В природе ядерная энергия выделяется в звёздах , а человеком применяется, в основном, в ядерном оружии и ядерной энергетике , в частности, на атомных электростанциях .
Физические основы
Энергия связи
Хотя ядро состоит из нуклонов, однако масса ядра - это не просто сумма масс нуклонов. Энергия, которая удерживает вместе эти нуклоны, наблюдается как разница в массе ядра и массах составляющих его отдельных нуклонов, с точностью до коэффициента c 2 , связывающего массу и энергию уравнением E = m ⋅ c 2 . {\displaystyle E=m\cdot c^{2}.} Таким образом, определив массу атома и массу его компонент, можно определить среднюю энергию на нуклон, удерживающую вместе различные ядра.
Из графика можно видеть, что очень лёгкие ядра имеют меньшую энергию связи на нуклон, чем ядра, которые немного тяжелее (в левой части графика). Это является причиной того, что в термоядерных реакциях (то есть при слиянии лёгких ядер) выделяется энергия. И наоборот, очень тяжёлые ядра в правой части графика имеют более низкую энергию связи на нуклон, чем ядра средней массы. В связи с этим деление тяжёлых ядер также энергетически выгодно (то есть происходит с выделением ядерной энергии). Следует отметить также, что при слиянии (в левой части) разница масс гораздо больше, чем при делении (в правой части).
Энергия, которая требуется, чтобы разделить полностью ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи E с ядра. Удельная энергия связи (то есть энергия связи, приходящаяся на один нуклон , ε = E с /A , где A - число нуклонов в ядре, или массовое число), неодинакова для разных химических элементов и даже для изотопов одного и того же химического элемента. Удельная энергия связи нуклона в ядре меняется в среднем в пределах от 1 МэВ у лёгких ядер (дейтерий) до 8,6 МэВ у ядер средней массы (с массовым числом А ≈ 100 ). У тяжёлых ядер (А ≈ 200 ) удельная энергия связи нуклона меньше, чем у ядер средней массы, приблизительно на 1 МэВ , так что их превращение в ядра среднего веса (деление на 2 части ) сопровождается выделением энергии в количестве около 1 МэВ на нуклон, или около 200 МэВ на ядро. Превращение лёгких ядер в более тяжёлые ядра даёт ещё больший энергетический выигрыш в расчёте на нуклон. Так, например, реакция соединения ядер дейтерия и трития
1 D 2 + 1 T 3 → 2 H e 4 + 0 n 1 {\displaystyle \mathrm {{_{1}}D^{2}+{_{1}}T^{3}\rightarrow {_{2}}He^{4}+{_{0}}n^{1}} }сопровождается выделением энергии 17,6 МэВ , то есть 3,5 МэВ на нуклон .
Деление ядер
Появление 2,5 нейтронов на акт деления позволяет осуществить цепную реакцию , если из этих 2,5 нейтронов как минимум один сможет произвести новое деление ядра урана. Обычно испускаемые нейтроны не делят ядра урана сразу же, но сначала должны быть замедлены до тепловых скоростей (2200 м/с при T =300 K). Замедление достигается наиболее эффективно с помощью окружающих атомов другого элемента с малым A , например водорода , углерода и т. п. материала, называемого замедлителем.
Некоторые другие ядра также могут делиться при захвате медленных нейтронов, например 233 U или 239 . Однако возможно также деление быстрыми нейтронами (высокой энергии) таких ядер как 238 U (его в 140 раз больше, чем 235 U) или 232 (его в земной коре в 400 раз больше, чем 235 U).
Элементарная теория деления была создана Нильсом Бором и Дж. Уилером с использованием капельной модели ядра .
Деление ядер также может быть достигнуто с помощью быстрых альфа-частиц , протонов или дейтронов . Однако эти частицы, в отличие от нейтронов, должны иметь большую энергию для преодоления кулоновского барьера ядра.
Высвобождение ядерной энергии
Известны экзотермические ядерные реакции, высвобождающие ядерную энергию.
Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана-235 или плутония , реже других тяжёлых ядер (уран-238 , торий-232). Ядра делятся при попадании в них нейтрона , при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией . В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло.
Другим способом высвобождения ядерной энергии является термоядерный синтез . При этом два ядра лёгких элементов соединяются в одно тяжёлое. В природе такие процессы происходят на Солнце и в других звёздах, являясь основным источником их энергии.
Многие атомные ядра являются неустойчивыми. С течением времени часть таких ядер самопроизвольно превращаются в другие ядра, высвобождая энергию. Такое явление называют радиоактивным распадом .
