Энергия атома - Гладков К.А.

Глава первая. На пороге великого открытия
Глава седьмая. Управляемая ядерная реакция деления
Глава девятая. Промышленность, какой ещё не было
Глава десятая. Поступь атомной энергетики
Глава одиннадцатая. «Младший брат» атомной энергетики
Глава двенадцатая. Будущее атомной энергии
Глава тринадцатая. Что такое ядерные силы?
Глава четырнадцатая. Новое о строении ядра атома
Глава пятнадцатая. Состязание с космосом
Глава семнадцатая. Можно ли укротить водородную бомбу?
Автор: Гладков К.А.
Теги: физика атомная физика издательство детская литература издательство москва энергия атома
Год: 1968
Похожие
Атомы, электроны, ядра
Детская энциклопедия. 3-е изд. Том 3. Вещество и энергия
Атом и атомная энергия
Укрощение ядра
Текст
                    К. ГЛАДКО В

К.ГЛАДКОВ
ЭНЕРГИЯ АТОМА
И ЗДАТЕЛЬСТВО
«ДЕТСКАЯ Л ИТЕРАТУРА»

530
Г 52
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ,
ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ
Книга лауреата Государственной премии СССР
К. А. Гладкова «Энергия атома» получила
всеобщее признание во многих странах мира как
своеобразная популярная энциклопедия знаний
об атоме и его энергии. Впервые она была
опубликована нашим издательством в 1958 году
для школьников старшего возраста. С
исключительной полнотой и наглядностью в ней
рассказывается о том, что такое энергия атома, каким
путем ее удалось высвободить и поставить на
службу людям и что она сулит человечеству в
ближайшем и более отдаленном будущем.
В /959 году эта книга была отмечена первой
премией на Всесоюзном конкурсе Министерства
просвещения РСФСР как лучшая
научно-популярная книга для детей. Л в 1965 году на
Международном конкурсе в Брюсселе книге К. Л. Глад-
коза «Энергия атома» была присуждена премия
«Руж э Вер», учрежденная ассоциацией учащихся
средних учебных заведений и Королевским лицеем
Бельгии, как лучшей научно-популярной книге
года. При этом подчеркивалась ее «мирная
направленность на благо человечества». Для
настоящего издания содержание книги значительно
переработано и дополнено новыми материалами.
7—6—3

Г Л А В Л
©
0
е€
ел в е u
ев
©
П Е Р В Л Я
НА ПОРОГЕ ВЕЛИКОГО ОТКРЫТИЯ
МЕЧТА О НЕВОЗМОЖНОМ
Конец XIX и начало XX веков были исключительно богаты
головокружительными открытиями и изобретениями.
Этот стремительный расцвет знаний сопровождался столь
же бурным потоком научно-фантастических повестей и
рассказов, в которых делалась попытка предугадать дальнейшее
развитие науки и техники человеческого общества или хотя бы
только наметить далекие, но страстно желанные перспективы.
Здесь мы встречаем все, о чем когда-либо мечтал человек:
гигантскую подводную лодку-дворец, с невиданной скоростью
бороздящую моря и океаны нашей планеты и способную
пройти к полюсу даже под тысячекилометровым ледовым
покровом; летательные аппараты самых удивительных
конструкций, способные без остановки переносить человека с
континента на континент и вокруг земного шара; ракеты, несущие
отважных исследователей к другим мирам Вселенной; аппараты,
позволяющие вести разговор на далекие расстояния без
проводов и при этом видеть своего собеседника.
з

Люди находят чудесные препараты, позволяющие в
ничтожно короткое время выращивать безобидных кроликов
в гигантов, и, наконец, таинственное химическое вещество,
одна спичечная коробочка которого позволяет получать такое
количество энергии, которого вполне хватило бы для того,
чтобы в течение нескольких лет приводить в движение
большой корабль, и многое другое.
Последующее развитие науки и техники во многом
обогнало пылкую фантазию писателей, мечты и догадки самых
смелых ученых.
Мы давно уже без волнения говорим об огромных
многомоторных самолетах, способных облететь без посадки больше
половины земного шара и поднимающих 720 человек или 80 г
полезного груза, о настоящих подводных крейсерах. Гордимся
и широко пользуемся радио — гениальным изобретением
русского ученого А. С. Попова. В наших жилищах наряду с
тысячами привычных предметов стоят телевизионные
приемники, дающие возможность видеть на расстоянии.
За это время были найдены новые источники энергии,
позволяющие создать совершенно иные типы двигателей,
многократно удлинить радиус действия самолетов, пробег
автомашин, с невиданной скоростью перебрасывать на тысячи
километров многотонные ракеты и даже посылать их на Луну,
Венеру, к Марсу, вокруг Солнца!
Были изобретены самые разнообразные взрывчатые
вещества, при помощи которых небольшой снаряд легко
пронизывает толстую броню
И только нарисованный фантазией писателей крошечный
источник почти неисчерпаемой энергии, несмотря на
усилия целой армии ученых, все еще оставался недосягаемой
мечтой.
В течение многих тысячелетий развития, встречаясь на
каждом шагу своей повседневной жизни с самыми
разнообразными веществами и их преобразованиями, человек накопил
опыт извлечения из них энергии. И этот опыт однозначно
говорил, что какие бы невероятные превращения вещества ни
претерпевали, энергия, выделяющаяся при таких
превращениях, не может быть очень большой. Даже при взрыве ее
выделяется сравнительно немного.
Ценой огромного труда пробила себе дорогу основанная
на множестве фактов и открытий химия — строгая и стройная
наука о свойствах и превращениях веществ, увенчанная
периодической системой элементов гиганта русской научной мысли
Д. И. Менделеева.
Эта наука, казалось бы, с исчерпывающей полнотой, не
допускающей никаких иллюзий, установила, что при всех хи-
4

Что происходит,
когда взрывается
порох.
мических преобразованиях веществ окружающей нас природы,
которые сопровождаются выделением энергии, всегда и
неизменно происходит превращение некоторых сложных веществ
в простые и обратно.
Горение обычного черного пороха представляет собой
бурную, почти мгновенную химическую реакцию между двумя
молекулами калийной селитры, атомом серы и тремя атомами
углерода, в результате чего получается одна молекула
сернистого калия, одна молекула азота и три молекулы
углекислого газа.
Подсчет энергии, выделяемой при всех этих химических
реакциях даже в их самых бурных формах, показывал, что до
свойств чудесной коробочки еще недосягаемо далеко и,
видимо, ей так и суждено оставаться самой бесплодной из всех
человеческих мечтаний.
И действительно, килограмм самого лучшего в мире
топлива позволял самому маленькому локомотиву проехать
несколько сот метров, автомобилю—10—12 км; килограмм
самого мощного взрывчатого вещества мог выбросить
килограммовый снаряд на 10—15 км.
Чтобы двигались поезда и корабли, летали самолеты,
стреляли гигантские орудия, надо было просто использовать
большое количество топлива: тысячи тонн угля, сотни тонн нефти,
десятки тонн бензина, сотни килограммов пороха или
динамита.
За все века борьбы человека с природой он ни разу не был
свидетелем такого чуда, чтобы печь в течение долгого зим-
5

Периоды
i
2
3
4
5
6
7
Ряды
I
п
I
N
V
VI
vn
УШ
DC
pie 58-71
[лантаноиды
1**
Актиноиды
<D
н <
Водород
1,0080
Li 3
Литий
6.940
Na "
Натрий
22,997
К »
Калий
39.100
29 Сц
Медь
63.54
Rb 37
Рубидий
85,48
Г Ад
Серебро
| 107,88
Cs "
цезий
132,91
79 Ди
Золото
197,0
Fr 87
Франций
223
Се 58
ЦЕРИЙ
140.13
Th 90
Торий
232,05
on
Be 4
Бериллий
9.013
Мд '2
Магний
24.32
са 20
40,08
*° Zn
Цинк
65,38
Sr 38
Стронций
87,63
48 Cd
Кадмий
112,41
Ва 56
Барий
137,36
80о "9
Ртуть
200,61
Ra ee
Радий
226,05
Рг 59
ПразЕОДим
140,92
Pa 91
Протактиний
231
(Ъ
5 В
Бор
ГО.82
13 Al
Алюминий
26,98
Sc 2i
Скандий
44,96
31 Ga
Галлий
69,72
Y 39
ИТТриЙ
88,92
49 In
Индий
И4.76
La *57
Лантан
138,92
81 Tl
Таллий
204,39
Ас**89
Актиний
227
Nd 60
Неодим
144,27
U 92
уран
238.07
Рш 61
ПрОМЕТИЙ
145
Np 93
Нептуний
237
®
6 С
Углерод
12.011
14 SI
Кремний
28,06
Ti "
Титан
47,90
32 Ge
Германий
72,60
Zr 40
Цирконий
91,22
50 Sn
Олово
118,70
Hf 7Z
Гафний
178,6
82 РЪ
Свинец
207.21
(Th) «°
Торий
232.05
Sm62
Самарий
150.43
Pu 94
Плутоний
244
|Ф1
7 N
Азот
14.008
15 р
Фосфор
30,975
у 23
Ванадий
50.95
зз д8
Мышьяк
74,91
Nb 41
Ниобий
92.91
51 Sb
Сурьма
121.76
Та 73
Тантал
180.95
33 Bi
Висмут
209,00
(Pa) 9<
Протактиний
231
Ей 63
Европий
152,0
Am95
Америций
243
ГРУППЫ
* 0
Кислород 1
16.0000
16 S
Сера
32,06
Сг 24
Хром
52,01
34 Se
СелЕН
78,96
Мо 4г
Молибден
95,95
52 Те
Теллур
127,61
W 74
Вольфрам
183.92
84 Ро
Полоний
209
(U) 92
Уран
238,07 1
Gd <*
Гадолиний
156,9
Cm 96
Кюрий
247
ТЬ 65|
ТЕрБИЙ
158,93
Вк 97
Беркелий
247 I
Периодическая система
него вечера согревала его жилище одной щепкой или чтобы
можно было выиграть многодневное сражение горстью
простого пороха.
И все-таки идея о возможности получения неисчерпаемой
6

ЭЛЕМЕН'
3 F
Фтор
19.00
17 CI
Хлор
35,457
Mn 25
54.94
35 Br
Бром
79,916
Тс 43
Технеций
98
К 1
Иод
126,91
Re 75
Рений
186,31
в* At
Астатии
210
Dy 66
Диспрозий
162.46
Cf 9в
Калифорний
[ 251
гов
| Vffl
Fe 26
ЖЕЛЕЗО
55.85
Со 27
Кобальт
58.94
Ni 2*
Никель
58,69
Ru 44
Рутений
1QU
Rh 45
Родий
102,91
Pd "I
Палладий
юе,7 ]
Оз 76
Осмий
190,2
1г "
Иридий
192,2
pt 78|
Платина
195,23 |
Но 67
Гольмий
164,94
Es "
Эйнштейний
254
Ег 68
Эрбий
167.2
Fm юо
Фермий
253
Tu 69
Тулий
168,94
Md 101
Менделевий
256
Yb 7
Иттерби
173.04
? 10
254
щ
Не «
Гелий
4,003
Ne ю
Неон
20,183
Аг «
Аргон
39,944 |
Кг 36
Криптон
83,80
Хе 54
КСЕНОН
131,3
Rn в6
Радон I
222 1
°|Lu 71|
Я ЛЮТЕЦИЙ!
1174.99 J
2 Lw 103|
Шоуренсий!
[257 |
[РАСПОЛОЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ!
ПО ОРБИТАМ
В АТОМАХ НУЛЕВОЙ ГРУППА.
СЛОИ В ПОРЯДКЕ УДАЛЕНИЯ ОТ ЯДРА
\К L M NOP Q\
2
2 (
2 С
2 с
2 Г
2 8
\flop*
НС
\Назв
»
i 8
И18
118
1 18
8
18
32
8
18
чековый
w,—7*/
17 CV
Хлор
/ ».457
Q.HUQ
Am
6
OMt
fee
8
тол 1
tblU
элементов Д И Менделеева.
энергии, заключенной в ничтожно малом количестве вещества,
жила в тайниках мысли не только писателей-фантастов, но
и многих ученых, издавна стремящихся проникнуть в тайны
строения вещества окружающей природы,
7

„ПУДИНГ С ИЗЮМОМ1'
Прежде чем продолжать наше повествование, попробуем
бегло посмотреть, что было известно о строении вещества на
пороге XX века.
С большой достоверностью было установлено, что все
бесконечное разнообразие окружающей нас природы, как
мертвой, так и живой, состоит из различных комбинаций
относительно небольшого количества основных химических
элементов, начиная от самого легкого — водорода и кончая самым
тяжелым — ураном. Из известных сейчас элементов к тому
времени были открыты еще не все.
Некоторые из этих элементов встречаются в природе в
чистом виде, например, серебро, золото, углерод, медь и др., а
подавляющее большинство остальных — в смеси или в
соединениях с другими элементами.
Было установлено, что атом является мельчайшей, а
следовательно, и неделимой частицей какого-либо химического
элемента
Самой маленькой частицей любого вещества, состоящего
из одного или нескольких элементов, которое все еще
сохраняет свойства этого вещества, считалась молекула. При
делении молекулы она распадается на составляющие ее атомы,
и тогда свойства первоначального вещества уже
утрачиваются.
В результате любых, даже самых сложных, химических
реакций и преобразований в лучшем случае можно было
добиться только выделения чистых химических элементов или же
создания из них новых сложных комбинаций.
Поскольку золото является одним из таких элементов, его
атомы при любых химических преобразованиях остаются
неизмененными. Вот почему все попытки средневековых
алхимиков превратить одни элементы в другие, в частности ртуть
или свинец в золото, оказались безрезультатными.
Развитие науки об электричестве привело сначала к
понятию о «зернистости» электричества, а затем к революционному
открытию известным английским физиком Д. Томсоном
в 1897 году мельчайшей частицы отрицательного
электричества — электрона, или, как его тогда называли, атома
электричества.
Вскоре Р. Милликену (США) удалось определить массу
(вес) электрона. Она оказалась равной 9,10904 -10 ~28 г,
в 1836 раз легче атома водорода — самого легкого из всех
известных элементов.
Ученые предполагали, что неделимый атом состоит как бы
из сферы, равномерно заряженной положительным электриче-
д

ством. В эту сферу и вкраплены электроны. «Что-то вроде
пудинга с изюмом», как однажды выразился Д. Томсон,
предложивший в 1898 году такую модель строения атома. Сумма
всех отрицательных зарядов электронов атома всегда равна
величине положительного заряда всей сферы, то есть в целом
атом нейтрален, и лишь потеря им одного или нескольких
электронов приводит к образованию положительно
заряженного атома, или, как его называют иначе, положительного
иона.
Так представлял себе в 1898
году строение атома английский
физик Д Томсон.
+ + ■
Таково, за некоторыми исключениями, было представление
о строении атома к концу XIX века, причем в нем наряду с
известной стройностью многое еще было неясным. Что
представляет собой, кроме электрона, остальная положительно
заряженная масса атома? Нет ли в атоме положительных частиц,
подобных электронам? Все эти вопросы оставались
неразрешенными.
Так вот, среди этой по тому времени гармонически
построенной системы вдруг было обнаружено вещество, которое
вело себя совершенно по-иному, чем все остальные известные
людям вещества. Оно не подчинялось, казалось бы,
незыблемым законам, обязательным для всей остальной материи, и
шло вразрез с общепринятым представлением о неделимости
атомов.
ОШИБКА АНРИ БЕККЕРЕЛЯ
Это «вдруг» случилось в самом начале 1896 года. Всего
за несколько месяцев до этого известный немецкий ученый
В. Рентген сделал поразительное открытие, навеки обессмер-
9

тившее его имя, — он открыл лучи, которые теперь всем
известны под названием рентгеновых.
Эти лучи свободно проходили сквозь бумагу, дерево,
человеческое тело и даже сквозь тонкие металлические листы.
Освещенная в темноте невидимым излучением
фотографическая пластинка чернела, как под лучами солнечного света.
• -'..-' Опыт, который привел к
открытию рентгеновых лучей.
Сотни ученых во всех странах мира стали лихорадочно
повторять опыт Рентгена, изучать эти новые лучи и связанные
с ними явления.
В первой трубке, которой пользовался Рентген,
таинственные всепроникающие лучи исходили из одного определенного
ее участка. Когда трубка работала, то против этого участка
на стекле появлялось маленькое пятно, светившееся холодным
зеленовато-желтым светом. Объяснить причину появления
этого свечения ни сам Рентген, ни другие ученые не могли.
Явление свечения некоторых веществ под действием
солнечного света, так называемая флюоресценция, в науке было
известно давно, и им на протяжении многих лет усиленно
интересовался французский физик Анри Беккерель.
Явная флюоресценция стекла в трубке Рентгена привлекла
внимание Беккереля, и он, ознакомившись детально с работой
трубки, пришел к убеждению, что это свечение как раз и есть
истинная причина испускания новых лучей. А раз так, то и
все другие светящиеся вещества должны испускать такие же
или подобные лучи — одни слабее, другие сильнее. Просто до
10

Рентгеновы лучи, пройдя сквозь непрозрачное тело, впервые
оставили свой след на фотографической пластинке.
Рентгена никто не занимался этим и связи между этими
явлениями не замечал.
Желая проверить правильность своих умозаключений,
Беккерель в одном из опытов положил на фотографическую
пластинку, тщательно завернутую в несколько слоев черной
бумаги, кусок первого попавшегося ему под руку
флюоресцирующего вещества, свечение которого под действием
солнечного света было особенно сильным.
Если верить предположению, что флюоресцирующее
вещество, освещенное ярким солнечным светом, не только
светится видимым светом, но еще и испускает невидимые глазу
всепроникающие рентгеновы лучи, то эти лучи, несомненно,
пройдут через слои черной бумаги и засветят
фотографическую пластинку. Если же рентгеновых лучей нет, на
пластинке ничего не отпечатается — от всех видимых лучей света
она прекрасно защищена многослойной оберткой из черной
бумаги.
Взятое наугад и выставленное на солнце
флюоресцирующее вещество оказалось двойной сернокислой солью урана и
калия.
Опыт удался как никогда. Проявив через несколько часов
пластинку, Беккерель обнаружил на ней ясный отпечаток
куска соли урана. Повторив опыт несколько раз, Беккерель уже
подготовил к опубликованию статью о своем открытии. Но
щепетильность и строгая недоверчивость ученого к результатам
своих опытов, особенно успешных, взяла верх, и Беккерель
решил, тщательно проверяя малейшие детали, повторить их
снова.
//

Колоссальной важности научного открытия не произошло
бы еще долго, если бы торжествующий Беккерель
ограничился только первой серией опытов, казалось бы полностью и
исчерпывающе подтверждающих его догадку.
Как назло, наступили пасмурные дни, солнце не
появлялось из-за свинцовых туч. Приготовленный пакетик с
пластинкой и кусочком соли на нем пришлось положить в стол.
Через несколько дней Беккерель решил на всякий случай
проявить эту пластинку. К его изумлению, изображение соли
Кусочек соли урана оказался
способным оставлять на
фотографической пластинке такие
же следы, как и лучи Рентгена.
урана отпечаталось еще резче и яснее, чем в первых опытах,
хотя никакой флюоресценции урана в темном ящике стола,
да еще в пасмурные дни, быть не могло.
Нескольких дополнительных опытов оказалось достаточно,
чтобы бесспорно установить, что двойная сернокислая соль
урана и калия, независимо от того, флюоресцирует ли она
под воздействием солнечных лучей или находится в темноте,
испускает невидимые глазу лучи, по своему действию
сходные с лучами Рентгена.
Так 26 февраля 1896 года было открыто для человечества
новое физическое явление — излучение солями урана
невидимых сильнопроникающих лучей, похожих на лучи Рентгена.
Этому явлению и было суждено стать отправным пунктом
всей новой физики XX века.

г л л в л
РАДИОАКТИВНОСТЬ
ПОДВИГ ДОЧЕРИ ПОЛЬСКОГО НАРОДА
Открытие Беккереля привлекло к себе внимание ученых
во всем мире.
Наличие сильно проникающих лучей, исходящих от
природного минерала, было событием совершенно непонятным и
действительно таинственным.
В числе ученых, заинтересовавшихся столь необычным
явлением, оказалась работавшая в то время в Париже, в
лаборатории Беккереля, полька Мария Склодовская, по мужу
Кюри, — молодой талантливый химик.
Чернеющая под воздействием неизвестных лучей
фотографическая пластинка успешно сослужила свою службу для
их открытия. Но для многочисленных и тонких опытов,
необходимых для выяснения природы этих лучей, надо было
искать другие методы наблюдения.
С этого и начала Мария Склодовская-Кюри.
Было известно, что под действием рентгеновых лучей
атомы азота и кислорода, входящие в состав воздуха, потеряв
13

один или несколько электронов, превращаются в
положительно заряженные ионы. Благодаря наличию
положительных ионов и оторванных от атомов электронов (свободных
электронов) воздух становится проводником электричества.
В таком ионизированном воздухе заряженные тела не могут
долго удерживать свои электрические заряды и быстро
разряжаются
Ионизация воздуха легко обнаруживается при помощи
хорошо известного школьного прибора — электроскопа (его
устройство показано на стр. 15). Металлический стержень
укреплен в пробке, сделанной из материала, не проводящего
электричества. К нижней части стержня прикреплен
тоненький листок алюминиевой фольги. Для того чтобы можно
было вести отсчеты угла отклонения фольги, сбоку к стержню
прикреплена изогнутая шкала.
Конструкция электроскопа может быть и иной —
например, на конец стержня просто укрепляются два подвижных
листочка фольги.
Если к шарику в верхней части стержня электроскопа
прикоснуться заряженным предметом, стержень, а вместе
с ним и листок фольги зарядятся. А так как одноименно
заряженные предметы отталкиваются один от другого, то
легкий, подвижный листок фольги отойдет от стержня тем
дальше, чем сильнее был приложенный к стержню заряд.
Но стоит направить на заряженный электроскоп пучок
рентгеновых лучей или внести внутрь его вещество,
излучающее открытые Беккерелем лучи, как листок фольги довольно
быстро опадет — приблизится к стержню, то есть электроскоп
разрядится.
Чем больше ионов образуется в воздухе вокруг
заряженного стержня, тем скорее разрядится электроскоп.
Таким прибором, только более сложной и совершенной
конструкции, и воспользовалась в своих исследованиях Мария
Склодовская-Кюри.
В течение длительного времени она обследовала все
известные и доступные ей вещества, содержащие уран. Как и
следовало ожидать, оказалось, что чем больше урана
содержалось в веществе, тем сильнее было его ионизирующее
действие. Быстрее всего разряжался электроскоп под действием
лучей, исходящих из чистого, металлического урана.
Вскоре она столкнулась и с первой неожиданностью: два
природных урановых минерала — урановая смолка из
австрийского города Иоахимсталь (ныне город Яхимов,
Чехословакия) и хальколит — испускали во много раз больше лучей,
чем самый чистый уран.
Оставалось предположить, что в урановой смолке и халь
П

+
В ряде физических исследований
обычный школьный электроскоп оказывается
весьма полезным и точным прибором.
Когда он заряжен, его листочки
расходятся. Рентгеновы лучи, направленные
на электроскоп, ионизируют воздух и
делают его проводящим, благодаря чему
листочки разряжаются и опадают.
колите содержится еще какой-то,
пока неизвестный, элемент,
способность которого испускать
лучи была выше, чем у урана.
Способность веществ
самопроизвольно выделять невидимые
излучения Мария Склодовская-
Кюри назвала радиоактивностью
(от латинского слова «радиус»,
означающего «луч»).
Поисками этих загадочных
излучающих веществ занялся и муж Марии — Пьер Кюри,
переключившийся целиком на новую, увлекшую его работу.
В неимоверно трудных условиях, после тяжелой
двухлетней работы, в ходе которой им пришлось переработать
несколько тонн предоставленных в их распоряжение урановой
руды, в июле 1898 года Мария и Пьер Кюри получили
наконец небольшое количество сильно радиоактивного соединения
висмута, в котором находился неизвестный до этого элемент,
названный ими в честь Польши — родины Марии Склодов-
ской-Кюри — полонием.
Однако неожиданности продолжали следовать одна за
другой.
Кроме полония, в декабре 1898 года им удалось
обнаружить и выделить соединение хлора с другим, еще более
сильным радиоактивным веществом, которое они назвали
радий, что означает «лучистый».
15

Полоний и радий, открытые М Склодовской-Кюри и П Кюри
И вот, наконец, спустя еще два года, затратив в общей
сложности около 45 месяцев упорного труда, супруги Кюри
получили 0,1 г соли хлористого радия, а затем сумели
выделить из нее и крупицу чистого, металлического радия.
Радиоактивность его была в миллионы раз сильней, чем
радиоактивность урана.
Радий оказался поистине удивительным веществом.
В короткий срок он засвечивал дочерна фотографическую
пластину, даже если ее закрывали солидным слоем свинца,
начисто задерживающим рентгеновы лучи. Соли радия
светились мягким голубоватым светом. Под действием лучей
радия, так же как и под действием лучей Рентгена, ярко
светились в темноте экраны, покрытые сернистым цинком, пла-
тиносинеродистым барием и другими веществами.
Ничтожно малые количества радия, не превышающие
миллиардной доли грамма, уже можно было обнаружить по
мощной ионизации, которую вызывало их излучение. Под
действием лучей радия чистое белое стекло окрашивалось в
различные цвета.
Открылась еще одна неожиданность: радий оказывал
сильное действие и на живой организм. Его излучение было
просто опасным для здоровья. Первой жертвой стал сам
Анри Беккерель.
Однажды, собираясь на лекцию, он положил небольшую
пробирку с солями радия в жилетный карман. Спустя
несколько часов в этом месте на коже появился сильный ожог,
а потом болезненная язва, не заживавшая в течение
нескольких месяцев.
16

Тепло, выделяемое 1 г радия
за шесть суток, способно
вскипятить стакан воды.
И еще одна
особенность резко выделяла
радий из всех известных в
то время веществ.
Как впервые заметил
Пьер Кюри, этот элемент
всегда имел температуру
несколько выше
окружающей его среды.
Измерения показали, что 1 г
радия каждый час выделяет
около 136 калорий (кал)
тепла1. Этим теплом
можно было нагреть от 0 до
100 градусов стакан
воды емкостью 200 г в те .е-
ние приблизительно
шести суток.
Самым интересным
оказалось то, что
излучающий радий ничего не
терял в весе.
Это был уже совсем непонятный и неизвестный людям
источник энергии.
После того как было найдено несколько радиоактивных
веществ, началось изучение этого нового вида лучей.
В числе прочих был проделан и такой опыт. Желая
выяснить, не является ли таинственное излучение потоком
заряженных частиц, узкий пучок лучей от радиоактивного
источника пропустили между полюсами сильного магнита, так как
было известно, что путь полета любых заряженных частиц
под действием магнитного поля искривляется.
Предположения ученых оправдались. Пучок лучей
расщепился на три части.
Отклонившиеся менее всех лучи получили название альфа-
лучей.
Наиболее искривившаяся часть общего излучения, притом
'Калория — количестве тепля, необходимое для нагревания 1 г
воды на 1°С. Большая калория равна 1000 калорий.
* Энергия атогма

в противоположную, чем альфа-лучи, сторону, получила
название бета-лучей.
Никуда не отклонявшуюся часть излучения назвали
гамма-лучами.
Каждое из этих излучений начали изучать отдельно.
Оказалось, что они по-разному поглощаются различными
веществами.
Обыкновенный лист бумаги или тонкая ткань полностью
задерживали альфа-лучи.
Бета-лучи оказались более проникающим излучением. Они
проходили сквозь алюминиевую пластинку толщиной в
несколько миллиметров.
Но мощнее всех других, как выяснилось, были гамма-лучи.
Чтобы их задержать, требовался слой свинца толщиной
в несколько десятков сантиметров.
Альфа-лучи оказались потоком быстролетящих
положительно заряженных частиц (альфа-частиц), примерно в
Под действием магнитного
поля однородные, казалось
бы, лучи радиоактивных
веществ неожиданно
разделились на три части.

Способность частиц и лучей, испускаемых радием и полонием,
проникать сквозь вещество оказалась разной
7000 раз более тяжелых, чем электроны. Так как их масса
намного больше массы электрона, а скорость движения
меньше, то в магнитном поле они и отклонились не так сильно,
как электроны.
Знаменитому английскому ученому Э. Резерфорду удалось
очень тонким и остроумным способом доказать, что альфа-
частицы— это дважды ионизированные атомы гелия, то есть
атомы гелия, которые, потеряв свои два электрона, тем
самым приобрели два положительных электрических заряда.
2* 19

Крошечный кусочек радия был
заключен в стеклянный сосуд с
двойными стенками, воздух между
которыми был тщательно откачан.
Толщина этих стенок была подобрана
такой, чтобы альфа-частицы,
вылетающие из крупинки радия, легко
проходили сквозь первую,
ближайшую к нему стенку, но уже не
могли проникнуть сквозь вторую. По
прошествии нескольких дней в
пространстве между стенками
оказалось заметное количество газа
гелия.
Для наблюдения одиночных
альфа-частиц Резерфорд использовал
и другой столь же простой, но очень
наглядный прибор, так называемый
спинтарископ (от греческих слов
«искра» и «смотрю»), изобретенный
английским физиком Круксом.
Игла, на кончике которой
находится ничтожно малое количество
какой-либо соли радия, помещена
в трубке против светящегося
экрана из сернистого цинка. Верхний
конец трубки закрыт лупой. Как
только отдельная альфа-частица
попадает на экран, тот начинает
светиться, и это свечение хорошо видно
в лупу. Наблюдателю
представляется очень красивая картина —
на темном фоне вспыхивает и гаснет множество ярких
звездочек.
Измерения заряда и массы бета-лучей показали, что это
уже известные науке носители отрицательных зарядов —
электроны. Их стали называть бета-частицами.
Гамма-лучи, которые в опыте Беккереля засвечивали
фотопластинку (альфа-излучение поглощалось в обертке),
оказались такими же, как и лучи рентгена,
электромагнитными колебаниями. Они распространяются в вакууме со
скоростью света — 300 тысяч километров в секунду.
Гамма-лучи очень опасны для людей и животных Их
энергия сильно слабеет только с увеличением расстояния,
расходуясь на ионизацию молекул и атомов окружающих веществ.
Здесь вполне уместно напомнить удивительно пророческие
Ртуть
Внутренняя
трубна
Гелий
Наружная
трубка
Таким изящным опытом
удалось установить, что
альфа-лучи являются
сильно
ионизированными (лишенными всех
своих электронов)
атомами газа гелия.
20

и важные в свете нашей сегодняшней действительности слова
Пьера Кюри, сказанные этим героем и великим тружеником
науки более 50 лет назад при вручении ему и Марии Скло-
довской-Кюри Нобелевской премии за их выдающиеся
открытия:
«Нетрудно предвидеть, что в преступных руках радий
может сделаться крайне опасным, и вот возникает вопрос:
Спинтарископ — физический прибор,
впервые появившийся в продаже
как любопытная и занимательная
игрушка.
действительно ли полезно для человечества знать секреты
природы, действительно ли оно достаточно зрело для того,
чтобы их правильно использовать, или это знание принесет
ему только вред?
Пример сделанного А.Нобелем1 открытия является в этом
отношении характерным. Мощные взрывчатые вещества
позволили людям совершить замечательные деяния, и они же
явились страшным средством разрушения в руках великих
преступников, толкающих народы на путь войн... Я
принадлежу к числу тех, кто верит, что новые открытия приносят
человечеству больше пользы, нежели вреда...»
РАДИОАКТИВНЫЕ СЕМЕЙСТВА
Но что происходит с самими радиоактивными атомами?
Какие таинственные изменения претерпевают они, испуская
альфа- и бета-частицы и гамма-лучи?
Объяснил это все тот же Резерфорд совместно с
известным английским физиком Содди.
Они предположили, что атомы радиоактивных веществ,
1 Изобретатель очень мощного взрывчатого вещества — динамита,
21

Радиоактивные превращения радия в радон и гелий, а затем
через цепочку последующих распадов — в обычный, уже
нерадиоактивный свинец.
в отличие от атомов обычных элементов, не являются
прочными, устойчивыми образованиями. Они могут
самопроизвольно распадаться и, испуская определенные частицы,
превращаться в другие элементы. Так, испуская альфа-частицы,
атомы радия превращаются в атомы радиоактивного газа
радона,
22

Уран 238 (U 92 j
4,66-10 лет
Уран Х234 (Th 2|q)
Уран Z 234 —4
(Ра 234\
V rd 91 ' 6.7 часа
'протоактиний )
I-- Уран X,234(Pa2|,4)
(протоактиний )
1,4 мин
Уран II (U 92 )
2,7-10 6пет
- — Ионий 230 ( Th 90 )
(торий )
8,3-10 лет
226 ,
*-* Радий 226 ( Ra 88 )
1590 лет
222,
[ Радон 222 (Rn 86 )
218
Радий С 210
(таллий )
1,32 мин
3,825 дня
Радий А 218 (РО g^ )
( полоний)
3,05 мин
: Радий В 214 (РЬ2ю)
(свинец )
26,8 мин
Радий С 214 (Bl 2i?)
(висмут)
83
19,7 мин
t- Радий С 214 ( РО 2^ )
(полоний )
1,б'Ю4сек
210 у
Радий D 210 (РЬ 82 )
(свинец)
22 года
Радий Е 210 (Bl 83 )
(висмуте
дней
-~ Радий F 210 (РО™)
(полоний )
140 дней
ф (рь2£6)
Обычный свинец
Семейство радиоактивного элемента урана и
последовательность его превращений в другие
элементы.

В результате возникают атомы
уже двух новых элементов радона
и гелия
Однако на этом процесс
радиоактивного распада не
останавливается. Вновь образовавшийся
радон, в свою очередь, также
испускает альфа-частицы, превращаясь
в новое вещество — радий А. Это
также радиоактивный элемент.
Далее, радий А превращается в
радий В, тот — в другой элемент,
и т. д.
Процесс радиоактивного
распада останавливается только тогда,
когда все количество радия
превратится в обычный, всем хорошо
известный свинец
Сам радий не случайно
содержится в урановых рудах Он весь
целиком когда-то образовался из
урана и продолжает
образовываться во всех рудах, где содержится
хоть малейшая примесь этого
элемента.
Но здесь сразу же возникает
вопрос: почему радиоактивные
вещества, изучаемые учеными, испускали
Th232
90
1,39-10 10 лет
. Ms Th! 2g|
6,7 года
^ MsTh22g|
6,13 часа
RdTh 2£>8
1,90 года
[ Th X 88
3,64 дня
Ш ТП 86
54,5 сек
216
Th A 84
0,16 сен
Th В 82
*J 10,6 час
212
Th С 88
Альфа-частица
ThC
Бета-частица
60,6 мин JI ^60.5 мин
11 208
81 "
XI. Г1 212
— Th С 84
3,1 мин
Обычный свинец
Семейство радиоактивного элемента тория.
•10 сек
— РЬ2£
все три вида излучении, в то время как, исходя из
вышесказанного, им, казалось, следовало бы испускать одни только
альфа-частицы?
Дело в том, что в изучаемом радиоактивном веществе
обычно, кроме основного излучателя, содержатся и те
вещего

7,13-10* лет
AC U 92
231
UY ^
▼ Альфа-частица
Ас С 81
4,76 мин
РЬ|027в
Обычный свинец
Семейство радиоактивного элемента актиния.
ства, которые, в свою очередь, образуются из него, а также
вещества, образующиеся из многочисленных продуктов
последовательного распада, сопровождающегося испусканием
этих частиц и лучей.
Поэтому излучение урана и оказалось таким сложным.
25

Что тако^ период полураспада
В нем содержатся частицы распада и самого урана и распада
радия, радона, радия А и т. д.
И если еще можно избавиться от веществ, служащих, так
сказать, прародителями изучаемого, то от тех, которые оно
само образует, избавиться очень трудно. Ведь они
появляются непрерывно в процессе распада радиоактивного
вещества.
Цепочка таких элементов, постепенно образующихся один
из другого, называется радиоактивным семейством.
Этих семейств три. Они охватывают все известные
тяжелые радиоактивные элементы, дружно заканчиваясь
обыкновенным свинцом.
Изучение этих цепочек показывает, что все природные
тяжелые радиоактивные элементы, распадаясь, излучают
либо альфа-частицы, либо электроны (бета-частицы).
Гамма-излучение, как правило, сопутствует излучению
бета-частиц.
В некоторых случаях наблюдается более сложное
явление— один и тот же элемент распадается двумя способами:
он испускает или альфа-частицы, или электроны. Такой
разветвленный распад называется «вилкой». Однако в цепочках
распада он является больше исключением, чем правилом.
Потребовалось несколько десятилетий тщательных иссле-
26

дований, чтобы установить закономерности радиоактивного
распада и найти наиболее удачные способы измерения хода
этого процесса.
Основной условной величиной, характеризующей
радиоактивное вещество, был выбран период его полураспада. Если,
например, говорят, что оно имеет период полураспада,
равный четырем дням, то это означает, что в течение четырех
3-1С'сек
Так могут отличаться один от другого периоды полураспада некоторых
радиоактивных веществ

дней распадается, превратившись в другие элементы,
половина первоначально взятого количества этого вещества.
Через следующие четыре дня распадается половина
остающегося количества. Таким образом, через восемь дней будет
оставаться только 1Д первоначально взятого количества
радиоактивного вещества, через 12 дней—Vs и т. д. Иными
еловами, чтобы радиоактивность какого-либо вещества
уменьшилась до 1% первоначальной, должно пройти семь перио
дов полураспада.
Необходимо учесть, что такое количество радиоактивного
вещества распадается лишь в среднем. Фактически некоторые
атомы не распадаются в течение всего времени
существования данного вещества, в то время как другие атомы могут
распадаться почти все сразу или в значительно более
короткие промежутки времени.
Чем энергичнее распадается вещество, тем короче период
его полураспада. Вот почему сильные излучатели живут
сравнительно недолго.
1 г урана содержит в себе около 2,5 • 1021 атомов. Из
этого количества в секунду распадается всего около 12 тысяч
атомов Поэтому период полураспада урана исключительно
долог — около 5 миллиардов лет! Время полураспада
радия — 1590 лет, радона — несколько дней, радия А —
несколько минут, полония-212 — 3- 10~~7 сек, и т. д.
Почти все естественные радиоактивные элементы
являются самыми тяжелыми в периодической системе. Ввиду их
самопрвизвольного распада они оказываются и самыми
неустойчивыми.
Многочисленные опыты, проведенные с радиоактивными
веществами, дали еще один неожиданный результат.
Если никакие усилия не могли разрушить атомы
стабильных элементов, радиоактивные атомы, наоборот, разрушаются
самопроизвольно, и никакая сила в мире: ни температура,
близкая к абсолютному нулю, ни самая высокая из
полученных на Земле, ни давление в несколько тысяч атмосфер —
ничто не может ни остановить, ни ускорить, ни задержать
этот процесс.
ПОЧТИ „ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ"
Столь же удивительным оказалось и другое, уже
упоминавшееся выше свойство радиоактивных веществ. Их
произвольный распад сопровождается выделением громадных
количеств энергии — в сотни тысяч раз превосходящей
энергию самых мощных известных химических реакций
28

Мы уже знаем, что от 1 г радия можно получить около
136 калорий тепла в час.
Когда по истечении нескольких тысяч лет полностью
распадутся все его атомы, выделенная ими энергия будет
равняться 2800 тысячам больших калорий.
Такую энергию можно получить, сжигая примерно 375 кг
самого лучшего угля.
1 г радия
Столько энергии выделяется при полном распаде 1 г радия.
Разница заключается только в том, что энергия от
сгорания угля может быть выделена в сравнительно короткое
время, а чтобы получить полностью энергию распада грамма
радия, пришлось бы ждать несколько тысячелетий.
Ну, а если бы, например, удалось получить слиток радия
весом 1 г? Такая глыба выделяла бы по 136 тысяч больших
калорий в час. Этой энергии было бы достаточно для
создания практически вечного двигателя, развивающего мощность
порядка нескольких сотен лошадиных сил.

Г А А В А
ЕЩЕ ОДНА ЗАГАДКА ПРИРОДЫ
ВЕЛИКАЯ ПУСТОТА
Открытие радиоактивности показало ученым, что из
атомов некоторых веществ непрерывно излучаются материальные
частицы — атомы гелия и электроны и что электрические
заряды— положительные и отрицательные — связаны с этими
материальными частицами
Многое еще было неясно в самом явлении
радиоактивности, но ученые уже поняли, каким ценным средством оно
может быть при исследованиях строения атома
И вот, вооружившись этим новым, мощным орудием, уже
знакомый нам английский физик Э Резерфорд в 1903—
1912 годах занялся изучением строения атомов различных
веществ, подвергая их бомбардировке частицами,
излучаемыми радиоактивными элементами
Суть его опытов закчючалась в следующем
На пути узкого пучка альфа-частиц, испускаемых
радиоактивным веществом, помещалась очень тонкая
металлическая фольга из золота Регистрировались альфа-частицы
30

с помощью экрана из светящегося состава (сернистый цинк),
расположенного вокруг мишени.
Чего можно было бы ожидать в результате попадания
альфа-частиц в атомы золота, если бы последние были
сплошными шариками? Станут ли они расталкивать атомы
золота, пробиваясь между ними, или же будут отскакивать
от них в разные стороны?
Так должны были бы
рассеиваться альфа-частицы,
если бы атомы
бомбардируемого ими вещества
были сплошными шариками.
Если альфа-частицам нужно будет как-то пробираться
через гущу атомов золота, то им, естественно, придется
претерпевать множество столкновений с ними, сотни и тысячи
раз менять свое направление. И как следствие альфа-частицы
будут рассеиваться, то есть вылетать из золотого листка по
самым различным направлениям.
На деле оказалось совсем не так. Подавляющая часть
альфа-частиц проходила сквозь металл, почти не отклоняясь
от прямолинейного пути, и лишь немногие отклонялись на
большие углы, а иногда даже отскакивали назад.
Вспоминая через 20 лет об этих своих первых опытах,
Резерфорд говорил:
«Это было, пожалуй, самое невероятное явление, которое
когда-либо встречалось в моей жизни. Оно было почти таким
же невероятным, как если бы вы обстреливали 15-дюймовыми
снарядами лист самой тонкой бумаги, а они отскакивали бы
обратно и попадали в вас. После размышлений над этим
обстоятельством я убедился, что это обратное рассеяние
могло быть результатом только прямого попадания. Но когда
я произвел нужные расчеты, то увидел, что полученный
результат по величине тоже невероятен — за исключением того
единственного случая, когда вы имеете дело с системой, в
которой большая часть массы атома сконцентрирована
в ничтожно малом ядре».
31

На самом деле рассеивание альфа-частиц атомами вещества
происходит так.
Действительно, единственным правдоподобным
объяснением этому явлению могло быть только то, что положительно
заряженные альфа-частицы встречали на своем пути прямо
перед собой другие, еще более сильно заряженные
положительным электричеством частицы, заряд и масса которых
были столь велики, что альфа-частицы отлетали в сторону
и даже назад, несмотря на свою огромную скорость (около
20 тысяч километров в секунду), а следовательно, и энергию.
Столь огромные силы отталкивания не могли появиться
у атома, положительный заряд которого был бы равномерно
распределен по всей сфере атома, как это предполагал
Д. Томсон.
Но совсем другая картина получалась, если
предположить, что весь положительный заряд и масса атома
сосредоточены в очень небольшом объеме. Тогда двум
положительным зарядам приближающейся альфа-частицы
противодействовали бы силы собранных как бы в кулак 79 таких же
положительных зарядов атомов золота. Не имея возможности
преодолеть сопротивления столь мощного препятствия, альфа-
частица, несмотря на свою скорость, вынуждена отклониться
в сторону или, при попадании прямо «в лоб»,
отскакивать назад.
Тщательный двухлетний обстрел всех «закоулков» атома
наконец подтвердил последнее предположение и позволил об-
32

наружить положительно заряженную его часть — ядро атома,
в котором сосредоточена почти вся его масса Это ядро
занимает лишь ничтожно малую часть объема всего атома.
Примерно одну стотысячную его поперечника.
Атом оказался пуст!
Если увеличить размер атома до размера Земли, а его
электроны, расположенные на самой внешней границе атома
и образующие как бы оболочку, представить в виде
футбольных мячей, катающихся по поверхности Земли, то
положительно заряженное ядро атома будет иметь размер шара
диаметром всего около 130 м, расположенного в самом
центре Земли. Разделять же их будет пустое пространство
в 6378 км\
В свою очередь, если сложить вместе ядра атомов так,
чтобы они касались один другого, то 1 смг такого чисто
ядерного вещества весил бы... 114 миллионов тонн!
Так как нам все равно не миновать в дальнейшем одного
очень любопытного вопроса, попробуем задать его сейчас,
а отвечать на него будем в несколько приемов. Что же в
таком случае мешает атомам уплотниться и образовать это
ядерное вещество?
В первую очередь этому мешали бы отрицательные
электрические заряды электронов атомов: они с такой силой
отталкиваются один от другого, что не дают атомам
возможности сблизиться на достаточно малое расстояние. Если же
лишить атомы этой «первой линии обороны», то есть зарядов
Почему атом можно
назвать пустым.

