В принципе, словосочетания «ядерная реакция» и «термоядерная реакция» могут трактоваться по-разному, однако в интересующем нас контексте под этими терминами обычно принято понимать в первом случае «реакцию деления ядер» (nuclear fission), а во втором — «реакцию синтеза ядер» (nuclear fusion).
Представим себя ненадолго физиками-ядерщиками
Практически всё вещество вокруг нас состоит из мельчайших частичек — атомов разных сортов. Сами атомы во многом похожи между собой: в сердцевине каждого атома есть ядро (оно составляет ~99.9% всей массы атома и заряжено положительно) и «кружащиеся» вокруг него в эквивалентном количестве отрицательно заряженные электроны, численно зависящие от сорта выбранного нами атома — то есть в целом атомы в обычных условиях электрически не заряжены.
В отличие от какого-нибудь цельного ядра лесного ореха, ядро атома устроено сложнее: в его составе имеются два сорта частиц — незаряженных нейтронов и положительных протонов. По идее, из-за наличия положительного заряда у протонов ядро должно было бы быть немедленно «разорвано в клочья» силами кулоновского отталкивания (ведь именно так ведут себя в природе одноимённые заряды, разлетаясь друг от друга как можно дальше!) — однако им противостоят специальные, могучие ядерные силы, которые на расстояниях, соразмеримых с размером ядра, оказываются значительно сильнее кулоновского отталкивания. Так атом и существует: снаружи «порхают» электроны, а внутри ядра ведут какой-то свой «взаимный танец» протоны и нейтроны.
Ядерная реакция
Тонкость же заключена в том, что отнюдь не все теоретически возможные комбинации протонов и нейтронов «способны жить в мире» — одну часть из них в принципе невозможно создать, а другая часть ведёт себя неустойчиво: с некоторой вероятностью такое «танцующее сообщество» спонтанно разваливается на осколки с высвобождением энергии — это ядра различных радиоактивных элементов.
А теперь ненадолго «переквалифицируемся» в астрофизиков
После прочтения предыдущего абзаца возникает резонный вопрос: откуда вообще взялось такое дикое разнообразие обычных и радиоактивных атомов, которые мы сейчас вокруг себя наблюдаем? Если говорить по-простому и пренебречь рядом тонкостей, то на взгляд современной науки после возникновения Вселенной в ней практически не было никаких иных атомов, кроме простейшего атома водорода (ядра-протона с одним электроном) и гелия.
Под действием гравитации из гигантских облаков водорода возникли первые звёзды, где началась реакция синтеза: если атомы водорода хорошенько сжать вместе и подогреть, то некоторым ядрам-протонам удаётся преодолеть электростатическое отталкивание и сойтись настолько, что ядерные силы заставляют их соединиться в одно ядро — и попутно выделяется энергия, за счёт коей звезда «и светит, и греет». Реакция синтеза ядер наиболее энергетически эффективна для ядер водорода, однако и более тяжёлые ядра «со скрипом» способны в неё вступать, синтезируя более массивные ядра (углерод, кислород и так далее).
Однако как только дело доходит до железа, «вечный праздник и веселье» немедленно заканчиваются: синтез железа уже не сопровождается выделением энергии — и все энергетические реакции в звезде затухают, а накопление ядер железа «убивает» достаточно массивную звезду — она взрывается как сверхновая, разбрасывая в пространство вокруг себя своё вещество (попутно отметим, что наше Солнце относится к третьему поколению звёзд, возникших из вещества, оставшегося после «смерти» первых двух). Именно в момент «смерти» звезды и рождаются более тяжёлые чем железо ядра, когда чудовищные по мощности и концентрации потоки нейтронов и протонов взаимодействуют со всем остальным веществом «умирающей» звезды. Здесь же возникают и тяжёлые радиоактивные элементы, «запасающие» в себе на время ту энергию, что потом выделится при их распаде.
Подведём итоги
- Итак, ядерная реакция вообще — это взаимодействие ядра с каким-либо иным ядром либо элементарной частицей, в результате чего состав и/или строение ядра может меняться.
- Термоядерная реакция (реакция синтеза) — вид ядерной реакции, в которой более лёгкие атомные ядра за счёт кинетической энергии их теплового движения объединяются в более тяжёлые.
- Ядерная реакция распада (реакция деления) — вид ядерной реакции, в которой ядро спонтанно или под действием внешней частицы распадается на два-три осколка (более лёгких ядра/частицы).
