Что за странный вопрос? Конечно из атомных ядер! Так ли это на самом деле, давайте разбираться вместе.
Сначала небольшое лирическое отступление. Вот уже более 70 лет в храме науки, в центре его самого большого и красивого зала под названием ядерная физика, возвышается Великий Энергетический Холм. Этот Холм возвели физики-теоретики и он обладает одним замечательным свойством. На его вершину сами собой закатываются «лёгкие» камни, а с вершины также легко скатываются «тяжёлые». Эта действующая модель «перпетуум-мобиле» не даёт покоя физикам-экспериментаторам и они 70 лет без устали строят тороидальные магнитные ловушки, что бы рано или поздно обуздать «лёгкие» камни и верхом на них въехать на Великий Энергетический Холм. Пожелаем успехов всем термоядерщикам в их нелёгком труде. Мы же попробуем разобраться с происхождением ядерной энергии, стараясь оставаться в рамках классической физики.
Удельное количество энергии, выделяемой при расщеплении атомного ядра, уступает только удельному количеству энергии, выделяемой при синтезе атомного ядра. Звучит немного парадоксально, но такова современная научная парадигма ядерной физики. Согласно которой синтез «лёгких» атомных ядер, как и расщепление «тяжёлых» атомных ядер сопровождается выделением энергии. Разделение атомных ядер на лёгкие, средние и тяжёлые происходит по следующей формуле – A < 16 (лёгкие); 16 <= A < 200 (средние) и A >= 200 (тяжёлые), где А – массовое число атомного ядра. Т.е. все элементы таблицы Менделеева до кислорода относятся к лёгким, от кислорода до свинца к средним, а начиная с висмута – к тяжёлым. Ключевым фактором, определяющим энергетический баланс синтеза или расщепления атомного ядра является энергия связи ядра.
Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы (нуклоны).
Т.е. энергия связи ядра это и есть та самая ядерная энергия, которую человечество добывает, синтезируя или расщепляя атомные ядра.
Для упрощения расчётов в современной физике введено понятие удельной энергии связи, т.е. энергии связи одного нуклона. График, показывающий зависимость удельной энергии связи для нуклонов всех элементов таблицы Менделеева представлен ниже.
Этот график нужен нам, что бы лучше понять - как распределена ядерная энергия внутри атомных ядер. Кривая, представленная на графике, показывает, что удельная энергия связи нуклонов стремительно растёт от 1 МэВ для нуклонов водорода до 7 МэВ для нуклонов гелия. Потом график делает непонятный провал до 5,5 МэВ для лития и далее, повторяя эти скачки, но с меньшей амплитудой, быстро растёт вплоть до элемента с атомным числом 40. Для элементов с атомными числами от 40 до 80 удельная энергия связи достигает максимальных значений порядка 8,7 МэВ и далее начинает медленно падать до значений 7,5 МэВ.
Т.е. удельная энергия связи «лёгких» нуклонов гелия (7,1 МэВ) примерно равна удельной энергии связи «тяжёлых» нуклонов урана (7,6 МэВ). Разница только в количестве нуклонов в ядре. В ядре гелия-3 всего три нуклона (два протона и один нейтрон), а в ядре урана-238 двести тридцать восемь нуклонов (92 протона и 146 нейтронов). Принципиального отличия в строении лёгких и тяжёлых атомов нет. И те и другие состоят из атомного ядра и электронной оболочки. Ядра в свою очередь состоят из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, а на электронных оболочках атомов размещаются отрицательно заряженные электроны. Всё многообразие химических элементов определяется только количеством протонов в составе атомного ядра конкретного элемента. Все электроны, протоны и нейтроны относятся к стабильным элементарным частицам и похожи друг на друга как близнецы братья. Если вы извлечёте из любого атомного ядра пару протон + нейтрон, то она ни чем не будет отличаться от другой такой же пары, извлечённой из атомного ядра другого элемента. То же самое и с электронами. Вы ни когда не сможете отличить электрон, испущенный атомом водорода, от электрона на атомной орбитали плутония. Почему ядерная энергия ведёт себя так странно - генерируется как при синтезе (склеивании) лёгких ядер, так и при расщеплении (разрушении) тяжёлых? Простого ответа на этот вопрос нет. Специалисты, профессионально разбирающиеся в этом, утверждают, что причиной всему сильные и слабые ядерные взаимодействия, которые специфически проявляют себя внутри «лёгких» и «тяжёлых» ядер атомов. Слабое взаимодействие отвечает за удержание в составе ядра атома α и β- частиц, которые испускаются при распаде тяжелых атомных ядер на более легкие. При этом α- частицы состоят из двух протонов и двух нейтронов и, фактически, представляют собой ядра гелия-4, а β- частицы – это положительно или отрицательно заряженные частицы с массой электрона, т.е. электроны и позитроны. Сильное взаимодействие отвечает за удержание протонов и нейтронов в составе ядра атома. Причём, оно (сильное взаимодействие) не зависит от заряда нуклона и оказывает одинаковое воздействие, как на протоны, так и на нейтроны.
Что бы лучше понять природу ядерной энергии рассмотрим классический термоядерный синтез – слияние лёгких ядер водорода и дейтерия в более тяжелое ядро гелия-3. Так как в процессе термоядерного синтеза участвуют не атомы элементов, а только их ядра, то для того чтобы начать термоядерный синтез необходимо сначала «оторвать» все «ненужные» электроны от их атомных ядер. Все электроны в составе атомных оболочек удерживаются электромагнитными силами и чтобы преодолеть эти силы, необходима дополнительная энергия. Поэтому «очистка» ядер водорода и дейтерия от «лишних» электронов потребует дополнительной энергии. Энергия связи одного электрона с протоном в атоме равна 0,5 МэВ. Следовательно, нам придётся записать на баланс термоядерного синтеза минус 1 МэВ. После полной очистки всех исходных "лёгких"ядер от электронов, можно приступать к их склеиванию. Однако, добыть ядерную энергию не так просто. Вы будете смеяться, но нам опять «мешает» всё та же электромагнитная сила. Из курса школьной физики хорошо известно, что два положительно заряженных протона всегда отталкивают друг друга с силой 938 МэВ (энергия связи одного протона с ядром атома) . Т.е. что бы сильное ядерное взаимодействие заработало и начало удерживать нуклоны в ядре атома нам потребуется сначала преодолеть электромагнитное отталкивание двух протонов и потратить на их склеивание 938 МэВ. Хорошо, приминусуем и эту энергию к балансу термоядерного синтеза и всё-таки склеим два протона и один нейтрон в ядро гелия.
Вот! Получилось! На выходе имеем 5,5 МэВ. Что бы у вас не возникло ощущения, что прямо на ваших глазах из пустой шляпы извлекли кролика. А по другому объяснить возникновение этих 5,5 МэВ пока не получается. Нужно открыть главную тайну термоядерного синтеза. Оказывается, в процессе склеивания протонов и нейтронов их исходная масса уменьшается. Этот эффект в квантовой физике так и называется «дефект масс». Куда испаряется эта масса не известно. Но это не главное. Главное, что её величина экспериментально надёжно фиксируется и составляет для нашего случая (ядра гелия) примерно 0,8% от исходной массы ядер водорода и дейтерия. Так вот, после подстановки значения этой испарившейся массы в знаменитую формулу E = mc^2, мы получим те самые 5,5 МэВ. Вот такая «ловкость рук», т.е. «дефект масс», в результате которого масса легко превращается в энергию. Ну что ж, закроем глаза на очевидное нарушение фундаментальных законов сохранения массы и энергии и подобьём баланс. Минус 1 МэВ на отрывание двух лишних электронов и минус 938 МэВ на склеивание двух протонов дают минус 939 МэВ. Приплюсуем к ним 5,5 МэВ энергии, полученной от «дефекта масс», в итоге получаем минус 932,5 МэВ. Т.е. аккуратный и педантичный подсчёт затрачиваемой и выделяемой в ходе термоядерного синтеза энергии показывает, что этот процесс абсолютно энергозатратный. Лишней энергии при синтезе «лёгких» ядер НЕТ!
Но ведь водородная бомба ЕСТЬ! И как, в таком случае, водород «выгорает» в гелий на Солнце? Вот контраргументы, которые должны уложить на лопатки всю так тщательно выстроенную автором «бухгалтерию» термоядерного синтеза. Терпение и ещё раз терпение! Обязательно доберёмся до водородной бомбы и термоядерного «выгорания» водорода в звёздах.
Но сначала давайте проведём такую же педантичную ревизию энергетического баланса расщепления тяжёлых атомных ядер.
Классическая формула расщепления ядра урана выглядит так:
Обычно, в стандартных ядерных реакциях, распад урана не останавливается на неодиме и цирконии, а продолжается до более стабильных лантана и брома. Но нам, в данном случае, это не принципиально, так как мы пытаемся оценить знак энергетического баланса ядерной реакции.
В ядерном расщеплении также как и в термоядерном синтезе, электроны не участвуют. Поэтому повторим процедуру очистки ядер урана от «лишних» электронов и запишем на баланс ядерного расщепления минус 46 МэВ (0,5 МэВ х 92 – количество электронов в составе одного атома урана). Энергия связи для нуклонов в ядрах урана, неодима и циркония составляет 1803 МэВ, 1198 МэВ и 763 МэВ, соответственно. Проводим несложные арифметические вычисления и получаем плюс 112 МэВ (1198 + 763 – 1803 – 46). Вроде бы всё сходится. На выходе реакции расщепления атомного ядра ЕСТЬ лишняя энергия. Прежде чем начинать радоваться по этому поводу давайте ещё раз вспомним, что такое энергия связи – «Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы (нуклоны).» Стоп! Но мы же не расщепляли ядро урана до полного распада на отдельные нуклоны. Мы разделили 235 нуклонов ядра урана на две неравные части, состоящие из 145 и 90 нуклонов соответственно. При этом суммарная энергия связи нуклонов этих двух новых ядер оказалась больше энергии связи исходного ядра урана. Значит, эта дополнительная энергия была не выделена, а наоборот поглощена. Т.е. наша формула должна выглядеть следующим образом: 1803 - 1198 - 763 - 46. Но тогда результат будет прямо противоположным - минус 204 МэВ.
Что же получается? Реакция расщепления ядра атома тоже имеет отрицательный энергобаланс! И для расщепления ядер урана также требуется дополнительная энергия? Ну, это уже явный перебор! Автор дилетант, неуч и полный профан!!! Возможно и так. Но формальная логика и аккуратные расчёты говорят нам – свободной или лишней энергии, как при синтезе атомных ядер, так и при их расщеплении НЕТ! По крайней мере, в рамках современных моделей строения атома и общепринятых в ядерной физике методик расчёта энергобаланса этих реакций.
Здесь может быть уместна очень простая метафора. Если сравнить элементарные частицы с кирпичами, то ядерный синтез – это строительство дома из кирпичей, а расщепление ядер – это разрушение кирпичного дома и превращение его в большую кучу битого кирпича. И тот и другой вид деятельности требует энергии.
PS. Почему взрываются ядерные бомбы и светят звёзды, будем разбираться во второй части статьи.