Если сложить плотно одни
только ядра атомов, то 1 смг такого
необыкновенно плотного ядерного
вещества весил бы...
электронов, то все равно отталкиваться один от другого
с еще большей силой будут положительно заряженные ядра
атомов. Мы ведь уже видели, с какой легкостью, точно
резиновый мячик, отталкивало от себя ядро атома золота
приближающуюся к нему альфа-частицу, хотя та и летела со
скоростью 20 тысяч километров в секунду.
На этом мы пока и остановимся, с тем чтобы вернуться
к этой проблеме несколько позже.
КАК ЖЕ УСТРОЕН АТОМ?
Теория объяснила, как в данном опыте должны были
двигаться альфа-частицы, пролетая мимо положительно
заряженного ядра атома золота, на каких расстояниях от него
должны были отклоняться и в какие точки светящегося
экрана попадать.
Эти опыты, проведенные Резерфордом с безукоризненной
точностью, позволили построить новую, «планетарную»
модель строения атома. Согласно этой модели, атом состоит из
расположенного в самом его центре положительно
заряженного ядра, а вращающиеся электроны образуют вокруг него
34

как бы внешнюю оболочку. Названа такая модель по
аналогии с Солнечной системой. Подобно планетам, электроны
вращаются вокруг ядра, как вокруг своего солнца.
От количества этих вращающихся электронов и их
расположения в оболочке атома и зависят химические свойства
элементов.
Мысли Резерфорда в дальнейшем развил его ученик —
знаменитый датский физик Нильс Бор.
Собственно говоря, такую модель атома можно назвать
моделью Резерфорда — Бора.
Простейшим атомом является атом водорода. Его ядро,
названное протоном, в 1836 раз тяжелее вращающегося
вокруг него единственного электрона, который к тому же еще
вращается вокруг собственной оси.
Ядра атомов всех других элементов тяжелее протона. Вот,
например, следующий за водородом гелий. Масса его ядра
вчетверо превосходит массу протона. Вокруг этого ядра
вращается уже два электрона.
А ядро урана в 238 раз тяжелее протона, и вращаются
вокруг него 92 электрона.
3*

Гелий Кислород
Планетарные модели атомов водорода,
гелия, кислорода и алюминия
Число электронов, вращающихся вокруг ядра атома,
всегда соответствует положительному заряду ядра, поэтому в
целом атом нейтрален. И это число электронов в точности
совпадает с порядковым номером элемента.
Д. И. Менделеев был прав, расположив некоторые
элементы не в порядке возрастания их атомного веса, который
по некоторым причинам — а они станут ясны читателю через
несколько страниц—не мог быть точно измерен. Химические
свойства этих элементов
зависят исключительно от
числа электронов на внешней
оболочке атома Это
оказалось важнее атомного веса.
Один из учеников Резер-
форда, англичанин Дж. Чед-
вик, попробовал высчитать
на основании рассеяния
альфа-частиц заряд ядер
атомов меди и серебра.
Порядковый номер
серебра в таблице Д. И.
Менделеева— 47, а Чедвик
получил 46,3 ± 0,7. Для меди —
29-я клетка системы —
опыты дали 29,3±0,45 (знаки
Атом урана.
36

плюс-Минус означают возможную ошибку, которую могли
сделать ученые при измерениях).
Это, конечно, прекрасное совпадение теории с опытом.
В 1913 году английские ученые Фаянс и Содди самым
точным образом установили, как же происходит радиоактивный
распад.
Правило, установленное ими, так и называется правилом
смещения Фаянса — Содди.
РТУТь ТАЛЛИИ СВИНЕЦ ВИСМУТ ПОЛОНИЙ АСТАТИН г»АДОг
80 81 82 83 84 85 86
Каким образом меняется заряд ядра и его масса при
радиоактивном распаде, согласно правилу смещения Фаянса —
Содди.

Если ядро атома радиоактивного элемента испускает
альфа-частицу, оно теряет две единицы положительного
заряда и четыре единицы массы.
Образовавшийся более легкий элемент занимает в
периодической системе место на две клетки левее исходного.
При бета-распаде масса ядра атома остается практически
неизмененной а положительный заряд его ядра
увеличивается на единицу, так как ядро испускает отрицательную
частицу. Атом, испустивший электрон, передвигается в
периодической системе на одну клетку вправо.
Так, например, испустив альфа-частицу, ядро атома радия
(порядковый номер 88, атомный вес 226), как мы уже
рассказывали, превращается в радон (порядковый номер 86,
атомный вес 222).
А вот бета-излучатель радий В (порядковый номер 82,
атомный вес 214), испустив электрон, превращается в радий С
(порядковый номер 83, атомный вес прежний).
Радиоактивный распад и всевозможные реакции,
происходящие с ядрами, можно записывать аналогично химическим
реакциям. Справа от символа элемента проставляется вверху
атомный вес, а слева внизу — порядковый номер.
Тогда радиоактивный распад радия изобразится таким
образом:
88Ra226 -> 86Rn222 + 2He*.
Здесь seRa226 — радий, атомный вес которого 226, а заряд
ядра 88; 86Rn222 — радон, атомный вес 222, заряд ядра 86, и
2Не4 (альфа-частица)—ядро атома гелия, атомный вес 4,
заряд ядра 2.
Этими способами обозначения мы в дальнейшем и будем
пользоваться.
ЧТО ОЗНАЧАЮТ „УРОВЕНЬ ЭНЕРГИИ"
И „ЭЛЕКТРОНВОЛЬТ"
Планетарная модель строения атома очень
приблизительно и весьма неточно описывает чисто внешнюю,
умозрительную картину взаимного расположения ядра и вращающихся
вокруг него электронов. Однако дальше аналогия будет
становиться уже крайне условной и натянутой, ибо поведение и
взаимодействие частиц, из которых складывается атом,
подчиняются законам, не совпадающим с привычным для
человеческого мышления «здравым смыслом». Короче говоря,
понимать и описывать поведение электронов и их
взаимодействие с ядром атома и атома в целом оказывается значительно
38

легче и более правильно, если перейти от понятий оболочек,
орбит, траекторий вращения, скоростей и т. п. к понятиям
уровней энергии, хотя мы для упрощения изложения
будем вынуждены все же довольно часто пользоваться этими
терминами.
Каждому месту в пространстве, занимаемому
вращающимся вокруг собственной оси и вокруг ядра атома
электроном, соответствует строго определенный уровень энергии, и
находиться на том или ином уровне электрон может только
в том случае, если количество энергии, отделяющее его от
уровня энергии другого электрона (а следовательно, и
расстояния от ядра атома), равно строго определенной величине.
Чем дальше от ядра вращается электрон, тем выше уровень
его энергии. На одном и том же уровне энергии в атоме
может находиться не более двух электронов.
Когда в беспредельно бесконечном прошлом Вселенной
складывались атомы, не каждая комбинация из ядер и
электронов давала сразу же готовый атом того или иного
элемента. Наоборот, элементы получались такими, какие они
есть, только в тех случаях, когда в их оболочки после
множества неудач наконец-то втискивалось строго определенное
количество электронов. На Земле мы их застали уже
готовыми, и нам не приходит в голову, что они могли бы
сложиться как-то по-иному.
Итак, для любого атома данного химического элемента
существует ряд устойчивых (стационарных) состояний, в
каждом из которых его электронная оболочка обладает
вполне определенным запасом (уровнем) энергии. Когда атом
находится в одном из таких стационарных состояний, он не
Электронвольт — единица для измерения
энергии движущихся частиц и излучений.

излучает никакой энергии, ибо такое излучение возможно
только в том случае, если электрон возвращается с одной из
орбит неустойчивого состояния атома (возбужденного
атома) на орбиту, соответствующую нормальному,
устойчивому состоянию атома.
Поэтому излучение энергии происходит лишь в том случае,
когда атом переходит из одного стационарного состояния
в другое, обладающее меньшим запасом (уровнем) энергии.
Излученная им энергия при этом будет в точности pajHa
разности первоначального и конечного уровней энергии. Более
подробно об этом будет сказано в главе четвертой.
Энергия атомных частиц, как бы они быстро ни двигались,
ничтожно мала. Ее невозможно измерять обычными
величинами. Ведь даже мельчайшая единица энергии — эрг1 не
годится для этой цели!
Подняв со стола на полку книгу весом 900 г, вы
увеличите энергию атомов, из которых она состоит, на 25
миллионов эргов!
Поэтому была принята особая единица, которой
условились измерять энергию этих частиц. Она называется элек-
тронвольт (обозначается эв).
Что такое электронвольт?
Когда заряженная частица попадает в электрическое поле,
оно разгоняет ее до большой скорости. При этом энергия
частицы, естественно, увеличивается.
За новую меру энергии и принято увеличение энергии
электрона, разогнанного полем в 1 вольт (в).
Пройдя в электрическом поле разность потенциалов в 1 в,
электрон приобретает скорость, равную 593 км/сек, и
кинетическую энергию, равную произведению его заряда на разность
потенциалов, то есть 1,6- 10~12 эрга, или 1,6. 10~19 джоуля2.
Эту энергию мы и называем 1 электронвольт. Выраженная
в этих единицах, средняя энергия хаотического движения
молекул и атомов газа при комнатной температуре (20° С)
составляет около 0,03 эв. Тщательные измерения
энергетических уровней частиц показали, что на поверхности Солнца,
температура которой примерно 6000°, средняя энергия
теплового движения частиц солнечной атмосферы равна
приблизительно 0,5 эв. Энергии движения частиц, равной 1 эв,
соответствует температура уже в 11 600°!
1 Э р г — работа, производимая силой в 1 дину на расстоянии 1 см.
В свою очередь, 1 дина — это, такая сила, которая, действуя (давя) на
тело с массой, равной 1 г, заставляет его ускоряться на единицу
ускорения — 1 см/сек2.
2Джоуль — практическая единица работы, равная 107 эргов.

ОБ ОДНОМ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНОМ ВРАЧЕ
С того времени, когда ученым удалось впервые лишь
приближенно определить атомный вес различных элементов, их
поразила закономерность, с какой этот вес увеличивался от
элемента к элементу. Если вес самого легкого элемента —
водорода — принять за единицу, атомные веса всех
остальных элементов почти точно выражались целым числом.
Эта удивительная закономерность дала повод лондонскому
врачу Вильяму Прауту еще в 1816 году утверждать, что
«если бы атомы всех химических элементов были
первичными основными частицами, подлинными «кирпичами
мироздания», не разложимыми на части и нисколько не
связанными друг с другом, то какая могла бы быть причина того,
что атом азота ровно в 14 раз тяжелее атома водорода, а
кислородный атом ровно в 16 раз».
По мнению Праута, атомы всех веществ сложены именно
из атомов водорода. Атом азота — это 14 атомов водорода,
тесно связанных один с другим, атом кислорода — 16 атомов
водорода, и т. д.
Эта идея могла бы в дальнейшем оказать громадное
влияние на развитие химии и физики, если бы при последующих,
более точных измерениях атомных весов не выяснилось, что
они все же не являются целыми кратными атому водорода
и что это различие иногда столь значительно, что не может
быть больше объяснено неточностями измерений, как это
было во времена Праута.
Теорий, могущих сколько-нибудь удовлетворительно
объяснить подмеченную Праутом закономерность, в то время
предложено не было, и эта блестящая догадка
любознательного врача была основательно забыта, чтобы снова явиться,
на этот раз уже с большим успехом и в значительно
видоизмененной форме, в начале XX века.
Резерфорд доказал, что ядра всех атомов заряжены
положительно и что масса ядра практически является массой
всего атома.
Но если считать все ядра атомов состоящими из ядер
водорода— протонов, сразу становилось непонятным одно
обстоятельство: заряд ядра и атомный вес численно
совпадали только у водорода У всех остальных элементов масса
ядра оказалась гораздо большей.
Какие же тогда частицы, кроме протонов, входят в состав
атомных ядер? Ведь на первый взгляд количество протонов
не может быть больше суммарного положительного заряда
ядра. Или, может быть, протоны у каждого атома разные?
Чтобы как-то обойти эту неприятность, была выдвинута
41

Таким представляли себе
ученые устройство ядра
атома, пытаясь
объяснить непонятную разницу
между его атомным
номером (зарядом) и
атомным весом (массой).
6 протонов
и 6 электронов-
6 протонов
и обоснована новая модель строения атомного ядра,
учитывающая все, о чем мы сейчас говорили.
Выглядела она так.
Ядра всех атомов сложены из протонов, число которых
в точности равно атомному весу элемента. Но вместе с
протонами в состав ядра входят электроны, отрицательные
заряды которых нейтрализуют часть этих положительно
заряженных частиц. Число таких электронов и равно разности
между атомным весом и суммарным зарядом ядра.
Это довольно убедительно объясняло все известные в то
время факты, а о наличии в ядрах электронов
свидетельствовал бета-распад, так как при этом процессе из ядер атомов
радиоактивных веществ вылетали самые настоящие
электроны.
Некоторые ученые даже предполагали, что в тяжелых
ядрах, кроме протонов и электронов, могут находиться также
и альфа-частицы.
ЧТО ТАКОЕ ИЗОТОПЫ?
Однако принять полностью картину протонно-электрон-
ного строения атомного ядра по-прежнему мешало то
обстоятельство, на которое мы уже указывали.
Речь идет об упомянутом раньше непонятном
противоречии между атомным номером, то есть целым числом пар
положительных и отрицательных зарядов атома,
определяющих химические свойства элемента, и его теперь уже точно
установленным дробным атомным весом.
42

Если считать, что самый легкий из существующих в
природе атомов — атом водорода — состоит из одного протона и
вращающегося вокруг него одного электрона, то этот атом,
как это вполне убедительно доказывал в свое время Праут,
вполне мог явиться тем элементарным кирпичом, из которых
составлены все другие более сложные атомы.
Атомный вес атома любого элемента первоначально
определялся как вес его по отношению к весу атома водорода.
Позднее атомным весом элемента стали считать отношение
веса любого атома уже не к весу атома водорода, а к Vie
веса атома кислорода. Вес Vie части атома кислорода равен
1,674-10~24 г. Эту величину стали условно называть
атомной единицей массы (а. е. м.). Следует, однако,
заметить, что недавно ученые условились принимать за
атомную единицу массы отношение веса атома к весу Vi2 части
атома углерода 6С12.
Если бы прав был Праут, то и вес атома водорода и Vie
веса атома кислорода равнялись бы точно единице. Но снова
загвоздка — атомный вес каждого из всех других атомов не
равен сумме атомных весов слагающих его атомов водорода,
а принимает почему-то слишком явные дробные значения.
Например, атомный вес железа равен 55,75, и если еще
можно было допустить, что атом железа во столько раз
тяжелее атома водорода, то никакой силой воображения нельзя
представить себе, что ядро атома железа составлено из
55 целых и 75 сотых ядра атома водорода.
Занявшись исследованиями радиоактивных элементов,
ученые столкнулись и с некоторыми другими непонятными
явлениями. Многие из вновь открываемых ими радиоактивных
веществ по своим химическим свойствам оказались
совершенно одинаковыми с ранее известными элементами. Например,
открытое в 1906 году вещество ионий 9о1о230 оказалось
одинаковым с давно известным элементом торием, и разъединить
их любым применяемым тогда химическим способом было
невозможно. Открытый на следующий год мезоторий
химически ничем не отличался от радия. Свинец, полученный
после полного распада радия, имел все свойства свинца, но
отличался от обычного свинца атомным весом, и т. д.
В некоторые клетки периодической системы элементов
Менделеева, таким образом, попадало несколько видов
атомов, у которых имелся одинаковый заряд, но разная масса.
Эти атомы-двойники получили название изотопов (от
греческих слов «изос» — «равный» и «топос» — «место»).
Мезоторий-1 оказался изотопом элемента радия, ионий —
изотопом тория, радий В и радий D — изотопами свинца.
Но изотопы оказались не только у радиоактивных веществ,
43

С помощью специальных приспособлений, сложных приборов
и установок ученые сумели доказать наличие изотопов у всех
существующих элементов.
Как это было сделано? Как все-таки ученым удалось
установить, что существуют одинаковые элементы с различным
атомным весом? Ведь чтобы доказать это, надо было
отделить такие атомы один от другого. Но как?
Химически этого сделать нельзя, так как химические
свойства изотопов совершенно одинаковы. Электрическое поле
также не может помочь— число электронов и заряд ядра
у изотопов тоже одинаковы.
МАШИНА, СОРТИРУЮЩАЯ АТОМЫ
Для разделения этих столь близких один к другому
атомов были придуманы специальные машины.
Мы уже говорили, что в обычном состоянии атом
нейтрален.
Чтобы иметь возможность воздействовать на него
электрическим или магнитным полем, надо создать в нем
электрический заряд, то есть ионизировать атом, оторвав от него
один или несколько электронов. Тогда он превратится в
положительно заряженный ион, на который уже можно
воздействовать электрическим или магнитным полем.
Для этого интересующий нас элемент необходимо при-
Схема устройства трубки, при помощи которой впервые были
получены катодные электронные лучи и так называемые кана-
ловые лучи (поток положительно заряженных ионов).

вести в газообразное состояние и заключить в прибор
(трубку), упрощенная схема которого показана на стр. 44.
По ряду причин в любом газе всегда имеется некоторое
количество свободных электронов. Если к электродам
прибора подвести достаточно высокое электрическое напряжение,
то эти свободные электроны немедленно устремятся к
положительно заряженному аноду. Сталкиваясь по дороге
с остальными атомами газа, они будут ионизировать их.
Появившиеся при этом новые свободные электроны, в свою
очередь, тоже устремятся к аноду и по пути также будут
отрывать электроны от встречных атомов, и т. д. Количество
ионизированных атомов будет умножаться лавинообразно.
А что будет происходить с образующимися в сосуде
положительными ионами газа?
Они устремятся в обратную сторону — к отрицательно
заряженному электроду (катоду) трубки — тоже с очень
большой скоростью, но значительно медленнее, чем электроны:
ведь они в несколько тысяч раз тяжелее электронов.
В катоде имеется отверстие в виде узкого и длинного
канала. В это отверстие попадут не все ионы, летящие к
катоду, а только те, которые движутся по оси этого канала.
Разогнавшись под действием отрицательного напряжения,
приложенного к катоду, ионы с ходу проскакивают сквозь
узкий канал и вылетают во вторую, удлиненную часть трубки.
Здесь при помощи электродов, к которым подведено высокое
отрицательное напряжение, ионы сначала получают
дополнительное ускорение, а затем влетают в сильное магнитное
поле, под действием которого их путь искривляется, после
чего они попадают на специальную пластинку — мишень.
Естественно, что ионы, имеющие различные массы, под
действием магнитного поля отклонятся под разными углами.
Чем легче изотоп, тем сильнее искривляет его траекторию
магнитное поле.
В результате, пройдя магнитное поле, изотопы соберутся
каждый в определенной части мишени.
Повторив такую операцию несколько раз, можно почти
полностью разделить элемент на составляющие его изотопы.
На этом принципе и работает довольно сложный прибор,
разделяющий изотопы — масспектрограф Астона, названный
так по фамилии английского физика, предложившего эту
конструкцию.
С помощью таких приборов ученые обследовали все
элементы периодической системы Д. И. Менделеева. Оказалось,
что одни элементы состояли из небольшого числа изотопов,
у других их набралось более десятка.
Теперь очень просто было обьяснить и загадку, причиняв-
45

шую столько хлопот ученым, — дробные атомные веса
некоторых элементов.
Дело в том, что изотопный состав каждого элемента,
встречающегося на Земле, — величина постоянная.
А поскольку элемент состоит из различных по массе
атомов, общий атомный вес его может оказаться дробным.
Возьмем, например, газ неон. Его атомный вес 20,2.
Точные измерения показали, что на самом деле это смесь из трех
изотопов: 90% составляет изотоп с атомным весом 20; 0,27% —
с атомным весом 21; 9,73% —с атомным весом 22.
Масспектрограф — прибор, при помощи которого, как на
веялке, удается сортировать изотопы атомов.

Так должны были бы
выглядеть некоторые клетки
таблицы Д. И. Менделеева,
если бы в них были
проставлены все природные
изотопы одних и тех же
элементов.
Подсчитаем теперь атомный вес всей смеси изотопов
природного элемента неона:
20 • 0,9 + 21 • 0,0027 + 22 - 0,0973 = 20,1973 = 20,2.
Атомный вес неона, полученный опытным путем,
составляет 20,2. Как видите, совпадение полное.
Природное железо состоит из четырех изотопов с
атомным весом 54, 56, 57 и 58, которые в смеси дают атомный вес
этого элемента, равный 55,84.
Даже некоторые из элементов (водород и кислород),
атомные веса которых практически измерялись целыми числами,
также оказались состоящими из нескольких изотопов.
Так, у кислорода было найдено три изотопа. Основным
является изотоп с атомным весом 16 (99,76%), но, кроме него,
имеются еще изотопы с атомным весом 18(0,2%) и 19(0,04%).
Таблица изотопов некоторых элементов изображена на
рисунке.
Так была разгадана еще одна загадка, долгие годы
путавшая ученых.
МИР КРОШЕЧНЫХ ЧАСТИЦ И ОГРОМНЫХ ЭНЕРГИЙ
Несмотря на ряд вольных и невольных отступлений,
которые мы вынуждены были делать в ходе изложения
предыдущих глав, нас все же продолжает интересовать основной
вопрос всего повествования: почему все-таки самые
разнообразные физические воздействия и химические реакции не
влияют на ядро атома? Почему они оставляют его
совершенно неизменным?
47

При сближении ядер атомов между ними начинают
действовать непрерывно возрастающие силы отталкивания Если
расстояние между ядрами уменьшается вдвое, сила их
отталкивания увеличивается в четыре раза.
Ответ на этот вопрос заключается в том, что под
действием обычных сил и энергий атомы могут приблизиться
идин к другому лишь на расстояние, при котором начинают
соприкасаться и взаимодействовать их самые внешние
электронные оболочки.
43

Сами же ядра атомов, учитывая их ничтожно малые
размеры, будут при этом находиться все еще на огромном
расстоянии одно от другого и от точки соприкосновения их
электронных оболочек.
Какие-либо реакции между ядрами, в ходе которых
изменялись бы сами ядра, могли бы произойти только в том
случае, если бы удалось заставить ядра соприкасаться. А этому,
как мы видели, мешают положительные заряды ядер атомов.
Действующие между ними силы отталкивания, согласно
закону Кулона, прямо пропорциональны этим зарядам и обратно
пропорциональны квадрату расстояния между центрами ядер.
На первый взгляд силы отталкивания, которые действуют
между ничтожно малыми по объему и массе ядрами атома,
могут показаться крайне незначительными. Однако это не
так. Силы отталкивания электрических тел на расстояниях,
сопоставимых с размерами ядер атомов, оказались невероятно
большими.
Тем не менее у ученых возникла проблема: нельзя ли
проникнуть, пробиться к ядру атома, и не только проникнуть,
но и попытаться нарушить структуру и, может быть, даже
разрушить его, чтобы узнать, как и из чего именно оно
сложено?
„АТОМНАЯ АРТИЛЛЕРИЯ"
В случае успеха это, возможно, позволило бы решить
древнюю мечту человечества о преобразовании элементов.
Осуществить эту цель ученые надеялись с помощью
«атомной артиллерии» — частиц, излучаемых самими
радиоактивными веществами.
Только эти частицы или же частицы, разогнанные в
специальных, появившихся в это время ускорителях, могли бы
проникнуть сквозь надежную охрану ядра, разбить его или
нарушить структуру этого довольно прочного образования.
При этом могло образоваться новое ядро или ядро просто
могло полностью развалиться на составляющие его частицы.
Конечно, ученым хорошо были известны встающие перед
ними трудности.
Ведь ядро атома как бы заковано в двойную броню. От
проникновения к нему электронов оно защищено
отталкивающей силой мощной электронной оболочки, а от
проникновения внутрь ядра положительных ионов оно столь же надежно
укрыто отталкивающей силой своего суммарного
положительного заряда.
Как и в обычной артиллерии, решающими факторами
являются скорость снаряда и его вес. Электроны, выбрасывае-
4 Энергия атома
49

мые радиоактивными веществами, обладают огромными
скоростями. Но зато их масса настолько мала, что отклонить их
от прямолинейного пути очень легко.
В свою очередь, альфа-частицы, будучи намного тяжелее
электрона (в семь с лишним тысяч раз), летят со скоростью,
всего лишь в 15 раз меньшей.
В общем, шансов разбить ядро атома оказалось больше
у альфа-частиц, чем у электронов. Но, чтобы достигнуть ядра
атомов тяжелых элементов, частицы должны обладать
энергией, равной по меньшей мере 25 Мэв. А энергия самых
быстрых альфа-частиц, испускаемых естественными
радиоактивными элементами, не превышает 10,6 Мэв.
Поэтому с самого начала было ясно, что пытаться
бомбардировать частицами ядра атомов тяжелых элементов с их
огромным положительным зарядом было делом заведомо
безнадежным. Если и можно было на что-либо рассчитывать, то
только на результаты обстрела ядер атомов самых легких
элементов и то при попадании в них строго «лоб в лоб».
Но и здесь поистине уместна поговорка о «стрельбе из
пушек по воробьям». Единственная, пожалуй, неправильность
будет та, что стрельба из пушек по воробьям— дело более
благодарное и дало бы больше результатов, потому что здесь
и цель покрупнее и число попаданий наверняка обещает быть
большим.
Так выглядело первое «орудие атомной артиллерии»,
примененное в опытах Э. Резерфорда.

С самыми оптимистическими надеждами и более чем
скромными ресурсами приступил Э. Резерфорд в 1919 году
к опытам по бомбардировке альфа-частицами атомов ряда
устойчивых элементов, стремясь искусственно вызвать
превращение одних элементов в другие.
Эти удивительно остроумные и блестящие по замыслу
опыты были осуществлены исключительно простыми
средствами.
Крошечное количество радиоактивного вещества,
излучающего альфа-частицы, помещалось на острие,
установленном в центре трубки, против отверстия, закрытого тонкой
металлической фольгой. За фольгой находились люминесци-
рующий экран и микроскоп для наблюдения и счета
появляющихся на экране вспышек. Затем из трубки тщательно
откачивался воздух и она наполнялась каким-нибудь
газом.
Острие с крупинкой радия располагалось на таком
расстоянии от экрана, чтобы выбрасываемые радием альфа-
частицы никак не могли долететь до него.
Расчет опыта был таков Если тяжелая альфа-частица
попадет в ядро атома наполняющего трубку газа, то это ядро
разрушится совсем или от него отлетит какой-нибудь осколок.
И в том и в другом случае длина пробега более легких
осколков, родившихся в недрах разрушающегося атома газа, может
быть гораздо больше, чем длина пробега бомбардирующих
альфа-частиц, и они долетят до экрана, вызывая его свечение
(вспышку).
Опыты долго не давали результатов, пока в трубку не был
введен азот. Тогда на люминесцирующем экране стали
появляться отдельные яркие вспышки — следы выбитых из
атомов азота частиц.
Когда были подсчитаны их скорость, длина пробега и
масса, оказалось, что это протоны, то есть ядра атомов
водорода, которого в трубке заведомо не было.
А спустя некоторое время в трубке можно было
обнаружить еще и небольшое количество очень редкого изотопа
кислорода с атомным весом 17.
Оставалось только предположить, что при прямом
попадании в ядро атома азота альфа-частица не отскакивала, а
застревала в нем, в результате чего образовалось ядро,
имеющее заряд 9 и атомный вес 18. Это ядро принадлежало уже
неустойчивому изотопу фтора, который сравнительно быстро
распадался, выбрасывая протон. При этом образовалось
ядро изотопа кислорода с атомным весом 17.
Это преобразование ядер может быть записано таким
образом:
4*
61

Ядро атома фтора-18
Таким путем впервые удалось превратить атом азота в атом
кислорода.
2Не4 f7N14->9F18->8017 + 1H1.
Альфа-частица, соединяясь с ядром азота, превращает его
в ядро фтора, который, распадаясь, в свою очередь,
превращается в ядро кислорода и отдельный протон.
Первая в истории науки искусственная ядерная
реакция — расщепление ядра атома. «Выстрел», который в один
день был услышан во всем мире!
Продолжая дальше эти опыты, ученые нашли, что альфа-
частицы могут выбивать протоны из ядер атомов остальных
легких элементов, превращая их в ядра атомов более
тяжелых элементов. Например, бомбардируя альфа-частицами
ядра атомов алюминия, удалось превратить их в ядра атомов
кремния.
Таким образом, путем бомбардировки атомов легких
элементов альфа-частицами человеку впервые удалось
превратить один химический элемент в другой. Правда, до
получения реального золота и после этого было, пожалуй, столь
же далеко, как и в средние века. Но то, что было открыто,
явилось намного более важным, чем просто способ получения
золота из свинца.
Тщательные измерения энергии вылетающих из ядра
атома фтора-18 протонов неожиданно показали, что их
энергия значительно превышала энергию выбивших их альфа-
частиц, хотя последние были в четыре раза тяжелее и,
казалось, все должно было бы происходить наоборот.
А раз так, то ядра атомов не только радиоактивных, но
и всех обычных элементов можно было не без оснований
считать своеобразным складом энергии, которая могла бы при
некоторых благоприятных обстоятельствах быть
высвобожденной.
52

Действительно, чем глубже ученые изучали ядро атома,
тем все больше и больше поводов давало оно для сравнения
с туго закрученной пружиной, которую удерживали какие-то
неведомые защелки. И вот теперь ученым удалось пока еще
вслепую нащупать и спустить некоторые из них.
Почему попытка использовать энергию, выделяющуюся при
превращении атома алюминия в атом кремния, оказалась
«стрельбой из пушки по воробьям»,

О том, какие примерно энергии выделяются при
химических и ядерных реакциях, говорят следующие числа: при
горении углерода на один его атом приходится энергия,
равная 4,2 эв. На расщепление же, например, ядра алюминия
быстрой альфа-частицей и превращение его в ядро кремния
с выбрасыванием протона требуется затратить 7,7 Мэв
энергии. В результате же этого расщепления вместе с осколками
выделяется 10,7 Мэв энергии, или чистый выигрыш в 3 Мэв
Это уже в 700 тысяч раз превосходит энергию, которую
можно получить при сжигании угля.
Казалось бы, что такой колоссальный выигрыш энергии,
получаемый при бомбардировке ядер атомов
альфа-частицами, и является достижением той цели, к которой стремился
человек. Реально сбылась головокружительная мечта о
чудесной коробочке с неиссякаемой энергией.
Но из каждого миллиона атомных «снарядов» — альфа-
частиц, выпущенных ро ядрам алюминия, — только около 20
попадали в цель и производили расщепление с
соответствующим выигрышем энергии
Остальные 999 980 альфа-частиц пролетали мимо или
отскакивали в стороны. Результаты стрельбы были
неутешительными и даже необнадеживающими.
Достигнуть заветной цели и сложить оружие под
давлением столь неопровержимых фактов! А факты явно говорили,
что возможный выигрыш энергии от расщепления 20 атомов
даже в ничтожнейшей доле не покроет расхода энергии,
затраченной на эту «стрельбу по воробьям».
Было от чего прийти в отчаяние.
Но прежде чем рассказывать дальше о волнующих
открытиях ученых, ознакомимся с некоторыми основными
методами исследования ядерных частиц. Об электроскопе и
спинтарископе мы уже говорили Теперь время рассказать о более
сложных приборах.

ОРУДИЯ ТРУДА УЧЕНЫХ
КАК УДАЛОСЬ СОСЧИТАТЬ АТОМЫ
У каждой научной специальности есть свои средства
исследования, свои тонкие и точные приборы.
Орудиями астронома являются телескоп, фотографическая
камера, спектрограф, точнейшие хронометры и другие
приборы и аппараты; биолог и физиолог чаще всего применяют
оптический, а в последнее время и электронный микроскопы;
химик — многообразную химическую аппаратуру и
бесконечно большой набор реактивов, и т. д.
Подавляющее большинство явлений, изучаемых физикой
атома, недоступно непосредственному наблюдению: органы
чувств человека не дают возможности реагировать на
отдельные атомы и составляющие его частицы.
Поэтому, чтобы обнаружить эти частицы, приходится
прибегать к различным косвенным методам, которые тлд или
иначе основаны на явлении ионизации вещества под действием
заряженных частиц.
Мы уже говорили, что если в сосуд, содержащий
некоторое количество ионизированного газа, ввести два противо-
55

Кварцевые
нити
(1-4-
W
ШШП'
Г
\г
..•-*"**-.. Электрометр
^^Н ..Шкала
/^И •• отсчета
ТЪ—*^\/
" ■
Ж J Заряженная
Л частица
А - --J.
Л
^Изоляция / К
* :
Металлический
стержень"
Положительные
ионы
/ Электроны
/
Металлическая
стенка камеры
Заземление
Батарея
■Hlilr
+
Принцип устройства ионизационной камеры.
положно заряженных электрода, то положительные ионы
начнут двигаться к отрицательному, а отрицательные ионы —
к положительному электродам источника. Газ станет
проводимым, и через него потечет электрический ток, который
можно обнаружить самыми разнообразными методами.
Именно на этом принципе и основан первый, самый
простой прибор ядерных исследований — ионизационная камера.
Схема ее работы показана на рисунке.
Пролетающая через камеру заряженная частица
ионизирует определенное количество атомов газа, а образующиеся
при этом ионы собираются электрическим полем. Количество
образовавшихся зарядов показывает соединенный с камерой
электрометр. По его показаниям и судят о количестве
прошедших через камеру частиц. Несмотря на свою простоту,
прибор в сотни миллионов раз чувствительнее аналитических
весов и в тысячу раз чувствительнее спектрального анализа.
Но физикам нужно знать гораздо больше: надо отличать
частицы одну от другой, уметь измерять их энергию, подсчи-
56

тывать точное количество и фиксировать направление
полета.
Учитывая недостатки ионизационной камеры, немецкий
физик Г. Гейгер довольно давно предложил несколько иную
конструкцию прибора для обнаружения заряженных частиц,
позднее усовершенствованную им совместно с физиком
В. Мюллером.
Прибор представляет собой металлический сосуд —
трубку, внутри которой по оси протянута тонкая металлическая
нить. Между нитью и -трубкой создается сильное
электрическое поле (500—800 в, а иногда и выше). Обычно нить
является положительным электродом. Трубка наполнена
разреженным газом под давлением порядка 7юо атмосферного.
Проходя через это устройство, заряженная частица
ионизирует содержащийся в нем газ. Выбитые из атомов газа
Схема простейшею ионизационного счетчика Гейгера —
Мюллера. Он может обнаружить даже одиночную пролетевшую
заряженную частицу.

электроны, попав в сильное электрическое поле, существующее
между нитью и корпусом, разгоняются до больших скоростей
и сами начинают ионизировать атомы газа, на которые они
налетают, двигаясь к нити трубки. Ускоренные этим же полем
вторичные электроны также получают способность к
дальнейшей ионизации газа. Электроны третьего поколения, в свою
очередь, ионизируют новые атомы, и т. д. Короче говоря,
появление одного электрона в трубке вызывает образование
целой лавины электронов, несущихся к нити, то есть
вызывает появление между электродами трубки кратковременного
электрического тока (импульса), который легко может быть
уловлен измерительным прибором, а если нужно, то и усилен
при помощи лампового усилителя.
Чувствительность такого прибора настолько высока, что
он, если требуется, может обнаружить пбявление внутри
трубки даже одиночного электрона или иной заряженной
частицы. Если к нему подключить еще и специальный счетчик
импульсов, то можно сосчитать и количество частиц,
пролетающих через трубку за секунду, так как каждый импульс
тока будет соответствовать прошедшей частице.
Наконец, если вместо заряженных частиц сквозь трубку
проходит рентгеновское или гамма-излучение, счетчик
позволяет регистрировать и это излучение. Падая на
металлическую поверхность корпуса трубки, гамма-лучи выбивают из
атомов металла электроны, которые, попадая в электрическое
поле между нитью и корпусом, ускоряются, выбивают
электроны из встречных атомов газа, и т. д. В этом случае прибор
действует так же, как и при попадании в него заряженных
частиц.
Если поставить параллельно несколько таких приборов и
соединить их между собой так, чтобы срабатывание счетчика
импульсов происходило только при совпадении разрядов
в трубках, стоящих, например, горизонтально, вертикально
или .наклонно, то при помощи этого устройства можно
определить и точное направление полета ионизирующих частиц.
Существует множество разновидностей подобных
приборов; предназначенных для регистрации самых разнообразных
частиц и излучений. Называются они счетчиками Гейгера —
Мюллера. Их делают большими и маленькими,
стационарными и переносными, слабо чувствительными для измерения
мощных потоков частиц и большой чувствительности для
обнаружения единичных частиц.
В самых разнообразных областях науки и техники,
использующих методы ядерной физики, можно встретить счетчики
Гейгера — Мюллера. Это, пожалуй, наиболее
распространенные приборы, регистрирующие невидимые частицы.
58

ТУМАН, ПОЗВОЛЯЮЩИЙ УВИДЕТЬ НЕВИДИМО^
Обычно, когда что-либо плохо видно или когда что-то
мешает видеть, говорят, что «все как в тумане» или «все
затуманилось». Однако в некоторых случаях, по крайней мере
в области физики, как раз туман позволяет увидеть
невидимое.
Мы знаем, что в воздухе, каким бы он ни был сухим и
прозрачным, всегда содержится некоторое количество влаги,
непрерывно испаряемой морями, озерами, реками,
растениями и почвой.
Любимым вопросом особенно придирчивых школьных
экзаменаторов является такой: «Можно ли видеть пар?»
И очень частым поспешным ответом на него забывчивых
учеников, к сожалению, бывает: «Да». Но водяной пар не виден:
отдельные молекулы пара распределены в воздухе
равномерно и не изменяют его однородности, так же как не видны
молекулы соли или сахара, растворенные в воде.
Однако, если при полном насыщении воздуха влагой
атмосферное давление сильно понизится, часть
содержащегося в нем пара становится избыточной. Вот тогда-то можно
увидеть пар — отдельные молекулы влаги начинают
соединяться, сначала в мелкие капельки, образуя облака, а затем
и в более крупные капли, которые уже не в состоянии
свободно плавать в воздухе и выпадают в виде дождя.
Это явление связано с очень интересными и важными для
физических исследований обстоятельствами: излишняя влага
собирается в капли только в том случае, если в воздухе
присутствуют мелкие пылинки или заряженные частицы. Вот
почему, чтобы вызвать искусственный дождь, над облаками
рассыпают мелкий песок или мелко распыленные химические
вещества.
В 1911 году английский физик Чарлз Вильсон, много
работавший до этого над вопросами происхождения дождей и
туманов, предложил гениально простой и удивительно
удобный прибор — камеру для непосредственного наблюдения
пути заряженной частицы (см. рисунок на стр. 60)-. -
Она состоит из стеклянного цилиндра е подвижным
поршнем, заменяющим дно, и заполнена воздухом,
насыщенным паром какой-либо жидкости — воды, спирта или их
смесью Но стоит очень быстро опустить вниз поршень, как
давление в камере резко понизится, и в ней образуется уже
перенасыщенный пар. Если воздух внутри камеры не
содержит пыли или других взвешенных частиц, то молекулам пара
трудно собираться в капли и никакого тумана в течение
некоторого времени внутри камеры не появится.
59

Однако если в этот
момент сквозь камеру
пролетит какая-либо заряженная
частица, то на своем пути
она, как и обычно, будет
непрерывно ионизировать
молекулы воздуха, которые
тут же станут центрами
конденсации пара. Путь
такой частицы (трек)
мгновенно заполняется
множеством капелек влаги и
становится видимым как тонкая,
но четкая линия. Особенно
хорошо эти линии видны,
если их сильно осветить
сбоку, а стенки камеры и
поршень покрыть черной
матовой краской.
По окончании
наблюдения или фотосъемки
поршень необходимо вернуть в
исходное положение, а
внутри камеры создать
электрическое поле, чтобы
оттянуть образовавшиеся ионы
газа к стенкам камеры. По
истечении некоторого
времени прибор готов для
следующего наблюдения. Этот
удивительно простой прибор
позволяет не только видеть следы пролетающих частиц, но
и определить некоторые их свойства. Например, по толщине
следа можно установить, медленно или быстро* летела
частица, определить ее заряд. Чем медленнее она летит или
чем больше ее заряд, тем больше молекул газа она успевает
ионизировать на каждом сантиметре своего пути. Если
сделать снимок следов, оставленных частицами, скорость
которых заранее известна, и следов таких же частиц, но
неизвестной скорости, то, измеряя ширину или плотность тех
или других следов, можно довольно точно определить и
скорость, а следовательно, и энергию исследуемых неизвестных
частиц.
По длине следа, а точнее — по числу капелек в следе, если
он начинается и кончается в пределах камеры, можно
определить полное число пар ионов, образованных пролетевшей
Камера Вильсона.
60

Увеличенное изображение
следа частицы в камере
Вильсона. Отчетливо видны
капельки влаги.
исследуемой заряженной частицей. А зная энергию, которую
необходимо затратить на образование одной пары ионов,
можно вычислить и полную энергию, которую имела частица
в момент ее появления в камере. Позднее камера Вильсона
была значительно усовершенствована. В частности, поршень
был заменен тонкой резиновой диафрагмой, благодаря чему
камера может работать в любом положении.
Бета-чистица
радия
Отклонение
Магнитное
поле .
Космический {Ш'
электрон jr^
298 000 км/>ек
Отклонение
Пролетающие в магнитном
поле частицы изгибают свой
путь (траекторию) в
зависимости от заряда, массы и
скорости. Более медленная
частица движется по
окружности, быстро летящая
частица почти не отклоняется
в сторону.

