ЛЕКЦИЯ №12. Ядерная энергетика

Чтобы разделить какое-либо ядро на составляющие его протоны и нейтроны и удалить их из поля действия ядерных сил, надо совершить работу, т. е. затратить энергию. Эту энергию называют энергией связи ядра. При образовании ядра из нуклонов энергия связи наоборот выделяется.

Если рассчитать массу ядра, например атома гелия, по формуле

,

где m_я – масса ядра; m_р – масса протонов; N_p – число протонов; m_n – масса нейтронов; N_n – число нейтронов,

то она будет равна

а.е.м.

Вместе с тем фактическая масса ядра гелия равна 4,003 а.е.м. Таким образом, фактическая масса ядра гелия оказывается меньше расчетной на величину 0,03 а.е.м. В этом случае говорят, что ядро имеет дефект массы (недостаток массы). Разницу ∆m между расчетной и фактической массой ядра называют дефектом массы.

Дефект массы показывает, насколько прочно связаны частицы в ядре, а также сколько энергии выделилось при образовании ядра из отдельных нуклонов. Этот расчет можно провести на основании уравнения взаимосвязи между массой и энергией, выведенного А. Эйнштейном:

,

где Е– энергия, эрг; т – масса, г; с – скорость света, равная 3·10¹⁰ см/с.

В соответствии с этим законом масса и энергия представляют собой разные формы одного и того же явления. Ни масса, ни энергия не исчезают, а при соответствующих условиях переходят из одного вида в другой, т. е. любому изменению массы ∆m системы соответствует эквивалентное изменение ее энергии ∆Е:

.

Как уже отмечалось, в ядерной физике за единицу энергии принят электронвольт, поэтому энергию связи ядра можно выразить в электронвольтах, исходя из того, что энергетический эквивалент 1 а.е.м. составляет 931 МэВ:

МэВ.

Если бы существовал способ разделения ядра атома гелия на два протона и два нейтрона, то для этого потребовалось бы затратить не менее 28 МэВ энергии.

Среднюю энергию связи, приходящуюся на один нуклон, называют удельной энергией связи. Для гелия она составляет 28:4 = 7 МэВ. Следовательно, зная дефект массы, можно легко вычислить энергию связи ядра. Энергия связи ядер соразмерно возрастает с увеличением числа нуклонов, однако нестрого пропорционально их числу. Например, энергия ядра дейтерия составляет 2,2 МэВ, азота – 104,56, а урана – 1800 МэВ. Если не считать самых легких ядер (дейтерий, тритий), то энергия связи на один нуклон составляет для всех ядер примерно 8 МэВ.

Для сравнения необходимо напомнить, что химическая энергия связи атомов в молекулах в расчете на один атом равна нескольким электронвольтам (2...5 эВ). Именно этим объясняется, что ядерные реакции характеризуются в миллион раз большими энергиями, чем обычные химические реакции.

Таким образом, закон взаимосвязи массы и энергии показывает, откуда возникает та колоссальная энергия, которая выделяется при синтезе и делении ядер.

Дата добавления: 2014-01-05