Баллистическая


Ядерные реакции и дефект массы



жүктеу 8.2 Mb.
бет55/99
Дата04.03.2018
өлшемі8.2 Mb.
1   ...   51   52   53   54   55   56   57   58   ...   99

Ядерные реакции и дефект массы

Все перемены в натуре случающиеся такого суть состояния, что сколько чего от одного тела отнимается, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте... Сей всеобщий естественной закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оныя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает.



М.В. Ломоносов [84]
Как открыли ещё Демокрит и Ломоносов и как было показано в § 1.16., вопреки СТО, во всех реакциях масса сохраняется. Если мы не видим, куда она уходит, или откуда берётся, это не значит, что она исчезла или возникла из пустоты, из энергии. Так и в химии прежде верили, что масса исчезает и рождается, не замечая, как она утекает или поступает в форме невидимых газообразных продуктов. Например, при нагреве свинцового прутка его масса растёт. Учёные трактовали это так, будто тепло (теплород или флогистон), поступившее в свинец, преобразовалось в массу, отчего вес прутка вырос. И лишь М.В. Ломоносов доказал, что рост массы свинца вызван поглощением частиц кислорода O из воздуха [84]. Соединяясь со свинцом и образуя окалину (окисел), частицы наращивают вес прутка. Если нагреть свинец в запаянной колбе, то хотя вес прутка и вырастет, вес колбы не изменится: поглощённый свинцом кислород поступил из воздуха, который стал легче, а общий вес прутка и воздуха не изменился. Открытый Ломоносовым закон сохранения массы справедлив всегда и всюду. Однако современные алхимики – физики-ядерщики, забыв уроки Ломоносова, снова стали верить, что масса рождается из энергии и исчезает, обратившись в энергию (этот современный аналог теплорода, флогистона), вместо того чтобы, припомнив уроки истории, поискать пропавшую массу в неуловимых нейтральных частицах. Тем более сами учёные признают их реальность, но считают эти частицы невесомыми нейтрино, а не частицами с массой равной исчезнувшей (§ 3.15.).

Ломоносов своим изречением утвердил и закон сохранения энергии, указав, что энергия – это не абстрактная субстанция (типа флогистона, теплорода), а движение, которое передаётся от одних тел другим, не исчезая и не возникая. Если масса – это мера количества материи, то энергия – мера движения материи. Ломоносов первым понял, что все виды энергии сводятся к кинетической энергии частиц и интерпретировал тепловую энергию как хаотичное движение атомов [84]. В СТО законы сохранения массы, энергии отвергаются и заменяются законом превращения массы в энергию, чем объясняют энерговыделение в ядерных реакциях. Будто, если б СТО не работала, не могли бы работать и атомные станции, бомбы.

Это в корне неверно. Возникшая в ядерных реакциях энергия это не энергия уничтожения массы, а освобождённая внутренняя энергия связи составляющих частей ядра или элементарной частицы. Ядерные реакции подобны химическим, суть которых в соединении или распаде частиц вещества с отдачей или поглощением энергии связи в виде тепла, излучения. Исходная энергия реагентов превосходит суммарную внутреннюю энергию продуктов реакции – эта разница в полном согласии с законом сохранения и выделяется. Рассмотрим, к примеру, откуда берётся энергия в реакции деления урана. Когда ядро урана раскалывается пополам от неустойчивости, его положительно заряженные осколки, расталкиваемые силой Кулона, получают огромные скорости. Внутренняя энергия электрического поля преобразуется в кинетическую энергию частиц-осколков – в тепло. Вылетающие из ядер осколки, нейтроны, ударяя в другие ядра, заставляют их делиться. Так возникает цепная ядерная реакция, отдающая энергию в виде ядерного взрыва или спокойного горения в ядерных печах-реакторах.

К реакциям деления ядер можно отнести и α-распад (выброс ядром α-частицы – ядра гелия). Выясним природу энергии этих реакций на примере α-распада урана: 234U→ 230Th+4He. Отделившееся ядро гелия He разгоняется кулоновским отталкиванием ядра тория Th (Рис. 128). Полученная He кинетическая энергия равна энергии E электрического взаимодействия ядер He и Th на расстоянии равном радиусу R ядра Th. По мере удаления α-частицы эта потенциальная энергия E переходит в кинетическую – в энергию ядерной реакции. Энергия E=q1q2/4πε0R, где q1=2e – заряд ядра He, q2=90e – заряд ядра Th. Отсюда E=45e2/πε0R (Дж)=45e/πε0R (эВ). Подставив R=10-14 м, получим E=26 МэВ. Реальная же энергия этого и других α-распадов составляет около 5 МэВ – в пять раз меньше, что считают доказательством неприменимости классической теории явления [135]. Но это несоответствие можно объяснить, во-первых, неточностью принятого значения R. Во-вторых, мы не учли ядерные силы, притягивающие ядро гелия, тормозя и снижая его энергию. В любом случае кулоновское отталкивание вполне достаточно для придания ядрам энергии без её нелепого преобразования из массы.



Рис. 128. Природа энергии альфа-распада: выброс альфа-частицы кулоновой силой отталкивания.

Ядерные реакции деления сходны с химическими. Взять, к примеру, взрывчатые вещества – нитроглицерин, гексоген, тротил. При делении их молекул выделяется много газа – оксида азота. Его резкое расширение и создаёт эффект взрыва. Запущенная реакция идёт сама по себе: молекулы оксида азота, ударяя в другие молекулы, ведут к их распаду. То есть и здесь идёт цепная реакция деления, в которой скрытая внутренняя энергия молекул преобразуется в энергию взрыва. Говорить о выделении энергии из массы в ядерном взрыве столь же глупо, как в обычном взрыве бомбы, выделяющей энергию и обращающейся в "ничто". И там и там потеря массы мнимая: масса не исчезает, а лишь уходит с невидимыми продуктами реакции. В химической реакции это молекулы газа, а в ядерной – лёгкие нейтральные трудноуловимые частицы. Таковы и реакции ядерного, химического горения. Химическое топливо (дрова) по мере сгорания в печи "испаряется", переходя в газообразное состояние и оставляя лишь лёгкую золу. Так же постепенно выгорает, теряя массу, и ядерное топливо в реакторах. В обоих случаях масса не исчезает, а уносится частицами. Нехватка, дефект масс возник лишь в головах физиков, поверивших в СТО. О растворении, испарении материи в ядерных реакциях говорили в своих работах ещё Циолковский, Тесла [110, 159], опять же подразумевая под этим не пропажу массы, а, подобно физико-химическому растворению, распад материи до микрочастиц. Недаром и открыты, исследованы были ядерные реакции без помощи СТО и её формулы E=mc2 [139].

Рассмотрим теперь реакции синтеза. В них тоже нет сверхъестественной пропажи массы и рождения из неё энергии. К таким реакциям отнесём и аннигиляцию электрона с позитроном. Те не исчезают, а образуют частицу массы 2me. Выделяемая в виде γ-излучения энергия – это энергия электрического поля (работа кулоновской силы притяжения), освобождённая при сближения частиц. Другой пример – слияние ядер дейтерия и трития с образованием ядра гелия и нейтрона (Рис. 129). И тут энергия выделяется так же, как в реакциях химического синтеза. Скажем, при взрыве гремучего газа (смеси водорода и кислорода) атомы H и O сливаются, образуя молекулу воды с выделением внутренней энергии в виде взрыва. Аналогично и в реакции синтеза гелия в водородной бомбе выходит скрытая внутренняя энергия ядер. При этом реагентам надо сообщить начальное тепло. В химии эта энергия называется энергией активации. Такая же энергия активации есть и в реакциях ядерного синтеза: чтоб ядра водорода слились, и в игру вступили ядерные силы, ядра должны сойтись, преодолев кулоновское отталкивание. Для этого в ядерных снарядах водородное горючее поджигается запальным распадом плутония. Подобный запал (детонатор с гремучей ртутью) есть и в обычных снарядах.



Рис. 129. Слияние ядер дейтерия и трития в ядро гелия. Слиянию противостоят кулоновские силы отталкивания ядер.

Таким образом, аналогия химических и ядерных реакций полная. Если в реакции распада энергия выделяется в виде кинетической энергии разлетающихся осколков ядра (разогнанных полем кулоновского отталкивания), а в реакции аннигиляции – в виде энергии γ-излучения (преобразованной энергии электрического притяжения e- и e+), то откуда берётся энергия в реакциях синтеза? Ведь ядра заряжены положительно и отталкиваются: их сближение требует затрат энергии. Не зря реакции синтеза идут не спонтанно, а лишь при нагреве до высоких температур, дабы ядра, обладая достаточной кинетической энергией, могли сойтись. Лишь на расстояниях порядка 10-15 м в игру вступают ядерные, притягивающие силы, превышающие силы кулоновского отталкивания. Эти быстро спадающие с удалением силы тоже электрической природы (§ 3.12.). Поэтому выделяемая при сближении в поле этих сил энергия – это тоже энергия электрического поля, а в конечном счёте, кинетическая энергия реонов – частиц-переносчиков электрического воздействия.

Видим, что механизм выделения энергии в ядерных реакциях не имеет отношения к СТО и потере массы. Энергия и масса – разные понятия. Как открыл Ломоносов, отдельно сохраняется масса, отдельно энергия, они не исчезают и не возникают, а лишь передаются, соответственно в виде частиц и их движения от одних тел другим. Почему же тогда работает формула СТО, и потеря массы m в ядерной реакции приводит к выделению энергии E=mc2? Мы видели, что "потеря" массы, как в химической реакции, связана с уходом трудноуловимых, незаметных частиц. Так, в реакции синтеза ядра, набрав большие энергии в ходе сближения, соударяются неупруго: вся их энергия идёт на выбивание из ядра мелких осколков. Эти осколки-частицы и уносят избыточную энергию ядра. Если же соударение упругое, то образованное ядро переходит в возбуждённое состояние. Тогда его части колеблются: после удара ядра отскакивают, затем снова сходятся и т.д., пока не истратят всю энергию на излучение, сопровождающее любые колебания зарядов. Это даёт ещё один механизм генерации γ-излучения возбуждённых ядер (§ 3.7.).

Итак, "потеря" массы связана с уходом нейтральных частиц. Чем больше энергия E соударения ядер, тем больший кусок они друг из друга выбьют. То есть, чем выше энерговыделение E реакции, тем больше теряемая ядрами масса m. Это подобно высеканию искры двумя кремнями: чем с большей силой и скоростью их сшибаешь, тем больше вылетает осколков-искр и тем они ярче, энергичней. Поскольку скорость V лёгких частиц, вылетающих из ядер, обычно близка к скорости света c, то их кинетическая энергия E=mV2/2 порядка mc2. Отсюда соответствие между массой и энергией E=mc2, хотя и не строгое. Но ведь и в опыте физики обычно не могут точно измерить энергию одной ядерной реакции, имея дело с ансамблями частиц, число которых не известно, да и энергия не всегда точно измерима. Итак, в рамках классической физики тоже есть соответствие между выделяемой энергией E и теряемой массой m в виде соотношения E=mc2, но смысл его иной, чем в СТО, и оно не такое строгое.

В реакциях распада выделение энергии тоже сопровождается потерей массы. Ведь при делении ядра кроме двух дочерних ядер должны вылетать и совсем мелкие осколки. Если разбить кирпич ударом на две части, кроме них останется и мелкая крошка, осколки. Так же и при отрыве капель жидкости кроме основной капли в перетяжке всегда отделяется и крошечный шарик Плато (Рис. 130). Поэтому, если уж следовать капельной модели ядра, физикам следовало принять, что такая же мелкая капля-частица образуется при делении ядер. Эта частица и уносит "пропавшую" массу. В одних случаях эта частица – нейтрон. Если его реальная масса выше принятой, ясно откуда иллюзия исчезновения массы в реакции. В случае α-распада таких частиц вообще не обнаружили, хотя по капельной модели ядра они должны бы быть. Понятно, почему масса теряемой частицы соотносится с энергией распада: чем больше энергия деления, чем мощней удар, сотрясающий и разрушающий частицу, тем массивней вылетающие осколки.