Особенно ценный вклад в ее конструкцию внесли
советские физики П Л Капица и Д. В. Скобельцын,
предложившие в 1927 году помещать камеру в сильное магнитное поле.
Магнитное поле, взаимодействуя с заряженными частицами,
заставляет их искривлять свой путь, благодаря чему можно,
во-первых, точно определить, положительно или отрицательно
они заряжены, во-вторых, еще одним способом определить
энергию и скорость частиц, так как чем быстрее движется
заряженная частица или чем больше ее масса, тем меньше
искривляется ее путь в магнитном поле.
ПРИБОР „ПРОЩЕ ПРОСТОГО"
Однако даже удивительная по своей простоте,
сочетающейся с исключительной точностью и предельной
убедительностью получаемых результатов, камера Вильсона имеет и
ряд серьезных недостатков. Для устранения некоторых из
них камера подверглась серьезным изменениям, другие
потребовали создания хотя и несколько сходных, но
принципиально новых устройств.
Например, чтобы восстановить работу камеры Вильсона
после ее расширения для новой регистрации частиц,
требуется не менее 5—10 сек. А за это время можно пропустить
какое-либо особо важное ядерное событие. Поэтому в 1939
году была предложена несколько иная конструкция камеры,
названная диффузионной.
Камера представляет собой сосуд, содержащий воздух
или иной газ, температура которого в верхней части сосуда
поддерживается высокой, а в нижней — низкой В верхней
части камеры испаряется какая-либо сильно летучая жидкость
(спирт). Этот пар, имеющий относительно высокое давление,
непрерывно проникает (диффундирует) в нижнюю, холодную
область, где давление пара становится низким и он
конденсируется в капли.
Где-то в промежутке между этими крайностями
образуется чувствительная зона (7—10 см), в которой воздух
перенасыщен паром до такой степени, что достаточно в ней
появиться заряженной частице (иону), как по пути ее движения
начинает образовываться след из мельчайших капелек влаги,
примерно так же, как это происходит в камере Вильсона
сразу же после ее расширения. Но, в отличие от нее,
диффузионная камера продолжает оставаться непрерывно
чувствительной к ионизирующим частицам, пока в ней происходит
испарение летучей жидкости
Частоту появления наблюдаемых частиц и ядерных про-
62

Стекло
Стеклянный
цилиндр
Спирт
Кружок из лромока
тельной бумаги или
войлока
-^ Луч света
Зона
перенасыщенных ларов спирта
Черный бархат
ой лед
Проще простого выглядит диффузионная камера.
цессов, например столкновения частиц, в диффузионной
камере можно значительно увеличить, если ее наполнить
газообразным водородом или гелием под давлением (до 35 атм)у
а разность температур между верхней зоной ( + 30° С) и
нижней (—70° С) довести до 100° и больше.
На этом развитие регистрирующих устройств, однако, не
остановилось.
„ХОЛОДНЫЙ КИПЯТОК"
С каждым днем физика атомного ядра все больше и
больше имеет дело с необыкновенно быстрыми частицами. Эти
частицы, пролетая камеру Вильсона или диффузионную
камеру, оставляют в ней столь короткий, слабый и не успевший
искривиться след, что измерить его с необходимой точностью
уже не представляется возможным. В результате многое
очень важное и интересное об этих частицах ускользает от
наблюдателя. К тому же в момент расширения газа в камере
Вильсона в нем возникают малозаметные движения — потоки
и завихрения, которые хотя и ненамного, но все же искажают
следы частиц. Так, в первый момент правильные кольца дыма
от папиросы очень быстро растягиваются и искажаются под
давлением неощутимого движения частиц воздуха в комнате.
На любом снимке следов, оставленных частицами,
пролетающими через камеру Вильсона, обычно можно видеть
множество линий (треков), пересекающихся в самых различных
63

направлениях. Очень часто возникает необходимость точно
знать, в какой именно последовательности появлялись эти
следы, какой из них прошел выше или ближе, какой ниже
или дальше другого.
На эти и некоторые другие вопросы камера Вильсона
ответа не дает.
Как же заставить ее отвечать и на такие вопросы?
Помощь пришла со стороны «кипятка».
В течение долгого времени считалось, что процесс
кипения жидкости и все явления, происходящие при этом, изучены
достаточно хорошо и ничего неожиданного при этом не
происходит. Кипит чайник, из него непрерывно вырывается пар,
все ясно, все понятно.
Однако оказалось, что столь знакомое всем явление —
кипение жидкости — совсем уж не такое простое, как кажется
с первого взгляда. Например, что является первым
признаком закипания жидкости? Появление пузырьков. Но как и
где они зарождаются, вряд ли кто на это обращал особое
внимание. А в физике кипения жидкости это обстоятельство,
оказывается, имеет весьма важное и решающее значение.
Стоит только вспомнить огромное количество всевозможных
машин, использующих для своей работы пар, и процессов,
основанных на испарении жидкостей.
Опыты показали, что пузырьки пара зарождаются
главным образом на стенках сосуда, в котором производится
нагревание жидкости. И не на стенках вообще, а в местах,
где на них имеются мельчайшие углубления или бугорочки,
которые практически невозможно устранить никакой, даже
самой тщательной, шлифовкой или полировкой. Они и служат
центрами образования и дальнейшего роста пузырьков.
Если жидкость содержит в себе взвешенные частички
твердого вещества или в ней растворен какой-нибудь газ, то
центрами образования пузырьков пара и являются такие твердые
и газообразные частицы.
Если же начать кипятить очень чистую воду в сосуде
с идеально отполированными стенками, избегая даже самых
ничтожных толчков и сотрясений, то температуру воды
можно осторожно довести до 150—180° без каких-либо признаков
кипения. Но стоит лишь слегка нарушить покой перегретой
воды, как она мгновенно вскипит.
Это явление и навело физиков на мысль использовать
в камере Вильсона не облачко невидимого пара, а
перегретую жидкость. Так появился новый прибор —
пузырьковая камера.
Достаточно какой-либо заряженной частице пролететь
сквозь перегретую жидкость и произвести ионизацию ее мо-
64

лекул, как эти молекулы на всем протяжении пути частицы
становятся центрами образования пузырьков пара, то есть
жидкость на этом пути мгновенно вскипает.
Если теперь успеть достаточно быстро сделать
фотографический снимок, то мы увидим на нем цепочки
микроскопических пузырьков — такие же следы частиц, как и те, которые
можно наблюдать в обычной камере Вильсона.
Можно поступить и иначе. Известно, что вскипание
жидкости можно предотвратить увеличением давления пара
над ней. Если быстро снять это давление, то жидкость
вскипит не мгновенно, а спустя некоторый, правда короткий,
промежуток времени. Следы пролетающих через жидкость частиц
и можно фотографировать в период между снятием давления
и вскипанием жидкости.
Заполняющий пузырьковую камеру сжиженный, а
следовательно, находящийся под большим давлением газ тоже
идеально прозрачен.
Но если это давление уменьшить до критической
величины, при которой жидкость не вскипает только потому, что
в ней еще нет центров, способствующих образованию
пузырьков — пылинок, заряженных частиц и т. п., то стоит сквозь
такую сверхчувствительную, готовую мгновенно вскипеть
жидкость пролететь заряженной частице, как ее след, густо
облепленный пузырьками газа, становится видимым.
Какие же преимущества имеет камера с перегретой
жидкостью перед обычной — паровой?
Любая жидкость значительно плотнее, чем водяной пар,
и поэтому она сильнее замедляет пролетающие частицы.
Благодаря этому ионизированные следы от них остаются
более короткие, плотные и легче поддаются наблюдению и
измерениям. Образоаание пузырьков в перегретой жидкости
идет значительно быстрее, чем в паре, вследствие чего
оставляемый частицей след в жидкости искажается значительно
меньше. И, наконец, что очень важно и что является самым
главным преимуществом такой камеры, пузырьки пара, после
того как они образовались вокруг ионизированных частиц
жидкости, продолжают непрерывно увеличиваться. По их
величине на фотоснимках можно точно установить, какие
следы появились в жидкости раньше, а какие позднее.
«Перегретая» жидкость не всегда означает нагретую до
высокой температуры. Существует огромное количество
жидкостей «вскипающих» и превращающихся в пар не только
при комнатной, но и при значительно более низкой
температуре или при незначительном уменьшении внешнего давления
Например, сжиженный водород, пропан, изопентан и другие
газы.
Э Энергия атома
69

В такой камере нет поршня и других подвижных частей.
Ее длина может достигать нескольких метров, а это как раз
и нужно ученым.
„ЛИЛИПУТСКАЯ ГРОЗА"
Общим недостатком всех этих видов камер является то,
что поиски исследуемых частиц в них ведутся наудачу:
производится огромное количество фотографических снимков,
иногда по нескольку десятков тысяч, с надеждой на то, что
среди бесконечного разнообразия следов частиц на каком-
либо из них случайно окажутся или те, которые ищут, или
что-то новое, доселе неизвестное.
Но часто бывает необходимо не только выделить и
сфотографировать, но и сосчитать частицы, свойства которых,
например энергия, скорость, заряд или масса, известны. В этом
случае оказалось целесообразнее применить так называемую
искровую камеру.
В принципе она представляет собой сосуд, заполненный
газом под давлением, с двумя параллельными электродами,
на которые может подаваться высокое электрическое
напряжение. В какой-то мере она напоминает ионизационную
камеру. Достаточно в промежутке между электродами
появиться хотя бы одной заряженной частице, которая
способна ионизировать вещество в этом промежутке, как на
электроды автоматически подается высокое напряжение и
«Родословная» устройства и схема действия искровой камеры
/—счетчик Гейгера—Мюллера, 2—камера Вильсона, 3—искровой
счетчик К металлической пластинке, помещенной между двумя
заземленными пластинками, приложено высокое постоянное
напряжение Пролетающая заряженная частица вызывает электрический
разряд в газе (неоне) в промежутках между пластинками, 4 — искровая
камера В наполненном газом неоном сосуде помещено большое
количество металлических пластин, соединенных друг с другом через одну
Прохождение через камеру заряженных частиц, удовлетворяющих
тем или иным требованиям опыта, регистрируется каждая своим
счетчиком. А, Б, В, Г и т д—и специальной электронной
«логической» схемой Когда заряженная частица проходит через электрод
общего искрового счетчика а, на четные пластинки подается импульс
высокого напряжения, в результате чего вдоль ионизационных
следов, оставляемых этой частицей, между пластинками возникает
цепочка искр В приведенном на рисунке примере заряженная
частица провзаимодействовала с веществом электрода искрового
счетчика а, породив одну нейтральную и одну заряженную вторичные
частицы Пройдя некоторое расстояние, вторичная нейтральная ча
стица распалась, в свою очередь породив уже две заряженные
и одну нейтральную частицу Счетчики А, Г и Д зарегистрировали
появление трех заряженных частиц третьего поколения
66

ТРАЕКТОРИИ ЧАСТИЦ-^Л.
СЧЕТЧИК
А^уСИЛИТЕЛЬ
_ \ ПОРШЕНЬ
2 Ч
ТРАЕКТОРИЯ ЧАСТИЦЫ ГА3
■-НЕОН
К УСИЛИТЕЛЮ
ИМ.
ИСТОЧНИН
ВЫСОКОГО
НАПРЯЖЕНИЯ
А ГАЗ НЕОН
\
ГЕНЕРАТОР
ИМПУЛЬСОВ
ВЫСОКОГО
НАПРЯЖЕНИЯ
ж—
АНАЛИЗАТОР

между ними мгновенно возникает микроскопический
электрический разряд (искра). Если этот разряд снять с помощью
сверхскоростной фотокамеры на одну и ту же
фотографическую пластинку, то на ней появится и как бы повиснет
пунктир из множества маленьких светящихся точек,
обозначающий путь частицы через камеру. Его можно снять и объемно.
Присоединенное к такой камере особое электронное
устройство позволяет с большой точностью определять
положение светящейся точки (а следовательно, и самой частицы)
в пространстве, скорость и направление ее движения, а по
ним автоматически определять энергию, массу, заряд и
другие свойства частицы.
СНОВА ФОТОПЛАСТИНКА
Как вы помните, явление радиоактивности было открыто
Беккерелем благодаря действию излучений на
фотографическую пластинку. В 1909—1911 годах было установлено, что
почерневшие участки проявленной фотопластинки,
облученной альфа-частицами, состоят кз отдельных крупинок
почерневшего серебра, располагающихся в виде коротких цепочек.
Эти цепочки и соответствовали движению альфа-частиц
в эмульсии пластинок.
Толстослойные фотопластинки позволяют зафиксировать
разлетающиеся во все стороны осколки распавшегося ядра атома.

Фотографическая эмульсия имеет сходство с камерой
Вильсона в том смысле, что с ее помощью можно
регистрировать практически любые процессы, в которых участвуют
атомные ядра и другие заряженные частицы, а по толщине,
длине, форме, количеству и последовательности появления
следов определять энергию, заряд и массу частиц. С
помощью фотографической эмульсии впервые удалось
наблюдать различные формы разрушения ядер атомов бромистого
серебра при попадании в них частиц с большой энергией и
определить физические свойства образующихся осколков
Вследствие малой пригодности обычных фотографических
пластинок для более гонких и сложных ядерных
исследований советский физик Л. В. Мысовский предложил
использовать специальные толстослойные эмульсии (без стекла). Они
содержат в себе в 10 раз больше бромистого серебра, чем
обычные пластинки. Для исследования частиц больших
энергий применяют толстые пакеты, составленные из большого
числа таких пленок, благодаря чему непрерывные следы
частиц можно наблюдать в трех измерениях и в пространстве
большого объема. Перед проявлением пленки разделяют, а
затем соединяют опять. Обычно проявленные пленки
исследуют с помощью бинокулярного микроскопа и специальных
измерительных установок.
БОЛЕЕ КРУПНЫЕ „КАЛИБРЫ"
Многочисленные опыты бомбардировки атомов
заряженными частицами показали, что для достижения цели энергии
частиц, выбрасываемых атомами естественных
радиоактивных элементов, явно недостаточно. Нужно было думать
о том, как увеличить скорость, то есть энергию этих
«атомных снарядов».
Это и понятно. Чем большей энергией будет обладать
частица, тем глубже сможет проникнуть она в ядро, тем
труднее заставить ее свернуть со своего пути.
И ученые начали проектировать специальные машины —
ускорители заряженных частиц.
Мы уже знаем, что ускорить заряженную частицу можно
электрическим полем, а изменить ее движение—магнитным
или электрическим полями.
Вследствие этого и разработка ускорителей тоже шла по
двум главным направлениям. Сначала строили установки, в
которых заряженные частицы разгонялись до максимально
возможной энергии, двигаясь при этом прямолинейно. Эти
устройства напоминали увеличенную во много раз катодно-
лучевую трубку, к электродам которой сразу прикладывалось
69

Таким путем можно одновременно и ускорить заряженную частицу
(электрон), и изменить направление ее движения
полное ускоряющее напряжение — вплоть до нескольких
десятков и даже сотен тысяч вольт. Несколько позднее
оказалось более удобным и выгодным применять устройства, в
которых ускоряемые электрическим полем частицы при помощи
магнитного поля заставляли двигаться по окружности. А так
как по мере ускорения электронов радиус этих окружностей
непрерывно увеличивался, то в конечном счете в таком
ускорителе частицы вынуждены описывать спираль.
Такие установки получили название циклических.
Однако даже в самых сложных и гигантских установках
для накапливания электрических зарядов получить
напряжение в 6—8 миллионов вольт дело исключительно трудное,
сложное и дорогое. А энергия альфа-частиц, испускаемых,
например, полонием-210, равна 5,26 Мэв. Следовательно,
никакой выгоды по сравнению с естественными
радиоактивными элементами частицы, искусственно ускоренные с
помощью таких генераторов сверхвысоких напряжений, не
давали. Поэтому и в линейных и в циклических ускорителях
частицы стали разгонять не в один прием* с помощью импульса
максимально возможного электрического напряжения, а
путем последовательных, многократно повторяющихся
«подстегивающих» импульсов сравнительно невысокого напряжения.
Каждый, очевидно, знает, что даже тяжелые качели легко
раскачать, если небольшое усилие детской руки непрерывно
повторяется строго в такт с движением качелей.
Сначала рассмотрим, что представляет собой
линейный ускоритель. Это прямая труба длиной несколько
70

десятков метров, а в последних установках — даже несколько
километров, из которой тщательно откачан воздух. Внутри
грубы одна за другой расставлено большое число коротких
металлических трубок, длина каждой из которых
увеличивается по мере удаления от входа в ускоритель.
Положительно заряженные ионы, получаемые от источника ионов,
предварительно при помощи небольшой ускорительной трубки
разгоняются до энергии порядка 100—200 тысяч электрон-
вольт, *после чего они попадают уже внутрь собственно
линейного ускорителя. На каждые две соседние трубки
ускорителя подается переменное и даже не очень высокое
электрическое напряжение от специального генератора высокой
частоты. Оно непрерывно меняется и по величине и по знаку,
становясь то положительным, то отрицательным.
Основной функцией генератора высокой частоты и
является задача так менять напряжение, подаваемое на электроды,
чтобы заряженная частица, проходя разность потенциалов,
непрерывно увеличивала свою скорость. Это может быть
достигнуто только тогда, когда высокое отрицательное
электрическое напряжение будет оказываться перед движущейся
положительно заряженной частицей всякий раз, когда она
проходит любой промежуток между электродами. Это похоже
на анекдотический способ понукания ленивого верблюда.
Перед носом у него на длинной палке висит большой клок
вкусного сена. И чем скорее верблюд бежит за ним, тем
скорее уходит от него желанное лакомство.
Когда положительно заряженная частица подходит к
очередному электроду-трубке, нужно, чтобы электрический по-
Ы Изменение ускоряющего напряжения
Процесс ускорения частиц в прямом, так называемом линейном,
ускорителе. По мере увеличения скорости, а следовательно, и массы частицы
ускоряющие электроды приходится делать все длиннее и длиннее.
71

тенциал на ней был максимально отрицателен и притягивал
частицу, а после того как частица уже пролетит внутри
трубки и станет покидать ее, потенциал на ней менялся и был
максимально положительным и как бы подталкивал частицу
вперед. Максимальный отрицательный потенциал в этот
момент должен быть подан уже на следующую трубку, и т. д.
Если перемена напряжения на трубках в такт (резонанс)
с движением частицы не соблюдается, она вместо ускорения
будет, естественно, тормозиться.
Поскольку скорость движения частиц в ускорителе
непрерывно увеличивается, а частота перемены электрического
напряжения на каждой паре электродов остается постоянной,
последующие звенья трубки делают все большей и большей
длины, так как ускоряющее напряжение действует на
частицу только в пространстве между трубками. Внутри же
трубки частицы, заслоненные от действия электрического
поля, движутся с постоянной скоростью, или, как говорят,
«дрейфуют» в них.
Таким образом, путем многократных «подстегивающих
ударов» в ускоряющих промежутках удается придавать
энергии в десятки и сотни миллионов электронвольт
положительно заряженным частицам и в сотни и тысячи миллионов
электронвольт — электронам.
Работает линейный ускоритель тем лучше, чем
тщательнее удален из него воздух. Поэтому вакуумное хозяйство
каждой такой установки весьма обширно и сложно.
Ускоренный поток частиц через очень узкое окошечко
в конце ускорителя выводится наружу и направляется в
специально сконструированные установки для облучения тех
или иных исследуемых веществ.
Точно такой же результат можно получить и несколько
иным способом.
Вы уже знаете, что летящая прямолинейно заряженная
частица, попав в магнитное поле, начинает искривлять
траекторию своего полета, а если это поле оказывается достаточно
сильным, то частица начинает «навиваться» на линии этого
поля и оказывается как бы пойманной своеобразной
«магнитной ловушкой». Если теперь на пути кругового движения
такой частицы расположить ускоряющие электроды, на
которые, так же как и в линейном ускорителе, в такт с оборотами
частицы подавать попеременно то положительное, то
отрицательное сравнительно невысокое электрическое напряжение,
то частица, попадая в промежуток между этими
электродами, начнет постепенно ускоряться. При этом движение ее
может быть организовано двумя путями: один, когда по мере
набирания скорости частица будет двигаться по спирали
72

Двигаясь по спирали в
переменном электрическом поле
циклотрона, заряженная
частица постепенно приобретает
огромную скорость. Однако по
мере увеличения скорости
масса частицы постепенно
увеличивается, вследствие чего она
начинает отставать — не
поспевать за сменой напряжения на
ускоряющих электродах. Чтобы
преодолеть этот недостаток,
частоту ускоряющего
напряжения уменьшают по мере
увеличения скорости, а
следовательно, и массы частицы.
с постепенно увеличивающимся радиусом витков, другой —
частица будет ускоряться, не меняя радиуса своего
движения, двигаясь как бы по трубе свернутого кольцом линейного
ускорителя или как камень, раскручиваемый с помощью
пращи.
В наипростейшем виде циклический ускоритель —
циклотрон— представляет собой плоскую круглую или
прямоугольную коробку, из которой откачан воздух. Внутри нее
располагается тоже плоская круглая медная камера,
напоминающая круг швейцарского сыра, вернее — его пустую
наружную корку. Эта камера разрезана пополам, и ее
половинки, называемые дуантами, раздвинуты на несколько
сантиметров одна от другой. А вся комбинация вдвинута в
промежуток между полюсами очень сильного электромагнита.
В самом центре камеры между дуантами помещено
устройство, с помощью которого подлежащие ускорению
заряженные частицы, например протоны — ионизированные
ядра атомов водорода, вводятся («впрыскиваются») в
ускоритель.
К обоим дуантам присоединен генератор переменного тока
высокой частоты таким образом, что когда на какое-то
мгновение один из электродов находится под высоким
положительным электрическим напряжением, то другой находится
под таким же по величине, но отрицательным напряжением.
В следующее мгновение напряжение переключается, и
электрод, бывший до этого под положительным напряжением,
становится отрицательным, а бывший отрицательным — по-
75

ложительным. А далее все многократно повторяется. Поток
протоноб, оказавшихся в промежутке между электродами,
устремляется к отрицательно заряженному дуанту,
подталкиваемый сзади положительным зарядом уже покинутого
дуанта. При этом поток частиц приобретает какую-то
начальную скорость. Сделав внутри дуанта полукруг, протоны
влетают в следующий ускоряющий промежуток. К этому
моменту напряжение на дуантах меняется — и частицы
устремляются к противоположному, ставшему теперь тоже
отрицательно заряженным дуанту, подстегиваемые сзади
положительным зарядом только что бывшего отрицательно
заряженным дуанта. Сделав внутри дуанта второй полукруг, частицы
снова вылетают к первому промежутку, здесь напряжение
на дуантах снова меняется, и весь цикл изменения
напряжения на дуантах повторяется снова.
Частицы, попавшие к ускоряющему промежутку чуть-чуть
раньше смены напряжения на дуантах, немного тормозятся,
а непоспевшие отстают от остальной массы частиц,
вследствие чего сплошной поток поступающих в ускоритель
заряженных частиц оказывается на выходе как бы поделенным
на порции — сгустки.
Раскрутившиеся до предельно большой скорости частицы
с помощью особого отклоняющего устройства выпускают из
ускорителя и направляют на мишень, изготовленную из
подлежащего бомбардировке вещества.
Процесс раскручивания, а следовательно, и увеличения
энергии частиц в циклотроне мог бы повторяться до
бесконечности, если бы не два существенных обстоятельства: по
мере приближения скорости частиц к величине, сопоставимой
со скоростью света, начинает проявляться так называемое
релятивистское утяжеление частиц —
существенное увеличение их массы, вследствие чего с каждым
оборотом становится труднее и труднее наращивать скорость.
Радиус вращения частиц постепенно увеличивается, и они
начинают все больше и больше запаздывать к моменту смены
напряжения в каждом из ускоряющих промежутков.
Вследствие этого импульсы напряжения все больше и больше
перестают попадать в такт движения частиц. Ускоряющее и
подталкивающее действие переменного напряжения на дуантах
столь же быстро слабеет и постепенно сводится на нет. Это
и не позволяет ускорить заряженные частицы до энергий,
превышающих 10—20 Мэв.
Такие энергии, все же в несколько раз превышавшие
энергии частиц, испускаемых радиоактивными элементами,
устраивали ученых, и поэтому циклотрон стал обязательной
принадлежностью главнейших исследовательских лабораторий
74

На этих рисунках художник попытался изобразить
особенности в способах ускорения частиц при помощи различных
ускорителей атомных частиц: а — линейный ускоритель; б —
циклотрон; в — синхроциклотрон; г — синхрофазотрон.
мира. Однако очень скоро ученые убедились, что и этой
энергии частиц недостаточно.
И трудно сказать, как бы пошли дела в физике, если бы
двум ученым почти одновременно — В И. Векслеру в СССР
и Е. Мак-Миллану в США — не пришла в голову такая идея.
Если благодаря релятивистскому утяжелению ускоряемая
частица не успевает попадать к ускоряющим промежуткам
75

одновременно, или, как говорят, в фазе с максимальным
переменным напряжением, приложенным к дуантам, то почему
бы не сделать так, чтобы частота этого переменного
напряжения уменьшалась в той же степени, в какой утяжеляется,
а следовательно, и замедляет набор скорости частица. Тогда,
как бы "она ни замедлялась, приложенное в точно
положенный момент максимальное напряжение будет не тормозить,
а все же подстегивать частицу. Частица как бы сама
начинает следить за полем, проходя ускоряющий промежуток в
наиболее благоприятные для ее ускорения моменты. И хотя
общий темп набора скорости ускоряемыми частицами с
каждым оборотом будет постепенно уменьшаться, абсолютная
скорость их должна все время расти, неограниченно
приближаясь к скорости света. Этот метод ускорения частиц
получил название принципа автофазировки.
Тем самым удалось преодолеть препятствия, связанные
с релятивистским утяжелением, ограничивающим
предельную энергию частиц, ускоряемых в циклотроне, и стало
возможным получать протоны с энергиями в несколько сотен
миллионов электронвольт.
В такого рода установках ускорять сплошной поток
частиц уже нельзя. Их приходится впрыскивать в ускоритель
строго определенными порциями.
Эту разновидность ускорителей стали называть
синхроциклотронами или фазотронами.
Опыт, приобретенный учеными при создании циклических
ускорителей, показал, что дальнейшее увеличение энергии
ускоряемых частиц возможно только в том случае, если
отказаться от необходимости разгонять их по спирали и
обеспечить движение частиц по так называемой равновесной орбите
постоянного радиуса. Это удалось осуществить в
установках, у которых переменным сделано и магнитное поле.
Напряженность его периодически нарастает и спадает до
некоторой начальной величины, то есть каждому увеличению
напряженности магнитного поля соответствует вполне
определенное нарастание частоты ускоряющего электрического
напряжения, благодаря чему частица, «подхлестываемая»
ускоряющим напряжением, летит по одной и той же орбите.
Это позволяет сделать магнитную систему в виде кольца,
собранного из отдельных электромагнитов, или из кольца,
у которого электромагниты расположены в виде секций
только в нескольких местах или даже в одном месте. Такие
ускорители стали называть синхротронами или
синхрофазотронами.
Первые ускорители были несовершенны. Они давали
частицы небольших энергий — всего до 100 тысяч электрон-
76

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
JLJ1| 1 Предварительный линейный ускоритель. 7.Вакуумные насосы.
2 Система ввода протонов в ускоритель. 8.Шкаф питания ускоряющих
З.Путь ускоренных частиц. электродов.
4.Выводное устройство к мишени в. Амбразура,через которую
5.Вакуумная камера. частицы попадают в экспери-
6 Магнитные блоки ментальный зал.
10. Наладочный пульт.
Советский синхрофазотрон, ускоряющий частицы до энергии 10 'миллиардов электронвольт.

вольт. Но для физики атомного ядра, для техники и это было
огромным достижением и свидетельством удивительной
гибкости человеческой мысли. Однако для достижения целей,
намеченных учеными, этого было явно недостаточно.
С 1929 года начали строить ускорители, позволяющие
получить частицы с энергией, превышающей энергию частиц,
выбрасываемых радиоактивными элементами.
К 1935 году энергия частиц поднялась до 5 Мэв.
В 1945 году появляются ускорители, позволяющие получать
частицы с энергией 200 Мэв.
Изобретение синхрофазотронов сразу подняло верхний
предел энергии ускоряемых частиц. К 1955 году появились
ускорители на 2,3 и 6,2 миллиарда электронвольт в США,
затем в 1957 году в СССР начал работать в г. Дубне
советский синхрофазотрон на 10 миллиардов электронвольт,
долгое время остававшийся самым мощным в мире. Лишь
недавно он был превзойден синхротронами в Швейцарии на
30 миллиардов и в Брукхавене (США) на 33 миллиарда
электронвольт.
Однако в г. Серпухове, под Москвой, уже завершено
строительство ускорителя на энергию 70 миллиардов
электронвольт, который становится самым мощным в мире. Длина
его окружности 1,5 км, вес 120 магнитов — 24 тысячи тонн!
Чтобы легче было разобраться в типах современных
циклических ускорителей, ниже мы приводим табличку их
главных особенностей
Частота ускоряющего
напряжения не меняется
Частота ускоряющего
напряжения изменяется (постепенно
уменьшается)
Магнитное
поле
постоянно
Циклотрон
Синхроциклотрон
Магнитное
поле
изменяется
Синхротрон
Синхрофазотрон
Различного рода усовершенствования этих основных
типов позволяют получить циклические ускорители самых
разнообразных назначений: например, для ускорения электронов
(бетатроны), для ускорения альфа-частиц и многозарядных
ионов (ядер атомов тяжелее атомов гелия), и т. п.
Пройдет еще немного времени, и тяжелая «атомная
артиллерия», созданная человеком, приблизится по своей мощи
к энергии природных космических «снарядов», падающих на
нашу планету из бесконечных глубин Вселенной.
Исследования, проведенные учеными при помощи ускори-
78

ЭНЕРГИЯ
МЛН. ЭЛЕКТРОНВОЛЬТ
1929 1935 1945 1953 1955 1957
[6.2 МЛРД. БЕРКЛИ (СШАЯ
Как увеличивалась энергия ускорителей ядерных частиц с 1935 года
по настоящее время и сравнительные размеры этих ускорителей.

телей частиц, и полученные при этом удивительные и
чрезвычайно важные результаты настолько обширны и
интересны, что описание, лх заслуживает отдельной книги.
Изложение их здесь, даже краткое и беглое, увело бы нас далеко
в сторону от основной темы. Но к некоторым вопросам мы
позже еще вернемся.
НА ПЕРЕКРЕСТКЕ НОВЫХ ДОРОГ
Расчеты ученых, сделанные еще в 1928 году, показали,
что самым удачным «снарядом» для бомбардировки ядер
атомов должен быть все же быстро движущийся протон.
Причин этому было много. Протон — достаточно тяжелая
частица, и поэтому им легче попасть в ядро другого атома.
Его проще ускорить, чем, скажем, альфа-частицу. Это может
показаться очень странным и непонятным. Ведь, казалось
бы, легче ускорить альфа-частицу У нее электрический заряд
вдвое больше, чем у протона, и поэтому, пройдя такую же
разность потенциалов, она приобретает вдвое большую
энергию. Однако отталкивающее действие суммарного
положительного заряда любого ядра атома проявляется меньше,
когда к нему приближается частица, несущая всего лишь
одиночный положительный заряд, а не два.
Итак, ускоренные до большой энергии протоны являются
более эффективными «снарядами» «атомной артиллерии»,
чем альфа-частицы. Имея это в виду, английские физики
Д. Кокрофт и Э. Уолтон еще в 1932 году осуществили опыт,
которому суждено играть в современной физике особую,
исключительно важную роль.
Опыт состоял в том, что ускоренные в ускорительной
трубке до энергии порядка 0,125 Мэв протоны
бомбардировали узким пучком мишень, изготовленную из изотопа ли-
тия-7. Получаемые при бомбардировке частицы
направлялись в камеру Вильсона для определения их заряда, массы и
скорости.
Результат опыта оказался совершенно неожиданным.
Атом лития, вступив в реакцию с попавшим в него протоном,
превращался сначала в изотоп атома бериллия, который,
однако, тут же распадался на два ядра атома гелия. При этом
каждая из альфа-частиц приобрела энергию порядка 8,6Мэв!
гН1 + 3Li7 -> 4Ве* -> 2Не4 + 2Не4.
Ученых на этот раз взволновало не только это, но и другое,
еще более важное обстоятельство. Когда попробовали с
карандашом в руках подсчитать, как говорят, баланс энергий,
масс и скоростей всех участвовавших в такой реакции ча-
80

Мишень
из
пития
Альфа^!
частицы/Г
К «амерв
оильсона
л
К вакуум-
насосу
Альфа-
частицы
Литий - 7
Атом лития, в который попат протон, распадается на две
альфа-частицы.
стиц, то обнаружился целый ряд действительно
удивительных «убытков» и «прибылей».
На глазах у экспериментаторов происходило не только
превращение одних ядер в другие, но и куда-то исчезала
масса, составляющая разницу между начальным и конечным
состоянием веществ, участвовавших в ядерной реакции.
Масса ядра лития
Протон
Масса участвующих
в реакции частиц
Сумма масс двух альфа-
частиц (4,0039+4,0039)
Разница
7,0182 атомной единицы
1,0081
8,0263
8,0078
0,0185
Разница, как видим, довольно ощутительная. Что это,
крушение закона сохранения материи и энергии?
Куда же все-таки пропала масса?
Ф Энергия атома
81

В свою очередь, откуда-то появился излишек энергии в
виде кинетической энергии движения двух альфа-частиц —
продуктов осуществленной ядерной реакции, равный
17,2 Мэв, — значительно превышающий энергию
обстреливающих ядро атома лития протонов.
При превращении ядра атома лития в два ядра атома гелия
куда-то исчезает масса, равная 0,0185 атомной единицы Куда^
Естественно, напрашивался вывод: или материя
превращалась в энергию, что с точки зрения диалектического
материализма является нелепостью, так как энергия может быть
только формой существования материи, ибо двигаться может
только какая-то физическая реальность, то есть материя; или
же, что единственно могло быть правильным, масса и
энергия — две меры существования материи. Уменьшение одной
из них по закону сохранения материи и энергии должно
каким-то образом на основании строгих физических законов
компенсироваться увеличением другой
Эти опыты и догадки подсказали пути, по которым
должна была пойти физика в поисках новых источников
энергии, тем более что некоторые ответы на многие такие
вопросы уже задолго до опытов Кокрофта и Уолтона были
блестяще подсказаны теоретической физикой.
Надо было искать ядерные реакции, продукты которых
были бы по массе меньше, чем сумма всех частиц,
участвующих в реакции*. И такие реакции были найдены, причем
многие сначала на бумаге, а потом уже в лаборатории.
82

Г Л Л В А
\\\\и
ш
[ЛРог
1W
Vo
^238
i\e
\иъ\
Х4
П Я Т А Я
КЛЮЧ К ЯДРУ АТОМА
НОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Исследование явлений радиоактивности в свое время
позволило сделать первый приближенный вывод о строении
атомного ядра. Ученые считали, что, помимо протонов, в него
входят и электроны, нейтрализующие заряд протонов. На это
указывал и бета-распад: из ядер радиоактивных элементов
вылетали самые настоящие электроны.
Все выглядело правильным и убедительным. Но по мере
дальнейших открытий все яснее становилось, что электроны
в ядре находиться не могут.
Снова появилась загадка, причем, казалось бы, в ясном
и понятном вопросе.
Разгадать эту новую загадку можно было, только
предположив, что вместо электронов, спаренных с частью протонов,
в ядре имеются частицы, равные по массе протону, но не
имеющие электрического заряда.
Эта мысль была настолько соблазнительна, что ее
высказали в 1920 году сразу три физика: Резерфорд в Англии,
6*
83

Мэссон в Австралии и Харкинс в США. Харкинс даже
предложил название для этой еще не открытой частицы—нейтрон.
Однако обнаружить частицу, не обладающую
электрическим зарядом, с помощью имевшихся тогда методов было
невозможно.
Поэтому вопрос о ее существовании, как говорится,
долго висел в воздухе, пока физики не натолкнулись в 1930 году
на одно непонятное явление.
Неожиданно! . . Вдруг! . . Этими словами очень часто
начинается описание самых драматических моментов,
приводящих ученых и изобретателей к величайшим и важнейшим
научным и техническим открытиям.
Прочитав о нескольких таких случаях, читатель или
придет к убеждению, что большинство открытий в науке и
технике было сделано действительно случайно, или он вправе
заподозрить авторов книг в том, что они слишком большое
значение придают случаю вместо творческого предвидения.
Действительно, все будто бы происходит случайно:
Рентген «случайно» обнаружил лучи, названные рентгеновыми,
Беккерель «по ошибке» открыл явление радиоактивности,
и т. д.
Если вдуматься, как происходит большинство великих и
малых открытий, все они в той или иной мере случайные;
вернее — происшедшие несколько неожиданно в цепи опытов
и исканий, неминуемо и закономерно ведущих к этим
открытиям. И если бы то или иное открытие не сделал один
ученый, его обязательно сделал бы другой или их ученики, или
же это событие обязательно произошло бы в жизни
следующего поколения. Ведь Рентген изучал свойства потоков
быстрых электронов, Беккерель обязательно хотел разгадать
тайну загадочного свечения одного участка катодной трубки.
Вы отправляетесь исследовать неизвестную область
страны. Вас интересует в ней все: природа, животный и
растительный мир и многое другое. Короче говоря, все, что вы там
встретите. Романтическое воображение рисует картины
возможных открытий, одну заманчивее другой. Но вот вы
перевалили через гряду гор, и перед вами открылось изумительно
красивое озеро.
Неожиданно? Да. Вдруг? Безусловно. Но именно такое
озеро, хотя и не подозревая об этом, вы отправлялись искать,
сделав свой первый шаг в начале путешествия.
Поэтому пусть простит нас читатель, если и дальше,
восторгаясь теми или иными научными открытиями, их описание
мы время от времени будем начинать словами:
«Неожиданно!», «Вдруг!»
Так вот, в поисках подходов или хотя бы еле заметных
64

тропинок, ведущих к загадочному ядру атома, немецкие
ученые В. Боте и Г. Беккер в 1930 году стали в тупик перед
явлением, совершенно противоположным тому, что они
ожидали, начиная опыт.
Изучая взаимодействие «атомных снарядов» —
альфа-частиц с энергией порядка 5,26 Мэв, испускаемых иоло-
нием-210, с атомами легких элементов, ученые
бомбардировали ими литий, бериллий, бор. Ядра этих элементов
содержат соответственно три, четыре и пять протонов.
Свинец
Альфа-частицы
Бериллий
Парафин
Полоний
Нейтрон!
ИЭ ^© -=-© ^
Г) р • i о« ы
V
Опыт, который привел к открытию новой частицы — нейтрона. Поглощая
альфа-частицы, атомы бериллия выбрасывают не-обнаруживаемые
нейтроны Последние, попадая в ядра атомов входящего в парафин водорода,
выбивают из них протоны, уже улавливаемые счетчиками Гейгера —
Мюллера.
Исследователи хотели посмотреть, что же получится,
когда в них попадает сравнимый по массе «атомный
снаряд»— ядро гелия.
Обнаружилось, что при этом действительно происходят
какие-то странные явления. Бомбардируемые элементы
начинают испускать очень слабое, но удивительно проникающее
излучение.
В течение двух последующих лет эксперименты с
таинственным излучением проводились учеными уже многих
стран.
Дочь Марии и Пьера Кюри — Ирен Кюри и ее муж
Фредерик Жолио обнаружили еще один любопытный факт, с
помощью которого вскоре была объяснена наконец природа
этого излучения, а заодно и строение ядер атомов.
На пути нового излучения они поставили пластину
парафина. Из нее начали вылетать ядра водорода — протоны,
выбитые таинственным излучением.
Гамма-лучи выбить из парафина протоны таких энергий
никак не могли. Для этого их энергия должна быть
огромной — не менее 50 Мэв.
Что же в таком случае представляло собой таинственное
излучение?
85

ЕЩЕ ОДИН ПЕРСОНАЖ-НЕЙТРОН
Только в конце 1932 года английский ученый Дж. Чедвик,
проведя серию аналогичных опытов, доказал, что в
действительности новое излучение ничего общего с гамма-лучами не
имеет, а является потоком нейтральных частиц, масса
которых совпадает с массой протона.
Это и были предсказанные ранее нейтроны.
Частицы с такой массой вполне могли выбить из
парафина ядра водорода, а так как заряда они не имели, то
ничто не мешало им взаимодействовать с ядрами
бомбардируемого вещества.
Таким образом В. Боте и Г. Беккер первые напали на
след этой долгожданной и столь нужной физикам частицы.
Открытие нейтрона задержалось как раз из-за его
удивительных особенностей. Ведь в распоряжении ученых не
было приборов, с помощью которых можно было бы
наблюдать нейтральную частицу.
Заряженные частицы, как мы уже говорили, сталкиваясь
с атомами других веществ, вступают сперва в электрическое
взаимодействие с электронными оболочками этих атомов.
При этом происходит ионизация вещества, которая и
регистрируется соответствующими приборами.
Нейтрон же не имеет электрического зарйда. Он спокойно
проходит сквозь электронные оболочки атомов, так как
никакого действия на него они не оказывают. Столь же
нечувствителен нейтрон и к положительному заряду ядра.
Столкнувшись с ядром водорода, нейтрон каким-то
образом передаёт ему часть своей энергии. Естественно, что чем
меньше масса ядра атома, с которым столкнулся нейтрон,
тем больше энергии может передать ему нейтрон.
Поэтому наблюдать это явление лучше всего у веществ
с небольшим атомным весом. Минимальный вес, как*
известно, у ядер водорода. Вот почему так наглядно
происходит взаимодействие нейтронов с ядрами атомов в парафине.
Ведь это вещество содержит много водородных атомов.
Управлять движением нейтронов оказалось не легче, чем
их регистрировать, и опять-таки из-за отсутствия у этих
частиц электрического заряда.
С помощью электрического и магнитного полей легко
можно изменить скорость любой заряженной частицы,
направить ее туда, куда заблагорассудится исследователю.
Даже для частиц очень больших энергий это вполне
достижимо. Дело только в том, чтобы создать достаточно мощные
поля. А вот на нейгрон не действует ни магнитное, ни
электрическое поле.
аб

Поэтому единственный способ подействовать на
нейтрон— изменить его движение — как раз и состоит в том,
чтобы подставлять на его пути ядра различных элементов,
которые при столкновении будут замедлять скорость
нейтрона, изменять его траекторию.
Защита от излучения обычно строится на том, что
излучение теряет часть своей энергии при взаимодействии с
электронными оболочками атомов вещества защитного экрана.
Этого-то взаимодействия у нейтронов и нет.
Толстые свинцовые листы, надежно поглощающие даже
очень мощные потоки гамма-лучей, бессильны в борьбе с
нейтроном. А вот тоненькая пластинка кадмия, через
которую легко проходят гамма-лучи, является непреодолимой
преградой . для нейтронов — они поглощаются атомами
кадмия.
Мы еще много будем говорить о различных
взаимодействиях нейтронов с веществом, об их замедлении и
поглощении. Это очень важные вопросы нейтронной физики, а физика
нейтронов сейчас стала основой колоссально развившейся
отрасли техники — ядерной энергетики. Поэтому все, что
связано с нейтронами, изучается исключительно подробно.
Масса нейтрона почти совпадает с массой протона. Почти,
но не совсем. Если принять за основу изотоп кислорода О16
и считать за единицу Vie его массы, то у протона эта
величина выразится как 1,00759, а у нейтрона— 1,00898. Разница
невелика, но, как мы увидим дальше, очень существенна.
Свободные нейтроны «радиоактивны». Они не могут долго
находиться в свободном состоянии и спустя 11,7 мин
распадаются на протон, электрон и еще одну частицу,
обладающую нулевым зарядом и ничтожной массой, — нейтрино,
о которой мы скажем позднее.
Естественного источника нейтронов в природе не
существует, если не считать очень небольшого числа этих
частиц, которые изредка выбрасываются при
самопроизвольном распаде ядер атомов урана, а также возникают в
газообразной оболочке Земли в результате столкновения
влетающих в атмосферу быстрых заряженных частиц, рождающихся
в космосе, с атомами атмосферных газов.
Легче всего получить поток нейтронов при бомбардировке
бериллия альфа-частицами. Поэтому основными источниками
нейтронов долгое время после их открытия являлись ради-
ево-бериллиевый и радон-бериллиевый препараты.
Итак, мы видим, что обнаружить нейтрон можно, только
применяя косвенные методы.
Один из них состоит в том, что отскочившую при
столкновении с нейтроном и оказавшуюся в результате этого ионизи-
87

5,2945 • 10 см и#'
н
2 (ДЕЙТРОН)
1
I
«Паспорта» электрона, протона
и нейтрона.
рованной частицу — ядро отдачи — мы уже можем
обнаружить обычными способами.
Другие методы регистрации нейтронов — также
косвенные — основаны на захвате нейтронов ядрами атомов неко-
вз

торых элементов. При этом вновь образовавшееся ядро
может испустить какую-то другую, уже заряженную частицу;
ее-то и регистрируют. Новое ядро может излучать гамма-
лучи — это тоже путь для регистрации.
РАЗГАДКА СТРОЕНИЯ ЯДРА АТОМА
Открытие нейтрона -явилось, пожалуй, важнейшим
событием во всей истории современной ядерной физики. Оно
позволило устранить самое
слабое звено во всей цепи
представлений о строении
ядра атома, давно
смущавшее и волновавшее
физиков. Стало ясно, что
никакие электроны в
состав ядра атома не
входят. Они внезапно
возникают в ядре атома
только в момент его
радиоактивного превращения
(распада) и вылетают из
него. Основной составной
частицей ядра наряду с
протоном стал нейтрон.
Новая модель
строения ядра атома была
разработана советскими
учеными Дмитрием
Дмитриевичем Иваненко и
Евгением Никитичем Гапоном
и одновременно с ними
немецким физиком Вер-
нером Гейзенбергом в
1932 году.
Согласно их
предположению, ядра всех
атомов состоят только из
протонов и нейтронов. В
связи с этим и те и другие
были названы нуклонами
(от латинского «нукло-
ус» — «ядро»). Число
протонов в ядре строго
равно сумме его положитель-
Так стали выглядеть ядра аюмов
водорода, гелия и лития согласно теории,
выдвинутой в 1932 году советскими
учеными Е Н. Гапоном и Д. Д. Иваненко.
89

Протон
Нейтрон
—v
Нуклоны
Изотопы водорода
Тритий
Разница в массах
изотопов различных элементов
зависит только от
количества находящихся в
ядре атома нейтронов.
Гелий-4
V и
Изотопы гелия
Гелий-6.
,Литий-5 Литий-6 Литий-7 Литий-8
v—"-
Изотопы лития
ных зарядов, то есть атомному номеру элемента в
периодической системе Д. И. Менделеева, а общее количество
нуклонов— протонов и нейтронов — атомному весу.
Ядро гелия, например, состоит из двух протонов и двух
нейтронов. Поэтому положительный заряд ядра атома гелия
и равен двум, и на его электронной орбите вращается два
электрона.
Общее число протонов и нейтронов атома гелия равно
четырем, что и делает его атомный вес равным четырем.
Открытие нейтрона позволило довольно просто объяснить
и существование изотопов одних и тех же элементов.
Атомный вес каждого из изотопов зависит от количества
нейтронов, входящих в его ядро.
Помимо изотопов, в природе могут существовать атомы,
которые, обладая одинаковым атомным весом, занимают тем
не менее различные места в таблице Д. И. Менделеева, то
есть являются атомами различных элементов.
Такие атомы называются изобарами (от греческих
слов «изос»—«равный» и «барос» — «тяжесть», «вес»).
Например, если в одном ядре атома имеется пять
протонов и пять нейтронов, а в другом пять протонов и шесть
нейтронов, то по числу протонов, то есть по числу
положительных зарядов (пять), они являются изотопами одного и
того же элемента — бора и отличаются один от другого
90

Различное количество нейтронов и
протонов в ядре атома объясняет,
почему ядра с одинаковой массой
(количеством нуклонов)
оказываются изотопами разных элементов.
Такие атомы называются изобарами.
На рисунке показана разница между
изотопами и изобарами.
изотопы
5 (бор)
о протонов
5 нейтронов
(бор)
5 протонов
6 нейтронов
ИЗОБАРЫ
JZtiSb
уЛИ^
Ве^а'ериллий) с В 5(бор)
4 протона 5 протонов
6 нейтронов 5 нейтронов
только массой (атомным весом): в первом случае 10, во
втором — 11.
Если же в ядре атома, имеющего одну и ту же массу 10,
в одном случае будет четыре протона и шесть нейтронов, а
в другом пять протонов и пять нейтронов, то это будут уже
атомы различных элементов: первый — бериллия, второй —
бора.
Существуют атомы калия и кальция, масса которых одна
и та же — 40, кадмия— 112, 114, 116 и олова с той же
массой— 112, 114, 116, и т. д.
Однако радиоактивные ядра атомов некоторых элементов
могут состоять из одного и того же количества протонов и
нейтронов, но по-разному размещенных в пределах ядра.
Вследствие этого ядра будут пребывать и в разных степенях
возбужденного состояния. Обнаруживается это только тем,
что при радиоактивном распаде они обладают и различной
радиоактивностью, то есть период полураспада у них разный.
Например, ядра одних и тех же искусственных
радиоактивных изотопов сурьмы-124 могут распадаться за 1,3 мин,
21 мин и 53,7 дня. Такие ядра называются изомерами
(от греческих слов «изос» — «равный» и «мерос» — «доля»).
Нуклонная модель строения атомного ядра молниеносно
получила признание. Она соответствовала многочисленным
фактам, накопленным к тому времени, объясняла их, показы-
91

вала ученым новые пути для опытов, давала материал для
различных теоретических работ и, как это повелось в науке,
«коварно» подводила к новым, еще более глубоким тайнам,
противоречиям и подлинным чудесам.
В „ШАПКЕ-НЕВИДИМКЕ"
Как и любая иная, новая научная теория, блестяще
разгадав одну загадку природы, сразу же обнаруживала
добрую дюжину других, еще более сложных, трудных и в то
же время головокружительно увлекательных загадок, что,
кстати говоря, и является, пожалуй, главной движущей силой
науки.
Протонно-нейтронная теория строения ядра атома никак
не могла обойти затруднений, вызываемых существованием
огромных сил отталкивания, создаваемых положительными
зарядами протонов, сжатых вместе какой-то неведомой силой
в ядре атома.
Что же, какие силы удерживают протоны от разлетания
в стороны со скоростью и энергией невиданно
сокрушительного (в масштабах ядра атома) взрыва? Почему не имеющие
никакого заряда всепроникающие нейтроны просто не
вываливаются из ядра?
Человечество неоднократно убеждалось, что в мире всего
самого чудесного и таинственного на свете — в науке как раз
и не оказывается ничего волшебного. Все рано или поздно
получает строго научное и доказательное объяснение.
Оставалось предположить, что в ядре атома существуют
и действуют новые, пока еще никому не известные силы, во
много раз превышающие силы электростатического
отталкивания положительно заряженных протонов ядра атома.
СуществЬвание этих сил объяснило и наличие огромной
энергии, скрытой в ядре атома, признаки которой
проявляются в распаде радиоактивных веществ, в выбрасывании частиц
при обстреле ядер атомов протонами или альфа-частицами,
в превращениях одних элементов в другие.
Неизвестные силы в одинаковой степени действуют не
только на заряженные частицы, но и на нейтральные. Они,
наподобие сильной пружины, и удерживают — сжимают
положительно заряженные протоны и нуклоны в ничтожно
малом объеме (Уюоооо диаметра атома), какой занимает ядро
атома. И, видимо, стоит чуть-чуть «подтолкнуть» ядро, то
есть придать ему небольшое количество избыточной энергии,
чтобы оно, насыщенное своей собственной энергией, начало
разваливаться.
92

Сделать это можно двумя путями. Самый трудный —
попытаться «силой» загнать в него какую-либо тяжелую
заряженную частицу, способную преодолеть сопротивление
суммарного положительного электрического заряда протонов
ядра атома Но для этого энергии в 13,43 Мэв у протона,
испускаемого радиоактивным бором-12, или 10 Мэв
альфа-частицы, испускаемой францием-87, заведомо мало. Большую
часть своей кинетической энергии эти частицы растратят на
преодоление «броневой защиты» ядра атома и, обессиленные,
не смогут к нему даже прикоснуться, не то чтобы в него
проникнуть.
Следовательно, разгонять их до значительно больших
энергий нужно было искусственным путем.
Совсем другими, поистине удивительными возможностями
обладает нейтрон. Пользуясь «нейтральностью», он свободно
проникает сквозь электронную оболочку атома и зону
отталкивающего действия суммарного положительного заряда
ядра атома. Недаром пророчески произнесенные Резерфор-
дом еще в 1920 году слова звучали хотя и загадочно, но
верно: «Это будет вещество, которое не удержать в
запечатанном сосуде». Подойдя вплотную к ядру, нейтрон попадает
в сферу действия ядерных сил и, если он движется
достаточно медленно, втягивается внутрь ядра атома.
Здесь-то и начинается самое удивительное.
В результате неожиданного «прибавления семейства»
ядро оказывается обладателем излишка энергии, равного
8 Мэв. Это резко нарушает сложившееся там равновесие сил,
и ядро приходит в бурное движение, или, как говорят
физики, в возбужденное состояние, от которого ядро атома
может избавиться, только испустив нуклон, альфа-частицу или
распавшись на какие-то осколки.
Почему же одно лишь присоединение нейтрона к ядру
атома вносит в него энергию возбуждения, равную 8 Мэв?
Ответить по существу мы сумеем только в одной из
следующих глав. Пока же примем это на веру.
Если для удаления (выбивания) нуклона из его ядра
требуется затратить энергию порядка 7—8 эв, то логично
предположить, что и при принудительном введении внутрь ядра
лишнего нуклона в нем должна появиться избыточная
энергия, равная как раз энергии 7—8 эв. Эта энергия сперва
возбуждает ядро, а затем приводит к его распаду с выделе
нием излишней энергии.
Сколько же в таком случае нужно избыточной энергии,
или энергии возбуждения, чтобы вызвать, например, деление
ядра атома, сопровождающееся выделением еще большего
количества энергии?
93

Тем меньше, чем тяжелее ядро атома. Поэтому ядра
тяжелых элементов, оказываются и самыми неустойчивыми.
Очень наглядно это показано в следующем выводе:
Массовое число атома 140 200 235
Посторонняя энергия,
необходимая для
возбуждения ядра (в Мэв) 62 40 5
Энергия, выделяющаяся
при делении ядра атома
(в Мэв) 48 135 205
Если же нейтрон обладает еще и кинетической энергией
10 Мэв, то в захватившее его ядро он вносит избыток
энергии, равный уже 18 Мэв, вследствие чего ядро
«гостеприимного» атома возбуждается еще больше.
Получается, что нейтрон вообще не должен обладать
почти никакой начальной кинетической энергией. Нужно
лишь помочь ему попасть в ядро атома, а уж там он,
используя особым образом свои скрытые резервы, добавит к
энергии ядра хозяина еще и свою собственную энергию.
ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ
Наибольшие успехи в обстреле альфа-частицами атомов
одних элементов с целью превратить их в другие достигались
лишь тогда, когда в качестве мишеней выбирались атомы
наиболее легких элементов: литий, бериллий, бор.
Но для того, чтобы разрушать ядра более тяжелых
элементов, энергии альфа-частиц, выбрасываемых
распадающимися радиоактивными веществами, как мы уже говорили,
было явно недостаточно. И нет ничего удивительного, что
сразу же возникла мысль: нельзя ли для этой цели
использовать нейтроны, на которые мощный положительный заряд
тяжелых ядер не оказывал никакого влияния?
Но существовавшие тогда источники давали слишком
мало нейтронов. 1 г радия выбивал из бериллиевой
пластинки всего лишь 107 нейтронов в секунду. Такой поток
снарядов, даже учитывая способность нейтронов легко проникать
к ядрам атомов, являлся явно ничтожным.
Пытаясь получить значительно больший поток нейтронов,
Ирен и Фредерик Жолио-Кюри в 1934 году открыли
совершенно новое, замечательное явление, которое стало еще
одной основой всей современной ядерной физики и техники.
Для своих опытов они взяли препарат полония, более актив-
94

ного, чем радий, элемента, выбрасывающего альфа-частицы
с энергией выше 5 Мэв.
Этим мощным потоком альфа-частиц они бомбардировали
различные вещества, среди которых были бор, алюминий,
магний и другие, рассчитывая обнаружить среди них
элементы, испускающие максимально возможный поток нейтронов.
Желая разобраться более подробно в составе
появлявшегося при этом вторичного излучения, супруги Жолио-Кюри
использовали камеру Вильсона.
Как-то, направив сквозь камеру пучок нейтронов,
испускаемых бомбардируемым, как и в опытах Боте и Беккера,
алюминием, исследователи неожиданно обнаружили в нем
большое количество следов, принадлежащих легким
положительным частицам. Это были следы открытых за три года
до этого американским ученым Андерсоном
позитронов — положительных электронов — частиц, во всем, кроме
знака заряда, подобных электронам.
Первая в мире фотография следа,
оставленного в камере Вильсона
позитроном — частицей, отличающейся
от электрона только знаком своего
заряда
Но самое интересное оказалось впереди. Когда удалили
источник альфа-частиц, то есть бомбардировка алюминиевой
пластинки прекратилась, нейтроны, как и следовало ожидать,
исчезли. Но выделение позитронов все еще продолжалось,
уменьшаясь лишь постепенно. В течение каждых 2,5 мин
число излучаемых позитронов сокращалось в два раза.
Ни один из известных естественных радиоактивных
элементов таким периодом полураспада не обладал. Кроме того,
новое явление отличалось от естественной радиоактивности
еще и тем, что излучение позитронов алюминиевой
пластинкой возобновлялось, как только ее начинали облучать альфа-
частицами. Все это свидетельствовало о том, что под
действием альфа-частиц в алюминии образуется какой-то новый,
искусственный элемент, радиоактивный распад которого
сопровождается излучением позитронов.
Более тщательное исследование этого вида ядерной
реакции позволило установить, что ядро атома алюминия (i3Al27),
захватив облучающую его ^льфа-частицу (гНе4), выбрасы-
95

вает нейтрон и превращается в изотоп атома фосфора с
атомным весом 30 (15Р30) Однако устойчивых изотопов фосфора
с такой массой не существует, поэтому он, очевидно, должен
распасться. При распаде он и выбрасывает позитрон. Это
может произойти, если в ядре атома фосфора вместо одного
из протонов появляется нейтрон. В таком случае вместо
необычного фосфора возникает кремний (i4Si30), имеющий
заряд ядра на единицу меньше. Другими словами, в новой
реакции ядро потеряло один положительный электрический
заряд, но сохранило массу.
Процесс этот можно записать так:
зН1 + 13АР -> 15Р30 4- о/г1.
Образовавшийся радиоактивный фосфор распадается и,
излучив позитрон, превращается в кремний:
ioP30-^uSi30 + ^.
К вороху неразгаданных загадок новое явление добавило
еще несколько менее понятных: откуда в ядре атома
появляется позитрон, по какой причине исчезает протон, а взамен
его появляется нейтрон, и т. д. Ответ мог дать только экспе-
Алюминий
Свинец
10ЛОНИЙ
Нейтроны
Свинец
Альфа-частицы
Алюминий
7Э+ t^f -&+ тв+ ~в+ "О*
Позитроны
Схема опыта, который привел Ирен и Фредерика Жолио-Кюри к
открытию искусственной радиоактивности. Облученный альфа-частицами
алюминий продолжает испускать позитроны даже после того, как
между ним и источником альфа-частиц поставлен свинцовый экран,
полностью останавливающий альфа-частицы.

Не 4 + А1 27 —•» Р30 а п1 -.с.зо . А+
пе2 + Ai13—^н15 + n0 -^^i 14 + в
Атомы алюминия при бомбардировке их альфа-частицами превра
щаются сначала в радиоактивный фосфор, а затем в кремний
римент. И неудивительно, что вслед за этим открытием
ученые в различных странах стали подвергать бомбардировке
ядерными частицами буквально все химические элементы.
При этом выяснилось, что почти все они могут образовать
новые радиоактивные изотопы. В короткий срок число таких
искусственных излучателей дошло до 1000, и с каждым годом
открывались все новые и новые
ЕЩЕ ОДНА ОШИБКА!
В 30-х годах нашего века в университете Рима стал
работать молодой и талантливый итальянский физик Энрико
Ферми.
Увлеченный сенсационным открытием Ирен и Фредериком
Жолио-Кюри искусственной радиоактивности, Э. Ферми
вместе со своими товарищами изучал, что происходит при
бомбардировке нейтронами атомов самых разнообразных
элементов.
В качестве атомной «пушки» использовался радиево-бе-
риллиевый источник.
В короткий срок они обстреляли из своего довольно
удобного и несложного источника нейтронов атомы элементов
буквально всей периодической таблицы. Как и следовало
ожидать, при этом часто получались искусственные
радиоактивные вещества.
Наконец дошла очередь и до урана. Будучи очень пытли-
7 Энергия атома
97

вым и любознательным человеком, Ферми предполагал, что,
захватив один или несколько «снарядов»-нейтронов, уран
может превратиться в еще более тяжелый элемент, какие до
сих пор в природе не обнаруживались.
Такой опыт и был впервые осуществлен в 1934 году.
Подвергшийся нейтронной бомбардировке уран действительно
оказался более радиоактивным, чем был до опыта. Более
того, в нем были обнаружены четыре вида радиоактивных
ядер с разными периодами полураспада.
Это дало Ферми основание заключить, что им создано
сразу четыре новых сверхтяжелых элемента. Такие элементы
получили в дальнейшем название трансурановых или заура-
новых.
Нет необходимости описывать волнение, с каким ученые
во всех странах начали выделять и исследовать эти новые
трансурановые элементы, повторяя в бесчисленных
вариантах опыты Ферми.
Полученные результаты в целом как будто бы совпадали,
но начали возникать и непонятные, смущающие
исследователей явления: во-первых, легкость, с какой в дальнейшем
росло число вновь обнаруживаемых видов радиоактивности,
которые приписывали все новым и новым элементам. Кроме
того, несмотря на всю изобретательность и усилия ученых,
выделить вновь создаваемые элементы из массы урана не
удавалось ни одному из них.
Поиски продолжались в течение пяти лет. И вот в
1939 году случилось нечто совсем непредвиденное. Один из
новых радиоактивных элементов, обнаруженный немецкими
химиками О. Ганом и Ф. Штрассманом в облученном
нейтронами уране (по расчетам Ферми, этот элемент должен был
бы иметь-порядковый номер 93, 94, 95, 96 или даже 97),
оказался барием, расположенным в самой середине таблицы
элементов и имеющим атомный вес всего 56. Другой элемент
оказался лантаном-57.
Замешательство ученых было понятно: попадая в ядро
элемента 92 и застревая в нем, нейтрон ни при каких
условиях не мог превратить этот элемент в барий или лантан —
ведь эти элементы почти в два раза легче урана.
Неоднократно повторяя эти опыты, ученые неизменно приходили к
одному и тому же результату: возникновению бария и
лантана при бомбардировке урана нейтронами И чем больше
они работали, тем больше им казалось, что они впали в
противоречие со всем прежним опытом ядерной физики.
Лишь осенью 1939 года немецкие физики Л. Мейтнер и
ее племянник О. Фриш, работавшие в то время в
Копенгагенском университете (Дания), куда они бежали из Герма-
98

нии, спасаясь от преследования фашистов, выяснили, что же
все-таки происходит с ураном, облученным нейтронами.
С помощью довольно тонких опытов они доказали, что
при этом взаимодействии образуются две частицы с
примерно половинной массой, которые разлетаются в разные
стороны.
На снимках, сделанных позднее в камере Вильсона, были
ясно видны следы двух осколков, вылетаюш,их из ядра урана.
Сомнений не оставалось — под действием нейтронов ядра
урана распадались на две части, выделяя при этом
огромную энергию.
Мейтнер и Фриш объяснили это явление так. Чем больше
и массивнее ядро атома, тем менее оно устойчиво. Когда в
такое неустойчивое ядро атома попадает какая-либо
посторонняя частица, она сообщает ему добавочную энергию,
отчего ядро приходит в бурное движение — становится
возбужденным и при некоторых определенных условиях может и
вовсе развалиться.
Поэтому ничего нет удивительного в том, что ядро атома
урана, и без того малоустойчивое, захватив нейтрон, вместо
того чтобы выбросить одну или несколько частиц, как это
происходило при обстреле атомов более легких элементов,
неожиданно распадается. Этот процесс был назван ядерной
реакцией деления.
7*
99

200 000 000 элентронвольт
Кинетическая энергия двух разлетающихся осколков деления
ядра атома урана достигает...
В результате такого деления и появляются два осколка —
ядра элементов с атомным весом от 80 до 160 каждое, напри*
мер бром и лантан, барий и криптон, и др. Эти осколки
оказались сильно радиоактивными. Лишь после нескольких
последовательных распадов, сопровождающихся испусканием
бета-частиц, они становятся стабильными.
Разлетающиеся осколки обладают высокой кинетической
энергией. Эта энергия оказывается в сотни раз больше, чем
энергия частичного расщепления ядер под действием альфа-
частиц и протонов.
После открытия нового для ядерной физики процесса
деления опыты со всеми другими элементами, как по команде,
были почти повсеместно остановлены и массированное
«артиллерийское наступление» физиков-ядерщиков было
направлено на неожиданно оказавшееся столь неустойчивым ядро
урана#— еще более узкий участок фронта ядерной физики.
В обычной артиллерии все усилия ученых, конструкторов
и изобретателей испокон веков были направлены на то, чтобы
добиться как можно большей скорости полета снаряда при
максимально большом его весе. Такой снаряд обладает
большей живой силой, и его удар более разрушителен.
Бомбардируя ядра атомов, ученые также стремились к
тому, чтобы их «снаряды» были как можно более
массивными и обладали предельно большими скоростями. Идеалом
являлась возможность придать альфа-частице или протону
скорость, близкую к скорости света.
Здесь же явное отступление от общепринятого правила
привело к совершенно неожиданному, но отрадному
результату. Нейтроны, обладающие сравнительно небольшой
кинетической энергией, превосходно делили уран.
100

Что происходит в дальнейшем с осколками разделившегося пополам
ядра атома урана.

Чем же было замечательно новое явление?
Прежде всего тем, что ядерная реакция деления
сопровождается выделением чрезвычайно большого количества
энергии. Расчеты, а позднее и практические измерения
показали, что при каждом делении ядра урана на две половинки
высвобождается энергия, равная примерно 200 Мэв.
Самое же главное заключалось в ином: любая пара
продуктов деления ядра атома урана — ксенон и цирконий, бром"
и лантан и др., имеют в своих ядрах от 129 до 140 нейтронов,
в то время как ядро атома урана содержит их 143—146.
В итоге несколько нейтронов — в среднем от двух до трех,
до того сравнительно спокойно пребывавших каждый «на
своем месте» в недрах ядра атома урана, оказываются уже
излишними для пары ядер дочерних атомов. Имея избыток
нейтронов, эти атомы либо сразу избавляются от них, либо
обладают так называемой нейтронной
радиоактивностью— выбрасывают эти нейтроны спустя некоторое
время.
Так же как и осколки деления ядер урана, нейтроны
разлетаются в стороны с огромной энергией: порядка 1,0—
1,5 Мэв каждый.
Здесь важно напомнить, что потенциально каждый такой
оказавшийся свободным нейтрон, в свою очередь, способен
тоже разделить по одному ядру атома урана.
Но мы еще много будем говорить об этих особенностях
нейтронов. Лучше посмотрим внимательнее, что происходит
с ураном. Ведь он содержит несколько изотопов Какие же
из них делятся нейтронами и какими особыми свойствами
должны обладать эти нейтроны?
СЕМЬЯ ИЗОТОПОВ УРАНА
За четыре года до открытия деления урана, в 1935 году,
в одной из лабораторий Чикагского университета произошло
событие, не замеченное тогда почти никем, но имевшее тем
не менее очень важное значение для физики атомного ядра.
Здесь работал химик, профессор Артур Демпстер,
уроженец Канады. Его специальностью было изучение различных
элементов при помощи весьма сложной установки — масспек-
трографа.
Пользуясь этим прибором, ученые еще раньше
установили, что атомы многих природных элементов, обладая
совершенно одинаковыми химическими свойствами, тем не
менее имеют различные атомные веса. Речь идет о знакомых
уже нам изотопах.
102

Способными делиться под действием
нейтронов самых различных энергий
оказались лишь ядра атомов ура-
на-235, которого в природной смеси
урана содержится всего 0,7%.
238
0,714кг
Исследуя однажды спектр чистого урана, Демпстер
неожиданно обнаружил на пластинке мишени рядом с жирной
чертой, оставляемой обычно ураном-238, другую еле
заметную черточку. Это оказался след второго, очень редкого
изотопа— урана-235. Несколько позже был обнаружен еще
более редкий изотоп — уран-234.
Более тщательные измерения показали, что в чистом
природном уране содержится 99,28% урана-238, 0,714%
урана-235 и лишь 0,006% урана-234.
Только через пять лет после этого, казалось бы, ничем
не примечательного события ученым удалось установить, что
под действием нейтронов любых энергий "очень интенсивно
делятся только ядра урана-235, которого в природном
элементе содержится всего лишь 0,7%. И чем меньшей энергией
обладают нейтроны, тем лучше они делят ядра урана-235.
Особенно же хорошо их делят так называемые тепловые
нейтроны с энергией порядка 0,03 эв. Основной же изотоп —
уран-238 — делится только под действием самых быстрых,
обладающих большой энергией нейтронов: порядка 1—2 Мэв.
Для современной физики весьма характерен и
многозначителен тот факт, что вскоре после открытия изотопов урана
известный датский физик Нильс Бор совместно с молодым
физиком Принстонского университета Джоном Уиллером
теоретически предсказал возможность деления под действием
медленных, тепловых нейтронов именно легкого изотопа —
урана-235.
103

У ЗАВЕТНОЙ ЦЕЛИ
Из всей цепи открытий, связанных с делением ядер урана,
пожалуй, самым замечательным и важным оказалось то, что
в момент деления из ядра урана вылетают одновременно
два-три свободных нейтрона, не связанные с ядрами
образующихся при этом осколков. Мы уже упоминали об этом
интереснейшем факте.
Помня способность нейтронов делить ядра атомов урана
на два-три осколка, теперь можно было предположить, пока
еще теоретически, что при известных благоприятно
сложившихся условиях каждый из таких трех выброшенных из
разделившегося ядра урана нейтронов мог бы попасть в
соседний атом урана и тоже разделить его. В момент деления тот
выбросит новый залп из трех нейтронов, которые, в свою
очередь, вызовут утроенное количество делящихся соседних
ядер урана, и т. д. В результате можно было ожидать
появления в уране самонарастающей с бешеной скоростью (3, 9,
27, 81, 243, 729 и т. д.) цепной ядерной реакции деления.
Ко даже если из двух-трех (в среднем 2,5—2,7)
оказавшихся «не у дел» нейтронов по крайней мере один нейтрон
из первого поколения разделившихся ядер урана может
вызвать второе деление и по меньшей мере один нейтрон из
второго поколения может вызвать третье деление, и т. д., то
и тогда могла бы возникнуть самоподдерживающаяся
цепная реакция деления, не нуждающаяся в дальнейшем ни
в каких внешних источниках нейтронов.
Когда ученым впервые удалось наблюдать реакцию
деления ядер атомов урана под действием нейтронов, эта
реакция, естественно, не была ни разветвленной, ни просто
саморазвивающейся цепной: при удалении внешнего источника
нейтронов деление ядер урана тотчас же прекращалось.
Делящимся материалом, как и указывал Нильс Бор, мог
быть только уран-235, так как нейтроны, появляющиеся при
его делении, очень быстро замедляются при соударениях
с соседними ядрами урана и не могут делить ядра основного
изотопа — урана-238.
При достаточном количестве урана-235, окружающего
точку, от которой началось такое последовательно
умножающееся деление, можно было бы получить почти мгновенный
взрыв чудовищной силы, при котором выделилось бы энергии
в миллионы раз больше, чем при взрыве такого же
количества самого сильного из созданных человеком взрывчатых
веществ.
Выводы получились столь потрясающими, что у ученых,
занимавшихся этими вопросами, буквально захватило дух.
104

Для возбуждения лавинообразно нарастающей цепной реакции деления
ядер атомов урана-235 нужен всего лишь один нейтрон
А спустя еще некоторое время — 30 апреля 1939 года —
в одной из газет появилась заметка такого содержания:
«Доктор Нильс Бор из Копенгагена заявил, что
бомбардировка небольшого количества чистого изотопа урана-235
медленными нейтронами вызовет цепную реакцию, или атомный
взрыв, сила которого будет настолько громадной, что взлетят
на воздух лаборатория и все находящиеся в данной
местности сооружения в радиусе многих миль».
Столь же неожиданно прекратилось дальнейшее
печатание каких бы то ни было статей и сообщений на эту тему во
всех странах мира.
Ученые напали на след, ведущий как будто бы прямо
к цели. Длительный период молчания усугубился
начавшейся второй мировой войной, и вот...
День 16 июля 1945 года—день исключительно важного
события в истории человечества. На глазах у затаивших
дыхание ученых, инженеров, техников, военных и
представителей гражданских властей США на пустынном участке Ала-
могардо, в штате Нью-Мексико, в 5 час 30 мин утра был
произведен первый взрыв атомной бомбы.
105

Взрыв атомной бомбы.
Небольшое количество делящегося вещества — урана-235,
вступившее в мгновенную цепную реакцию, высвободило
огромную энергию, скрытую испокон веков в глубинах
атомного ядра.
Вот какими словами описывает это событие один из
свидетелей взрыва:
«Сначала вспыхнул свет ни с чем не сравнимой яркости.
Мы все обернулись и сквозь черные очки увидели огненный
шар. Приблизительно через 40 сек пришла взрывная волна,
за которой последовал звук, но ни то, ни другое не
показалось нам поразительным — так потрясла нас необычная
интенсивность света. Образовалось большое плотное облако,
которое, клубясь, вздымалось вверх с огромной силой и
примерно в 5 мин достигло субстратосферы. . . Облако поднялось
на большую высоту сначала в виде шара, затем оно приняло
форму гриба, затем превратилось в длинный, похожий на
трубу столб и, наконец, было развеяно в нескольких
направлениях переменными ветрами на различных высотах».
Многие из присутствовавших при взрыве ученых вполне
искренне верили, что с освобождением атомной энергии
наступит золотой век для человечества. Исчезнут войны. Насту-
106

пит всеобщее изобилие; дешевая, почти даровая энергия
поможет осуществить самые заветные, самые смелые, самые,
казалось бы, невозможные мечты человека. А спустя всего
лишь несколько недель человечество было потрясено
совершенно иным применением новой беспредельной силы, с таким
трудом вырванной человеком у природы.
Американская военщина, желая использовать атомную
энергию для запугивания народов и государств, уже на исходе
войны, когда капитуляция милитаристской Японии была
делом дней или недель, пошла на страшное преступление.
Сброшенными с самолетов двумя атомными бомбами были
почти полностью уничтожены два цветущих японских
города— Хиросима и Нагасаки. Погибло свыше 230 тысяч
жителей.
И лишь день 27 июня 1954 года принес человечеству
истинно радостную весть. Ученые, инженеры и весь советский
народ общими усилиями пустили в ход первую в мире
промышленную атомную электростанцию, работающую на
энергии деления ядер урана.
Овладев тайной атомного оружия, Советский Союз в
сознании своей мощи и правоты подал всему миру первый
пример действительно мирного использования атомной
энергии на благо человечества.
Пройдут годы, и именно этот день войдет в историю как
день начала подлинного атомного века — века мирного
использования колоссальной энергии атома.

Г А А В А
Е*ЖС
Ш Е С Т Л Я
£
О „СТРАШНЫХ" ТЕОРИЯХ
ПОЧТИ ВСЕ СНАЧАЛА
До сих пор мы излагали лишь факты, которые, постепенно
складываясь один к другому и нарастая, как снежный ком,
привели ученых к пониманию многих тонких особенностей
строения вещества и позволили нащупать огромные запасы
энергии, скрытые внутри атома.
Ядра атомов химических элементов, казавшиеся ранее
простейшими и пассивными «кирпичиками», из которых
построен весь окружающий нас материальный мир, на самом
деле оказались сложенными из еще более мелких,
движущихся с огромными скоростями и обладающих большой
энергией частиц. Многие из этих частиц, несмотря на гигантские
по величине силы взаимного отталкивания, собраны и
удерживаются вместе еще более чудовищными внутриядерными
силами, подобными силе колоссальной пружины.
И хотя происхождение и истинная природа этих
необычных, ранее неизвестных сил еще сколько-нибудь точно и
достоверно не выяснены, ученые все же не только сумели войти
108

в соприкосновение с ними, но и нащупали кое-какие способы
«спустить их с цепи».
Было бы неверно думать, что все эти поиски шли слепо,
без путеводной нити, без теории. Как раз наоборот. Именно
глубочайшие теоретические изыскания каждый раз
подсказывали ученым направление этих поисков, объясняли, почему
именно так, а не иначе протекали или должны были
протекать многие из обнаруживаемых в микромире удивительных
и необычных процессов.
Любая теория или идея, каждое представление о природе
в конечном счете основаны на экспериментальных данных, на
том, что действительно происходит в природе.
В свою очередь, практика, опыт являлись той
питательной средой, в которой вырастали и развивались, а
иногда чахли и отмирали те или иные научные гипотезы
и теории.
Естественно, что, встречаясь с непонятными, порой
противоречащими здравому человеческому смыслу явлениями,
теория иногда заводила и в дебри голого фантазирования,
особенно когда практика ставила теорию в тупик (что
случалось, кстати, не так уж редко). Но именно научная практика
заставляла теорию совершенствоваться, и она же в конце
концов убедительно опровергала и заставляла ученых
отбрасывать в сторону отжившие или слишком скороспелые и
малообоснованные теории.
И как бы нам ни хотелось продолжать дальнейшее
объяснение событий, приведших человека к первым успехам
в высвобождении атомной энергии, привычными понятиями,
образами и сравнениями, — для правильного понимания и
верного представления физических процессов, происходящих
в мире атомных ядер, нам необходимо коснуться и
некоторых вопросов теории, а в связи с этим и вернуться немного
назад, к тому, что мы знаем о частицах, массе, волнах,
электрических зарядах и свете.
ЧАСТИЦЫ-ВОЛНЫ И ВОЛНЫ-ЧАСТИЦЫ
Открытие радиоактивности знаменательно еще и тем, что
дало ученым столько новых данных и фактов, что на их
основе уже можно было создавать более совершенные и
строгие теории строения вещества и, в частности, объяснить
существование огромной энергии, скрытой в недрах ядра атома.
Наличие этой энергии подтверждалось всеми без исключения
опытами, но существование ее не в состоянии была
объяснить старая, так называемая классическая физика.
109

До этого, например, считалось, что энергию можно
передавать двумя совершенно отличными один от другого путями
или в результате движения частиц (корпускул), или посред
ством волн-колебаний, возбуждаемых в определенной
материальной среде.
На первых порах радиоактивное излучение, казалось бы,
подтверждало подобное деление. Альфа-лучи оказались
частицами— заряженными положительно ядрами атомов гелия,
бета-лучи — электронами, отрицательно заряженными
частицами, движущимися с очень большой скоростью. И только
гамма-лучи оказались действительно лучами —
электромагнитными волнами очень короткой длины, еще более короткой,
чем у рентгеновых лучей.
Однако по мере развития физических исследований стало
очевидно, что проводить прежнее деление излучения на
частицы и волны с каждым годом становится все труднее и
труднее. В одних опытах электромагнитные волны со всей
очевидностью ведут себя как частицы, в других, наоборот, частицы
проявляют ярко выраженные волновые свойства.
В силу этого в физике пришлось говорить о дуализме —
двойственности природы частиц и волн.
По представлениям классической физики, частица — это
материальное тело, ограниченное определенным пространством
и обладающее инерцией — способностью как бы
сопротивляться всяким попыткам привести его в движение или изменить
его скорость или направление, если оно движется.
Мерой такой инерции считалась масса частиц. Единицей
массы в системе физических измерений служит грамм.
Одной из наиболее обычных форм энергии является
энергия движения— кинетическая энергия, служащая мерой того,
какой величины силу, на протяжении какого пути надо
приложить к телу, чтобы привести его р движение или
остановить. Чем быстрее движется тело, тем больше его
кинетическая энергия.
По законам классической механики, любое движущееся
тело обладает запасом кинетической энергии, равной
половине произведения его массы на квадрат скорости, по
формуле:
где т означает массу; v — скорость движения гела или
частицы.
В результате очень тонких и точных опытов ученым
удалось определить заряд, а затем и массу такой легкой
частицы, как электрон. Она оказалась равной 9,11 • 10~28г. Но
НО

определить точные размеры электрона или его
местоположение в атоме в любой данный момент оказалось
невозможным.
Дело в том, что в мире столь крошечных, но очень быстро
движущихся частиц любая попытка обнаружить или
измерить их приводит к тому, что частица неминуемо вступает
во взаимодействие с вторгнувшимся в этот мир
измерительным прибором. Под этим термином мы подразумеваем любой
физический способ внешнего воздействия: прибор,
инструмент, вещество, свет, тепло, электрическое и магнитное поля
и т. д.
В результате такого вторжения частица меняет свойства,
порой даже очень резко: скорость, направление движения,
энергию, и прибор покажет не фактические свойства таких
частиц до опыта, а то, что получается в результате их
взаимодействия с измерительным прибором.
В этих случаях, чтобы иметь суждение об истинных
свойствах частиц, необходимо принимать во внимание и их
взаимодействие с прибором^ каким бы сложным и многообразным
оно ни было. И чем точнее удается установить и вычислить
это взаимодействие, чем чаще оно повторяется, тем вернее
мы познаем истинные свойства частиц. Но это очень и очень
условное допущение, позволяющее избежать опасного
туника. Ведь электрический заряд, а следовательно, и его
носитель — электрон до сих пор еще для физики остаются
загадкой. Если представить себе электрон (это относится не
только к электрону, но и к любой другой заряженной
частице) в виде конечной системы, сосредоточенной в пределах
сколь угодно малой области пространства, то естественно
считать, что и его заряд также распределен по этой области.
Но если это так, то почему различные участки заряда,
составляющего частицу, взаимно не отталкиваются и не
приводят к расщеплению частицы на более мелкие части, а те, в
свою очередь, на еще более мелкие доли?
В физике микрочастиц ученым волей-неволей пришлось
выводить какие-то средние, приближенные размеры частиц,
угадывать или предсказывать их положение или свойства,
основанные на большом числе внешних вторжений —
попыток что-то измерить. При этом каждое вторжение застает
частицу в какой-то иной фазе ее истинного положения или
движения. Взятые все вместе, такие вторжения дают только
приближенное представление об истинных свойствах частиц.
Поэтому в тех случаях, где это не приводит ни к каким
более глубоким противоречиям, электрон условно можно
считать материальной точкой, которая, как в геометрии, не
имеет размера.
Ш

ПАРАДОКСЫ ВОЛНОВОГО ДВИЖЕНИЯ
Ударяясь о какое-либо препятствие, неподвижное или
перемещающееся, движущаяся частица отдает ему всю или
часть своей кинетической энергии. На основании
повседневного опыта людей этот процесс можно понять сравнительно
легко. Значительно труднее представить себе передачу
энергии при волновом движении.
Зависимость между числом колебаний в секунду и
длиной волны.
Самый простой вид волнового движения — волны на
поверхности воды. Нам, например, кажется, что после
падения камня в пруд вода с большой скоростью устремляется во
все стороны от центра возмущения. Однако она не затопляет
берегов и не оставляет в месте падения камня зияющей ямы.
Плавающие на поверхности пруда щепки или пробки не
устремляются к берегу вслед за волнами, а попросту
начинают качаться на одном и том же месте—вверх и вниз,
вверх и вниз. Среда, передающая волны, сама вместе с
волной не перемещается, а остается на месте. Перемещается
только возмущение.
Волновое движение тоже имеет свои особенности и
законы. Наиболее важным является его частота, то есть число
112

колебаний в секунду (f). Частота характеризует не среду, в
которой распространяется волна, а только источник
возмущения. При всех обстоятельствах частота волны, проходящей
в какой-либо среде, может быть только такой, какова частота
источника колебаний. Зато скорость распространения волны
целиком зависит от свойств среды и ни в какой мере не
зависит от источника волн. Какова среда, такова и скорость
распределения в ней этого рода волн.
Если частота источника равна / и скорость
распространения волн в данной среде равна v, то длина волны
V
Другим характерным свойством волны является ее
амплитуда (размах), от чего зависит энергия, которую несет волна
при данной скорости ее распространения. Амплитудой волны
называется расстояние от невозмущенного уровня среды,
например от поверхности воды в пруду, до максимальной точки
ее смещения, то есть высоты волны. Вспомните безобидную
рябь на поверхности пруда и могучую силу штормового
прибоя океанских волн.
Так как волны от источника возмущения равномерно
распространяются по всем направлениям (кругами, сферами),
то любая окружность или сфера, все точки которой имеют
одинаковые смещения, называется фронтом волны.
С волновым движением связан целый ряд явлений, общих
для всех волн.
Когда волна или луч, если имеют в виду свет, падает на
гладкую поверхность, то она испытывает отражение, причем
угол отражения равен углу падения волны. Следует
отметить, что отражение может возникнуть не только при
волновом движении. Стальной шарик, упавший на ровную плиту,
отскочит под тем же углом, под каким он первоначально
упал.
Если волна переходит из одной среды в другую, скорость
распространения в которой иная, происходит изменение
направления движения волны (преломление луча света).
Когда две волны одинаковой длины и амплитуды, но
противоположные по фазе накладываются друг на друга таким
образом, что гребень одной из них приходится на впадину
другой, волны взаимно уничтожаются — гасятся.
Если же гребни и впадины накладывающихся волн
совпадают по фазе, волны усиливаются — удваиваются по
амплитуде. Такое явление называется интерференцией волн, и оно
характерно только для волнового движения.
Волновой процесс таит в себе и некоторые существенные
различия и тонкости. Например, волны могут отличаться тем,
Энергия атома
113

в каком направлении происходит смещение частиц среды,
в которой они распространяются (воздуха, воды, твердого
вещества и т. д.).
В звуковых волнах колебания молекул воздуха
происходят вдоль направления распространения волны. Воздух
последовательно то сжимается, то разрежается. Такая волна
называется продольной. При падении камня в воду возникает
поперечная волна, у которой молекулы воды колеблются
в направлении, перпендикулярном к движению волны.
Помимо поперечных волн, в воде могут возникать и
продольные звуковые волны.
КАК ВОЗНИКАЮТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
Мы знаем, что тела, заряженные разноименным
электричеством, притягиваются одно к другому, а заряженные
одинаковым электричеством отталкиваются.
Благодаря своей наглядности, легко проверяемой в
опытах, это свойство заряженных тел стало настолько
привычным и самоочевидным, что, пожалуй, никогда и ни у кого не
вызывало каких-либо сомнений.
Важнейшим фактом, касающимся взаимодействия
электрических зарядов, является то, что если изменить
расстояние между зарядами, сдвинув или переместив один из них,
Если сдвинуть или переместить в пространстве один
электрический заряд, то другой заряд отзовется на
происшедшие изменения не в тот же самый момент, а
лишь спустя время, которое требуется свету, чтобы
пройти расстояние между этими двумя зарядами.

