§ 215. Общие закономерности химических и ядерных превращений

Мы остановимся сейчас на некоторых общих энергетических соображениях, одинаково применимых как для химических реакций, так и для превращений атомных ядер или других частиц.

Превращение частиц может произойти только тогда, когда эти частицы сблизятся вплотную. Так как для того, чтобы превращение произошло, частицы должны принести с собой некоторую кинетическую энергию, то термин «столкновение» вполне оправдан. Не каждая встреча частиц ведет за собой превращение. Механизм превращений как химических, так и ядерных очень трудно изучать. Непосредственные наблюдения здесь невозможны и приходится ограничиваться предположениями, справедливость которых можно проверять по следствиям.

В случае химических превращений большую роль должно играть взаимное расположение молекул при столкновении. Чтобы реакция произошла, надо, чтобы молекулы подошли друг к другу в положении, удобном для перегруппировки атомов.

Для каждого превращения, осуществляемого в массовых масштабах (как это обычно и бывает в химических и ядерных

реакциях, где сталкиваются миллиарды молекул или ядер в короткие промежутки времени), можно в принципе указать число которое будет, грубо говоря, характеризовать долю встреч частиц в «удобной» для превращения ситуации.

Однако требование надлежащей ориентировки, разумеется, не исчерпывает условия превращения. Поскольку частица устойчиво существует и, следовательно, обладает минимумом потенциальной энергии, необходимо подвести к ней при столкновении некоторую энергию, достаточную для подъема молекулы на борт потенциальной ямы, в которой она находится. Эта минимально необходимая энергия носит название энергии активации. На рис. 241 изображена кривая потенциальной энергии. Частица устойчиво существует при где некоторый параметр. Для того чтобы произошла реакция, надо сообщить энергию активации в случае, показанном на рисунке, реакция идет с выделением тепла.

Рис. 241.

К столкновениям между молекулами или между ядрами (в аналогичных условиях) мы можем применить закон Больцмана и положить число встреч, приводящих к превращению, пропорциональным где нергия активации.

Очевидно, скорость превращения можно представить в виде произведения в котором первый множитель учитывает «геометрические» условия встречи, а второй — энергетическую сторону дела.

Принято особо рассматривать две столкнувшиеся частицы в тот момент, когда потенциальная энергия находится в максимуме. Такой активированный комплекс (так говорят в химии) или промежуточное ядро (так говорят при изучении ядерных превращений) существует недолгие мгновения. Образовавшаяся система может обратно «свалиться» в потенциальную яму, но может и «перевалить» через борт. В последнем случае превращение произошло и возникла новая система, обладающая новой потенциальной энергией.

Как при химических, так и при ядерных превращениях образовавшаяся система может быть одной новой частицей (реакция присоединения); может также произойти образование двух новых частиц из двух старых.

Если потенциальная энергия образовавшихся частиц будет больше потенциальной энергии исходных частиц (глубина кратера вулкана глубже подножия горы), то превращение идет с поглощением энергии. Поглощенное тепло будет равно разности энергии

активации и энергии продуктов реакции (рис. 242). Если энергия образовавшихся частиц будет меньше энергии исходных, то затрата небольшой энергии активации приведет к выделению большой энергии.

И в химии, и в ядерной физике мы сталкиваемся с превращениями обоих типов. Реакции, идущие с выделением тепла, называются экзотермическими, с поглощением тепла — эндотермическими.

Зачастую превращения (и химическое, и ядерное) сопровождаются излучением. Однако, как правило, основной энергетический эффект реакции заключается в превращении потенциальной энергии расположения атомов в молекуле (нуклонов в ядре) в кинетическую энергию частиц. Поэтому, грубо говоря, превращения, в которых выделяется тепло, представляют собой такие превращения, в которых встречаются две медленные частицы, а расходятся две другие быстрые. Разумеется, обратное соотношение имеет место в эндотермических реакциях.

Рис. 242.

Формула скорости превращения, содержащая температуру в экспоненте, делает понятной крайне резкую чувствительность химических превращений к изменению температуры. Чем выше температура, тем сильнее удары сталкивающихся частиц. Роль температуры для химических превращений хорошо известна. Из-за огромных величин энергии связи роль изменения температуры для ядерных превращений не бросается в глаза. Действительно, энергии активации атомных ядер суть величины порядка нескольких Повышение же температуры на 3000° увеличит энергию атомного ядра всего лишь на

Ядерные превращения могут быть убыстрены лишь повышением температуры не на тысячи, а на миллионы градусов (см. ниже).