Анализ процессов синтеза атомов и ядер

Выявленные модели ядер атомов позволяют представить картину их разрушения на ускорителях элементарных частиц. Если бомбардировать протонами ядро атома, например, железа (рис. 73), то количество образующихся осколков ядра и совокупность протонов и нейтронов в них будет зависеть от места попадания протона в ядро. Изменение этого места будет формировать разное количество осколков ядра с разной компоновкой протонов и нейтронов.

Таким образом, в результате бомбардировки ядра протонами мы получим множество его осколков с разной компоновкой протонов и нейтронов. Причем, регистрирующий прибор ускорителя фиксирует лишь следы этих осколков. Сразу возникает вопрос: сможем ли мы на основании такой информации воссоздать ядро атома железа? Нет, конечно. Происходит это потому, что теория микромира ХХ века значительно отставала от эксперимента.

Как видно, (рис. 77) с увеличением массового числа удельная энергия связи вначале резко увеличивается и достигает максимума при , а затем постепенно уменьшается. Известно, что с увеличением массового числа растет радиоактивность ядер. Из этого следует, что с увеличением удельные энергии связи ядер должны уменьшаться значительнее, чем это следует из рис. 77. И это действительно так, если учитывать не количество нуклонов в ядре, а количество связей между нуклонами.

Ядерные силы, в отличие от гравитационных, не являются центральными. Почти линейная зависимость удельной энергии связи ядер от массового числа при (рис. 77) указывает на то, что каждый нуклон взаимодействует не со всеми нуклонами ядра, а только - с ближайшими к нему. Такое свойство ядерных сил названо свойством насыщения (рис. 77). Тем не менее, незначительное уменьшение удельной энергии связи ядер с увеличением количества нуклонов в нём противоречит увеличению при этом радиоактивности ядер. Удельная энергия связи ядер должна уменьшаться значительно (пунктирная линия рис. 77) с увеличением количества нейтронов в нём.

Рис. 77. Зависимость удельной энергии связи ядер от

массового числа ядра (сплошная линия) и от количества связей

между нуклонами ядра (сплошная и пунктирная часть линии)

Например, в ядре атома кальция (рис. 67) 40 нуклонов, но 46 связей между ними. Ядро (рис. 76) содержит 64 нуклона, которые связаны между собой 75 энергетическими связями. Это значит, что действительная удельная энергия связи у этого ядра в 75/64=1,17 раза меньше, чем принято считать.

Если построить ядро урана и посчитать количество связей между его нуклонами, то их будет, примерно, . Сейчас считается, что удельная энергия связи нуклонов в ядре равна 7,5 МэВ. Если же учитывать количество связей между нуклонами, то удельная энергия связи ядра окажется такой .

Общая энергия связи ядра определяется по формуле

, (193)

где - скорость света; - дефект массы ядра.

Дефект массы ядра – надёжный экспериментальный факт, но причина этого дефекта не имеет приемлемого объяснения, поэтому уделим внимание её анализу.

, (194)

где - число протонов в ядре; - масса протона; - масса нейтрона; - масса ядра; - массовое число ядра, равное сумме протонов и нейтронов в нём. Удельная энергия связи ядра равна энергии, приходящейся на один нуклон

. (195)

Наибольшую удельную энергию связи имеют ядра атомов с массовым числом Зависимость имеет экстремумы (рис. 77). Максимумы наблюдаются у ядер с четными числами протонов и нейтронов: , , . Минимумы соответствуют ядрам с нечетным числом протонов и нейтронов: , , . В силу этого ядра с четным числом протонов и нейтронов более устойчивы.

Ядра, также как и атомы, могут находиться в основном и возбуждённом состояниях. Принято считать, что в основном состоянии энергия ядра равна энергии связи . Эта энергия считается наименьшей энергией ядра.

Когда ядро обладает энергией , то оно находится в возбужденном состоянии. После расщепления ядра на нуклоны .

