Мы живём в атомный век. Ядерная эпоха началась в 1945-м году. К сожалению, первое применение нового вида энергии было не мирным. Жертвами величайшего достижения науки стали жители Хиросимы и Нагасаки. Затем появились атомные подводные лодки, атомные электростанции и атомные ледоколы.
Откуда же берется ядерная энергия? Вспомним школьную физику. Все окружающие нас вещества и предметы состоят из молекул. Молекулы - из атомов. Атомы из атомных ядер и электронов. Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. И вот между протонами и нейтронами действуют ядерные силы.
Ядерные силы очень велики по сравнению с силами, с которыми мы встречаемся в обыденной жизни. Плотность ядерного вещества - сто миллионов тонн на кубический сантиметр. Плотность стали - восемь граммов на кубический сантиметр. Прочность ядерного вещества в триллионы раз превышает прочность любой стали.
Прочность атомного ядра можно охарактеризовать энергией связи атомного ядра. Это энергия, которую нужно затратить, чтобы разбить ядро на образующие его протоны и нейтроны. Энергия связи ядра гелий-4 равна 28 МэВ. Энергия связи ядра урана 1900 МэВ. Поэтому физики вычисляют удельную энергию связи - энергию, деленную на число протонов и нейтронов в ядре. И если мы посмотрим на график удельной энергии связи для разных ядер, то получим очень любопытную картину.
Мы видим, что наибольшей удельной энергией связи обладают ядра средней массы. Самые прочные во Вселенной - ядра железа и его ближайших соседей по таблице Менделеева. Легкие и тяжелые ядра обладают меньшей удельной энергией связи. Отсюда становятся видны два принципиальных способа извлечь энергию из атомных ядер. Можно разделить тяжелые ядра или соединить легкие ядра. Разность энергий связи исходных ядер и продуктов реакции превратится в кинетическую энергию конечных ядер, а затем в тепловую энергию вещества.
В ядерной физике энергия частиц измеряется в электрон-вольтах. 1 эВ равен энергии, которую приобретёт электрон, пройдя между точками с разностью потенциалов в 1 Вольт. При образовании одной молекулы воды из молекул водорода и кислорода выделится энергия в 6 эВ. При образовании одного ядра гелия выделяется энергия в 28 МэВ. При делении ядра урана освобождается энергия в 200 МэВ. Поэтому ядерное топливо в миллионы раз калорийнее угля, нефти и газа. При делении 1 кг урана выделяется энергия, которую могут дать 1700 тонн нефти. 1 кг дейтерия может выделить столько же энергии, сколько дадут 8000 тонн нефти.
Каким образом из атомных ядер извлекается энергия, мы расскажем в следующих статьях.
