4. Синтез и расщепление ядра

Радиоактивность, описанная в предыдущей части, происходит спонтанно, без поступления энергии извне. Но реакцию в ядре можно спровоцировать, добавив необходимой энергии, чтобы она произошла, – на этом строится принцип соединения и расщепления атомного ядра.

Энергия атомов

Расщепление ядра состоит в получении более легких элементов из тяжелых путем их разделения на много частей. Ядерный синтез, напротив, состоит из образования более тяжелых элементов на основании легких путем их «склеивания». В обоих случаях – реакций ядерного синтеза и расщепления – происходит выделение энергии: почему?

Увеличение энергии при ядерном синтезе

Рассмотрим два ядра дейтерия (изотоп водорода, содержащий один протон и один нейтрон), которые приблизим друг к другу (➙ рис. 28.8.а): они приобретут потенциальную энергию благодаря электростатическому отталкиванию. Чем ближе ядра друг к другу, тем у электростатической силы больше возможности придать им кинетическую энергию, удалив их друг от друга.

Но в то же время сильное взаимодействие, которое является притягивающим, стремится снизить потенциальную энергию: чем ближе ядра, тем меньше притяжение способно придать им кинетическую энергию, приближая их друг к другу.

Оказывается, повышение сильного взаимодействия доминирует над повышением электростатического отталкивания: потенциальная энергия снижается, когда мы соединяем два ядра. Ядро гелия, созданное соединением двух ядер дейтерия, имеет гораздо более слабую энергию. То есть его создание сопровождается выбросом лишней энергии наружу, чтобы общая энергия сохранилась.

Увеличение энергии при ядерном расщеплении

Как мы видели, при определенном размере ядра рост электростатического отталкивания доминирует над ростом сильного взаимодействия, потому что радиус действия последнего меньше: создание более тяжелых элементов требует дополнительной энергии. То есть здесь при расщеплении происходит обратный процесс, который выделяет энергию (➙ рис. 28.8.b).

В итоге расщепление тяжелых элементов образует ядра меньшего размера и более слабой энергии. Соединение легких элементов образует более крупные ядра и также со слабой энергией.

Рис. 28.8 – Энергетические процессы при синтезе и расщеплении ядра

(а) – слияние двух ядер дейтерия: в образованном ядре гелия мы видим, что связь внутри, вызванная сильным взаимодействием, гораздо выше. Электростатического отталкивания недостаточно для противодействия слиянию. Таким образом, потенциальная энергия гелия меньше, чем у ядер дейтерия (он стабильнее).

(b) – расщепление крупного ядра. Мы видим, что здесь сильное взаимодействие доминирует над электростатическим отталкиванием, то есть ядро стабильно. Но в дочерних ядрах электростатическое отталкивание сильно уменьшилось (гораздо меньше протонов), в то время как сильное взаимодействие уменьшилось мало (взаимодействия с малым радиусом действия мало изменились): таким образом, дочерние ядра гораздо стабильнее, чем исходное ядро. Связь в них сильнее, потенциальная энергия слабее.

Стабильность элементов средней массы

Легкие элементы при увеличении теряют энергию, тяжелые элементы теряют энергию при уменьшении. Таким образом, должен существовать «средний» размер ядра, у которого энергия самая маленькая. Речь идет о никеле‐62, состоящем из 28 протонов и 34 нейтронов. Это значит, что как синтез, так и расщепление никеля приведет к созданию более энергетически мощных ядер и поглотит энергию, вместо того чтобы ее освобождать. Никель‐62 достаточно стабилен: таким, как он, стремятся стать все другие элементы (наряду с железом‐56, также очень стабильным). Более тяжелые элементы стремятся расщепиться, чтобы стать такими же, а более легкие стремятся объединиться.

Это приводит к важному следствию: никеля и железа во Вселенной особенно много, в частности на Земле. Их не так много на поверхности, зато они образуют большую часть земного ядра. Будучи элементами скорее тяжелыми, во время формирования Земли они осели в ее центре под действием гравитации.

Ядерное расщепление

Принцип

Расщепление тяжелого ядра образует более легкие и стабильные ядра. Но тяжелое ядро также является относительно стабильным, то есть, чтобы его дестабилизировать, необходимо придать ему дополнительную энергию и вызвать реакцию. Это позволяет пройти через стадию промежуточного, очень неустойчивого ядра с высокой энергией, которое распадется само. В итоге мы переходим от средней энергии (исходное ядро) к энергии слабой (дочернее ядро), проходя через высокую энергию (промежуточное ядро).