Ulllii I
/ НАПРАВЛЕНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ /
/ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН р
* J ■ ■ iHHin/i i—i I iitil 1 III» nu»4
l~J
В результате перемещения зарядов в
пространстве возникают и
распространяются во все стороны со скоростью
света электромагнитные волны.
то другой заряд отзовется на происшедшее изменение не
в тот самый момент, когда был тронут первый заряд, а лишь
спустя время, которое требуется свету, чтобы пройти
расстояние между этими двумя зарядами.
Известный английский ученый Джемс Максвелл сделал
предположение, что вокруг движущихся зарядов возникает
переменное электромагнитное поле, которое со скоростью
света распространяется во все стороны в виде
электромагнитных волн. Максвелл доказал, что видимый нами свет
представляет собой очень узкий участок электромагнитных
колебаний чрезвычайно высокой частоты, то есть связал
между собой электрические и световые явления.
Такими же, как и свет, электромагнитными колебаниями
являются радиоволны, невидимый ультрафиолетовый и
инфракрасный свет, рентгеновы и гамма-лучи, испускаемые
радиоактивными веществами.
ЧТО ТАКОЕ СВЕТ?
В 1899 году знаменитый русский физик, профессор
Московского университета П. Н. Лебедев осуществил серию
блестящих опытов, которыми доказал, что свет оказывает
давление на все вещества, на которые падает, и точно измерил
величину этого давления.
Тонкая и очень легкая металлическая пластинка,
установленная на пути распространения луча света, под действием
8*
115

Место, занимаемое радиоволнами,
рентгеновыми и гамма-лучами среди
электромагнитных колебаний, существующих
в природе.
светового давления несколько смещалась. В яркий день
давление света на 1 м2 поверхности достигает 0,00047 г.
Этот эксперимент, приводя к неопровержимому выводу,
что световой поток обладает массой, был еще одним блестя-
116

В результате блестящих опытов
П. Н Лебедева было
экспериментально подтверждено, что свет
оказывает давление, которое
может быть точно измерено.
Оказывая давление, свет, следовательно,
обладает и массой.
щим подтверждением правильности материалистического
воззрения на природу различных физических явлений.
Недаром реакционные философы встретили этот вывод
в штыки.
Конечно, понятия «материя» и «масса» ни в коей мере не
тождественны, и, следовательно, никак нельзя сводить
материальность какого-либо объекта только к наличию у него
свойств массы.
Поэтому эксперимент П. Н. Лебедева дал еще одно новое,
весьма важное научное доказательство неразрывности
материи и движения в форме вполне осязаемой и закономерной
связи между массой и энергией света.
Это позволило ученым сделать единственно правильный
вывод, что свет есть одна из форм движущейся материи, то
есть, что весь материальный мир — движущаяся материя --
существует в двух основных взаимно связанных формах:
в форме движущихся частиц вещества и в форме света.
Однако одно дело — прийти к выводу, что свет является
одной из форм движущейся материи, и совсем другое —
суметь это экспериментально доказать.
ЧАСТИЦЫ СВЕТА — ФОТОНЫ
Хотя поведение света, рентгеновых и гамма-лучей в
обычных условиях, кдзалось, убедительно свидетельствовало об
их волновой природе, тем не менее наблюдался целый ряд
явлений, которые теорией волнового процесса никак не
объяснялись. Их можно было объяснить только в том случае,
если предположить, что волнам, по крайней мере при их
взаимодействии с веществом, присущи свойства дискретных
частиц (то есть частиц, имеющих определенную, конечную
величину).
Одно из них связано с так называемым
фотоэлектрическим эффектом. Суть его заключается в том, что, если ме-
117

Схема, объясняющая фотоэлектрическое действие света (выбивание
электронов). Фотон, обладающий определенной порцией энергии
(2 = hv), расходует всю или некоторую строго кратную часть этой
энергии на работу Е по выбиванию электрона из атома. Выбитый
электрон приобретает кинетическую энергию, равную разности
между энергией постороннего кванта и энергией, затраченной на
перемещение выбитого электрона (2 — Е). Если же величина энергии
постороннего кванта 2 меньше величины £, то электрон не
расстается с атомом и фотоэффекта наблюдаться не будет.
таллическую пластинку осветить ультрафиолетовыми или
рентгеновыми лучами, она начинает испускать электроны,
кинетическая энергия которых зависит от частоты освещающих
пластинку лучей, но не зависит от интенсивности падающего
на нее света. Последняя влияет только на количество
испускаемых в единицу времени электронов.
Другое явление такого же порядка — это знаменитый
опыт А. Комптона. Суть его такова: тонкий пучок
рентгеновых лучей направляется на кусок угля и рассеивается им во
все стороны. Вокруг куска угля перемещается рентгеновский
спектрограф — аппарат, обнаруживающий рентгеновы лучи,
отраженные от угля. Согласно волновой теории, энергия
рентгеновых лучей должна передаваться электронам атомов
углерода, превращая их в новые центры возбуждения, из которых
затем эти лучи исходят уже как вторичные волны. Такой
процесс, очевидно, может изменить лишь направление отраже*
Ш

ния лучей, но не длину их волн. Измерения же показывают,
что длина волны вторичных, рассеянных лучей совпадает
с длиной волны первичных лучей только при отражении под
углом 0°. Для всех же остальных направлений длина *волны
увеличивается.
Если бы падающее излучение на самом деле
представляло собой только волны, наблюдаемое явление нельзя было
бы объяснить ничем. Комптон же объяснил этот процесс
взаимодействия рентгеновых лучей с электронами тем, что
рентгеновы лучи ведут себя не только как волны, но ы в
определенном отношении как частицы, каждая из которых
обладает определенной энергией и импульсом.
Сталкиваясь с электроном под разными углами,
рентгеновы лучи передают ему и разное количество энергии:
большее при малых углах, меньшее при больших углах.
Таким образом было установлено, что двойственные
свойства волн и частиц можно с равным основанием приписать
не только свету, но также и рентгеновым и гамма-лучам.
В 1901 году известный немецкий физик профессор Макс
Планк предложил теорию, согласно которой в процессе
физических преобразований и взаимодействия атомов вещества
энергия выделяется и поглощается не непрерывным, сплош-
Знаменитый опыт А Комптона. Длина волны рентгеновых лучей,
рассеиваемых атомами вещества, оказывается различной в зависимости
от угла отражения этих лучей (длина волны увеличивается по мере
увеличения этого угла).

ным потоком, а как бы концентрируется в мелкие порции.
Иными словами, Планк высказал предположение о
существовании своеобразного атома энергии.
В 1905 году знаменитый немецкий физик Альберт
Эйнштейн установил, что свет может поглощаться только
определенными порциями и что явление, носящее название
фотоэлектрического эффекта, лучше всего можно объяснить,
допустив, что световые волны поглощаются только порциями
определенных размеров.
Следовательно, поглощение света различными
веществами, излучение света атомами возбужденного, например
нагретого до свечения, вещества происходит строго
определенными порциями. Эта порция энергии позднее получила
название квант.
Мерой энергии кванта Планк считал величину,
получаемую по формуле:
Е = ftv,
где Е— энергия кванта в эргах; v—частота колебаний
источника излучения; h—некоторая постоянная величина, равная
6,62-10~27 эрг*сек — «постоянная Планка».
Из этого простого выражения следует, что, чем выше
частота электромагнитного излучения, то есть чем короче длина
его волны, тем большую энергию несет с собой каждый квант
этого излучения.
Однако поглощаться и излучаться энергия будет лишь
тогда, когда она достигает строго определенной, присущей
только данному физическому процессу величины,
соответствующей целому числу квантов. А это, в свою очередь,
означает, что энергия кванта ультрафиолетового света
значительно выше энергии кванта инфракрасного; энергия
рентгеновых лучей выше, чем у видимых, световых; энергия гамма-
лучей выше, чем у рентгеновых, и т. д.
В свое время ядерная модель атома позволила
«разложить по полочкам» — объяснить и систематизировать
огромное количество накопившихся достоверных
экспериментальных данных и дать им вполне убедительное теоретическое
толкование. Но почти тотчас же физики столкнулись,
пожалуй, с первым, наиболее серьезным затруднением, грозящим
опрокинуть воздвигаемое здание новой физики. Ядерная
модель неожиданно оказалась в резком противоречии и с
фундаментальными законами и фактами механики, и с учением
об электричестве.
Электрон — частица заряженная. При вращении по
замкнутой орбите вокруг ядра он непрерывно меняет
направление своего движения, то есть движется не прямолинейно и
120

Сложная ^ зависимость между энергией фотона, длиной электро-
магнитной волны, свойственной этому фотону, и массой,
соответствующей этой энергии.
не равномерно. А раз так, то всякий движущийся ускоренно
(или колеблющийся) электрический заряд должен
непрерывно излучать электромагнитные (световые) волны и тем
самым непрерывно терять энергию. Эта энергия в конце
концов должна истощиться (и довольно быстро — за
миллиардную долю секунды), а электрон упасть на ядро. Однако он
никакой энергии не теряет и на ядро не падает.
Позднее (в 1913 году), учитывая это, да и некоторые
другие возникшие противоречия, Нильс Бор предположил, что
электрон может вращаться вокруг ядра только по строго
установленным орбитам, каждая из которых соответствует
вполне определенному уровню энергии атома. В этом случае
никакого излучения света атомом, а следовательно, и потери
им энергии не возникает. Он будет излучать свет лишь тогдц,
когда один из его электронов перескочит с более удаленной
орбиты на более близкую к ядру. При этом энергия атома
сразу уменьшится на целую, строго определенную величину,
которую и уносит с собой квант света. И наоборот, когда
атом получает откуда-то извне излишнее для него количество
энергии (тоже не меньше строго определенной порции —
121

кванта), один из его электронов переходит с более близкой
орбиты на более удаленную.
Это может произойти при столкновении атома с
посторонним быстро движущимся электроном, другим атомом или
частицей. Однако, чтобы это произошло, посторонняя частица
должна обладать энергией, достаточной для перебрасывания
электронов атома с более близкой к ядру — нормальной для
него орбиты, на последующую или даже сразу через
несколько орбит. Может случиться даже так, что этой внешней
энергии окажется достаточно, чтобы электрон и вовсе покинул
атом. Тогда вместо нейтрального атома образуются две
разноименно заряженные частицы — свободный электрон и
тяжелый, положительно заряженный ион.
Например, атомы какого-либо газа под действием
проходящего сквозь него электрического тока, поглотив по кванту
энергии строго определенной величины, зависящей от
физических свойств атомов именно этого вещества, приходят в
состояние повышенной энергии (возбужденное состояние).
Один из его электронов при этом перескочит с близкой
к ядру орбиты на более удаленную, однако находиться в
таком возбужденном состоянии сколько-нибудь длительное
время атомы не могут: электрон тотчас же возвращается в
нормальное состояние (перепрыгивает на прежнюю, более
близкую к ядру атома орбиту). При'этом атом излучает
высвобождающийся вследствие этого избыток своей энергии в виде
кванта света или же передает эту энергию другому
электрону.
Это может быть последовательное испускание нескольких
Квантов энергии какой-то одной величины или сразу одного
кванта, кратного энергии нескольких квантов — в два, три
раза большей.
Именно от этого зависит распределение различных линий
в спектре светового излучения данного газа.
Если речь идет о видимом свете, то это излучение может
восприниматься нашим глазом, например, как кванты
красного света (более длинные волны) или как кванты с вдвое
большей энергией — фиолетового света (более короткие
волны). Естественно, что кванты других «цветов» с энергией
меньше красного света (инфракрасные лучи) или
ультрафиолетовые, рентгеновы и гамма-лучи наш глаз не
воспринимает.
Чем ближе электрон находится к ядру атома, тем сильнее
он с ним связан, тем больше энергии надо затратить, чтобы
вырвать электрон из состава атома или перевести его на
удаленную от ядра орбиту. Зато, возвращаясь обратно на
прежний уровень, электрон выделяет квант света, обладающий
122

большей энергией, чем при возвращении на другую, более
удаленную от ядра орбиту.
Поскольку свет ведет себя и как частица и как волна, ча-
стицу света позднее стали называть фотоном.
С принципиальной точки зрения разница между фотоном
и другими частицами вещества не столь уже существенна.
Просто частицы имеют массу (с эквивалентной ей энергией),
а фотон массы не имеет. Тем не менее он вполне материален,
представляя собой некий сгусток энергии.
В результате всего последующего развития теоретических,
а самое главное, экспериментальных исследований в 1925
году известным французским физиком Луи де Бройлем было
сформулировано буквально носившееся уже в воздухе
предположение, что каждая частица, имеющая определенную
скорость, а следовательно, и количество движения (импульс),
характеризуется еще и волной. Более того, он вывел
формулу, согласно которой эквивалентная длина волны для
движущейся частицы равна
то '
где h — та же постоянная Планка; т — масса; v — скорость
частицы.
Это теоретическое предположение было затем
подтверждено и лабораторными опытами. Электронный пучок,
направленный на поверхность кристалла или тонкую металлическую
фольгу, ведет себя так же, как рентгеновы лучи или лучи
света. Аналогичные свойства наблюдались и у других
частиц: атомов водорода, гелия и неона, а в самое последнее
время — у нейтронов. Чем выше скорость движения частиц
или больше их масса, тем короче длина соответствующей им
волны, то есть законы микромира -— законы волновые.
Выявилось, однако, и другое очень важное обстоятельство,
свидетельствующее о безграничном разнообразии явлений
природы.
Предсказанные Луи де Бройлем «волны материи»,
связанные с движущейся частицей, не являются
электромагнитными волнами, такими, как рентгеновы или гамма-лучи, хотя
они могут иметь сходные с ними свойства (преломление, диф-
фракция, интерференция и т. п.).
ВЕЛИКИЙ ЗАКОН
Но вернемся снова назад. В том же, 1905 году Эйнштейн
совершил еще более крупное открытие, коренным образом
изменившее представление о природе вещества.
123

Это было, собственно говоря, даже не какое-то единичное
открытие, а целая фундаментальная теория, вошедшая в
науку под названием теории относительности.
Одним из важнейших выводов этой теории было то, что
никакое тело не может двигаться в вакууме со скоростью,
превышающей скорость света.
Толчком для ее разработки явились опыты, проведенные
еще-в 1900 году, благодаря которым было бесспорно
установлено, что масса движущегося электрона отличается от массы
электрона, находящегося в покое, и увеличивается по мере
увеличения скорости движения.
Это утверждение шло вразрез с господствовавшим ранее
основным законом механики Ньютона, что масса тела не
зависит от скорости, и, следовательно, любое дополнительное
усилие, приложенное к движущемуся телу, должно
пропорционально увеличивать его скорость. Например, снаряд,
вылетающий из ствола орудия со скоростью 1000 м/сек,
приобретает скорость 1300 м, если пушка установлена на самолете,
летящем со скоростью 300 м/сек, и стреляет вперед, а при
стрельбе в обратном направлении скорость снаряда
становится равной лишь 700 м/сек, то есть скорость полета
снаряда складывается со скоростью движения самолета или
вычитается из нее.
Классическая механика считала, что постоянная сила,
действующая на массу какого-либо тела, будет непрерывно
увеличивать скорость движения этого тела, которое в
конце концов достигнет скорости света и может даже
превзойти ее.
Теория же относительности утверждает, что это
невозможно, так как следует различать две совершенно различные
массы: массу покоя т0 и массу т, соответствующую скорости
движения данного тела.
Для малых скоростей v масса т практически равна массе
покоя Шо, однако, если скорость приближается к скорости
света, масса га начинает быстро расти.
Так при скорости 282 100 км/сек масса электрона почти
утраивается (2,957 раза); при 299 400 км/сек масса
электрона увеличивается в 20,58 раза.
Таким образом, действие силы приводит к такому
увеличению массы движущегося тела, что скорость его всегда
остается меньше скорости света.
Масса и энергия взаимосвязаны. Каждое материальное
тело, будь то вещество или свет, обладая массой, обладает
и пропорциональной этой массе энергией, и, наоборот,
каждое материальное тело, обладающее энергией, обладает и
пропорциональной ей массой.
124

ЕСЛИ УСКОРИТЬ
ЭЛЕКТРОН ДО
ЭНЕРГИИ
ЕГО СКОРОСТЬ
БУДЕТ
РАВНА
У 18 720км/£ен
_ III V
+ I tP 000 эв
J^lllpe^' *>58 470KM/ceH
МАССА
ЕГО УВЕЛИ-1
ЧИТСЯ
^168200к%:ек
2В> ,282100км/се7^
1,002
i
1, 020
ц
1,190
_ „ &~& 298 500к%ен
\\^^> . —
?;'>^х -f I8000 ооо
>.
Э3> 299200км/сен^>
*•■"*
10,М(1
20,580
t°c

ВЕЩЕСТВА
БУДЕТ
10
10
10
и
10
Так изменяется масса электрона в зависимости от скорости его
движения.
Опираясь на эти выводы, а также на работы П. Н.
Лебедева о световом давлении, Эйнштейн вывел замечательное
соотношение, связывающее массу и физическую меру ее
движения — энергию.
Раньше это соотношение для света вывел С. И. Вавилов.
Это положение, ставшее с тех пор важнейшим основным
законом современной физики, математически выражается
следующей формулой:
Е = т0С2,
где Е — энергия, выраженная в эргах, т0 — масса
покоящегося тела в граммах; с — скорость света в сантиметрах в
секунду.
Таким образом, если масса покоя вещества выражена
в граммах, то количество неразрывно связанной с ней энер-
125

гии, выраженной в эргах, равно числу граммов,
умноженному на величину квадрата скорости света в сантиметрах.
Поскольку свет, а следовательно, и квант электромагнитного
излучения имеет массу, он обладает и пропорциональной
этой массе энергией.
Если возбужденный атом излучает квант света (фотон), то
вместе с энергией он теряет и определенную массу: эту массу
уносит фотон. До излучения это была масса некоторой части
электромагнитного поля зарядов атома, а после излучения
она стала массой фотона, который может распространяться
только со скоростью света.
Следует, однако, различать энергию, взаимосвязанную
с массой, и энергию движения атомных частиц. Энергию,
взаимосвязанную с массой, можно представить себе как
собственную энергию — энергию «бытия» материи. Вещество
обладает запасом энергии уже благодаря самому своему
существованию. В этом смысле материальная частица есть не
что иное, как сконцентрированный и локализованный в
пространстве сгусток энергии, пропорциональный массе
покоящейся частицы. Если эта частица к тому же и движется, то
она приобретает еще дополнительную энергию —
кинетическую, но в данном случае не за счет своих внутренних
ресурсов, а за счет энергии того внешнего источника, который
привел эту частицу в движение. У частицы, лишенной массы,
например у фотона, имеется только энергия движения, но нет
собственной, связанной с массой энергии.
Здесь следует особо подчеркнуть, что никакого
превращения материи в энергию и обратного превращения энергии
в материю, как это пытаются представить себе некоторые
буржуазные физики, делая неправильные выводы из работы
Эйнштейна, никогда не происходит и не может быть.
Энергия немыслима в отрыве от материи и может
существовать только там, где существует материя; следовательно,
движение и энергия существуют только как движение и
энергия материи.
Несколько позднее Эйнштейн высказал предположение,
что явление радиоактивности, благодаря тому что оно
сопровождается выделением больших количеств энергии, дает
возможность, если надлежащим образом осуществить опыты,
практически проверить выведенное им соотношение между
массой и энергией. В частности, он писал:
«Масса тела есть мера содержания энергии в этом теле;
если энергия изменяется на величину 4, то масса изменяется
4
в том же направлении на величину ^, причем энергия
измеряется в эргах, а масса — в граммах. Не исключена воз-
126

При нагревании 1 т воды
на 100° ее масса
увеличивается на 5 миллионных
долей грамма.
можность того, что проверка теории может удаться для тел,
у которых содержание энергии в высшей степени изменчиво
(например, у солей радия)».
ЧТО ТАКОЕ „ДЕФЕКТ МАССЫ"?
Применение формулы Эйнштейна к рассматриваемым
нами вопросам окончательно проливает свет на все ранее
высказывавшиеся догадки ученых об огромных запасах
энергии, скрытых в недрах атома и связанных с движением
составляющих его элементарных частиц.
Если в ходе какой-либо ядерной реакции происходит
некоторое уменьшение массы вещества, это неминуемо
сопровождается высвобождением (излучением) большого
количества энергии.
Почему же тогда мы не замечаем в обычных условиях
увеличения или уменьшения массы какого-либо тела, энергия
которого заметно увеличивается или уменьшается, например,
при его сильном нагревании или охлаждении? Секрет здесь
прост.
Допустим, мы нагрели тонну воды на 100°. Тогда скорость
движения молекул воды вследствие повышения температуры
резко увеличится. За счет энергии, приобретенной при
нагревании, жидкость станет тяжелее примерно на 5 миллионных
долей грамма (точнее, на 4,65- 10~6 г). Обнаружить такую
прибавку массы практически невозможно.
В мире атомных частиц мы имеем дело с совершенно
другими скоростями движения частиц, в тысячи раз
превышающими скорости движения молекул при нагревании
вещества. Например, бета-частица (электрон), вылетающая из
ядра атома при его распаде, может иметь скорость, достигаю-
127

щую 248 тысяч километров в секунду. При такой скорости
энергия электрона увеличивается столь существенно, что этот
прирост энергии будет сопровождаться увеличением массы
электрона примерно в 1,78 раза.
Этот факт блестяще подтвердился, когда начали работать
современные мощные ускорители заряженных частиц.
Если бы всей энергией, которую будет вырабатывать за
год одна из волжских гидроэлектростанций, зарядить
фантастическую аккумуляторную батарею, то она потяжелела бы
всего на 400 г!
Если взять некоторое количество вещества, например,
равное 1 г, то энергия, заключенная в этом веществе и
взаимосвязанная с его массой, вычисленная по формуле Эйнштейна,
должна равняться массе, умноженной на квадрат скорости
света, то есть
Е= т.с2 = 1 (3 • 1010) (3 101") = 9 • \020эрг.
Напомним, эрг — исключительно маленькая величина и
является мерой работы, затрачиваемой на перемещение тела
на 1 см под воздействием силы в 1 дину.
Она настолько мала, что единица меры обычной
электрической энергии — киловатт-час равен приблизительно
3,6-1013 эрг. Тем не менее полученное нами по
вышеприведенной формуле количество энергии, заключенной в 1 г
вещества, если бы его масса целиком перешла в фотоны
излучения, все же столь велико, что равняется ни больше ни
Если бы энергию, вырабатываемую одной из волжских
гидроэлектростанций за год, можно было превратить в эквивалентную ей
массу, то она весила бы.. 400 г\

При каких условиях энергии затрачивается меньше, чем
освобождается (слева), и больше, чем получается (справа).
меньше как 25 миллионам киловатт-часов! Эта энергия равна
выработке большой электростанции в течение года.
1 кг вещества, все равно какого — будь то уголь, камень
или пух, — мог бы теоретически высвободить энергию,
равную 25 миллиардам киловатт-часов, тогда как сжигание
такого же количества угля в обычной печи дает только 8,5 квт-ч.
Разница весьма ощутимая — примерно в 3 миллиарда раз.
Однако из этих подсчетов отнюдь не следует, что
человечеству когда-либо удастся высвободить всю энергию,
скрытую в веществе.
Ведь для того, чтобы преодолеть силы, связывающие
частицы ядра атома, надо сперва затратить какое-то
количество энергии от внешнего источника. Только тогда
распадающееся или перестраивающееся ядро атома, потеряв
некоторые частицы, выделит связанное с ними количество энергии.
При этом масса ядра, выделившего энергию, оказывается
меньше массы первоначального (не возбужденного) ядра и
потерянной частицы.
Она, естественно, тем больше, чем больше было выделено
энергии при образовании нового ядра, вернее, чем ближе
оказываются при этом сдвинуты один к другому оставшиеся
в ядре нуклоны, говоря другими словами, чем плотнее
станет их упаковка.
Наиболее плотно «упакованы» ядра атомов, расположен-
Энергия атома
129

ные в середине периодической системы элементов Д. И.
Менделеева— примерно от кремния-14 до олова-50. Получается,
что не во всех случаях элементарные частицы связаны в
атомах вещества так, что разница в энергии, выделяющейся
три распаде ядра атома или его перестройке, больше
энергии, затрачиваемой на его разрушение.
Следовательно, для получения энергии целесообразно
разрушать или перестраивать ядра атомов только таких
элементов, у которых затрата энергии на разрушение меньше
высвобождаемой энергии.
С точки зрения ядерной физики, мы живем в мире как
бы бесконечно огромного количества самых разнообразных
по форме, туго закрученных в процессе своего образования
пружин, каждая из которых может быть при известных
условиях спущена и, развертываясь, совершит работу, выделяя
скрытую в ней энергию. Очевидно, что, раз пружины можно
раскручивать, можно попытаться их и закручивать
искусственным путем. Пока что человек заинтересован
раскручивать — спускать с защелок — эти пружины, предварительно
найдя среди них такие, на спуск которых пришлось бы
затрачивать как можно меньше энергии. А еще лучше, если бы
удалось, спустив маленькую пружинку, сбить защелки с
какой-то другой, очень большой пружины.
Начнем с самой большой из пока известных нам
«пружин», хотя, как мы уже знаем, первой спустить человеку
удалось малую «пружину». Мы уже немного касались ее
происхождения, когда говорили о знаменитых опытах Кокрофта
и Уолтона.
Ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух
нейтронов. Чтобы разделить такое ядро на отдельные
элементарные частицы, надо преодолеть огромные силы
притяжения, которые удерживают эти частицы в нем вместе и
действуют только на расстоянии, равном примерно двум
диаметрам ядра. Для этого, естественно, необходимо затратить
весьма большое количество энергии. Например, попасть в
ядро гелия какой-либо тяжелой, разогнанной до огромной
скорости частицей. Как только частицы разбиваемого ядра
гелия разойдутся на расстояние, большее двух диаметров
ядра, действие внутриядерных сил прекратится и вступит
в силу отталкивающее действие двух заряженных протонов,
которые и разлетятся в разные стороны с не менее огромной
энергией. С этого момента делящееся ядро будет уже не
поглощать энергию, а выделять ее.
Логично предположить, что при соединении этих частиц
обратно в ядро атома гелия сначала надо будет преодолеть
очень сильное отталкивающее действие двух положительных
130

На протоны, входящие в ядро атома, действуют двоякие силы: силы
отталкивания их положительных электрических зарядов и более
мощные внутриядерные силы, сжимающие и удерживающие
протоны вместе. Действие первых сил начинается на далеких
расстояниях, действие внутриядерных сил простирается не дальше двух
диаметров ядра атома.
зарядов протонов и только потом, когда частицы попадут
в сферу действия ядерных сил притяжения, они будут сжаты
еще больше, и их масса уменьшится, что будет
сопровождаться уже выделением энергии. Конечно, эта энергия не
будет выделяться в виде какого-то невесомого и
нематериального вещества. Это будут вполне реальные кванты
излучения чрезвычайно высокой энергии, излишние в атоме гелия
электроны и позитроны, а также другие частицы и
излучения.
Такое уменьшение массы вещества при выделении энергии
называется дефектом массы.
Проверим эту не во всем точную, но более или менее
наглядную картину изменения массы и энергии вещества при
перестройке ядерных частиц на сугубо условном примере
образования ядра гелия (гНе4) из двух протонов и двух
нейтронов.
Сумма масс протонов и нейтронов, из которых
образуется ядро гелия, будет равняться:
2 протона X 1,0076 + 2 нейтрона X 1,0089 = 4,033 атомной
единицы массы.
Масса же ядра атома гелия, уже когда-то ранее
сложенного из таких же частиц и измеренная современными
методами очень точно равна (за вычетом массы двух электронов)
9*
131

всего 4,003 атомной единицы массы, то есть на 0,03 атомной
единицы массы меньше. В пересчете этой величины на
весовые единицы, при образовании 1 грамм-атома гелия
(количества вещества, вес которого в граммах численно равен
атомному весу химического элемента, то есть 4 г) дефект
массы составит 0,03 г. По формуле взаимосвязи массы и
энергии это уменьшение будет сопровождаться выделением
энергии в количестве:
Е=тс2 =0,03(3 • 1010)2 - 2,7 • 1019 эрг,
или свыше 750 тысяч киловатт-часов!
При слиянии двух протонов и двух нейтронов в ядро атома гелия
неожиданно исчезает масса, равная 0,03 атомной единицы массы.
Такое исчезновение массы должно сопровождаться выделением
значительного количества энергии.
Если бы электростанция мощностью 100 тысяч киловатт
работала не на угле, а на протонах и нейтронах,
складываемых вместе в ядро гелия, то в сутки она затратила бы на
свою работу всего 12,8 г такого горючего, а в год около
4,5 кг. Столь большое количество энергии можно было бы
получить другим путем, сжигая примерно 500 тысяч тонн
каменного угля!
Таким образом, соединение нескольких отдельно взятых
частиц в ядро атома с выделением столь большого
количества энергии является весьма сложным процессом и
существенно отличается от простого сложения протонов и
нейтронов. Происходит глубокая и качественная перестройка
материи.
Пересчитав таким же образом массу ядер атомов других
элементов, можно убедиться, что она всегда меньше суммы
масс отдельных протонов и нейтронов, из которых сложено
то или иное ядро.
Дефект массы наблюдается и играет большую роль не
только при соединении протонов и нейтронов в ядра атома,
132

но и в тех случаях, когда ядро одного тяжелого элемента
делится на два более легких элемента.
Энергия, необходимая для образования ядра какого-либо
химического элемента из протонов и нейтронов, называется
энергией связи ядра.
ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ ЯДРА АТОМА
В рассмотренном нами абстрактном случае образования
ядра атома гелия из двух протонов и двух нейтронов
выделяющаяся энергия, то есть энергия связи ядра в пересчете
на электронвольты, равняется 28 Мэв.
А так как атомное ядро складывается из нескольких
ядерных частиц (когда не надо точно указывать, какая это
частица, их называют нуклонами), то на долю каждого
нуклона приходится лишь часть полной энергии.
Часть энергии, приходящаяся на один нуклон, называется
средней энергией связи ядра. Для ядра гелия, состоящего из
четырех нуклонов, она будет равняться 28:4 = 7,0 Мэв на
нуклон.
В уже упоминавшемся ранее опыте (Кокрофта и Уол-
тона) соединения протона с атомом лития и образования из
них двух альфа-частиц выделялась энергия, равная 17,2 Мэв
(приблизительно по 8,5 Мэв на каждый нуклон плюс
0,125 Мэв — энергия бомбардирующего протона).
Кривая, показывающая энергию связи, приходящуюся на один нуклон,
для различных элементов периодической таблицы Д. И. Менделеева.

Таким образом можно вычислить как полную, так и
среднюю энергию связи ядра любого химического элемента
периодической системы Д. И Менделеева. Данные о средней
энергии связи приведены на графике на странице 133.
По горизонтальной оси показан атомный вес элемента
(массовое число), а по вертикальной — средняя энергия
связи ядра в миллионах электронвольт, приходящихся на
один нуклон
Этот небольшой график объясняет многое из того, что
было непонятно в физике ядра атома.
Во-первых, он позволяет точно установить, в каких
случаях эта энергия могла бы быть высвобождена и в каких нет
Во-вторых, какое количество энергии может быть
высвобождено при делении и какое при соединении (синтезе) ядер,
то есть какие ядра надо соединять и какие делить, чтобы
получить энергию.
Некоторое время после открытия способа высвобождения
внутриядерной энергии, а иногда и теперь можно слышать
высказывания о том, что в веществе любого камня,
валяющегося на дороге, или горсти песка скрыта огромная энергия,
которую со временем люди научатся высвобождать и
использовать Такие более чем оптимистические предположения
исходили из неверного понимания знаменитого соотношения
Эйнштейна о взаимосвязи массы и энергии Е = тс2у согласно
которому при высвобождении энергии в процессе ядерных
реакций деления или синтезу уменьшается масса исходных
ядер, вступающих в такие реакции
Отсюда и делались два вывода Первый: если бы вся
масса вещества, вступающего в реакцию, превратилась
в энергию, то каждый грамм вещества давал бы 25
миллионов киловатт-часов энергии; второй: раз массой обладает
любое вещество, то обратить в энергию можно тоже любое
вещество, в том числе и придорожный камень
Ошибка этих утверждений заключается в том, что энергия
может исчезать или уноситься только с какой-либо
элементарной частицей или квантом излучения, а чтобы разлететься,
эти частицы должны обладать определенной энергией.
Из графика видно, что самая большая величина средней
энергии связи, равная примерно 8,6 Мэв, приходится на
нуклоны ядер атомов химических элементов, находящихся
почти в самой середине таблицы Д. И Менделеева. Дели,
складывай эти ядра в любой комбинации, количество
энергии, затрачиваемой на подобные операции, будет равняться
количеству высвобождаемой энергии Следовательно,
никакой пользы для практических целей от такой операции
получить невозможно.
134

Энергия сначала поглощается, а затем высвобождается при условии
складывания ядра атома гелия из двух ядер атомов дейтерия.
Зато элементы, находящиеся на участках кривой в самом
ее начале и в самом конце, отличаются значительными
колебаниями средней энергии связи, приходящейся на один
нуклон. Здесь можно подобрать такие комбинации ядерных
реакций, при которых можно получить значительный выигрыш
энергии.
Рассмотрим три конкретных примера:
1. Что произойдет при образовании ядра атома гелия из
двух ядер атомов тяжелого водорода iH2 (дейтерия)?
Полная энергия связи ядра гелия, состоящего из четырех
нуклонов, равна 28 Мэв.
Полная энергия связи ядра дейтерия, состоящего из двух
нуклонов, согласно кривой, равна 2-1,09 = 2,18 Мэв.
Таким образом, при образовании ядра гелия из двух ядер
дейтерия высвобождается энергия, образующаяся от
разности между энергией связи ядра гелия и энергией связи двух
ядер дейтерия:
28— (2-2,18) =23,64 Мэв.
Эта энергия является самой большой, какую возможно
было бы получить при сложении легких ядер в более
тяжелые.
Это и понятно. Если нуклонов мало, их трудно
расположить так, чтобы они заняли выгодный, то есть наиболее
плотный, объем — сферу. Образованная ими фигура, как
135

235,0 Мэв
Столько энергии высвобождается при делении ядра атома тяжелого
элемента — урана-235 — условно на два осколка с атомным весом
117—118 каждый
их ни укладывай, будет или вытянутой (например,
дейтрон, состоящий всего из двух нуклонов), или угловатой
(тритон). Чтобы образовать фигуру, как можно более
близкую к сфере, нужно располагать сравнительно большим
числом нуклонов.
Следовательно, соединив четыре нуклона, можно получить
и несколько более плотную их упаковку в ядре. Среднее
расстояние между ними уменьшится, благодаря чему и
выделится соответствующее количество энергии.
Посмотрим, какое количество энергии можно было бы
высвободить при образовании 1 кг гелия.
В грамм-атоме гелия (гНе4) содержится 6,02-1023 атомов
(число Авогадро) гелия. Следовательно, в килограмме гелия
всего имеется
6,0241023 1000= 1,505 • 1026 атомов.
При сложении 1 кг гелия из ядер дейтерия высвободится
энергия, равная
1,505 . 1026 • 23,64 = 35,6 . 1026 Мэв, или 1,36 • 1014 калорий.
Чтобы получить такое количество энергии другим путем,
надо, например, сжечь 13 600 т бензина.
136

2. Что произойдет при делении ядра тяжелого элемента —
урана-235 — на два осколка?
Тяжелые ядра, так же как и самые легкие, упакованы
менее плотно, чем средние по массе. Здесь сказывается
действие большого числа протонов, стремящихся благодаря их
одинаковому электрическому заряду оттолкнуться один от
другого. Тяжелые ядра не только упакованы менее плотно,
но и содержат относительно большее, по сравнению с числом
протонов, количество нейтронов, чем средние. При делении
тяжелого ядра нуклоны, распределившись на два средних по
массе ядра, упаковываются уже плотнее, чем раньше.
Атомный вес урана-235 равен 235,118, а масса нейтро:
на —1,009. Таким образом, масса участвующих в реакции
частиц составляет 236,127 атомной единицы массы.
При делении ядро атома урана-235 расщепляется
различными путями, но получающиеся продукты деления чаще
всего имеют массовые числа 95 и 139. Сумма этих чисел
вместо 236,127 дает только 234, так как в процессе деления
всегда высвобождается несколько нейтронов. Атомные веса
устойчивых изотопов молибдена-95 и лантана-139 равны
соответственно 94,936 и 138,960. Если к этим весам
прибавить 2,018 — массу двух свободных нейтронов, то получим
полную массу 235,904. Масса, которая исчезает при таком
делении, равна 236,127—235,904 = 0,223 атомной единицы
массы. Если эту величину умножить на 931 миллион элек-
тронвольт (энергия, соответствующая 1 атомной единице
массы), то в результате деления высвободится энергия,
равная 0,223 . 931 = 208 миллионам электронвольт.
Приблизительно этот же результат мы можем получить,
если будем исходить из средней энергии связи ядерных
частиц.
Атомный вес каждого из осколков условно будем считать
равным примерно 235:2=118 атомным единицам массы
элементов, находящихся в средней части таблицы Д. И.
Менделеева с самой высокой величиной связи на один нуклон,
равной 8,6 Мэв.
Полная энергия связи ядра урана-235, в которой
находится 235 нуклонов, равна 235*7,6 = 1786,0 Мэв. Энергия связи
двух равных осколков, являющихся ядрами более легких
элементов, равна
118.8,6+117.8,6 = 2021,0 Мэв.
Следовательно, разница в количестве энергии между
ядром атома урана и двумя его осколками составит
2021,0— 1786,0 = 235,0 Мэв.
При делении ядер всех атомов 1 кг урана-235 выделяется
энергия, равная примерно 1,96-1013 кал, которую иначе мож-
137

Будет ли выделяться энергия
при делении ядер атомов
элементов, расположенных в
средней части периодической
таблицы Д. И. Менделеева?
118 • 8,4 = 991,2 Мэв
59 • 7,5 + 59 • 7,5 = 885,0 Мэв
886,0 Мэв
991,2 Мэв
ЭНЕРГИЯ НЕ ВЫДЕЛЯЕТСЯ/
А ПОГЛОЩАЕТСЯ
/Г
но было бы получить лишь при сжигании около 1800 г
бензина.
Таким образом, при реакции соединения ядер легких
элементов получается примерно в 8—10 раз больше энергии, чем
при реакции деления ядер тяжелых элементов.
3. Что бы произошло, если бы мы стали делить ядра
атомов элементов, находящихся в средней части таблицы
Д. И. Менделеева?
Для примера возьмем условно ядро с массовым номером
118 (олово) и предположим, что оно делится пополам,
образуя два ядра элемента с массовым числом 59 (кобальт или
никель).
На кривой рисунка энергия связи, приходящаяся на
каждый нуклон вещества с атомным номером 118, равна 8,4 Мэв,
а на нуклон с массой 59 равна 7,5 Мэв. Суммарная энергия
нуклонов ядра олова составляет
118-8,4 = 991,2 Мэв.
Энергия нуклонов в осколках равна
(59+ 59).7,5 = 885,0 Мэв.
885,0
""9912
—106,2 Мэв
Выходит, чтобы заставить ядро атома олова разлететься
на две части, надо еще дополнительно затратить 106,2 Мэв
138

энергии, не получив взамен ничего. Следовательно,
неопределенно долго, а если не будет сделано новых
принципиальных открытий, то и навсегда, булыжник на дороге будет
оставаться булыжником, если он волей случая не окажется
куском урана или. . . гранита.
Читатель спросит: почему гранита?
Оказывается, в обычном граните скрывается вполне
реальный источник внутриядерной энергии, правда иного
порядка. В 100 г его может содержаться около 400 г урана и
около 1 кг тория. Поэтому энергия, скрытая в 100 т гранита,
что скрыто в 100 тоннах обычного
тттммтт
соответствует химической энергии, заключенной примерно
в 5000 т каменного угля. Только в таком смысле камень на
дороге может действительно оказаться источником энергии.
Помимо урана и тория, в 100 т гранита содержится
8 т алюминия, 5 т железа, 2 т магния, 90 кг марганца, 35 кг
хрома, 20 кг никеля, 15 кг ванадия, 10 кг меди, 5 кг
вольфрама и даже 2 кг свинца.
К счастью, и уран и торий в природном граните связаны
139

с веществами, которые составляют долю меньше 1 % всей
массы гранита. Поэтому со временем может оказаться
экономически и технически выгодным извлекать делящиеся
ядерные вещества из гранита с попутным получением
остродефицитных и очень нужных для современной промышленности
металлов.
Однако для этого надо раздробить, размолоть гранит,
обогатить и отделить включенные в него полезные вещества —
техника, достаточно хорошо известная в горном деле. Если
учесть, что при этом удастся извлечь на первое время не
больше 20% всего заключенного в граните урана и тория, то
даже и в этом случае 100 т гранита будут эквивалентны по
энергии 1000 т угля.
Затратить же на всю эту работу придется энергию,
заключенную примерно в 3 т угля, или чистый выигрыш от всей
этой операции будет равен энергии, заключенной в 997 т угля.
Сюда входит энергия, затрачиваемая на добычу, разрезку,
дробление, размол, обогащение гранита, транспортировку и
тому подобные энергетические затраты.
В денежном выражении отношение стоимости
извлеченного из такого необычного источника ядерного горючего
к получаемой из него энергии оказывается не столь
благоприятным, как при извлечении урана и тория из обычных
содержащих их руд. Однако человечество, заинтересованное
в первую очередь в извлечении ядерного горючего, получает
новый, почти неограниченный источник ядерного сырья,
поскольку гранит является самым распространенным на земле
минералом.
А ВСЕ-ТАКИ ЧТО ТАКОЕ РАДИОАКТИВНОСТЬ?
Как и должно быть, значительное количество времени и
усилий ученых ушло на изучение главным образом внешних
свойств радиоактивных веществ, тем более, что все они были
столь удивительны и необычны. Но вскоре одной из
насущнейших задач стала необходимость хотя бы в общих чертах
разобраться в таинственном механизме самопроизвольного
распада радиоактивных элементов и в сопутствующих этому
распаду излучениях альфа- и бета-частиц, гамма-лучей, а
при искусственной радиоактивности — еще и позитронов.
Испускание альфа-частиц было более или менее понятно: это
отколовшиеся от ядра атома й выброшенные из него в
результате какой-то внутренней неустойчивости или выбитые
при попадании в него извне какой-либо частицы большой
энергии. Но вот откуда берутся в ядре атома бета-частицы,
140

то есть электроны? Ведь ядро, как установлено, состоит
только из протонов и нейтронов.
Единственное, что можно предположить, это то, что
электроны внезапно возникают в ядре в результате каких-то
внутриядерных превращений и только лишь в момент
радиоактивного превращения. Это и удалось позднее проследить на
примере самопроизвольного радиоактивного распада атома
трития, ядро которого состоит из одного протона и двух
нейтронов В результате образуется ядро изотопа гелия-3,
состоящее уже из двух протонов и одного нейтрона, и
одновременно испускается один свободный электрон. Куда-то
исчезает один нейтрон, но зато вместо него появляются
протон и электрон. Выходит, что появление и испускание
электрона произошли за счет превращения одного из нейтронов
в протон.
Мы уже описали одну ядерную реакцию, когда вместо
электрона ядро распадающегося атома испускает позитрон —
точно такую же частицу, как электрон, но не с отрицательным,
а с положительным электрическим зарядом. Радиоактивный
изотоп азота-13, состоящий из семи протонов и шести
нейтронов, после распада превращается в ядро атома углерода-13
уже с шестью протонами и семью нейтронами, испуская при
этом позитрон.
Возникла догадка, что протоны и нейтроны в процессе
радиоактивного распада неустойчивых или возбужденных
ядер могут превращаться друг в друга, а оказавшийся лишним
положительный и отрицательный заряд уносится или
электроном, или позитроном.
Этот распад идет в непрерывном слиянии бесчисленных
распадов дочерних радиоактивных элементов, многие из
которых, как радий, распадаются в течение тысячелетий,
другие— в течение тысячных и миллионных долей секунды!
Все это, вместе взятое, позволило считать протон и нейтрон
одной частицей. Их поэтому и стали называть нуклонами,
которые, однако, могут пребывать в двух состояниях:
протонном и нейтронном. Теперь можно попытаться
разобраться и в остальных особенностях радиоактивных
превращений ядра атома. Нам уже ясно, что при бета-распаде один
из нейтронов ядра переходит в протон. Вот тогда-то и
появляется электрон. Его заряд должен компенсировать
положительный заряд вновь образовавшегося протона. Однако этот
электрон в «хозяйстве» ядра оказывается лишним и в силу
законов ядерных реакций бета-распада должен немедленно
покинуть ядро.
Задержаться даже в пределах атома (на одной из
электронных орбит) такая бета-частица не может, так как ее энер-
141

При радиоактивном распаде ядра атома бета-частица
(электрон) может быть выброшена только в том случае, если один
из нейтронов неустойчивого (возбужденного) ядра
превращается в протон (а). Получающийся в результате такой
ядерной реакции атом сохраняет свою массу, но вследствие
увеличения положительного заряда его ядра на единицу становится
легким изотопом элемента, расположенного на одну клетку
таблицы Д. И. Менделеева вправо В том случае, когда при
радиоактивном распаде ядра атома выбрасывается позитрон
(это происходит при распаде искусственных радиоактивных
элементов), один из протонов ядра превращается в нейтрон.
Образующийся в результате этого атом также сохраняет свою
массу, но вследствие уменьшения электрического заряда его
ядра на единицу становится тяжелым изотопом элемента,
расположенного на одну клетку таблицы Д. И Менделеева
влево (б).
гия в десятки и сотни тысяч раз превышает энергию
орбитальных электронов атома. Положительный заряд ядра теперь
становится на единицу больше. В результате образуется ядро
атома нового, более тяжелого элемента периодической
системы, например уже не трития, а гелия.
В свою очередь, и протон может превращаться в нейтрон.
Но тогда куда-то должен исчезнуть его положительный заряд.
Этот заряд и уносится позитроном — частицей, являющейся
точной копией электрона, только с положительным зарядом.
В результате появляется новый элемент периодической
системы на одну единицу меньше, например, уже не азот-13, а
углерод-13.
После того как все сказанное удачно «разложилось по
полочкам», возникла совершенно новая неувязка.
Эквивалентная масса протона и позитрона вовсе не равна энергии, экви-
142

