Теория относительности сулит исследователям заман­чивые перспективы: если открыть возможность уничтоже­ния массы покоя, то можно высвободить такие количества энергии, о которых прежде человечество не смело и меч­тать. При исчезновении 1 г массы покоя освободилось бы такое же количество энергии, как при сгорании 2 800 т каменного угля.
Указанные теорией относительности перспективы были очень привлекательными, но не было видно ни одного пути для их реализации. Даже один из создателей ядерной фи­зики Эрнест Резерфорд считал нереальным использование энергии, получаемой за счет массы покоя. Однако впослед­ствии физики все же нашли такой путь! Начало этому
положило кажущееся на первый взгляд малозначащим не­согласие опытных данных с теоретическими соображения­ми при измерении массы атомных ядер. Измерения массы ядра гелия показали, что она  равна 4,00158  атомных единиц массы. В то же время было известно, что масса протона равна 1,00727, а масса нейтрона — 1,00866 атом­ных единиц массы (все время говорится о массе покоя). Проделаем теперь простое вычисление.
Ядро гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов, сумма масс которых дает 4,03186. Однако масса ядра гелия оказалась на 0,03028 единиц меньше. Недостаточность мас­сы обнаружили у всех ядер, ее стали называть дефектом массы. Дефект массы ядра угрожал таким основам физи­ки, как закон сохранения массы: если при объединении
в ядро гелия двух протонов и двух нейтронов теряется мас­са, равная 0,03028 единиц массы, то это показывает несо­стоятельность закона сохранения массы. Однако сомнения легко устраняет теория относительности.

Теория относительности сулит исследователям заман­чивые перспективы: если открыть возможность уничтоже­ния массы покоя, то можно высвободить такие количества энергии, о которых прежде человечество не смело и меч­тать. При исчезновении 1 г массы покоя освободилось бы такое же количество энергии, как при сгорании 2 800 т каменного угля.
Указанные теорией относительности перспективы были очень привлекательными, но не было видно ни одного пути для их реализации. Даже один из создателей ядерной фи­зики Эрнест Резерфорд считал нереальным использование энергии, получаемой за счет массы покоя. Однако впослед­ствии физики все же нашли такой путь! Начало этому
положило кажущееся на первый взгляд малозначащим не­согласие опытных данных с теоретическими соображения­ми при измерении массы атомных ядер. Измерения массы ядра гелия показали, что она  равна 4,00158  атомных единиц массы. В то же время было известно, что масса протона равна 1,00727, а масса нейтрона — 1,00866 атом­ных единиц массы (все время говорится о массе покоя). Проделаем теперь простое вычисление.
Ядро гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов, сумма масс которых дает 4,03186. Однако масса ядра гелия оказалась на 0,03028 единиц меньше. Недостаточность мас­сы обнаружили у всех ядер, ее стали называть дефектом массы. Дефект массы ядра угрожал таким основам физи­ки, как закон сохранения массы: если при объединении
в ядро гелия двух протонов и двух нейтронов теряется мас­са, равная 0,03028 единиц массы, то это показывает несо­стоятельность закона сохранения массы. Однако сомнения легко устраняет теория относительности.
Атомное ядро удерживается очень большими ядерными силами. Чтобы разделить ядро на составные части, необхо­димо затратить большое количество энергии. Эту энергию,
затрачиваемую для разделения ядра на протоны и нейтро­ны, называют энергией связи ядра. Если для разделения ядра затрачивается определенная энергия, то, естественно, что такое же количество энергии должно выделяться при образовании ядра. Энергия связи будет, следовательно, равна той энергии, которая выделяется при объединении протонов и нейтронов в ядро.
Теперь предоставим слово теории относительности. Если при образовании ядра освобождается энергия, то, со­гласно соотношению эквивалентности массы и энергии,
масса ядра должна быть меньше суммы масс образующих его нуклонов. Утраченная в виде энергии масса и со­ставляет дефект массы. Дефект массы ядра эквивалентен энергии связи ядра.

 

Таблица  8
Энергия связи некоторых ядер

* Дейтерий — изотоп водорода, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона. Дейтерий называют также тяжелым водородом.

 

Для ядра гелия дефект массы известен: он равен 0,03028 единицы массы. С помощью формулы (9) мы мо­жем вычислить теперь энергию связи ядра гелия, которая оказывается равной 28,2 Мэв. Стоит только измерить массы ядер, и мы сможем вычислить аналогичным путем дефек­ты массы и энергию связи для всех них. Некоторые резуль­таты вычислений представлены в табл. 8. Числа в последнем столбце таблицы показывают, какое количество массы потерял в среднем каждый протон или нейтрон ядра. Дру­гими словами, числа последнего столбца таблицы показы­вают, какое количество энергии связи приходится на один нуклон.
Из таблицы видно, что энергия связи на один нуклон не изменяется от ядра к ядру в значительных пределах. Еще яснее это видно на графике рис. 45, где по горизон­тальной оси отложено число нуклонов в ядре, а по верти­кальной — энергия связи на один нуклон.
Энергия связи для различных элементов одного и того же порядка больше нескольких мегаэлектронвольт. Одна­ко в этом различии кроется возможность освобождения и использования энергии атомного ядра, эквивалентной массе покоя.

