Этот факт определил два пути выделения ядерной энергии для практического использования:
реакции синтеза наиболее легких ядер (термоядерные реакции);
реакции деления наиболее тяжелых атомных ядер.
Предлагается рассмотреть определение дефекта масс на примере ядра гелия.
Рис. 1.5. Средняя энергия связи ядра на один нуклон
Ядро гелия 32He состоит из двух протонов и двух нейтронов.
Масса его равна 4,003 а.е.м., масса протона равна 1,00758 а.е.м., а масса нейтрона 1,00893 а.е.м.
При образовании (синтезе) одного ядра гелия 32He из двух атомных ядер тяжелого водорода 12H (дейтронов) дефект массы ядра составляет 0,02559 а.е. м. При образовании одного грамм-атома гелия, т. е. 4,004 г (6,02х1023 атомов), выделится энергия в количестве 5,45х1011 кал, что соответствует количеству тепла, выделяющемуся при сжигании около 78000 кг каменного угля с теплотворной способностью 7000 ккал/кг.
1.2. Ядерные реакции. Взаимодействие ИИ с веществом
1.2.1. Ядерные реакции с нейтронами
Процессы, происходящие при внешнем воздействии на атомные ядра элементарных частиц или других ядер, в результате которых ядра претерпевают какие-либо превращения, называются ядерными реакциями. Процессы радиоактивности, при которых соответствующие превращения происходят внутри самих ядер в силу их внутренней неустойчивости (без внешнего воздействия), к ядерным реакциям не относятся.
При исследованиях в современной ядерной физике часто прибегают к «бомбардировке» атомных ядер-мишеней элементарными частицами. Взаимодействия между ядрами и частицами очень разнообразны.
В результате ядерных реакций изменяется состав ядер, что нередко приводит к превращению одних химических элементов в другие; во всех случаях изменяется энергетическое состояние ядер, вступающих в реакцию. Впервые реакция искусственного превращения одного элемента в другой была осуществлена в 1919 г. известным английским физиком Э. Резефордом.
Эта реакция проходит в две стадии:
147N+42He-> 189F*
Знак * указывает, что ядро находится в возбужденном состоянии. В результате на этой стадии получается радиоактивный изотоп фтора, ядро которого через очень короткий промежуток времени (около 10—14 с), называемый временем жизни возбужденного ядра, теряет избыточную энергию, испуская протон (ядро атома водорода), и превращается в устойчивый изотоп кислорода:
189F-> 178O+11H.
Избыточная энергия выделяется в виде кинетической энергии ядер 178O и 11H, разлетающихся с большой скоростью. Обыно ядерные реакции записывают (опуская промежуточную запись) следующим образом:
147N+42He->