главная > справочник > химическая энциклопедия:

Ядерная энергия

Ядерная энергия, внутренняя энергия атомного ядра, вьщеляющаяся при ядерных превращениях. Обусловлена действием внутри атомных ядер сил притяжения между составляющими ядра нуклонами - протонами и нейтронами. Силы притяжения между нуклонами действуют только на очень небольших расстояниях, сопоставимых с размерами ядер (10^-13 см). В результате действия ядерных сил при образовании ядер из протонов р и нейтронов п выделяется большое кол-во энергии, подобно тому, как при хим. реакциях выделяется энергия, соответствующая энергии возникающих хим. связей между атомами.

Полная энергия, высвобождающаяся при образовании ядра из нуклонов (она равна энергии связи ядра Е_св, см. Ядро атомное)отвечает дефекту массы. т. е. уменьшению массы образовавшегося ядра по сравнению с общей исходной массой составляющих его протонов и нейтронов. Так, при образовании ядра ⁴Не из двух протонов и двух нейтронов дефект массы равен ок. 0,0293 а. е. м. и эквивалентен выделению ок. 28 МэВ. Отношение энергии связи к числу составляющих ядро нуклонов Е_св/А, где А - массовое число, наз. уд. энергией связи ядра.

Быстрое уменьшение сил ядерного притяжения между нуклонами с ростом расстояния приводит к слабой зависимости уд. энергии связи от массового числа ядра (рис.). У легких ядер уд. энергия связи невелика (ок. 7 МэВ/нуклон в случае ⁴Не). С ростом А число соседей у каждого нуклона возрастает, и растет значение Е_св/А. Оно достигает максимума при А = 50-60 (так, у ядер ⁵⁶Fe Е_св/A 8,5 МзВ/нуклон), а затем вновь убывает. Снижение уд. энергии связи с ростом А происходит довольно медленно, у ядер ⁷³⁸U Е_св/A = 7,4 МэВ/нуклон. Из этой зависимости следует, что экзотермич. являются реакции ядерного синтеза (образование легких ядер из легчайших) и реакции деления тяжелых ядер, а также спонтанный распад.

Зависимость удельной энергии связи ядра от массового числа.

Энергия, освобождающаяся при образовании ядер из протонов и нейтронов в расчете на 1 моль, примерно в 10⁹ раз больше, чем энергия, которая выделяется при хим. реакциях. Однако точно так же, как при проведении хим. реакций обычно не удается освободить всю энергию, отвечающую энергии хим. связей атомов в образующихся соединениях, так и при проведении ядерных превращений выделяется энергия, значительно меньшая, чем ядерная энергия, отвечающая всей энергии связи нуклонов в ядрах. Исключение составляют только процессы синтеза легких ядер (⁴Не и др.), имеющие место, например, в звездном веществе. Так, по совр. представлениям, энергия Солнца обусловлена выделением энергии связи нуклонов в ядрах ⁴Не, которые образуются в недрах Солнца из протонов и нейтронов в результате цикла последоват. превращений.

В земных условиях освободить и использовать ядерную энергию удается в двух процессах. Во-первых, при термоядерном синтезе, т. е. при синтезе ядер сравнительно легких элементов из еще более легких ядер, у которых энергия связи меньше. Примером такого процесса служит ядерная реакция с участием двух ядер дейтерия, приводящая к образованию ядра ³Не и выделению нейтрона. Во-вторых, высвобождение ядерной энергии наблюдается при делении тяжелых ядер (²³⁵U, ²³⁹Pu и др.) на два осколка - ядра элементов середины периодич. системы элементов, у которых энергия связи больше, чем у тяжелых ядер.

Первый способ реализован пока только в неуправляемом термоядерном взрыве т. наз. водородной бомбы. Попытки реализовать управляемый термоядерный синтез и в результате получать ядерную энергию в регулируемых условиях до сих пор к успеху не привели. Второй способ получения ядерной энергии осуществляется как при неуправляемом взрыве ядерного боеприпаса, так и благодаря управляемой ядерной цепной реакции деления в ядерном реакторе (используется, как правило, ²³⁵U или ²³⁹Ри). Во всех этих случаях удается освободить главным образом в виде тепловой энергии менее 10% общей энергии связи, отвечающей участвующим в превращениях ядрам. Тем не менее, ядерная энергия, освобождающаяся в расчете на 1 моль подвергшегося превращению вещества, в 10⁶-10⁷ раз превышает энергию, которую можно получить при проведении хим. превращения с 1 молем реагента (напр., при сжигании 1 моля углерода).

В ядерных превращениях ядерная энергия освобождается в виде кинетич. энергии частиц (новых синтезированных ядер, осколков деления и др.), движущихся с огромными скоростями, а также в виде жесткого электромагн. излучения (рентгеновского и у). Торможение частиц сопровождается переходом кинетич. энергии главным образом в тепловую.

В литературе, особенно издававшейся в 40-50-е гг. 20 в., часто вместо термина "ядерная энергия" использовали термин "атомная энергия", что не вполне оправдано, т. к. речь идет именно об энергии, заключенной внутри ядра.

Лит.: Физические величины. Справочник,М., 1991.

© С. С. Бердоносов.