Применение ядерной энергии
Деление
В настоящее время из всех источников ядерной энергии наибольшее практическое применение имеет энергия, выделяющаяся при делении тяжёлых ядер. В условиях дефицита энергетических ресурсов ядерная энергетика на реакторах деления считается наиболее перспективной в ближайшие десятилетия. На атомных электрических станциях ядерная энергия используется для получения тепла, используемого для выработки электроэнергии и отопления. Ядерные силовые установки решили проблему судов с неограниченным районом плавания (
Атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются частицы, называемые электронами.
Ядра атомов это мельчайшие частицы. Они - основа для всего вещества и материи.
В них заложен большой запас энергии.
Эта энергия высвобождается в виде радиации, когда распадаются некоторые радиоактивные элементы. Радиация опасна для всего живого на земле, но вместе с тем её используют для производства электричества и в медицине.
Радиоактивность — это свойство ядер не-стабильных атомов излучать энергию. 
Большая часть тяжелых атомов нестабильна, а у атомов, что полегче имеются радиоизотопы, т.е. радиоактивные изотопы. Причиной появления радиоактивности служит то, что атомы стремятся получить стабильность. На сегодня известно три типа радиоактивного излучения: альфа, бета и гамма. Назвали их так по первым буквам греческого алфавита. Первыми ядро излучает альфа или бета-лучи. Но если оно все еще остается нестабильным, тогда исходят гамма-лучи. Нестабильными могут быть три атомных ядра и каждое из них может излучать какой-либо из типов лучей.
На рисунке изображены три атомных ядра.
Они нестабильны и каждый из них излучает один из трех типов лучей.
Альфа-частицы имеют в составе два протона и два нейтрона. Абсолютно таким же составом обладает и ядро атома гелия. Двигаются альфа-частицы медленно и поэтому их может задержать любой материал толще, чем бумажный лист. Они мало чем отличаются от ядер атомов гелия. Большинство учёных выдвигают версию о том, что гелий на Земле имеет естественное радиоактивное происхождение.
Бета-частицы - это электроны, обладающие огромной энергией. Их образование происходит при распаде нейтронов. Бета-частицы также не особо быстры, могут пролетать по воздуху до одного метра. Поэтому препятствием на их пути может стать медный лист миллиметровой толщины. А если выставить заслон из свинца в 13 мм или из слоя воздуха в 120 метров, то можно уменьшить гамма-излучение вдвое.
Гамма-лучи - это электромагнитное излучение обладающее огромной энергией. Его скорость движения равна скорости света.
Транспортировку радиоактивных веществ производят в специальных свинцовых контейнерах с толстыми стенами для предотвращения утечки радиации.
Воздействие радиации крайне опасно на человека.
Она вызывает ожоги, катаракту, провоцирует развитие рака.
Измерить уровень радиации помогает специальный прибор - счётчик Гейгера, который издаёт щёлкающие звуки при появлении источника радиации.
Когда ядро испускает частицы, то оно превращается в ядро другого элемента, изменив при этом свой атомный номер. Это называется периодом распада элемента. Но если вновь образовавшийся элемент по-прежнему нестабилен, то процесс распада продолжается. И так до тех пор, пока элемент не станет стабилен. У многих радиоактивных элементов этот период занимает десятки, сотни и даже тысячи лет, поэтому принято измерять период полураспада. Взять, к примеру, атом плутония-2 с массой 242. После излучения им альфа-частиц с относительной атомной массой 4, он становится атомом урана-238 с такой же атомной массой.
Ядерные реакции.
Ядерные реакции делятся на два вида: ядерный синтез и деление(расщепление) ядра.
Синтез или иначе "соединение" подразумевает под собой соединение двух ядер в одно большое под воздействием очень высокой температуры. В этот момент выделяется большое количество энергии.
При делении и расщеплении происходит процесс деления ядра, освобождая при этом ядерную энергию.
Происходит это тогда, когда ядро бомбардируется нейтронами в специальном устройстве по д названием "ускоритель частиц".
При делении ядра и излучения нейтронов, выделяется просто колоссальное количество энергии.
Известно, что для получения большого количества электроэнергии необходима лишь единица массы радио топлива. Ни одна другая электростанция ничем подобным похвастаться не может.
Ядерная энергия.
Таким образом, энергию, что высвобождается при ядерной реакции, используют для получения электричества или как источник энергии в подводных и надводных судах. Процесс получения электричества на атомной станции основан на делении ядер в ядерных реакторах. В огромном резервуаре находятся стержни из радиоактивного вещества (например, урана).
Они атакуются нейтронами и расщепляются, выделяя энергию. Новые нейтроны расщепляются дальше и дальше. Это называется цепной реакцией. Эффективность подобного метода получения электричества невероятно высока, но меры безопасности и условия захоронения чересчур дорогостоящие.
Однако человечество использует ядерную энергию не только в мирных целях. В середине 20-го века было испытано и опробовано ядерное оружие.
