Откуда в атоме столько энергии?
Наверное не станет новостью, что внутри атома таится огромная энергия. Вот только где там она таится?
Для того, чтобы ответить на этот вопрос, нужно хотя бы примерно представлять себе строение атома. Тут стоит отметить, что как таковое реальное устройство атома не известно даже физикам, но есть вполне себе рабочая модель. Её изучают в школе и давайте её вспомним.
Click to viewАтом состоит из ядра. Вокруг ядра располагаются электроны. По современным представлениям электроны располагаются в атоме не как планеты вокруг Солнца, а находятся в некотором облаке и имеют там вероятностное расположение. Но нас сейчас интересует ядро атома. Та энергия, которую мы получаем из атома, прячется именно в ядре.
Достаточно вспомнить, что ядро атома состоит из нуклонов. Это протоны и нейтроны. Протоны - это положительно заряженные субатомные частицы. Нейтроны - нейтральные.
Внутри ядра атома частицы, из которого оно состоит, удерживаются рядом друг с другом посредством сильного взаимодействия. Это одно из четырёх базовых физических взаимодействий.
Откуда энергия при распаде?
Протоны - это частицы, имеющие заряды одного знака. Мы помним, что одноименные заряды отталкиваются. Причём, отталкивание не то, чтобы слабое. При этом сильное взаимодействие способно удерживать отталкивающиеся протоны рядом и ядро будет вполне стабильным. Эти частицы "слипаются" друг с другом в момент термоядерного синтеза и поэтому силы отталкивания легко компенсируются запредельными температурами и внешним давлением. Это отдаленно можно сравнить с процессом установки пружины амортизатора. Если пружина пожата, то можно схватить её гайкой, а если она выпрямлена на всю длину, то процесс затруднительный. Термоядерный синтез тут - та внешняя сила, которая позволяет преодолевать кулоновское отталкивание и соединять протоны сильным взаимодействием.
В момент, когда ядро атома разваливается, силы кулоновского отталкивания высвобождаются и происходит выброс огромного количества энергии, которую мы потом и можем использовать.
Это, опять-таки, можно вполне успешно сравнивать с механикой. Представьте себе, что у вас есть пружина, которую вы зафиксировали гайкой и сжали. Если гайка оторвётся, то пружина высвободит свою потенциальную энергию, распрямится и может больно стукнуть по лбу. Сжатие пружины тут - это кулоновское отталкивание, которое высвободится при распаде ядра. Фиксация системы гайкой - это сильное взаимодействие между протонами.
Да и зачем так усложнять сравнение - вспомните, как в детстве вы ломали ветку или доску. Тянешь деревяшку на себя, она упруго изгибается. В какой-то момент происходит излом и слышен хруст. Характерный звук излома тут и есть высвобождение энергии, чем-то напоминающее процесс высвобождения силы отталкивания в атоме.
Следующий стандартный вопрос - как так получается, что силы электромагнитного характера (к которым относятся Кулоновские) и которые не являются сильными, порождают такое феноменальное количество энергии? Тут ответ ещё проще. Обратите внимание, что в качестве ядерного топлива используются тяжелые элементы с большим количеством протонов. И не только потому, что они иногда самопроизвольно испускают излучение. Важно количество протонов, которое распадается. Большое количество кулоновского отталкивания, пропорциональное количество протонов, позволяет получить невероятное количество энергии.
Откуда энергия при синтезе?
Интересно, что энергия может выделяться не только при распаде ядра, но и при его "сборке". Мы сейчас затрагиваем тему термоядерного синтеза.
В отличие от расщепления ядра, синтез в лабораторных условиях сейчас выполнить сложно. В научпоп статьях частенько проскакивает, что те или иные ученые запустили токомак и удалось добиться условий синтеза, но на этом пока всё заканчивается.
Основную проблему синтеза мы обозначили чуть выше - нужна невероятная температура и не менее невероятное давление. По сути нужно сжать плазму. Это делается с помощью магнитных полей. Они же удерживают плазму на месте. В этом случае происходит образование сильного взаимодействия.
В природе это обычно случается в результате "работы" звёзд.
Энергия при синтезе (как, в общем-то, и при распаде) обусловлена работой эффекта дефекта масс. Но попробуем обойти это более сложное понятие. Да и объяснение с приведением знаменитой формулы Эйнштейна не то, чтобы сильно понятное.
Наверное самое простое, но не самое корректное объяснение тут - понимание механизма образования связи между частицами. Об этом много говорят в курсе химии.
Протоны, которые сливаются в сильное взаимодействие, состоят из кварков. Соединяет протоны обмен частицами между кварками.
Говорим образно. Для того, чтобы соединить два протона друг с другом нужно израсходовать четыре связи. А у исходных частиц, образующих связь, есть по пять связей. Четыре будут израсходованы на соединение, а одна останется. Количество связей образуется тем, какой элемент мы синтезируем. "Свободная связь" - это и есть источник энергии в термоядерном синтезе.
Куда денется эта связь? Никуда, ведь частички соединяются друг с другом, исходя из расчёта 4 связи на элемент. Эта связь останется свободной и как раз-таки станет источником энергии при термоядерном синтезе. Она уйдёт из системы в виде тепловой энергии.
⚡ Обязательно подпишитесь на Telegram проекта и читайте эксклюзивные статьи!