Обратим внимание на формулу (194). В ней - теоретическая масса ядра, определенная с учетом масс свободных протонов и нейтронов , а - экспериментальная величина массы ядра. Возникает вопрос: почему экспериментальная величина массы ядра меньше её теоретической величины? Ответ однозначный. Дефект массы равен сумме масс фотонов, излученных протонами при синтезе ядра.

Рассчитаем удельные энергии связи дейтерия (рис. 48, b) и трития (рис. 48, с). Масса ядра дейтерия равна Масса протона Масса нейтрона Дефект массы дейтерия определится по формуле (196)

(196)

Это значит, что при синтезе ядра дейтерия излучается гамма фотон или серия гамма фотонов с общей энергией

. (197)

Сейчас удельная энергия связи ядра определяется как энергия, приходящаяся на нуклон, поэтому для ядра дейтерия она считается равной .

Однако мы не можем с этим согласиться, так как удельная энергия определяется количеством связей между нуклонами, но не количеством нуклонов в ядре.

В ядре дейтерия (рис. 48, b) протон и нейтрон связаны друг с другом одной связью, поэтому энергия связи этого ядра должна быть равна общей энергии фотонов, излученных при его синтезе, то есть 2,2356 МэВ.

Мы уже увидим, что все протоны в ядрах имеют по одной связи, а нейтроны – больше одной. В силу этого, с увеличением количества нейтронов в ядре удельная энергия связи должна уменьшаться, а не оставаться почти постоянной, как считается до сих пор (рис. 77), и мы получим доказательство этому. С учетом изложенного, удельную энергию связи ядер будем определять путем деления общей энергии связи ядра не на количество ( ) нуклонов в нём, а на количество связей ( ) между нуклонами.

Масса ядра трития равна , а дефект массы

(198)

Общая энергия связи ядра атома трития равна энергии фотонов, излученных при его синтезе

. (199)

Поскольку у ядра трития (рис. 77, с) две связи, то удельная энергия связи у этого ядра равна

. (200)

Это в 1,5 раза больше, чем считалось до сих пор. Итак, незначительное количество ядер дейтерия и трития в Природе по сравнению с количеством ядер атомов водорода, состоящих из одного протона, указывает на отличие структуры магнитного поля нейтрона от структуры магнитного поля протона. Попытаемся выявить эти различия на примерах формирования ядер атомов химических элементов, следующих за водородом.

Масса ядра изотопа атома гелия (рис. 49, а) равна , а дефект массы

(201)

Общая энергия связи этого ядра равна энергии фотонов, излученных при его синтезе.

. (202)

Поскольку ядро (рис. 49, а) имеет две связи, то удельная энергия связи у этого ядра равна . Масса ядра гелия равна , а её дефект Тогда общая энергия связи у этого ядра равна (рис. 49, b, с) .

Как видно (рис. 49, b, с), ядро гелия имеет три связи, поэтому удельная энергия связи этого ядра равна . Это в 2,7 раза больше, чем у изотопа гелия . И это естественно, так как два нейтрона (рис. 49, b, с) экранируют электростатические силы отталкивания, действующие между протонами ядра, сильнее, чем один нейтрон (рис. 49, а).

Определим общие и удельные энергии связи у ядер и (рис. 50). Масса ядра , а дефект его массы

(203)

Общая энергия связи ядра равна энергии фотонов, излученных при его синтезе . Ядро лития (рис. 50, b) имеет пять связей, поэтому удельная энергия связи этого ядра равна .

Масса ядра лития (рис. 50, а) равна , а дефект массы у этого ядра равен

(204)

Общая энергия связи равна . Ядро этого атома (рис. 50, а) имеет 6 связей, поэтому удельная энергия связи у него равна Как видно (рис. 50, а), увеличение нейтронов в ядре уменьшает удельную энергию связи.

Таким образом, если при расчете удельной энергии связи между нуклонами ядра учитывать количество связей между ними, то с увеличением массового числа величина удельной энергии будет уменьшаться интенсивнее (рис. 77 пунктирная линия), чем считалось до сих пор и причина увеличения радиоактивности ядер с увеличением массового числа становится понятнее.

На рис. 52, b показана схема ядра атома Бора, а на рис. 53, c – ядра изотопа углерода.

В спектрах (рис. 78) отражена экспериментальная закономерность изменения удельных энергий связи нуклонов ядер и . Это даёт нам основание полагать, что процесс синтеза ядер подобен процессу синтеза атомов. Протоны, устанавливая связь с нейтронами, приближаются к ним ступенчато, излучая фотоны так, как это делают электроны атомов. В результате такого процесса синтеза ядер формируются их спектры, подобные спектрам атомов и ионов (рис. 78).

Максимальная энергия возбуждения ядра атома Бора при которой оно теряет один протон, равна 7,99МэВ. Поскольку свободный протон имеет свойства, присущие ионам, то энергию 7,99МэВ можно назвать энергией ионизации ядра . С учетом изложенного можно составить таблицу изменения энергий возбуждения ядра и удельных энергий связи его нуклонов, аналогичную табл. 29. Так как , то энергетический спектр будет такой (табл. 29).

Рис. 78. Спектры ядер и (энергии возбуждения)

Таблица 29. Энергетический спектр ядра атома Бора

n	Энергии Возбужд. , эВ	Энергии связи , МэВ
	-	7,99
	2,13	5,86
	4,46	3,53
	5,83	2,16
	6,76	1,23
	6,81	1,18
	7,30	0,69
	7,99	0,00

Анализ табл. 29 показывает, что экспериментальная закономерность изменения энергий связи протона в ядре отличается от аналогичной закономерности (204) изменения энергии связи электрона с протоном и имеет более сложную эмпирическую зависимость.

Теперь у нас есть основания полагать, что при синтезе ядра атома бора протоны приближаются к нейтронам ступенчато, начиная с 8-го энергетического уровня. При переходе с 8-го на последующие энергетические уровни они, как и электроны атомов, излучают фотоны, но со значительно большей энергией. Таким образом, процесс синтеза ядер аналогичен процессу синтеза атомов.

Не будем рассчитывать энергии связи ядра атома бериллия, но отметим, что у него 9 нуклонов и 8 связей между ними, поэтому удельная энергия связи у него больше ( ), чем считалось до сих пор.

А теперь обратим внимание на схемы ядер (рис. 52, b) и (рис. 53, с). Количество нуклонов и количество связей у них одинаковое, поэтому энергетические спектры этих ядер имеют близкие значения (рис. 78).

Нетрудно видеть, что протоны атомов и имеют энергетические уровни, аналогичные энергетическим уровням электронов атомов. Это значит, что при синтезе ядер протоны сближаются с нейтронами ступенчато, излучая гамма фотоны. Эта аналогия создаёт предпосылки для познания многих тайн процессов синтеза и диссоциации ядер атомов.

Обратим внимание на то, что ядра и (рис. 52, 53) имеют одинаковое количество нуклонов. Тот факт, что в ядре 5 протонов и 6 нейтронов, а в ядре 6 протонов и 5 нейтронов, почти не влияет на закономерность изменения удельных энергий связи в этих ядрах (рис. 53). Это указывает на то, что между протонами и нейтронами, а также между нейтронами действуют примерно одинаковые силы, связывающие эти нуклоны.

Процессы синтеза атомов и их ядер идентичны. Протоны в ядре, так же, как и электроны в атомах, могут находиться на разных энергетических уровнях и иметь разные энергии связи с нейтронами.

Электроны атомов излучают и поглощают фотоны реликтового, инфракрасного, светового, ультрафиолетового и частично, по – видимому, рентгеновского диапазонов.

Протоны ядер атомов поглощают и излучают гамма фотоны, а нейтроны - электроны.

Обратим внимание на то, что у ядра 14 нуклонов, а связей между ними больше. Центральный нейтрон имеет в плоскости четыре магнитных полюса, которые взаимодействуют с магнитными полюсами шести нейтронов, окружающих его. Поэтому у нас есть основания считать, что у центрального нейтрона работают все пять связей одновременно. С учетом этого общее количество работающих связей этого ядра будет равно 17. Так как количество связей 17 больше количества нуклонов 14, то удельная энергия связи, приходящаяся на одну связь, будет меньше, чем считалось до сих пор. Количество связей между нуклонами (рис. 54, а) больше количества нуклонов в нем.

У центрального нейтрона ядра (рис. 54, b) работают все шесть связей. Общее количество связей равно 14, а количество нуклонов 15. Поскольку центральный нейтрон ядра (рис. 54, а) имеет одну свободную связь, то она может быть занята нейтроном и появится изотоп с плоским ядром. Конечно, свободная связь центрального протона может принять несколько нейтронов и количество изотопов этого химического элемента может увеличиться.

Полученная информация позволяет перейти к детальному анализу ядерных реакции термоядерного реактора «Токамак» и ядерного реактора атомной электростанции.

Известно, что проектирование и испытание термоядерных реакторов «Токамак» базируется на ядерных реакциях (205), (206) и (207), в которых участвуют ядра легких элементов: дейтерия , трития и гелия .

; (205)

; (206)

(207)

Если протон представить в виде светлой сферы, а нейтрон – тёмной, то графически реакции (205), (206) и (207) можно показать следующим образом

Рис. 85. Схемы ядерных реакций (205), (206), (207)

Величины энергий (3,2…18,3 МэВ), выделяющейся при этих реакциях, впечатляют. Поэтому процессы (205), (206), (207) считаются неисчерпаемыми источниками энергии. Посмотрим, так это или нет?

Известно, что величины энергий:3,2МэВ; 17,6МэВ и 18,3 МэВпринадлежат гамма фотонам (табл. 2). Чтобы получить приведенную в реакциях (205), (206) и (207) энергию в виде тепла, надо преобразовать гамма фотоны в тепловые (ультрафиолетовые, световые и инфракрасные) фотоны. Сделать это можно путем увеличения их длины волны. Этот процесс идет при эффекте Комптона. Главным условием его реализации является высокая плотность вещества, с которым взаимодействуют гамма фотоны. Плотность вещества в плазме Токамаков значительно меньше, чем в твердом веществе.

Главное же заключается в том, что фотоны движутся прямолинейно, поэтому магнитные барьеры Токамака прозрачны для них. Из этого следует невозможность длительного поддержания высокой температуры плазмы в полости Токамака, ограниченной магнитным полем. Не случайно полувековые эксперименты с указанными реакциями в плазме не принесли желаемого результата. Главная причина такого состояния – поверхностное представление о физической сути процессов, протекающих в плазме Токамаков.

Здесь невольно возникает вопрос: что является источником тепловых фотонов в современных ядерных реакторах атомных электростанций? Чтобы найти ответ на него приведем цикл ядерных реакций, протекающих в ядерных реакторах.

(208)

. (209)

Обращаем внимание на то, что в процессе ядерных реакций идет синтез новых ядер: нептуния Np, плутония Pu, америция Am и кюрия Cm, а значит и - новых атомов этих химических элементов. Процессы синтеза новых ядер сопровождаются излучением нетепловых гамма фотонов и рентгеновских фотонов. Синтез же атомов, указанных химических элементов, сопровождается излучением тепловых фотонов с большей длиной волны, которые и генерируют тепловую энергию атомной электростанции. Рождающиеся при этом любые фотоны удерживаются в активной зоне реактора не магнитным полем, а прочными стенками защиты.

Мы не будем углубляться в дальнейший анализ этих сложных процессов, но отметим, что изложенное показывает, что современная физика ещё далека от понимания тонкостей процессов, протекающих в ядерных реакторах.

При ядерном взрыве разрушаются ядра урана и рождаются новые ядра с большим общим положительным потенциалом. Поскольку новые положительно заряженные ядра нуждаются в электронах для синтеза новых атомов, а их нет в зоне взрыва, то они устремляются к центру взрыва от поверхности земли в виде свободных электронов и отрицательно заряженных ионов воздуха. Поток отрицательно заряженных частиц и ионов к центру ядерного взрыва так велик, что формируется грибовидное облако (рис. 80).

Рис. 80. Фото ядерных взрывов