Поиск





Вторник, 23.04.2019, 20:58
Приветствую Вас Гость | RSS
Всё что нас окружает имеет свою загадку...
Главная | Регистрация | Вход


Главная » Ядерная физика

Дефект массы

В 1932 г. два английских физика Кокрофт и Уолтон в который раз обстреливали пучком ускоренных протонов мишень из изотопа лития-7, надеясь обнаружить после этого что-либо новое и интересное. Это новое не заставило себя долго ждать. Снимки, сделанные в камере Вильсона, показали, что некоторые ядра лития-7, поглотив попавший в них протон, исчезали, выбрасывая две альфа-частицы, т. е. целиком превращались в два ядра атома гелия-4.

Это событие можно записать так:

1H1 + 3Li72He4 + 2He4.

Результат, безусловно, поразительный! Но то, что по-настоящему потрясло ученых, было совсем Дефект массыдругим. Когда попробовали с карандашом в руках подсчитать баланс масс и энергий всех участвовавших в этой, на первый взгляд, очень простой ядерной реакции, то обнаружили крайне непонятные прибыли» и «убытки». Масса всех участвовавших в этой реакции частиц равнялась 7,0182 (ядро лития-7) + 1,0081 (протон) = 8,0263 а.е.м., а масса получившихся двух отдельных альфа-частиц в сумме давала всего лишь 4,004 X 2 = 8,008 а.е.м. Неизвестно, куда исчезала масса вещества, равная 8,0263 — 8,008 = 0,0183 а.е.м.!

Одновременно, и тоже неизвестно откуда, появлялась весьма значительная прибавка энергии движения у двух разлетающихся альфа-частиц, по сравнению с энергией протона первоначально разбившего надвое ядро лития-7.

Крушение закона сохранения массы и энергии?

Ни то, ни другое. Что именно так и должно было происходить, теоретически предсказал еще в 1905 г. величайший физик нашего века Альберт Эйнштейн — творец теории относительности, одной из самых смелых и дальновидных научных идей современности.

Одним из важнейших выводов этой теории было то, что никакое тело не может двигаться в пустоте со скоростью, равной скорости света — 300 000 км/сек — или превышающей ее. Это утверждение шло в разрез с господствовавшим прежде законом механики Ньютона, по которому масса тела не зависит от скорости и, следовательно, любое дополнительное усилие, приложенное к движущемуся телу, должно пропорционально, а следовательно, и беспредельно увеличивать его скорость. Согласно же теории относительности, следует различать массу покоя m0 и массу m, зависящую от скорости движения данного тела. Для малых скоростей масса m практически равна массе покоя m0, однако, если скорость движения тела становится сопоставимой со скоростью света, масса m очень быстро увеличивается, стремясь к бесконечности. Например, при скорости 282 100 км/сек масса электрона почти утраивается; при 298 500 км/сек она увеличивается в 10,79 раза, скорость 299 400 км/сек утяжеляет электрон уже в 20,58 раза и т. д. Отсюда следует и другой вывод: любое тело можно разогнать до скорости, сколь угодно близкой к скорости света, но никогда нельзя достичь ее.

Основываясь на опытах русского физика П. Н. Лебедева, установившего факт светового давления, т. е. доказавшего наличие массы у световых волн, на экспериментально подтвержденном факте утяжеления электрона при движении со скоростями, близкими к скорости света, — и на ряд других открытий века, А. Эйнштейн вывел свое знаменитое, вызвавшее множество споров и кривотолков, соотношение, связывающее массу — меру инерции — и энергию — физическую меру движения материи:

E=mc2

т. е. энергия равна массе тела, умноженной на квадрат скорости света.

Следовательно, любое вещество обладает определенным количеством энергии, строго пропорциональным его массе и, наоборот, каждому материальному телу, обладающему энергией, соответствует строго определенная масса. Чем больше масса тела, тем больше скрыто в нем энергии. Увеличивая энергию какого-либо тела, например нагревая его или разгоняя до близких к световой скоростей, мы тем самым увеличиваем и его массу. Если возбужденный атом вещества излучает квант света (фотон), то вместе с энергией он теряет и определенную массу.

