы получения ядерной энергии, создать ядерное оружие. Ведь если осуществить ядерную реакцию, в которой будут образовываться ядра большей прочности, чем исходные, то реакция будет сопровождаться выделением энергии. Обратная реакция потребовала бы затраты энергии. Поэтому кривая графика указывает в принципе на два способа высвобождения ядерной энергии: первый — деление ядер тяжелых элементов, расположенных в конце периодической системы Д. И. Менделеева, на более легкие ядра; второй — соединение (синтез) ядер легких элементов (например, водорода) в более тяжелые ядра (например, гелия).
Рассчитаем, какое количество энергии выделится при делении ядер одного килограмма урана-235. При делении одного ядра урана-235 на два приблизительно равных ядра атомный вес каждого из них составит примерно 235/2 = 117, хотя наиболее вероятно получение одного тяжелого ядра с атомным весом 140, а другого легкого — с атомным весом 95.
Так как энергия связи на каждый нуклон этих легких ядер равна примерно 8,5 Мэв, то полная энергия связи одного легкого ядра будет 117×8,5 = 994 Мэв. Полная же энергия связи ядра урана-235, состоящего из 235 нуклонов, равна 235×7,6 = 1786 Мэв. Согласно сказанному выше при делении ядра урана на два легких ядра высвободится энергия, равная 994×2—1786 = 202 Мэв.
В 1 тыс. г урана содержится (6,02×1023×1000)/235 = 2,56×1024 атомов. При расщеплении всех их ядер высвободится энергия, равная 2,56×1024×202 = = 520×1024 Мэв = 2×1013 калорий = 2×1010 больших калорий (1 Мэв = 3,8×10-14 калорий).
Для наглядного представления подсчитаем, сколько, например, нужно взорвать тротила, чтобы получить такое же количество энергии. Как уже отмечалось, при взрыве 1 кг тротила выделяется около тысячи больших калорий. Следовательно, при делении ядер 1 кг урана-235 выделяется такое же количество энергии, как и при взрыве 20 тысяч тонн тротила. Вот почему мощность ядерного оружия выражают обычно в тротиловых эквивалентах.
Реакция деления тяжелых ядер урана-235 и плутония-239 используется в ядерном оружии и ядерных силовых установках.
Иное дело — высвобождение внутриядерной энергии при соединении ядер изотопов водорода в ядра гелия. Практическое применение в этом случае нашла реакция соединения ядер тяжелого водорода (дейтерия) и сверхтяжелого водорода (трития).
Подсчитаем количество энергии, которое выделяется при образовании 1 кг гелия из ядер этих изотопов водорода. Полная энергия связи ядра дейтерия, состоящего из двух нуклонов, равна 2×1,09 = 2,18 Мэв, а ядра трития, состоящего из трех нуклонов, равна 3×2,78 = 8,34 Мэв. Полная же энергия связи ядра гелия, как уже отмечалось, равна 28 Мэв. Следовательно, при образовании одного ядра гелия из ядер дейтерия и трития высвободится ядерная энергия, равная 28 — (2,18 + 8,34) = 17,48 Мэв. В 1 тыс. г гелия содержится (6,02×1023×1000)/4 = 1,5×1026 атомов. Поэтому при образовании 1 кг гелия из ядер дейтерия и трития выделится такое количество ядерной энергии: 1,5×1026×17,48 = 26,2×1026 Мэв = 1,0×1014 калорий = 1,0×1013 больших калорий. Такое же количество энергии выделяется при взрыве 100 тыс. т тротила.
Если сравнить результаты расчетов, показывающих выделение внутриядерной энергии при делении и синтезе ядер, то окажется, что при синтезе изотопов водорода в ядрах гелия энергии выделяется в 5 раз больше, чем при делении ядер урана-235 или плутония-239. На рис. 1 это условно отмечено размером радиоактивного облака.
Реакция соединения ядер изотопов водорода используется, как известно, в термоядерном оружии.
Следует заметить, что закон взаимосвязи массы и энергии сыграл решающую роль в открытии ядерной энергии и создании ядерного и термоядерного оружия. Он открывает возможности создания еще более мощного источника энергии на основе аннигиляции античастиц— превращения элементарных частиц в фотоны энергии. Аннигиляционное излучение было открыто при взаимодействии электрона с позитроном. Электрон, соударяясь с позитроном, превращается в два фотона (кванта) с энергией по 0,51 Мэв каждый.
Аннигиляционное излучение возможно и при соударении других частиц, например, протона и антипротона. При соударении протона и антипротона образуется два кванта с энергией по 940 Мэв каждый. Может быть также получено аннигиляционное излучение и при соударении нейтрона и антинейтрона.
