Строение атома и внутриатомная (ядерная) энергия
Все твердые, жидкие и газообразные тела, встречающиеся в природе, состоят из мельчайших частиц — молекул. В свою очередь молекулы состоят из атомов химических элементов. В настоящее время известно около ста таких природных элементов.
Атом каждого химического элемента состоит из ядра, в котором сосредоточена основная часть массы, и электронной оболочки. Диаметр электронной оболочки атома составляет несколько стомиллионных долей сантиметра, а ядро атома еще меньше — в 10 000—100 000 раз.
Ядро атома состоит из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (частиц, не имеющих электрического заряда). Масса протона в 1837 раз, а масса нейтрона в 1839 раз больше массы электрона. Электрон имеет отрицательный электрический заряд, равный по величине заряду протона. Количество протонов в ядре атома равно количеству электронов в оболочке, и атом в целом является электрически нейтральной частицей.
Количество протонов в ядре определяет атомный номер химического элемента в таблице Менделеева. Так, в ядре атома водорода содержится один протон, и этот элемент занимает первое место в таблице Менделеева. В ядре атома урана содержится 92 протона, и атомный номер урана равен 92.
Сумма чисел протонов и нейтронов (ядерных частиц, или, как их называют, нуклонов) в ядре атома называется массовым числом. Оно равно атомному весу данного элемента, округленному до целой единицы.
Ядра атомов легких элементов могут соединяться в ядра более тяжелых элементов. Примером такой ядерной реакции синтеза может служить образование атомов гелия из атомов водорода с выделением огромного количества энергии (120 миллиардов калорий на 1 грамм гелия). Расщепление ядра урана на два ядра более легких элементов — пример ядерной реакции дезинтеграции. В этой реакции выделяется энергии около 20 миллиардов калорий на 1 грамм урана.
На рис. 1 показаны условные схемы строения атомов нескольких химических элементов. Простейший атом — атом водорода (протий). Его ядро состоит лишь из одной ядерной частицы — протона, положительный электрический заряд которого уравновешивается отрицательным зарядом электрона. В природе встречается также вторая разновидность водорода — тяжелый водород (дейтерий). В ядре тяжелого водорода, кроме протона, имеется вторая ядерная частица — нейтрон. Поскольку массы протона и нейтрона почти равны (1837 и 1839 электронных масс), то атом тяжелого водорода приблизительно в два раза тяжелее атома обычного (легкого) водорода, то есть массовое число этого изотопа равно двум. Тяжелый водород при соединении с кислородом образует тяжелую воду. В обычной воде Н2О содержится около 0,02 процента тяжелой воды D2O, которая может быть отделена от обычной воды путем электролиза или многократного выпаривания.
Если к ядру тяжелого водорода добавить еще один нейтрон, то получится новая разновидность водорода — сверхтяжелый водород (тритий), с массовым числом три. Тритий не встречается в природе и получается искусственным путем, например посредством облучения лития нейтронным потоком в атомном реакторе.
Рис. 1. Условные схемы строения атомов водорода, гелия и урана.
Атомы, имеющие одинаковое число протонов в ядре и электронов в оболочке, но содержащие различное число нейтронов в ядре, называют изотопами данного химического элемента. Протий, дейтерий и тритий — изотопы водорода. Все изотопы данного элемента обладают одинаковыми химическими свойствами, и потому их нельзя разделить химическим путем.
При рассмотрении структуры ядра атомов тяжелых элементов возникает вопрос: почему одноименно заряженные ядерные частицы (протоны) не отталкиваются кулоновскими силами и какие силы удерживают в ядре протоны и нейтроны? Эти силы называют ядерными силами; величина их во много раз превышает электростатические силы отталкивания одноименно заряженных протонов. Эти огромные ядерные силы являются причиной необычайно большой плотности вещества атомных ядер. Вес 1 кубического сантиметра ядерного вещества составляет около 116 миллионов тонн. Плотность же электронных оболочек примерно равна плотности атмосферного воздуха.
Природа ядерных сил изучена еще недостаточно.
При образовании ядра атома из нуклонов (протонов и нейтронов) выделяется энергия, равная энергии, затрачиваемой на полное расщепление ядра на отдельные нуклоны. Эта энергия называется полной энергией связи ядра.
На рис. 2 показана зависимость средней энергии связи на 1 кулон, выраженной в электрон-вольтах (эв)*. С помощью этой зависимости можно определять количество энергии, выделяемой при ядерной реакции расщепления или синтеза. Ядро урана делится на два осколка (ядра атомов средней части таблицы Менделеева), выделяя энергию в 7,5 мэв на 1 нуклон. Средняя энергия связи нуклонов осколков получается около 8,4 мэв. При делении ядра урана выделяется также 2—3 свободных нейтрона; общая энергия связи осколков деления будет:
8,4 (235—2)=1957,2 мэв.
Полная энергия связи ядра урана 235 до деления:
7,5 X235=1762,5 мэв.
При делении ядра высвобождается энергия:
1957,2—1762,5 мэв = 194,7 мэв.
Из этого количества энергии в момент деления ядра выделяется 170 мэв, а остальные 24,7 мэв выделяются позднее в результате радиоактивного распада осколков деления или при захвате нейтронов деления другими ядрами.
Помножим указанную энергию (194,7 мэв), освобождающуюся при делении одного ядра, на количество атомов в 1 килограмме (2,56 X 1024) и получим указанную выше энергию, выделяемую при расщеплении 1 килограмма урана, — 5х1026 мэв, или 19 миллиардов килокалорий**.
Так, если при сгорании 1 килограмма угля выделяется около 7000 килокалорий, то 1 килограмм урана может заменить по теплоценности около 3 миллионов килограммов угля. При синтезе ядра гелия выделяется количество тепла, приблизительно в десять раз меньшее, чем при расщеплении ядра урана.
Рис. 2. Зависимость энергии связи на один нуклон от массового числа элементов.
Атомный вес гелия в 59 раз меньше атомного веса урана, то есть в 1 килограмме гелия содержится количество атомов, в 59 раз большее, чем в 1 килограмме урана. Следовательно, при синтезе 1 килограмма гелия выделяется количество тепла, приблизительно в 6 раз большее, чем при расщеплении 1 килограмма урана. Это означает, что если бы удалось осуществить регулируемую ядерную реакцию синтеза гелия из водорода, то 1 килограмм водорода заменил бы по теплоценности 18 миллионов килограммов угля.
Пока осуществлена только взрывная (мгновенная) реакция синтеза водорода в гелий. Эта реакция происходит под действием теплового движения ядер атомов при очень высокой температуре и поэтому называется термоядерной реакцией. В водородной бомбе термоядерная реакция синтеза тяжелого и сверхтяжелого изотопов водорода в гелий происходит в результате нагрева, вызванного взрывом уранового или плутониевого заряда, создающего температуру более 10 миллионов градусов.
Мгновенные (взрывные) реакции расщепления ядер урана и плутония осуществлены в атомных бомбах. Регулируемые, медленные реакции расщепления этих элементов осуществляются на атомных электростанциях.
Можно надеяться, что в будущем на атомных электростанциях удастся использовать и термоядерные реакции синтеза легких элементов.
