Очевидное? Нет, еще неизведанное…
Шрифт:
Энергия, освобождаемая или поглощаемая при ядерных реакциях, в сотни тысяч и миллионы раз превышает энергетический выход в обычных химических реакциях. Соответственно и изменения массы при ядерных реакциях в миллионы раз больше. Если, например, при реакции образования воды на каждые две грамм-молекулы водорода и одну грамм-молекулу кислорода (то есть на 18 граммов вещества) выделяется 136 тысяч малых калорий, 2H2 + O2 = 2H2O + 136 000 калорий, то при ядерной реакции образования ядер гелия из лития и водорода Li7 + H1 = 2He4 + Q на каждые 7 граммов ядер лития и 1 грамм ядер водорода
84
Кстати, иногда приходится читать, что выделение (или поглощение) громадного количества энергии при ядерных реакциях вызвано изменением массы реагирующих веществ. Это утверждение, конечно, совершенно неправильно. Заметное изменение массы (дефект массы) свидетельствует, что реакция ядер идет с колоссальным выделением или поглощением энергии, а не объясняет, почему такое выделение энергии имеет место при ядерных реакциях. Ответ на вопрос «почему?» связан с такой «мелочью», как выяснение природы ядерных сил.
Но и в ядерных реакциях изменение массы обычно не превышает долей процента. Подобно скупому рыцарю, природа тщательно хранит энергию, и даже при таких потрясениях, как ядерные взрывы, расходуются лишь малые доли запасов.
Для примера приведем точный энергетически-массовый баланс упомянутой реакции [85] .
Li7 + H1 = 2He4 + Q.
В результате точных измерений определили, что масса одного атома равна:
85
Заметьте, что массы атомов записаны в «слегка» необычной форме. В них выделен сомножитель 1,66 · 10–24 г. Это масса протона.
лития (Li7) = 7,01818 · 1,66 · 10– 24 г;
водорода (H1) = 1,00813 · 1,66 · 10– 24 г и
гелия (He4) = 4,00389 · 1,66 · 10– 24 г.
Подсчитаем массу реагирующих веществ и продуктов реакции:
Li7 + H1 -> 2He4
7,01818 · 1,66 · 10– 24 + 1,00813 · 1,66 · 10–24
2 · 4,0039 · 1,66 · 10– 24 г. Сложив, получим: 8,02631 · 1,66 · 10– 24 г -> 8,00778 · 1,66 · 10– 24 г.
Слева имеется избыток массы, равный 3,08 · 10–26 г. Освобождающаяся в реакции энергия (она в равенстве добавляется справа) должна соответствовать этой массе, и значит:
Q = mc2 = 3,08 · 10– 26 г · 9 · 1020 см/сек = 2,72 · 10– 5 эрга.
При этой реакции освобождающаяся энергия проявляется в виде кинетической энергии образовавшихся ядер гелия (-частиц).
Экспериментальные данные великолепно подтверждают теоретические расчеты как в этой, так и в сотнях других ядерных реакций. Точно измерив массы всех атомных ядер, можно предвидеть, как будет протекать данная ядерная реакция — с выделением или с поглощением энергии; предсказать, какое именно количество энергии освободится или поглотится (свяжется).
В
В словах «огромная энергия» нет ни оговорки, ни насмешки. Эта энергия действительно колоссальна. Ведь речь идет только о двух атомах. При обычных химических реакциях на один элементарный акт освобождается в миллионы раз меньше энергии: 10– 11–10– 12 эрга. Чтобы осуществить ядерную реакцию, необходимо преодолеть ядерный энергетический барьер — затратить энергию. Правда, выигрыш энергии в результате реакции с лихвой возмещает затраты, но барьер существует, и его «надо брать». На графике на стр. 322 схематически представлена обычная энергетическая диаграмма для ядерных реакций.
Как видно, обычно освобождающаяся энергия (E >> E) значительно больше энергии активации. К сожалению, масштабы схемы не позволяют отразить истинное соотношение этих энергий. На самом деле E может превышать активационный барьер в десятки раз.
Если создать условия, когда часть энергии, выделяемой при реакции, используется на преодоление барьеров еще не прореагировавших атомов, возникает цепная ядерная реакция.
Не будем увлекаться и подробнее говорить о ядерных реакциях. Ограничимся только расшифровкой утверждения, что высокий активационный барьер для подавляющего большинства ядерных реакций совершенно естествен, и ничего другого нельзя было ожидать.
Если бы такой порог отсутствовал, то все элементы давным-давно прореагировали бы сами собой («свалились в энергетические ямы»), и ядерные реакции с выделением энергии были бы невозможны просто из-за отсутствия необходимого «сырья».
С другой стороны, очевидно, что в условиях, когда непрерывно идут ядерные реакции, нельзя и думать о возможности возникновения такого высокоорганизованного образования материи, как живые мыслящие существа. А потому следует радоваться, что на Земле ядерные реакции идут, как правило, только в искусственных условиях. Впрочем, как известно, есть и исключение — распад естественных радиоактивных веществ, с открытия которых и началась эра ядерной энергии.
Но в звездах ядерные реакции протекают исключительно бурно.
Чтобы представить невероятную энергию, вырабатываемую в звездных термоядерных «установках», достаточно привести только одну цифру.
Наше солнышко — середняк среди звезд, типичная посредственность, но энергия, которую оно отдает в каждую секунду, эквивалентна приблизительно 5 миллионам тонн массы [86] . На долю Земли в секунду приходится энергия, эквивалентная примерно 2 килограммам массы. За счет этой энергии за сутки Земля «толстеет» приблизительно на 170 тонн [87] .
86
Впрочем, не нужно беспокоиться. Масса Солнца так велика, что можно не опасаться ее истощения. При такой мощности излучения Солнце «похудеет» вдвое за 6000 миллиардов лет.
87
Эта цифра, впрочем, сильно завышена, поскольку Земля излучает энергию в пространство, и суммарный «истинный» приход энергии меньше.
Пожалуй, даже по тем отрывочным примерам, что были приведены, можно представить значение теории относительности в физике наших дней.
Заключение,
Если читатель последовательно и добросовестно добрался до этих строк, то автор может только радоваться. Полагаю, что это чувство (но по другой причине) разделяет и читатель. Поэтому не стоит особенно задерживаться с окончанием.