Чтобы придать ядру энергии, прибегают к помощи нейтронов, которые посылают к ядру: цель – дестабилизировать ядро, добавив дополнительный нейтрон. Для этого можно было бы использовать и протоны, но их затормозит электростатическое отталкивание ядра, прежде чем они его достигнут.

В итоге полученное нестабильное ядро высокой энергии раскалывается на две части, как во время альфа-распада. Но во время альфа-распада вытолкнутой частью ядра всегда было ядро гелия, в то время как при расщеплении большой энергии полученного нестабильного ядра достаточно, чтобы расколоть ядро на две разные части. Благодаря квантовым явлениям ядро не всегда раскалывается одинаково: оно может давать разные дочерние ядра с разной долей вероятности.

Возьмем пример с ураном‐235, редким природным изотопом урана, который используется на АЭС. Одна из реакций расщепления, которые можно наблюдать, следующая:

²³⁵U + n → ¹⁴⁰Xe + ⁹⁴Sr + 2n.

В данной реакции n означает нейтрон. Из урана мы получаем ксенон и стронций. Два полученных дочерних ядра являются радиоактивными изотопами и потеряют лишние нейтроны в процессе бета-распада.

Цепная реакция

Если энергии достаточно, чтобы вызвать реакцию, мы все же получаем продукты расщепления более низкой энергии, чем у урана и исходного нейтрона. А поскольку энергия должна сохраняться, это значит, что реакция выбрасывает ее наружу. На практике реакция освобождает гамма-фотоны, что приводит к перестройке ядер и их зарядов.

Во время такой реакции освобождается гораздо больше энергии, чем ее необходимо для того, чтобы она состоялась: в этом и есть смысл расщепления ядер. Общая энергия сохранилась, но часть потенциальной энергии ядра превратилась в кинетическую энергию (излученные нейтроны) и излучение (фотоны). Таким образом, мы «освободили» потенциальную энергию, содержавшуюся в ядре.

Кроме того, отметим, что нейтроны выделились при предыдущей реакции; между тем необходимо точное число нейтронов, чтобы начать реакцию. Это значит, что, если нам удалось расщепить ядро урана, выделенные нейтроны расщепят соседние ядра урана и так далее: это называется цепной реакцией.

Внутри бомбы такая цепная реакция протекает очень быстро: за долю секунды расщепление одного за другим ядер урана приводит к выбросу колоссальной энергии.

На атомных электростанциях цепные реакции контролируют с помощью веществ, которые останавливают выделенные нейтроны и мешают им спровоцировать следующие реакции, лишь нескольким нейтронам позволяют достичь других ядер таким образом, чтобы контролировать скорость цепной реакции.

Расщепление ядра в военных и мирных целях

Когда излученные гамма-фотоны взаимодействуют с материей, они отдают ей свою энергию (например, отрывая электроны). Эта энергия быстро превращается в тепловую энергию в результате столкновения молекул.

Внутри бомбы резкое повышение температуры приводит к резкому скачку давления (вспомним, что P = nkcT, где P – давление, Т – температура, а n – концентрация). Воздух очень быстро расширится в направлении зон более низкого давления, произойдет взрыв.

На атомных электростанциях тепловая энергия позволяет кипятить воду, как на ТЭЦ это делает уголь.

Синтез ядра

Трудности синтеза ядра

Образование гелия (2 протона и 2 нейтрона) из изотопов водорода является самой «простой» реакцией синтеза: именно она дает энергию Солнцу, и именно на ней хотят строить работу будущих термоядерных электростанций.

Как реализовать подобный синтез? Основная трудность – преодолеть электростатическое отталкивание между исходными ядрами: например, ядра дейтерия заряжены положительно, поскольку содержат протон. Для того чтобы они достаточно приблизились друг к другу, чтобы их соединить и создать гелий, необходимо, чтобы они обладали большой кинетической энергией (➙ рис. 28.9). На практике это значит, что температура среды должна быть огромной, поскольку она отражает микроскопическую кинетическую энергию. Порядок необходимой величины десятки миллионов градусов!

Здесь проявляется часть проблемы ядерного синтеза. Когда реакция началась, она отдает гораздо больше энергии, чем было необходимо для ее начала, что поддерживает реакцию; но ведь ее еще нужно начать… Расщепление ядра не доставляет таких проблем, поскольку к ядру посылают нейтрон, то есть не нужно преодолевать электростатическое отталкивание.