Рис. 130. Деление капель (или ядер) с образованием шарика Плато (частицы) из перетяжки.

Впрочем, всё это относилось к реакциям, а ядра обладают определённой массой, не зависящей от того, каким путём – делением или синтезом – они получены. Теряемый в реакциях вес – дефект массы – это лишь разница масс исходных и конечных ядер. Значит, что-то задаёт устойчивую массу ядра, а при делении или синтезе ядро лишь сбрасывает лишнюю массу-балласт в виде частиц. Что же это за частицы? Вероятно, всё те же гаммоны. Ведь типичный дефект масс составляет около 0,04 масс протона (или кратную величину), то есть порядка 70me, но это близко к массе гаммона в 66me, тоже бесследно исчезающей в реакциях. Почему же теряется всегда одна и та же масса, а ядра имеют стандартный вес? Ответ прост: каждое ядро состоит из определённого числа стандартных частиц, имеющих постоянную массу. И точно, любое ядро состоит из нейтронов и протонов, однако сумма их масс никогда не равна массе образуемого ими ядра – эту разницу и назвали дефектом массы. По закону сохранения массы этого не может быть – частицы после слияния должны вместе весить столько же, сколько и до. Значит, в ядре есть и другие частицы. Действительно, мы выяснили, что ядро это не одни голые протоны и нейтроны: в ядре эти частицы уложены, как в кульке, в бипирамидальном остове, каркасе, вероятно, тоже имеющем стандартный вес, который надо учитывать. Иными словами масса ядра – это вес брутто (товар с упаковкой), а сумма масс протонов и нейтронов – это вес нетто (чистый вес, без тары).

Рис. 131. Масса m ядра складывается из масс нейтронов n, остова o, протонов p, уложенных в остове, словно семечки, горошины в кульке.



В таком случае масса ядра m=nN+o+pZ, где n – масса нейтрона, N – число нейтронов, o – масса остова (упаковки), p – масса протона, Z – число протонов (Рис. 131). Тогда масса ядра водорода H=o+p, дейтерия D=n+o+p, гелия He=2n+o+2p. Поэтому сумма масс двух ядер дейтерия D, каждое из протона и нейтрона, не равна массе ядра гелия He. Оно чуть легче: при соединении двух ядер D один остов оказывается лишним, D+D=2n+2o+2p=He+o. Избыточный остов отделяется и улетает при слиянии ядер. Учёные же приписали этот дефект массы переходу её в энергию, поскольку пренебрегли массой остова o, приравняв вес кулька, тары к нулю. Тем же вызван дефект массы у других ядер. Построенная Таблица 6 показывает, что дефект исчезает, если каждое ядро кроме протонов и нейтронов содержит ещё остов (микрорасхождения есть лишь у инертных газов). Найденные по методу наименьших квадратов массы n, o, p соответствуют не только массе ядер, но и найденной Чедвиком разнице масс нейтрона и протона (порядка массы гаммона), близкой к массе остова в 0,016·1822=30 me [55]. Если в ходе распада ядро лишилось остова, оно его восстановит: в вакууме всегда носится много мелких нейтральных частиц.




число частиц-составляющих

масса изотопов (а.е.м.)




нейтронов n=1,005

остовов o=0,016

протонов p=0,992

Mрасч

Мизм из [55]

1H1

N=0

1

Z=1

1,008

1,008

2D1

N=1

1

Z=1

2,013

2,015

4He2

N=2

1

Z=2

4,010

4,004

12C6

N=6

1

Z=6

12,000

12,004

18O8

N=10

1

Z=8

18,004

18,004

20Ne10

N=10

1

Z=10

19,987

19,999

35Cl17

N=18

1

Z=17

34,974

34,980

40Ar18

N=22

1

Z=18

39,984

39,975

Таблица 6. Состав и масса (в атомных единицах массы, 1 а.е.м.= 1822 me) разных ядер-изотопов и их составляющих.