При всем изобилии энергии атом отдает ее крайне скупо. Чтобы преодолеть силы, связывающие частицы в ядре и препятствующие его перестройке, нужно сперва затратить какое- то количество энергии. Только тогда распадающееся или перестраивающееся ядро атома выделит связанную с уменьшением его массы энергию. Однако не во всех случаях энергия, выделяющаяся при распаде или перестройке ядра, превышает энергию, затрачиваемую на разрушение или перестройку. Следовательно, для получения энергии выгодно разрушать или перестраивать ядра атомов только тех элементов, у которых «затраты» меньше «прибыли». Обычно это ядра атомов или самых легких, или самых тяжелых элементов.

Как известно, ядро атома гелия (альфа-частица) сложено из двух протонов и двух нейтронов. Чтобы разделить такое ядро на составляющие его элементарные частицы, надо преодолеть огромные силы притяжения, удерживающие их все вместе, которые, как выяснилось позже, действуют только на расстоянии, равном примерно двум диаметрам ядра.

Сделать это можно, попав в ядро атома гелия какой-либо тяжелой частицей, разогнанной до большой скорости. В опыте английских ученых с литием-7 это был протон. Следовательно, на данной фазе происходит поглощение энергии. Но как только частицы разбиваемого ядра разойдутся на расстояние больше двух диаметров ядра, действие внутриядерных сил прекращается и вступают в действие исключительно огромные силы отталкивания одинаково заряженных протонов.

Разлетающиеся в стороны с колоссальной скоростью частицы обладают энергией, значительно больше той, которая была затрачена на разрушение этого атома.

Ну, а что произойдет при попытке соединить вместе четыре отдельных ядра атомов водорода (протона), чтобы получить ядро атома гелия?

Логично предположить, что сначала нужно затратить значительную энергию, чтобы преодолеть непрерывно нарастающее отталкивающее действие четырех положительных зарядов протонов. Но еще большее, поистине чудовищное количество энергии выделится после того, как, сблизившись и войдя в сферу действия ядерных сил притяжения, протоны затем как бы сольются в новое ядро («защелкнутся»). При этом два протона превратятся в нейтроны, выбросив два позитрона и два нейтрино. И в качестве конечного результата появится избыточное количество энергии, сопровождающееся уменьшением некоторого количества массы. Разность между массой частиц до реакции слияния их в ядро атома более тяжелого элемента и массой образовавшегося в результате этой реакции ядра называют дефектом массы.

Теперь можно заняться подсчетами.

Сумма масс нуклонов, принимающих участие в реакции, равна: 2 протона х 1,0076 + 2 нейтрона х 1,0090 = 4,0332 а.е.м. Масса же ядра атома гелия, когда-то ранее сложившегося из таких же частиц, составляет 4,0028 а.е.м. Разница 0,0304 а.е.м. Тем не менее даже такое, казалось бы, ничтожно малое уменьшение массы эквивалентно энергии 28,2 Мэе!

Дефект массы наблюдается не только при соединении протонов и нейтронов в ядра атома, но и в тех случаях, когда ядро атома тяжелого элемента делится на два более легких ядра.

Но... не у всех элементов при сложении или делении ядер атомов «выделяющаяся» энергия превосходит затрачиваемую. Это относится к очень ограниченному числу атомов: к самым легким — водороду, дейтерию, тритию, гелию, литию и самым тяжелым — урану, плутонию. Все же элементы середины таблицы Менделеева никаких выгод в этой части не представляют. По этой причине булыжник при дороге, кусок железа, серебро, золото, ртуть и другие вещества до скончания веков останутся тем, чем они есть сейчас. Вот почему взрыв атомной или водородной бомбы не вызывает детонации и взрыва всех окружающих нас веществ: воды, воздуха, почвы, всей планеты.

Избыточная энергия при слиянии легких элементов будет выделяться только в том случае, если в соответствующую ядерную реакцию удастся вовлечь все или значительную часть наличных атомов. А даже при самой мощной бомбардировке, пользуясь имеющимися в распоряжении ученых источниками тяжелых снарядов: ускоренных альфа-частиц, дейтронов и протонов, — в цель попадает едва одна десятимиллионная их часть. Все же остальные пролетают мимо. Вот почему тысячи ученых во всех странах мира изыскивают способы и средства вмешиваться в происходящие в недрах атомов физические процессы, с тем чтобы, управляя некоторыми из них, высвобождать скрытую в них энергию.

Категория: Ядерная физика | Добавил: braveahiles (24.08.2012)
Просмотров: 8946 | | Рейтинг: 5.0/1
Интересный материал? Поделитесь с друзьями:
Всего комментариев: 0
Имя *:
Email *:
Код *:

Copyright Science Corp © 2019