Альфа-частицы
Исходное ядро
Новое_ядро
а
валентной массе нейтрона,
а энергия, эквивалентная
массе нейтрона и электрона,
тем более не равна энергии,
эквивалентной массе
протона, то есть стал не
сходиться баланс энергий. При
каждом таком переходе ядро
хотя и теряет определенную
энергию, уносимую электр'о-
ном и позитроном, часть
энергии все же куда-то
пропадает. Некоторые
буржуазные ученые, стоящие на
идеалистических позициях,
объявили на радостях о
крушении закона сохранения
энергии.
Но радость их оказалась
недолгой. Вскоре было
доказано, что одновременно с
электроном или позитроном
ядро испускает еще одну
частицу, не имеющую
электрического заряда,
обладающую ничтожно малой
массой, но зато движущуюся со
скоростью, близкой к
скорости света. Новую частицу
назвали нейтрино —
маленький нейтрон. Она-то и
уносит недостающую до
точного баланса толику
энергии.
Таким образом,
превращение нейтрона в протон
сопровождается
испусканием электрона и нейтрино, а
превращение протона в нейтрон — испусканием позитрона и
нейтрино. Более того, возможен и обратный ход этих реакций.
Но какова же исходная причина, вызывающая
электронный или позитронныи распад ядер атомов радиоактивных
элементов и почему в одних случаях они испускают
электроны, в других позитроны?
Разобраться в этом помогли некоторые закономерности,
присущие только микромиру.
@ Зл
ектроны
Три главнейших вида
радиоактивного распада атомов: Л — распад,
при котором выбрасываются
альфа-частицы; Б — при
искусственной радиоактивности ядра атомов
выбрасывают позитроны; В —
распад, при котором выбрасываются
электроны.
143

Мы уже знаем, что электроны, вращающиеся вокруг ядра
атома, расположены не как попало, а строго организованно,
по орбитам, соответствующим их энергетическим уровням, и
подчиняются строго определенным, так называемым
квантовым закономерностям. Поскольку не только
электроны, но и все остальные атомные частицы подчиняются
квантовым закономерностям, были все основания
предполагать, что и в ядре атома энергетические уровни частиц
(нуклонов) заставляют их располагаться в некотором порядке,
то есть ядро атома, так же как и его электронная оболочка,
имеет слоистый характер, хотя в ядре нет такого
фиксированного центра, как в атоме. На каждом энергетическом уровне
может находиться строго определенное количество нуклонов.
Теоретические расчеты показали, что на самом низшем уровне
должны находиться всего четыре частицы — два протона и
два нейтрона. Первая такая оболочка имеется именно у ядра
атома гелия. Это и объясняет, почему ядро атома гелия яв^
ляется одним из самых прочных образований среди всех ядер
атомов легких химических элементов.
Были замечены и другие закономерности. Например, ядра
с числом нуклонов, равным 2, 8, 20, 50, 82, 126, особенно устой*
чивы по отношению к радиоактивному распаду. Эти числа
физики назвали «магическими». Именно атомов с такими
ядрами больше всего имеется во Вселенной. Но среди них есть
и еще более прочные. Это те ядра, у которых или число
протонов, или число нейтронов, а еще лучше когда и то и другое,
соответствует одному из «магических чисел». Пример тому
опять-таки гелий.
Но то, что хорошо для легких или средних по массе ядер
атомов, начинает давать осечки ближе к концу таблицы
Д. И. Менделеева.
Оболочечная модель строения ядра атома, казалось бы,
должна приводить к равному количеству протонов и
нейтронов в ядре атома. Но сложность соблюдения этого порядка
заключается в том, что в нормальном, не возбужденном
состоянии все нуклоны ядра должны находиться на самом
низшем энергетическом уровне. А на каждом уровне, по
аналогии с электронными уровнями, может располагаться лишь по
две одинаковых ядерных частицы — два протона и два
нейтрона. Поэтому многим из них на положенном уровне энергии
просто не хватает места, и нуклоны должны располагаться на
не положенном для них уровне, отчего нарушается в какой-то
степени устойчивость ядра в целом.
Другая сложность заключается в том, что в ядре
постоянно действуют два рода сил: электростатические силы
отталкивания между положительно заряженными протонами
144

и ядерные силы притяжения, действующие между всеми
нуклонами — и протонами и нейтронами. Поэтому, чтобы
построить ядра более сложных и тяжелых элементов, природе
приходилось решать сложное энергетическое уравнение со
многими неизвестными, а главное, чтобы при всех этих
противоположно действующих факторах ядро не разваливалось
само по себе. Вернее, без этого оно вообще не смогло бы
сложиться с самого начала.
В большом ядре много протонов. Электрическими силами
отталкивания оно в какой-то степени «разрыхляется», и,
естественно, прибавлять к нему еще больше протонов нельзя,
ибо это уменьшает энергию, связывающую вместе все ядро.
И невольно переселяться на более высокий энергетический
уровень приходится нейтральному нейтрону, так как на
низшем уровне ему места уже не находится — все занято
другими нуклонами. Добавление же безразличного к
электрическим силам нейтрона упрочняет ядро, делает его более
устойчивым, хотя нахождение части нейтронов на более
высоких энергетических уровнях делает ядро в целом более
возбудимым. Поэтому равное число протонов и нейтронов
имеется только в самых легких ядрах. Далее эта удобная
симметрия нарушается, и средние и тяжелые ядра
упрочняются за счет увеличения в них числа нейтронов.
Но всему наступает конец. В тяжелцх ядрах, с их очень
большим количеством протонов, силы электростатического
отталкивания становятся столь значительными, что даже при
большом избытке нейтронов ядро постепенно теряет
устойчивость и начинает распадаться, испуская альфа-частицы,
электроны и гамма-лучи, стремясь при этом сложиться
в какую-то наиболее прочную комбинацию, на которой этот
радиоактивный распад мог бы окончательно задержаться.
Если в ядре оказывается слишком много нейтронов, оно
приобретает устойчивость и прочность, выбрасывая в
процессе радиоактивного распада электрон (и нейтрино). При
этом один из нейтронов и превращается в протон. Если же
в ядре имеется избыток протонов, то все происходит
наоборот— выбрасывается позитрон (и нейтрино), а один из
протонов превращается в нейтрон.
Часто случается так, что, выбрасывая электрон или
позитрон (с нейтрино) и меняя протон на нейтрон, и наоборот,
ядро все же должной устойчивости не приобретает. Нужной
внутренней перестройки не получается. Тогда ядро
вынуждено сразу выбросить альфа-частицу — два протона и два
нейтрона с тем, чтобы после еще некоторого количества бета-
распадов найти, наконец, успокоение в устойчивых изотопах
свинца. Как мы уже знаем, существуют три цепочки таких
10 Энергия атома
145

естественных радиоактивных распадов: урана, тория и
актиния. Приведем лишь один пример такого распада. Ядро
урана-238, распадаясь, выбрасывает альфа-частицу и
превращается в ядро тория-234. Но и это ядро оказывается
неустойчивым и перегружено еще нейтронами. Поэтому один из них
превращается в протон, а электрон и нейтрино покидают
ядро. Получается уже ядро протактиния-234, котфрое точно
таким же образом, с потерей позитрона и нейтрино,
превращается в ядро урана-234. Но игра сил внутри ядра
продолжается, и оно все еще остается возбужденным. Поэтому
следует длинный ряд преобразований с испусканием
альфа-частиц, а иногда и гамма-лучей. В конце концов дело доходит
до свинца-214. Но он тоже оказывается неустойчивым и,
испуская электрон, превращается в висмут-214, который,
потеряв альфа-частицу, становится таллием-210. Но и тут не
удается удержать в ядре лишние нейтроны, которые еще три
раза превращаются в протоны с испусканием позитронов,
пока злосчастное ядро не добирается до полония-210. Из
него, наконец, вылетает спасительная альфа-частица, и
претерпевшее столь большое число трансформаций ядро
умиротворяется на устойчивом изотопе свинца-206.
Конечно, если бы ядро урана-238 первоначально было
сложено как-то по-другому, возможно, такой длинной
цепочки распадов и не потребовалось бы. Ведь существуют
вполне устойчивые ядра более удачливых атомов элементов
тяжелее свинца. Но, сложившись с самого начала неудачно,
ядро атома урана-238 и других прародителей радиоактивных
семейств, должно испить чашу распадов до конца и в
поисках устойчивости дойти до свинца, не имея возможности
задержаться где-то на полпути.
Естественно, что этот процесс протекает довольно долго.
Нужно несколько миллиардов лет, чтобы распались и
превратились в свинец все до единого ядра имеющихся в
природе атомов урана-238
В ядрах искусственных радиоактивных изотопов
отношение числа нейтронов к числу протонов оказывается малым.
Это и является причиной возникновения позитронной
активности.
В ряде случаев возникает совершенно другой вид распада.
Вместо превращения протона в нейтрон с испусканием
позитрона (и нейтрино) ядро атомов захватывает один из своих
собственных электронов, чаще всего с одной из внутренних
(ближайших к ядру) орбит, который немедленно соединяется
с протоном, образуя нейтрон. Вследствие этого такое ядро
превращается в ядро атома элемента на один порядковый
номер меньше, но с прежним массовым числом, то есть ста-
146

новится изомером атома нового элемента. Например, ядро
атома бериллия-7 таким образом может превращаться в ядро
атома лития-7. Этот вид бета-распада называется /(-захватом.
Наиболее часто /(-захват наблюдается у ядер атомов
тяжелых элементов, поскольку с увеличением положительного
заряда ядра его радиус увеличивается, а радиусы орбит вну
тренних электронов, наоборот, уменьшаются, тем самым
приближаясь к ядру.
Так как при этом яз электронной оболочки удаляется
один из ее электронов, то такой процесс преобразования ядра
одного элемента в другой сопровождается испусканием
нейтрино и кванта рентгеновского излучения.
Таким образом, под общим названием бета-распад
объединяются три самостоятельных вида радиоактивных
превращений: собственно бета-отрицательный распад (испускание
электрона), бета-положительный распад (испускание
позитрона) и электронный, или /(-захват (захват ядром
электрона преимущественно ближайшей к ядру оболочки).
Известны и некоторые другие виды радиоактивных
превращений. На некоторых из них из-за сложности или
неясности самого явления мы останавливаться не будем, об одном
или двух других видах распада постараемся рассказать
в другом месте.
Ученые накопили огромное количество фактов и
закономерностей, позволяющих оценивать неустойчивость и
устойчивость различных ядер; предсказывать, каким способом
будет превращаться то или иное радиоактивное ядро и какие
при этом будет испускать частицы; будет ли образовавшийся
изотоп короткоживущим или долгоживущим.
Однако ответить на основной вопрос: какие именно атомы
распадаются в первую очередь, какие впоследствии, что
является причиной, вызывающей сам распад, наука пока еще
не может. По этому поводу известно лишь, что
радиоактивному распаду предшествует накопление в ядре атома каких-
то очень важных внутренних противоречий. Есть основания
предполагать, что разгадка причины радиоактивности придет
вместе с разгадкой другой, еще более сложной проблемы —
природы и механизма действия внутриядерных сил.
НЕМНОГО О ТЕПЛЕ
Самым замечательным свойством энергии является ее
способность к превращениям. Одной из наиболее
распространенных в природе форм энергии является энергия
движения — кинетическая энергия, а тепловая энергия представ-
10*
147

ляет собой запас кинетической энергии, беспрестанно и
хаотически движущихся молекул или атомов. Количество
тепловой энергии, какой обладает то или иное тело, измеряется
сугубо условной величиной, называемой температурой.
При высоком уровне энергии частицы вещества движутся
быстрее, а встречая другие частицы, ударяются о них чаще и
энергичнее. Следовательно, высокая температура
соответствует и высокому уровню тепловой энергии. При низком
уровне энергии скорость движения частиц и количество
столкновений меньше; следовательно, низкая температура
соответствует и низкому уровню энергии.
При этом температура тела или вещества определяется
средней энергией всей совокупности движущихся
частиц, составляющих данное тело или вещество.
Действительно, там, где господствует хаотическое, беспорядочное
движение частиц, там можно найти частицы различной энергии, то
есть движущиеся с самой различной скоростью. Если бы
каким-то чудом можно было рассортировать частицы любого
вещества, находящегося, например, при комнатной
температуре, по уровням их энергии, то, к нашему удивлению, мы
нашли бы в нем и частицы, движущиеся со скоростями и
энергиями, какие соответствуют температурам, близким к
абсолютному нулю (—273,16°), и с энергиями,
соответствующими температурам в тысячи и десятки тысяч градусов.
Откуда такая разница? Первые в результате столкновений
замедлили свою скорость и отдали свою энергию другим
частицам, вторые, наоборот, в результате более благоприятных
столкновений ускорились еще больше.
Например, температура поверхности Солнца, так
называемой фотосферы, равна 6000° — здесь и частиц больше, и
сталкиваются они чаще, и в результате движутся они
сравнительно медленно. Зато температура солнечной короны
равна примерно миллиону градусов — плотность ее
значительно меньше, чем у фотосферы, и сталкиваются частицы
реже, но зато движутся они со скоростью, соответствующей
столь высокой температуре.
Существует совершенно определенное количественное
соотношение между температурой и энергией во всех
встречающихся в природе случаях.
На рисунке приведены значения абсолютной температуры
(Т°), встречающиеся или могущие встретиться в природе, и
соответствующие этой температуре некоторые физические
процессы. Энергия Е движения частиц, принимающих
участие в этих процессах, а также длина волн X
электромагнитного излучения, которые соответствуют движению частиц
с приведенными величинами энергии, охватывают все формы
148

АБСОЛЮТНАЯ
ТЕМПЕРАТУРА
В0 КЕЛЬВИНА (И)
СООТВЕТСТВУЮЩАЯ ЕЙ
ЭНЕРГИЯ ДВИЖЕНИЯ ЧАСТИЦ
В ЭЛЕКТРОНВОЛЬТАХ
Г7\
110 ОООмлн
ЮОмлн.
100 000
10 000
1000
10
1 млн. эв
9
10 эв
Энергия связи
каждой частицы
в ядре атома.
[Энергия альфа-
частиц, излучаемых!
радиоактивными
элементами.
Возбуждение

электронов,находящихся на
самых глубоких
внутренних
орбитах атома.
Возбуждение
электронов
атомов.
Ионизация атомов.
Энергия
химических
связей веществ.
Скрытая теплота
испарения воды.
Скрытая теплота
разложения воды.
Различие в
уровнях энергии
колебания молекул.
Скрытая теплота
испарения жидкое
го гелия.
Различие в уровнях
энергии
вращения молекул.
Разница между
уровнями энергии!
различимая в
очень тонкой
структуре
оптического спектра
излучения.
ЕЯ
Зависимость между энергией движения частицы в электрон-
вольтах и соответствующей ей температурой в градусах,

электромагнитных колебаний, начиная от самых длинных
радиоволн и кончая самыми жесткими рентгеновыми лучами.
Рассматривая первые две колонки рисунка, мы находим
в них несколько примеров различных "явлений, при которых
определенной величине энергии соответствует та или иная
температура.
При обычной комнатной температуре, равной 18—20°,
атом водорода, например, движется со скоростью около
2,2 км/сек, что соответствует энергии этой частицы около
0,025—0,030 эв. При увеличении энергии атомов водорода до
10 тысяч электронвольт скорость их движения возрастет до
500 км/сек, что соответствует температуре уже 15 миллионов
градусов.
Однако необходимо сделать одно весьма важное
замечание. Главной характеристикой энергии тепла является то, что
это энергия беспорядочного движения частиц.
Например, в обычном газе молекулы беспорядочно
движутся во все стороны. В результате многочисленных
столкновений молекул возникает некоторое естественное
распределение скоростей движения частиц.
Только в этом случае естественного беспорядочного
распределения направлений движения и скоростей частиц мы
имеем право отождествлять это движение с температурой
газообразной системы частиц.
Совсем другую физическую картину мы будем наблюдать
в случае движения потока ядерных частиц в вакууме,
разгоняемых современным ускорителем, скажем до 1000 Мэв.
При таких энергиях мы, казалось бы, должны получить
температуру состоящего из этих частиц газа, равную 10
тысячам миллиардов градусов.
Однако мы этого не наблюдаем, так как движение этих
частиц носит организованный характер: все они движутся по
одному и тому же направлению, мало сталкиваясь одна
с другой, что резко отличается от беспорядочного теплового
движения частиц, какое фактически происходило бы в газе
при такой температуре.
Вот почему в ядерной физике ученые сравнительно редко
оперируют понятиями и величинами температуры,
предпочитая пользоваться понятием уровня энергии.
ТЕРМОЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ
Таким образом, непрерывное нагревание вещества
приводит его частицы во все более и более энергичное движение.
Большая часть всех молекул вещества будет распадаться
150

на атомы (диссоциировать) при 10 тысячах градусов. Атомы
лишатся части или большинства своих электронов при
100 тысячах градусов, и, наконец, ядро атома распадется на
протоны и нейтроны при температурах, превышающих тысячи
и десятки тысяч миллиардов градусов, так как при всех этих
процессах поглощается энергия, идущая на преодоление сил
притяжения, удерживающих вместе частицы, из которых
складываются сначала молекулы, потом атомы и, наконец,
ядра атомов.
Естественно, что все эти процессы связаны с
расходованием большого количества энергии.
Однако повышение температуры может привести не
только к нарушению существующих связей частиц между собой,
но при некоторых условиях и к созданию новых связей.
Мы помним, что при бомбардировке ядер различных
элементов (например, протонами) преодолеть отталкивающее
действие суммарного положительного заряда ядра протон
мог только в том случае, если обладал весьма большой
энергией, превышающей сотни тысяч электронвольт, или, что одно
и то же, огромной скоростью, соответствующей этой энергии.
Но такую же энергию можно было бы придать протону,
скажем, нагрев водород до исключительно высокой
температуры, измеряемой десятками и сотнями миллионов градусов.
Только в этом случае бешено мятущийся протон мог бы
приблизиться к другому протону или ядру атома легкого
элемента (например, лития) настолько близко, что силы
отталкивания его положительного заряда ядра оказались бы
преодоленными и протон вошел бы в сферу действия
внутриядерных сил, которые и втянут его в центр ядра атома.
Вместо протона для этих же целей можно использовать
дейтрон, альфа-частицу, несколько протонов и т. д.
Короче говоря, речь идет о процессах, конечной целью
которых могло бы быть соединение ядер атомов более легких
элементов в более тяжелые. Например, ядер атомов водорода
в ядра атомов гелия.
Такие процессы могут осуществляться только при
исключительно высоких температурах.
Если проследить, что происходит в это время с энергией,
мы увидим весьма интересную и поучительную картину.
Сначала, чтобы сблизить частицы вместе, то есть придать им
надлежащие скорости, надо затратить определенное
количество энергии, и притом весьма большое. В данном случае
надо нагревать содержащее их вещество до немыслимо
высокой температуры. Но этот процесс будет продолжаться
только до определенного момента. Как только частицы сблизятся
на расстояние действия внутриядерных сил, дальше их подо-
151

гревать уже не нужно. Теперь движение частиц без всякого
внешнего вмешательства будет продолжаться еще быстрее,
в результате чего вместо поглощения энергии начинается ее
выделение.
Для того чтобы выкопать глубоко зарытый очень
богатый клад, нужна хоть какая-нибудь лопата и затрата
относительно небольшой энергии на его выкапывание.
Как следует понимать
возбужденное состояние ядра атома и какое
это имеет отношение к
температуре. Для наглядности в ядро
помещен термометр, на котором
справа обозначена энергия
движения частиц, составляющих ядро,
в миллионах электронвольт, а
слева — температура в миллиардах
градусов, соответствующая
движению ядерных частиц с такой
энергией: /— нейтрон
приближается к бомбардируемому ядру
атома; 2 — при попадании
нейтрона в ядро последнее
возбуждается — составляющие его частицы
приходят в бурное движение,
соответствующее энергии 10 Мэв.
Температура внутри ядра,
эквивалентная такому движению,
достигает 80 миллиардов градусов;
3 — сильно возбужденное ядро
вынуждено выбросить (испарить)
лишнюю для него частицу
(нуклон). Энергия движения его
частиц, а следовательно, и
температура понизилась; 4 — все еще
возбужденное ядро испускает квант
гамма-лучей, после чего все
наконец приходит в нормальное
состояние.
Однако откуда взять такие температуры, при которых
могли бы складываться ядерные частицы или ядра легких
элементов в более тяжелые? Существуют ли такие
температуры в природе?
Положительный ответ на этот вопрос дает астрономия.
Да, такие температуры существуют в центре Солнца и
других звезд. Основным источником бесконечно длительного
излучения огромных количеств энергии Солнцем и звездами
является процесс соединения (синтеза) ядер
легких элементов в более тяжелые — так
называемая термоядерная реакция. И совсем
недавно человеку удалось, взорвав водородную бомбу,
воспроизвести такую реакцию на Земле.
152

На основании изучения ближайшей к нам звезды —
Солнца — и работ по созданию водородной бомбы можно считать,
что более или менее изученной в настоящее время реакцией
синтеза ядер легких элементов является реакция с
образованием ядер атома гелия. Для этого теоретически существует
несколько различных комбинаций.
Важным отличием термоядерной реакции синтеза ядер
атомов легких элементов от реакции деления ядер тяжелых
элементов является то, что последняя не требует для своего
начала ни высоких температур, ни давлений. Термоядерная
же реакция может начинаться и протекать лишь при
исключительно высоких температурах — сотнях миллионов
градусов.
Только при таких температурах движение участвующих
в реакции частиц приобретает огромные скорости,
необходимые для преодоления сил отталкивания сближающихся ядер.
Поэтому теплота и имеет такое важное и решающее
значение в реакциях этого типа. От слова «теплота», по-гречески
«термос», и происходит название этих реакций —
термоядерные.
На этом мы, пожалуй, и закончим главу о «страшных»
теориях с тем, чтобы вернуться к основной линии
повествования — каким путем пришли ученые сначала к теории, а
затем и к осуществлению идеи о высвобождении энергии,
скрытой в ядре атома. Однако к некоторым положениям
«страшных» теорий нам придется обращаться еще не один раз.

Г А А В А
седьмая/
УПРАВЛЯЕМАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ
ДЕЛЕНИЯ
Прежде чем продолжать наше изложение, рассмотрим
один весьма существенный и, пожалуй, наиболее важный
вопрос: почему лавинообразно нарастающая цепная реакция
деления все-таки не возникает в природном уране
(состоящем из смеси изотопов 234, 235 и 238), даже если взять очень
большое его количество и облучать потоком нейтронов любой
интенсивности?
Оказалось, что судьба нейтронов, попадающих в
природный уран, неодинакова.
Как и любая другая ядерная частица, нейтрон в
зависимости от его энергии может двигаться с различными
скоростями. Самое медленное движение нейтронов может
совершаться со скоростью теплового движения молекул при
обычных, комнатных температурах. Выраженная в электронволь-
тах, эта энергия не превышает 0,03 эв. Замедлиться до таких
скоростей нейтрон может лишь в результате многочисленных
столкновений с ядрами других элементов. Такие нейтроны
154

принято называть тепловыми, в отличие от быстрых,
испускаемых радиоактивными источниками этих частиц. На рисунке
показано, как действуют различные нейтроны на ядра урана.
Часть самых быстрых нейтронов, обладающих энергией
выше 1 Мэв, как мы уже говорили, делит не только ядра
урана-235, но и ядра урана-238.
Если бы все или большинство нейтронов, выбрасываемых
при делении ядер урана, обладали энергией выше 1 Мэв, то
вопрос о высвобождении внутриядерной энергии решался бы
просто: деление урана-238 и возбуждение в нем цепной
реакции было бы делом столь же легким, как и в чистом
уране-235.
Однако энергия подавляющего большинства нейтронов,
выбрасываемых при делении урана-235, лежит значительно
ниже 1 Мэв, и поэтому деления ядер урана-238 они не
вызывают.
Особенно хорошо ядра урана-235 делятся очень
медленными, тепловыми нейтронами, с энергиями значительно ниже
0,03 эв.
В диапазоне же энергий примерно от 7 до 1 эв лежит
область, в которой ядра урана-238 почти начисто поглощают
(захватывают) любое количество нейтронов, которое попа-
ЭНЕРГИЯ
НЕЙТРОНОВ
Самые быстрые
нейтроны
(несколько Мэв)
Резонансные
нейтроны
(около 7 эв )
Медленные
(тепловые) нейтроны
(менее 0,03-0,025 эв)
У РАН-235
Упругое
столкновение
58%
42 Л
25%
Деление
м
5*% ВД&
т»х "ййг*
ура н-238
Упругое
столкновение
67%
45%
100%
Деление 1
м\
55%
Действие нейтронов различных энергий на ядра атома урана-235 и
урана-238. Число, стоящее в каждой клетке, показывает примерно, какое
количество нейтронов (в процентах) вызывает деление, упругое
столкновение или захват.

дает в кусок естественного урана. Это область так
называемого резонансного поглощения нейтронов.
Следовательно, существуют области скоростей или
энергий нейтронов, особо благоприятствующие делению одних
изотопов урана и менее благоприятные для деления других,
области сильного поглощения нейтронов одними ядрами
урана и области малого поглощения их другими ядрами.
ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРВЫХ ИСКУССТВЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Однако вернемся к событиям, предшествовавшим
появлению атомной бомбы.
Мысль о том, что в результате облучения урана
нейтронами из миллионов столкновений все же мог бы появиться
хотя бы один-единственный атом сверхтяжелого элемента, не
оставляла многих ученых. И действительно, в 1940 году в
подвергнутом бомбардировке нейтронами уране удалось
обнаружить наряду с осколками от деления урана-235
вещество, имеющее порядковый номер 93 и атомный вес 239.
Тщательное изучение ничтожно малого количества этого
действительно нового, трансуранового элемента
методами так называемой микрохимии позволило произвести
переоценку роли урана-238.
Поглотив нейтрон, обладающий резонансной скоростью,
ядро урана-238 не делится, а превращается в сильно
возбужденный искусственный изотоп урана—уран-239 (э2#239). Этот
изотоп крайне неустойчив, и половина его, выбрасывая
электрон, распадается через 23 мин и образует новый
радиоактивный элемент, имеющий порядковый номер 93 и вес 239.
Так как в Солнечной системе за планетой Уран следует
планета Нептун, этому элементу и было присвоено
название нептуний (эзЛ^/?239).
92U238 + о"1 -> 92U239 -> 93Np239 + e~.
По истечении двух-трех суток, в свою очередь,
распадается, выбрасывая электрон, половина получившегося
нептуния, вместо которого появляется еще один новый, но уже
более устойчивый радиоактивный элемент с порядковым
номером 94 и атомным весом 239, названный плутонием.
Период полураспада его 24 тысячи лет, после чего,
выбрасывая альфа-частицу, он превращается в уран-235.
^Np389^ 94Pu239+ е- -> 92U235+ 2He4.
156

нейтрон
Процесс превращения ура-
на-238, захватывающего
нейтрон, в плутоний, а
затем, спустя 24 тысячи лет,—
в уран-235. (Т — период
полураспада.)
Но наиболее важным в плутонии оказалось то, что под
действием как медленных, так и быстрых нейтронов он
делится на две части, как и уран-235.
В распоряжении ученых теперь оказалось не одно, а сразу
два делящихся вещества: уран-235 и плутоний.
И, естественно, возник вопрос, какое из них легче и
выгоднее получать в больших количествах? Решение этого во-
157

Поглотив нейтрон, неделящийсй торий 232 превращается в делящийся
изотоп урана — уран-233
проса зависело теперь от того, как будут решены чисто
технические проблемы их производства.
Мы знаем, с какими трудностями связано разделение
изотопов одного и того же химического элемента, в нашем
случае урана-235 и урана-238.
Облучая же уран-238 нейтронами, можно превратить его
в плутоний-239, отделить который от естественного урана уже
намного проще и легче, ведь уран и плутоний хотя и близкие,
но совершенно различные химические элементы, а
следовательно, их можно отделять один от другого даже чисто
химическими способами.
Существует еще один делящийся элемент — торий.
Он, так же как и уран-238, делится только быстрыми
нейтронами и не может быть использован в качестве ядерного
горючего.
Но опять-таки, как и уран-238, торий-232, захватывая
нейтроны меньшей энергии, становится бета-радиоактивным и
после двух распадов превращается в не встречающийся
в природе изотоп урана — уран-233. Этот изотоп прекрасно
делится нейтронами любых энергий, как и уран-235 или
плутоний.
Таким образом, из тория тоже можно изготовлять
горючее для ядерных установок.
158

Однако для того, чтобы воспользоваться вторым способом
получения делящихся веществ, требовалось найти столь
мощный источник нейтронов, облучая которыми уран-238, можно
было бы превращать его достаточно быстро и в желательных
количествах в плутоний.
Не могло быть и речи о применении весьма слабого ра-
диево-бериллиевого источника — он был слишком слаб даже
для получения микроскопических порций плутония.
В космических лучах, о которых мы расскажем позже,
нейтроны встречаются очень редко. И даже самые мощные
ускорители частиц не могли создавать их в требуемых
количествах.
Где же тогда их взять?
АТОМНЫЕ „СПИЧКИ"
«Чтобы приготовить заячье рагу, нужно по крайней мере
иметь кошку», — гласит французская поговорка. Чтобы
зажечь ядерный пожар — саморазвивающуюся цепную
реакцию деления ядер атомов урана, нужно откуда-то взять
первый, «запальный» нейтрон. Правда, еще раньше было
установлено, что время от времени в атмосферу Земли влетают
из космоса заряженные частицы, обладающие потрясающе
огромной энергией — порядка сотен и тысяч миллиардов
электронвольт и даже больше. Сталкиваясь с молекулами и
атомами воздуха, эти частицы изредка выбивают из них
одиночные нейтроны, которые, проблуждав после этого
некоторое время, могут случайно попасть в ядра атомов урана-235
и вызвать их деление.
Однако такая возможность носит столь случайный
характер, что рассчитывать на нее нельзя.
Поэтому в опытах, которые привели к открытию деления
ядер урана, такими ядерными запальными «спичками»
являлись полоний-бериллиевый или радий-бериллиевый
искусственные источники. Устраивать пожар приходилось, так
сказать, извне.
По ряду причин чисто технических это не во всех случаях
было удобно, особенно когда речь шла о возбуждении цепной
ядерной реакции деления в достаточно больших количествах
урана.
Но не может ли атомное ядро разделиться само собой,
без предварительного захвата нейтрона? Ведь можно же
допустить, что колебания частиц внутри ядра могут вызвать
его деформацию и как следствие деление. Такую мысль
впервые высказал Нильс Бор.
159

И здесь совершенно неожиданно на выручку ученым
пришла сама природа.
Занимаясь еще в 1934—1940 годах исследованиями
условий, при которых возникает реакция деления ядер атомов
>рана и, в частности, проверкой гипотезы Нильса Бора,
советские ученые Г. Н. Флеров и К. А. Петржак пришли к
такой мысли. Раз ядро атома урана столь непрочно, что
постепенно распадается, испуская альфа- и бета-частицы, то не
исключено стечение обстоятельств, при которых ядро атома
урана — одно из миллиарда или даже нескольких
триллионов — распадается самопроизвольно на два осколка, каждый
из которых, будучи перенасыщен уже излишними для него
нейтронами, станет тотчас же освобождаться от них.
Для того чтобы исключить возможность попадания в
уран «блуждающих» нейтронов, возникающих под действием
лучей из космоса, они помещали исследуемые образцы урана
глубоко под землю — в шахты и туннели строящегося
московского метро.
Опыты полностью подтвердили эту блестящую догадку
ученых. Оказалось, что примерно из 2,56.1021 атомов,
содержащихся в 1 г урана, спонтанно, то есть самопроизвольно,
без всякой видимой причины, делится в час примерно шесть-
семь ядер.
Таким образом, для искусственного возбуждения цепной
реакции деления какие-либо внешние источники нейтронов
оказались не нужны. «Спичками» для нее с успехом могли
служить нейтроны, испускаемые такими самопроизвольно
делящимися ядрами урана.
КОНТРОЛИРУЕМАЯ ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ
Итак, при делении ядра атома урана-235 на два осколка—
ядра атомов, приходящихся на середину периодической
системы Д. И. Менделеева, высвобождаются еще и два-три
(в среднем 2,7) нейтрона, оказавшихся теперь лишними. Но
ведь каждый из них может вызвать деление подвернувшихся
им на пути ядер урана-235. Эти, допустим, три нейтрона,
в свою очередь, разделят уже 27 ядер урана 27 ядер,
разделившись, выбросят 81 нейтрон, которые разделят 243 ядра
урана, и т. д. Количество делящихся ядер будет удваиваться
или утраиваться при каждом новом поколении делений, в
короткий срок достигая астрономического числа.
Но это лишь в идеальном, теоретически возможном
случае Практически же в уране любой степени технической
чистоты всегда присутствуют посторонние примеси, погло-
160

щающие некоторую часть высвобождающихся при делении
нейтронов.
В этом смысле вредными примесями приходится считать
и атомы основного тяжелого изотопа природного урана —
уран-238. Их ядра, как мы знаем, слишком жадно поглощают
нейтроны. Поэтому-то в сплошном слитке природного урана
любого объема, состоящего на 99,3% из этого изотопа,
цепную реакцию деления «просто так» возбудить нельзя.
Ну, а каким путем можно?
Здесь вступает в свои права математика, вернее,
бухгалтерия. Если каким-то способом нам удалось «поджечь
дрова»—возбудить в слитке урана реакцию деления и довести
ее до какого-то определенного уровня (числа делящихся ядер
в секунду), то она будет продолжаться на том же самом
уровне, если из двух-трех высвобождающихся в процессе
каждого такого деления нейтронов хотя бы один
разделит ядро атома урана-235. Не нужно и доказывать, что
условная величина — коэффициент размножения
нейтронов (К), — то есть среднее значение отношения
числа вторичных нейтронов, производящих деление новых
ядер атомов урана или плутония, к числу первичных
нейтронов, — в этом случае будет строго равен единице.
Но при любом, пусть даже самом медленном нарастании
числа делений — допустим, когда количество нейтронов,
делящих ядра атомов, в каждом последующем поколении
превышает хотя бы на миллионную долю число нейтронов,
полученных от разделившихся ядер атомов предыдущего
поколения,— коэффициент размножения будет уже превышать
единицу.
При К меньше единицы цепная реакция невозможна, а
если бы и началась, то неминуемо затухла бы.
Но этим условия возбуждения ядерной реакции в уране
не кончаются.
Как же все-таки осуществить управляемую цепную
реакцию, если такая реакция в естественном уране возникнуть не
может? Подавляющее большинство нейтронов, выброшенных
при самопроизвольном или искусственном делении урана-235,
будет поглощено ураном-238 задолго до того, как они могли
бы встретить на своем пути и разделить ядра урана-235.
Нужно сделать так, чтобы как можно больше нейтронов
(энергия которых лежит выше 7 эв) успело покинуть кусок
природного урана до их встречи с ядрами атомов урана-238,
замедлиться в какой-то иной среде до тепловой энергии, то
есть миновать как можно быстрее зону резонансных энергий
от 1 до 7 эв, особо благоприятную для поглощения их ядрами
урана-238, а затем снова вернуться в слиток урана. Тогда
II Энергия атома
т

нейтронам ничего не остается другого, как делить только
немногочисленные ядра урана-235.
При достаточно большом количестве естественного урана
в нем должна возникнуть цепная реакция.
Отсюда вытекала очередная задача — найти такое
вещество, которое позволяло бы в наикратчайший срок замед-
Контролируемая цепная реакция в уране-235 возможна при условии
замедления нейтронов до тепловых скоростей (0,03 эв) при помощи
замедлителя.
лить быстрые нейтроны до тепловых скоростей порядка
0,03 эв и при этом само не поглощало нейтронов.
Итак, чтобы добиться первой стадии успеха, в
естественный уран нужно было ввести какой-то замедлитель
нейтронов.
Что же в таком случае представляет собой процесс
замедления нейтронов?
АТОМЫ И ИГРА НА БИЛЬЯРДЕ
Мы уже говорили, что нейтроны могут сталкиваться с
ядрами различных элементов, передавая им часть своей
энергии. При этом их собственная скорость, а следовательно, и
энергия, естественно, уменьшаются.
Нейтроны могут быть успешно замедлены только в том
случае, если их столкновения с ядрами вещества
замедлителя носят упругий характер, то есть когда сталкивающиеся
частицы отскакивают одна от другой. Иными словами, в ка-
162

честве замедлителя должны применяться вещества, атомы
которых практически не захватывают нейтронов.
Из законов механики следует, что если замедлять
скорость движущегося тела путем упругих столкновений его
0,45 эв
Замедлитель-водород Н1 I
20 упругих отражений
Механизм замедления нейтронов путем упругих столкновений
с ядрами атомов легких элементов: а — водорода; б —
углерода
с другим неподвижным или медленно движущимся телом, то
наибольшее количество энергии теряется в том случае, когда
массы обоих сталкивающихся тел одинаковы.
Выходит, что для замедления нейтронов нужно применять
ядра легких атомов — например, водорода, масса которого
почти равна массе нейтрона.
11*
163

Водород (Н т ) Дейтерий (Н , ) Тритий (Н i )
Какие существуют изотопы водорода.
Чтобы замедлить до тепловой энергии нейтрон,
вылетевший при делении ядра урана, потребуется всего лишь
18 упругих столкновений его с ядрами водорода. После этого
энергия движения нейтрона делается примерно равной
энергии движения атомов замедлителя, которая, как мы знаем,
определяется его температурой. Никакой замедлитель,
однако, не может уменьшить энергии нейтронов ниже энергии
движения своих молекул. А энергии молекул газа при
комнатной температуре (20°С) распределены около значения
0,025—0,030 эв.
Если же нейтрон замедлять ядрами атомов углерода,
которые в 12 раз тяжелее нейтрона, то при тех же 18
столкновениях нейтрон потеряет всего лишь 14% своей
первоначальной энергии. И чтобы замедлить его до тепловой энергии,
потребуется уже 114 столкновений с ядрами углерода, то
есть в шесть раз больше, чем при использовании ядер
водорода.
Казалось бы, лучшим замедлителем и должен быть
обычный водород, но, к сожалению, ядра его атомов легко
захватывают нейтроны, превращаясь при этом в ядра дейтерия.
А вот ядра дейтерия (дейтроны) нейтронов уже не
захватывают, и понадобится всего 25 столкновений, чтобы замедлить
их до тепловых скоростей.
Хорошим замедлителем был бы гелий: он и легок, и, как
выяснилось, сравнительно мало поглощает нейтронов. Но это
газ, и ему, так же как и водороду, невозможно придать
требуемую плотность, даже если сжимать до сверхвысоких
давлений.
После длительных поисков оказалось наиболее выгодным
и целесообразным в качестве замедлителя нейтронов
применять водород, но только входящий в состав молекул обычной
164

воды, и тяжелый водород — дейтерий (iH2), который входит
в состав так называемой тяжелой воды, а из твердых тел
с наименьшим атомным весом — углерод (графит).
ВОДА, КОТОРАЯ ТЯЖЕЛЕЕ... ВОДЫ
Что же это за тяжелый водород и тяжелая вода?
Еще в 1920 году Резерфорд и Харкинс одновременно
предсказали возможность существования изотопа водорода,
масса которого была бы вдвое больше обычного. В 1931 году
была предпринята попытка получить этот изотоп. Для этого
стали испарять очень большое количество жидкого
водорода, рассчитывая на то, что обычный водород испарится
скорее, чем его более тяжелый изотоп. Так и получилось.
Обнаруженный изотоп — тяжелый водород — был назван
дейтериумом или дейтерием, а его ядро — дейтроном.
Однако такой способ получения дейтерия оказался очень
сложным и дорогим. Поэтому ученые вместо выпаривания
жидкого водорода обратились к обыкновенной воде. Раз в
природе могут существовать атомы тяжелого водорода,
а вода — соединение кислорода и водорода, то тяжелый
водород обязательно должен входить в состав молекул так
называемой тяжелой воды и его можно выделять из
обыкновенной воды, разлагая ее электрическим током. Такая
тяжелая вода действительно была обнаружена в виде ничтожной
примеси к обыкновенной воде (0,015%).
В отличие от обыкновенной воды (Н2О), молекула
тяжелой воды (D20) содержит тяжелый изотоп водорода —
дейтерий (iH2). Ядро этого изотопа водорода состоит из протона
и нейтрона.
Из таблицы видно, что свойства обыкновенной и тяжелой
воды различны.
Свойства обыкновенной и тяжелой воды
Основные характеристики
Точка замерзания (в °С)
Точка кипения (в°С)
Максимальная плотность
Температура, соответствующая
максимальной плотности (в°С)
Обыкновенная
вода
0,0
100,0
1,000
4,0
Тяжелая
вода
3,82
101,42
1,1071
11,6
На живой организм тяжелая вода действует угнетающе,
в больших же количествах она ядовита. Семена, пропитанные
165

тяжелой водой, не всходят; рыбы, помещенные в нее, через
короткое время погибают.
Производство тяжелой воды оказалось делом весьма
долгим, сложным и трудным. Для того чтобы получить 1 кг тя*
желой воды, надо разложить не менее 6 т обыкновенной
воды, затрачивая на это огромное количество электроэнергии.
Поэтому очень часто вместо тяжелой воды в качестве
замедлителя используют графит предельно возможной химической
чистоты.
166

КРИТИЧЕСКАЯ МАССА
Хорошо известно, что никакими силами поджечь и
заставить гореть дальше маленький кусочек угля невозможно.
В то же время большая куча угля горит преотличнейшим
образом. Причина этого, казалось бы, непонятного
противоречия заключается в том, что химическая реакция горения
топлива, идущая при температуре 500—600° может
поддерживать сама себя только в том случае, если выделяющееся при
этом тепло в состоянии непрерывно нагревать до такой же
температуры и соседние слои топлива. А это возможно лишь
тогда, когда приток тепла к зоне горения превышает его
потери через поверхность еще холодного топлива. И чем
меньше кусочек угля, тем относительно больше его поверхность
(по отношению к массе), через которую может улетучиваться
это тепло. Так, например, у шара диаметром 20 см
отношение поверхности к объему составляет всего 0,3, в то время
как у шарика диаметром 2 см это же соотношение будет
равно 3, то есть в 10 раз больше. Естественно, что при
горении малый шарик будет терять в 10 раз больше тепла, чем
крупный.
Потери эти могут быть столь велики, что
самоподдерживающейся реакции горения не получится.
Нужен какой-то определенный минимальный физический
объем топлива, который назовем критическим.
Для того чтобы началась саморазвивающаяся цепная
реакция деления ядер атомов урана-235 или плутония-239,
нужно, чтобы после того, как какое-то одно самопроизвольно
разделившееся ядро атома выбросит два или три нейтрона,
эти нейтроны обязательно попали в соседние ядра атомов
делящегося вещества и разделили в среднем хотя бы чуть-
чуть больше одного ядра, а те выбросили тоже чуть-чуть
больше одного нейтрона, и т. д., умножаясь на какую-то
величину (коэффициент размножения К) с каждым новым
поколением.
Но нейтроны могут и не попадать в ядра соседних атомов.
Объем 1 г урана равен 0,053 см3 и содержит 2,56-1021 атомов.
А если сложить ядра этих атомов вместе, то они займут
только 4,1-Ю-15 см3, или одну десятитриллионную долю объема
этой горошинки урана, или примерно столько же
пространства, сколько шарик объемом 1 мм3 по сравнению с Солнцем.
Сплошная пустота!
В этих условиях нейтроны будут безнадежно
«промазывать» мимо цели и вылетать из кусочка урана наружу.
Никакой цепной реакции деления ядер урана не получится.
Но если взять слиток урана весом в несколько десятков
167

килограммов, то есть сферу диаметром 25—30 см, то
вероятность вылета нейтронов, не задевших по пути ядер атомов
урана, будет сводиться к минимуму. Следовательно, для
осуществления цепного процесса в уране необходимо, чтобы
слиток его был не меньше определенного объема или чтобы его
масса была не меньше определенной, критической
массы.
Но все сказанное относится к слитку, состоящему только
из одного делящегося вещества—урана-235 или плутония-239.
А в природном уране делящегося изотопа — урана-235 —
содержится всего 0,7%. Следовательно, чтобы
выбрасываемые при делении ядер урана-235 нейтроны тут же не
поглощались ядрами урана-238, составляющего остальные 99,3%
массы природного урана, его нужно разделить на какие-то
малые порции, например, б виде небольших патронов,
стержней или пластин, и отделить одну от другой сплошной массой
замедлителя нейтронов. Это необходимо для того, чтобы
вылетающие из таких небольших порций урана нейтроны (от
разделившихся ядер урана-235) с энергией 1—2 Мэв попали
в соседнюю порцию уже замедленными до тепловых
скоростей— 0,03 эв и, избежав тем самым опасности поглощения
ядрами урана-238, могли наткнуться там на ядра атомов
урана-235 и разделить их при самых благоприятных для
этого условиях.
Цепная реакция в уране может возникнуть лишь при определенных
размерах слитка. При малом объеме слитка (а) большинство
нейтронов вылетает за его пределы. При большом объеме слитка (б)
большинство нейтронов успевает делить ядра атомов урана. При
использовании отражателя нейтронов количество урана (в) для
начала в нем цепной реакции может быть значительно меньшим.

