Ядра атомов. Ядерная энергия

Атомное ядро является объединением элементарных частиц – протонов и нейтронов (нуклонов). Протоны и нейтроны почти одинаковы по массе; их общее число является массовым числом ядраL. Количество протонов определяет зарядовое число ядраZи количество электронов в атоме, а следовательно, химические свойства элемента. Общее название атомных ядер, отличающихся числамиА иZ, –нуклиды. Нуклиды с различными массовыми и одинаковыми зарядовыми числами называютсяизотопами. Изотопы являются ядрами одного и того же химического элемента.

Устойчивость ядра обусловлена связью между нуклонами за счет ядерных сил. Они действуют лишь на расстояниях порядка 10^–15 м. Ядерные силы – проявление так называемого сильного взаимодействия. Наиболее устойчивыми являются ядра атомов средней части таблицы Менделеева, а тяжелые и легкие ядра менее устойчивы. Это означает, что энергетически выгодны процессы деления наиболее тяжелых ядер и слияния наиболее легких ядер (синтез ядер).

С устойчивостью ядра связано понятие радиоактивности. Под радиоактивностьюпонимают способность некоторых ядер самопроизвольно распадаться, превращаясь в другие. Радиоактивный распад сопровождаетсярадиоактивным излучением. Оно имеет сложный состав:α-излучение – поток ядер гелия;β-излучение – поток электронов;γ-излучение – электромагнитные волны с малой длиной волны. За счет распада число ядер радиоактивного вещества со временем уменьшается. Если обозначить первоначальное количество ядерN₀, то с течением времениt число не распавшихся ядер будет уменьшаться по законуN =N₀e^–λt, где λ – постоянная радиоактивного распада данного элемента.Периодом полураспада радиоактивного изотопа называется величина, равная среднему времени распада половины из имевшихся первоначально ядер. Периоды полураспада лежат в диапазоне от десятимиллионных долей секунды до миллиардов лет.Активность нуклида характеризуется числом распадающихся в единицу времени ядер.

Атомные ядра при взаимодействии с элементарными частицами или друг с другом претерпевают превращения, которые называются ядерными реакциями. Наибольшее практическое значение имеют ядерные реакции с участием нейтронов. Эти частицы не испытывают электрического отталкивания и могут легко проникать в ядра, вызывая ядерные реакции. Например, тяжелые ядра под действием нейтронов делятся на более легкие и испускаютвторичные нейтроны. Такое превращение сопровождается высвобождением большой энергии. Вторичные нейтроны могут вызвать деление других тяжелых ядер. Это обусловливает возможностьцепной ядерной реакции. В зависимости от энергии нейтроны условно подразделяют на быстрые и медленные. Медленные нейтроны эффективны для возбуждения ядерных реакций, так как они относительно долго находятся вблизи ядра и вероятность их захвата ядром с последующей реакцией распада велика.

Цепная реакция может быть неуправляемой, если поток нейтронов не регулируется (например, взрыв атомной бомбы), и управляемой, если поток нейтронов регулируется специальными поглотителями (в атомном реакторе). Управляемая цепная реакция используется как высокоэффективный источник энергии. Радиоактивные материалы, обеспечивающие протекание управляемой реакции, называютсяядерным топливом (например, уран, плутоний).

Другой тип ядерной реакции, которая может служить источником энергии, – этореакция синтеза атомных ядер, в результате которой из легких ядер образуются более тяжелые. Удельная энергия, выделяемая в результате такой реакции, значительно больше, чем в реакции деления. В связи с этим активно исследуются различные возможности осуществления управляемых реакций ядерного синтеза. Для соединения исходных ядер необходимо преодоление очень высокого потенциального барьера. Несмотря на то, что здесь большую роль играет “просачивание” частиц сквозь потенциальный барьер за счет туннельного эффекта, осуществление термоядерного синтеза требует больших величин исходных энергий реагирующих ядер. Такие энергии может обеспечить очень высокая температура – выше 10⁸ К. Поэтому реакции ядерного синтеза часто называюттермоядерными реакциями. Рабочим веществом для термоядерных реакций является так называемая высокотемпературнаяплазма – сильно разогретый и сильно ионизированный газ. Природные термоядерные реакции протекают в звездах. Неуправляемая термоядерная реакция осуществляется искусственно в виде взрыва термоядерной бомбы. Однако управляемая реакция ядерного синтеза представляет собой сложнейшую научную и техническую проблему из-за необходимости создания и удержания в ограниченном объеме высокотемпературной плазмы. Решение данной проблемы очень перспективно с точки зрения разработки практически неисчерпаемого экологически чистого источника энергии.