В водородных бомбах используется расщепление плутония или урана, что позволяет повысить температуру настолько, что происходит синтез водорода. Но в атомной электростанции нельзя использовать бомбу на основе расщепления ядра, чтобы вызвать реакцию! Вся трудность мирного ядерного синтеза в том, чтобы вызвать реакцию, при этом ее контролируя. Именно поэтому ядерный синтез уже давно используется в военных целях, но еще долгие годы не сможет быть использован в мирных целях.

Рис. 28.9 – Соединение двух ядер дейтерия

(а) – два отдельных ядра дейтерия.

(b)– электростатическое отталкивание высоко, и два ядра остаются слишком далеко друг от друга, чтобы проявилось сильное взаимодействие (радиус его действия очень мал): потенциальная энергия очень высока.

(с)– два ядра достаточно близки, чтобы сильное взаимодействие преодолело электростатическое отталкивание: образованное таким образом ядро гелия очень стабильно, его энергия очень мала. Мы видим, что в итоге получили очень маленькую энергию по сравнению с началом, но прошли через промежуточную стадию очень высокой энергии. В случае с расщеплением ядра принцип действия идентичный.

Ядерный синтез внутри Солнца

В заключение в качестве примера дадим синтез водорода, происходящий внутри Солнца: это процесс первостепенной важности, поскольку поддерживает температуру поверхности Солнца достаточной, чтобы нас согревать и освещать…

В первой стадии высокое давление и температура, которые царят в центре Солнца, позволяют двум протонам (= ядрам водорода) значительно приблизиться друг к другу. На этой стадии возможно превращение протона в нейтрон, потому что это уменьшает энергию частиц, уничтожая электростатическое отталкивание. Таким образом, существует некоторая вероятность, что это превращение состоится: речь идет о бета-плюс-распаде, поскольку при этом образуются протон и нейтрон. Это выглядит как:

p⁺ + p⁺ → D + v + e⁺ (где p⁺ – это протон, а D – ядро дейтерия, образованное протоном и нейтроном. v и e⁺ представляют нейтрино и позитрон, образовавшиеся при бета-плюс-распаде).

Во второй стадии другой протон приближается к образовавшемуся дейтерию, чтобы путем слияния создать гелий (2 протона и 1 нейтрон). Происходит именно слияние. Это записывается: D + p⁺ → 3He + γ (γ представляет собой высокоэнергетический фотон, который удаляет энергию, потерянную при синтезе).

Наконец, два ядра образованного в Солнце гелия‐3 реагируют между собой, чтобы сформировать гелий‐4, который является стабильным. Во время этого процесса два протона выбрасываются:

³He + ³He = ⁴He + p⁺ + p⁺

Материя нашего тела родилась на звездах

Излучение звезд, образованное ядерными реакциями, создает давление, которое не позволяет звезде сложиться вовнутрь под действием собственного веса. Когда водород кончается внутри звезды, она снова сжимается, пока давление и температура внутри ее не повысятся снова: именно в этот момент могут произойти более сложные ядерные реакции, создающие более тяжелые элементы.

Самые тяжелые звезды в конце жизни взрываются (становятся сверхновой звездой), что сопровождается выбросом тяжелых элементов, которые разлетаются по всему космосу. Все элементы Вселенной тяжелее гелия были созданы на тяжелых звездах. Это значит, что наше собственное тело, состоящее из углерода, кислорода и многих других тяжелых элементов, сформировалось на звездах задолго до того, как образовалась Солнечная система.

Надежды, связанные с контролем ядерного синтеза

В конце концов управляемый термоядерный синтез через несколько десятилетий, возможно, ознаменует важный поворот в проблеме выработки энергии, с которой мы сталкиваемся сейчас. Водорода, почти неисчерпаемого на Земле, хотя бы в виде морской воды H₂O, и довольно распространенного дейтерия достаточно для выработки энергии путем ядерного синтеза в течение сотен тысяч лет.

Более того, ядерный синтез будет «чище» ядерного расщепления: он производит легкие элементы, чьи изотопы либо стабильны, либо, напротив, имеют очень краткий срок существования. В то время как расщепление ядра приводит к образованию тяжелых элементов, многочисленные радиоактивные изотопы которых живут долго, и это приводит к важной проблеме утилизации ядерных отходов. Прибавим к этому, что синтез ядра, как и расщепление, не образует никаких газов, дающих парниковый эффект (только водяной пар).