 

Рис. 45. Зависимость энергии связи, приходящейся на один нуклон, от числа нуклонов в ядре

Ядро дейтерия содержит один протон и один нейтрон, ядро гелия — два протона и два нейтрона. Следовательно, при слиянии двух ядер дейтерия образуется ядро гелия. Какие энергетические изменения сопровождают этот про­цесс? Из табл. 8 видно, что каждый из нуклонов в ядре дейтерия потерял массу, эквивалентную 1,09 Мэв энергии. В ядре гелия потеря массы на каждый нуклон много боль­ше: она составляет 7,05 Мэв. Значит, при объединении двух ядер дейтерия в ядро гелия каждая частица должна излучать 5,96 Мэв энергии, теряя при этом соответствую­щую часть своей массы покоя. Это и есть один из путей превращения массы покоя в энергию. Другие пути нетруд­но усмотреть из рис 45: атомное ядро следует изменять так, чтобы энергия связи на один нуклон (т. е. утраченная каждым нуклоном масса) стала возможно больше. Грубо говоря, для освобождения энергии есть два пути: соедине­ние легких ядер и разрушение тяжелых. В обоих случаях образуются ядра со средним атомным весом. При таких реакциях дефект массы будет наибольшим.
В современных ядерных реакторах по техническим при­чинам используются только процессы цепного самопроиз­вольного распада тяжелых ядер. При этом в качестве «горючего» в реакторах используются уран, тории, плутонии и другие тяжелые элементы. При радиоактивном распаде они выделяли бы энергию, но процесс их распада не мог бы идти без посторонней помощи. Расщепление таких эле­ментов на более легкие элементы возможно только путем бомбардировки их быстрыми частицами. Такая «артилле­рия» (ускорители частиц) имеется только в больших фи­зических лабораториях. Кроме того, следует подчеркнуть, что затраты энергии для ускорения частиц будут намного больше той энергии, которую можно будет освобождать при распаде ядра. Это связано с тем, что нужно ускорять множество частиц, так как только небольшая часть уско­ренных частиц попадет в цель и расщепит ядра. Таким образом, такое расщепление ядер может оправдать себя только в научных целях. В атомных реакторах, применяе­мых в народном хозяйстве, имеет смысл использовать только такие элементы, ядра которых могут распадаться спонтанно — без посторонней помощи.
Использовать в народном хозяйстве ядерную энергию, освобождающуюся при синтезе ядер легких элементов, по­ка не удалось, так как она требует поддержания устойчи­вых температур в сотни миллионов градусов. Такие реак­ции называются обычно термоядерными реакциями. В на­стоящее время ученые многих стран мира работают над проблемой создания управляемой термоядерной реакции. Сейчас уже удалось получить плазму с температурой в десятки миллионов градусов и удерживать ее в течение многих секунд.
Интенсивные термоядерные реакции происходят в нед­рах звезд и Солнца. Источником энергии звезд является ядерная энергия, высвобождающаяся за счет исчезновения массы покоя звезд. Вычислено, что Солнце, например, каж­дую минуту теряет на излучение 250 млн. т своей массы покоя. Для огромной массы Солнца это, однако, ничтожная величина. При сохранении теперешней интенсивности из­лучения Солнце может согревать нас еще сотни миллиар­дов лет.
Проблему освобождения ядерной энергии удалось ре­шить только благодаря открытию теорией относительности закона эквивалентности массы и энергии. Тем самым была решена также и проблема получения энергии за счет мас­сы покоя, хотя далеко не полностью. Невозможно добиться исчезновения, скажем, всего куска угля и использовать эквивалентную ему энергию. В нашем распоряжении имеются средства, позволяющие уничтожить только ма­лую часть массы покоя некоторых элементов, но и это уже ведет к освобождению огромных количеств энергии. На­пример, при образовании 1 г гелия из ядер дейтерия те­ряется только 0,006 г массы покоя, но это приводит к осво­бождению 129 млн. ккал энергии. Такое количество энер­гии удалось бы получить при сжигании 17,2 т каменного угля. При распаде тяжелых элементов освобождается не­сколько меньше энергии. Так, распад всех атомов 1 г при­родного урана на две приблизительно равные части дает 19,6 млн. ккал энергии.
Для иллюстрации можно привести такой пример. 30 сентября 1964 г. был пущен первый блок Ново-Воронеж­ской атомной электростанции. К утру 2 октября эта стан­ция уже дала свой первый миллион киловатт-часов энер­гии. Для этого было израсходовано только 200 г урана. На тепловой же электростанции за это время сожгли бы 500—600 т каменного угля. Один грамм ядерного топли­ва заменяет тонны обычного топлива.
Всего лишь несколько десятилетий назад сокрушались о будущем человечества в связи с тем, что такие энерге­тические источники, как уголь, нефть и другие, будут пол­ностью исчерпаны уже через несколько столетий. Теперь этой проблемы больше не существует. Одни только разве­данные мировые запасы урана могут удовлетворить по­требности человечества в энергии на протяжении почти десяти тысяч лет, не говоря уже о тории, которого в приро­де больше, чем урана. Кроме того, можно быть уверенным, что рано или поздно будет решен вопрос о получении энер­гии из других элементов. Практически человечеству не грозит больше призрак энергетического голода — и все это благодаря теории относительности! Закон эквивалентности массы и энергии указал человечеству путь к новым, прак­тически неисчерпаемым источникам энергии.