Энергия, высвобождаемая при ядерных реакциях, связана с изменением массы атомного ядра. Согласно знаменитому уравнению Эйнштейна (E = mc^2), малые изменения массы ((Δm)) ядра соответствуют огромным количествам энергии ((E)), так как скорость света (c) имеет чрезвычайно большое значение. Эта энергия значительно превосходит энергию, выделяющуюся при химических реакциях, где участвуют только электроны внешних оболочек атомов.
Связь массы и энергии проявляется через дефект массы — разницу между суммой масс отдельных нуклонов (протонов и нейтронов) и массой сформированного ядра. Дефект массы определяется как:
[ m = Zm_p + Nm_n - M_{},]
где (Z) — число протонов, (N) — число нейтронов, (m_p) и (m_n) — массы протона и нейтрона, (M_{}) — масса ядра. Энергия связи на один нуклон (E_b) определяется как:
[ E_b = ,]
где (A = Z + N) — массовое число. Энергия связи характеризует стабильность ядра: чем выше (E_b), тем стабильнее ядро.
1. Ядерное деление (фиссия) Процесс деления тяжёлого ядра (обычно урана-235 или плутония-239) на два более лёгких ядра с выделением большого количества энергии. Реакция сопровождается образованием нескольких нейтронов, которые могут инициировать цепную реакцию. Энергетический выход деления одного ядра урана-235 составляет примерно 200 МэВ, что соответствует около (3,2 ^{-11}) Дж. Формула реакции деления может быть записана как:
[ {}^{235} + n ^{141} + {}^{92} + 3n + E.]
Цепная реакция обеспечивает непрерывное выделение энергии, если среда насыщена делящимися ядрами и нейтронами. В реакторах используются замедлители для увеличения вероятности захвата нейтронов.
2. Ядерный синтез (фузия) Процесс соединения лёгких ядер (например, изотопов водорода) в более тяжёлое с выделением энергии. Энергия синтеза на один нуклон выше, чем энергия деления, но для достижения реакции требуется преодолеть кулоновское отталкивание между протонами, что требует чрезвычайно высоких температур (миллионы градусов). Пример реакции синтеза:
[ {}^{2} + {}^{3} ^{4} + n + 17,6 .]
Синтез является основным источником энергии в звёздах, включая Солнце.
3. Радиоактивный распад Спонтанный процесс превращения нестабильного ядра в более стабильное с испусканием частиц и гамма-квантов. Существует три основных типа распада: α-распад, β-распад и γ-излучение. Энергия распада значительно меньше, чем в случае деления, но играет важную роль в ядерной химии и геохронологии.
Энергия, выделяемая при ядерной реакции, определяется разностью энергий связи исходных и конечных ядер. Величина энергии связи на нуклон достигает максимума у ядер с массовым числом около 56 (железо-56), что объясняет, почему железо является наиболее стабильным элементом. Процессы деления тяжёлых ядер и синтеза лёгких ядер ведут к образованию более стабильных ядер, сопровождаясь выделением энергии.
Примеры расчёта энергии:
Для деления одного ядра урана-235 с дефектом массы около 0,2 а.е.м.:
[ E = m c^2 = 0,2 ,5 ,3 .]
Для синтеза дейтерия и трития с образованием гелия:
[ E = 17,6 .]
Ядерные реакторы используют цепные реакции деления для производства тепла и электричества. Тепло нагревает воду, превращая её в пар, который вращает турбины генераторов. Типы реакторов различаются по типу замедлителя, теплоносителя и топлива (например, реакторы на легкой воде, тяжёлой воде или быстрые реакторы).
Термоядерные установки направлены на воспроизведение процессов, происходящих в звёздах, с использованием реакций синтеза лёгких изотопов водорода. Главная задача — удержание плазмы при экстремально высоких температурах и давление на достаточно долгое время для выхода положительного энергетического баланса.
Ядерные боеприпасы используют быстротекущие цепные реакции деления или синтеза для мгновенного высвобождения огромной энергии. Энергетика этих процессов исчисляется в мегатоннах тротила.
Энергетика ядерных реакций подчиняется законам сохранения энергии и импульса. В отличие от химических реакций, ядерные процессы протекают в условиях, где температура и давление оказывают косвенное влияние; решающее значение имеют ядерные силы и квантовые свойства нуклонов. Время реакции и скорость цепной реакции зависят от сечения взаимодействия частиц, концентрации ядер и наличия замедлителя.
Вывод: Энергетика ядерных реакций основана на преобразовании массы в энергию, что обеспечивает в тысячи и миллионы раз большее выделение энергии по сравнению с химическими процессами. Правильное управление этими процессами позволяет использовать ядерную энергию для мирных и военных целей, а также для фундаментальных исследований строения атомного ядра.