Итак, по открытому Ломоносовым закону сохранения масса ядра (частицы) всегда равна сумме масс компонентов. Любые расхождения, особенно большие, означают, что чего-то не учли – каких-то летучих нейтральных частиц, реальность которых вытекает из закона сохранения массы. Масса не исчезает и не возникает из энергии. Так, при рождении электрон-позитронных пар частицы не рождаются из вакуума, а выбиваются из ядер γ-лучами. Другой пример – рождение частиц в столкновениях, скажем при соударении протонов в большом адронном коллайдере. Масса m возникших частиц соотносится с энергией столкнувшихся протонов как E=mc2. Но это не значит, что частицы родились из энергии. Протоны, разогнанные в ускорителе до огромных скоростей, при столкновениях могут разбивать другие частицы, вырывая крупные осколки, порой тяжелее самих протонов. Ускорители подобны тяжёлой артиллерии, стреляющей снарядами-протонами по зданиям-частицам, как из кирпичиков сложенных из электронов и позитронов (§ 3.9.). Чем выше энергия протона, тем больший кусок от здания другой частицы он отколет. Если все частицы состоят из связанных в кристаллы электронов и позитронов, то более энергичные протоны способны разорвать больше таких связей. Потому и масса отколотой частицы будет пропорционально выше. Поскольку энергия связи одного электрона и позитрона E1=2mec2, то частица из N электронов потребует для своего отрыва энергии E=2Nmec2, но 2Nme – это как раз масса m образующейся частицы, равная сумме масс составляющих её электронов и позитронов. Потому масса образованной частицы и пропорциональна приложенной энергии E=mc2.

Два сталкивающихся протона играют роль молота и наковальни. Возможно, между ними оказывается не одна крупная частица (ядро), а много мелких, типа гаммонов, собранных протонами по пути при движении в кольце ускорителя. При соударении все эти частицы сковываются воедино, как металлические заготовки на наковальне кузнеца. Чем выше энергия протонов, тем больше частиц они смогут склепать, припечатать, тем массивней возникшая частица. Итак, рождённые в столкновениях частицы это не преображённая энергия, а лишь продукт синтеза или распада от ударов.

Впрочем, измеряемая масса частицы может всё же несколько отличаться от суммарной массы её компонентов. Причиной тому – погрешность "электромагнитных весов", показывающих разный вес частицы в зависимости от того, движется она или покоится (§ 1.15.). Так и некоторые торговцы дабы обвесить, не кладут, а бросают товар на чашу весов, отчего он весит больше неподвижного. Соответственно частицы, входящие в состав более сложных частиц-конгломератов и, возможно, участвующие в них в сложном колебательном движении, могут весить чуть меньше, чем в свободном состоянии. Именно весить! Ведь находят их кажущийся, измеряемый неидеальными приборами вес, а не реальную массу, которая должна оставаться неизменной. Так и рождается мнимое несоответствие масс частицы и её составляющих, именуемое дефектом масс, хотя правильней его было бы назвать дефектом весов. Такую природу дефекта масс предполагал ещё Дж. Фокс [3]. Физики считают, что эта "исчезнувшая" масса превращается в энергию и что её выделение в ядерных печах и бомбах доказывает справедливость теории относительности, словно ей они обязаны своим существованием.

Но с тем же успехом, как видели, можно заявить, что и химические реакции деления, слияния молекул, простые печи и бомбы чем-то обязаны теории относительности. Реально в любых реакциях выделяется лишь внутренняя энергия движения и взаимодействия частей в атомах и элементарных частицах. Ядерные реакции были открыты и исследованы без помощи СТО [139]. А "пропажа" в реакциях крупных масс связана с присутствием ещё не найденных нейтральных частиц или частиц с антимассой. Пусть это и ведёт к отклонению некоторых формальных законов превращения частиц, зато вернётся отвергнутый физиками закон сохранения массы, имеющий фундаментальный смысл.





    1. Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   51   52   53   54   55   56   57   58   ...   99


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет