Почему выделяется энергия?

Вспомним про энергию связи. Чем она больше, тем больше дефект массы, т.е. тем больше разница между суммарной массой отдельных нуклонов, составляющих ядро, и массой самого ядра. Попробуем разобраться, как изменяется удельная энергия связи, т.е. доля энергии связи ядра, приходящаяся на один нуклон, в зависимости от массового числа ядра.

Рис. 27.3

Экспериментально установлено, что эта зависимость имеет вид, показанный на рис. 27.3. Оказывается, что сильнее всего связаны нуклоны в ядрах с массовыми числами от 50 до 60 (для элементов от Cr до Zn по таблице Менделеева). Удельная энергия связи для этих ядер достигает 8,6 МэВ.

С ростом А удельная энергия связи постепенно уменьшается. Для самого тяжелого природного элемента – урана – она составляет 7,5 МэВ. Такая зависимость делает энергетически выгодным процесс деления тяжелых ядер.

Допустим, что ядро с массовым числом А = 240 (удельная энергия связи 7,5 МэВ) разделилось на два осколка с массовыми числами А = 120 (удельная энергия 8,5 МэВ). До реакции энергия связи составляла 240×7,5 = 1800 МэВ, а после реакции энергия связи стала равной 2×120×8,5 = 2040 МэВ. Это означает, что «освободилась» энергия: 2040 – 1800 = 240 МэВ! Поясним это подробнее.

Энергия связи 1800 МэВ означает, что для того, чтобы «разобрать» ядро с массовым числом А = 240 на отдельные нуклоны надо затратить 1800 МэВ. А энергия связи двух ядер 2040 МэВ означает, что если из 240 отдельных нуклонов «сложить» два ядра по 120 нуклонов в каждом, то выделится энергия 2040 МэВ. Ясно что выигрыш составляет 240 МэВ.

Поскольку при делении урана образуются нейтроны, которые не участвуют в образовании ядер-осколков, то средний энергетический выход при реакции деления несколько меньше: в среднем 200 МэВ на одно деление.

Цепная реакция

Деление урана было открыто в 1938 г. немецкими физиками Отто Ганом (1879–1968) и Фрицем Штрассманом (1902–1980). А в 1939 г. в Вашингтоне на конференции по теоретической физике Нильс Бор сообщил об открытии деления урана.

Но очень скоро все работы по делению урана, которые велись в то время в Германии, Великобритании, США и СССР, были засекречены. Стало понятно, что огромная энергия, которая выделяется при делении тяжелых ядер, может быть использована в военных целях. Начался этап создания ядерного оружия.

В чем же основная идея атомной бомбы?

Дело в том, что нейтроны, рожденные в акте деления урана, могут вызывать деление других ядер урана. Благодаря этому можно осуществить цепную реакцию: однажды возникнув, реакция будет продолжаться сама собой, охватывая все новые и новые ядра.

Схема развития цепной реакции показана на рис. 27.4. Здесь условно принято, что при каждом делении рождаются два нейтрона и что каждый нейтрон вызывает новое деление. Кружками показаны осколки деления, стрелками – нейтроны.

Рис. 27.4