Такое рассредоточение урана на малые порции
вперемежку с веществом замедлителя увеличивает общую
критическую массу урана, в которой может быть возбуждена и
поддерживаться цепная реакция деления. Вместо нескольких
килограммов для чистого урана-235 или плутония-239 она
для природного урана будет равняться уже нескольким
десяткам тонн! Соответствующим образом увеличится и ее
объем.
КОГДА ОПОЗДАТЬ ЕЩЕ ДАЛЕКО НЕ ПОРОК
Исходя из указанных выше фактов и соображений,
Э. Ферми с сотрудниками приступил к конструированию
установки, в которой происходило бы контролируемое
высвобождение внутриядерной энергии. О других целях этого мы
расскажем немного позднее.
Эта установка представляла собой громоздкое
сооружение, в котором были совмещены блоки природного урана и
замедлителя, а называлась она ядерным реактором.
Но, кроме замедлителя, в ней необходимо было еще одно
приспособление, предназначенное, как это ни странно, для
поглощения нейтронов.
«Как же это так? — спросит читатель. — Ведь нужно было
специально подбирать замедлитель, чтобы он ни в коем
случае не содержал веществ, сколько-нибудь заметным образом
поглощающих нейтроны. С этой же целью требовалось
тщательно очищать уран. Зачем же здесь нужны поглощающие
вещества?»
Дело в том, что рассчитать точно величину коэффициента
размножения нейтронов очень трудно. Кроме того, число
нейтронов в реакторе по ряду причин может самопроизвольно
увеличиваться или уменьшаться. И, наконец, для того чтобы
реактор начал работать, его надо запустить.
Все это связано между собой цепью очень сложных и
тонких взаимодействий, объяснить которые на данной стадии
изложения просто невозможно. Поэтому скажем о самом
главном.
Для того чтобы в ядерном реакторе вообще могла
возникнуть цепная реакция, нужно, чтобы в нем находилось такое
количество урана и графита, при котором коэффициент
размножения нейтронов хотя бы на ничтожно малую величину
превышал единицу, то есть каждое деление ядра урана-235
сопровождалось бы появлением в среднем чуть-чуть больше
одного нейтрона.
В килограмме урана-235 имеется примерно 2,57 . 1024
атомов. И даже если цепной процесс в слитке был начат всего
169

одним нейтроном, то все это буквально астрономическое
количество атомов разделится приблизительно за миллионную
долю секунды! И если цепную реакцию деления искусственно
не замедлять (то есть не управлять ею), она окончится
мгновенным взрывом.
Даже при всех удивительных достижениях современной
электроники немыслимо создать контрольные устройства,
способные столь быстро отзываться на изменение уровня
мощности реактора.
Однако были некоторые соображения и такого порядка,
что работу реактора все же можно весьма надежно и
сравнительно легко контролировать, если учесть наличие так
называемых запаздывающих нейтро-нов.
Что это за нейтроны, почему, куда и как они запаздывают?
Для этого нам придется снова вернуться к процессу
деления ядер урана-235 или плутония.
Дело в том, что два-три нейтрона, выбрасываемые в
среднем при каждом таком делении, появляются не все сразу,
а в разное время.
Сначала вылетают мгновенные нейтроны, составляющие
примерно 99% от общего числа всех нейтронов.
Для этого требуется не больше 10~12сек с момента захвата
нейтрона ядром атома урана. И если бы существовали
только они одни, то возможно, что еще очень долгое время
о каком-либо контроле цепной реакции в делящихся
веществах вообще не было бы даже и речи.
Однако, к счастью, остальные нейтроны испускаются
осколками деления и запаздывают с вылетом примерно от
0,0001 сек до нескольких минут по сравнению с мгновенными
нейтронами.
Поэтому, если даже мгновенно остановить реактор, введя
в него вещества, особо жадно поглощающие нейтроны, то
в нем еще можно обнаружить испускание нейтронов,
выбрасываемых продуктами деления.
Именно эти запаздывающие нейтроны и подали мысль
о возможности контролировать ход цепной реакции, так как
только за их счет коэффициент размножения можно очень
точно сделать равным единице
Поясним это условным примером.
Допустим, среднее время жизни запаздывающих
нейтронов равно примерно 10 сек. Тогда среднее эффективное время
жизни всей совокупности нейтронов в делящемся уране
должно резко увеличиться и стать равным приблизительно
0,1 — 1,0 сек.
При таком времени жизни нейтронов появляются уже
реальные возможности надежно контролировать реактор не
по

только при помощи любых автоматических устройств, но и
вручную.
Мы уже говорили, что некоторые вещества жадно
захватывают нейтроны. Таковы, например, бор и кадмий.
Если некоторое количество длинных плоских стержней,
покрытых с обеих сторон такими поглощающими нейтроны
веществами, заранее ввести в ядерный реактор при его
сборке, то, даже если количество урана в нем будет заведомо
превышать критическую массу, цепная реакция не возникнет,
так как коэффициент размножения нейтронов все равно будет
меньше единицы. Они почти все будут «съедаться» ядрами
атомов кадмия или бора. И чтобы пустить реактор в работу,
нужно начать постепенно выводить из него один за другим
поглощающие стержни. В какой-то момент коэффициент
размножения нейтронов станет равным единице, а затем чуть-
чуть превысит ее, допустим на 0,001 долю. Однако никакого
мгновенного взрыва не наступит, так как увеличение
коэффициента размножения нейтронов будет осуществляться не за
счет основных, быстрых нейтронов (для которых К будет все
еще меньше единицы), а главным образом за счет
запаздывающих нейтронов. Вследствие этого увеличение мощности
реактора примерно в 10 тысяч раз произойдет не в течение
миллионных долей секунды, а в пределах 0,1 —1,0 сек или
дольше.
Таким путем, выдвигая контрольные стержни на ту или
иную величину, можно довольно точно установить любой
требуемый уровень мощности реактора — от нуля до его
предельной проектной мощности, причем на каждой такой
ступени коэффициент размножения нейтронов (быстрых плюс
запаздывающих) можно всегда сделать точно равным
единице. И автоматическим устройствам, управляющим
движением контрольных стержней, не составит труда выдерживать
его с абсолютной точностью.
Как только мощность реактора превысит заданную,
автоматическое устройство чуть-чуть опустит стержни внутрь.
Сразу же начнет поглощаться большее число нейтронов, и
коэффициент размножения снова упадет до единицы.
Теперь осталось разобрать еще один очень важный
вопрос, который особенно интересовал первых конструкторов
атомных реакторов.
Куда деваются нейтроны, которые поставляют делящиеся
ядра урана-235? Часть из них уходит наружу, часть делит
следующие ядра, а часть захватывается ураном-238 и
примесями. Это мы уже знаем. Но если захват нейтронов ядрами
примесей вреден и мы стремимся свести его к нулю, то можно
ли это сказать о захвате ядрами урана-238?
171

Конечно, нет. Ведь эти ядра под действием нейтронов
образуют плутоний — новое, искусственное делящееся вещество.
Немного раньше мы даже задавали вопрос о том, какой же
источник нейтронов надо иметь, чтобы получить плутоний
в достаточно больших количествах. Теперь этот источник
найден.
Атомный реактор одновременно является и источником
энергии, и своего рода фабрикой для получения плутония.
Конструкторов первого ядерного реактора больше
интересовала именно эта сторона вопроса, так как они искали
способы получения сырья для атомных бомб. В атомном
реакторе они нашли источник необходимых для этого нейтронов.
Вот, пожалуй, и все, что нужно предварительно знать,
чтобы зажечь первый в мире «атомный костер»
Его мощность была заранее ограничена небольшой
величиной, но ученые имели дело с неизвестной и грозной силой,
поэтому необходимо было заранее обезопасить себя. Ведь
в случае ошибочности всех этих предварительных
соображений и расчетов ядерная реакция могла оказаться
неконтролируемой, а реактор — добровольно и неосторожно взорванной
в лаборатории атомной бомбой.
„ЗЕРКАЛО" ДЛЯ НЕЙТРОНОВ
Если бы при конструировании ядерного реактора его
мощность и другие свойства зависели только от одной
критической массы используемого делящегося вещества, то
количество потребного урана достигало бы нескольких десятков,
а возможно, и сотен тонн, при соответственных размерах
всего сооружения. Поэтому еще до реального воплощения в
жизнь идеи создания ядерного реактора ученые были
вынуждены заняться вопросом: при каких условиях критическая
масса делящихся веществ чистого урана-235 и природного
урана (урана-238), а одновременно и размеры самого
реактора могут быть сведены к наивозможному минимуму?
И, в частности, нельзя ли найти способ резко уменьшить
количество нейтронов, безвозвратно покидающих массу
делящегося вещества, не встретив на своем пути подлежащего
делению ядра атома урана-235?
Ведь по мере нарастания числа делящихся ядер урана-235
количество таких вылетающих из реактора нейтронов будет
непрерывно увеличиваться, пока не установится состояние
равновесия, при котором увеличение числа нейтронов за счет
деления атомных ядер будет полностью компенсироваться
числом нейтронов, покидающих пределы реактора.
172

Тогда число делений в единицу времени достигнет
предельной величины, то есть реактор достигнет уровня своей
мощности.
Естественно, чем меньше размеры реактора, тем скорее
наступит такое равновесие, тем меньше будет мощность всей
установки. В самом маленьком реакторе цепная реакция
может вообще не наступить; ведь чтобы вылететь из такого
реактора наружу, нейтронам приходится пролететь
сравнительно небольшое расстояние, и они не успевают встретиться с
ядрами урана-235.
А что, если принять меры к возврату вылетевших за
пределы реактора нейтронов? Тогда размеры установки можно
было бы значительно уменьшить, не изменяя ее мощности.
Достигается это тем, что вокруг реактора сооружается
довольно толстая оболочка из вещества, хорошо
отражающего нейтроны, например графита. Отражатель — это тот же
замедлитель. Ведь нейтроны после соударений с ядрами
замедлителя могут отразиться и назад.
Претерпев многократные отражения при столкновении
с ядрами отражателя, большая часть нейтронов направится
обратно в реактор. Следовательно, число потерянных
нейтронов сократится, и тогда размеры реактора можно
значительно уменьшить.
„КОСТЕР" В ЛАБОРАТОРИИ
2 декабря 1942 года в г. Чикаго (США) в графитово-
урановом штабеле, или, как его называли иначе, котле,
собранном из урановых стержней, разделенных графитовыми
блоками, была возбуждена впервые в мире цепная ядерная
реакция. Главным действующим «лицом» в ней был нейтрон,
замедленный многократными столкновениями с ядрами
атомов графита до тепловой скорости.
Чтобы уберечь себя от неожиданностей, с самого начала
сборки внутрь штабеля были вставлены пластины, покрытые
с двух сторон слоем кадмия. Количество кадмия было
достаточно велико, чтобы «в случае чего» захватывать все
образующиеся в расщепляемом уране нейтроны.
Сборка штабеля производилась таким образом.
Из графитовых блоков вокруг будущего реактора
воздвигалось нечто вроде колодца со сплошными стенами и дном
толщиной около 60 см. Эта сплошная оболочка должна была
служить отражателем нейтронов.
Нейтроны, которые по тем или иным причинам
вылетели бы из реактора, не выполнив предназначенной им работы—
173

Бетонная
защита
Внутреннее устройство
первого ураново-графи-
тового ядерного
реактора.
расщепления соседних ядер урана-235, — попав в этот
сплошной слой углерода, отражались бы от него обратно в
реактор.
Дальше внутри колодца-отражателя выкладывались слои
графитовых блоков: один слой сплошной, другой слой из
блоков с двумя отверстиями, в которые вставлялись запаянные
в алюминиевые рубашки слитки металлического урана весом
примерно по 2,5 кг каждый.
Получалась объемная металлическая решетка, в которой
каждый слиток урана в рабочем блоке был обязательно
отделен от соседнего слитка слоем графита толщиной в один
сплошной графитовый блок Схема этого реактора показана
на рисунке.
Помимо каналов для введения кадмиевых пластин, в теле
штабеля было оставлено большое число отверстий,
проникающих в него на различную глубину. В отверстия помещались
чувствительные счетчики. Задачей их было улавливать
появление, а затем и нарастание признаков возникшей в
реакторе цепной реакции — радиоактивных частиц,
гамма-излучений и нейтронов.
По мере добавления числа урановых блоков одна из
174

кадмиевых пластин, первоначально полностью опущенных
внутрь штабеля, постепенно из него извлекалась.
И вот, наконец, когда был выложен 50-й слой блоков
с ураном и полностью извлечен один из кадмиевых стержней,
началась, как это и ожидалось, контролируемая цепная
реакция. После этого сверху было добавлено еще несколько
слоев сплошных графитовых блоков—крышка, отражающая
нейтроны, — и началось длительное и тщательное изучение
хода этой новой для физики реакции.
Первый котел имел довольно большие размеры: 9 X 6,3 X
Х9,6 м. Общий вес — более 1400 т.
Он содержал примерно 52 т урана, из которых около
10 т, помещенных в 3200 патронов, были чистым
(металлическим) ураном, а остальные 14 500 патронов наполнены
окисью урана, так как в то время металлического урана на
весь «штабель» еще не хватало.
На замедлитель и отражающий слой пошло около 472 т
графита.
Контроль и управление ходом реакции осуществлялись
вдвиганием и извлечением пяти бронзовых пластин длиной
около 5,2 м каждая, покрытых кадмием
Этот первый ядерный реактор был еще очень
несовершенным. Его тепловая мощность сначала была до смешного
мала — всего лишь Уго вг. Поистине комариная мощность!
Лишь позднее котел стал давать 200 вт.
Реактор не имел системы принудительного охлаждения;
полученную от него энергию никак не использовали.
Наконец, и система защиты от радиоактивных излучений в
первом опытном экземпляре отсутствовала.
Но ученых интересовало не это.
Теоретические расчеты, предсказания, относящиеся не
только к конструкции данного реактора, но и ко всему
с таким трудом возводимому зданию ядерной физики, могли
разлететься вдребезги или же, наоборот, получить самое
наглядное и бесспорное подтверждение в зависимости от
работы этой первой установки. Это была проверка опытом всей
предыдущей, почти полувековой, работы физиков, первая
попытка получить реальную энергию от ядерной реакции.
Зарождалась новая эра — эра атомной энергии.
Что касается самого реактора, то предсказания
относительно происходящих в нем процессов оправдались. Все они
в основном были именно такими, какими их и ожидали
увидеть ученые.
На самом деле все происходило не так уж гладко, в
обстановке временных неудач и опасений, вскоре сменившихся
ликованием ученых.
175

Пуск первого атомного реактора, как и следовало
ожидать, открывал множество дорог, по каждой из которых
теперь надлежало отправить очень сильный отряд ученых.
И трудно было предвидеть, встретятся ли они еще где-нибудь
друг с другом, кто пойдет дальше, кто вернется назад,
откуда и куда надо будет направить подкрепления и т. д.
В капиталистических странах самый большой отряд
ученых в первую очередь направили на производство атомного
горючего: урана-235 и плутония, необходимых для
производства самого страшного оружия современности — атомной
бомбы.
АТОМНАЯ БОМБА
Мы уже говорили, что деление одного ядра урана-235
происходит в течение ничтожно малого промежутка времени,
равного приблизительно одной стомиллионной доле секунды.
И если при каждом делении выбрасывается два-три нейтрона,
каждый из которых, в свою очередь, делит по одному новому
ядру, то примерно за одну миллионную долю секунды
успевают разделиться все 2,57 • 1024 атомов, содержащиеся в 1 кг
урана-235. Произойдет взрыв огромной разрушительной силы,
в ходе которого выделится энергия, соответствующая взрыву
приблизительно 2500—3000 г
самого сильного химического
взрывчатого вещества.
Однако такой взрыв может
произойти только, если количество
взятого урана-235 равно или больше
критической массы.
Для того чтобы началась цепная
реакция, помимо критической
массы, слиток урана-235 должен еще
обладать и самой компактной
формой (максимальным объемом при
минимальной поверхности).
Установить ее было самой
трудной задачей и очень большим рис-
Безоласный К0М ПРИ Конструировании ЯТОМНОЙ
объем
Для возникновения цепной ядерной реакции деления
при одном и том же объеме урана наиболее
выгодная форма — шар.
Самая
компактная
масса
урана
Все еще опасный
объем
т

бомбы. Ведь любые вычисления могли оказаться неточными,
а ошибка в этом случае наказывалась бы очень жестоко —
атомным взрывом.
Одна из возможных конструкций атомной бомбы показана
на рисунке. В ней критическое количество урана (или даже
Отражатель нейтронов Взрывной
Схема устройства атомной бомбы. Два слигка урана с
некритической массой (полушария), выстреленные навстречу
один другому, мгновенно соединяются вместе, образуя
критическую массу наиболее благоприятной формы (шар).
несколько большее) разделено на две полусферы, каждая из
которых заведомо меньше критической величины.
Полусферы разведены на достаточно далекое расстояние
одна от другой, и в этом положении цепная, реакция в них
возникнуть не может. Бомба совершенно безопасна.
Если теперь очень быстро сблизить полусферы, например
выстрелить ими одна в другую, то в момент их соединения
масса общего слитка превысит критическую, возникнет
саморазвивающаяся ядерная цепная реакция и произойдет взрыв.
Критическая масса каждой полусферы может быть
уменьшена, если ее окружить оболочкой, отражающей нейтроны
обратно в слиток урана.
Быстро сближать полусферы нужно потому, что цепная
реакция в общей сфере уже начинается за ничтожно малую
долю времени до полного сближения полусфер и силой начав-
12 Энергия атома
177

шегося взрыва куски урана могут быть разбросаны по
сторонам еще до деления всех заключенных в них ядер.
Препятствует этому и тяжелая плотная оболочка, окружающая
бомбу. По некоторым опубликованным в зарубежной печати
данным, в атомной бомбе может быть всего лишь несколько
килограммов урана-235 или плутония-239.
ЕЩЕ РАЗ О НЕЙТРОНЕ
Говоря до сих пор о захвате или поглощении нейтронов
ядрами атомов различных элементов, например ядрами ура-
на-238, мы намеренно упрощали истинную картину явления.
На самом деле этот процесс обладает удивительно сложным,
мы бы сказали, «хитрым» характером.
Итак, откуда у нейтрона столь необычные, резко
отличные от других ядерных частиц свойства и способности, хотя
и у тех имеется более чем достаточно своих собственных
удивительных свойств.
Мы уже упоминали ранее, что, аналогично кванту света,
любой движущейся частице материи наряду с
корпускулярными свойствами присущи также и свойства волны.
Так как масса нейтрона, по сравнению с любым, даже
ультрамикроскопически малым телом, ничтожно мала, то
в явлениях, господствующих в микромире, длина присущей
этой частице волны становится вполне ощутимой величиной
и в достаточной мере начинает проявляться по мере
замедления скорости нейтрона.
Нейтронам с высокой скоростью (энергией) движения
соответствует такая малая длина волны, что их волновые
свойства практически не проявляются.
Скорость нейтрона, однако, можно настолько замедлить,
что он полностью потеряет свойства частицы и будет вести
себя только как заправская волна света. Такие волны даже
способны отражаться от хорошо полированных поверхностей,
преломляться при переходе из одной среды в другую и т. д.
По этой причине возникают явные осложнения в
установлении истинных размеров нейтрона, ибо они, как это ни
покажется странным, зависят от скорости движения этой
частицы. Например, диаметр атома лежит в пределах
2—4'10~~8сж, диаметр ядра атома еще меньше — примерно
10~~13 см. Наконец, поперечник протона едва достигает
2 . 10~~14 см. А вот диаметр теплового нейтрона, обладающего
энергией в 0,03 эв, равен 2 . 10 ~8 см, то есть диаметру всего
атома. Дальше начинаются уже сплошные парадоксы.
Нейтрон оказывается в десятки тысяч раз больше диаметра ядра,
178

которое, в свою очередь, заключает в себе нейтроны, и не
один, а порой очень много Странно, но факт!
Такая невероятная способность частицы, «каких не
бывает» при определенных условиях, как бы разбухать, целиком
зависит только от ее волновых свойств.
Поэтому будет более правильным представлять себе
нейтрон со столь малой энергией не как частицу, а как волну
длиной 2 • 10 ~ь см.
Обладая длиной волны такой протяженности, нейтрон и
ведет себя, словно его размеры действительно соответствуют
диаметру атома.
В том случае, когда нейтрон движется с очень большой
скоростью, ему присуща малая длина волны. Тогда он
проявляет уже свойства частиц. А большая скорость, как мы уже
знаем, означает и большую энергию. Поэтому, чтобы
находиться внутри ядра атома, нейтрон должен обладать энергией
не менее 50 Мэв. Именно при такой энергии (скорости)
движения длина его волны будет равна или меньше 10~13сж.
Можно было бы, пожалуй, обойтись и без этих
сложностей, но тогда многое из того, что излагалось ранее, а
особенно то, о чем мы собираемся говорить дальше, может
показаться противоречивым, странным. Помня же двойственные
особенности поведения нейтрона: или быть больше частицей
(а следовательно, и уменьшить свои размеры), или быть
больше волной (а следовательно, как бы разбухать) в
зависимости от скорости (энергии) его движения, — эти
противоречия и странности уже не будут каждый раз казаться
слишком неестественными или искусственно придуманными
учеными, чтобы как-то обойти возникшие трудности.
А они возникают на каждом шагу, так как все основные
ядерные реакции имеют характер столкновений быстро или
медленно движущихся частиц или квантов излучения с
ядрами атомов других веществ. Следовательно, чисто ядерные
свойства и тех и других должны определяться некоторой
величиной дающей представление о вероятности их взаимного
столкновения,— так называемым поперечным сечением
ядра атома и ядерных частиц.
Эта величина, совершенно не употребительная в
обычной физике, является, как мы только что видели на примере
с нейтроном, совершенно необходимой в физике атомного
ядра.
Представьте себе, что вы охотитесь и стая птиц пролетает
над вашей головой. Вероятность попасть из дробовика в одну
из них пропорциональна размерам цели или, более точно, —
поперечному сечению (площади) цели в момент выстрела.
Естественно, что шансы попасть в коршуна при этом зна-
12*
179

чительно выше, чем, скажем, в воробья. А если бы птицы
были размером со слона, результаты стрельбы были бы еще
более успешными. Более того, если бы размер каждой
дробинки в момент встречи с целью увеличился до размера
футбольного мяча, шансы попасть в нее увеличились бы еще
больше.
Другими словами, возможность встречи между дробью и
дичью прямо пропорциональна размерам цели и
применяемого снаряда. Эти шансы увеличивались бы или
уменьшались, если бы в силу некоего волшебства и дробинки и цель
могли бы в случае нужды увеличиваться в размерах порознь
или одновременно.
Приблизительно то же самое происходит, когда мы
направляем поток частиц на какое-либо вещество.
Часть их сразу же столкнется с атомами облучаемого
вещества, другие же пролетят мимо. Если размер частиц-
«снарядов» и атомов мишени при этом можно каким-то
образом увеличить (для нейтрона это достигается замедлением
его скорости), то их шансы столкнуться резко увеличиваются.
И наоборот.
Таким образом, поперечное сечение частиц и атомов —
это мера вероятности их столкновения. Большее поперечное
сечение (или просто сечение) соответствует большей
вероятности столкновения.
Термин «поперечное сечение» оказался весьма удобным
для описания целого ряда явлений ядерной физики.
Например, когда мы говорим, что уран-235 имеет некоторое
поперечное сечение деления, это, естественно, относится к
вероятности. Когда на идеально тонкую пленку урана направлен
пучок нейтронов, то некоторое количество их столкнется
с ядрами урана и вызовет их деление. Когда же мы говорим
о поперечном сечении ядра атома упругому столкновению, это
означает вероятность таких столкновений, при которых не
происходит поглощения и частицы отскакивают одна от
другой, как идеальные бильярдные шары.
Каким же в таких случаях может быть поперечное
сечение ядра атома?
В большинстве случаев ядро атома ведет себя так, как
если бы оно имело диаметр, равный примерно 10~13 см, или
поперечное сечение порядка 10~24 см2. Эта величина,
принятая за единицу измерения, называется б а р н. Она
изменяется, увеличиваясь от легких элементов к тяжелым, а также,
что очень важно и о чем мы говорили до этого, от характера
ядерной реакции, типа обстреливающих частиц и их энергии
(скорости)
Поперечное сечение в 1 барн считается вообще большим,
180

С какими же поперечными сечениями атомов мы имеем
дело при ядерных реакциях?
Больше всего нас интересует поперечное сечение
делящихся веществ, в частности урана-23£, плутония-239 и урана-233.
Когда ядро атома урана-235 делится на два осколка,
выбрасываемые этими осколками лишние нейтроны имеют
весьма большую энергию, равную в среднем 2 Мэв.
Поперечное сечение деления ядра урана-235 для таких
обладающих высокой энергией нейтронов получается
относительно небольшим. Большая часть их проскакивает мимо.
Однако оно оказывается весьма большим для очень
медленных нейтронов, движущихся с тепловыми скоростями около
0,03 эв. И тогда последним очень трудно избежать
столкновения с ядрами урана-235.
Вот почему, если нужно возбудить в уране-235 цепную
реакцию деления, крайне выгодно замедлить скорость
нейтронов. Это можно сделать, если заставить быстрые нейтроны
сталкиваться с ядрами атомов тех веществ, столкновения
с которыми носят упругий характер.
Однако искусственно создавая такие столкновения, мы
должны быть уверены, что нейтроны не ввязываются в
какой-либо процесс поглощения, или, иначе, вещество
замедлителя должно иметь как можно большое поперечное сечение
для упругих столкновений и как можно малое для захвата
и поглощения нейтронов.
Здесь следует подчеркнуть важность предельной чистоты
применяемых в качестве замедлителя материалов. Например,
если в качестве замедлителя применяется углерод,
«загрязненный» присутствием всего 10 частей бора на миллион
частей углерода, число нейтронов, поглощенных только этой
примесью бора, будет равно числу нейтронов, поглощенных
всей остальной массой углерода.
Борьба между полезным и вредным использованием
нейтронов и является предметом постоянной заботы ученых.
Если мы построим кривую зависимости поперечного
сечения урана-238 от энергии нейтронов, то увидим, что эта
кривая имеет острый максимум, или резонанс, где-то около
7 эв, между энергией нейтронов, вылетающих из делящихся
ядер урана-235 (2 Мэв), и энергией, требуемой для наиболее
легкого деления урана-235 (0,03 эв).
Но если мы начнем просто замедлять нейтроны, то
неизбежно понесем большие потери, когда будем приближаться
и проходить через область резонансного поглощения
нейтронов в уране-238.
И еще одно обстоятельство.
Когда ядерное горючее претерпевает процесс деления, из
181

него образуются элементы, занимающие место в середине
периодической таблицы элементов. Некоторые из этих
атомов имеют малое поперечное сечение поглощения нейтронов,
другие, наоборот, очень большое и играют роль паразитов,
уменьшающих количество нейтронов.
Поэтому, во избежание «зашлаковывания» ядерного
горючего, продукты деления должны как можно скорее из него
удаляться. К сожалению, это не всегда выполнимо.
ДОРОГА В„ЗАУРАНЬЕ"
В начале главы мы уже говорили, правда очень кратко,
об одном из самых удивительных и, пожалуй, самых
длительных заблуждений, в результате которого величайшее
научное открытие нашего века — деление ядер атомов урана
при его бомбардировке нейтронами — задержалось по
крайней мере на пять лет. Правда, зная, что произошло
впоследствии, к такому запозданию можно, пожалуй, полностью
применить пословицу: «Нет худа без добра».
Гениальное чутье Э. Ферми, об этом мы тоже упомянули
только вскользь, все же привело к открытию в 1940 году
американскими учеными уже подлинных трансурановых (заура-
новых) элементов — 93-го нептуния и 94-го плутония.
Чудеса потому и называются чудесами, что случаются не
часто и не подряд, и, естественно, второго чуда подобных же
масштабов и последствий не произошло.
Параллельно с огромным размахом работ по получению
делящихся веществ усилия ученых США, куда в конце концов
перекочевали не только все работы в области получения
трансурановых элементов, но и большинство их инициаторов
из окружения Ферми, сосредоточились на бомбардировке
тяжелых элементов, в том числе и первых трансурановых —
нептуния и плутония, тяжелыми частицами — ядрами
дейтерия, альфа-частицами и многозарядовыми ионами в
специально сконструированных мощных ускорителях.
В общей сложности с 1940 года и по настоящее время
было получено 12 искусственных трансурановых элементов —
примерно по одному новому элементу каждые два года.
Эти 12 элементов занимают места с 93 по 104 в
периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Их массовые
числа лежат в пределах от 231 до 260.
Два из них — плутоний и нептуний, превращающийся
затем в плутоний, — в настоящее время производятся тоннами.
Пять были получены в заметных количествах, а атомы
остальная* элементов — буквально поштучно.
182

В порядке атомных номеров новым элементам были даны
следующие названия:
Атомный
номер
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
Название
Нептуний
Плутоний
Америций
Кюрий
Берклий
Калифорний
Эйнштейний
Фермий
Менделевий
?
Лоуренсий
Курчатовий
Обозначение
Np 239
Pu 238
Am 241
Cm 242
Вк 243
Cf 245
Es 253
Fm 255
Md 256
? 254
Lw 257
"> 260
Период
полураспада
2,35 дня
86,4 года
458 лет
162,5 дня
4,5 час
44 мин
20 дней
22 нас
1,5 час
3 сек
8 сек
0,3 сек
Каждый из этих элементов имеет по нескольку изотопов.
Всего было создано и изучено более ста изотопов
трансурановых элементов.
Все их удалось получить, грубо говоря, «загоняя» один
или два протона в ядро уже существующего элемента с
помощью ускорителя частиц, хотя этого же результата можно
добиться, добавляя в них один или несколько нейтронов.
Открытие деления ядер на многие годы затмило все
другие достижения ядерной физики, в том числе и работы по
созданию трансурановых элементов.
Несколько первых таких элементов были созданы в
результате бомбардировки мишени, изготовленной тоже из
трансуранового элемента, но с меньшим атомным весом.
Например, первые несколько атомов 95-го элемента (америция)
были получены в результате облучения потоком нейтронов
плутония. И только через несколько лет удалось получить
более ощутимое количество этого элемента, облучая плутоний
уже в ядерном реакторе. Захватив последовательно один за
другим два нейтрона, ядро атома плутония испускает
электрон и превращается в ядро одного из изотопов америция.
Эта реакция выглядит так:
94Ри239+ о"1 ~> 94Ри2404- „л1 -> 94Pu241 -> 95Am241 + е~.
Элементы 96 (кюрий), 97 (берклий), 98 (калифорний) и
101 (менделевий) были впервые получены в результате
бомбардировки плутония-239, америция-241 и кюрия-242 ядрами
гелия. В каждом случае ядро гелия, состоящее из двух ирото-
183

нов и двух нейтронов, сливается с тяжелым ядром. При этом
положительный заряд тяжелого ядра повышается на две
единицы, а один или два нейтрона улетучиваются.
Элементы 99 (эйнштейний) и 100 (фермий) были
обнаружены в радиоактивном облаке на высоте более 16 км,
образовавшемся после первого термоядерного взрыва,
произведенного США на одном из островов в южной части Тихого
океана.
Исследования показали, что в результате термоядерного
взрыва произошел совершенно необычный с научной точки
зрения случай. Ядра урана-238, который также входил в
состав взорванного устройства, оказались способными
захватить сразу до 17 нейтронов! В результате образовался
чрезвычайно тяжелый изотоп урана, имеющий атомный вес 255
(вместо 238), который в процессе последующего
радиоактивного распада последовательно превращался в более тяжелые
трансурановые элементы, включая 99 и 100
Позднее были найдены другие способы получения этих же
элементов в ядерном реакторе, создающем очень плотный
поток нейтронов.
После того как была набрана некоторая толика
эйнштейния, он был подвергнут бомбардировке ядрами гелия в
циклотроне, в результате чего были получены атомы элемента
с атомным номером 101, который открывал вторую сотню
химических элементов периодической системы. В честь ее
автора этот элемент был назван менделевием.
Ядерная реакция его образования выглядит довольно
просто:
99Es253+2He*->10IMd256-f о"1.
Через полтора часа половина его распадается,
превращаясь в изотоп фермия, а тот, в свою очередь, сразу
распадается на два осколка.
Путем головоломно сложных и длительных процессов
выделения этого элемента, о которых, к великому сожалению,
мы не имеем возможности рассказать даже «на бегу», было
получено всего— 17 атдмов!
С элементом 102 произошел целый ряд курьезов. После
того, как о его открытии в 1956 году было объявлено
сотрудниками Нобелевского института в Стокгольме, а затем в
1958 году — в США, выяснилось, что оба эти сообщения
оказались несостоятельными. Этот элемент, который
поторопились назвать нобелием, числится пока безымянным. Один
из его изотопов был получен в 1961 году группой физиков
в г. Дубне в процессе бомбардировки кюрия ионами
углерода. Атомный вес этого изотопа равен 253, период
полураспада около 3 сек.
184

Элемент 103 удалось получить только в апреле 1961 года
после бомбардировки мишени из калифорния ионами бора,
разгоняемыми в линейном ускорителе. Так как калифорний
имеет атомный номер 98, а бор — атомный номер 5, ученые
предположили, что если ядра этих двух элементов
соединятся, то должен возникнуть элемент с атомным номером 103.
И хотя в распоряжении ученых имелось всего 3
микрограмма калифорния — количество, видимое только в
микроскоп, — им удалось зафиксировать образование нового
элемента в ходе следующей реакции:
эвС^+бВ^^^зХ^+бо/г1,
то есть реакция в мишени сопровождается испусканием сразу
пяти нейтронов!
В честь первого изобретателя циклотрона лауреата
Нобелевской премии Э. О. Лоуренса элемент 103 был назван
лоуренсием
Честь создания элемента 104 целиком принадлежит
коллективу советских физиков во главе с
членом-корреспондентом Академии наук СССР Г. Н. Флеровым. Новый элемент
был получен на уникальном ускорителе многозарядовых
ионов, дающем в 100 раз более плотный поток частиц, чем
все другие ускорители в мире. Опознать новый элемент
удалось благодаря оригинальному методу непрерывного
разделения продуктов ядерных взаимодействий, ибо период
радиоактивного распада нового элемента с атомным весом 260
оказался равным всего 0,3 сек.
В результате многосуточных опытов было
зарегистрировано 150 атомных ядер искомого элемента, что можно
считать большим достижением.
Самое же важное заключается в том, что элемент 104 по
своим химическим свойствам резко отличается от остальных
трансурановых элементов и является химическим аналогом
гафния (элемента 72), а следовательно, открывает новую
группу сверхтяжелых элементов со специфическими
химическими свойствами, что подтверждает правильность
периодической системы элементов и в новой области трансурановых
элементов.
Для получения элемента 104 мишень из плутония
облучалась потоком ионов неона, в результате чего образовалось
сильно возбужденное ядро этого элемента с атомным
весом 264. В одном случае на миллиард оно испускало четыре
нейтрона и оказывалось уже в невозбужденном состоянии
с атомным весом 260. В честь советского физика И. В.
Курчатова первооткрыватели нового элемента предложили назвать
его курчатовий.
185

Исходя из закономерностей периодической системы
элементов, а также химических свойств некоторых уже
изученных трансурановых элементов, ученые предполагают
получить еще более тяжелые трансурановые элементы примерно
до 126-го, если период их полураспада будет достаточно
велик, чтобы успеть опознать их химически.
В качестве бомбардирующих частиц вместо ядер гелия,
видимо, придется применять все более и более тяжелые
ионы — азота, неона, углерода, а возможно, и тяжелее.
Именно для этих целей в ряде стран построены ускорители
многозарядовых ионов
Может возникнуть вопрос: а есть ли какой прок
добиваться получения этих элементов, особенно короткоживущих
можно ли ожидать их использования в какой-либо области
ядерной техники?
В самом начале книги были показаны три семейства
природных радиоактивных элементов, родоначальниками
которых являются уран-238, торий-232 и актиний-235. Тот факт,
что образуемые ими цепочки элементов находятся в
процессе интенсивного радиоактивного распада,
свидетельствует, что все они являются продуктами распада каких-то
других, более тяжелых и тоже радиоактивных элементов, ныне
в окружающей нас природе не существующих и цепочки
которых, очевидно, простирались довольно далеко в сторону
еще более тяжелых атомных весов.
Все, что можно узнать об этом, представляет собой
огромный интерес для позндния процессов мироздания, в
частности происхождения и эволюции звезд и звездных систем.
Как мы уже говорили, плутоний является основой
современной атомной энергетики и производится в больших
количествах. Кюрий-242 может служить концентрированным
источником энергии для компактных и в то же время мощных
атомных батарей, так как обладает удачным сочетанием
длительности полураспада (162,5 дня) с высокой энергией альфа-
излучения.
Как можно будет использовать другие элементы, пока
сказать трудно, но их изучение, бесспорно, откроет новые
заманчивые области применения.

Г А А В А
ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР
КАКИЕ БЫВАЮТ РЕАКТОРЫ?
Ядерный реактор в совершенном его виде является
чудесным источником, способным непрерывно поставлять человеку
энергию, скрытую в ядрах атомов урана и плутония.
Устройство его оказалось, по сути дела, сравнительно несложным,
а регулировка и контроль за его работой вполне надежными.
Ядерный реактор — основа современной атомной техники.
Принципиальная сторона процессов, происходящих в
атомных котлах, нам уже известна из предыдущих глав.
Рассказать о всех существующих и проектируемых типах реакторов
нам, конечно, не удастся, да вряд ли это и нужно. Поэтому
здесь мы познакомимся только с некоторыми основными
типами.
Ядерные реакторы можно классифицировать по целому
ряду признаков, например по тому, какой в них применяется
замедлитель. Если расщепляющиеся материалы — уран и
плутоний — размещаются небольшими порциями, отделенными
одна от другой замедлителем, то такие реакторы называются
гетерогенными.
187

Существуют реакторы гомогенного типа. В них уран
перемешан с замедлителем, например очень мелкий порошок
урана или же какая-нибудь его соль растворена в обычной
или тяжелой воде.
Иногда для этой цели применяют и другие жидкие
замедлители.
Существуют реакторы, которые вовсе не имеют
замедлителя. Они работают на быстрых нейтронах, в них происходит
деление чистого урана-235, плутония-239 или урана-233.
Можно классифицировать реакторы с точки зрения энергии
используемых в них нейтронов. Тогда говорят об атомных
реакторах на быстрых промежуточных или
медленных нейтронах.
Можно делить реакторы, исходя из того, для каких целей
они служат: например, реакторы для производства плутония,
реакторы для научно-исследовательских целей без
производства плутония, реакторы для получения тепла, используемого
для генерирования электроэнергии или в двигателях, и,
наконец, реакторы смешанного типа, могущие быть одновременно
и тем, и другим, и третьим.
В последние годы реакторы чаще всего классифицируют
по виду используемого в них замедлителя и по
теплоносителю: например, водо-водяной, графито-водяной и т. п.
И В КАРАНДАШЕ, И В РЕАКТОРЕ
По возрасту реакторы с замедлителем из графита самые
старшие. Первый такой реактор был сооружен в 1942 году
под руководством Э Ферми. Мы уже рассказывали о его
устройстве. Подавляющее большинство построенных по сей
день реакторов в качестве замедлителя имеют графит.
Внешне современный гетерогенный реактор похож на
многоэтажную боевую рубку военного корабля. Такие же мощные
серые стены, множество отверстий, заделанных массивными
дверями или крышками на сложных запорах, переходные
мостики, опоясывающие сооружение на разных этажах, большое
количество самой различной аппаратуры и инструментов,
напоминающих какие-то неведомые орудия. Подъемные краны,
лебедки и лифты усугубляют впечатление внушительности
сооружения.
Скелетом реактора является громадная рама, собранная
из большого количества рядов горизонтально или вертикально
расположенных длинных алюминиевых труб, напоминающих
соты гигантских ульев.
Трубы эти открыты с одного или с обоих концов, и в них
188

Одна из конструкций гетерогенного реактора со стороны, с которой
в него закладываются патроны с ураном.
вставляются один за другим множество небольших,
запаянных в рубашку патронов с природным ураном или сплошные
стержни.
После того как уран-235 по истечении определенного
времени расщепится, патроны извлекаются наружу. Во время
работы реактора отверстия труб закрыты толстыми
многослойными пробками, не пропускающими опасные
радиоактивные излучения.
Уран размещается в трубах только в центральной части
реактора — в его рабочей зоне, примерно на расстоянии 2—
3 м от его стен. В полученную таким образом
пространственную решетку реактора может входить несколько десятков тонн
природного урана.
Все свободное пространство между трубами в рабочей
зоне реактора заполнено кирпичами, сделанными из графита
высокой чистоты, какой только может получить современная
химическая промышленность. Даже миллионная часть
примеси к графиту каких-либо других веществ, большинство
которых, как правило, поглощает нейтроны, в несколько раз
снижает полезный поток нейтронов, пронизывающих реактор.
В обычном урано-графитовом реакторе используется
несколько сот тонн такого графита.
В толще реактора имеются каналы, в которые до запуска
189

реактора вдвигается несколько пластин, покрытых слоем
вещества, поглощающего нейтроны. Никакими силами нельзя
запустить атомный котел, пока в него полностью вдвинуты эти
пластины. Они так и рассчитаны.
Реакция начнется только тогда, когда пластины одну за
другой постепенно извлекают из реактора. Количество
нейтронов, поглощаемых в них, постепенно уменьшается, и, наконец,
наступает момент, когда в реакторе начинается медленное
нарастание ядерной реакции. Понемногу выдвигая эти
пластины дальше, можно среднее количество нейтронов,
участвующих в цепной реакции, увеличить еще больше, и тогда
мощность реактора дойдет до предельной. Мы уже говорили об
этом процессе.
Обычно для регулировки скорости цепной реакции
используют всего одну-две кадмиевые пластины. Остальные две-три
пластины всегда стоят наготове, чтобы при нажатии кнопки,
в случае если скорость реакции превысит безопасные границы,
мгновенно ввести их внутрь реактора. Если подача
электрического тока к системе управления ядерного реактора по
каким-либо причинам прекратится, то пластины автомати
чески вдвинутся или упадут внутрь реактора и заглушат его.
Так, собственно говоря, и производится управление
реактором, то есть ходом цепной реакции в нем.
После заполнения графитом промежутков между трубами
все рабочее пространство реактора окружают сплошной
толстой оболочкой из графита. Эта оболочка и служит
отражателем нейтронов. Наличие такого отражающего слоя
позволяет значительно уменьшить количество закладываемого в
реактор урана за счет более полного использования наличных
нейтронов.
С первой же секунды работы реактора в нем начинают
появляться в непрерывно нарастающих количествах
радиоактивные продукты расщепления урана-235, которые,
оставаясь в рабочей зоне реактора, способны поглощать нейтроны,
тем самым уменьшая их общий поток.
Это поглощение со временем увеличивается настолько, что
нормальная работа реактора становится затрудненной и
приходится производить замену урановых стержней, даже
несмотря на то, что в них осталось еще некоторое количество не-
расщепившегося урана-235.
В толще реактора обычно устраивается целый ряд
каналов— слепых или сквозных. В одни из них вводится
измерительная аппаратура: ионизационные приборы, позволяющие
контролировать ход цепной реакции и автоматически ее
регулировать; счетчики, измеряющие плотность потока нейтронов
(количество нейтронов, проходящих через поверхность пло-
190

шадью 1 см2/сек); термометры для измерения температуры
в разных зонах и узлах реактора и т. д.
В другие каналы помещают патроны, наполненные
различными веществами, которые подвергают действию мощного
потока нейтронов, например для получения искусственных
радиоактивных элементов или изучения влияния различных
радиоактивных излучений на разнообразные материалы.
В ряде конструкций облучаемые материалы вводятся в
реактор и извлекаются' из него при помощи специальных
мощных пневматических устройств. Патрон с подлежащим
облучению веществом при помощи сжатого газа (мало
поглощающего нейтроны гелия) выстреливается внутрь реактора и
через определенное время выстреливается из него обратно
прямо в измерительную установку.
Для научных исследований очень важно получить потоки
нейтронов с определенной плотностью или определенной
энергией. Поэтому реакторы имеют специальные
приспособления для вывода этих нейтронов из самой середины
реактора наружу.
Для ряда исследований необходимы замедленные
нейтроны. Чтобы вывести их из центра реактора, в его толще
проделано отверстие сечением до 1,5 м, в которое входит конец
графитовой колонны. Попадающие в нее нейтроны
замедляются так же, как и в обычном графитовом замедлителе.
Колонна эта сплошная, нигде не пересекающаяся урановыми
стержнями и защитными слоями. По ней сильно замедленные
нейтроны выводятся наружу, где и попадают в
соответствующие установки.
Выходное отверстие графитовой колонны закрыто
массивной многослойной пробкой из свинца, кадмия и стали. В
пробке могут открываться и закрываться отверстия любого
необходимого диаметра.
Обычно все устройствам приборы, которыми оснащается
реактор, устанавливаются в специальных лабораториях,
размещаемых в примыкающих к нему помещениях (иногда на
крыше реактора). В эти помещения и выводятся концы
графитовой колонны и каналов, пронизывающих реактор в
различных направлениях.
Охлаждение ураново-графитового реактора
осуществляется несколькими способами.
Маломощные, а также некоторые экспериментальные
реакторы выделяют сравнительно небольшие количества тепла,
поглощаемого, а затем рассеиваемого массой тела всего
реактора. Специальной системы охлаждения они не требуют.
Более мощные реакторы охлаждаются потоком воздуха
или какого-нибудь газа, продуваемого сквозь многочисленные
191

отверстия в графитовых блоках замедлителя и в отражающей
рубашке. Часто для охлаждения используется вода или
какая-нибудь другая жидкость, пропускаемая сквозь
аналогичные отверстия в реакторе. При этом и вода и воздух
становятся радиоактивными.
Весьма важным элементом реактора является его так
называемая биологическая защита от радиоактивных излучений.
Кроме того, надо защититься и от самых коварных
микрочастиц— нейтронов. Они очень активно взаимодействуют
с различными элементами, создавая в них наведенную
радиоактивность.
Чтобы полностью обезопасить людей, обслуживающих
реактор, его окружают стеной из бетона и веществ, сильно
поглощающих все вредные излучения. Эта стена имеет
толщину не менее 2,0—2,5 м и окружает не только сам реактор,
но и почти все его вспомогательные устройства
Столь мощная защита значительно увеличивает объем и
вес реактора. На каждый кубический метр его полезного
объема приходится от 40 до 100 г бетонной или иной защиты.
РЕАКТОР С ТЯЖЕЛОЙ ВОДОЙ
Ядра атома углерода в шесть раз тяжелее дейтронов
(ядер тяжелого водорода) и поэтому примерно во столько же
раз хуже замедляют нейтроны. Значит, применение тяжелой
воды в качестве замедлителя нейтронов, кроме ряда чисто
физических преимуществ, позволяет значительно уменьшить
объем, а следовательно, и вес реактора. В ряде случаев это
является решающим обстоятельством.
Помимо этого, тяжелая вода может одновременно быть
использована и в качестве охлаждающей среды.
Вот как устроен один из таких реакторов (см. стр. 193).
Основой его служит алюминиевый бак диаметром около
2 м и высотой примерно 2,5 м с толстыми и прочными
стенками. В бак входит около 6,5 т тяжелой воды.
Своим верхним фланцем бак опирается на колодец,
выложенный из графитовых блоков толщиной около 60 см.
Этот колодец служит отражателем нейтронов.
Колодец снаружи заключен в двухслойную металлическую
рубашку толщиной 10 см, сделанную из слоев кадмия и
свинца. Назначение рубашки довольно хитрое: нейтроны, которые,
несмотря на толстый отражающий слой графита, все же
проникнут сквозь него, поглощаются в кадмиевом слое
рубашки. Поглотив нейтроны, ядро атома кадмия становится
радиоактивным и, распадаясь, излучает гамма-лучи, которые
и задерживаются (ослабляются) свинцовым слоем рубашки,
192

Регулирующие
стержни
Отражатель
нейтронов
(графит»
Реактор
Бак для спуска
тяжелой воды
Разрез реактора с тяжелой водой.

