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 ^>3_>2He 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 ^>3_>2He из двух атомных ядер тяжелого водорода ^>1_>2H (дейтронов) дефект массы ядра составляет 0,02559 а.е. м. При образовании одного грамм-атома гелия, т. е. 4,004 г (6,02х10^>23 атомов), выделится энергия в количестве 5,45х10^>11 кал, что соответствует количеству тепла, выделяющемуся при сжигании около 78000 кг каменного угля с теплотворной способностью 7000 ккал/кг.

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:

^>14_>7N+^>4_>2He->^{> 18}_>9F*

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:

^>18_>9F->^{> 17}_>8O+^>1_>1H.

Избыточная энергия выделяется в виде кинетической энергии ядер ^>17_>8O и ^>1_>1H, разлетающихся с большой скоростью. Обыно ядерные реакции записывают (опуская промежуточную запись) следующим образом:

^>14_>7N+^>4_>2He->^{> 17}_>8O+^>1_>1H.

В ядерных процессах, происходящих в реакторах, главное значение имеют ядерные реакции, вызываемые нейтронами. Ниже кратко рассматриваются особенности и физическая сущность этих реакций.

Элементарные частицы-нейтроны, не обладая электрическим зарядом, не взаимодействуют с электронами атомов и не подвержены влиянию кулоновских сил ядер. Поэтому нейтроны обладают огромной проникающей способностью. Ядерные реакции, вызываемые нейтронами, происходят с образованием промежуточного ядра, называемого также составным ядром. Ядро, образующееся в результате ядерной реакции, называется ядром отдачи.

Промежуточное ядро обладает энергией возбуждения, т. е. избытком энергии по сравнению с энергией такого же ядра, находящегося в основном состоянии. Этот избыток энергии, приобретаемый ядром при столкновении с нейтроном (энергия возбуждения промежуточного ядра), равен сумме кинетической энергии нейтрона и его энергии связи в составном ядре.

Основными видами ядерных реакций, вызываемых нейтронами, происходящих в ядерных реакторах, являются: