Автор: Азимов А.
Теги: литература литературоведение художественная литература физика ядерная физика атомная энергия
ISBN: 5-9524-1219-Х
Год: 2004
Текст
Isaac Asimov
WORLDS
WITHIN WORLDS
Айзек Азимов
МИРЫ
ВНУТРИ МИРОВ
История открытия и покорения
атомной энергии
а
Москва
Ц6НТРПОЛИГРАФ
2004
УДК 820
ББК 84GСое)
А35
Охраняется Законом РФ об авторском праве.
Воспроизведение всей книги или любой ее части
воспрещается без письменного разрешения издателя.
Любые попытки нарушения закона
будут преследоваться в судебном порядке.
Оформление художника И.Л. Озерова
Азимов Айзек
А35 Миры внутри миров. История
открытия и покорения атомной энергии / Пер.
с англ. С. Федорова. — М.: ЗАО Центр-
полиграф, 2004. — 172 с.
ISBN 5-9524-1219-Х
Книга знаменитого писателя-фантаста и ученого
посвящена покорению атома и огромным возможностям,
которые открывают перед человечеством неистощимые
источники атомной энергии. Автор рассказывает о структуре
ядра, изотопах, протонах, нейтронах, ядерном реакторе и
ускорении частиц, нейтронной бомбардировке и энергии
Солнца. В книге приведено множество интереснейших
фактов из истории развития ядерной физики.
УДК 820
ББК 84GСое)
© Перевод, ЗАО
«Цдотрполиграф», 2004
тсокт с псол n<nv © Художественное оформление,
ISBN 5-9524-1219-Х 3АО «Центрполиграф», 2004
МИРЫ
ВНУТРИ МИРОВ
История открытия и покорения
атомной энергии
Часть первая
ВСТУПЛЕНИЕ
В известном смысле атомная энергия
служит человеку с самых первых его
шагов на Земле. Она снабжает его светом и
теплом без малого миллиард лет. Дело в
том, что Солнце является громадной
атомной машиной, и именно оно производит
тепло и свет, благодаря которому на
Земле появилась жизнь.
Для того чтобы человек научился
управлять атомной энергией и понял ее природу,
как это случилось в XX столетии, должны
были возникнуть и объединиться три
исследовательских направления — изучение
атомов, электричества и самой энергии.
Начнем наш рассказ с разговора об
атомах.
АТОМНЫЙ ВЕС
Уже во времена древних греков
существовали люди, предполагавшие, что вся
материя состоит из крохотных частиц, ко-
7
торые невозможно увидеть невооруженным
глазом. Поскольку в то время не знали,
что эти частицы можно разделить на
меньшие, их назвали «атомами» от греческого
слона «неделимый».
Только в 1808 году появилось достаточно
обоснованное толкование «атомной теории».
Именно в этот год английский химик Джон
Дальтон A766--1844) опубликовал первую
книгу, целиком посвященную данному
предмету. Он предположил, что каждый элемент
состоит из особого типа атомов. Атомы
одного элемента отличаются от атома любого
другого элемента. Принципиальное
различие между атомами объясняется их
различной массой.
Дальтон впервые попытался определить,
какова величина подобной массы. Правда,
он не смог измерить атомную массу в
унциях или граммах, поскольку имевшиеся в его
распоряжении приборы не позволяли
сделать это относительно столь
микроскопических объектов, однако сумел определить
относительный вес, показав, что один атом
может быть тяжелее другого.
В частности, Дальтон обнаружил такую
закономерность: чтобы образовать воду,
количество водорода должно соединяться
с превосходящим его в 8 раз количеством
кислорода. Он также предположил, что
вода состоит из соединения 1 атома
водорода с 1 атомом кислорода. Соединение
атомов называется «молекулой» от гречес-
8
кого слова, обозначающего «небольшая
масса», поэтому соединение водорода и
кислорода можно называть образованием
молекулы воды.
Дальтон предположил, что атом
кислорода в 8 раз тяжелее, чем атом водорода.
Если массу водорода для удобства
расчетов определить числом 1, тогда масса
кислорода составит 8. Подобные
сравнительные или относительные числа стали
считать «атомным весом». Численно
предположения Дальтона обозначили
следующим образом: атомный вес кислорода
составил 1, а атомный вес водорода — 8.
Отметив, что некоторое количество других
элементов соединялось с фиксированной
массой водорода или кислорода, Дальтон
в равной степени мог вывести атомную
массу других элементов.
В принципе идея Дальтона была верна,
но в частностях он ошибался. Скажем, при
пристальном изучении оказалось ясно, что
молекула воды состоит из 2 атомов
водорода и 1 атома кислорода. Поэтому формула
воды должна писаться как Н20, где Н —
химический символ атома водорода, а О —
атома кислорода.
Нельзя оспорить тот факт, что кислород
занимает в 8 раз больше места, чем
водород, следовательно, атом кислорода
должен быть в восемь раз тяжелее, чем 2
атома водорода, взятые вместе.
Следовательно, атом кислорода должен быть в 16 раз
9
тяжелее, чем атом водорода. Если вес
атома водорода равен 1, то атомный вес
кислорода составляет 16.
Вначале казалось, что атомный вес
различных элементов определяется целым
числом и что атом водорода самый легкий из
всех атомов, поэтому атомную массу
водорода и стали считать равной 1, минимальной
величиной, с которой легко было сравнивать
все остальные.
Шведский химик Иёнс Якоб Берцели-
ус A779 — 1848) продолжил исследования
Дальтона и обнаружил, что элементы
вовсе не соединяются в простых отношениях.
Заданное количество водорода на самом
деле чуть меньше, чем восьмикратная
масса кислорода. Получалось, что атомный вес
водорода предположительно составлял 1,
а атомный вес кислорода должен был быть
не 16, а 15,87.
Получалось также, что водород
соединялся с большим числом элементов (и
более легко), чем кислород. Нормой
атомного веса водорода по отношению к другим
элементам стало нецелое число. Чтобы
проводить дальнейшие исследования
атомного веса элементов, показалось более
удобным определить атомный вес
кислорода, в отличие от атомного веса водорода,
как целое число. В частности, такую
попытку предпринял сам Берцелиус,
опубликовав в 1928 году свою таблицу
атомных весов.
10
Вначале он определил атомный вес
кислорода как 100, затем решил уменьшить
цифры и установил атомный вес кислорода
16 единиц. В этом случае атомный вес
водорода должен был немного превышать 1. Так
атомный вес водорода стал равным 1,008.
Введенная Берцелиусом система
просуществовала почти 150 лет.
На протяжении всего XIX столетия
химики продолжали интенсивно работать
над проблемой определения атомного веса
элементов. К началу XX века им удалось
определить атомный вес большинства
элементов, многих с точностью до двух
знаков, а иных даже до трех. Некоторые
элементы имели атомный вес, выраженный в
почти целых цифрах (по стандарту
кислород равен 16). Атомный вес алюминия,
скажем, составлял около 27, кальция
около 40, угля около 12, золота около 197.
Однако у некоторых элементов атомный
вес был далек от целых чисел. Атомный
вес хлора — 35,5, меди 63,5, железа 55,8,
серебра — 107,9 и т. д.
На протяжении всего XIX столетия
химики не знали, почему у одних веществ
атомный вес составляет целые числа, а у
других нет. Они просто проводили
наблюдения и публиковали результаты
собственных измерений. Для того чтобы получить
ответы на все вопросы, оставалось ждать,
пока будет достигнут прогресс в
исследовании электричества.
11
%
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
Единицы измерения электричества
На протяжении всего XVIII века ученые
восхищались свойствами электричества. В
то время его представляли как очень
легкую и подвижную жидкость, которая
легко и беспрепятственно проходит через
материальные тела.
Однако электричество могло не только
проходить сквозь тела, но и вызывать в
них значительные изменения. Уже в
первые годы XIX века ученые обнаружили,
что поток электричества в жидкости
заставлял различные атомы или группы
атомов двигаться в противоположных
направлениях.
В 1832 году английский ученый Майкл
Фарадей A791 — 1867) заметил, что
определенное количество электричества,
проходящее через разные вещества, освобождает
одно и то же количество атомов. Правда,
в некоторых случаях освобождалась
только половина, а иногда и треть ожидаемого
количества атомов.
Стремясь объяснить это явление,
ученые высказали предположение, что
электричество, так же как и материя, может
состоять из крошечных частиц и при
расщеплении молекул единица электричества
прикрепляется к каждому атому. В этом
ства, содержащее одно и то же число
единиц, способно освободить одно и то же
количество атомов.
У некоторых элементов каждый атом
может притягивать 2 или даже 3 единицы
электричества. В этом случае установлен-
ное количество электричества может
освободить только половину или только треть
от обычного числа атомов. Следовательно,
18 единиц электричества могут освободить
18 атомов, если прикрепляются по одному
па атом, и только 9 атомов, если по 2 на
атом, и только 6 атомов, если по 3 на
атом.
Со временем стало ясно, что
электричество существует как бы в двух
разновидностях, которые назвали положительным и
отрицательным зарядами. Соответственно,
если с атомом связан положительный
заряд электричества, то под действием
электрического напряжения он должен
притягиваться в одном направлении, если же
атом обладает отрицательным
электрическим зарядом, то он должен притягиваться
в другом направлении.
Поскольку изучать единицы
электричества было гораздо труднее, чем атомные
единицы материи, на протяжении XIX
века они даже не имели названия. Только в
1891 году ирландский физик Джордж Стоу-
ни A826—1911) наконец предложил
назвать предполагаемую единицу
электричества «электрон».
13
Катодные лучи
Электрический ток всегда течет по
замкнутой цепи проводников, например
таких, как металлическая проволока. Полюс
батареи или другого источника
электрического напряжения, от которого начинается
движение тока, назвали положительным,
или анодом, а другой — отрицательным,
или катодом.
Если возникает разрыв в цепи, то
движение тока прекращается. Однако в том
случае, когда разрыв невелик, а
напряжение достаточно высоко, ток может
просачиваться через разрыв. Если между двумя
концами проволоки оставить воздушный
промежуток, ток будет проходить в виде
искры. Возникающие при этом вспышка
света и треск являются результатом
взаимодействия электрического тока с
молекулами воздуха и их нагрева. Ни свет, ни
звук не является электричеством. Для того
чтобы обнаружить электричество, ток
следует пропустить через промежуток между
электродами, находящимися в вакууме.
Для этого два электрода впаивают в
стеклянную трубку, из которой затем
откачивают почти весь воздух. Такая сложная
технологическая операция была выполнена
далеко не сразу, только в 1854 году
немецкому стеклодуву и изобретателю Генриху
Гейсслеру A814—1879) удалось ее
осуществить. Созданное им устройство позже
14
Трубка Гсйсспера
назвали по имени изобретателя «трубкой
Гейсслера». Электроды затем соединили с
полюсами электрического генератора.
Оказалось, что, если пропустить через них
достаточно высокое напряжение, ток пойдет
и через вакуум.
Такие эксперименты были впервые
проделаны немецким физиком Юлиусом Плюк-
кером A801-1868). В 1858 году он
заметил, что, когда электрический ток проходит
через вакуум, над катодом возникает
зеленоватое свечение. Другие исследователи
продолжали изучать это свечение, пока наконец
немецкий физик Ойген Гольдштейн A850 —
1931) в 1876 году не пришел к выводу, что
существуют невидимые лучи, которые
испускает отрицательно заряженный электрод
и которые заканчиваются у
противоположного конца трубки.
15
Он назвал их 4катодными лучами» и
полагал, что они представляют собой тот
электрический ток, который движется внутри
металлических проводов. Гольдштейн
считал, что изучение природы и свойств
катодных лучей может много прояснить в
отношении свойств электрического тока. Можно ли
считать, что катодные лучи обладают теми
же волновыми свойствами, что и видимый
свет? Или они являются потоком частиц,
обладающих массой?
Существовали сторонники и
противники отмеченных точек зрения. Однако в
1885 году английский физик Уильям
Крукс A832 — 1919) направил катодные
лучи на колесо с лопатками, и они
заставили его поворачиваться. Этот опыт
показал, что катодные лучи обладают массой
и, следовательно, представляют собой
поток частиц, аналогичных атомам, а не
поток волн, не имеющих массы.
Более того, Крукс показал, что поток
катодных лучей можно отклонять при
помощи магнита (аналогично проводнику,
помещенному в магнитное поле). Все
сказанное означало, что, в отличие от света
или обыкновенных атомов, катодные лучи
содержат электрический заряд.
Представление о катодных лучах как о
потоке заряженных частиц подтвердили
работы английского физика Джозефа
Джона Томсона A856-1940). В 1897 году он
показал, что поток катодных лучей может
16
искривляться под действием электрически
заряженных предметов. По направлению
их отклонения Томсон определил, что
катодные лучи должны состоять из
отрицательно заряженных частиц.
Вывод Томсона о том, что эти частицы
несут электрические заряды, подтвердил
предположение Фарадея о существовании
единиц электричества. Для их
наименования и стали использовать название,
предложенное Стоуни. Другими словами, стали
считать, что катодные лучи состоят из
потока электронов. Таким образом, Дж. Дж. Том-
сон является открывателем электрона —
первой заряженной частицы.
Степень отклонения катодных лучей под
влиянием магнита или электрически
заряженных предметов зависит от массы
электрона и величины электрического заряда или
магнитного поля, воздействующего на них.
Измеряя это отклонение в зависимости от
изменения магнитного поля, ученые смогли
определить некоторые свойства электронов.
Казалось, что масса электрона примерно
соответствует массе атома водорода. Однако
Томсон показал, что в действительности
электрон гораздо легче, чем атом водорода,
который считался самым легким из всех
атомов. Из этого он сделал вывод, что электрон
обладает гораздо меньшей массой, чем атом
водорода. Сегодня нам точно известны
соотношения между ними. Мы знаем, что
необходимо взять 1837,11 электрона, чтобы по-
17
лучить массу одного атома водорода.
Следовательно, электрон — первая «субатомная
частица», открытая человеком.
В 1897 году были известны только два
типа частиц, обладающих массой, —
атомы, образующие обычное вещество, и
электроны, образующие электрический ток.
Радиоактивность
Какая же связь существует между
двумя этими формами частиц — атомами и
электронами? После открытия электрона в
1897 году исследователи попытались
связать вместе оба вида частиц.
В 1895 году немецкий физик Вильгельм
Конрад Рентген A845 — 1923), работая с
катодными лучами, обнаружил, что при
столкновении этих лучей со стеклом
трубки возникает какое-то излучение.
Оказалось, что катодные лучи могут проходить
через стекло и другие вещества.
Поскольку Рентген не смог определить, какого
происхождения это излучение, он назвал
его «Х-лучами». Содержащаяся в
названии буква «X» означала «неизвестные».
Это название сохранилось и после того,
как ученые стали исследовать природу
рентгеновских лучей и обнаружили, что
по своим свойствам они похожи на свет,
но имеют более короткую длину волны,
чем свет, видимый глазом.
18
Воодушевленные успехом физики стали
повсюду искать рентгеновские лучи.
Французский физик Антуан Анри Беккерель
A852 — 1908) заметил, что сульфат урана,
выставленный на свет, затем начинал
светиться в темноте. Беккерель проверил, не
излучает ли это соединение и невидимые
лучи, похожие на те, что выходят из
рентгеновской трубки. Оказалось, что дело
обстоит именно так.
Однако в ходе дальнейших
исследований, в 1896 году, Беккерель
обнаружил, что сульфат урана испускает
невидимые, похожие на рентгеновские лучи
постоянно, вне зависимости от того,
выставляют его на солнечный свет или нет.
Затем он выяснил, что эти лучи
заставляют чернеть фотопластинку так же, как и
обычный свет. Более того, Беккерель
показал, что пластинка засвечивалась и в том
случае, когда ее заворачивали в черную
бумагу. Следовательно, эти лучи
проникали через вещество, как и рентгеновские
лучи. Беккерель назвал это явление
радиацией.
Развивая наблюдения Беккереля, другие
ученые также начали исследовать новое
явление. В 1898 году польский (позже
французский) физик Мария Склодовская-Кюри
A867 — 1934) показала, что источником
радиации был именно атом урана и что
любое соединение, содержащее этот элемент,
испускает рентгеновские лучи.
19
До этого времени уран не становился
предметом пристального внимания
химиков. Этот относительно редкий металл,
который открыл в 1789 году немецкий
химик Мартин Генрих Клапрот A743 —
1817), не имел никакого практического
применения, и свойства его так и остались
неизученными. Научившись определять
атомный вес различных элементов,
химики обнаружили, что уран обладает самым
высоким атомным весом из всех известных
тогда элементов, равным 238.
Только после открытия Беккереля уран
стал предметом возрастающего интереса
ученых разных стран. Мадам Кюри
назвала открытое ею свойство урана
«радиоактивностью». Но оказалось, что уран лишь
первый из группы радиоактивных
элементов.
Он не долго оставался в одиночестве.
Вскоре выяснилось, что торий, открытый
Берцелиусом в 1829 году, также
радиоактивен. Атомный вес тория определили
равным 232, и он стал вторым по величине
после атомного веса урана.
Но что же представляла собой та
таинственная радиация, которую излучали уран
и торий?
Почти сразу ученые установили, что,
чем бы ни являлось это излучение, оно не
однородно по составу. В 1899 году Бекке-
рель и другие показали, что под
действием магнита часть излучения отклоняется в
20
противоположном направлении, тогда как
другая часть излучается по прямой линии.
Постепенно установили, что уран и
торий испускают три вида излучения. Один
имеет положительный электрический
заряд, другой — отрицательный, а третий —
не несет никакого заряда. Уроженец Новой
Зеландии Эрнест Резерфорд A871 — 1937)
назвал два первых вида радиации «альфа-
лучами» и «бета-лучами» по первым двум
буквам греческого алфавита. Третий вид
вскоре назвали «гамма-лучами» по третьей
букве.
Со временем оказалось, что гамма-лучи
являются еще одной светоподобной
формой излучения, но их волны короче
рентгеновских лучей. Альфа- и бета-лучи,
переносившие электрические заряды, похоже,
оказались потоками заряженных частиц
(«альфа-частицами» и «бета-частицами»),
как и катодные лучи.
Действительно, изучив в 1900 году бета-
частицы, Беккерель обнаружил, что они
идентичны по массе и заряду электронам.
Они и были электронами.
К 1906 году Резерфорд уже работал
над изучением свойств альфа-частиц. Они
несли положительный электрический
заряд, вдвое больший, чем отрицательно
заряженный электрон. Если электрон нес
заряд, который можно условно обозначить
как « — », тогда заряд альфа-частицы
оказался «++».
21
Альфа-частица оказалась более тяжелой,
чем электрон. Она была такой же
массивной, как атом гелия (второй из наиболее
известных самых легких атомов), и в четыре
раза тяжелее атома водорода. Тем не менее
альфа-частица проходила через вещество,
чего не могли атомы, поэтому
предположили, что она имеет меньший диаметр, чем
атомы. Следовательно, несмотря на свою массу,
альфа-частица является еще одной
субатомной частицей.
Теперь стало ясно, что и электроны и
атомы — частицы материи и
электричества.
С тех пор как Дальтон сформулировал
атомную теорию строения вещества,
химики показали, что атомы — основные
частицы материи, причем мельчайшие, и их
нельзя разделить на нечто меньшее.
Однако открытие электрона показало, что все
же существуют частицы меньшие, чем
атомы. Затем, благодаря исследованиям
радиоактивности, удалось обнаружить, что
атомы урана и тория сами по себе
делятся на меньшие части — электроны и аль^<
фа-частицы.
Это означало, что атомы этих, а
возможно, и всех остальных элементов
состоят из еще более мелких частиц и что
одними из этих частиц являются
электроны. Следовательно, атом имеет сложное
строение, установить которое стремились
физики.
22
Структура атома
После открытия, что радиоактивные
атомы испускают как положительно, так и
отрицательно заряженные частицы, стало
ясно, что атомы содержат оба типа заря-
лов. Более того, поскольку атомы в
веществе обычно нейтральны, то они должны
состоять из равных количеств
положительных и отрицательных зарядов.
Оказалось, что только радиоактивные
атомы, такие, как уран и торий, испускают
положительно заряженные альфа-частицы.
Большая же часть элементов, которые не
являются радиоактивными, могут испускать
электроны. В 1899 году Дж.Дж. Томсон
показал, что некоторые металлы без каких-
либо следов радиоактивности при
воздействии ультрафиолетовых лучей способны
испускать электроны (позже это явление
назвали «фотоэлектрическим эффектом»-).
Стремясь объяснить это явление, Том-
сон предположил, что основная часть
атома имеет положительный заряд и обычно
неподвижна, кроме нее, существуют более
легкие электроны, которые могут легко
отделяться. Уже в 1898 году Томсон
показал, что атом действительно представляет
собой сгусток вещества, в котором
сосредоточен положительный заряд, а
отдельные электроны находятся в промежутках
между ними, как изюм в рождественском
пудинге.
23
Из наблюдений Томсона следовало, что
число электронов, каждый из которых
обладает определенным отрицательным
зарядом, должно соответствовать величине
положительного заряда, содержащегося в
атоме. Если положительный заряд равен +5,
то у атома должно быть 5 электронов,
необходимых для достижения равновесия.
Общий заряд атома тогда будет равен 0, и
он останется электрически нейтральным.
Если из атома удалить электрон, то
атомный заряд +5 будет
уравновешиваться только 4 электронами с общим зарядом
-4. В этом случае результирующий заряд
целого атома будет +1. Однако, если в
атом поместить дополнительный электрон,
заряд +5 будет уравновешен 6
электронами с общим зарядом -6 и результирующий
заряд атома будет -1.
Такие электрически заряженные атомы
были названы «ионами». Об их
существовании ученые подозревали еще со времен
Фарадея. Фарадей установил, что под
воздействием электрического поля атомы
должны были пройти через раствор, в
результате чего у разных полюсов собирались
металлы и газы.
Именно Фарадей впервые ввел для их
обозначения термин «ион», происходящий
от греческого слова, означающего
«путешественник». Это слово предложил Фара-
дею английский ученый Уильям Уивелл
A794-1866). В 1884 году шведский хи-
24
НЕЙТРАЛЬНЫЙ АТОМ ИОНИЗИРОВАННЫЙ
ATOM
Каждая единица
положительного заряда При удалении электрона
уравновешивается единицей равновесие нарушается
отрицательного заряда -_
о 0 о 0°
В этом случае
общий э
заряд равен +2-2=0 равен +2
В этом случае общий общий заряд
мик Сванте Аррениус A859 — 1927) начал
впервые подробно разрабатывать теорию,
основанную на гипотезе, что эти ионы —
атомы или группы атомов, несущих
электрический заряд.
Гипотеза Аррениуса была доказана к
концу XIX века. Оказалось, что существуют
положительные ионы, состоящие из атома или
группы атомов, из которых извлечены один
пли более электронов» находящихся внутри
атомов. Встречаются также отрицательные
ионы, состоящие из отдельных атомов или
группы атомов, к которым добавлен один
или более свободных электронов.
Хотя предложенная Томсоном модель
позволяла объяснить существование ионов
и тот факт, что атомы способны испускать
электроны или поглощать их, она не была
удовлетворительной по всем пунктам. В
ходе дальнейших исследований получили
результаты, которые не совпадали с его
словами об изюме в пудинге.
В 1906 году Резерфорд начал изучать
прохождение массивных альфа-частиц че-
25
рез вещество. Когда альфа-частицы
проходили через тонкий слой золота, они
проскакивали так, как будто нх ничто не
задерживало. Казалось, атомные частицы
отталкивают в сторону легкие электроны и
ведут себя так, будто положительно
заряженное основное тело атома, которое
обрисовал Томсон, не твердое, а мягкое и
рыхлое. Однако в ряде случаев альфа-частица
сильно отклонялась в сторону,
столкнувшись с чем-то, находящимся в золотом
слое. Иногда она даже отпрыгивала назад.
Данное явление показывало, что в каждом
атоме существует нечто такое же
массивное, как альфа-частица.
Насколько же большой была эта
массивная часть атома? Она не могла быть
слишком велика, поскольку тогда альфа-частицы
должны были постоянно сталкиваться с ней.
Напротив, такие столкновения происходили
достаточно редко. Все это означало, что
массивная часть атома достаточно маленькая и
занимает немного места. Большая часть
потока альфа-частиц проходила через атом,
даже близко к ней не приближаясь.
В 1911 году Реэерфорд опубликовал
сообщение о результатах исследований. Он
предположил, что почти вся масса атома
должна быть сконцентрирована в очень
небольшом положительно заряженном
ядре, расположенном в его центре. Диаметр
ядра составлял всего лишь 1/,0w>o Диам€Т"
ра атома. Вся оставшаяся часть атома
26
Прибор Резерфорда для бомбардировки золотой фольги
альфа-частицами. Кусок радия в свинцовой коробке A)
испускает альфа-частицы, которые проходят через
тонкий слой золотой фольги B). Эти частицы под
разными углами ударяются о флуоресцентный экран C);
вызываемые каждым ударом вспышки видны в
микроскоп D). Внизу показаны альфа-частицы,
сталкивающиеся с ядром атома в золотой фольге
была заполнена очень легкими
электронами.
В соответствии с рассуждениями Резер-
форда, противоположными выводам Томсо-
на, атом состоит из одного положительно
заряженного тяжелого ядра, окруженного
облачком электронов. Ядра атомов несли
положительный заряд определенной
величины и уравновешивались отрицательно
заряженными электронами. Предложенная
Резерфордом модель атома объясняла не
только существование ионов, о чем писал
Томсон, но и другие явления.
Например, если из атома удалялись все
электроны, то оставалось только ядро,
массивное, как атом, но такое маленькое, что
могло проходить через вещество. С точки
зрения Резерфорда альфа-частицы и были
такими «чистыми ядрами». Ядерная модель
атома, созданная Резерфордом, считается
верной и в наши дни.
Атомные числа
Поскольку было признано, что атом
состоит из положительно заряженного ядра,
расположенного в центре, и ряда
отрицательно заряженных электронов,
находящихся снаружи, следующим шагом стало
определение точной величины ядерного
заряда и числа электронов у атомов
различных типов.
28
Ответ удалось найти путем ряда
исследований, которые начались под
руководством английского физика Чарльза Глове-
1>л Барклы A877-1944). В 1911 году он
заметил, что при прохождении
рентгеновских лучей через вещество некоторая их
часть поглощалась, а другая отражалась.
Отраженная часть сохраняла достаточно
высокую энергию, чтобы проходить через
исщество.
Стремясь объяснить это явление, Барк-
ла предположил, что при столкновении с
атомами, обладающими большим атомным
несом, рентгеновские лучи отражаются,
сохраняя определенную часть энергии и
проникающую способность. На самом деле
оказалось, что количество этой энергии
зависит от типа исследуемых атомов,
поэтому Баркла и назвал эти отраженные лучи
характеристическими рентгеновскими
лучами.
В 1913 году английский физик Генри
Гвин Джефферс Мозли A887 — 1915)
изучил данное явление более глубоко. Он
измерил точную длину характеристических
рентгеновских лучей, отраженных
определенными кристаллами. Выбор именно
кристаллов объяснялся тем, что в них атомы
располагаются в правильном порядке и на
известных дистанциях друг от друга.
Отражающиеся от кристаллов рентгеновские
лучи (или, если быть более точным,
рассеивающиеся от кристаллов) отклоняются от
29
своего пути рядами атомов. Чем больше
длина волны, тем больше и отклонение.
Основываясь на длине волн, можно
определить расстояние между ядрами.
Мозли обнаружил, что чем больше
атомный вес атома, тем короче волны связанных
с ним характеристических рентгеновских
лучей и тем большей проникающей
способностью они обладают. Связь оказалась
настолько четкой, что Мозли смог
расположить элементы в зависимости от длины волн
характеристических рентгеновских лучей.
Примерно за 40 лет до этих событий
русский химик Дмитрий Менделеев A834 —
1907) открыл Периодический закон,
расположив элементы по порядку в зависимости
от возрастания их атомного веса. Все
элементы он разделил на восемь групп, так что
элементы с похожими свойствами оказались
в одной группе. У каждого элемента был
свой атомный номер, так что по мере
открытия новых элементов они располагались в
пустующих клетках таблицы.
Датский физик Нильс Бор A885—1962)
развил теорию строения атома, доказав,
что длина волны характеристических
рентгеновских лучей зависит от величины
заряда в ядре атома каждого конкретного
элемента. Таким образом он подтвердил
предположение Мозли, что по величине
характеристических рентгеновских лучей
можно определить заряд ядра. Тогда
атомный номер элемента оказывался равным
30
этому заряду и независимым от открытия
новых элементов.
Так, например, водород имеет атомный
номер 1. Его ядро несет общий
положительный заряд, +1, атом водорода
обладает 1 электроном, чтобы уравновешивать это
соотношение. Обладая атомным весом 2,
гелий имеет ядерный заряд +2, и,
следовательно, в его атоме есть 2 электрона с
общим зарядом -2, чтобы уравновесить
это отношение (альфа-частицы,
испускаемые атомами радиоактивных элементов,
тождественны ядрам гелия).
Атомное число растет по мере того, как
мы продвигаемся по линии атомов. Скажем,
атомы кислорода имеют атомный номер 8, а
атомы железа 26. В верхнем конце
находятся торий с числом 90 и уран с числом 92.
Каждый атом урана имеет заряд +92 и,
следовательно, содержит 92 электрона, чтобы
уравновесить их.
После того как разработали понятие об
атомном числе, оказалось возможным
определить, встречаются ли еще
необнаруженные элементы и если так, то на каком
месте они должны располагаться.
Таким образом, когда Мозли впервые
познакомил исследователей с атомным
числом, оказалось, что должно существовать
еще 7 элементов с атомными числами 43,
61, 72, 75, 85 и 91, и действительно, еще
до 1945 года все эти элементы были
открыты.
31
Ядро
88
Атом
гелия
О Протон
Нейтрон
Электрон
Атом
водорода
Вскоре оказалось, что атомное число —
более фундаментальная и важная
характеристика элемента, чем его атомный вес.
Со времен Дальтона считалось, что все
атомы одного элемента обладают
одинаковым атомным весом и что атомы двух
различных элементов всегда имеют разный
атомный вес. Однако по мере изучения
радиоактивных элементов выяснилось, что
это далеко не так.
32
Изотопы
В 1902 году Эрнест Резерфорд и его
сотрудник Фредерик Содди A877 — 1956)
показали, что, когда атомы урана
испускают альфа-частицы, образуется новый вид
атома, вовсе не являющийся ураном. Со
временем именно этот новый атом
испускал бета-частицы, и образование нового
элемента завершалось. Исследование Ре-
зерфорда и Содди положило начало
новому направлению исследований, благодаря
которому к 1907 году стало ясно, что
существует целый ряд радиоактивных
элементов, каждый из которых
последовательно разрушается, испуская альфа- или
бета-частицы, пока наконец не образуется
атом свинца, уже не являющийся
радиоактивным.
Короче говоря, существовали
радиоактивные серии. Одна начиналась с урана
(атомный вес 92) и заканчивалась свинцом
(атомный номер 82). Другая начиналась с
тория (атомный номер 90) и также
заканчивалась свинцом. И наконец, третий
элемент, актиний (атомный номер 89) также
"имел свою серию, заканчивавшуюся
свинцом.
Различные атомы, организовывавшиеся в
эти три радиоактивные серии, вовсе не
были такими уж разными. Когда атом урана
Испускал альфа-частицу, она
образовывала атом, названный ураном Хг После тща-
2 ^ л шмив оо
• Ми|>ы внутри миров»
тельных исследований оказалось, что этот
уран Xj обладал химическими свойствами
тория, но его радиоактивные свойства
отличались от свойств обычного тория.
Уран Х( разлагался так быстро,
выделяя при распаде бета-частицы, что
половина его первоначального количества
распадалась всего за 24 часа. Можно сказать и
иначе (формулировка предложена Резер-
фордом), что за 24 часа элемент Х(
проживал половину своей жизни. Однако
обыкновенный торий выпускал не бета-, а
альфа-частицы, и это происходило так
медленно, что половина его жизни составляла
14 биллионов лет!
В списке элементов по химическим
стандартам уран X, и обыкновенный торий
располагались на одном и том же месте, но
ученым было ясно, что между ними
существует какое-то различие.
Аналогичное явление было
зафиксировано и у другого радиоактивного элемента. В
1913 году британский химик Александр
Флек изучал два элемента из радиоактивной
серии урана, названные радий В и радий D,
а также торий В из радиоактивной серии
актиния. По химическим свойствам все
четыре элемента совпадали с обыкновенным
свинцом и соответственно находились на
одном месте в списке элементов. Однако они
отличались по радиоактивным свойствам.
Хотя все элементы испускали
бета-частицы, у радия В половина жизни составляла
34
27 минут, у радия D порядка 19 лет, у тория
11 часов, у актиния — 36 минут.
В 1913 году Содди назвал атомы,
которые находились на одном и том же месте
н списке элементов, но имели различные
радиоактивные свойства, изотопами (от
греческого словосочетания «одно место»).
Вначале казалось, что изотопы
различаются лишь радиоактивными свойствами и
речь идет только о радиоактивных атомах.
Вскоре оказалось, что все совсем не так.
Оказалось, что один и тот же элемент
может обладать несколькими формами, со-
нершенно различными по свойствам, и в то
же время ни один из них не обладал
радиоактивностью. Серии урана, тория и
актиния завершались свинцом. В каждом
случае образовывавшийся свинец оказывался
стабильным (не радиоактивным). Но были
ли идентичны атомы свинца в каждом
случае?
Содди исследовал способ, с помощью
которого изменялся атомный вес при
потере альфа- или бета-частиц, испускаемых
атомом. Исследуя три радиоактивные
серии, он понял, что атомы свинца в
каждом случае имеют разный атомный вес.
Он установил, что серия урана
оканчивалась атомами свинца, имевшими
атомный вес 206, серия тория образовывала
свинец с атомным весом 208 и серия
актиния заканчивалась атомами свинца с
атомным весом 207.
35
Водород 1 Водород 2
Массовое число 1 Массовое число 2
Атомное число 1
ф Нейтрон О Протон ? Электрон
Гелий 3 Гелий 4
Массовое число 3 Массовое число 4
Атомное число 2
Если бы все обстояло именно так, то
образовывались три изотопа свинца, которые
могли отличаться не радиоактивными
свойствами, а атомным весом. Изотопы можно
было бы отнести к свинцу-206, свинцу-207
и свинцу-208. Если мы станем использовать
химический символ свинца (РЬ), то
должны написать изотопы следующим образом:
лкрЬ, 207РЬ и 208РЬ (читаем символ 206РЬ как
свинец-206). Сделанные в 1914 году Сод-
ди и его сторонниками измерения
атомного веса подтвердили эту теорию.
Все три свинцовых изотопа имели один
и гот же атомный номер 82. У атомов всех
грех изотопов были ядра с электрическим
нарядом +$2У и у всех трех в атоме были
82 электрона, чтобы уравновесить этот
положительный ядерный заряд. Различие,
таким образом, заключалось только в
массе ядер.
Но что же тогда представлял собой
обыкновенный свинец, который находился
в горных породах, далеко отстоящих от
каких-либо радиоактивных субстанций, и
который, видимо, был стабилен на
протяжении всей истории Земли? Его атомный
вес составлял 207,2.
Состоял ли этот стабильный свинец из
атомов еще одного изотопа, имевшего
дробный атомный вес? Или стабильный свинец
представлял собой смесь изотопов, каждый
из которых обладал различным целым
атомным весом? Являлся ли суммарный атомный
37
нес дробным, потому что он представлял
собой среднюю величину?
Ответить на эти вопросы, связанные со
свинцом, в то время не смогли, но ответ
был найден в связи с исследованиями
другого элемента, редкого газа неона
(химический символ Ne), имевшего атомный вес
20,2.
Обладали ли все атомы неона дробным
атомным весом, или неон являлся смесью
неких легких по весу и некоторых
тяжелых по весу атомов? Это имело особое
значение, если бы удалось обнаружить
изотопы неона, поскольку неон не имел ничего
общего с радиоактивными сериями. Если у
неона обнаружатся изотопы, то их можно
найти у любого элемента.
В 1912 году Томсон продолжал
исследовать неон, пропуская через него пучок
катодных лучей. Электроны сталкивались с
атомами неона и выбивали у некоторых из
них электроны. Тогда оставался неоновый
ион, несущий один положительный заряд,
ион, который следовало написать как Ne+.
Ионы неона двигались в электрическом
поле точно так же, как это делали и
электроны, но в противоположном
направлении, поскольку имели положительный
заряд. Под влиянием магнитного и
электрического поля они двигались по кривой.
Если все неоновые ионы обладали
одинаковой массой, то кривая для них была
общей. Если масса была разной, то более
38
тяжелые двигались по кривой меньшей по
длине.
Ионы неона попадали на
фотографическую пластинку, которая затемнялась в
месте их попадания. Если бы все ионы имели
одну массу, то на пластинке получилось
бы одно пятно. Л о Томсон получил две
области затемнения, доказав, что существуют
два типа ионов неона, обладающих
различными массами, которые образовывали
кривые двух видов, завершавшиеся в разных
местах. По расстоянию между точками и
основываясь на характере их траекторий,
Томсон показал, что существуют два
изотопа неона — один с атомным весом 20 и
другой с атомным весом 22 (Ne20 и Ne22).
Исходя из степени затемнения каждого
пятна, он сделал вывод, что обыкновенный
неон состоял из атомов, которые на 90%
были неоном-20 и на 10% неоном-22.
Общий атомный вес неона составлял 20,2,
таков был средний атомный вес этих двух
изотопов.
Томсон оказался первым исследователем,
который смог с помощью приборов
разделить изотопы. Позже подобные
инструменты стали называть масс-спектрометрами.
Такое название им дал английский физик
Френсис Уильям Астон A877— 1945),
который построил первый эффективно
действующий прибор такого типа в 1919 году. При
помощи этого прибора он изучил все
элементы, которые только смог. Именно Астон с
39
коллегами исследовали множество
элементов, выделили их изотопы и с относительной
точностью определили последовательность
их распространения. В частности,
оказалось, что неон обычно на 90,9% состоит из
неона-20 и всего на 8% из неона-22. Очень
небольшое количество атомов, всего 0,3%,
относилось к третьему изотопу — неону-22.
Что же касается обыкновенного свинца в
нерадиоактивных породах, получилось
следующее: 23,6% РЬ206, 22,6% РЬ207 и 52,3%
РЬ208. Астон установил, что существует еще
четвертый изотоп, РЬ204, который составлял
оставшиеся 1,5% и вообще не являлся
продуктом радиоактивных серий.
Изотопы всегда обладают атомным
весом, который приближается к целому числу,
но далеко не всегда выражается таковым.
Любой атомный вес элемента, выраженный
не целым числом, оказывается возможным
только потому, что он является средней
величиной различных изотопов. В частности,
атомный вес хлора (химический символ С1)
35,5, и это потому, что он состоит из смеси
двух изотопов. Примерно одна четвертая
часть атомов хлора — это изотоп С137 и
примерно три четверти С135.
Стремясь избежать путаницы, среднюю
массу изотопов, которые составляли
каждый конкретный элемент, продолжали
называть атомным весом этого элемента. О
ближайшем к массе индивидуальных
изотопов целом говорили как о «массовом
40
Масс-спектрограф, использованный Томсоном и Астоном
для измерения атомного веса неона
числе» этого изотопа. Таким образом, хлор
состоял из изотопов с массовыми числами
'Л5 и 37, но атомный вес хлора,
существовавшего в природе, составлял 35,5 (или,
если быть более точным, 35,453).
В то же самое время обыкновенный
свинец состоял из изотопов с массами 204, 206,
207 и 208, его атомный вес был равен 207,19.
Неон состоял из изотопов с массовыми
числами 29, 21 и 22, его атомный вес составлял
20,183 и т. д.
Если атомный вес некоторых элементов
почти приближался к целому числу, с
которого начинался, его масса могла
состоять из атомов одного вида. Скажем, газ
41
фтор (химический символ F) имел
атомный вес почти 19, в то время как металл
натрий (химический символ Na) составлял
почти 23. Как оказалось, все атомы
фтора варьировались вокруг F19, в то время
как атомы натрия — Na23.
Иногда атомный вес элемента, как это
происходило и в природе, выражался почти
целым числом, и все же этот элемент имел
больше одного изотопа. В этом случае один
из изотопов составлял почти все число, в то
время как остальные присутствовали в
таких малых количествах, что их можно было
выделить с большим трудом, и среднее
число получалось почти целым. Скажем, гелий
(химический символ Не) имел атомный вес
почти 4, и действительно, почти все атомы,
составлявшие его, были Не4. Однако
0,0001% атомов, или по крайней мере один
из миллиона, была Не3. Аналогично 99,6%
всех атомов азота (химический символ N)
становится N14, но 1,1% является N15. В
массе углерода (химический символ С) 98,9%
С12, но 1,1% С13. Неудивительно, что
атомный вес азота и углерода равен почти точно
14 и 12 соответственно.
Даже у водорода обнаружились
изотопы. Его атомный вес почти равен 1, и
большинство его атомов представляет
обыкновенный водород Н1. Вначале американский
химик Гарольд Клайтон Ури A893—1985)
обнаружил более тяжелый изотоп Н2. Он
оказался почти вдвое тяжелее, чем Н1. Ни
42
у одного элемента изотоп не отличался от
обычных атомов настолько сильно.
Поэтому и химические свойства Н2 и Н1
различались более, чем обычно это бывало у
изотопов. Чтобы отметить это загадочное
я мление, Ури присвоил Н2 название
дейтерий, или тяжелый водород (от греческого
слова, означающего «второй»).
В 1929 году американский физик
УФ. Джиок A895-1982) обнаружил, что
кислород также состоит более чем из
одного изотопа. Его атомный вес был признан
приблизительно равным 16, так что все с
облегчением вздохнули, узнав, что 99,76%
(мо атомов относится к О16. Однако
примерно 0,2% принадлежало к О18, а оставшиеся
0,04% - к изотопу О17.
Как мы уже успели убедиться, О16 имел
массовое число немного меньше чем 16, а
более массивные изотопы О*7 и О18
приближали среднюю величину к 16. Несмотря на
очевидное различие между ними, химики
остались верны стандартному атомному
несу 16 для кислорода, предпочитая не
учитывать влияние отдельных изотопов.
Используя среднее число как стандарт,
физики чувствовали себя не в своей тарелке,
поскольку должны были работать с
конкретными изотопами, поэтому для физических
исследований предпочитают считать
число 16 атомным весом только О16, так что
средний атомный вес кислорода составлял
16,0044 и все другие атомные веса пропор-
43
ционально увеличивались. Определенные
по данной системе атомные веса стали
называть «физическими атомными весами».
Наконец в 1961 году удалось найти
компромиссное решение. И химики, и физики
решили считать атомный вес углерода С12
точно равным 12 и использовать его в
качестве стандарта. Согласно этой системе,
атомный вес кислорода стал определяться
как 15,9994, что было немного меньше, чем
целое число 16.
Не удалось избежать новой
классификации и радиоактивным элементам. Атомный
вес урана (химический символ U) около
238, поэтому большинство его атомов
составлял U238, однако в 1935 году канадско-
американский физик Артур Джефри Демп-
стер A886—1950) обнаружил, что 0,7% его
атомов составляет более легкий изотоп U235.
Все атомы существенно отличались по
радиоактивным свойствам. Обычный уран,
то есть изотоп U238, имел период
полураспада 4500 миллионов лет, в то время как
у U235 период полураспада составлял
только 700 миллионов лет. Более того, при
распаде U235 разбивался на три стадии, до
актиния. Именно U235, а не сам актиний, давал
начало радиоактивным сериям актиния.
Что же касается тория (атомный символ
Th) с атомным весом 232, то
действительно оказалось, что у элемента
природного происхождения все атомы относились
к Th232.
44
ЭНЕРГИЯ
Закон сохранения энергии
Наконец мы зашли так далеко, что
можем рассмотреть переплетение
молекулярных цепочек атома и электричества.
Иначе говоря, обратиться к третьему
исследовательскому направлению —
электричеству.
Для физиков концепция «работы»
состоит в том, чтобы оказывать воздействие
па тело и заставлять его двигаться по
некоей траектории. При поднятии веса нам
противодействует закон гравитации.
Чтобы вбить гвоздь в дерево, приходится
преодолевать сопротивление волокон
материала.
Все, что способно производить
действие, как полагают, обладает «энергией»
(от греческого слова, означающего
«работа внутри»). Существуют различные
формы энергии. Любая движущаяся масса
обладает энергией благодаря собственной
способности к движению.
Скажем, движущийся молоток вобьет
гвоздь в дерево, в то время как тот же самый
молоток, неподвижный относительно
головки гвоздя, не может этого сделать.
Нагревание тоже представляет собой форму
энергии, поскольку способно распространить
поток, который приведет колесо в движение,
именно тогда оно и начинает вращаться.
45
Электричество, магнетизм, звук и свет
можно принудить работать, это тоже формы
энергии.
Формы энергии настолько
многочисленны и разнообразны, что ученые были
готовы искать некий общий закону который
охватывал бы все формы энергии и,
следовательно, мог бы служить для всех них
объединяющей нитью. Не вызывало
никаких сомнений то, что подобное правило
могло существовать, поскольку видели
связь с материей, которая проявлялась в
еще более разнообразных формах, чем
сама энергия.
Какую бы форму и размеры ни
приобретала материя, она обладала массой. В
70-х годах XVIII века французский химик
Антуан Лоран Лавуазье A743 — 1794)
обнаружил, что, если материю изолировать
и подвергнуть сложным химическим
реакциям, все может измениться, но только не
ее масса. Твердое обратится в газ,
единичная субстанция трансформируется в две
или три различные субстанции. Но что бы
ни происходило, общая масса в конце
концов останется прежней (так, по крайней
мере, заявляли большинство химиков).
Ничто не может быть создано или
уничтожено, но природа материи может
меняться. Явление было названо «законом
сохранения массы».
Естественно, ученые задумались, нельзя
ли применить тот же самый закон и к энер-
46
/ии. Ответ оказался не прост. Количество
энергии было не так легко измерить, как
количество массы. Сложно было и
замкнуть определенное количество энергии и
удерживать его, чтобы оно оставалось
прежним и не приобретало новые качества
извне, как это иногда происходило при
опытах с массой.
Несмотря на все отмеченные
сложности, в 1840 году английский физик Джеймс
Прескотт Джоуль A818 — 1889) начал
серию экспериментов, в которых
использовал все виды известной ему энергии. В
качестве рабочего тела Джоуль выбрал
обыкновенную воду. Он подвергал ее
нагреванию и точно фиксировал изменение
температуры заданного количества воды.
Джоуль использовал подъем температуры
как меру энергии.
К 1847 году Джоуль убедился, что
любую форму энергии можно превратить в
фиксированное и определенное тепло, то
есть определенное количество энергии
всегда эквивалентно определенному
количеству тепла.
В том же самом году немецкий физик
Герман Людвиг Фердинанд фон Гельм-
гольц A821 — 1894) пошел еще дальше и
определил, что фиксированное количество
энергии, представленное в одной форме,
равно тому же самому количеству энергии,
представленному в другой форме. Энергия
может менять форму тем или иным обра-
47
зом, но сохранять общую величину.
Ничто не могло быть ни уничтожено, ни
создано. Это и оказался «закон сохранения
энергии».
Химическая энергия
Возьмем энергию куска дерева. Если он
спокойно лежит на столе или на земле, то
кажется, что при этом не совершается
никакой работы. Однако, если заставить дерево
гореть, то есть соединить с кислородом,
заключенным в воздухе, оно оказывается
способным дать и тепло, и свет, считающиеся
несомненными формами энергии. Тепло
может заставить кипеть воду и привести в
движение паровой двигатель.
Количество энергии, получавшееся при
сожжении дерева, можно было измерить,
если поджечь его в замкнутом контейнере,
наполненном воздухом, который был бы
погружен в установленное количество воды.
По поднимающейся температуре воды
можно было бы измерить количество
выделяемой энергии в единицах, называемых
калориями (от латинского слова calor — жар).
Само приспособление позже было названо
калориметром. 1 калория равнялась такому
количеству энергии, которое повышает
температуру 1 литра воды на 1 градус Цельсия.
В 60-х годах XIX века французский
химик Пьер Эжен Марселей Вертело A827 —
48
1907) проделал тысячи подобных опытов.
Его собственные исследования и
наблюдения, проведенные другими учеными, ясно
показали, что подобная химическая
энергия, получившаяся в результате
химических перемен в материи, соответствует
закону сохранения энергии.
Вот как обстояло дело в последних
десятилетиях XIX века.
Молекулы состоят из комбинации
атомов. Внутри молекул атомы более или
менее тесно связаны друг с другом. Чтобы
разделить молекулу на отдельные атомы,
преодолевая сопротивление сил,
удерживающих их вместе, требуется затратить
определенное количество энергии.
Если, предварительно отодвинув атомы
друг от друга, им разрешают вновь
собраться вместе, они отдают энергию.
Количество отдаваемой ими энергии точно
соответствует той энергии, которую они
должны были набрать для своего
разделения.
Сказанное справедливо в отношении всех
веществ. Скажем, газ водород,
встречающийся на земле, существует в виде молекул,
каждая из которых состоит из 2 атомов
водорода и описывается формулой Н2.
Добавьте определенное количество энергии и
разъедините атомы, затем позвольте им снова
собраться вместе в виде парных молекул, и
добавленная энергия возвратится. То же
самое касается молекулы кислорода, которая
49
состоит из 2 атомов кислорода @2), и
молекулы воды (Н20).
Всегда количество энергии,
поглощаемое во время одного процесса, отдается во
время другого процесса. Поглощаемое и
отдаваемое количество энергии абсолютно
равны. Однако у каждого элемента
величина энергии своя. Очень сложно разделить
молекулы водорода, а еще сложнее
расщепить кислород. Для того чтобы разделить
молекулу кислорода, приходится
использовать примерно на 12% больше энергии, чем
для разделения молекулы водорода.
Естественно, что, когда 2 атома кислорода
соединяются , чтобы образовать молекулу
кислорода, им требуется вернуть на 12%
больше энергии, чем отдавали 2 атома
водорода, которые должны собраться вместе,
чтобы образовать молекулу водорода.
Для того чтобы разделить молекулу
воды на отдельные атомы, требуется такое
же количество энергии, которое
необходимо для разделения молекул водорода или
кислорода. Естественно, что такое же
количество энергии вернется, когда атомы
водорода и кислорода снова соединятся в
молекулу воды.
Дальше представим разделение молекул
водорода и кислорода на атомы водорода
и кислорода и затем объединение их для
образования молекул воды. Некоторое
количество энергии вводится в систему,
чтобы расщепить молекулы кислорода и
50
водорода, но затем гораздо большее
количество энергии выделяется, когда
образуются молекулы воды.
Именно поэтому огромное количество
энергии (в основном в форме тепла)
отлают струи газов водорода и кислорода,
когда их соединяют таким образом, чтобы
они образовывали воду. Простого
смешивания водорода и кислорода недостаточно.
Молекулы водорода и кислорода должны
быть разделены, и это потребует немного
энергии. Энергии, заключенной в пламени
спички, достаточно, чтобы нагреть смесь и
заставить молекулы и кислорода и
водорода двигаться более быстро и более
энергично. При этом возрастает вероятность того,
что некоторые молекулы будут
разделяться на отдельные атомы (хотя сам процесс
происходит достаточно сложно). Только
после этого атом кислорода может
соединиться с молекулой водорода, образовывая
воду @+Н2=Н20), и при этом выделяется
гораздо большая энергия, чем та, что
выделилась при зажжении спички.
Температура поднимается еще выше, и дальнейшие
столкновения атомов водорода и
кислорода происходят еще чаще. Все это
происходит снова и снова, так что за очень
короткое время температура оказывается очень
высокой, и кислород и водород
соединяются, образуя воду в огромном количестве.
Пели огромное количество кислорода и
водорода перемешивалось уже в самом
nasi
V
«$•$<>
* \.
I
' t
V I
-¦о-
Na
—"V
ci
У
- _ » ' ? А \
I г \ \ I I _ \ '
NaCl
Образование молекулы хлорида натрия
чале, то сила реакции оказывалась такой
мощной, что мог произойти взрыв.
Подобную ситуацию, при которой
каждая реагирующая частичка системы
увеличивала в ходе реакции энергию системы и
вызывала еще более интенсивную реакцию,
подобную той, что вызывала сама,
назвали цепной реакцией. Скажем, поднесенное
к одному концу листа бумаги пламя
спички вызовет загорание этого конца. Тепло
от сгорания воспламенит соседнюю часть
52
листа, и так будет происходить до тех пор,
пока весь лист бумаги не сгорит. Вот
почему дымящийся окурок сигареты может
спалить весь лес, вызывая полное
разрушение в ходе цепной реакции.
Электроны и энергия
Обнаружение структуры атома
позволило лучше представить химическую энергию.
В 1904 году немецкий химик Ричард
Абегг A869—1910) впервые предположил,
что в молекуле все атомы удерживаются
вместе благодаря переходам электронов от
одного атома к другому.
Для того чтобы понять механизм
такого действия, следовало заметить, что
электроны в атоме существовали в виде ряда
оболочек. Находящаяся в самой глубине
оболочка могла содержать только 2
электрона, следующая 8, последующая 18 и т. д.
Оказалось, что одни уровни электронной
оболочки более устойчивы, чем другие.
Если внутренняя оболочка содержала
электроны,'то она заполнялась лишь 2
электронами, которые только и могла
удерживать, находясь в стабильном состоянии.
Если атом содержал электроны в более чем
одной оболочке, то на наружной оболочке
могло удерживаться до 8 электронов,
причем ее состояние также оказывалось
стабильным.
53
Так, атом гелия содержал только 2
электрона, заполнявшие внутреннюю оболочку,
и его состояние было настолько устойчивым,
что гелий не участвовал ни в каких
химических реакциях. Атом неона имел 10
электронов B во внутренней оболочке, 8 — в
следующей за ней) и также не вступал в реакции.
Атом аргона имел 18 электронов
(соответственно 2, 8 и 8) и также был весьма
стабильным.
Но если атом не имел своих
электронных оболочек, то они могли легко
заполняться. Атом натрия имел 11 электронов
(соответственно 2, 8 и 1), в то время как
атом фтора — 9 B и 7). Если атом натрия
отдавал один из своих электронов атому
фтора, то оба могли иметь такую же
стабильную форму, как неон B и 8).
Благодаря этому они достаточно часто вступали
в реакции.
Если оки действительно происходили,
атом натрия минус 1 электрон мог
составлять положительно заряженную единицу и
превращаться в Na+, то есть положительно
заряженный ион. Фтор с 1 электроном со
временем становится F" , то есть
отрицательно заряженным ионом. 2 иона с
противоположными зарядами притягиваются, и
таким образом может сформироваться
молекула фторида натрия (NaF).
В 1916 году американский химик
Гилберт Ньютон Льюис A875—1946) развил
это положение. Он показал, что атомы
54
могли соединяться не только в результате
полного перемещения одного или более
электронов, но благодаря распределению
пар электронов. Это распределение
происходило только в том случае, когда атомы
располагались достаточно близко друг к
другу, и требовалось затратить энергию,
чтобы отделить их и разрушить
соединение, точно так же, как требовалась
энергия, чтобы разделить 2 иона, избавив от
притяжения противоположных зарядов.
Таким образом, смутное представление
об атомах, прилипающих друг к другу в
молекулах и с силой разделяемых,
уступило место более точной картине электронов,
которые переносились или разделялись.
Происходившие с электронами изменения
могли быть точно описаны математически
с помощью системы, которая получила
название квантовой механики, и таким
образом химия сделалась более точной наукой,
чем раньше.
Энергия Солнца
Самая серьезная проблема, связанная с
законом сохранения энергии, касалась
Солнца. До 1847 года ученые не
рассматривали проблемы, связанные с солнечным
светом. Солнце испускает огромную
энергию, но ее относили к природным
свойствам Солнца, и это казалось настолько
55
же очевидным, как и вращение Земли
вокруг ее оси.
Однажды Гельмгольц заявил, что
энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, но не
смог определить источник солнечной
энергии. Вопрос находился за пределами
человеческого познания, ибо Солнце испускает
тепло и свет, внешне никак не меняясь. Так
было со времен начала цивилизации и, как
определили биологи и геологи, длилось в
течение многих веков. И все же откуда
бралась солнечная энергия?
Солнце казалось огненным шаром. Так
ли это на самом деле? Является ли
Солнце огромной горящей кучей,
превращающей химическую энергию в тепло и свет?
Известны были и масса Солнца, и
величина производимой им энергии.
Предположим, что солнечная масса представляла
собой смесь кислорода и водорода и она
сжигалась достаточно быстро для того,
чтобы выпускать энергию с заданной
скоростью. Если все сказанное обстояло
именно так, то вся масса кислорода и водорода
была бы израсходована за 1500 лет.
Никакая химическая реакция, происходившая
на Солнце, не могла бы продолжаться до
наших дней со времен древних пирамид, а
ведь Солнце существовало и во времена
динозавров.
Существовал ли некий источник энергии,
превосходящей химическую энергию? А как
насчет энергии движения? Гельмгольц пред-
56
положил, что метеориты могут падать на
Солнце с постоянной скоростью.
Возникавшая при их столкновении энергия и
вызывала свечение Солнца до тех пор, пока не
иссякала энергия метеоритов, и все это могло
продолжаться на протяжении миллиона лет.
Однако все это означало, что солнечная
масса будет меняться постоянно и то же
самое происходит с гравитационной силой.
Но если солнечное гравитационное поле
менялось постоянно, то
продолжительность земного года также должна
меняться в определенной степени, но этого не
происходило.
В 1854 году Гельмгольц предположил,
что Солнце постепенно сжимается. Его
внешние слои постепенно уходят внутрь, и
выделявшаяся при этом энергия
превращается в тепло и свет. Более того,
получаемая энергия никак не влияет на изменение
массы Солнца.
Гельмгольц установил, что сжатие
Солнца на протяжении 6000 лет
документально зафиксированной истории могло
уменьшить его диаметр всего на 560 миль, и эти
перемены нельзя обнаружить
невооруженным глазом. Благодаря развитию техники
изготовления телескопов, происходившему
на протяжении двух последних столетий,
удалось установить, что изменение
размера Солнца составляло только 23 мили, и во
времена Гельмгольца еще нельзя было
определить этого точно.
57
Дальнейшие исследования показали, что
примерно 25 миллионов лет тому назад
Солнце обладало такими размерами, что
могло заполнить земную орбиту.
Очевидно, что в то время сама Земля еще не
существовала. В этом случае максимальный
возраст Земли составлял только 25
миллионов лет.
С таким выводом не могли согласиться
геологи и биологи, также озабоченные этой
проблемой. Медленные перемены,
происходившие в земной коре и в ходе эволюции
жизни, позволяли сделать такой вывод:
для того чтобы на Земле могли появиться
живые организмы и развились
современные формы жизни, Солнце должно было
давать тепло и свет в течение по крайней
мере многих сотен миллионов лет.
Это означало, что надо искать какой-то
другой способ определения запасов
солнечной энергии. Или закон сохранения энергии
(что маловероятно) неверен, или
скрупулезно собранные данные геологов и биологов
ложны (что тоже маловероятно), или
существовал какой-то еще более мощный
источник энергии, чем те, что были известны в
XIX веке, от которого зависело
существование самого человечества (и это также
представлялось маловероятным).
Однако какая-то из упомянутых выше
возможностей должна была оказаться
верной. И наконец, в 1896 году произошло
открытие явления радиоактивности.
58
Энергия радиоактивности
Только со временем ученым стало ясно,
что радиоактивность связана с выделением
.шсргии. Сегодня мы знаем, что
испускаемые ураном гамма-лучи оказались в сотни
тысяч раз более энергетическими, чем
обыкновенные световые лучи. Более того, альфа-
частицы излучались со скоростью порядка
.40 000 километров в секунду, в то время как
более легкие бета-частицы, возможно,
испускались со скоростью порядка 250 000
километров в секунду (что составляло
примерно 0,8 скорости света).
Вначале общая энергия, испускаемая
радиоактивными веществами, представлялась
такой небольшой, что казалось, не стоит
тратить на нее время. Общее количество
анергии радиоактивного излучения,
освобождаемой граммом урана в 1 секунду,
казалось незначительной частью энергии,
освобождаемой при горении свечи.
Однако через несколько лет выяснилось
кое-что еще. Действительно, масса урана
лакала очень мало энергии за секунду
времени, но она продолжала испускать ее
секунда за секундой, день за днем, месяц за
месяцем и год за годом без заметных
изменений. Освобождаемая ураном энергия за
столь длительное время оказывалась
поистине огромной. И наконец, стало ясно, что
масса урана, из которой создавалась эта
огромная энергия, пусть даже невероятно
59
медленно, на протяжении 45 миллиардов
лет (!), уменьшалась за это время всего
лишь наполовину.
Если всю энергию, образуемую
граммом урана посредством его
радиоактивности на протяжении многих миллионов лет,
удалось бы собрать, то она оказалась бы
намного больше, чем энергия, вызываемая
горением свечи массой, равной той,
которой обладал уран.
Давайте попробуем подойти к предмету
нашего исследования с другой стороны.
Тогда мы должны представить, что 1 атом
урана разбивается и при этом
выстреливается альфа-частица. Мы также
подумаем и об 1 атоме углерода, соединяющемся
с 2 атомами кислорода, чтобы образовать
углекислоту (углекислый газ).
Получается, что атом урана, чтобы разложиться,
должен отдать в 2 миллиона раз больше
энергии, чем потребуется для соединения
атома углерода.
Энергия радиоактивности оказалась в
миллионы раз более мощной, чем энергия,
выделяющаяся в ходе химических реакций.
Разумное человечество оставалось в
неведении относительно явления радиоактивности,
но было очень хорошо знакомо с
химическими реакциями. Для этого имелось
несколько причин.
Во-первых, самые общие радиоактивные
процессы протекали настолько медленно,
что их огромная энергия выделялась в те-
60
чение необычайно продолжительного
периода времени, так что ее количество,
выделяемое в секунду, казалось
несущественным для какого-либо практического
применения.
Во-вторых, химические реакции легко
контролируются посредством изменения
количества веществ, их концентрации,
температуры, давления, состояния,
перемешивания и т. д. За ними легко наблюдать,
контролировать их и изучать. Скорость
радиоактивных процессов нельзя было
изменить. Уже на ранних этапах исследования
удалось обнаружить, что распад урана-238,
например, не может быть ускорен ни
нагреванием, ни повышением давления, ни
воздействием каких-либо химических
веществ, ни каким-либо образом еще. В
любых условиях он продолжает оставаться
неправдоподобно медленным.
Но, несмотря на все вышесказанное,
радиоактивность, наконец, была обнаружена
и интенсивность ее энергии была
распознана и отмечена в 1902 году Марией Скло-
донской-Кюри и ее мужем Пьером Кюри
A859-1906).
И все же откуда берется энергия при
радиоактивном излучении? Может ли она
приходить извне? Могут ли каким-либо
образом радиоактивные атомы собирать
энергию из внешней среды, концентриро-
нать ее, «сгустив» в миллион раз, и затем
выпускать?
61
Для того чтобы сконцентрировать
энергию подобным образом, необходимо было
нарушить то, что принято называть вторым
законом термодинамики. Впервые этот
закон сформулировал в 1850 году немецкий
физик Рудольф Юлиус Эммануил Клаузиус
A822—1888), и он оказался настолько
полезным, что физики долго не осмеливались
заявить о его несоблюдении, пока им
наконец не пришлось это сделать.
Другое предположение было связано с
тем, что радиоактивные атомы создавали
энергию из ничего. Это, конечно,
противоречило закону сохранения энергии (так
называемому первому закону
термодинамики), что физики также не могли
допустить.
Им оставалось лишь предположить, что
нечто внутри атома было источником
энергии, остававшейся неизвестной человеку до
тех пор, пока не была открыта
радиоактивность. Одним из первых к такому выводу
пришел уже упомянутый нами Анри Бек-
керель.
Возможно, вначале показалось, что
только радиоактивные элементы могли обладать
подобным запасом энергии где-то внутри
атома, но в 1903 году Резерфорд
предположил, что все атомы имели обширный
энергетический запас, спрятанный внутри них.
Просто атомы урана и тория отдавали эту
энергию легче других, что делало их
особенными.
62
Но если внутри атомов существует
обширный запас энергии, то можно
предположить, что именно здесь таится разгадка
происхождения солнечной энергии. Уже в
1899 году американский геолог Томас Чем-
бсрлен A843 — 1928) высказал
предположение о существовании связи между
радиоактивностью и солнечной энергией.
Он предположил существование на
Солнце этого недавно обнаруженного источника
энергии (конечно, вовсе не обязательно
традиционно радиоактивного, но в миллионы
раз более мощного, чем химическая
энергия), благодаря которому Солнце выделяет
энергию миллионы лет без явных
физических изменений, как и уран, практически не
меняющийся со временем. Но тогда Солнце
вовсе не сжимается и не должно было
заполнять земную орбиту 25 миллионов лет тому
назад.
Возможно, нам все это кажется
удивительным. Но следует учесть, что в 1900 году
с j руктура атома была еще практически не
исследована и ученые только предполагали
существование этой новой энергии. Никто
не имел ни малейшего представления о том,
что собой представляет или чем может
являться атом, в котором размещается эта
энергия. Был повод говорить только о
существовании «внутри атома*- чего-то, что
впоследствии назвали «атомной энергией*-.
Благодаря устоявшейся традиции даже
сегодня говорят о Комиссии по атомной
63
энергии. И все же термин «атомная
энергия» представляется не очень удачным.
В первые десятилетия XX века стало
очевидно, что обычная химическая энергия
связана с перемещениями электронов, а
эти электроны — часть атома. Все
сказанное означало, что обычный огонь — также
разновидность атомной энергии.
Однако электроны существовали только
в открытых областях атома. С того времени,
когда Резерфорд разработал ядерную
теорию строения атома, не осталось сомнений,
что и радиоактивность, и солнечная
радиация связаны с неизвестными составными
частями атома, которые должны быть более
массивными и более подвижными, чем
легкие электроны. Следовательно, источник
этой энергии должен был находиться в
атомном ядре, поэтому все, что вовлечено в
радиоактивный процесс или что происходит на
Солнце, лучше обозначать одним и тем же
понятием «ядерная энергия». Это наиболее
подходящее название для следующего
раздела книги, в котором мы познакомимся с
историей исследования атомной энергии,
которая стала предметом пристального
интереса ученых в самом начале XX века. А менее
чем через полстолетия человечество было
поставлено перед дилеммой: хорошо это или
плохо.
, l/Koii Дальтон
Иёмг Якоб Ьсрцелиус
Майкл Фарадей
Дж.Дж. Томсои и своей лаборатории.
Справа первые рентгеновские снимки
Вильгельм Рентген
3Hlta»
1.ц'>оратория Рентгена в университете Вюрцбурга
Ганс Гс-йгер (слева) и Эрнест Ре:*ерфорд и Манчестерском
университете (примерно 1910 тд)
r«*
т,
>l>nrri Рс^орс^ор,'!
Мнрин Скдпдонгкаи-Кюри и дне ее дочери Нна (c./frttf) и Ирен
1 1ьер Кюри но время лекции A906 гол)
Чарльз r.ioiK-p
Ьаркла
Генри Гшш
Джеффорс Мшли
Нильс Бор
, [митрий Менделеев и Вогуслав Враунер в Праге в 1900 году.
Ьриунер был профессором химии в Богемском университете в
Праге
Аптуан Лоран Лаиуа^ьс и его жена
.'!;шуазье н своей лаборатории во время исследований воздуха.
( рисунка, сделанного мадам Лавуазье
Комната, в которой Кюри открыли радий. На заднем плане
доска с рабочими записями Кюри
AjiuCtvpT Маикелычш
I! нифгтателн первых ускорителей Триест 'Г.С Уолтом (слева)
ii , (жом 1\. Кокрофт (справа) с лордом ,'¦). Ре.к'рфордом (// центре)
ч КСмориджском университете в начале 1930-х годов
Иольфгалг Паул», читающим лекцию в Копенгагене (апрель
НШгода)
Лриеет О. Лоурепс держит и руках модель мерного циклотрона
(снимок 19.40 года)
Часть вторая
МАССА И ЭНЕРГИЯ
В 1900 году физики, наконец, осознали,
что внутри атома существует огромный,
практически неисчерпаемый запас энергии.
Первоначально казалось невозможным, что
абсолютная величина запаса энергии в
атоме в миллион раз превышала химическую
энергию. Однако после проведения серии
исследований, первоначально никак не
связанных с данной проблемой, этот вывод уже
не выглядел таким невероятным.
Предположим, что человек, стоящий на
платформе, движущейся со скоростью 20
километров в час, бросает по ходу движения
шар также со скоростью 20 километров в
час. Неподвижному наблюдателю, стоящему
на обочине, показалось бы, что шар
движется со скоростью 40 километров в час
(скорость броска суммируется со скоростью
шара).
Если бы шар бросали со скоростью 20
километров в час, но с платформы, движущей-
3 Л. Азимов
«Миры внутри миров»
65
ся навстречу неподвижному наблюдателю со
скоростью 20 километров в час, то ему шар
показался бы неподвижным. Он увидел бы,
что шар никуда не двигается, потому что
остается в руке бросавшего и затем падает на
землю.
Поэтому в XIX веке казалось вполне
естественным предположить, что точно так
же и свет не двигается. Известно было, что
он путешествует с огромной скоростью
порядка 300 000 километров в секунду, в то
время как Земля движется по своей
орбите вокруг Солнца со скоростью примерно
30 километров в секунду.
Очевидно, что, если луч света,
исходящий из некоего привязанного к Земле
источника, светил в направлении движения
Земли, его свет должен был двигаться со
скоростью 300 030 километров в секунду.
Если источник светил в направлении,
противоположном движению Земли, то свет от
него должен был двигаться со скоростью
299 970 километров в секунду.
Можно ли было заметить такую
небольшую разницу при столь огромной
скорости?
Американский физик Альберт Майкель-
сон A852 — 1931) изобрел интерферометр,
точный прибор, с помощью которого
можно было сравнивать скорости двух
пучков света с большой долей точности. В
1887 году Майкельсон и его помощник,
химик Эдвард Морли A838 — 1923) попы-
66
тались измерить относительные скорости
света, используя пучки света,
направляемые в разные стороны. Часть этой работы
была проведена в Американской морской
академии, а другая в Институте Кейза.
Результаты эксперимента Майкельсо-
на — Морли оказались неожиданными.
Оказалось, что скорость света всегда остается
постоянной. Не имело значения, каково
было направление луча, устремлялся ли
он в направлении движения Земли, в
противоположном или под каким-либо углом
относительно поверхности земли —
скорость света всегда оказывалась одной и
той же.
Объяснение этого явления предложил
немецкий ученый Альберт Эйнштейн
A879—1955), который в 1905 году
сформулировал положения специальной теории
относительности. Согласно точке зрения
Эйнштейна, скорость нельзя просто
добавить. Шар, брошенный вперед со
скоростью 20 километров в час человеком,
движущимся со скоростью 20 километров в
час в том же направлении, не станет
перемещаться со скоростью 40 километров в
час, как это может показаться
наблюдателю, находящемуся на дороге. Он будет
двигаться со скоростью немного меньшей
чем 40 километров в час, правда, отличие
настолько незначительно, что вряд ли
кому-то удастся заметить и тем более
измерить эту разницу.
67
Однако, когда скорость достигнет
десятков тысяч километров в час, различие станет
достаточно большим и его уже можно будет
измерить. При движении со скоростью,
приближающейся к скорости света,
являвшейся, как показал Эйнштейн, постоянной и
недостижимой величиной, разница
оказывается настолько огромной, что скорость
источника света, хотя и огромная,
добавляется к скорости света или вычитается из нее.
При таких скоростях наблюдаются и
другие эффекты. В соответствии с выводом
Эйнштейна, ни один предмет, обладающий
массой, не может двигаться быстрее
скорости света. Более того, если объект начинает
двигаться все быстрее и быстрее, его
величина в отношении движения (как будет
казаться неподвижному наблюдателю) становится
меньше и меньше, в то время как масса
продолжает расти.
Достигнув скорости 260 000 километров
в секунду, его длина в направлении
движения будет составлять половину той, что
имелась в состоянии покоя, а масса вдвое
превысит первоначальную. Достигнув
скорости света, его длина достигнет нулевой
отметки, в то время как масса станет
бесконечно большой.
Но возможно ли такое на самом деле?
Обыкновенные предметы никогда не
перемещаются так быстро, чтобы это
приводило к существенным изменениям их
длины и массы. Однако, когда речь идет о
68
субатомных частицах, двигающихся со
скоростью десятки тысяч километров, все
оказывается не так просто.
Немецкий физик Альфред Генрих Бухе-
рер A863—1927) сообщил в 1908 году, что
масса электрона, движущегося с огромной
скоростью, увеличивается именно так, как
было предсказано в гипотезе Эйнштейна.
Многочисленные исследования,
проведенные в последующие годы с достаточно
большой точностью, подтвердили
увеличение массы за счет энергии. Предложенная
Эйнштейном специальная теория
относительности была подтверждена во
множестве экспериментов и принята
современными физиками.
Из теории Эйнштейна были сделаны и
более далеко идущие выводы. Ученый
показал, что масса является формой энергии.
Он вывел их количественное соотношение
(«уравнение массы —энергии»), которое
выглядит следующим образом:
Е~тс2у
где Е — энергия, т — масса, с — скорость
света.
Если масса измеряется в граммах, а
скорость света в сантиметрах в секунду, то
равенство приведет к единице энергии,
названной эргом. Оказалось, что 1 грамм
массы равен 900 миллиардам миллиардов
эргов энергии. 1 эрг содержит совсем
немного энергии, но 900 миллиардов милли-
69
* • .• *•
Образовавшаяся
энергия
Уничтоженная
материя
(или масса
•. •. ,
• ¦ •
ардов — это уже весьма внушительное
количество.
Энергия 1 грамма массы может
обеспечить горение 100-ваттной лампочки на
протяжении 35 тысяч лет.
Значительная разница между массой и
соответствующей ей энергией многие годы
вызывала недоверие к соотношению,
выведенному Эйнштейном. Когда происходит
химическая реакция, также
высвобождается энергия, но масса материалов,
вступающих в реакцию, меняется очень
незначительно.
Предположим, в частности, что сожгли
галлон (около 4,5 литра) бензина. Он име-
70
ет массу 2800 граммов и, чтобы образовать
углекислый газ и воду, соединяется
примерно с 10 000 граммами кислорода,
выделяя при этом 1,35 миллиона миллиардов
эргов энергии. Этого количества энергии
достаточно, чтобы проехать на автомобиле
примерно 25 — 30 километров. Но,
согласно уравнению Эйнштейна, вся эта энергия
равна всего лишь миллионной доле
грамма. Это значит, что в ходе сгорания
масса 12 800 граммов исходных материалов
уменьшилась на эту самую миллионную
долю грамма, которая была отдана в
качестве энергии.
Никакой прибор, известный химикам
XIX века, не смог бы обнаружить такую
крошечную потерю массы по отношению к
огромному целому. Неудивительно, что
начиная со времен Лавуазье ученые считали,
что закон сохранения массы соблюдается
неукоснительно.
Радиоактивный распад атомов
сопровождается гораздо большим выделением
энергии, чем химические реакции, и средняя
потеря массы соответственно оказывается
выше. Потеря массы при распаде
радиоактивных элементов точно соответствует
выделению энергии в том количестве, как
предсказывал Эйнштейн.
После 1905 года физики перестали
рассматривать закон сохранения энергии, хотя
химики без проблем продолжали его
использовать, ибо при обычных химических реак-
71
циях исходная масса сохранялась. Они
стали говорить о законе сохранения энергии и
учитывать, что масса являлась только одной
и весьма концентрированной формой
энергии.
Уравнение массы — энергии точно
объяснило, почему атом мог содержать такой
огромный заряд энергии. И в самом деле,
удивительно, что в ходе радиоактивных
изменений выделялось так мало энергии. И все же,
когда атом урана постепенно менялся,
превращаясь в атом свинца, выделялось в
миллион раз больше энергии, чем при самых
интенсивных химических реакциях. Вся эта
огромная энергия, выделявшаяся в ходе
радиоактивного распада, составляла примерно
половину 1% всей энергии, которой была
эквивалентна масса атома урана.
После создания Резерфордом теории
строения атома стало ясно, что источник
энергии радиоактивности, скорее всего,
находится в атомном ядре, где сосредоточена
практически вся масса атома. Вот почему
физики сосредоточились на изучении ядра.
СТРУКТУРА ЯДРА
Протон
Еще в начале 1886 года Эжен Гольд-
штейн, изучавший катодные лучи, обратил
внимание и на лучи, что двигались в про-
72
тивоположном направлении. Поскольку
катодные лучи (состоявшие из
электронов) имели отрицательный заряд, он
предположил, что двигавшиеся в
противоположном направлении лучи должны были
мести положительный заряд. В 1907 году
Дж.Дж. Томсон назвал их
«положительными лучами».
После того как Резерфорд начал
исследовать внутреннюю структуру атома,
стало ясно, что положительные лучи — поток
атомных ядер, у которых отсутствует ряд
электронов. Эти ядра имели различную
величину.
Были ли эти ядра целыми — чем-то
ироде изотопов разных элементов? Или
состояли из некоторого числа более мелких
частиц, соединенных определенным
образом? Могло ли быть так, что ядра
обязаны своим положительным электрическим
зарядом частицам, похожим на электроны,
но обладающим не отрицательным, а
положительным зарядом?
Все попытки обнаружить этот
«положительный электрон» в ядре оказывались
тщетными. Самым маленьким было ядро
атома водорода, получавшееся при удалении
одного электрона. Это ядро имело один
положительный заряд, соответствующий по
величине заряду электрона. Однако ядро
водорода оказалось гораздо массивнее, чем
электрон. В результате опытов выяснилось,
что масса ядра водорода с одним положи-
73
Одян протон уравновешивает 1837 электронов
тельным зарядом примерно в 1837 раз
больше, чем электрон с его одним
отрицательным зарядом.
Можно ли выбить свободный
положительный заряд из массы ядер водорода?
Никому из физиков не удавалось это
сделать. В 1914 году Резерфорд понял, что
это невозможно. Он предположил, что
ядра водорода представляют собой
частицы, несущие положительный
электрический заряд, точно так же, как и электрон
являлся носителем отрицательного
электрического заряда. Резерфорд назвал ядра
водорода протоном от греческого слова
4первый», потому что они были ядрами
первого элемента.
Почему протон столь значительно
превосходит по массе электрон, и сегодня
остается одной из загадок физики.
74
Протонно-электронная теория
И все же как быть с ядрами остальных
химических элементов?
Все другие элементы обладали более
массивными ядрами, чем водород. Прежде
всего ученые предположили, что они состоят из
соответствующего числа протонов, тесно
связанных друг с другом. Например, ядра
гелия, имевшие массу в 4 раза большую, чем
ядра водорода, должны были состоять из
А протонов, ядра кислорода, превышавшие
но массе ядра водорода в 16 раз, должны
были состоять из 16 протонов и т. д.
Но эта гипотеза сразу же натолкнулась на
противоречия. Ядро гелия должно было
иметь массу, превышавшую массу ядра
водорода в 4 раза, но его электрический заряд
был +2. Если бы оно состояли из 4 протонов,
то заряд равнялся бы +4. Точно так же и
ядра кислорода должны были состоять из
16 протонов с зарядом +16, но на самом деле
их заряд равнялся +8.
Существовало ли нечто, что «гасило»
положительный электрический заряд?
Таким мог быть только отрицательный
электрический заряд, и его следовало искать в
электронах, единственной частице,
открытой к 1914 году1. Тогда некоторые ученые
1 Попытка исследовать структуру ядер обернулась
неудачей, но оказалась полезной, над теорией продолжали
работать в 20-х годах XX века. Несмотря на ошибочность
мшотезы, удалось добиться больших достижений в ядер-
75
предположили, что кроме протонов, ядра
способны содержать примерно половину
электронов. Электроны были настолько
легкими, что не могли серьезно повлиять
на саму массу, но могли уравновесить
часть положительных зарядов.
Таким образом, в соответствии с первой
гипотезой, позже оказавшейся неверной,
атомы гелия содержали не только 4
протона, но и 2 электрона. Тогда получалось,
что ядра гелия имели массу 4 и
электрический заряд (атомный номер) 4-2, или 2.
Такова была предпосылка для дальнейших
умозаключений.
Вместе с тем протонно-электронная
теория строения атомного ядра прекрасно
объясняла появление изотопов. В то
время как кислород-16 имел ядра,
состоявшие из 16 протонов и 8 электронов,
кислород-17 имел один из 17 протонов и 9
электронов, водород-18 — один из 18 протонов
и 10 электронов. Их массовые числа были
соответственно 16, 17 и 18, но атомный вес
был 16-8, 17-9 и 18-10 или 8 в каждом
случае.
И опять же уран-238 имел ядро,
состоявшее, согласно этой теории, из 238 протонов
и 146 электронов, в то время как уран-235
ной науке, поэтому, чтобы сохранить точность
исторического исследования, наблюдения перечислены ниже.
Современные же взгляды будут представлены в кратком
изложении, чтобы читатель сам мог увидеть, как меняются
точки зрения от первых предположений до окончательных
выводов.
76
имел ядро, состоявшее из 235 протонов и
143 электронов. В этих случаях атомное
число было соответственно 238-146 и 235-143
или 92 в каждом случае. Однако ядра двух
изотопов имели различную структуру, и
следовательно, неудивительно, что
радиоактивные свойства этих элементов,
определяемые их ядрами, должны были отличаться.
Так, период полураспада урана-238 должен
был в 6 раз превышать эту величину для
урана-235.
Обнаружение электронов в ядрах не
только объясняло существование изотопов,
но, похоже, и подтверждалось двумя еле-»
дующими суждениями.
Во-первых, было хорошо известно, что
одноименные заряды отталкивают друг
друга и это отталкивание проявляется тем
сильнее, чем ближе друг к другу
находятся заряды. Десятки положительно
заряженных частиц, сдавленные в
микроскопический объем атомного ядра, не могут
сохраняться вместе более чем на
крошечную долю секунды. Электрическое
отталкивание сразу же заставит их разлететься
в стороны.
В то же время противоположные
заряды притягиваются друг к другу, так,
протон и электрон могут притягивать каждый
по 2 протона (или 2 электрона),
отталкивающие друг друга. Отсюда следовал
вывод, что присутствие в ядре электронов и
протонов взаимно уравновешивает их и
77
приводит к тому, что в целом ядро
остается электрически нейтральным.
Во-вторых, при распаде радиоактивных
элементов атомы испускают бета-частицы.
Уровень заключенной в них энергии
доказывал, что они могли выходить только из ядер.
Поскольку бета-частицы являлись
электронами, становилось очевидно, что внутри
атомных ядер должны быть электроны.
А откуда вообще берется
радиоактивность? Протонно-электронная теория
строения атома позволяла объяснить природу
самого явления радиоактивности.
Чем сложнее структура ядра, тем больше
в нем должно находиться протонов и тем
сложнее удержать их вместе. Для этого
требуется все больше и больше
электронов. Наконец, когда общее число протонов
достигает 84, соответствующее количество
электронов уже не может стабилизировать
ядро.
Эта теория позволяла объяснить и
механизм распада ядра. Предположим, что
ядра испускают альфа-частицу. Согласно
этой теории, альфа-частицы представляют
собой атомы гелия, состоящие из 4
протонов и 2 электронов. Если ядро теряет
альфа-частицу, то его массовое число станет
снижаться и атомный номер изменится с 4
до 2, то есть станет равным 2. И
действительно, когда уран-238 (атомный вес 92)
отдает альфа-частицу, он превращается в
торий-234 (атомный номер 90).
78
Предположим, что атом испустил
бета-частицу. Бета-частица — это электрон, и, если
ядра теряют электрон, их массовое число
остается почти неизменным (электрон
обладает настолько небольшой массой, что по
сравнению с массой ядра ее можно не
учитывать). Но при излучении электрона
теряется часть отрицательного заряда.
Следовательно, один из протонов в ядрах, который
до этого был уравновешен электроном,
оказывается открытым. Его положительный
заряд добавляется к остальным, и атомный
номер поднимается на один пункт. Таким
образом, торий-234 (атомный номер 90)
выпускает бета-частицу и превращается в
протактиний-234 (атомный номер 91).
Если при распаде испускаются гамма-
лучи, у которых нет заряда, а масса
пренебрежимо мала, то ни массовое число, ни
атомный номер ядра не меняется, хотя
определенная часть энергии утрачивается.
Можно объяснить и более глубокие
изменения. В длинном процессе распада
уран-238 претерпевает множество
изменений и наконец становится свинцом-206.
Эти перемены включают эмиссию 8 альфа-
частиц и 6 бета-частиц. 8 альфа-частиц
связаны с потерей 8><4, или 32, в
массовом числе, в то время как излучение б бета-
частиц не приводит ни к каким
последствиям.
И действительно, массовое число урана-
238 возрастает до 32, и он превращается
79
в свинец-206. При этом 8 альфа-частиц
предполагают изменение в атомном
номере 8x2, или 16, в то время как 6
бета-частиц предполагают изменение в атомном
номере 6x1, или 6. Общие перемены
связаны с уменьшением 16-6, или 10. И уран
(атомный вес 92) превращается в свинец
(атомный номер 82).
Углубившись в детали, связанные с
протонно-электронной теорией строения
атома, мы показали, что она правомерно
привлекла внимание ученых. Теорию,
казавшуюся четкой и незыблемой, физики
использовали практически без изменений
на протяжении 15 лет.
И все же, как мы убедимся в
дальнейшем, она оказалась неверной, что весьма
поучительно. Даже самая лучшая теория
может оказаться в чем-то неверной и
нуждаться в пересмотре.
Протоны в ядрах
Несмотря на вышеизложенное, чтобы
показать некоторые открытия,
совершенные на протяжении 20-х годов XX века,
обратимся к терминологии
протонно-электронной теории, которая тогда была
принята.
Поскольку ядра элементов всегда
состояли из целого числа протонов, их
масса должна была составлять целое число,
80
поскольку за единицу принималась
масса одного протона (конечно, присутствие
электронов добавляло некоторую массу, но
для простоты рассуждения мы будем
пренебрегать ею).
Когда впервые обнаружили изотопы,
похоже, именно так и обстояло дело.
Однако Астон, продолжавший измерять
массу различных ядер более или менее точно
и течение всех 20-х годов на
масс-спектрометре, обнаружил, что она всегда немного
отличается от целых чисел. Как оказалось,
одно и то же число протонов имеет
различную массу в составе ядра и существуя
отдельно.
Используя современные стандарты,
массу протона определили как равную
1,000825. 12 отдельных протонов тогда
должны были иметь общую массу,
превышающую обозначенную в 12 раз, то есть
составляющую 12,0939. С другой стороны,
если 12 протонов были упакованы вместе
в ядре углерода-12, их масса
составляла 12, так что масса отдельных протонов
была равна 1,0000000. Чем же
объяснялось показанное нами различие в 0,007825
между изолированным протоном и
протоном как частью ядра углерода-12?
В соответствии с особой теорией
относительности Эйнштейна, отсутствующая
масса должна была проявиться в форме
энергии. Следовательно, при соединении
12 ядер водорода (протона) и 6 электро-
81
нов, чтобы они образовывали ядро
углерода, должно быть затрачено значительное
количество энергии.
Астон обнаружил, что при образовании
все более и более крупных ядер все
большая часть массы превращается в энергию
(хотя и не вполне пропорционально), пока
не достигнет максимума для атомов,
подобных железу.
Самый распространенный из всех
изотопов железа железо-56 имеет массовый
номер 55,9349. Следовательно, каждый из
его 56 протонов обладает массой 0,9988.
Для более сложных, чем у железа, ядер
протоны в ядрах становились еще более
массивными. Так, например, уран-238 обладал
массой 238,0506, следовательно, каждый из
238 протонов, что он содержал, обладал
массой 1,00002.
К 1927 году Астону удалось объяснить,
что именно атомы средних элементов,
располагавшиеся по соседству с железом,
наиболее тесно и рационально
организованы. Если очень массивное ядро
разбивалось на некие более легкие ядра,
упаковка протона оказывалась более прочной
и некоторая масса превращалась в
энергию. Похожим образом, если очень легкое
ядро соединялось с неким более
массивным ядром, некоторая масса
превращалась в энергию.
Все сказанное свидетельствовало о том,
что при любом перемещении по списку
82
атомов, расположенных в соответствии с
атомным числом, высвобождается энергия,
как и при радиоактивном распаде, когда
более массивное ядро разбивалось на
несколько меньших.
Предположим, что уран-238 отдает 8
альфа-частиц и 6 бета-частиц, превращаясь в
свинец-206. Ядро урана-238 имеет массу
238,0506, каждая альфа-частица 4,0026 (все
вместе — 32,0208), каждая бета-частица
имеет массу 0,00154 (все вместе - 0,00924), а
свинец-206 имеет массу 205,9745.
Все это означает, что ядро урана-235
(масса 238,0506) разделяется на 8 альфа-
частиц, 6 бета-частиц и ядро свинца-286
(общая масса 238,0045). Начальная масса
оказывается в 0,0461 больше, чем
конечная масса свинца, и именно эта пропавшая
масса, которая превращается в энергию,
порождает энергию гамма-лучей и
скорость, с которой испускаются альфа- и
бета-частицы.
Ядерная бомбардировка
Как только ученые поняли, что
существует энергия, которая становится
доступной, когда один вид ядер меняется на
другой, перед ними встал вопрос, может
ли человек вызывать и регулировать
подобные изменения, могут ли они
становиться источником полезной энергии,
83
причем такой, о которой раньше не могли
и мечтать.
Химическую энергию можно было легко
вызывать и контролировать, поскольку она
обусловлена изменениями электронов на
внешних оболочках атомов. Скажем, подняв
температуру системы, можно заставить
атомы двигаться с большей скоростью и
сильнее сталкиваться друг с другом. Теплового
воздействия вполне хватало на то, чтобы
принудить электроны перемещаться
быстрее. Одновременно создаются условия для
возникновения химической реакции,
которая не могла бы произойти при низких
температурах.
Вызвать ядерную реакцию, то есть
раскачать протоны внутри ядер, значительно
сложнее. Они гораздо более массивны,
чем электроны, и соответственно труднее
приходят в движение. Более того, они
находятся в самой глубине атома. Физики
20-х годов не располагали средствами для
такого повышения температуры, которое
могло бы заставить атомы столкнуться
друг с другом и сбить ядра с их обычных
мест.
Проникнуть в глубины атома могли
только субатомные частицы, разогнанные до
определенной скорости. Уже в 1906 году
Резерфорд использовал поток
альфа-частиц, испускавшихся радиоактивным
веществом, чтобы бомбардировать золото, и
показал, что иногда эти альфа-частицы от-
84
клонялись атомными ядрами. Фактически, с
помощью проведенного им эксперимента,
ученый впервые показал, что атомные ядра
действительно существуют.
Резерфорд продолжал свои
эксперименты с бомбардировкой ядра. При
столкновении с ядром альфа-частица могла передать
ему свою энергию и отправить его вперед
наподобие одного бильярдного шара,
ударяющего по другому шару. Вылетавшие
таким образом ядра вызывали при
столкновении с веществом свечение
(сцинтилляцию). По его интенсивности стало ясно,
что одна альфа-частица могла выбивать
несколько ядер, каждое из которых
давало искрение.
В 1919 году Резерфорд бомбардировал
альфа-частицами азот и обнаружил, что он
получил такое же свечение, как и
бомбардируемый этими частицами водород.
Значит, при бомбардировке, полагал
Резерфорд, из ядер азота также выбивались
протоны. Действительно, как было
открыто позже, Резерфорд произвел
превращение ядра азота в ядро кислорода.
Именно так впервые в истории человек
смог осознанно изменить структуру
атомных ядер.
Продолжив свои опыты, в 1924 году
Резерфорд показал, что альфа-частицы
можно использовать, чтобы выбивать протоны
из ядер практически всех элементов вплоть
до калия (атомный номер 19).
85
Однако оказалось, что возможности
альфа-частиц как средства бомбардировки ядер
ограничены.
Во-первых, использовавшиеся для
бомбардировки альфа-частицы, как, впрочем, и
атомные ядра, были заряжены
положительно. Это означало, что альфа-частицы и
атомные ядра отталкивали друг друга и большая
часть энергии альфа-частиц использовалась
для того, чтобы преодолеть силу
отталкивания. У массивных и сверхмассивных ядер
положительный заряд был больше,
отталкивание становилось сильнее, и для элементов
с большими, чем у калия, атомами
преодолеть силу отталкивания было невозможно,
даже для самых быстродвижущихся альфа-
частиц.
Во-вторых, альфа-частицы двигались
лишь в общем направлении к мишени, а не
были направлены прямо на ядро. Ядра и
альфа-частицы могли столкнуться только
случайно. К тому же служащие мишенью
ядра настолько малы, что большинство
бомбардирующих их частиц пролетало
между ними. Позже подсчитали, что при
проведенной Резерфордом бомбардировке
азота только 1 альфа-частица из 300 000
ухитряется поразить ядро азота.
Результат очевиден. Существует энергия,
которую можно извлечь в ходе ядерной
реакции, но существует и энергия, которую
необходимо затратить, чтобы вызвать эти
ядерные реакции. В случае ядерной бомбар-
86
о
у
х х
о о
(Xfc
х
о
X
о
а.
5S
та
« с*
S У
с-е-
ч
<§>
дировки субатомными частицами (а это
единственный способ, с помощью которого
можно вызвать ядерные реакции)
затрачиваемая энергия во много раз превосходит ту
энергию, что может быть извлечена. Вот
почему такое множество субатомных частиц
используют свою энергию для ионизации
атомов, выбивая из них электроны, и
никогда не вызывают ядерных реакций.
Все выглядело так, будто для того,
чтобы зажечь свечу, нужно было потратить
30 000 спичек, зажигая их одну за другой.
Понятно, что в этом случае применение
свечей оказывалось неэффективным.
На самом деле драматическим
результатом бомбардировки альфа-частицами
оказалось то, что она не имела ничего общего с
производством энергии, скорее наоборот —
в ходе ядерной реакции поглощалось
больше энергии, чем образовывалось.
Подобные результаты были впервые
получены в 1934 году, когда французская
супружеская пара физиков Фредерик Жолио-
Кюри A900-1958) и Ирен Жолио-Кюри
A897 — 1956) стали бомбардировать альфа-
частицами алюминий-27 (атомный номер
13). Они хотели соединить альфа-частицу с
ядрами алюминия-27, чтобы образовать
новое ядро с атомным номером на две
единицы выше A5) и массовым числом на 3
единицы выше C0).
Элемент с атомным номером 15 — это
фосфор, состоящий из фосфора-30. Един-
88
rr венный изотоп фосфора, который
встречается в природе, — фосфор-31. Фосфор-
ЛО оказался первым элементом, созданным
человеком, он был произведен в ходе
химических реакций, проведенных в
лаборатории.
Фосфор-30 не встречался в природе,
потому что количество энергии в нем было
слишком высоким, чтобы он оставался
стабильным. Содержавшаяся в нем энергия
выделялась посредством испускания частиц,
в результате чего его ядра переходили в
стабильное состояние, то есть в кремний-30
(атомный номер 14). Это был пример искус-
спинной радиоактивности.
Начиная с 1934 года посредством
различных видов бомбардировки
альфа-частицами в физических лабораториях
разных стран мира были получены тысячи
ядер, не существовавших в природе. И
каждый из этих элементов оказывался
радиоактивным.
Ускорители частиц
Можно ли было каким-нибудь способом
сделать бомбардировку ядер более эффек-
i ииной и увеличить возможность
получения полезной энергии в ходе ядерных
реакций?
В 1928 году американский физик
русского происхождения Георгий Гамов A904 —
89
1958) предположил, что вместо
альфа-частиц для бомбардировки ядер можно
использовать протоны. Правда, протоны были
вчетверо легче альфа-частиц и
соответственно столкновение оказывалось менее
эффективным. В то же время протоны обладали
только половиной положительного заряда
альфа-частиц и не должны были столь же
сильно отталкиваться ядрами. Кроме того,
протоны оказались более доступными, чем
альфа-частицы. Чтобы получить
достаточное число протонов, нужно было всего лишь
ионизировать самые распространенные
атомы водорода, то есть избавить их от одного
электрона, оставив один протон.
Конечно, протоны, получаемые путем
ионизации атомов водорода, обладали
незначительной энергией, но существовал ли
способ наделить их большей энергией?
Протоны несли положительный заряд,
следовательно, на них можно было влиять
электрическим или магнитным полем. С
помощью устройства, вырабатывающего
подобные поля, можно было разгонять
протоны, заставляя их двигаться все
быстрее и быстрее и таким образом
приобретать все больше и больше энергии.
В конце концов, если сообщить
протонам достаточно энергии, то они могли
вызвать внутри атома большие разрушения,
чем альфа-частица, несмотря на то что
первая обладала большей массой. По всем
вышеуказанным причинам протоны были
90
X
о
а
X
т
О
О
о
о
а
С
О
о
а.
3
Я У
с:
л
более интересным средством
бомбардировки ядер, чем электроны.
Физики пытались построить
«ускорители» частиц. Первый образец такого
устройства представили в 1929 году два
британских физика, Джон Кокрофт A897—1967) и
Эрнест Уолтон A903—1995). Посредством
их прибора, получившего название
«электростатический ускоритель»,
образовывались протоны, обладавшие достаточно
высокой энергией, чтобы вызывать ядерные
реакции. В 1931 году физики использовали
ускоренные протоны, чтобы разрушить ядра
лития-7. Это оказалась первая ядерная
реакция, вызванная искусственными
бомбардирующими частицами.
В то же время были разработаны и
другие типы ускорителей частиц. Самым
известным стал ускоритель, построенный в
1930 году американским физиком
Эрнестом Орландо Лоуренсом A901 — 1958). В
нем использовался магнит, заставлявший
протоны двигаться по постепенно
расширяющейся окружности, приобретая
энергию с каждым оборотом, пока наконец они
не начинали двигаться, не подчиняясь
влиянию магнита, по прямой с
максимальной энергией. Такой прибор был назван
«циклотроном».
Циклотрон быстро усовершенствовали,
используя большие магниты и более
сложное устройство. Первый циклотрон имел
диаметр всего лишь четверть метра, в то вре-
92
ф Нейтрон О Протон
Бомбардировка лития-7 протонами оказалась первой
ядерной реакцией, вызванной искусственными частицами
мя как диаметр современного прибора
достигает 2000 метров. Протонные
синхротроны (потомки того первого циклотрона)
производили частицы, энергия которых в
миллион раз превышала энергию тех, что
образовывались с помощью первого
циклотрона Лоуренса.
По мере того как увеличивались размеры,
ускорители становились более
эффективными и мощными и, соответственно, более
полезными для изучения структуры ядер и
природы самих субатомных частиц. Однако
они не способствовали тому, чтобы
превратить в реальность мечту о полезной ядерной
энергии. Хотя в них освобождалась ядерная
реакция значительно большая, чем та, что
получалась в ходе первоначальных бомбар-
93
дировок Резерфорда, все же гораздо
большая энергия требовалась для производства
частиц.
Неудивительно, что Резерфорд, первым
проведший ядерную бомбардировку,
пессимистически смотрел на атомную энергетику.
До конца своих дней (он умер в 1937 году)
он полагал, что никогда не удастся
освободить энергию ядер и применить ее для нужд
человечества. Поэтому он считал
бесполезной болтовней разговоры о промышленном
применении ядерной энергии.
НЕЙТРОН
Ядерный спин
Резерфорд не учитывал (впрочем, и не
мог учесть) последствия совершенно новой
бомбардировки, связанной с еще не
открытой в 1920-х годах частицей (хотя и
предполагал, что она существует).
Новое направление утвердилось после
того, как неохотно, но все же признали,
что в столь тщательно разработанной про-
тонно-электронной теории строения атома
существует пробел.
Поводом для сомнений стало явление,
получившее название «ядерный спин». В
1924 году австрийский физик Вольфганг
Паули выдвинул гипотезу, что свободные
протоны и электроны ведут себя так, буд-
94
то они вращаются вокруг своей оси. Это
вращение (названное спином) могло
происходить в любом направлении (с востока
на запад или с запада на восток).
Квантовая теория показывает, что каждая
частица обладает угловым моментом спина.
Протон и электрон имели спин х/г Если
частица вращалась в одном направлении,
то ее спин составлял +1/2» если в другом,
то соответственно ~'/г
Когда субатомные частицы собирались
вместе, образовывая атомные ядра, каждая
из них сохраняла свой природный спин, и
ядерный спин оказывался тогда равным
сумме моментов количества движения,
которое имели отдельные частицы.
В частности, предположим, что ядра
гелия состоят из 4 протонов и 2 электронов,
как и считали в 20-х годах.
Предположим также, что из 4 протонов 2 имеют
спин +,/2 и два ~V2. Предположим и то,
что существуют 2 электрона, один
обладающий спином +У2 и один "V2. Спины
уравновесят друг друга, общее угловое
движение составит 0.
Конечно, возможно, что все 6 частиц
вращаются в одном направлении, имея
+V2 или -1/г В этом случае ядерный
спин будет 3 в одном направлении или в
другом. Если 5 частиц вращаются в одном
направлении и 1 частица в другом, то
общий спин будет составлять 2, в одном
направлении или в другом.
95
Короче говоря, если в ядрах
содержится четное число частиц, со спином +х/2
или — х / v т0 общий спин составляет ноль
или целое число, не важно, какую
комбинацию положительных или отрицательных
спинов вы выбираете. Общий спин всегда
пишется как положительное число.
Однако предположим, что вы имеете
дело с литием-7, который, как считали,
состоит из 7 протонов и 4 электронов. Если
7 протонов все были +V2, a 4 электрона
все -!/2 в своих спинах, то ядерный спин
окажется равным 7/2 ~ V2 =3/2-
Если в ядрах имеется нечетное число
частиц, то оказывается, что любое сочетание
положительных и отрицательных спинов
никогда не даст ни нуля, ни целого числа.
Сумма всегда будет выражаться дробью.
Следовательно, если измерить спин
какого-либо атомного ядра, то можно
установить, четное или нечетное число частиц
содержится в нем.
Сделанные Паули выводы тотчас
породили новую проблему. Ядерный спин
изотопа азот-14 измерялся все с большей
точностью и оказался равным 1. Не
приходилось сомневаться в полученных
результатах, и, следовательно, пришли к выводу,
что в ядрах азота-14 содержится четное
число частиц.
Но, согласно протонно-электронной
теории, атомы азота-14 с массовым числом
14 и атомным номером 7 должны были со-
96
стоять из 14 протонов и 7 электронов
общим числом 21 частица (нечетное число).
Ядерный спин азота-14 указывает на
четное число, а протонно-электронная
теория на нечетное число. Следовательно,
одно из предположений было ошибочным,
но какое именно? Ядерный спин появился
в результате конкретных измерений,
которые можно было повторить, и поэтому все
согласились с полученными результатами.
Протонно-электронная теория была лишь
удобной гипотезой, поэтому ее и стали
оспаривать.
Что же было сделано?
Предположим, что протоны и
электроны, находящиеся внутри ядер, нельзя
было рассматривать как отдельные
частицы. Тогда возможно ли, чтобы электрон и
протон, принужденные к тесному
контакту внутри атомного ядра, могли
благодаря силе взаимного притяжения так тесно
сомкнуться, что их принимали за единую
частицу? Одним из тех, кто в далекие
1920-е годы выдвинул подобную гипотезу,
оказался Э. Резерфорд.
Такое протонно-электронное соединение
должно было оставаться электрически
нейтральным, и в 1921 году американский
химик Уильям Харкинс A873 — 1951)
использовал для его наименования термин
«нейтрон».
Если в свете этой теории посмотреть на
азот-14, то окажется, что он состоит не из
4 А. Азимов
«Миры внутри миров»
97
14 протонов и 7 электронов, но из 7 про*
тонов и сочетания из 7 протонов и
электронов. Вместо общей суммы 21 частица
должно получиться 14, вместо нечетного
номера четный. Структура теперь станет
соответствовать ядерному спину.
Но как же заставить проявиться уточнен-
ную теорию ядерной структуры? Похоже,
что имела смысл только протонно-электрон-
ная теория, поскольку было известно, что
как протоны, так и электроны могли
существовать отдельно и их можно было
определить. Если также существовала внутренняя
протонно-электронная комбинация, можно
ли было заставить ее существовать за
пределами ядер, определить как изолированную
частицу?
Обнаружение нейтрона
На протяжении 1920-х годов ученые
вели: поиски нейтрона, но они никак не
увенчивались успехом.
Главная проблема заключалась в том, что
эта частица была электрически нейтральной.
Субатомные частицы можно было
определить различными способами, но в каждом
отдельном случае (сохранившем свою
надежность и в настоящее время)
использовался их электрический заряд. Благодаря
ему движущиеся частицы или
отталкивались, или притягивались. В любом случае
98
электроны выбивали атомы, которые
сталкивались с движущимися субатомными
частицами.
Атомы с выбитыми электронами
становились положительно заряженными
ионами. Вокруг этих ионов могли
формироваться капельки влаги, образовываться
пузырьки газа или наблюдались вспышки
света, и путь частицы можно было
проследить по следу, который оставляли ионы.
Хотя гамма-лучи не несли никакого
заряда, они представляли собой форму волны,
способной ионизировать атомы.
Все те частицы и лучи, что могли
оставлять за собой различимый след ионов,
назывались ионизирующим излучением,
которое было легко выявить.
Однако предполагаемое протонно-элект-
ронное сочетание не было ни волной, ни
заряженной частицей, а следовательно, не
могло ионизировать атомы. Нейтроны
должны были проходить среди атомов, не
отталкивая и не притягивая электроны и,
следовательно, оставляя их невредимыми.
Их путь нельзя было проследить. Короче
говоря, нейтрон оставался невидимым и его
поиски казались напрасной тратой времени.
И пока его не нашли, протонно-электронная
теория ядерной структуры, несмотря на ее
очевидную несоотнесенность с ядерным
спином, все же оставалась рабочей гипотезой.
Наконец, наступил 1930 год. Немецкий
физик Вальтер Бете A891 — 1957) и его
99
помощник Генрих Беккер бомбардировали
альфа-частицами легкий металл бериллий.
Они ожидали, что в результате подобного
столкновения должны были появиться
протоны, но ничего похожего не случилось.
Вместе с тем ученые отметили
существование некоего вида излучения, которое
появлялось одновременно с тем, как альфа-
частицы бомбардировали бериллий, и не
сохранялось после того, как произошла
бомбардировка.
Для того чтобы каким-то образом
определить свойства этого излучения, Бете и
Беккер попытались поставить на его пути
разные предметы. Они обнаружили, что
это излучение отличается удивительной
проницаемостью. Оно могло проходить
даже через несколько сантиметров свинца.
В то время единственной известной
формой излучения, получаемого при
бомбардировке материи, которое могло проходить
через толстый слой свинца, были гамма-
лучи. Поэтому Бете и Беккер решили, что
они вызвали гамма-лучи, и написали об
этом в своих научных сообщениях.
В 1932 году супруги Жолио-Кюри
повторили эксперименты Бете — Беккера и
получили те же самые результаты.
Однако среди других объектов они поставили на
пути нового излучения парафин, который
состоял из легких атомов углерода и
водорода. К их удивлению, из парафина были
выбиты протоны.
100
Поскольку до них подобные
эксперименты с гамма-лучами не проводились,
Жолио-Кюри не задумались над тем, что
данное излучение могло быть чем-то
другим. Они просто сообщили, что
обнаружили еще одно действие гамма-лучей на
вещество.
Английский физик Джеймс Чедвик
A891 — 1974) думал иначе. В том же
самом году он установил, что гамма-лучи, не
имеющие массы, не обладают
кинетической энергией, позволявшей сдвинуть
протон с его места в атоме. Даже электрон
был слишком легким, чтобы совершать
подобное действие. Он не мог сдвинуть
протон с места, как шарик для
настольного тенниса не может заставить двигаться
бейсбольный мяч.
Следовательно, любое излучение,
способное выбить протон из атома, должно
состоять из достаточно массивных частиц.
Если согласиться с этим
предположением, то излучение, впервые обнаруженное
Бете — Беккером, должно было состоять из
протонно-электронных комбинаций. Для
их обозначения Чедвик использовал
термин, данный Харкинсом, и добился его
официального признания. Он получил
деньги для опытов по обнаружению
нейтрона.
В результате своих экспериментов Чед-
нику удалось установить массу нейтрона,
и к 1934 году стало ясно, что нейтрон ока-
101
зался более тяжелым, чем протон.
Новейшие исследования позволили установить
массу протона в 1,007825, а масса
нейтрона оказалась чуть больше и составила
1,008655. За открытие нейтрона Чедвик
получил Нобелевскую премию по физике
1935 года.
Тот факт, что нейтроны были почти
такими же тяжелыми, как протоны,
позволил предположить, что нейтрон
представлял собой сочетание протона и электрона.
Логичным показался и тот факт, что
отдельный нейтрон периодически
разбивался, отдавая электрон и превращаясь в
протон. Из большого числа нейтронов
половина превращалась в протоны примерно
за 12 минут.
И все же, хотя в каком-то смысле мы
можем говорить о связи нейтрона с про-
тонно-электронной комбинацией, на самом
деле он не является таковой. Нейтрон
имеет спин в х/ v в то время как про-
тонно-электронное сочетание имеет спин
или 0, или 1. Следовательно, нейтрон
должен рассматриваться как отдельная
незаряженная частица.
Протонно-нейтронная теория
Сразу же после открытия нейтрона
немецкий физик Вернер Карл Гейзенберг
A901 — 1976) пришел к выводу, что ядра
102
должны состоять из протонов и нейтронов,
а не из протонов и электронов. На
основании последней гипотезы оказывалось легко
перейти к первой, если принимали в расчет,
что необходимо было просто уравновесить
электроны в ядре с помощью протонов и
передать те же самые нейтроны для новых
соединений.
Получалось, что ядра гелия-4,
состоявшие из 4 протонов и 2 электронов, на
самом деле состоят из 2 протонов и 2
нейтронов. Точно так же и ядра кислорода-16
вместо того, чтобы состоять из 16 протонов
и 8 электронов, должны были состоять из
8 протонов и 8 нейтронов.
Протонно-нейтронная теория прекрасно
соответствовала массовым числам и
атомным номерам. Если ядра состояли из х
протонов и у нейтронов, атомный номер
оказывался равным х, а массовое число
х+у (скорее всего, можно определить
массовое число ядер в современных терминах.
Это число протонов плюс нейтроны в
ядрах).
Не менее четко протонно-нейтронная
теория ядерной структуры
соответствовала изотопам. Предположим, что у нас
имеется 3 изотопа кислорода — кислород-16,
кислород-17 и кислород-18. У первого
из них ядро, состоящее из 8 протонов и
8 нейтронов, во втором будет 8 протонов
и 9 нейтронов, третье будет состоять из
8 протонов и 10 нейтронов. В каждом слу-
103
чае атомный вес останется равным 8, но
массовое число будет соответственно 16,
17 и 18.
Точно так же и уран-238 состоит из ядер,
построенных из 92 протонов и 146
нейтронов, в то время как ядро урана-235 будет
состоять из 92 протонов и 143 нейтронов.
На основе данной теории возникает
предположение, что нейтроны, а не
электроны удерживают вместе протоны вопреки
существующей между ними отталкивающей
силе и что по мере возрастания массы ядер
требуется все больше и больше нейтронов.
Вначале требовалось примерно равное
количество нейтронов и протонов. Ядро ге-
лия-4 содержало 2 протона и 2 нейтрона,
углерода-12 соответственно 6 протонов и
б нейтронов, кислорода-16 — 8 протонов и
8 нейтронов и так далее.
Для более сложных ядер потребовались
дополнительные нейтроны. Ядра ванадия-
51 содержат 23 протона и 28 нейтронов, на
5 больше, чем общая сумма. В ядрах вис-
мута-209 находится 83 протона и 126
нейтронов, то есть на 43 больше, чем общая
сумма. В еще более массивных ядрах,
содержащих большее число протонов, даже
большое количество нейтронов не могло
обеспечить стабильность. Именно поэтому
все элементы с более тяжелыми ядрами
радиоактивны.
Данная теория объясняла и явление
радиоактивного распада. Предположим, что
104
ядро отдает альфа-частицу. Альфа-частица
представляет собой ядро гелия, состоящее
из 2 протонов и 2 нейтронов. Если ядра
теряют альфа-частицу, их массовое число
должно снижаться до 4, а атомный номер
на 2, как и происходит на самом деле.
Предположим, что ядро отдает
бета-частицу. Это может показаться
удивительным. Откуда происходит бета-частица,
если ядра содержат только протоны и
нейтроны, но в них нет электронов? Явление
поддается объяснению, если считать, что
нейтроны являются протонно-электронны-
ми соединениями. Внутри множества ядер
нейтроны совершенно стабильны и не
разделяются, как это происходит с ними в
свободном состоянии. Но в некоторых
случаях они могут разделяться, и тогда
образуются бета-частицы.
Таким образом, получается, что ядро то-
рия-234 состоит из 90 протонов и 144
нейтронов. Одно из этих ядер можно
рассмотреть как разбивающееся для того, чтобы
освободить электрон и оставить
несвязанный протон. Если в ходе обозначенного
действия бета-частица выходит из ядра,
количество нейтронов изменяется на один,
равно как и число протонов. Ядра тория-234
(90 протонов, 144 нейтрона) становятся
ядрами протактиния-234 (91 протон, 143
нейтрона).
Короче говоря, протонно-нейтронная
теория ядерной структуры может объяснить
105
не только все явления, наблюдаемые в
экспериментах, но и ядерные спины, в то
время как протонно-электронная теория не
в состоянии сделать этого. Более того, в
ходе исследований удалось обнаружить
изолированный нейтрон.
Поэтому протонно-нейтронная теория
была принята.
Ядерное взаимодействие
Только с одной точки зрения теория
протонов-нейтронов казалась несколько
слабее, чем теория протонов-электронов.
Считали, что электроны в ядрах
действуют наподобие клея, удерживающего
вместе протоны.
Но электроны испускались атомами,
при этом они вовсе не уносили с собой
отрицательный заряд, оставляя в ядрах
только положительно заряженные
протоны и незаряженные нейтроны. Например,
в ядре атома висмута-209 находятся 83
положительных заряда, сжатые вместе и не
разбивающиеся на части.
Являлось ли присутствие электронов
именно тем фактором, что удерживал
протоны вместе?
Оказывалось ли возможным, чтобы
электрическое отталкивание 2 протонов
замещало притяжение, если эти электроны были
достаточно сильно притянуты друг к другу?
106
Имели ли место как притяжение, так и
отталкивание, причем последнее оказывалось
более значимым при очень небольшом
расстоянии? Если это так, то гипотетически
предполагаемое притяжение могло иметь
два свойства.
Во-первых, сила этого притяжения
оказывалась необычайно мощной. Такой, что
могла преодолеть отталкивание двух
положительных зарядов, расположенных очень
близко. Во-вторых, ее действие
проявлялось только на очень небольшом
расстоянии, поскольку вне ядер, то есть между
свободными протонами, не наблюдалось
никакого притяжения.
Кроме того, эта сила должна была
действовать и на нейтроны. Ядра водорода-1
состояли из одного протона, но все ядра,
содержавшие более чем 1 протон, должны
были также содержать, поддерживая
собственную стабильность, более чем 1 протон
и определенное количество нейтронов.
До открытия нейтронов физики знали
только два вида такой силы или
взаимодействий: силу гравитации и
электромагнитную силу. Электромагнитная сила во
много раз превышала силу гравитации,
она была в триллионы и триллионы раз ее
сильнее.
Однако электромагнитная сила
включала как притяжение (между
противоположными электрическими зарядами), так и
отталкивание (подобных электрических
107
зарядов или магнитных полюсов). Если
речь шла об обычных телах, то
притяжение и отталкивание уравновешивали друг
друга.
Вместе с тем сила гравитации
включала в себя только притяжение и изменялась
вместе с массой. Если речь шла о
гигантских массах, таких, как масса Земли или
Солнца, сила гравитации между ними и
другими телами оказывалась огромной.
Как гравитационные, так и
электромагнитные взаимодействия являются даль-
нодействующими. Интенсивность каждого
взаимодействия обратно пропорциональна
квадрату расстояния. Если удвоить
расстояние между Землей и Солнцем, то сила
гравитационного взаимодействия уменьшится
вчетверо. Если расстояние увеличивается в
10 раз, то гравитационное взаимодействие
уменьшится в 100 раз. Гравитационное и
электромагнитное взаимодействие может
ощущаться на протяжении миллионов миль
космоса.
Но теперь, после принятия протонно-
нейтронной теории строения ядра, физики
начали задумываться о существовании еще
одного вида, так называемого «ядерного
взаимодействия», гораздо более
мощного, чем электромагнитное взаимодействие,
возможно превосходящего его в 130 раз.
Более того, ядерное взаимодействие
должно было очень быстро угасать по мере
удаления, гораздо быстрее, чем это проис-
108
ходило при электромагнитном
взаимодействии.
В этом случае протоны, находившиеся в
подвижном взаимодействии внутри ядер,
должны были притягиваться друг к другу,
но если расстояние между ними
увеличивалось настолько, что они оказывались вне
ядер, то интенсивность ядерного
взаимодействия уменьшалась аналогично
электромагнитному отталкиванию. Теперь протон
отталкивался положительным зарядом
ядер и мог улететь прочь. Вот почему
атомное ядро оказывалось таким
крошечным, что могло удерживаться только
благодаря ядерному взаимодействию.
В 1932 году Гейзенберг попытался
выяснить, как могут происходить подобные
взаимодействия. Он предположил, что
притяжение и отталкивание есть результат
действия неких частиц, которыми
постоянно и быстро обмениваются тела,
испытывающие притяжение и отталкивание. При
определенных условиях эти
«обменивающиеся частицы», очень быстро
двигающиеся назад и вперед между двумя телами,
могут отталкивать эти тела в сторону, а
при других условиях притягивать тела
друг к другу.
Если речь шла об электромагнитном
взаимодействии, похоже было, что
обменивающиеся частицы были «фотонами»,
волновыми пакетами, из которых состоят
гамма-лучи, рентгеновские лучи или даже
109
обыкновенный свет (все вместе они
являлись примерами * электромагнитного
излучения»). Гравитационное взаимодействие
могло быть результатом действия
обменных частиц, называемых «гравитонами». В
1969 году появились сообщения, что
гравитоны удалось наконец обнаружить.
Как фотон, так и гравитон имели
нулевую массу покоя, а о связи между ними
свидетельствовала зависимость
электромагнитного и гравитационного взаимодействия
от расстояния. Для ядерного
взаимодействия, которое очень быстро уменьшалось
с ростом расстояния, обменные частицы
(если и были таковые) должны были
обладать массой.
В 1935 году японский физик Хидэки
Юкава A907 — 1981) разработал
детальную теорию ядерных взаимодействий. Он
хотел определить, какая часть (от одной
частицы) участвует в ядерном
взаимодействии. Юкава решил, что частица должна
обладать массой, превышающей ту, что
была у электрона, примерно в 250 раз, что
составляло около J/7 массы протона.
Поскольку эта масса располагалась между
массой электрона и протона, частицы со
временем получили название мезоны (от
греческого слова, означающего
«взаимодействовать»).
Как только Юкава опубликовал свою
теорию, начались поиски предполагаемых
мезонов. Коль скоро они существуют внут-
110
ри ядер, передвигаясь назад и вперед
между протонами и электронами, следовало
найти возможность выбить их из ядер и
начать изучать по отдельности. К
сожалению, все частицы, имевшиеся в
распоряжении физиков в 1930-х годах, не обладали
достаточной энергией, чтобы выбить
мезоны из ядер, даже если допустить, что они
находились на их поверхности.
Оставалось только одно решение. В
1911 году австралийский физик Виктор
Френсис Гесс A883—1964) обнаружил,
что Земля подвергается постоянному
воздействию космических лучей. Они
состояли из двигающихся атомных ядер
(космических частиц), обладавших огромной
энергией, в миллиарды раз
превосходившей энергию любой элементарной
частицы. Если космическая частица,
обладавшая достаточной энергией, сталкивалась в
атмосфере с атомным ядром, то она
вполне могла выбить из него мезоны.
В 1936 году американский физик Карл
Андерсон и Сет Неддермейер, изучавшие
результаты бомбардировок материи
космическими лучами, выявили существование
частиц, обладавших промежуточной
массой. Частица оказалась легче, чем
предполагал Юкава, она была только в 207 раз
массивнее, чем электрон. Но частица не
имела других характеристик,
предсказанных Юкавой. Она не вступала ни в какое
изаимодействие с ядрами.
in
Однако в 1947 году английский физик
Сесил Френк Пауэлл A903—1969) и его
помощники, также изучавшие
бомбардировку вещества космическими частицами,
открыли еще одну промежуточную
частицу, масса и остальные свойства которой
соответствовали теории Юкавы.
Открытую Андерсоном частицу назвали
«мю-мезон», вскоре название сократили до
«мюон». Частицу, открытую Пауэллом,
назвали ««пи-мезон», сократив затем до «пиона».
Открытие пиона подтвердило теорию Юкавы,
и любые затянувшиеся сомнения в
обоснованности протонно-нейтронной теории исчезли.
Фактически оказалось, что существуют
две силы. Одну, связанную с пионом как
меняющейся частицей, назвали «сильным
взаимодействием». Другая, проявлявшаяся
в эмиссии бета-частиц, стала именоваться
«слабым взаимодействием», гораздо более
слабым, чем электромагнитное, но более
сильным, чем гравитационное.
Детальная разработка теории сильных
взаимодействий позволила в дальнейшем
объяснить ту огромную энергию, которая
получалась в ходе ядерной реакции.
Обычные химические реакции,
сопровождавшиеся электронными подвижками, были
связаны только с электромагнитными
взаимодействиями. Ядерная энергия, связанная с
перемещением частиц внутри ядер, была
обусловлена более сильным ядерным
взаимодействием.
112
Фредерик Жо.-шо-Кюри Ирен Жолио-Кюри
Ькч'ймс Чедник
Bu/IbTt'p \WTV
Вид кристалла чсре* ионный микроскоп. Каждая крошечная
бегая точка npivu танляет один аюм. каждое ко;п>цо инлипеи
гранью ii.ni плоскостью кристалла. Унслпчгно и 1 f>00 000 \хм
Bcpnt'p Гейленберг
Энрико Ферми (слева) и Нильг Бор, обсуждающие фи.чичеекие
проблемы во нремя прогулки на альпийским тропинкам к
окрестностях Рима в 1931 году
Лаборатория Ферми н Риме A9,'JO гол)
ln.ia Мейтиер
Отто Фриш
. hi;i;i Ментор и Отто Хан
Icn ( 'r(ii.i.i.i|).(
К ).ЫчИп Иш пер
iinc hcii'
Л n.ocfn .' )iint iciiii
Нейтронная бомбардировка
После открытия нейтрона физики
получили еще одну бомбардирующую частицу,
обладавшую необычными свойствами.
Поскольку нейтроны не имели никакого
электрического заряда, они не могли
противостоять ни электронам, находившимся
снаружи атомов, ни ядрам, находившимся
в центре. Нейтрон оказался совершенно
безразличным к электромагнитному
притяжению и двигался только по прямой
линии. Сталкиваясь с ядром, он поражал
его, независимо от того, насколько
большим зарядом оно обладало. Часто
происходило так, что действие нейтрона
вызывало ядерную реакцию там, где протон не
мог этого сделать.
Основная трудность, которую
испытывали физики, заключалась в том, что у
г1ейтрона отсутствует электрический заряд.
Его нельзя было разогнать в обычном
ускорителе, поскольку его действие основано
на электромагнитном взаимодействии, к
которому нейтрон оказался
невосприимчив.
В 1935 году американский физик Роберт
Оппенгеймер A904—1967) и его студентка
Мельба Филипс нашли способ
преодоления этих трудностей.
Теперь поговорим о ядрах водорода-2
(дейтерия). Эти ядра, часто называемые
дейтронами, состоят из 1 протона плюс
."» Л. Азимов
«Миры внутри миров»
113
1 нейтрон и имеют массовое число 2 и
атомный номер 1. Поскольку они
обладают общим положительным зарядом, то
могут быть разогнаны точно так же, как и
отдельный протон.
Предположим, что дейтрон наделяется
огромной энергией и точно направляется
на положительно заряженные ядра. Эти
ядра отражают дейтрон и прежде всего
входящий в него протон. Ядерное
взаимодействие, удерживавшее протон и нейтрон,
постепенно ослабевает. Отталкивание ядер,
к которым приближается дейтрон, может
заставить протоны покинуть дейтрон.
Протон поворачивает в сторону, тогда как
нейтрон, обладающий определенной энергией,
приобретенной в ходе ускорения
дейтрона, продолжает двигаться и сталкивается с
ядром.
Всего через несколько месяцев после
того, как их обнаружили, энергетические
нейтроны начали использовать, чтобы
вызывать ядерные реакции.
Сейчас нам ясно, что проблема ускорения
нейтронов волновала физиков в силу
сложившейся традиции. Это было наследие их
работы с положительно заряженными
частицами, такими, как протоны и
альфа-частицы. Чтобы преодолеть отталкивание ядер и
столкнуться с ними с силой достаточной,
чтобы их разбить, эти заряженные частицы
действительно должны были обладать
высокой энергией.
114
Однако нейтронам не нужно было
преодолевать никакого отталкивания. Даже
обладая совсем небольшим запасом
энергии, если их точно направляли (некоторые
иногда, чисто случайно, имели нужную
энергию), они обязательно достигали и
поражали ядра.
Фактически чем более медленно они
двигаются, тем дольше остаются по соседству с
ядрами и тем более вероятно, что их могут
захватить некоторые близко расположенные
ядра с помощью притяжения ядерного
взаимодействия. Способность ядер по захвату
нейтронов оказалась тем большей, чем
меньшей была скорость нейтрона, так что
оказывалось, что ядра могли быстрее поразить
медленные нейтроны, чем быстрые. И
наконец, физики начали говорить о «ядерных
сечениях», то есть направленном потоке
медленных нейтронов, чтобы можно было
бомбардировать ту или иную частицу.
Эффективность медленных нейтронов была
открыта в 1934 году итало-американским
физиком Энрико Ферми A901 — 1954).
Конечно, проблема заключалась в том,
что нейтроны не удавалось замедлить
после того, как они образовывались,
поскольку сразу после образования они обладали
слишком высокой энергией (согласно
новой точке зрения). Наконец, их не
удавалось замедлить с помощью
электромагнитного поля, но ведь оставались и другие
возможности.
115
Нейтрон не всегда входил в ядра, когда
сталкивался с ними. Если он поражал ядро
скользящим ударом, то отскакивал
рикошетом. Если нейтрон ударялся в ядра, которые
были во много раз массивнее его, то он
отскакивал на полной скорости и ядро
оставалось практически неповрежденным.
Но в то же время если нейтроны
поражают ядра, ненамного превышающие их по
массе, то отскакивают прочь с меньшей
энергией, чем та, что была у них вначале.
Если нейтроны отскакивают от ряда
относительно легких ядер, то в конечном счете
теряют всю свою энергию и в итоге
начинают двигаться крайне медленно, обладая
ненамного большим количеством энергии,
чем окружающие их атомы.
Вы можете наблюдать подобную
ситуацию, если станете играть в бильярдные
шары. Столкнувшись с пушечным ядром,
бильярдный шар просто отскочит в
противоположном направлении, практически не
потеряв первоначальную скорость. Если
бильярдный шар поразит другой
бильярдный шар, то он заставит пораженную
мишень двигаться, соответственно уменьшив
и свою собственную скорость.
Энергия молекул, содержащихся в
атмосфере, зависит от температуры. Нейтроны,
обладающие энергией, которая
соответствует комнатной температуре, получили
название «тепловые нейтроны». Относительно
легкие ядра, от которых нейтроны отска-
нб
кивают и замедляют движение, стали
называть «замедлители», поскольку при
взаимодействии с ними энергия нейтронов
уменьшается.
Первым в 1935 году осуществил
замедление нейтронов и использовал тепловые
нейтроны для бомбардировки ядер итальянский
физик Энрико Ферми со своими коллегами.
Ему быстро удалось установить, насколько
результативными могут быть ядерные
сечения, когда тепловые нейтроны атакуют
частицы.
Могло показаться, что наконец
появилась возможность практического
использования энергии, образовавшейся в ходе
ядерной реакции. Нейтроны могли
вызывать ядерные реакции даже в том случае,
когда сами обладали весьма небольшой
энергией, так что выделившаяся энергия
могла быть намного большей, чем
потребляемая. К тому же эффективность
тепловых нейтронов при ядерных сечениях
была гораздо выше, ибо медленные
нейтроны сталкивались с ядрами гораздо
чаще, чем высокоэнергетические заряженные
частицы.
Однако оставалась одна загвоздка. Для
того чтобы использовать медленные
нейтроны, их вначале надо было получить. А
энергия, затрачиваемая для бомбардировки ядер
высокоэнергетическими протонами, была
намного больше той, которой обладали
получавшиеся при этом нейтроны.
117
Получалось так, будто вам приходилось
зажигать свечу одной спичкой, которую
надо было выбрать из 300 тысяч
бесполезных кусков дерева, прежде чем вы
добирались до самой спички. В результате
использование свечки теряло практический смысл.
Вот почему, даже после открытия
низкоэнергетической нейтронной
бомбардировки и ядерных сечений, Резерфорд в
конце своей жизни заметил, что ядерная
энергия никогда не найдет практического
применения.
И все же одним из экспериментов,
которые Ферми попытался осуществить в
1934 году, была нейтронная
бомбардировка атомов урана. Но ни Резерфорд, ни
Ферми тогда не поняли, что это было
начало новой эры.
Часть третья
ДЕЛЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА
Новые элементы
В 1934 году Энрико Ферми начал
первые эксперименты, связанные с
бомбардировкой урана нейтронами, эксперименты,
которые изменили мир.
Ферми обнаружил, что медленные
нейтроны, обладавшие очень малой энергией,
легко поглощались атомным ядром,
гораздо легче, чем поглощались быстрые
нейтроны, и еще быстрее, чем заряженные
частицы.
Часто случалось так, что нейтрон просто
поглощался ядрами. Поскольку нейтрон
имел массовое число 1 и атомное число 1
(потому что был не заряжен), ядро,
поглотившее нейтрон, оставалось изотопом того
же самого элемента, но его массовое число
возрастало.
Давайте предположим, что нейтроны
использовались для того, чтобы бомбардиро-
119
вать водород-1, который тогда захватывал
один из нейтронов. Из единичного
протона он превращался в протон плюс нейтрон,
из водорода-1 — в водород-2.
Образовавшееся в процессе новое ядро приобретало
большую энергию, которая испускалась в
форме гамма-луча.
Иногда более массивный изотоп, который
формировался в ходе поглощения нейтрона,
оставался стабильным, как, например,
водород-2. Иногда он не был стабильным, а был,
напротив, радиоактивным. Поскольку к
нему добавлялся нейтрон, он имел слишком
много нейтронов, не позволявших ему
оставаться стабильным. Чтобы вновь обрести
стабильность, он испускал бета-частицу
(электрон), что и превращало один из
нейтронов в протон. Массовое число оставалось
тем же, но атомный номер возрастал на
единицу.
Скажем, элемент родий, имевший
атомное число 45, имел только 1 стабильный
изотоп с массовым числом 103. Если ро-
дий-103 D5 протонов, 58 нейтронов)
поглощал нейтрон, он становился родием-
104 D5 протонов, 59 нейтронов), который
не был стабильным. Родий-104 поглощал
бета-частицу, превращая нейтрон в протон,
так что ядро теперь состояло из 46
протонов и 58 нейтронов. Получался родий-104,
который был стабильным.
Приведем еще один пример. Поглотив
нейтрон, индий-115 (состоит из 49 прото-
120
нов, 88 нейтронов) становится иидием-116
D9 протонов, 67 нейтронов), затем, отдав
бета-частицу, становится оловом-116 E0
протонов, 66 нейтронов), которое является
стабильным.
Существует более 100 изотопов,
поглощающих нейтроны и в конце концов
становящихся изотопами элементов,
занимающих место на одну строчку выше в шкале
атомных номеров. Ферми удалось
наблюдать несколько таких случаев.
Осуществив задуманное, он задумался
над тем, что произойдет, если
бомбардировать нейтронами уран. Возрастет ли
атомный номер изотопа с 92 до 93? Если это
действительно произойдет, то случай
можно считать уникальным, поскольку у ура-
па самый высокий атомный номер в шкале.
Никому не удавалось обнаружить образец
элемента с номером 93, потому что его не
существовало в природе. Это значит, что
его можно было только создать в
лаборатории.
Поэтому в 1932 году Ферми продолжал
бомбардировать уран нейтронами, надеясь
получить атомы 93-го элемента. Нейтроны
поглощались, то, что образовывалось,
выпускало бета-частицы, следовательно, не
приходилось сомневаться в существовании
93-го элемента. Но затем элемент
испускал четыре разных типа бета-частиц
(различных по содержавшейся в них энергии)
и дело окончательно запутывалось.
121
Ферми никак не удавалось точно
определить существование атомов 93-го
элемента, впрочем, и другие исследователи также
не могли этого сделать. Постепенно он
занялся другими проблемами, которые
оказались гораздо более существенными.
Прежде чем рассказать о них, заметим,
что в результате опытов Ферми
действительно образовывался элемент 93, хотя ученый
так и не смог этого подтвердить. Только в
1939 году американские физики Эдвин Мак-
миллан и Филипп Абельсон, бомбардируя
уран медленными нейтронами, смогли
определить 93-й элемент.
Поскольку уран был назван в честь
планеты Уран, новый элемент, следующий
за ураном, соответственно назвали в честь
планеты Нептун, которая располагалась за
Ураном. 93-й элемент стали называть
нептунием.
Как говорится, что ожидали, то и
получили. Атом урана-238 (92 протона, 146
нейтронов) поглощал нейтрон, превращаясь в
уран-239 (92 протона, 147 нейтронов), а
затем, испустив бета-частицу, превращался в
нептуний-239 (93 протона, 146 нейтронов).
Фактически нептуний также испускал
бета-частицы, так что ему было суждено
стать изотопом элемента, занимавшего еще
более высокую строчку в цифровой шкале.
Этот новый, 94-й элемент был назван
плутонием в честь планеты Плутон,
расположенной за Нептуном. Изотоп, плутоний-
122
239, образовавшийся от нептуния-239,
оказался единственным слабо радиоактивным,
однако его не удавалось определить вплоть
до 1941 года.
На самом деле открытие плутония
произошло годом ранее, когда впервые
получили нептуний-238. Он испускал бета-частицу
и превращался в плутоний-238, изотоп,
оказавшийся достаточно радиоактивным, чтобы
его удалось обнаружить и определить, что и
сделали Гленн Сиборг A912—1999) и его
помощники, которые завершили
эксперименты Макмиллана, когда того отозвали для
выполнения других, военных разработок.
Нептуний и плутоний оказались
первыми трансурановыми элементами,
полученными в лаборатории, но далеко не
последними. На протяжении последующих 30 лет
были найдены изотопы, которые
обладали большим числом протонов в ядрах и,
следовательно, имели большие атомные
номера. К моменту написания настоящей
книги были обнаружены изотопы каждого
элемента вплоть до 105-го номера.
Ряд полученных новых элементов
назвали в честь ученых, внесших свой вклад в
историю ядерных исследований. 96-й
элемент назвали «кюрием» в честь Пьера и
Марии Кюри, 99-й элемент — эйнштейнием
(в честь Альберта Эйнштейна), 100-й —
фермием (в честь Энрико Ферми).
101-й элемент получил название
«менделевий» в память о русском химике Дмит-
123
рии Менделееве, который еще в 1869
году оказался первым, кто предложил
разумный и полезный порядок
расположения элементов. Элемент 103 (лоуренсий)
назван в честь Э. Лоуренса, элемент 104
(«резерфордий») — Э. Резерфорда,
элемент 105 (ханий) — в честь Отто Хана
A879—1968), немецкого физика и
химика, о чьих открытиях мы поговорим ниже.
Однако нептуний не оказался первым
новым элементом, созданным в
лаборатории. В начале 1930-х годов оставались еще
2 элемента с относительно низкими
атомными номерами, которые не были
обнаружены. Это элементы с атомными номерами
43 и 61.
В 1937 году в лаборатории Лоуренса в
Соединенных Штатах подвергли
нейтронной бомбардировке молибден (атомный
номер 42). В результате проведенного
эксперимента было получено небольшое
количество 43-го элемента. Работавший с
Ферми итальянский физик Эмилио Сегре
A905—1989) получил образец
подвергшегося бомбардировке молибдена и доказал
существование элемента 43. Он стал
первым новым элементом, произведенным
искусственным путем, поэтому его назвали
технецием, от греческого слова
«искусственный».
Полученный изотоп технеция оказался
радиоактивным. Действительно, все
изотопы технеция радиоактивны. Обнаруженный
124
в 1945 году 61-й элемент, названный
прометием, также не имел стабильных изотопов.
Технеций и прометий являются
единственными элементами с атомными номерами
меньше чем 84, у которых нет ни одного
стабильного изотопа.
Открытие процесса деления
атомного ядра
Вернемся к бомбардировке урана в ходе
ядерных исследований, которую впервые
провел Ферми. После того как он доложил
о результатах своих исследований, другие
физики подтвердили его наблюдения и
также получили разнообразные бета-частицы.
Но никто из них так и не смог объяснить
причину данного явления.
Один из путей для выяснения того, что
происходило, заключался в добавлении к
системе какого-либо стабильного элемента,
который в химическом отношении
оказывался бы похожим на крошечные следы
радиоактивных изотопов, получавшиеся в
ходе бомбардировки урана. После опыта
стабильный элемент отделялся от смеси и,
возможно, уносил с собой радиоактивный
след. Другими словами, этот элемент
должен был стать «носильщиком».
Среди тех, кто работал над проблемой,
оказались немецкий физик Отто Хан и его
помощница Лиза Мейтнер A878—1968).
125
Испытывая разные элементы, они
добавили к урану барий с атомным номером 56.
Выделив элемент из смеси, они
обнаружили, что значительная часть
радиоактивности действительно связана с барием.
Ученые вполне естественно
предположили, что радиоактивность вызвана
присутствием какого-то радиоактивного изотопа.
Наиболее вероятным претендентом оказался
радий (атомный номер 88), который очень
напоминал барий, в том числе и по
химическим свойствам. Однако обстоятельства
сложились так, что они не смогли продолжить
эту работу.
Лиза Мейтнер была еврейкой и после
1933 года могла работать в Германии
только потому, что оставалась гражданкой
Австрии. После того как в марте 1938 года
Германия вторглась в Австрию, ставшую
частью немецкого государства, австрийское
гражданство более не защищало Мейтнер,
и ей пришлось уехать. Она переехала в
столицу Швеции, Стокгольм. Хан остался
в Германии и продолжал работу над той
же проблемой, но уже с немецким физиком
и химиком Фрицем Штрассманом.
Прежде всего они попытались разделить
радий и барий. Хотя эти элементы
обладали похожими химическими свойствами,
между ними были и различия. Хан и
Штрассман попытались изолировать
радиоактивные изотопы, собрать их и
детально исследовать. Но сколько ни пытались,
126
разделить барий и предполагаемый радий
им так и не удалось.
Наконец Хан понял, что невозможность
разделения бария и радиоактивного
изотопа означает, что никаких изотопов
другого элемента нет и радиоактивным стал сам
барий. Однако он не решался
обнародовать свои результаты, потому что
предположение показалось ему слишком
невероятным.
Атомный номер радия был равен 88,
всего лишь на 4 меньше, чем у урана, чей
атомный номер составлял 92. Можно было
предположить, что поглощенный ядрами
урана нейтрон обусловил нестабильное
состояние последнего, заставив барий
выпустить 2 альфа-частицы и превратиться в
радий.
Но ведь барий имел атомный вес 56, что
составляло чуть более половины атомного
веса урана. Значит, ядро урана могло
превратиться в ядро бария, только
разделившись надвое. Но никто еще не наблюдал
ничего подобного, поэтому Хан и
отказывался поверить в происходящее.
Лиза Мейтнер, находившаяся в
Стокгольме, получила сообщение о том, что
происходило в лаборатории Хана.
Размышляя над всеми обстоятельствами, она
решила, что не следует оглядываться по
сторонам, а нужно найти
одно-единственное объяснение. Ядра урана
действительно разбивались на половинки.
127
Получилось так, что, испытав
настоящий научный шок, один исследователь
перестал думать о проблеме, другому же
случившееся вовсе не показалось
невероятным. Ядерные силы действуют на столь
малом расстоянии, что их едва хватает на
удержание таких огромных ядер, как у
урана. В спокойном состоянии он
действительно остается стабильным, но при
добавлении хотя бы одного нейтрона
равновесие нарушается и ядро превращается в
нечто похожее на колеблющуюся каплю
жидкости.
Однако иногда ядра урана удерживают
нейтрон, испускают бета-частицу и
возвращаются в стабильное состояние. В других
случаях ядерные силы не могут удержать
их. Ядро приобретает форму гантели, и
электромагнитное отталкивание обоих
половинок (в данном случае положительно
заряженных) разбивает ядро надвое.
Но это вовсе не равные части. В
результате деления получаются самые разные
сочетания фрагментов (если происходит
несколько разрушений). И все же чаще уран
разбивается на барий и криптон (с
соответствующими ядерными номерами 56 и 36, в
сумме равными 92).
Лиза Мейтнер и ее племянник Отто
Фриш A904 — 1979), работавший в
столице Дании Копенгагене, в январе 1939 года
напечатали сообщение обо всем
происшедшем. Экземпляр статьи Фриш передал дат-
128
скому физику Нильсу Бору A885 — 1962),
с которым тогда работал. Американский
биолог Уильям Арнольд, также
работавший в то время в Копенгагене, предложил
назвать расщепление атомных ядер на
половинки делением, по аналогии с
процессом деления клеток. Термин прижился и
вошел в употребление.
В январе 1939 года, как раз к тому
времени, когда было опубликовано сообщение
Мейтнер и Фриша, Бор прибыл в США на
конференцию физиков. Сообщение Бора о
результатах работ Хана и Мейтнер
вызвало потрясение среди американских ученых.
Проверкой этой гипотезы занялись во
многих лабораториях. Через несколько недель
факт ядерного деления подтвердили
несколько исследователей.
Самым поразительным оказался тот
факт, что в ходе деления ядра
освобождалось огромное количество энергии. В
принципе всегда происходило так, что очень
массивные ядра превращалась в ядра с
меньшим весом, и из-за этого освобождалась
энергия. Такую возможность Астон показал
еще в 1920-х годах.
Когда ядра урана разбивались в ходе
обыкновенных радиоактивных процессов и
становились менее массивными ядрами
свинца, то соответственно освобождалась
и энергия. Однако когда ядра разбивались
на два, чтобы превратиться в менее
массивные ядра бария и криптона (или в дру-
129
гие, расположенные рядом в таблице), то
отдавалось намного больше энергии.
Вскоре выяснили, что в ходе деления
урана отдавалось примерно в десять раз
больше ядерной энергии, чем в ходе всех
других известных в то время ядерных
реакций.
Даже при условии, что каждый
нейтрон, столкнувшийся с атомом урана,
вызывал деление этого атома, количество
энергии, освобожденной в ходе деления урана,
было всего лишь крошечной частью
энергии, что использовалась для получения
нейтронов, вызывавших деление.
В этой ситуации оставалось в силе пред*
положение Резерфорда, что человечество
никогда не сможет воспользоваться
возможностями ядерной энергии (Резерфорд умер
за два года до открытия деления атомного
ядра).
Однако в дальнейшем оказалось, что при
определенных условиях это далеко не так.
Цепная ядерная реакция
Выше мы обсуждали цепные реакции,
во время которых выделялась химическая
энергия. После запуска реакции
выделялась энергия, достаточная для развития
реакции в соседней секции системы,
которая, в свою очередь, производила новую
энергию и т. д. Подобно тому как пламя
130
одной спички может заставить гореть
листок, от которого воспламенится весь лес,
отданная горящим лесом энергия во
много раз превысит энергию вспыхнувшей
спички.
А может ли подобный процесс
происходить при цепной ядерной реакции?
Можно ли инициировать ядерную энергию,
которая будет поддерживать сама себя и
развиваться до бесконечности?
Для того чтобы вызвать такую реакцию,
нужен всего лишь один нейтрон, то есть
требуется ничтожная затрата энергии. В то
же время в ходе распада ядер выделится
огромное количество энергии. Значит,
такая реакция может принести огромную
выгоду.
Более того, поскольку цепная ядерная
реакция развивается с огромной
скоростью, распространяясь за миллионные доли
секунды, и за кратчайший промежуток
времени разбивается так много ядер,
процесс приобретает форму взрыва. Его
мощность в миллионы раз превысит
обыкновенные химические реакции, при которых
задействовано то же самое количество
взрывчатых материалов, поскольку в них
используется только электромагнитное
взаимодействие, в то время как в первом
случае используется гораздо более сильное
ядерное взаимодействие.
Впервые о подобной ядерной реакции
задумался венгерский физик еврейского про-
131
исхождения Лео Сциллард A898—1964).
Он работал в Германии и в 1933 году, когда
пришел к власти Адольф Гитлер, был
вынужден покинуть страну. Сциллард
отправился в Великобританию и там в 1934 году
открыл существование нескольких новых
типов ядерных реакций.
Сциллард показал, что быстрые
нейтроны могли поразить ядро с такой энергией,
что при этом выделялись 2 нейтрона.
Тогда, поглотив 1 нейтрон и выпустив 2 ядра,
они становились более легкими изотопами
того же самого элемента.
Но что произойдет, если каждый из 2
выпущенных нейтронов из первоначального
ядра, подвергшегося бомбардировке, ударит
новое ядро и побудит выделение по паре
нейтронов из каждого? Тогда получится
всего 4 нейтрона, разбежавшиеся по
территории, и с каждым новым ударом нового ядра
станет образовываться уже теперь 8
нейтронов и так далее по нарастающей. Другими
словами, единичный нейтрон может стать
причиной образования миллионов
нейтронов, каждый из которых в свою очередь
инициирует ядерную реакцию.
Предчувствуя приближение войны,
Сциллард опасался, что лидеры Германии могут
использовать ядерную цепную реакцию для
изготовления сверхмощного оружия.
Поэтому он тайно запатентовал свое открытие,
надеясь, что цепную реакцию удастся
использовать и в полезных целях. Передав
132
свое изобретение британскому
правительству, Сциллард надеялся, что, обладая
им, оно сможет обуздать нацистов и
сохранить мир.
Однако это не сработало. Чтобы
вызывать выделение 2 нейтронов, требовался
удар весьма высокоэнергетичного
нейтрона. В противном случае выделившиеся из
ядер нейтроны просто не обладали
достаточной энергией, чтобы вызвать ядерную
реакцию (происходящее можно сравнить с
попыткой поджечь спичкой отсыревшее
полено).
Но как насчет деления урана? Оно
вызывалось медленными нейтронами. Что
будет, если в ходе деления урана также
появятся нейтроны, аналогично
расщеплению ядер при нейтронной бомбардировке?
Разве не могли эти нейтроны вызывать
деление новых ядер, что приводило к
образованию новых нейтронов, и так далее,
до бесконечности?
Все это казалось весьма вероятным, и
Ферми, выступавший на конференции по
делению, поддержал эту гипотезу. В
массивных ядрах на один протон приходилось
больше нейтронов, чем в менее массивных
ядрах. При их делении на два менее
массивных ядра вполне могло образоваться
достаточное число нейтронов.
Предположим, например, что уран-238
разбивается на барий-138 и криптон-86.
Барий-138 состоит из 82 нейтронов, крип-
133
тон-86 из 50 нейтронов, в сумме составляя
132. Однако ядро урана-238 состояло из
146 нейтронов. Следовательно, при
делении должно образоваться 14 нейтронов.
Тогда физики разных стран начали
изучать деление урана, чтобы убедиться в том,
действительно ли при нем испускаются
нейтроны, и вскоре несколько ученых, включая
и самого Сцилларда, пришли к выводу, что
подобный процесс действительно имеет
место. Это была та самая цепная ядерная
реакция, существование которой предположил
Сциллард.
В этой реакции участвовали только
медленные нейтроны, и при расщеплении ядер
образовывалось достаточно много энергии.
Если запустить ядерную реакцию даже в
небольшом куске урана, можно было
получить совершенно невообразимую энергию.
При расщеплении всего 1 грамма урана
выделялось столько же энергии, сколько
получалось при полном сгорании 3 тонн
угля, причем всего лишь за кратчайшие
доли секунды.
Приехавший в 1937 году в США
Сциллард четко представлял огромную
разрушительную силу оружия, которое позже
получит название «атомная бомба». Он
опасался того, что Гитлер может получить
к ней доступ, прибегнув к шпионажу или
от немецких физиков-ядерщиков.
Частично благодаря усилиям Сцилларда
и преобладанию антифашистских настрое-
134
ний приехавшие в США ученые с 1940 года
стали добровольно засекречивать
результаты своих исследований, чтобы избежать
просачивания любой информации в
Германию. Более того, Сциллард при
посредничестве двух других венгерских беженцев,
физиков Юджина Вигнера A902 — 1995) и
Эдварда Теллера A908—1999) обратился к
Эйнштейну, также бежавшему из Германии
и приехавшему в Америку.
В то время Эйнштейн был самым
известным физиком, жившим в США. Поэтому
Сциллард и его коллеги считали, что
именно его письмо, написанное президенту США,
произведет должное впечатление. Эйнштейн
подписал такое письмо, где говорилось о
возможностях атомной бомбы и связанной с
этим опасности, в заключение он настаивал
на том, чтобы США не позволили
возможным врагам овладеть им первыми.
Во многом благодаря этому письму в
США была организована мощная
исследовательская группа ученых, с которой
сотрудничали исследователи в других
западных странах. Все они преследовали одну
цель — создать ядерную бомбу.
Ядерная бомба
Хотя теория ядерной бомбы казалась
ясной и простой, ее реализация потребовала
значительных усилий. Во-первых, чтобы
135
началось деление атомов урана, он должен
быть достаточно чистым. Иначе нейтроны
будут сталкиваться с ядрами других
элементов и просто поглощаться, исключая
возможность цепной реакции. Получение
чистого урана оказалось сложной задачей,
поскольку уран так редко использовался,
что не имелся в необходимом большом
количестве, кроме того, не была разработана
эффективная методика его очистки.
Во-вторых, массив урана должен быть
достаточно большим, поскольку далеко не
всегда нейтроны входили в первый же
атом урана, к которому приближались.
Хаотически двигаясь, они беспорядочно
сталкивались с атомами урана и лишь в
некоторых случаях действительно входили в
ядро, вызывая выделение новых
нейтронов. Наконец, они могли просто пройти
сквозь уран, так и не совершив никакого
полезного действия.
По мере увеличения массы урана все
больше нейтронов вызывали деление ядер,
соответственно создавалось все больше и
больше нейтронов и возникала цепная
реакция. Ее скорость возрастала, и при
достижении некоторой критической массы цепная
реакция становилась
самоподдерживающейся и приобретала характер взрыва.
Выяснилось также, что для начала
процесса вовсе не нужно было направлять в
уран поток нейтронов. В 1941 году
русский физик Георгий Николаевич Флёров
136
A913—1997) обнаружил, что внутри
куска урана постоянно происходит
спонтанное деление под действием свободных
нейтронов. Время от времени
произвольно колеблющиеся ядра разбиваются,
также выделяя нейтроны.
В грамме урана «стихийное деление»
происходит в среднем каждые две минуты.
Следовательно, необходимо собрать
достаточное количество урана, чтобы оно
достигло опасной критической массы и
взорвалось в считаные секунды, поскольку
начавшие делиться первые ядра вызовут
цепную реакцию.
Однако проведенные подсчеты показали,
что для достижения критической величины
требуется огромное количество урана.
Вместе с тем выяснилось, что почти 99,3%
природного урана составляет уран-238, в
котором деления не происходит. Датский физик
Ни лье Бор теоретически доказал, что
существует изотоп уран-235 (составляющий 0,7%
его массы), который только и способен к
делению.
В ходе экспериментов его
предположение подтвердилось. Действительно,
оказалось, что ядра урана-238 поглощают
медленные нейтроны без деления и испускают
бета-частицы, в результате чего
образуются изотопы нептуния и плутония. В
отличие от него уран-238 расщеплялся под
воздействием нейтронов, в результате чего и
возникала цепная реакция.
137
При увеличении содержания урана-235 и
уменьшении массы урана-238 цепная
реакция начинается легче и критическая масса
может быть весьма незначительной.
Следовательно, были предприняты
многочисленные усилия, чтобы получить обогащенный
уран, то есть разделить два изотопа и
повысить концентрацию урана-235.
Конечно, ученые не хотели, чтобы во
время экспериментов, связанных с ядерной
реакцией, процесс вырвался из-под контроля,
и произошел опасный взрыв. Прежде чем
сконструировать бомбу, надо было
тщательно изучить механизм действия цепной
реакции. Можно ли было так провести ядерную
реакцию, чтобы управлять количеством
выделяемой энергии? Это позволило бы
применить ее не только в военных, но и в мирных
целях.
Намереваясь выяснить это, собрали
определенное количество урана, достаточное
для начала цепной реакции. Для
управления ее интенсивностью использовали
стержни из вещества, которое легко поглощало
нейтроны и тем самым замедляло цепную
реакцию. Для этой цели прекрасно
подошел металл кадмий.
Затем оказалось, что образующиеся в
результате такой реакции нейтроны
обладают слишком высокой энергией и
необычайно активны. Они слишком быстро
разлетались в стороны, не успевая
столкнуться с атомами урана. Чтобы вызвать
138
цепную реакцию, которую можно было
изучать, требовалось уменьшить их
энергию, соответственно замедлив скорость
движения. Лучшим средством было
взаимодействие с какими-либо небольшими
ядрами, которые не поглощали бы
нейтроны, а только отбирали у них некоторую
энергию при столкновении. Лучшими
«замедлителями» оказались ядра водорода-2,
бериллия-9 или углерода-12. Когда
получавшиеся в ходе деления нейтроны
замедлялись, их поток увеличивался, что
приводило к дополнительному сокращению
критической массы, необходимой для
протекания реакции.
К концу 1942 года ученые, наконец,
приблизились к завершающей стадии
проекта. Реактор состоял из набора
графитовых блоков, перемежавшихся блоками
металлического урана и окиси урана (тогда
еще не получили обогащенный уран),
достаточного, чтобы достичь критической
величины. Внутри графитовых слоев
поместили кадмиевые стержни для поглощения
нейтронов. Это знаменательное событие
произошло под трибунами футбольного
стадиона в Чикагском университете с
участием Энрико Ферми (прибывшего в
США в 1938 году), ответственного за
мероприятие.
Вначале получившуюся огромную
структуру назвали «атомной кучей», потому что
блоки графита были скреплены вместе.
139
Лишь спустя некоторое время было
принято называть подобное устройство «ядерным
реактором».
2 декабря 1942 года на основании
подсчетов стало ясно, что ядерный реактор
оказался достаточной величины и
содержащаяся в нем масса урана достигла
критического состояния. От начала цепной
реакции отделяли только стержни из
кадмия, которые были введены внутрь
графита и поглощали выделявшиеся нейтроны.
Во время эксперимента один за другим
стержни кадмия стали удалять, выдвигая
наружу. Количество атомов урана,
претерпевавших деление, росло с каждой
секундой, и, наконец, в 3 часа 45 минут деление
урана стало самопроизвольным. Оно
продолжалось само по себе, а ученые были
готовы мгновенно вернуть кадмиевые
стержни на место, если бы скорость реакции
стала возрастать, но в этом не было
никакой нужды, хотя расчеты показали, что не
все обстоит именно так.
Артур Комптон A892 — 1962) тут же
позвонил в Белый дом и передал
сообщение об успехе помощнику президента
Джеймсу Коненту. Поскольку разговор
велся по обычной линии, Комптон
использовал эзопов язык. Он сказал:
«Итальянский летчик приземлился в Новом Свете».
Конент ответил: «Как отнеслись к этому
событию местные жители?» И услышал в
ответ: «Очень дружелюбно».
140
Именно в этот день наступил
исторический момент, когда мир вступил в -«ядерный
век». Впервые человек сконструировал
приспособление, с помощью которого
была получена ядерная энергия, намного
превосходившая все затраты. Человечество
ухватилось за возможность использовать
ядерную энергию и теперь собиралось ее
применять. Если бы Резерфорду удалось
прожить еще шесть лет, он смог бы
увидеть, что ошибся в прогнозах, когда
заявлял о том, что это событие никогда не
случится. Однако человечество еще долго не
знало о том, что происходит в Чикаго, и
физики продолжали работать над
созданием атомной бомбы.
Удачно завершились эксперименты по
получению обогащенного урана. Его
применение позволило настолько существенно
снизить критическую массу, что стало
реальностью создание небольшой по
величине атомной бомбы, которую можно было
разместить в самолете и направить на
определенную цель.
Ее устройство не отличалось
сложностью. Предположим, имелись два куска
обогащенного урана, каждый из которых
был меньше критической величины, но при
их объединении количество урана
превышало ее.
Предположим также, что с помощью
специального взрывного устройства в
определенный момент можно мгновенно
corn
о
о
о
S
о
о
Цепная реакция деления урана: нейтрон ударяет ядро
атома урана, вызвав его разделение на две части и
образование тепловой энергии. Нейтроны, освобожденные из
расцепившихся ядер, продолжают процесс деления
единить куски обогащенного урана
воедино. Произойдет мгновенный взрыв
разрушительной силы. В другом устройстве
обогащенный уран расположили в виде
нескольких небольших кусков, в каждом
из которых не могла начаться цепная
реакция. Соответствующим образом
подготовленный взрыв спрессовывал уран в
плотный шар. Тогда нейтронное
поглощение оказывалось более продуктивным, и
происходил взрыв.
Первое такое устройство было построено
на полигоне близ поселка Аламогордо (штат
Нью-Мексико) и размещено на небольшой
башне. 16 июля 1945 года физики,
находившиеся на безопасном расстоянии, привели в
действие механизм, вызвавший ядерный
взрыв. Устройство сработало превосходно,
причем взрыв оказался необычайной
разрушительной силы.
К тому времени нацистская Германия
была повержена, но военные действия в
Японии продолжались. Именно там
использовали еще две атомные бомбы.
После предупреждения одну бомбу
мощностью 21 килотонна взорвали над японским
городом Хиросима 6 августа 1945 года, а
другую — над Нагасаки спустя два дня.
Разрушения после взрывов были такими
значительными, что их последствия
сказываются до сих пор.
Именно после взрыва над Хиросимой
мир узнал, что наступил ядерный век и су-
143
ществует такое устрашающее оружие, как
ядерная бомба (самым распространенным
наименованием со временем стало
«атомная бомба», или «А-бомба»),
Во время войны немецкие ученые также
пытались создать атомную бомбу, но так и
не смогли этого сделать. Если бы их
работа увенчалась успехом, то, вполне
возможно, Германия не потерпела бы поражения
в войне.
С начала 1940-х годов над этой
проблемой работали и советские ученые под
руководством Игоря Васильевича Курчатова
A903—1960). Сложности военного
времени, большие разрушения помешали
советским ученым так же быстро продвинуться
в решении задач, связанных с атомной
бомбой, как это удалось сделать
американским исследователям. В 1949 году
советские ученые взорвали первую атомную
бомбу, за ними последовали англичане
A952 год), французы и китайцы A964 год),
и, наконец, Индия взорвала свою бомбу в
1974 году. Однако все эти бомбы были
взорваны на специальных полигонах в
ходе плановых экспериментов, и только две
взорванные над Хиросимой и Нагасаки
использовались как реальное оружие
массового уничтожения.
Чем больше времени проходило после
взрывов в Хиросиме и Нагасаки, тем
отчетливее все понимали, что ядерные
бомбы могут применяться только как разру-
ш
шительное оружие. Слишком большую
опасность для всего живого представляли
последствия такого взрыва. Поэтому и
приняли ряд договоров, запрещающих
проведение испытаний ядерного оружия
на земле, под водой и в воздухе. А в
конце XX века ведущие ядерные державы
объявили полный мораторий на
проведение ядерных испытаний.
Ядерные реакторы
Продолжение исследований, связанных
с цепной ядерной реакцией, шло не
только в направлении модернизации
конструкции бомб. Разрабатывались и конструкции
ядерных реакторов, ставших намного
более совершенными, чем первая «куча»,
построенная под руководством Ферми.
Управляемая ядерная реакция постепенно
превратилась в источник полезной и
дешевой энергии. После того как ученым
удалось уменьшить размеры реакторов, их
стали применять в качестве двигателей на
кораблях.
В 1954 году в США спустили первую
ядерную подводную лодку «Наутилус».
Благодаря силовой установке на основе
ядерного реактора ей не требовалось время
от времени подниматься на поверхность,
чтобы подзарядить батареи. Ядерные
подводные лодки совершали кругосветные пла-
6 А. Азимов 145
«Миры внутри ииров»
вания без всплытий, пересекали Северный
Ледовитый океан под ледяным покровом.
Высокая экономичность ядерной
силовой установки побудила инженеров искать
пути ее применения и на гражданских
транспортных средствах. В 1959 году как
в СССР, так и в США были спущены на
воду первые надводные корабли с
ядерным двигателем (атомный ледокол
«Ленин» и грузовое судно «Саванна»).
Атомные станции начали использовать и в
качестве источника обычной
электрической энергии. Первую подобную станцию
мощностью всего 5000 киловатт построили
в подмосковном Обнинске в 1954 году.
Уже первые месяцы ее работы показали
высокую рентабельность подобных
предприятий. В 1956 году заработала первая
английская атомная электростанция
мощностью 92 000 киловатт в поселке Колдер-
Холл. Чуть позже, в 1958 году, заработал
первый американский реактор для
мирного использования в городке Шиппингпорт
(Пенсильвания). Она обеспечивала
электроэнергией весь город и стала первой
действительно полномасштабной гражданской
ядерной электростанцией в мире.
Наконец человечество получило
долгожданный источник дешевой энергии.
Ископаемое топливо — уголь, нефть и природный
газ — использовалось с такой
интенсивностью, что многие высказывали
предположение о том, что запасы газа и нефти исчезнут
146
в течение ближайших десятилетий, а угля —
нескольких веков. Но возникал
естественный вопрос — был ли новый источник
энергии действительно неисчерпаемым?
Не следовало забывать о том, что
способный к делению изотоп уран-235 составлял
всего 0,7% имевшегося на Земле урана. Если
не будет найдено других аналогичных
элементов и в нашем распоряжении останется
только уран-235, то энергетические запасы
Земли также останутся достаточно
ограниченными.
Но в результате исследований ученых
наметилась и другая перспектива,
связанная с «ядерным топливом». Существовал
плутоний-239, который также делился
под воздействием нейтронной
бомбардировки. Период его полураспада составлял
24 300 лет, что позволяло его
использовать.
Трудность заключалась в том, что в
природе этот элемент не существовал и его
надо было каким-то образом получить в
необходимом количестве. Казалось, что это
невозможно, но неожиданно был найден
достаточно простой выход из положения.
Поглощая нейтроны, атомы урана-238
вначале превращались в нептуний-239, а затем
становились плутонием-239. Поскольку
плутоний обладал совершенно другими
свойствами, чем уран, их можно было
разделить, получив в нужном количестве
топливо для реактора.
147
Данное устройство стали называть бри-
дером или реактором-размножителем.
Действительно, его конструкция была такова,
что количество произведенного плутония-
239 превышало исходную массу урана-235.
Таким образом, весь природный уран (а не
только уран-235) оказывался возможным
ядерным топливом.
Первый ядерный реактор такого типа был
завершен в Арко (Айдахо) в августе 1951
года, и 20 декабря на его силовой установке
впервые в мире получили электричество.
Однако бридерные реакторы для
промышленного производства плутония еще только
предстояло построить.
Уран-233 также оказался изотопом,
способным делиться в ходе нейтронной
бомбардировки. Он не встречается в
природных условиях, но еще в 1942 году его
получил в лаборатории Гленн Сиборг со
своими сотрудниками. Период его
полураспада составляет 162 000 лет. Сырьем
для его получения является
встречающийся в природе торий-232. Поглощая
нейтрон, он превращается в торий-233. После
этого он испускает 2 бета-частицы и
становится сначала протактинием-233, а
затем ураном-233.
Если атомный реактор окружить
оболочкой из тория, то внутри нее
постепенно образуется слой урана-233, который
легко разделяется с торием. Таким
образом, торий также включается в список эле-
148
ментов, из которых можно получить
ядерное топливо.
Из всего урана и тория, доступных для
использования (включая и небольшое
содержание этих элементов, например в
граните), мы можем получить в 100 раз
больше энергии, чем от всех запасов угля и
нефти, которые имеются на Земле.
Однако в большинстве случаев содержание этих
элементов в горных породах чрезвычайно
мало, так что их выделение связано с
такими трудностями, которые делают
невыгодным их практическое использование.
Вот почему маловероятно, что когда-либо
мы сможем использовать весь уран и
торий, содержащиеся в земной коре.
Еще одна проблема связана с
результатами самой реакции деления. В процессе
деления ядра урана-235 (или плутония-
239) разбиваются на множество ядер
средней величины, которые гораздо более
радиоактивны, чем природное топливо.
Большая их часть составляла отходы.
Лишь весьма небольшая часть продуктов,
получавшихся в ходе деления, оказывалась
пригодной для дальнейшего практического
использования. Эти продукты отличаются
долгим периодом полураспада и на
протяжении десятилетий и даже столетий
испускают смертоносную радиацию; поэтому их
необходимо размещать в специальных
хранилищах, не допуская проникновения в
окружающую среду.
149
В ходе научных исследований именно
из таких «продуктов деления» впервые в
1945 году получили изотоп 61-го элемента.
Поскольку они образовались от ядерного
огня, в память о греческом
мифологическом титане Прометее, подарившем людям
огонь, этот элемент назвали «прометием».
Получившиеся в ходе деления
продукты сохраняли энергию, и некоторые из
них можно было использовать в легких
«ядерных батареях». Впервые их
построили в 1954 году. Батареи, где
использовался плутоний-238, используются в
качестве долговременных источников энергии
на геостационарных искусственных
спутниках.
ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ
Энергия Солнца
Как часто бывает, ядерный синтез
оказался не единственным способом
получения полезной ядерной энергии.
Еще в 1920 году Астон показал, что
ядра среднего размера упакованы более
плотно, чем крупные. Отсюда следовало,
что при образовании крупных ядер
должна выделяться энергия. Таким образом, в
результате деления энергия
образовывалась не только за счет разрушения
массивных ядер, но и при объединении получав-
150
шихся при этом маленьких ядер в большие
по размерам структуры. Этот процесс и
получил название «ядерный синтез».
Боле того, в ходе экспериментов Асто-
на стало ясно, что в процессе ядерного
синтеза производилось гораздо больше
энергии, чем при ядерном делении.
Например, при превращении водорода в гелий,
то есть образовании из 4 ядер водорода
ядра гелия, содержащего 2 протона и 2
нейтрона. При превращении 1 грамма
водорода в гелий должна была выделяться в
15 раз большая энергия, чем при делении
1 грамма урана.
Уже в начале 1920-х годов английский
астроном Артур Эддингтон A882—1944)
предположил, что взаимодействие
субатомных частиц может быть источником
солнечной энергии. Тогда казалось, что
какой-то вид ядерной реакции является
единственно возможным источником
огромной энергии, постоянно производимой
Солнцем.
С каждым годом предположение Эддинг-
тона становилось все более
правдоподобным. Сам Эддингтон, изучавший структуру
звезд, к 1926 году выдвинул вполне
убедительные теоретические обоснования того,
что центр Солнца испытывает огромное
сжатие и действие высоких температур. По его
расчетам выходило, что температура в
центре Солнца составляла от 15 до 20
миллионов градусов.
151
При таких температурах атомы вели себя
иначе, чем на Земле. Удерживаемые вместе
сильным гравитационным полем Солнца,
они сталкивались с такой энергией, что все
или почти все их электроны соскакивали, и
оставалось только само ядро. Такие «голые»
ядра могли приближаться друг к другу
гораздо ближе, чем целые атомы (вот почему
центр Солнца оказался намного плотнее,
чем земное вещество). При огромных
температурах, существовавших в центре Солнца,
эти чистые ядра могли склеиваться и
образовывать более сложные ядра. Вызываемые
таким сильным теплом (миллионы
градусов) ядерные реакции называются
«термоядерными реакциями».
Проведенные в 1920-х годах
исследования химической структуры Солнца
показали, что оно более богато водородом, чем
предполагали ранее. В 1929 году
американский астроном Генри Рассел A877 — 1957)
опубликовал данные, что водород
составляет 60% вещества Солнца (современные
исследования показывают, что эта
величина составляет 80%). Если солнечная
энергия образуется в ходе ядерных реакций, то
ее источником может быть только
превращение водорода в гелий. Ничего другого
на Солнце просто не было в таком
количестве, чтобы использоваться в качестве
топлива.
Постепенно ученые открывали все
новые и новые подробности взаимодействия
152
ядер и количества выделяемой при этом
энергии. Оказалось возможным
подсчитать, что может произойти внутри Солнца,
учитывая его плотность и температуру, вид
и количество возможных различных ядер
и количество энергии, которая могла быть
произведена. В 1938 году
немецко-американский физик Ганс Бете и немецкий
астроном Карл Вайцзекер независимо друг от
друга показали, что из всех возможных
реакций источником солнечной энергии
может быть только деление ядер водорода.
Расчеты показывают, что запасы водорода,
имеющиеся на Солнце, вполне достаточны,
чтобы оно продолжало излучать энергию
на протяжении по крайней мере
последующих 5 миллиардов лет. Если каждую
секунду на Солнце 6,5 миллиарда тонн
водорода превращаются в гелий, то в ходе
этого процесса масса Солнца уменьшается
на 4,6 миллиона тонн. И лишь ничтожная
часть этой немыслимо огромной энергии
достигает Земли.
Термоядерные бомбы
Понятно, что ученые должны были
задаться вопросом: а могут ли термоядерные
реакции происходить на Земле? Конечно,
воспроизведение тех условий, которые
существовали в центре Солнца, оказывалось
необычно трудоемким, но ученые продол-
153
жали поиски такого вида ядерного
синтеза, который мог вызвать энергию,
аналогичную той, что получалась на Солнце.
Существует 3 известных изотопа
водорода. Обыкновенный водород почти
полностью состоит из водорода-1, в ядрах
которого находится по одному протону. Небольшое
количество составляют ядра водорода-2
(дейтерия), состоящие из 1 протона и
нейтрона, причем такие атомы оказывались
абсолютно стабильными.
В 1934 году Резерфорд, работавший
вместе с австралийским физиком Марком Оли-
фантом A901—2000) и австрийским
химиком Паулем Хартеком, заставили ядра
водорода-2 столкнуться с мишенями также
из водорода-2, в результате чего был
получен водород-3 (названный тритием, от
греческого слова «третий») с ядрами,
состоявшими из 1 протона и 2 нейтронов. Водород-3
был слегка радиоактивным. Выяснилось,
что превращение водорода-2 в гелий
происходило гораздо легче и не требовало таких
высоких температур, как реакция с
водородом-1 . Водород-3 требовал еще более низких
температур, но и они должны были
составлять миллионы градусов. Кроме того,
водород-3, который легче всего поддавался
синтезу, существовал в природе в крайне малых
количествах.
Следовательно, наиболее
предпочтительным видом сырья для получения во-
дорода-3 оказался водород-2 (дейтерий).
154
Только 1 атом из каждых 6000 атомов
водорода был водородом-2, но и этого
оказывалось вполне достаточно. На Земле
существовал обширный океан, который
почти целиком состоял из молекул воды,
и в каждой молекуле воды
присутствовали 2 атома водорода. Даже если только 1
из 6000 атомов водорода оказывался
дейтерием, это означало, что в мировом
океане имелось примерно 35 триллионов тонн
дейтерия.
Более того, этот дейтерий всегда
находился под рукой. Если воду океана
пропустить через разделительную станцию, то
дейтерий извлекался без всяких
дополнительных усилий. Фактически извлечение
дейтерия с помощью современных методов
и без всяких особых усовершенствований
оказывалось всего лишь на одну сотую
дороже добычи угля.
Если постепенно использовать тот запас
дейтерия, который содержится в мировом
океане, то человечество (даже по
приблизительным подсчетам) будет обеспечено
энергией на 500 миллиардов лет. Чтобы
убедиться в том, что использование
дейтерия практически выгодно, небольшие
количества этого элемента можно получить
посредством нейтронной бомбардировки
редкоземельного металла лития.
Ко всему прочему нет никакой
опасности в том, что водородные электростанции
могут выйти из-под контроля. В реакции
155
участвуют только небольшие количества
дейтерия. Если что-нибудь и пойдет не
так, поступление сырья можно перекрыть,
и процесс деления сам собой сойдет на
нет. Более того, не стоит волноваться и по
поводу радиоактивных отходов, поскольку
наиболее опасные продукты — тритий и
нейтроны — легко контролируются.
Ситуация была бы радужной, если бы не
одно но: следовало каким-либо способом
инициировать процесс деления. Конкретно
это означало найти возможность получения
температуры в миллион градусов.
К 1945 году стал известен один из
способов получения нужной температуры с
помощью взрыва ядерной бомбы. Если соединить
ядерное устройство с дейтерием, то в ходе
взрыва начиналось деление, которое во
много раз увеличивало освобождаемую
энергию. В результате получался эффект
«термоядерной бомбы». Широкой
общественности это устройство стало известно
как «водородная бомба», или «Н-бомба».
В 1952 году США взорвали первое
водородное устройство на Маршалловых
островах. Через несколько месяцев свою
водородную бомбу взорвал СССР, со
временем были построены и взорваны
термоядерные бомбы в тысячи раз более
мощные, чем первые бомбы, упавшие на
Хиросиму и Нагасаки.
Все термоядерные бомбы взрывали в
рамках испытания системы. Но и это пока-
156
залось опасным, поскольку опыты
проводились в открытой атмосфере.
Радиоактивность свободно выплескивалась наружу и
наносила неоспоримый вред.
Контролируемое деление ядра
Несмотря на то что водородная бомба
давала огромное количество энергии» ее
нельзя было использовать в водородных
электростанциях.
В водородной бомбе энергия
освобождается одномоментно, поэтому она может
только разрушать. Для практического
использования необходимо ее выделение в
течение длительного времени с постоянной
скоростью и под контролем операторов.
Скажем, Солнце имеет мощную топку
866 000 миль в поперечнике, но в ней
происходит организованное деление, где
контроль осуществляется безличными силами
природы. Энергия освобождается
постепенно и при незначительной скорости. С
точки зрения человека эту скорость нельзя
назвать медленной, но иногда звезды
освобождают свою энергию в форме взрыва.
В итоге появляется сверхновая звезда,
излучение которой увеличивается в
триллион раз.
Солнце (как и любая другая звезда,
развивающаяся при нормальной скорости)
остается достаточно стабильным благодаря
157
огромной массе. Состоящая в основном из
водорода, эта огромная масса сжимается
гравитационными силами, и в центре
образуется ядро с огромной плотностью и
температурой. Благодаря этим условиям там и
начинается реакция деления, причем
гравитационное поле удерживает Солнце и не
позволяет ему расширяться.
Насколько известно ученым, не
существует вероятного пути концентрации
высокого гравитационного поля в отсутствие
требуемой массы. Следовательно, создание
контролируемого деления на Земле
оказывается невозможным, ибо без мощной
гравитационной силы нельзя одновременно
достичь такой же плотности и
температуры, как в центре Солнца.
Однако деление может начаться и при
меньшей плотности, если удастся достичь
необходимой температуры. Поэтому на
протяжении всего ядерного века физики
пытались найти способ разогрева небольших
количеств водорода до огромных температур.
Поскольку в газе ядра далеко отстоят друг
от друга и в долю секунды сталкиваются
гораздо реже, для начала реакции
температура должна оказаться много выше той, что
имеется в центре Солнца.
В 1944 году Ферми подсчитал, что в
земных условиях для начала реакции между
тритием и дейтерием нужна температура
50 миллионов градусов и около 400
миллионов градусов, чтобы вызвать только деле-
158
ние дейтерия. Для деления обычного
водорода (которое происходит на Солнце при
температуре примерно в 15 миллионов
градусов) на Земле потребовалось бы достичь
температуры 1 миллиард градусов.
Все это заставляло так или иначе
использовать тритий. Даже если его нельзя
было получить в чистом виде, можно было
прибегнуть к нейтронной бомбардировке
лития, в ходе деления которого
образовывались нейтроны. Похожим образом
можно было начать с лития и дейтерия, к
которым добавлялось небольшое
количество трития. Хотя и в управляемой
реакции в конце концов водород превращался
в гелий, механизм реакции,
осуществлявшейся под контролем людей, отличался от
того, что происходило на Солнце.
И все же важнейшей проблемой,
необходимой для получения водорода-3,
остается температура, которую надо не только
достичь, но и удержать в течение
определенного времени. Аналогично бумага не
загорится, если вы быстро пронесете ее через
пламя свечи. Чтобы горение началось,
надо удерживать бумагу в пламени в
течение определенного времени.
Расчет необходимых условий
предложил в 1957 году английский физик Джон
Лоусон. Он показал, что чем плотнее газ,
тем короче был период, в течение
которого надо было удерживать нужную
температуру. Если плотность газа примерно в
159
100 раз превышала плотность воздуха, то
реакция начиналась через V1000 долю
секунды после того, как достигалась нужная
температура.
Разогревать водород до необходимой
температуры можно разными способами —
с помощью электрического тока,
магнитных полей, лазерным лучом. Как только
температура поднималась до сотен тысяч
градусов, атомы водорода (или любые
другие атомы) разбивались на свободные
электроны и чистые ядра. Вещество
переходило в особое состояние, которое
называется «плазмой». С тех пор как физики
начали исследовать очень горячие газы,
предполагая получить энергию деления, им
пришлось изучать особенности такой
плазмы. Так появилась самостоятельная
научная дисциплина, физика плазмы.
Но при нагревании в нормальных
условиях газ начинает расширяться и его
плотность быстро уменьшается. Значит, надо
было найти способ удержать сильно
разогретый газ в заданном объеме при
отсутствии огромного гравитационного поля.
Очевидно, что его следовало поместить в
контейнер, но для раскаленного газа не
подходил ни один материал. И не только
потому, что при высокой температуре материал
мог расплавиться или даже испариться. На
самом деле все не так просто. Даже при
очень высокой температуре газ не может
расплавить толстые стенки контейнера. Со-
160
прикасаясь с ними, плазма охлаждается, и
весь эффект нагревания пропадает.
Более того, если попытаться еще
сильнее повысить температуру, чтобы удержать
массу в нагретом состоянии, несмотря на
остужающий эффект стен контейнера, то
стенки постепенно разогреются и
расплавятся. Но еще раньше в плазму перейдет
часть освободившихся атомов, чистота газа
нарушится и деление не сможет начаться.
Получалось, что материальный контейнер
нельзя было использовать.
К счастью, существовал и
нематериальный способ удержания плазмы.
Поскольку плазма состояла из смеси электрически
заряженных частиц, она
взаимодействовала с магнитным полем. Значит, ее можно
было удерживать магнитным полем так,
чтобы она оставалась на месте. На
магнитное поле никак не действовала
температура, оно не могло стать источником
загрязнения плазмы.
В 1934 году американский физик Уил-
лард Беннет разработал теорию поведения
плазмы в магнитном поле. Открытое им
явление стягивания разряда было названо
пинч-эффектом, потому что магнитное поле
сжимало газ и удерживало его на месте.
В 1951 году английский физик Алан
Уэр впервые попытался использовать этот
эффект для удержания плазмы,
предполагая, что это позволит инициировать
деление. Похожие исследования затем были
161
проведены не только в Великобритании и
США, но и в СССР, где оказались
наиболее успешными.
Вначале посредством пинч-эффекта
пытались удержать плазму в форме цилиндра.
Однако это не сработало, ибо она оказалась
слишком нестабильной. Плазму удавалось
удерживать на короткий срок, затем она
скручивалась и вырывалась.
После этого начались попытки
получения стабильной плазмы. Поле было
организовано таким образом, чтобы на концах
цилиндра его напряженность была выше,
чем в середине. Частицы плазмы могли
перетекать с одного конца на другой и затем
вылетать обратно, создавая так называемое
магнитное зеркало.
В 1951 году американский физик Лаймен
Спицер-младший A914 — 1997) разработал
схему контейнера, изогнутого в форме
восьмерки. Когда такое устройство было
построено, его назвали стелларатором (от
латинского слова «stellae» — -«звезда»),
поскольку ученые надеялись, что в них можно
создать условия, которые позволят
имитировать процесс деления, происходящий на
звездах.
На протяжении 50-х и 60-х годов XX
века физики шаг за шагом шли к намеченной
цели, создавая все более высокую
температуру и сохраняя ее на протяжении все
более длительного времени, соответственно
увеличивая и плотность газов.
162
В 1969 году в СССР под руководством
Л.А. Арцимовича был создан «токамак» —
установка, в которой плазма удерживалась
в форме тора. Оказалось, что таким
способом можно удержать дейтерий в миллионы
раз более плотный, чем воздух, в месте,
нагретом до миллионов градусов в течение
сотых долей секунды. Это позволяло
вплотную подойти к осуществлению управляемой
термоядерной реакции.
ПОСЛЕДСТВИЯ ДЕЛЕНИЯ
Открытие антимира
Все началось с того, что физики
задумались над вопросом: что же все-таки
происходит с веществом в процессе деления?
Дело в том, что при превращении
водорода в результате деления в гелий только
0,75% исходной массы водорода переходило
в энергию. Можно ли было сделать так,
чтобы, взяв определенное количество массы,
полностью обратить ее в энергию? В этом
случае могло бы выделиться в 140 раз
больше энергии, чем при делении водорода. Если
же вместо водорода использовался бы уран,
получился бы идеальный источник энергии.
И наконец, при каких условиях можно было
достичь полной аннигиляции вещества?
В 1928 году английский физик Поль
Дирак A902 — 1984) опубликовал статью, в
163
которой предсказал возможность
существования частицы, полностью совпадающей по
свойствам с электроном, но обладающей
положительным зарядом. Если электрон
являлся частицей, то можно было
предположить, что его положительно заряженный
близнец был 4античастицей». Более того,
из теории Дирака следовало, что каждая
частица имеет своего «близнеца» с
противоположным зарядом. Выводы Дирака
выглядели настолько нетрадиционно, что
вначале никто не поверил в реальность
античастиц.
Только в 1932 году, когда Сирил
Андерсон, изучавший воздействие
космических частиц на свинец, получил фото
трека частицы, которая оставляла точно такие
же следы, что и электрон, но
отклонявшиеся в другую сторону под действием
магнитного поля, правота Дирака была
доказана. Фото свидетельствовало об
обнаружении первой в истории античастицы.
Андерсон обнаружил своеобразного
двойника электрона, который позже был
назван позитроном.
Вскоре позитроны нашли повсюду.
Оказалось, что некоторые радиоактивные
изотопы, полученные в лаборатории Жолио-
Кюри и другими учеными, испускали
положительные бета-частицы, которые также
являются позитронами. Когда ядро
испускает обыкновенную бета-частицу или из
ядра вылетает электрон, находящийся вну-
164
три ядра нейтрон превращается в протон.
При испускании положительной
бета-частицы происходит противоположный
процесс — протон превращается в нейтрон.
Но позитрон не стоек и существует
недолго, всего миллионные доли секунды. Почти
сразу же он сталкивается с атомом,
содержащим электроны, и притягивается к нему,
поскольку имеет противоположный
электрический заряд. Взаимодействуя, они
образуют сочетание, электронно-позитронную пару
(позитрониум), но сразу же сталкиваются и
взаимно уничтожаются.
Процесс, при котором электроны и
позитроны взаимно уничтожаются,
называется аннигиляцией. Однако они не исчезают
полностью. Уничтожаясь, их масса
превращается в соответствующее количество
энергии, которое излучается в форме
гамма-излучения.
Правда, известен и обратный процесс.
Обладающий достаточной энергией гамма-
луч может быть превращен в электрон и
позитрон. Явление получило название
«рождение электро-позитронных пар». Впервые
его зафиксировали в ходе экспериментов в
1930 году, но значение осознали после
открытия позитрона.
Поскольку и электрон, и позитрон
имеют достаточно небольшую массу,
количество энергии, которая освобождалась при
их аннигиляции, также не очень велико.
И все же первоначальная теория Дирака
165
о существовании античастиц
подтверждалась не полностью. Согласно этой теории,
любая частица должна была иметь некую
соответствующую ей античастицу.
Скажем, протон должен был иметь
антипротон, равный ему по массе, но имевший
отрицательный заряд такой же величины,
как и положительный заряд протона.
Действительно, антипротон оказался в
1836 раз более тяжелым, чем позитрон. И
для образования протон-антипротонной
пары требовалось в 1836 раз больше
энергии гамма-лучей или космических частиц,
чем для образования электрон-позитрон-
ной пары. Космические частицы с
необходимой энергией существуют, но
встречаются не так часто, и возможность их
попадания в детектор, который может
зафиксировать образование
протон-антипротонной пары, весьма редка.
Чтобы наблюдать ее образование,
физикам пришлось ждать до тех пор, пока не
построили достаточно мощные ускорители,
которые могли производить достаточное
количество энергии, чтобы произошло
образование протон-антипротонной пары. Это
случилось в начале 1950-х годов, когда в
Брукхевенской национальной лаборатории
на Лонг-Айленде в 1952 году был запущен
ускоритель космотрон. Другое устройство,
беватрон, построили в Калифорнийском
университете в 1954 году. Именно на бева-
троне физики Эмилио Сегре A905 — 1989)
166
и Оуэн Чемберлен в 1956 году впервые
зафиксировали образование антипротона и
исследовали его свойства.
Оказалось, что антипротон существовал
намного дольше, чем позитрон. Его
окружало несметное количество ядер, содержащих
протоны, и за крошечные доли секунды они
вступали во взаимодействие. Антипротон и
протон также взаимно уничтожались, но,
обладая большей (в 1836 раз) массой, они
соответственно и выпускали в 1836 раз
больше энергии, чем при аннигиляции
электрона и позитрона.
Существовал и антинейтрон, об
открытии в 1956 году сообщил итальянский
физик Оресте Пиччиони и его помощники.
Поскольку у нейтронов не было заряда, то
он соответственно отсутствовал и у
антинейтронов, поэтому вначале было
непонятно, чем же все-таки отличаются две эти
частицы. Оказалось, что направление
магнитного поля у нейтрона и антинейтрона
было противоположным.
В 1965 году американский физик Леон
Ледерман и его помощники получили
сочетание антипротона и антинейтрона,
которые вместе образовали антидейтрон, то
есть ядро антидейтерия (антиводорода-2).
Все это прекрасно подтвердило, что
античастицы существуют не только сами по
себе, но и могут образовывать
антиматерию, которая будет точно идентичной
обычной материи по своим свойствам, за
167
исключением того факта, что
электрические заряды и магнитные поля будут
повернуты в противоположную сторону.
Если нам будет доступна антиматерия и
мы сможем управлять процессом ее
взаимодействия с веществом, то получим
источник энергии во много раз значительнее,
чем реакция расщепления водорода. Учтем
и тот факт, что ее получить гораздо
проще, чем создать условия для деления
водорода.
Но на Земле нет антиматерии, за
исключением тех микроскопических количеств,
которые образуются в ходе экспериментов,
требующих огромной энергии. Пока никто
не предложил способ получения
антиматерии, не требующий огромных затрат
энергии. Возможно, человечество никогда не
сможет использовать ее в качестве
источника энергии. Правда, мы помним и
предсказание Резерфорда о том, что никогда не
удастся овладеть ядерной энергией,
которое не сбылось. Видимо, лучше всего
«никогда не говорить никогда».
Неизвестное
Физическая теория показывает, что
частицы и античастицы должны
существовать во Вселенной в равных количествах.
Однако на Земле (и почти наверняка в
остальной части Солнечной системы и даже
168
в оставшейся части Галактики)
встречаются протоны, нейтроны и электроны, в то
время как антипротоны, антинейтроны и
позитроны исключительно редки.
Возможно, когда впервые образовалась
Вселенная, в ней на самом деле
существовали равные количества частиц и античастиц,
но затем они каким-то образом разделились,
возможно на галактики и антигалактики?
Если это так, так иногда должны были
происходить столкновения галактик и
антигалактик с последующим образованием в ходе
обоюдного уничтожения огромных
количеств энергии.
Действительно, в космосе существуют
места, где уровень радиации необычайно
высок. Могло ли это быть следом
аннигиляции космических частиц?
Человеку неоднократно приходилось
иметь дело с проявлениями новых для него
сил и находить новые источники энергии.
Примерно до 1900 года никто и не
подозревал о существовании атомной энергии.
Можем ли мы быть уверенными в том, что
природа ядерной энергии выяснена нами
до конца и не существует еще какая-нибудь
форма энергии, еще более утонченная и
более мощная?
Скажем, в 1962 году далеко в космосе,
на расстоянии в миллионы солнечных лет
от нас, обнаружили загадочные тела,
названные квазарами. Яркость каждого из
них в 10 или 100 раз превышала яркость
169
света, испускаемого всей Галактикой,
хотя размер квазара не мог превышать и
тысячной части Галактики. Это все равно что
найти объект диаметром 10 миль,
испускающий свет, превосходивший излучение
100 Солнц.
Очень трудно понять, откуда получается
вся эта энергия и почему она
сконцентрирована в столь небольшом объеме. Астрономы
попытались объяснить случившееся в
терминах известных сегодня четырех
взаимодействий, но разве нельзя предположить, что
существует еще и пятое взаимодействие,
более сильное, чем любое из четырех?
Если это именно так, то вполне
возможно, что неугомонный человеческий ум
попытается понять и объяснить это явление.
СОДЕРЖАНИЕ
Часть первая
ВСТУПЛЕНИЕ 7
АТОМНЫЙ ВЕС 7
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
Единицы измерения электричества 12
Катодные лучи 14
Радиоактивность 18
Структура атома 23
Атомные числа 28
Изотопы 33
ЭНЕРГИЯ
Закон сохранения энергии 45
Химическая энергия 48
Электроны и энергия 53
Энергия Солнца 55
Энергия радиоактивности 59
Часть вторая
МАССА И ЭНЕРГИЯ 65
СТРУКТУРА ЯДРА
Протон 72
Протонно-электронная теория 75
171
Протоны в ядрах 80
Ядерная бомбардировка 83
Ускорители частиц 89
НЕЙТРОН
Ядерный спин 94
Обнаружение нейтрона 98
Протонно-нейтрониая теория 102
Ядерное взаимодействие 106
Нейтронная бомбардировка ИЗ
Часть третья
ДЕЛЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА
Новые элементы 119
Открытие процесса деления атомного ядра 125
Цепная ядерная реакция 130
Ядерная бомба * 135
Ядерные реакторы 145
ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ
Энергия Солнца 150
Термоядерные бомбы 153
Контролируемое деление ядра 157
ПОСЛЕДСТВИЯ ДЕЛЕНИЯ
Открытие антимира 163
Неизвестное 168
Научно-популярное издание
Азимов Айзек
МИРЫ ВНУТРИ МИРОВ
История открытия и покорения
атомной энергии
Ответственный редактор Л. И. Глебовская
Художественный редактор И.А. Озеров
Технический редактор Л. И. Витушкина
Корректор Д. Б. Соловьев
Подписано к печати с готовых диапозитивов 23.07.2004
Формат 76x90'/». Бумага типографская
Гарнитура «Петербург». Печать офсетная
Усл. печ. л. 6,93. Уч.-изд. л. 5,66 + 2 альбома - 6,58
Тираж 7 000 экз. Заказ № 4363
ЗЛО «Центрполиграф»
125047, Москва, Оружейный пер., д. 15, стр. 1
пом. ТАРП ЦАО
Для писем:
111024, Москва, 1-я ул. Энтузиастов, 15
e-mail: cnpol0dol.ru
www.centrpoligraf.ru
Отпечатано с готовых диапозитивов
во ФГУП ИПК «Ульяновский Дом печати»
432980, г. Ульяновск, ул. Гончарова, 14