Интернет-журнал 'Домашняя лаборатория', 2007 №12 - Журнал «Домашняя лаборатория»

Потенциальной энергией тела называется энергия, которой оно обладает в силу своего расположения относительно одного или более тел; измеряется она в джоулях. Если тело перемещается над землей, то по мере изменения высоты изменяется и его потенциальная энергия, зависящая от силы притяжения. Поскольку сила притяжения тела массой m равна mg, потенциальная энергия тела, поднятого на высоту h над землей, равна силе, умноженной на расстояние от тела до земли: mgh, где g — сила гравитационного поля. Отсюда изменение потенциальной энергии тела равно mgh. Но эта формула не применяется, если высота h сравнима с радиусом Земли, поскольку на дальних расстояниях g значительно уменьшается. В таком случае изменение потенциальной энергии вычисляют согласно формуле, выводимой из закона тяготения Ньютона.

См. также статьи «Гравитационное поле 1 и 2», «Сила и движение».

ЭНЕРГИЯ ЯДРА

Ядро любого атома, за исключением атома водорода, состоит из протонов и нейтронов, удерживаемых вместе ядерными силами, действующими в равной степени между протонами и нейтронами, причем радиус их действия не превышает 2 или 3 х 10-15 м. Эти силы гораздо мощнее силы взаимодействия электрических зарядов и потому превышают силу отталкивания протонов.

Энергией связи ядра называется энергия, которую нужно сообщить ядру, чтобы разделить его на протоны и нейтроны. Эта энергия необходима для преодоления сил ядерного притяжения, связывающих протоны и нейтроны. Энергия, сообщаемая телу, увеличивает его массу согласно формуле Эйнштейна: Е = mс2. Поэтому масса любого ядра меньше массы отдельных протонов и нейтронов. Эта разница масс называется дефектом массы ядра и обозначается как Δm. Энергию связи EB любого изотопа AZX можно рассчитать по формуле

Ев = с2Δm = c2(Zmp + (А — Z)mN — М), где mp, mN и М — массы протона, нейтрона и ядра соответственно, Z — число протонов в ядре, (А — Z) — число нейтронов (см. статью «Атомы и молекулы»).

Из графика зависимости энергии связи от количества нуклонов (Ев/А) известных ядер видно, что наиболее стабильные ядра наблюдаются при А = 50, когда энергия связи на нуклон наибольшая.

• При реакции синтеза (слиянии легких ядер, образующих ядро, в котором А не превышает 50) выделяется энергия, поскольку образующееся ядро связано плотнее, чем более легкие ядра.

• При расщеплении (делении тяжелого нестабильного ядра на две части) выделяется энергия, поскольку образуемые ядра связаны плотнее, чем тяжелое ядро.

См. также статьи «Деление ядер», «Радиоактивность 1», «Ядерный синтез».

ЭНТРОПИЯ

Энтропия — это степень беспорядка системы, измеряемая количеством состояний частиц и энергии последней. Чем больше число возможных состояний, тем больше беспорядочна система.

Энтропия системы S = k∙InW, где W — число возможных состояний частиц, k — постоянная Больцмана (см. статью «Активационный процесс»). Исходя из этого определения получаем, что сообщаемое системе количество теплоты Q (или отведение тепла от нее) при термодинамической температуре Т (по абсолютной шкале) изменяет энтропию системы: ΔS = Q/Т. Энтропию измеряют в джоулях на кельвин (Дж/К), или в джоулях на кельвин на моль вещества (Дж/К моль).

Второй закон термодинамики гласит: переход некоего количества тепла от более нагретого источника с совершением равного количества работы невозможен. Часть энергии тратится на нагревание низкотемпературного резервуара, что необходимо для продолжения работы. Таким образом, при совершении работы часть энергии необратимо тратится зря и энтропия системы повышается.

Обратимый — это такой процесс, которому соответствует обратный процесс, приводящий систему в изначальное состояние. Например, если груз маятника отпустить из неравновесного положения, он качнется и вернется в прежнее положение (при отсутствии сопротивления воздуха).

Большинство процессов необратимо, поскольку приводит к необратимой трате энергии. Трата энергии — это наиболее вероятный результат всех возможных изменений и перемещений. Возьмем, для примера, ящик, поделенный на две половины перегородкой с отверстием. Представим, что изначально в одной из половин двигались четыре молекулы. Через достаточно долгий промежуток времени наиболее вероятный исход этой ситуации таков: в каждой половине окажется по две молекулы. Существует 16 (= 24) возможных комбинаций четырех молекул. Наиболее вероятное сочетание — по две молекулы в каждой половине, так как существует шесть способов такого распределения.

См. также статьи «Идеальные газы», «Коэффициент полезного действия».

ЯДЕРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА

Каждый атом содержит ядро, состоящее из протонов и нейтронов, удерживаемых вместе мощными ядерными силами. Атом изотопа AZX содержит Z протонов и А — Z нейтронов.

Эрнест Резерфорд, бомбардируя атомы α-частицами, доказал, что в атоме имеется ядро. Он обнаружил, что поток α-частиц, направленных узким пучком на тонкую металлическую фольгу, почти весь проходит через нее; измерил количество частиц, претерпевших отклонение под различными углами в секунду, и установил, что небольшое количество частиц отклонилось на угол, превышающий 90°. В качестве объяснения такого явления ученый предположил, что каждый атом содержит очень маленькое положительно заряженное ядро, на которое приходится основная часть его массы, и что оно отталкивает а-частицу, так как имеет тот же электрический заряд. С помощью закона Кулона Резерфорд показал, что количество частиц, отклоняющихся в секунду на угол θ, пропорционально 1/sin4(θ/2), что соответствовало результатам экспериментов. Он установил, что диаметр ядра приблизительно в 10-5 раз меньше диаметра атома и что ядро самого легкого атома (атома водорода) состоит из одной частицы, которую назвали протоном. Ученый также доказал, что атомный номер Z элемента — это количество протонов в ядре каждого атома.

Существование нейтронов было предсказано Резерфордом на том основании, что массовое число ядра всегда больше количества протонов, так что наряду с протонами в ядре должны находиться и нейтральные частицы. Нейтроны открыл Джеймс Чедвик, бомбардируя фольгу из бериллия α-частицами. Он обнаружил, что бериллий становился источником нового излучения, которое при столкновении с атомами азота оставляло следы в газовой камере. Исследуя их, Чедвик доказал, что излучение состояло из незаряженных частиц, масса которых примерно равна массе протона.

См. также статьи «Деление ядра», «Радиоактивность 1–4».

ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ

Ядерный (термоядерный) синтез — это процесс слияния легких ядер, образующих более тяжелые ядра. В результате выделяется энергия при условии, что образовавшееся ядро содержит не более 50 нейтронов и протонов. Чтобы два ядра слились, они должны приблизиться друг к другу на расстояние порядка 2–3 х 10-15 м, оказавшись в радиусе действия ядерных сил. Начальная кинетическая энергия двух сливающихся ядер должна быть порядка МэВ; только в этом случае можно преодолеть электростатические силы отталкивания между ядрами и позволить им приблизиться на расстояние 2–3 х 10-15