Его действие заключается в выбросе огромного потока энергии, который приводит к взрыву. Когда заканчивалась Вторая мировая война, США, применили против Японии ядерное оружие. Они сбросили на города Хиросиму и Нагасаки атомные бомбы.
Последствия были просто катастрофическими.
Одних человеческих жертв было несколько сотен тысяч.
Но на этом учёные не остановились и разработали водородное оружие.
Их отличи в том, что ядерные бомбы основаны на реакциях деления ядер, а водородные на реакции синтеза.
Радиоуглеродный метод.
Для получения информации о времени смерти организма, применяют метод радиоуглеродного анализа. Известно, что в живой ткани содержится некоторое количество углерода-14, который является радиоактивным изотопом углерода. Период полураспада, которого равен 5700 лет. После смерти организма запасы углерода-14 в тканях уменьшаются, изотоп распадается, и по оставшемуся его количеству определяют время смерти организма. Так, например, можно узнать, как давно случилось извержение вулкана. Это можно узнать по застывшим в лаве насекомым и пыльце.
Каким образом ещё используется радиоактивность.
Радиацию используют и в промышленной сфере.
Гамма-лучами облучают продукты питания, чтобы сохранить их свежесть.
В медицине применяют радиацию при исследовании внутренних органов.
Также есть методика под названием радиотерапия. Это когда больного облучают малыми дозами, уничтожая раковые клетки в его организме.
Ядерная энергия деления атомов тяжелых металлов уже широко используется во многих странах. В некоторых странах доля этого вида энергии достигает 70 % (Франция, Япония). Вероятно в ближайшие 50–100 лет ядерная энергия деления будет составлять серьезную конкуренцию свеем другим видам энергии, используемой человечеством. Мировые запасы урана, основного носителя ядерной энергии деления, составляет более 5 млн. тонн. Это означает, что запаса ядерной энергии на порядок больше, чем запасов всех ископаемых невозобновляемых источников энергии.
Ядра атомов состоят из двух элементарных частиц, протонов и нейтронов. Совокупность протонов и нейтронов образуют массовое число, состоящее из количества протонов и количества нейтронов в ядре атома:
А = Z p + Z n ,
где Z p – количество протонов в ядре, Z n – количество нейтронов. Масса элементарных частиц измеряется в атомных единицах массы (аем) и в килограммах. Физикам известны с большой точностью массы основных элементарных частиц. В частности, масса протона:
m p = 1.007276 аем = 1.672623·10 -27 кг;
масса нейтрона:
m n = 1.008664 аем = 1.674928·10 -27 кг.
Разница между массой протона и нейтрона невелика, но заметна. Масса электрона, определенное количество которых образуют электронное облако вокруг ядра, примерно в 1823 раза меньше массы протона или нейтрона, поэтому их влиянием, как правило, пренебрегают, по крайней мере, в прикидочных расчетах.
Собранные в ядре атома протоны и нейтроны образуют энергию связи ядра:
E СВЯЗИ = (m p ∙ Z p + m n ∙ Z n – m ЯДРА)∙c 2 .
Эта формула дает энергию в Дж, если масса приведена в килограммах. Из формулы видно, что энергия связи образуется за счет разности между массой ядра и массой отдельных составляющих ядра (за счет так называемого дефекта массы). При делении ядра происходит выделение этой энергии.
Ядра всех элементов подразделяются на:
Стабильные или псевдостабильные, у которых время полураспада более миллиона лет;
Делящиеся спонтанно, нестабильные с периодом полураспада менее миллиона лет.
Однако, существуют элементы, ядра которых допускают искусственное деление, если их ядра подвергаются бомбардировке нейтронами, Эти нейтроны, проникая в ядро, превращают его в нестабильное и вызывают его искусственное деление. В настоящее время используют для целей энергетики три варианта такого искусственного деления:
1. Использование U 2 35 и медленных (тепловых) нейтронов. Тепловые нейтроны имеют скорость движения не более 2000 м/с.
2. Использование Pu 239 илиU 2 33 и медленных (тепловых) нейтронов. ПлутонийPu 239 и уранU 2 33 , в природе не встречаются и получаются искусственным путем при реализации третьего способа.
3. Использование U 2 38 и быстрых нейтронов со скоростью движения порядка 30 000 м/с. Возможно также использованиеTh 232 (ториевый цикл).
Для обеспечения непрерывного деления ядер необходима так называемая цепная реакция деления. Для возникновения цепной реакции необходимо, чтобы в каждом последующем акте деления участвовало больше нейтронов, чем в предыдущем. Делящиеся ядерные топлива являются однокомпонентными. Тепловые нейтроны поглощаются делящимися изотопами наиболее интенсивно. Поэтому в атомных реакторах нейтроны замедляются в специальных веществах-замедлителях - в воде, тяжелой воде, графите, бериллии и др.
Природный уран, добываемый из земной коры, содержит только 0,712% U 2 35 , делящегося при захвате тепловых нейтронов. Остальную массу составляетU 2 38 . Это приводит к необходимости обогащать природный уран добавлением в негоU 2 35 от 1 до 5% для реакторов атомных электростанций.
Рассмотрим процесс получения ядерной реакции деления по первому варианту. В общем случае формула расчета дефекта массы следующая:
где m U - масса ядра урана,m Д - масса всех продуктов деления,m n - масса нейтрона. При такой ядерной реакции выделяется энергия
W = ΔM ∙ c 2 .
Теоретические расчеты и опыт показали, что при использовании U 2 35 и поглощении его атомом одного медленного нейтрона появляется два атома продуктов деления и три новый нейтрона. В частности, могут появиться барий и криптон. Реакция имеет следующий вид:
Дефект массы в относительных единицах равен
.
Массы всех участвующих в реакции элементов равны: М U = 235.043915,M Ba = 140.907596,M Kr = 91.905030,m n = 1.008664, все величины в аем. Дефект массы равен:
Таким образом, при расщеплении 1 кг U 2 35 дефект массы составит 0,000910 кг. Выделяемая при этом энергия равна
W = 0,000910∙(3∙10 8) 2 = 8190∙10 10 Дж = 8,19∙10 7 МДж.
Энергетический блок мощностью 1000 МВт за год вырабатывает электрической энергии W Е = 10 3 ∙10 6 ∙3600∙8760 = 3,154∙10 16 Дж или 3,154∙10 10 МДж.
При КПД блока η = 0,4 потребуется в год урана-235:
кг.
Для сравнения определим потребность в антраците
2,25 млн. тонн.
Расчеты произведены для чистого урана-235. Если природный уран обогащается до 3%, общая масса урана составит
M = 962,8/0,03 = 32 093 кг.
Кроме того, на практике используется не металлический уран, который имеет недостаточно высокую температуру плавления, а двуокись урана UO 2 . Рассчитаем общую потребность обогащенного ядерного топлива с использованием двуокиси урана для обеспечения работы энергетического блока мощностью 1000 МВт в течение года. С учетом массы кислорода, доля которого приблизительно равна отношению: 2∙16/238 = 0,134, общая масса ядерного топлива составит:
М ЯТ = 32093∙(1 + 0,314) = 36400 кг = 36,4 тонн.
Легко видеть, что разница в массах органического топлива и ядерного топлива, потребных для производства одного и того же количества энергии колоссальна.
Ранее отмечалось, что основную массу природного урана составляет уран-238, который практически не реагирует на медленные нейтроны, но хорошо взаимодействует с быстрыми нейтронами. При этом становится возможной следующая ядерная реакция:
и частично накапливается. Накопленный плутоний-239 может использоваться в качестве ядерного топлива в реакторе на медленных (тепловых) нейтронах. С помощью такой реакции многократно (почти в 100 раз) повышается эффективность использования природного урана.
В реакторах на быстрых нейтронах возможна организация ториевого цикла с использованием тория-232. Запасы тория в природе превышают запасы урана в 4–5 раз. В результате захвата теплового нейтрона природным торием-232 образуется делящийся изотоп уран-233, который может сжигаться на месте или накапливаться для последующего использования в реакторах на тепловых нейтронах:
Ториевая энергетика, в отличие от урановой, не нарабатывает плутоний и трансурановые элементы. Это важно как с экологической точки зрения, так и с точки зрения нераспространения ядерного оружия.
Ядерные реакторы на ториевом топливе более безопасны, чем на урановом, поскольку ториевые реакторы не обладают запасом реактивности. Поэтому никакие разрушения аппаратуры реактора не способны вызвать неконтролируемую цепную реакцию. Однако до промышленного применения реакторов с ториевым циклом пока еще далеко.
Энергия термоядерного синтеза . При слиянии легких ядер (водород и его изотопы, гелий, литий и некоторые другие) масса ядра после слияния получается меньше суммы масс отдельных ядер до слияния. В результате также получается дефект массы и, как следствие выделение энергии. Привлекательность использования этой энергии обусловлена практически неисчерпаемыми запасами сырья для ее осуществления.
Для осуществления термоядерного синтеза необходимы сверхвысокие температуры порядка 10 7 ºKи выше. Необходимость сверхвысоких температур обусловлена тем, что из-за сильного электростатического отталкивания ядра в процессе теплового движения могут сблизиться на малые расстояния и прореагировать только при достаточно большой кинетической энергии их относительного движения. В естественных условиях термоядерные реакции происходят в недрах звезд, являясь основным источником излучаемой ими энергии. Искусственная термоядерная реакция получена только в виде неуправляемого взрыва водородной бомбы. В то же время в течение многих лет ведутся работы по управляемому термоядерному синтезу.
Существуют два направления реализации проекта получения полезной энергии на основе управляемой реакции термоядерного синтеза.
Первое направление связано с использованием тороидальной камеры, в которой магнитное поле сжимает ядра сливающихся элементов, нагретых до нескольких миллионов градусов. В целом устройство называется ТОКАМАК (расшифровывается как тороидальная камера с магнитными катушками). По этому пути идут европейские страны и Россия.
Второе направление использует лазеры для нагрева и сжатия ядер. Так проект NIF-192, реализуемый в Ливерпульской национальной лаборатории в Калифорнии использует 192 лазера, которые расположены по окружности и своим одновременным излучением сжимает дейтерий и тритий.
Результаты обнадеживающие, но не позволяющие сделать выводы о конкретных сроках получения ядерной энергии синтеза в практических целях.
Применение ядерной энергии в современном мире оказывается настолько важным, что если бы мы завтра проснулись, а энергия ядерной реакции исчезла, мир, таким как мы его знаем, пожалуй, перестал бы существовать. Мирное составляет основу промышленного производства и жизни таких стран, как Франция и Япония, Германия и Великобритания, США и Россия. И если две последние страны еще в состоянии заместить ядерные источники энергии на тепловые станции , то для Франции, или Японии это попросту невозможно.
Использование атомной энергии создает много проблем. В основном все эти проблемы связаны с тем, что используя себе на благо энергию связи атомного ядра (которую мы и называем ядерной энергией), человек получает существенное зло в виде высокорадиоактивных отходов, которые нельзя просто выбросить. Отходы от атомных источников энергии требуется перерабатывать, перевозить, захоранивать, и хранить продолжительное время в безопасных условиях.
Плюсы и минусы, польза и вред от использования ядерной энергии
Рассмотрим плюсы и минусы применения атомной-ядерной энергии, их пользу, вред и значение в жизни Человечества. Очевидно, что атомная энергия сегодня нужна лишь промышленно развитым странам. То есть, основное применение мирная ядерная энергия находит в основном, на таких объектах, как заводы, перерабатывающие предприятия, и т.п. Именно энергоемкие производства, удаленные от источников дешевой электроэнергии (вроде гидроэлектростанций) задействуют ядерные станции для обеспечения и развития своих внутренних процессов.
Аграрные регионы и города не слишком нуждаются в атомной энергии. Ее вполне можно заместить тепловыми и другими станциями. Получается, что овладение, получение, развитие, производство и использование ядерной энергии по большей части направлено на удовлетворение наших потребностей в промышленной продукции. Посмотрим, что это за производства: автомобильная промышленность, военные производства, металлургия, химическая промышленность, нефтегазовый комплекс, и т.д.
Современный человек хочет ездить на новой машине? Хочет одеваться в модную синтетику, кушать синтетику и упаковывать все в синтетику? Хочет ярких товаров разных форм и размеров? Хочет все новых телефонов, телевизоров, компьютеров? Хочет много покупать, часто менять оборудование вокруг себя? Хочет вкусно питаться химической едой из цветных упаковок? Хочет жить спокойно? Хочет слышать сладкие речи с телеэкрана? Хочет, чтобы танков было много, а также ракет и крейсеров, а еще снарядов и пушек?
И он все это получает. Неважно, что в конце расхождение между словом и делом приводит к войне. Неважно, что для его утилизации также нужна энергия. Пока что человек спокоен. Он ест, пьет, ходит на работу, продает и покупает.
А для всего этого нужна энергия. А еще для этого нужно очень много нефти, газа, металла и т.п. И все эти промышленные процессы нуждаются в атомной энергии. Поэтому кто бы что ни говорил, до тех пор, пока не будет запущен в серию первый промышленный реактор термоядерного синтеза, атомная энергетика будет только развиваться.
В плюсы ядерной энергии мы можем смело записать все то, к чему мы привыкли. К минусам – печальную перспективу скорой смерти в коллапсе исчерпания ресурсов, проблемах ядерных отходов, росте численности населения и деградации пахотных площадей. Иначе говоря, атомная энергетика позволила человеку еще сильнее начать овладевать природой, насилуя ее сверх меры настолько, что он за несколько десятилетий преодолел порог воспроизводства основных ресурсов, запустив между 2000 и 2010 годами процесс схлопывания потребления. Этот процесс объективно уже не зависит от человека.
Всем придется меньше есть, меньше жить и меньше радоваться окружающей природе. Здесь кроется еще один плюс-минус атомной энергии, который заключается в том, что страны, овладевшие атомом, смогут эффективнее перераспределять под себя скудеющие ресурсы тех, кто атомом не овладел. Более того, только развитие программы термоядерного синтеза позволит человечеству элементарно выжить. Теперь поясним на пальцах, что же это за «зверь» — атомная (ядерная) энергия и с чем ее едят.
Масса, материя и атомная (ядерная) энергия
Часто приходится слышать утверждение, что «масса и энергия одно и то же», или же такие суждения, будто выражение Е=mс2 объясняет взрыв атомной (ядерной) бомбы. Сейчас, когда вы получили первое представление о ядерной энергии и ее применении, было бы поистине неразумно сбивать вас с толку такими утверждениями, как «масса равна энергии». Во всяком случае, такой способ трактовки великого открытия не из лучших. По-видимому, это всего лишь острословие молодых реформистов, «Галилеев нового времени». На деле же предсказание теории, которое проверено многими экспери-ментами, говорит лишь о том, что энергия имеет массу.
Сейчас мы разъясним современную точку зрения и дадим небольшой обзор истории ее развития.
Когда энергия любого материального тела возрастает, его масса увеличивается, и мы приписываем эту дополнительную массу приросту энергии. Например, при поглощении излучения поглотитель становится горячее и его масса возрастает. Однако возрастание настолько мало, что остается за пределами точности измерений в обычных опытах. Напротив, если вещество испускает излучение, то оно теряет капельку своей массы, которая уносится излучением. Возникает более широкий вопрос: не обусловлена ли вся масса вещества энергией, т. е. не заключен ли во всем веществе громадный запас энергии? Много лет назад радиоактивные превращения на это ответили положительно. При распаде радиоактивного атома выделяется огромное количество энергии (в основном в виде кинетической энергии), а малая часть массы атома исчезает. Об этом ясно говорят измерения. Таким образом, энергия уносит с собой массу, уменьшая тем самым массу вещества.
Следовательно, часть массы вещества взаимозаменяема массой излучения, кинетической энергией и т. п. Вот почему мы говорим: «энергия и вещество способны частично к взаимным превращениям». Более того, мы теперь можем создавать частицы вещества, которые обладают массой и способны полностью превращаться в излучение, также имеющее массу. Энергия этого излучения может перейти в другие формы, передав им свою массу. И наоборот, излучение способно превращаться в частицы вещества. Так что вместо «энергия обладает массой» мы можем сказать «частицы вещества и излучение — взаимопревращаемы, а потому способны к взаимным превращениям с другими формами энергии». В этом и состоит создание и уничтожение вещества. Такие разрушительные события не могут происходить в царстве обычной физики, химии и техники, их следует искать либо в микроскопических, но активных процессах, изучаемых ядерной физикой, либо в высокотемпературном горниле атомных бомб, на Солнце и звездах. Однако было бы неразумно утверждать, что «энергия - это масса». Мы говорим: «энергия, как и вещество, имеет массу».
Масса обычного вещества
Мы говорим, что масса обычного вещества таит в себе огромный запас внутренней энергии, равной произведению массы на (скорость света)2. Но эта энергия заключена в массе и не может быть высвобождена без исчезновения хотя бы части ее. Как возникла столь удивительная идея и почему она не была открыта раньше? Ее предлагали и раньше - эксперимент и теория в разных видах,- но вплоть до двадцатого века изменение энергии не наблюдали, ибо в обычных экспериментах оно соответствует невероятно малому изменению массы. Однако сейчас мы уверены, что летящая пуля благодаря своей кинетической энергии имеет дополнительную массу. Даже при скорости 5000 м/сек пуля, которая в покое весила ровно 1 г, будет иметь полную массу 1,00000000001 г. Раскаленная добела платина массой 1 кг всего прибавит 0,000000000004 кг и практически ни одно взвешивание не сможет зарегистрировать эти изменения. Только когда из атомного ядра высвобождаются огромные запасы энергии или когда атомные «снаряды» разгоняются до скорости, близкой к скорости света, масса энергии становится заметной.
С другой стороны, даже едва уловимая разница масс знаменует возможность выделения огромного количества энергии. Так, атомы водорода и гелия имеют относительные массы 1,008 и 4,004. Если бы четыре ядра водорода смогли объединиться в одно ядро гелия, то масса 4,032 изменилась бы до 4,004. Разница невелика, всего 0,028, или 0,7%. Но она означала бы гигантское выделение энергии (преимущественно в виде излучения). 4,032 кг водорода дали бы 0,028 кг излучения, которое имело бы энергию около 600000000000 Кал.
Сравните это с 140 000 Кал, выделяющимися при соединении того же количества водорода с кислородом в химическом взрыве.
Обычная кинетическая энергия дает заметный вклад в массу очень быстрых протонов, получаемых на циклотронах, и это создает трудности при работе с такими машинами.
Почему мы все же верим, что Е=mс2
Сейчас мы воспринимаем это как прямое следствие теории относительности, но первые подозрения возникли уже ближе к концу 19 века, в связи со свойствами излучения. Тогда казалось вероятным, что излучение обладает массой. А поскольку излучение переносит, как на крыльях, со скоростью с энергию, точнее, само есть энергия, то появился пример массы, принадлежащей чему-то «невещественному». Экспериментальные законы электромагнетизма предсказывали, что электромагнитные волны должны обладать «массой». Но до создания теории относительности только необузданная фантазия могла распространить соотношение m=Е/с2 на другие формы энергии.
Всем сортам электромагнитного излучения (радиоволнам, инфракрасному, видимому и ультрафиолетовому свету и т. д.) свойственны некоторые общие черты: все они распространяются в пустоте с одинаковой скоростью и все переносят энергию и импульс. Мы представляем себе свет и другое излучение в виде волн, распространяющихся с большой, но определенной скоростью с=3*108 м/сек. Когда свет падает на поглощающую поверхность, возникает теплота, показывающая, что поток света несет энергию. Эта энергия должна распространяться вместе с потоком с той же скоростью света. На деле скорость света именно так и измеряется: по времени пролета порцией световой энергии большого расстояния.
Когда свет падает на поверхность некоторых металлов, он выбивает электроны, вылетающие точно так же, как если бы их ударил компактный шарик. , по всей видимости, распространяется концентрированными порциями, которые мы называем «квантами». В этом и заключается квантовый характер излучения, несмотря на то, что эти порции, по-видимому, создаются волнами. Каждая порция света с одной и той же длиной волны обладает единой и той же энергией, определенным «квантом» энергии. Такие порции мчатся со скоростью света (собственно, они-то и есть свет), перенося энергию и количество движения (импульс). Все это позволяет приписать излучению некую массу - каждой порции приписывается определенная масса.
При отражении света от зеркала теплота не выделяется, ибо отраженный луч уносит всю энергию, но на зеркало действует давление, подобное давлению упругих шариков или молекул. Если же вместо зеркала свет попадает на черную поглощающую поверхность, давление становится вдвое меньше. Это свидетельствует о том, что луч несет количество движения, поворачиваемое зеркалом. Следовательно, свет ведет себя так, как если бы у него была масса. Но можно ли откуда-то еще узнать, что нечто обладает массой? Существует ли масса по своему собственному праву, как, например, длина, зеленый цвет или вода? Или это искусственное понятие, определяемое поведением наподобие Скромности? Масса, на самом деле, известна нам в трех проявлениях:
- А. Туманное утверждение, характеризующее количество «вещества», (Масса с этой точки зрения присуща веществу - сущности, которую мы можем увидеть, потрогать, толкнуть).
- Б. Определенные утверждения, увязывающие ее с иными физическими величинами.
- В. Масса сохраняется.
Остается определить массу через количество движения и энергию. Тогда любая движущаяся вещь с количеством движения и энергией должна иметь «массу». Ее массой должно быть (количество движения)/(скорость).
Теория относительности
Стремление увязать воедино серию экспериментальных парадоксов, касающихся абсолютного пространства и времени, породило теорию относительности. Два сорта экспериментов со светом давали противоречивые результаты, а опыты с электричеством еще больше обострили этот конфликт. Тогда Эйнштейн предложил изменить простые геометрические правила сложения векторов. Это изменение и составляет сущность его «специальной теории относительности».
Для малых скоростей (от медлительной улитки до быстрейшей из ракет) новая теория согласуется со старой.
При высоких скоростях, сравнимых со скоростью света, наше измерение длин или времени модифицируется движением тела относительно наблюдателя, в частности масса тела становится тем больше, чем быстрее оно движется.
Затем теория относительности провозгласила, что это увеличение массы носит совершенно общий характер. При обычных скоростях никаких изменений нет, и только при скорости 100 000 000 км/час масса возрастает на 1%. Однако для электронов и протонов, вылетающих из радиоактивных атомов или современных ускорителей, оно достигает 10, 100, 1000%…. Опыты с такими высокоэнергетическими частицами великолепно подтверждают соотношение между массой и скоростью.
На другом краю находится излучение, не имеющее массы покоя. Это не вещество и его нельзя удержать в покое; оно просто имеет массу, и движется со скоростью с, так что его энергия равна mс2. О квантах, мы говорим как о фотонах, когда хотим отметить поведение света как потока частиц. Каждый фотон имеет определенную массу m, определенную энергию Е=mс2 и количество движения (импульс).
Ядерные превращения
В некоторых экспериментах с ядрами массы атомов после бурных взрывов, складываясь, не дают ту же самую полную массу. Освобожденная энергия уносит с собой и какую-то часть массы; кажется, что недостающая часть атомного материала исчезла. Однако если мы припишем измеренной энергии массу Е/с2, то обнаружим, что масса сохраняется.
Аннигиляция вещества
Мы привыкли думать о массе как о неизбежном свойстве материи, поэтом переход массы из вещества в излучение - от лампы к улетающему лучу света выглядит почти как уничтожение вещества. Еще один шаг - и мы с удивлением обнаружим то, что происходит на самом деле: положительный и отрицательный электроны, частички вещества, соединившись вместе, полностью превращаются в излучение. Масса их вещества превращается в равную ей массу излучения. Это случай исчезновения вещества в самом буквальном смысле. Как в фокусе, во вспышке света.
Измерения показывают, что (энергия, излучения при аннигиляции)/ с2 равна полной массе обоих электронов - положительного и отрицательного. Антипротон, соединяясь с протоном, аннигилирует, обычно с выбросом более легких частиц с большой кинетической энергией.
Создание вещества
Сейчас, когда мы научились распоряжаться высокоэнергетическим излучением (сверхкоротковолновыми рентгеновскими лучами), мы можем приготовить из излучения частицы вещества. Если такими лучами бомбардировать мишень, они дают иногда пару частиц, например положительный и отрицательный электроны. И если снова воспользоваться формулой m=Е/с2 как для излучения, так и для кинетической энергии, то масса будет сохраняться.
Просто о сложном – Ядерная (Атомная) энергия
- Галерея изображений, картинки, фотографии.
- Ядерная энергия, энергия атома – основы, возможности, перспективы, развитие.
- Интересные факты, полезная информация.
- Зеленые новости – Ядерная энергия, энергия атома.
- Ссылки на материалы и источники – Ядерная (Атомная) энергия.
Энергия ветра
Ветроэнергетика - отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании энергии ветра - кинетической энергии воздушных масс в атмосфере. Так как энергия ветра является следствием деятельности солнца, то её относят к возобновляемым видам энергии. ветровая энергетика еще не может считаться достойным конкурентом традиционных атомных, гидро- и теплоэлектростанций. Среднестатистическая АЭС вырабатывает примерно 1,3 тыс. МВт электроэнергии – больше, чем четыре крупнейшие в мире ветровые электростанции.
По данным Американской ассоциации энергии ветра, стоимость строительства ветровой электростанции уменьшилась до 1 млн долл. на 1 МВт – это примерно равно стоимости строительства АЭС. По эффективности вложений ветровые электростанции превосходят лишь газовые (600 тыс. долл. на 1 МВт). Однако, в отличие от газа, энергия ветра бесплатна. Ветряные генераторы не потребляют ископаемого топлива. Работа ветрогенератора мощностью 1 МВт за 20 лет эксплуатации позволяет сэкономить примерно 29 тыс. тонн угля или 92 тыс. баррелей нефти. Ветрогенератор мощностью 1 МВт сокращает ежегодные выбросы в атмосферу 1800 т СО2, 9 т SO2, 4 т оксидов азота.
Ее большим преимуществом перед ядерной энергетикой является то, что не существует проблемы хранения и переработки отработанного топлива. Несмотря на то, что за двадцать лет стоимость ветровой электроэнергии снизилась с 40 до 5 центов за киловатт и вплотную приблизилась к стоимости электричества, добываемого за счет сжигания нефти, газа, угля и использования ядерной энергии (в США цены на нее составляют 2...3 цента за киловатт), преодолеть этот разрыв будет сложно.
С 1978 года США затратили более 11 млрд долл. государственных средств на проведение научных исследований в этой отрасли, однако результаты подобных инвестиций пока невелики. На сегодняшний момент экологически чистая энергия составляет не более 8% от электроэнергии, выработанной всеми электростанциями США. По прогнозу Министерства энергетики США, ее доля к 2025 году возрастет всего на 0,5%. Если вычесть отсюда энергию, произведенную ГЭС, то показатели будут еще более скоромными – 2,1% в 2001 году и 3,3% в 2025.
Ядерная энергетика - это отрасль энергетики, занимающаяся получением и использованием ядерной энергии (ранее использовался термин Атомная энергетика).
Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана-235 или плутония. Ядра делятся при попадании в них нейтрона, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло.
Хотя в любой области энергетики первичным источником является ядерная энергия (например, энергия солнечных ядерных реакций в гидроэлектростанциях и электростанциях, работающих на органическом топливе, энергия радиоактивного распада в геотермальных электростанциях), к ядерной энергетике относится лишь использование управляемых реакций в ядерных реакторах.
Ядерная энергия производится в атомных электрических станциях, используется на атомных ледоколах, атомных подводных лодках; США осуществляют программу по созданию ядерного двигателя для космических кораблей, кроме того, делались попытки создать ядерный двигатель для самолётов.
Ядерная энеpгетика остается предметом острых дебатов. Стоpонники и пpотивники ядерной энеpгетики pезко pасходятся в оценках ее безопасности, надежности и экономической эффективности. Шиpоко pаспpостpанено мнение о возможной утечке ядеpного топлива из сфеpы пpоизводства электpоэнеpгии и его использовании для пpоизводства ядеpного оpужия.