Особенность аннигиляции частиц состоит в том, что частицы «без остатка» переходят в фотоны, в то время как при делении ядер урана-235 и синтезе изотопов водорода дефект массы составляет менее одного процента.
На основании закона взаимосвязи массы и энергии можно вычислить количество энергии, выделяемое при аннигиляции любого количества массы вещества. Подсчитаем для примера, какая энергия связана с веществом, обладающим массой в один грамм:
Е = m×с2 = 1×(3×1010)2 = 9×1020 эрг = 21×1012 калорий = 21×109 больших калорий.
Как видно, в 1 грамме массы скрыта энергия, эквивалентная взрыву примерно 20 тыс. т тротила. Не вызывает сомнения, что наука в будущем научится добывать энергию и на основе аннигиляции частиц. Уверенность в этом дают огромные успехи современной ядерной физики, решившей уже не одну сложную задачу.
Не следует, однако, думать, что физика открывает простор лишь для создания ядерных средств нападения. Использование иных открытых ею закономерностей дает возможность разрабатывать и эффективные средства защиты от поражающих факторов ядерного взрыва. Как это делается, рассмотрим на примере одного из таких факторов — светового излучения.
Если верить легенде, свет стал оружием еще в глубокой древности. До наших дней дошло предание о том, что якобы Архимед сжег неприятельский флот при помощи системы вогнутых зеркал — он будто бы концентрировал ими солнечные лучи, направляя на римские корабли. Правда, расчеты показывают, что возможность такого события маловероятна. Практически зажечь что-либо подобным путем можно на расстоянии, не более чем в десять раз превышающем размеры вогнутого зеркала. Однако древнее пророчество сбылось: свет все-таки сделался оружием. Но им стал не усиленный свет солнца, то есть собранные в одну точку солнечные лучи, а световая вспышка «ярче тысячи солнц» — ядерный взрыв.
На долю светового излучения ядерного взрыва приходится значительная часть всей выделяемой энергии — примерно 35%. Во время ядерной вспышки образуется светящаяся область, которая испускает, подобно солнцу, излучения в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой части электромагнитного спектра. Чем мощнее заряд, тем больше размеры этой светящейся сферы. В иностранной печати сообщалось, что при воздушном взрыве боеприпаса мощностью 1 мгт радиус сферы достигает 885 м, а при заряде в 10 мгт — около 2780 м.
Световое излучение может наносить поражение людям на больших расстояниях от эпицентра. Так, при хорошей прозрачности атмосферы взрыв мощностью 1 мгт, как сообщалось в зарубежной печати, способен нанести ожоги второй степени людям на расстоянии до 18 км, а взрыв мощностью 10 мгт — до 35 км. Заметим, что слова «при хорошей прозрачности атмосферы» сказаны здесь не случайно. Состояние атмосферы играет существенную роль в распространении светового излучения и воздействии его на людей и технику. Не меньшее значение имеет и то, какие материалы встречает свет на своем пути: из чего, например, изготовлена одежда солдат и офицеров. При решении этих вопросов и в первом и во втором случае на помощь специалистам приходит знание законов физики и их рациональное использование. Рассмотрим эти проблемы так, как они освещаются в зарубежной печати. Для начала проследим путь светового луча, ядерного взрыва в атмосфере, а потом взаимодействие его с одеждой человека и другими материалами.
Итак, преграда первая — атмосфера. Она представляет собой среду, состоящую из сложной смеси газов (азота, кислорода, аргона и углекислого газа), водяного пара и твердых частиц (пыли, дыма, сажи). Если количество газов в атмосфере практически неизменно, то количество других примесей может сильно меняться в зависимости от метеорологических условий и географического положения.
Проходя сквозь атмосферу, световое излучение испытывает двоякую потерю — от рассеяния и поглощения. В первом случае частицы, находящиеся в атмосфере, отклоняют лучи от первоначального направления, во втором — лучистая энергия переходит в другие виды энергии, но главным образом — в тепловую. Учет ослабления светового излучения в атмосфере представляет собой сложную задачу. Для его количественной оценки на практике пользуются коэффициентом прозрачности, под которым понимают отношение количества световой энергии, прошедшей через слой атмосферы толщиной 1 км, к энергии, вступившей в этот слой.
Обычно коэффициент прозрачности связывают с дальностью видимости больших темных предметов над горизонтом в дневное время, которая определяется метеорологическими условиями. Например, при дальности видимости 16 км (городские условия) на расстоянии 1 км от центра взрыва коэффициент прозрачности равен 0,8, а на расстоянии 6,1 км от центра взрыва — 0,55. При дальности видимости 80 км (очень ясная погода) на этих же расстояниях коэффициенты прозрачности соответственно равны 0,90 и 0,75.