Сверху бак закрыт массивной металлической крышкой,
в которой в вертикальном положении закреплены 120
алюминиевых трубок длиной 185 см и диаметром 2,5 см каждая.
В эти трубки вставляются специальные стержни с
запаянными в алюминиевые патроны слитками урана весом по 2,5 кг
каждый. В такую напоминающую гигантскую щетку обойму
вмещается до 2,5 т природного урана.
К крышке бака прикреплено также несколько труб, в
которые опускают необходимые для работы реактора
измерительные приборы и вещества, подлежащие облучению
мощным нейтронным потоком. В других трубах находятся
кадмиевые стержни, регулирующие ход цепной реакции.
Снаружи реактор с тяжелой водой, так же как и все другие,
обнесен бетонной стеной толщиной 2,5 м. Для облегчения
доступа к реактору верхняя, углубленная в бетонный колодец
часть закрыта многометровой съемной подушкой из
нескольких слоев свинца, кадмия и стали.
Реактор охлаждается той же самой водой, которая
служит в нем замедлителем нейтронов. Она непрерывно
циркулирует между баком и холодильником, который, в свою
очередь, или охлаждается обычной речной водой, или
обдувается мощным потоком охлажденного воздуха.
Помимо кадмиевых стержней, для аварийной остановки
реактора служит еще специальный выпускной клапан —
через него в течение нескольких минут можно выпустить в
специальный запасной бак тяжелую воду из рабочего бака. Без
замедлителя цепная реакция в природном уране немедленно
прекращается, так как быстрые нейтроны начинают
поглощаться ураном-238, и коэффициент размножения падает,
становясь меньше единицы.
В остальном реактор с тяжелой водой оснащен так же,
как и урано-графитовый.
ГОМОГЕННЫЙ РЕАКТОР
Свое название реактор получил от того, что, в отличие
от рассмотренных выше типов, в нем уран распределен в
замедлителе не отдельными порциями, а равномерно.
Для этого в тяжелой воде растворяют одну из солей
урана, например, сульфат уранила. Обычно реакторы подобного
типа работают на обогащенном уране, в котором
искусственно увеличено количество делящегося изотопа — урана-235.
Сердцем гомогенного реактора является сфера из
нержавеющей стали диаметром 30 см. В ней и находится раствор
соли урана в тяжелой воде.
194

Канал для облучения
вешеств 9 реакторе
Холодная
вода
спуска
тяжелой воды
Гомогенный реактор. Сбоку показана рабочая зона — сфера из
нержавеющей стали, в которой находится раствор соли урана в тяжелой воде.
Благодаря высокой концентрации урана-235,
исключительно малому размеру реактора и применению тяжелой воды
в качестве замедлителя цепная реакция в нем может
начаться, когда в растворе будет находиться всего лишь около 1 кг
урана-235.
13*
195

В этом отношении реактор довольно близок по размерам
к атомной бомбе. Однако такой реактор является
саморегулирующимся, то есть практически взрывобезопасным.
Происходит это саморегулирование следующим образом.
Когда скорость цепной реакции в уране, а следовательно,
и развиваемая реактором мощность, увеличиваются, сильно
повышается температура раствора. Вследствие этого его
объем, а значит, и расстояние между ядрами атомов
водорода, входящего в состав воды, увеличиваются. Количество
столкновений нейтронов с ядрами водорода в этом случае,
естественно, уменьшается. Для того чтобы в этих условиях
скорость нейтронов замедлилась до тепловой, потребуется
значительно больше времени, чем раньше. Скорость реакции
вследствие этого замедляется, и мощность реактора падает;
температура раствора понижается, атомы водорода снова
сближаются, и скорость реакции восстанавливается на
заданном уровне.
Несмотря на такую способность раствора солей урана
автоматически самоограничивать скорость течения цепной
реакции, реактор все же снабжен комплектом кадмиевых
стержней для тонкой регулировки хода реакции, ее
уменьшения и для полной остановки котла в случае необходимости
или аварии.
Рабочая сфера реактора заключена в облегченную
двухслойную отражательную оболочку из графита и бериллия.
Внутри оболочки помещен змеевик, по которому прогоняется
обычная вода, охлаждающая раствор урана и уносящая тепло
к месту его использования.
Гомогенный реактор — самый маленький из всех других
известных типов, и его мощность может быть доведена до
очень высокого уровня, ограничиваемого лишь способностью
змеевика отводить тепло.
Но, увы... он так же, как и все другие, должен
заключаться в бетонную защитную оболочку с толщиной стен не
меньше 2,0—2,5 м.
В самый центр сферы вводится еще одна трубка, для того
чтобы через нее можно было вывести из самого «горячего»
места реактора мощный поток нейтронов к разного рода
измерительным установкам.
Область использования таких реакторов —
научно-исследовательские работы, производство радиоактивных изотопов
и очень компактный источник энергии для двигателей.
К некоторым более существенным деталям устройства
различных типов реакторов мы еще будем возвращаться в
следующих главах книги.

АТОМНОЕ „ПЛАМЯ" ПОД ВОДОЙ
Идея этого реактора возникла из желания изучить
способность обычной воды поглощать излучения, возникающие
в реакторе, а также исследовать возможность использования
в качестве замедлителя нейтронов обыкновенной воды вместо
дорогостоящей и остродефицитной тяжелой. Решение обеих
этих проблем исключительно важно для использования
ядерного реактора в качестве источника энергии для
всевозможных двигателей.
Пульт
управления
Бетон
Устройство реактора, погруженного в воду.

Собственно реактор представляет собой клетку из
алюминия с размерами 40 X 30 X 60 см, в которую вставлено
большое количество кассет с пластинами обогащенного урана.
Отражающим слоем для нейтронов служит оболочка из
тонкого слоя окиси бериллия. При помощи легкой фермы,
укрепленной на мостовом кране, реактор погружается в бассейн
с обыкновенной водой емкостью около 400 ж3 Мостовой кран
установлен на тележках, которые передвигаются по
специальному рельсовому пути, проложенному вдоль бассейна.
Благодаря такому устройству реактор может быть
установлен в любой точке бассейна и опущен на любую глубину.
Замедлителем нейтронов в нем служит проникающая в
пространство между урановыми пластинками вода бассейна,
которая одновременно является и охладителем реактора
Бетонные стены бассейна служат одновременно
дополнительной биологической защитой.

ПРОМЫШЛЕННОСТЬ,
КАКОЙ ЕЩЕ НЕ БЫЛО
САМАЯ МОЛОДАЯ ОТРАСЛЬ
Мы хорошо знаем и привыкли к таким названиям, как
металлургическая, электротехническая, химическая
промышленность. Нас не смущают даже такие, казалось бы,
недостаточно определенные названия, как тяжелая или легкая
промышленность. Все нам понятно, что в них «тяжелое» и
что «легкое»
Но вот «атомная промышленность» звучит совершенно
необычно. Что это за промышленность? Делает атомы?
Сортирует и упаковывает электроны? Изготовляет и
обрабатывает протоны и нейтроны?
Как это ни странно, но именно что-то похожее на это в
промышленных масштабах, во всеоружии современной науки
и техники делает именно та новая отрасль промышленности,
которая называется атомной.
Любая новая область науки и техники только тогда
может оказать какое-либо влияние на промышленную и
экономическую мощь страны, когда она опирается на всесторонне
развитую промышленную базу
199

Атомная энергия, несмотря на все ее не сравнимые ни
с чем достоинства и преимущества, долгое время оставалась
бы лабораторным «чудом», «ураганом в пробирке», если бы
ее развитие и прогресс не опирались на мощную
техническую и производственную базу не только в той отрасли,
которая целиком относится к атомной промышленности, но и во
многих других, старых отраслях промышленности:
химической, металлургической, машиностроительной,
электротехнической, радиотехнической и т. д.
Познакомимся с этой молодой областью техники — с
промышленностью, которая возникла каких-нибудь 20—25 лег
назад.
В этой промышленности занято большое число
специалистов самых различных профессий.
Кроме того, атомными вопросами в той или иной степени
занимаются почти все старые отрасли науки и техники:
химия, металлургия, медицина, биология и т. д.
Сейчас легче перечислить области, которые еще не
обогатились достижениями ядерной физики, чем те, где она уже
находит более или менее широкое применение. Не пройдет
и десятка лет, как на карте проникновения атомной техники
в другие отрасли народного хозяйства не останется ни одного
белого пятна.
Недаром нашу эпоху уже сейчас называют «атомным
веком».
АТОМНОЕ СЫРЬЕ
В отличие от таких металлов, как золото и платина, в
чистом виде металлический уран и торий в природе не
встречаются.
Эти металлы можно обнаружить только в виде
разнообразных химических соединений
В земной коре урана содержится не так уж мало —
примерно столько же, сколько и свинца, — 0,0005%, но он
чрезвычайно рассеян и только в виде исключений образует
богатые рудные скопления.
Эти руды содержат в себе целый ряд накопившихся в
течение миллионов и миллиардов лет продуктов
радиоактивного распада урана: радия, полония, свинца.
Основными минералами, в которых содержится уран,
являются урановая смоляная руда, хальколит, отунит и
«смоляная обманка» — карнотит и ряд других.
Встречается уран почти во всех странах Больше всего
его до сих пор обнаружено в Конго, Канаде, Австралии,
Чехословакии.
200

МИРОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ
РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ГОРЮЧЕГО
Н аиме н-ов ание
горючего
Мировые
запасы
Содержание
энергии
в киловатт-часах
0,12 • 101J
куб метр
0,06 • 1012
куб метр
0,97 - Ю1'
0,49 • Ю1
10,7 • 1012
тонн
86 • 10'
Солнечная энергия, ||
излучаемая ■*
на Землю
в течение года
К
к%шттшш
1500 • 1011

Разрабатываются урановые руды в Испании, Португалии
и других странах.
Огромное количество урана растворено в воде мирового
океана — примерно 3,344 микрограмма (мкг) на литр, а
всего 4 . 109 1.
Тория в земной коре содержится примерно 0,0008%, то
есть почти в 1,5 раза больше, чем урана.
Главным источником его являются так называемые мона-
цитовые пески, содержащие в себе минерал монацит,
являющийся в основном фосфорнокислым соединением
редкоземельных элементов и кремнекислого соединения тория.
Особенно много этого минерала в Индии, Бразилии и на
острове Цейлон.
Раньше полагали, что запасы энергии, заключенной в
уране и других делящихся элементах, составляют весьма
скромную долю от всех других. Но это оказалось совсем не
так. Все энергетические запасы на Земле составляют только
1/2о часть запасов энергии, скрытой в залежах урана и тория,
которые рано или поздно человек сумеет извлечь из земли и
использовать.
Мировая годовая потребность в энергии сейчас
исчисляется в сумме примерно 3000 миллиардов киловатт-часов
(3. 1012 квт-ч).
Исходя из этой потребности даже если она существенно
не изменится в будущем, запасы угля и нефти на Земле
иссякнут уже через 100—200 лет. Однако, учитывая
непрерывный рост потребления энергии, недостаток ископаемого
горючего начнет чувствоваться гораздо раньше.
А запасов энергии, скрытых в атомном горючем — только
в уране и тории, — даже если принять коэффициент
полезного действия (к. п. д.) установок, преобразующих эту
энергию в электрическую, равным всего 25%, может хватить
человечеству на тысячелетия.
Источники энергии на земном шаре
Название источника
энергии
В миллиардах тонн
условного топлива
В триллионах
(тысячах миллиардов)
киловатт-часов
Невозобновляем ые источники (топливо)
Уголь
Нефть
Природный газ
Торф
Растительное топливо
Уран и торий
10 660
120
60
560
600
65 000
86 250
970
490
4550
4800
526500
№

Продолжение таблицы
Название источника
энергии
В миллиардах тонн
условного топлива
В триллионах
(тысячах миллиардов)
киловатт-часов
Непрерывно восстанавливающиеся
и практически вечные источники
Солнечное излучение
Морские приливы и
волнение
Ветер
Тепло Земли
Энергия рек
1500 000
70 000
17 360
289
33
КАК ДОБЫВАЮТ УРАН И ТОРИИ
На заводы, извлекающие металлический уран из
урановой руды, сырье поступает в виде горной породы, в которой
в лучшем случае содержится 1—2% урана. Поэтому считается
экономически целесообразным перерабатывать руду, в
которой содержатся даже десятые доли процента урана.
Естественно, что вся эта руда должна проходить процесс
обогащения на обогатительных фабриках, где от минералов,
содержащих уран, предварительно отделяется возможно большее
количество пустой породы. В полученном таким образом
концентрате руды содержание урана может достигать уже
нескольких десятков процентов.
Способов получения металлического урана из
обогащенных концентратов руды существует несколько. Все они,
однако, достаточно трудоемки и сложны. Рассмотрим для
примера один из самых простых и общеупотребительных.
Поступивший на завод урановый концентрат
обрабатывают горячей азотной кислотой. Содержащиеся в нем уран
и другие металлы переходят в раствор, а в отходах остается
пустая порода. Затем к полученному раствору добавляют
серную кислоту, в результате в осадок выпадают
сернокислые свинец, барий, радий и другие нерастворимые сульфаты,
а уран в виде нитрата уранила остается в водном растворе.
Дальше растворенный в смеси кислот уран
перекачивается в специальные установки, где к нему добавляют соду,
так чтобы ее было в избытке. При этом из раствора
выпадает осадок, в который переходят такие металлы, как
алюминий, железо, цинк, хром и др., образующие нерастворимые
соединения — карбонаты, гидроокиси или другие соединения.
Уран же остается в растворе уже в виде комплексного
карбоната.
203

Урановая руда
Обогащение урана
Производство
метал личес $***<£
кого урвана ^° ^
^^ урана 238 ^
Восстановление отра-
Ч^тадногоурана^0тходы
Отходы^ —-^ шестифтористого
* урана
Производство

шестифтористого уранг
1о х
е-о.
81
3"
По такой примерно схеме складывается современное промышленное
производство ядерного горючего (урана и плутония)
Затем раствор переходит в следующие химические
реакторы, где в него добавляют азотную кислоту до наступления
кислой реакции. В результате комплексный урановый
карбонат превращается в раствор нитрата уранила Если теперь
к раствору уранил-нитрата добавить достаточное количество
диэтилового эфира, то в него из раствора перейдет весь
нитрат уранила. Все же остальные примеси останутся в
кислотном растворе, или, как говорят, в его водной фазе
Так как кислотный и эфирный растворы обладают
различной плотностью, то после отстаивания оба раствора легко
отделить один от другого. Более легкий эфир с растворенным
в нем ураном поднимается вверх, а более тяжелая часть
раствора вместе с примесями остается внизу и выпускается
из сосуда, в котором производилась эта часть процесса.
В результате в сосуде остается чистый нитрат уранила,
осаждающийся в виде ярко-желтого твердого вещества —
диураната аммония, который до открытия деления урана
204

"Стадии
производства
{ Растворение |
Концентрат урана,
смесь азотной и
серной кислот
Радий, барий
и др
Раствор сульфат-
|S уранила
{ Осаждени е"~|
Окись урана
|Рас т ворение)
Осадок карбонатоь
гидроокиси
алюминия, цинка,урана
и Др.
Раствор р. уранил-
«^JJ^ нитрата
|Экстрагирование \
Вода
Раствор чистого уранил- Водная часть раство-
нитрата р» в эфире ра с осадками
Вода, аммиак
Диуранат аммония (краска) Этиловый
Г\ эфир
{Фторирование с высокой t °]

Металлический П уран
Один из процессов получения металлического урана из
исходного сырья.

употреблялся главным
образом для окраски фарфоровой
посуды. Эфир, в котором
растворяется нитрат
уранила,чрезвычайно горюч, поэтому на
этой стадии производства ура-
нил-нитрат вымывается из
эфирного раствора водой.
Далее он осаждается с помощью
перекиси водорода, образуя
перекись урана.
Перекись урана путем
прокаливания, а затем под
воздействием водорода
восстанавливается до двуокиси урана.
Затем наступает
металлургическая стадия производства.
Двуокись урана после
обработки его фтористым
водородом сперва превращают в
твердый четырехфтористый
уран, который затем
нагревают в стальном тигле вместе
со стружками кальция. В
результате бурной реакции
четырехфтористый уран
превращается в металлический.
Полученные слитки урана переплавляют в небольшие
цилиндры весом 2,5 кг каждый и запаивают в оболочку из
алюминия или иного металла, предохраняющую уран от
окисления.
Производство урана отличается от многих других
химических и металлургических производств тем, что в результате
его должен быть получен продукт исключительно высокой
чистоты. Достаточно ничтожной примеси некоторых
элементов, чтобы они превратили ценнейшее ядерное горючее
в брак.
Вот почему из урана с особой тщательностью удаляют
кадмий, бор, индий и многие другие элементы, которые
особенно хорошо захватывают нейтроны. Содержание этих
элементов должно быть меньше 1 г на 1 г урана.
Пыль, выделяющаяся в процессе производства урана,
чрезвычайно вредна для организма человека, потому что
содержит в себе весьма ядовитые уран и свинец.
Поэтому в производстве урана особое внимание уделяют
технике безопасности. Весь процесс строят так, чтобы ни на
Сколько получается урана-235
из первичной руды.
206

В такие «рыцарские»
защитные доспехи облачаются
иногда работники атомной
промышленности.
одной его стадии не выделялось пыли. В цехах создают
сложную систему вентиляции, устанавливают контрольные
приборы, следящие за содержанием в воздухе радиоактивности.
Весь персонал обязан носить специальную защитную одежду
и маски.
Обработка руды и весь процесс получения
металлического тория весьма схожи с процессом получения урана.
Обогащенную монацитовую руду сначала обрабатывают
концентрированной серной кислотой, а затем из полученного
раствора при помощи фосфорной и щавелевой кислот
удаляют все виды примесей, после чего осуществляют процесс
восстановления металлического тория.
ФАБРИКИ ЯДЕРНОГО ГОРЮЧЕГО
Металлический уран и металлический торий — это еще
не ядерное горючее.
Чтобы превратить в ядерное горючее, например,
металлический уран, надо выделить из него 0,7% урана-235 или
выжечь их в ядерном реакторе, превратив при этом некоторое
количество урана-238 в плутоний.
207

В зависимости от ряда технических обстоятельств
используются и тот и другой способы.
Но как разделить изотопы урана?
Не существует в природе ни одного вещества, в котором
можно было бы растворить один из них и оставить
нетронутым другой. Неизвестна и химическая реакция, в которую
можно было бы вовлечь один изотоп, оставив другой
нейтральным.
Единственное, чем они отличаются один от другого,—
это массой всего лишь трех нейтронов, что составляет чуть-
чуть больше 1% общей массы. Только используя эту разницу,
можно попытаться разделить изотопы, что, конечно, связано
с громадными трудностями.
Мы видели, что первые микроскопические порции ура-
на-235 были получены на установке, сходной с
измерительным прибором — масспектрографом. Позже в США были
даже построены заводы, оснащенные тысячами таких, по
существу, тонких лабораторных приборов. С их мишеней
к концу рабочего дня соскребали всего лишь тысячные доли
грамма урана-235. Но, сложенные вместе, они составляли
несколько десятков граммов дневной продукции такого
завода.
Более продуктивным оказался метод газовой диффузии.
Из физики мы знаем, что молекулы какой-либо смеси газов
имеют в среднем одну и ту же кинетическую энергию. Но
это не означает, что все частицы газа движутся с одной и
той же энергией (скоростью): более легкие молекулы
движутся быстрее, более тяжелые — медленнее.
Движущиеся быстрее легкие молекулы чаще, чем
тяжелые, ударяются о стенки сосуда, в котором заключена смесь
газов, создавая в нем как бы различное давление: меньшее
для тяжелых частиц, более высокое для легких. Если одну
из стенок сосуда изготовить из вещества со множеством очень
мелких пор, то из такого сосуда наружу за некоторый
отрезок времени улетучится больше легких молекул газа, чем
тяжелых.
Однако такой, кстати сказать, очень медленный процесс
практически осуществляется только в том случае, если более
легкий газ будет проникать через перегородку только в
одном направлении — наружу — и не сможет возвращаться
обратно.
Собранный снаружи сосуда газ будет отличаться от
оставшегося в нем — он окажется немного легче.
Избирательное прохождение молекул газа, имеющих
более легкий вес, через пористую стенку и называется газовой
диффузией.
208

^Легчие моленулы урана |Вода
Охладитель
Легкие молекулы а урана!
Тяжелые
молекулы
урана
Газообразный
шестифтористый
уран
Схема устройства ячейки для разделения
изотопов урана методом газовой диффузии и
последовательное соединение нескольких таких ячеек.
Чтобы использовать этот способ
для разделения изотопов, уран надо
сначала превратить в газ.
Единственным газообразным
соединением урана является
шестифтористый уран.
Общая схема разделительной
установки, использующая газовую
диффузию шестифтористого урана, показана
на рисунке.
Каждая ступень, или ячейка,
состоит из двух камер, разделенных
фильтром из особой мелкопористой
пластмассы или керамического
материала, в котором имеется огромное количество мельчайших
отверстий. Обогащенный газ откачивается из наружной
камеры при помощи мощного вакуумного насоса. Так как одна
ступень установки дает незначительное разделение изотопов
урана, газ приходится пропускать последовательно через
несколько тысяч таких ступеней.
14 Энергия атома
209

Поскольку процесс газовой диффузии весьма
чувствителен к температурным изменениям и давлениям, точное их
регулирование в ходе работы установки имеет важное
значение. Когда газ при перекачивании насосами и
компрессорами сжимается, ег© температура повышается. Поэтому
после каждой ступени разделения газ надо пропускать через
специальный холодильник (теплообменник), охлаждающий
его до требуемой температуры.
Хозяйство газодиффузного завода огромно. Помимо
многих тысяч индивидуальных разделительных ячеек,
компрессоров, холодильников, всевозможных приборов и аппаратов,
они все перевиты сотнями и тысячами километров труб,
кабелей и проводов.
Шестифтористый уран чрезвычайно ядовит. Обращение
с ним требует особых мер предосторожности и защиты.
Кроме того, он является самым активным из известных газов и
реагирует практически со всеми металлами, неметаллами и
органическими веществами, съедает и коррозирует все, что
только попадает в его струю. Поэтому все детали
газодиффузионных установок завода, соприкасающиеся с этим
газом, приходится изготовлять из специальных сортов
нержавеющей стали, специальных сплавов и других
устойчивых против коррозии материалов.
Существует несколько других способов разделения
изотопов урана, но они более сложны, чем газодиффузионный, и
поэтому не получили широкого применения.
ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО ИЗ „ВТОРОЙ ПРИРОДЫ" ЧЕЛОВЕКА
Речь идет о плутонии-239 — элементе, появившемся на
свет одновременно с началом века атомной энергии.
Использование атомной энергии человеком началось
с урана-235, который был и остается важнейшим видом
ядерного горючего.
Можно иметь гору природного урана и не использовать
ни капельки из заключенной в этом богатстве энергии, если
бы в ней не содержалось своеобразных ядерных «спичек» —
хотя бы одного атома урана-235.
Но с момента открытия цепной ядерной реакции деления
важнейшим элементом становится уже плутоний. В
ближайшем будущем люди сумеют перерабатывать в него весь
уран-238, который сам не может быть использован как
делящееся вещество, но которого в природном уране в 140 раз
больше, чем урана-235.
Основным оборудованием предприятия по производству
210

Кругооборот производства плутония из урана-238.
плутония являются огромные ядерные реакторы, а также
установки по химической переработке урановых
стержней, уже побывавших в реакторе, с целью выделения
плутония.
В седьмой главе мы уже говорили о технической стороне
процесса превращения части урана-238 в плутоний.
После того как в ходе цепной реакции в ядерном
реакторе выгорит часть урана-235 и образуется плутоний,
урановые стержни оказываются загрязненными большим
количеством радиоактивных продуктов ядерной реакции. Эти
«шлаки», захватывая нейтроны, столь сильно замедляют ход
ядерной реакции, что еще задолго до выгорания всего
урана-235 урановые стержни приходится заменять.
Отработавшие стержни сильно радиоактивны и опасны
в обращении даже на далеком расстоянии. Поэтому все
операции по их удалению из реактора, транспортировке и
дальнейшей обработке производятся на расстоянии при помощи
всевозможных механических и телеуправляемых устройств.
Обычно вблизи реактора устраивают большие бассейны
с водой, на дно которых (на глубину 4—5 м) и опускают
специальные тележки с извлеченными из реактора
стержнями. В этих бассейнах они должны стариться, пока в них не
14*
211

распадутся все самые короткоживущие, а следовательно,
самые сильные радиоактивные изотопы, образовавшиеся
в результате деления ядер урана.
После старения с урановых стержней снимают защитную
оболочку и стержни растворяют в азотной кислоте.
Полученный раствор затем последовательно проходит ряд
сложных химических процессов, позволяющих выделить из
него остатки урана-235 вместе с ураном-238, вновь
образовавшийся плутоний и продукты деления урана-235 — самые
разнообразные радиоактивные изотопы.
Наиболее ценные и употребительные радиоактивные
изотопы после их тщательной очистки, точного измерения
характера и энергии излучения направляют в специальных
контейнерах многочисленным потребителям, использующим их в
качестве мощного источника самых различных излучений:
альфа- и бета-частиц, гамма-лучей и т. д.
До открытия ядерных реакций во всем мире имелось всего
несколько килограммов радия. Самые богатые в мире научно-
исследовательские и лечебные учреждения имели не более
1—2 г этого драгоценнейшего металла.
Сейчас один даже не очень мощный ядерный реактор
может обеспечить большое количество потребителей самыми
разнообразными радиоактивными изотопами с различными
видами излучения, эквивалентными по радиоактивности
многим килограммам радия
На заводы по производству ядерного горючего, так же
как и на любые другие промышленные предприятия,
распространяются одни и те же экономические законы После того
как окончился период освоения новой отрасли техники,
щедрых расходов и стремления получить первые образцы
продукции любой ценой, вступают в силу железные законы
экономики. Они требуют от производства непрерывного роста
производительности труда, снижения себестоимости
выпускаемой продукции, экономии сырья и вспомогательных
материалов, уменьшения непроизводительных накладных расходов и
проведения ряда технических мероприятий, улучшающих
производство,— в первую очередь жестких мер для повышения
к. п. д. установок. Прекращаются скидки и уступки на новизну
дела, действительные или мнимые неожиданности в
технологическом процессе, Неопытность кадров и т. д. Самое
привилегированное предприятие с окончанием периода освоения
и «детских болезней» роста становится хотя и важным,
особым, первостепенным и т. д, но все-таки рядовым, серийным
предприятием.
В производстве ядерного горючего основным пoкaзafeлeм
качества работы, технической культуры, научного уровня,
212

квалификации обслуживающего персонала является та
повседневная борьба за средние десятые и сотые доли нейтрона,
не участвующие по тем или иным причинам в процессах
цепной реакции в уране-235 или преобразовании урана-238 в
плутоний тория-232 в уран-233.
От этого, как мы уже видели раньше, зависит решение
основного вопроса — быть или не быть ядерной энергетике
вообще, будет ли она в энергетических ресурсах человечества
будущего играть главнейшую или хотя и важную, но только
вспомогательную роль. Решающее слово, как и всюду,
принадлежит экономике, развитию производительных сил
общества. В капиталистическом мире может быть одно решение,
в социалистическом — другое.
Атомная энергия означает не только эру — много энергии,
но и эру— много сырья.
Баланс нейтронов обычного реактора, в котором
происходит «выжигание» 0,7% урана-235 и образование из урана-238
плутония, в самом лучшем случае позволяет на 1 кг
делящегося урана-235 получать примерно 0,5 кг плутония.
Если основной целью такого производства является
получение и накопление плутония для атомных бомб, то на этом
задача данного предприятия оканчивается.
Если же главным назначением реактора является
выработка электроэнергии, экономика всего предприятия на этом
остановиться не может, полученные 0,5 кг плутония,
смешанные снова с ураном-238, распадаясь, создают, допустим, уже
0,25 кг плутония. Дальнейший распад этого количества
плутония с новой порцией урана-238 производит 0,125 кг плутония,
и т. д. В конечном счете, при полном использовании каждый
раз вновь создаваемого, правда непрерывно уменьшающегося,
количества плутония сгорает уже не 1 кг чистого ядерного
горючего, а примерно 2 кг, что позволяет почти в два раза
увеличить количество энергии, которое можно получить от
того же самого ядерного реактора.
ТОРИЙ-232
Еще один элемент — даже более распространенный, чем
уран, — может с успехом служить сырьем для искусственного
производства ядерного горючего. Это торий-232 (9oTh232).
В чистом виде этот элемент в цепную реакцию вступать
не может, так как делится только под действием самых
быстрых нейтронов. Но если его подвергнуть в ядерном
реакторе облучению мощным потоком нейтронов, он превращается
в новый, искусственный изотоп урана — уран-233, который
213

По такой схеме можно превращать
торий-232 в уран-233, используя
ядерный реактор любого типа.
так же, как уран-235 и плутоний, является расщепляющимся
материалом.
Однако производство урана-233 затрудняется тем, что в
природе существует всего один изотоп тория-232 и у него нет
другого изотопа, который делился бы так, как в семье
изотопов урана делится уран-235.
Чтобы превратить торий-232 в делящийся изотоп —
уран-233, к торию-232 надо первоначально примешать
некоторое количество урана-235 или плутония, поместить в ядерный
реактор и, выжигая горючую часть смеси, превращать торий
в новое ядерное горючее — уран-233. По мере накопления его
можно будет затем целиком использовать вместо урана-235
или плутония.
Мы уже говорили, что в ходе ядерной реакции из
обычного работающего уранового реактора непрерывно
улетучивается некоторая часть нейтронов. Поэтому может оказаться
целесообразным окружать активную зону обычного реактора
слоем тория. Спустя определенное время часть ядер атомов
тория-232, поглотив достаточное количество нейтронов,
превратится в ядра атомов урана-233.
На этом, пожалуй, можно закончить ознакомление с
промышленным производством делящегося ядерного горючего,
хотя мы затронули только сравнительно небольшую частицу
весьма интересной промышленности XX века.
214

„ТОПЛИВО ЗВЕЗД"
Поскольку речь зашла о сырье для атомной
промышленности, помимо делящихся веществ — урана и тория,— к сырью
должны быть отнесены также вещества, используемые для
синтеза, или соединения, ядер легких элементов. Это тяжелый
водород (дейтерий), сверхтяжелый водород (тритий), а
также легкий элемент литий.
Напомним о теплотворной способности каждого из видов
атомного горючего.
Килограмм самого лучшего каменного угля при сжигании
выделяет около 8,14 квт-ч энергии; килограмм урана или
тория в процессе ядерного деления выделяет почти в 3
миллиона раз больше энергии — 22,9 миллиона киловатт-часов;
килограмм водорода, превращаясь в гелий, выделяет почти
в восемь раз больше энергии, чем уран,—177,5 миллиона
киловатт-часов
В главе шестой указывалось, что термоядерная реакция
может осуществляться несколькими способами, например,
ядро атома сверхтяжелого водорода (трития) соединяется
с ядром атома водорода
(протоном), превращаясь
в ядро атома гелия. При
этом выделяется 19,8 Мэв
энергии.
Ядро трития
соединяется с ядром тяжелого
водорода (дейтерия),
образуя ядро гелия с
излучением одного лишнего
нейтрона. При этой
реакции выделяется 17,6 Мэв
энергии.
Энергия
177,5 млн. квт-ч
Сколько энергии
выделяется при горении 1 кг нефти,
делении 1 кг урана и
синтезе 1 кг водорода в гелий.

Ядро лития (3Li6), соединяясь с дейтроном, образует два
ядра гелия, выделяя при этом энергию в количестве 22,4 Мэв,
и т д.
При возбуждении реакции слияния в чистом дейтерии
могут протекать одновременно два параллельных
процесса: превращение двух ядер атомов дейтерия в ядро изотопа
атома гелия 2Не3 с испусканием нейтрона и энергии, равной
3,2 Мэв, и превращение двух ядер атомов дейтерия в ядро
атома трития iH3 с излучением протона и выделением
энергии 4,0 Мэв. Вновь образовавшееся ядро атома трития iH3
тут же соединяется с ядром атома дейтерия, в результате
чего образуется ядро атома гелия 2Не4 с испусканием
нейтрона и выделением энергии порядка 17,6 Мэв.
D + D-+ 2Не3 + „я1 + 3,2 Мэв;
D + D -> ,Н3 + ,№ + 4,0 Мэв;
!Н8 + iH2 -> 2Не4 + о/г1 + 17,6 Мэв.
Таким образом, в сложной, двухступенной термоядерной
реакции участвуют одновременно пять ядер атомов дейтерия
с суммарным высвобождением: 3,2 + 4,0 + 17,6 = 24,8 Мэв
энергии.
Как видно из этого далеко не полного перечня возможных
реакций, исходным сырьем для производства термоядерного
горючего являются обычный, тяжелый и сверхтяжелый
водород, а также два изотопа лития: литий-6 и литий-7.
Более удобным, хотя и дорогим, источником ядерного
горючего является уже известная нам тяжелая вода, из которой
и выделяется тяжелый водород — дейтерий.
Водорода на Земле неисчерпаемое количество, тяжелой
воды тоже довольно много, если учесть обилие воды в
земных океанах вообще. 1 кг тяжелой воды растворен в 6 г
обычной воды.
Общее количество воды на нашей планете — примерно
1400 миллионов миллиардов тонн (1,4. 1018). А дейтерия
в ней, по подсчетам ученых, — не менее 25 000 миллиардов
тонн.
При слиянии же 1 г дейтерия в ядра атомов гелия
выделяется 100000 квт-ч энергии.
Следовательно, заключенная в этой массе дейтерия
энергия грубо равна 3 • 1020 квт-год, в то время как мировое
потребление энергии в год равно примерно 3 • 1012 квт-ч.
Практически единственный путь получения тяжелой воды—
это электролиз, то есть многократное разложение обычной
воды электрическим током, в результате чего каждый раз
образуется остаток, постепенно обогащающийся тяжелой
водой.
216

19,8мэв
Некоторые реакции соединения (слияния) ядер атомов легких
элементов (синтеза) в ядра атомов более тяжелых элементов
и выделяющаяся при этом энергия.
Процесс электролиза больших масс воды требует расхода
огромного количества электроэнергии — около 60 тысяч
киловатт-часов на производство 1 кг тяжелой воды, в котором
два атома тяжелого водорода всё еще соединены с одним
атомом кислорода. И нужен дополнительный процесс для
освобождения дейтерия от кислорода.
217

ТРИТОН
ДЕЙТРОН
ТРИТОН БЕРИЛЛИЙ-9
iHj-nj—Mfl |Н?+Н^Н?+Н|| |Ве4ЧН;-^Н^+Ве^
ТРИТОН
Возможные способы получения трития путем бомбардировки
различными частицами дейтерия и бериллия
Еще более удобным сырьем для термоядерного горючего
является сверхтяжелый изотоп водорода — тритий. Однако
в природе он содержится в очень малых количествах.
Образуется он, вероятнее всего, в результате взаимодействия
мощных космических частиц с элементами земной атмосферы.
Поэтому сколько-нибудь ощутимые количества трития
можно получить только искусственным путем — в ядерных
реакторах при облучении изотопа лития-6 нейтронами. Этот
элемент распространен в природе довольно широко — он
входит в состав более чем 150 минералов.
Облученный в реакторе литий растворяется в воде, а из
полученного раствора после электролиза извлекается
водород, содержащий незначительные примеси трития.
Можно поступить и иначе — расплавив облученный литий,
вдувать в него водород. Образовавшийся в результате
облучения тритий будет находиться в смеси с водородом, из
которого его можно затем сравнительно легко выделить.
Помимо того, что литий служит источником получения
трития, он и сам при соответствующих условиях может,
соединяясь с дейтерием (литий-б) или с водородом (литий-7),
вступать в термоядерную реакцию.
Термоядерные реакции являются основным источником
энергии, излучаемой Солнцем и звездами. Вот почему
водород и литий иногда называют «звездным топливом».
218

НЕЙТРОН ИЗ РЕАКТОРА
Наиболее простой способ получения трития путем облучения лития-б
в ядерном реакторе.
Однако гений человека решил, казалось бы, совершенно
невозможную задачу создания термоядерной реакции в
земных условиях. После атомной бомбы это получилось как
будто бы очень легко и почти обыденно. Мы иногда
забываем даже, что вступили в эпоху, когда почти вслед за
непередаваемо могущественной силой — энергией делящихся
ядер — человек получил в свои руки еще более могучую силу:
энергию термоядерных реакций, с которой он способен, если
ее правильно использовать, творить настоящие чудеса. Перед
ним открылись заманчивые и уже не столь недоступные дали
космических пространств. Человек будущего, если захочет,
возможно, создаст даже искусственное солнце.
Правда, сейчас сделан еще только первый шаг в
направлении использования этой могучей силы. Использовать ее мы
можем пока еще только в виде гигантского взрыва. Но
придет время, и человек научится замедлять эту силу,
разменивать ее на «мелкие монеты», и тогда он будет буквально
держать в своих руках полыхающий ослепительным пламенем
кусочек настоящей звезды.
Возможно ли обуздать эту новую сверхмощную энергию?
Помечтать об этом мы попытаемся в главе семнадцатой.

ПОСТУПЬ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
КАК ДОЛГО ЕЩЕ БУДУТ ЛЮДИ ТОПИТЬ ПЕЧИ ДЕНЬГАМИ?
Несмотря на непрерывное строительство гигантских
гидроэлектростанций и огромные гидроэнергетические ресурсы,
подавляющая часть всего добываемого в стране угля, торфа,
нефти, горючих сланцев и природного газа все еще сжигается
в топках тепловых электростанций. Вместе с топками
паровозов и всевозможных печей беспощадный огонь пожирает
свыше 90% всей годовой добычи топлива.
Пока все эти вещества считались только топливом, ученые
и инженеры были относительно спокойны. Главной их
заботой было как можно больше добыть нефти, угля и других
горючих ископаемых и как можно лучше их израсходовать.
Они не могли мириться лишь с тем, что самый совершенный
паровоз только 6—8% из сжигаемого им топлива обращает
на полезную работу, а 92—94% его буквально вылетает
в трубу. А самая совершенная тепловая электростанция
проделывает это с 65—70% топлива.
Однако в начале XX века это и без того довольно
печальное обстоятельство еще больше усложнилось. Химическая
220

наука сделала столь большие, важные и далеко идущие
шаги, что сейчас приходится в корне пересматривать вопрос
о том, так ли рационально и по-хозяйски мы обращаемся
с многочисленными дарами щедрой природы.
То самое топливо, которое мы так нерасчетливо сжигаем,
будь то простые дрова или нефть, содержит в себе
исключительно ценное сырье, остро необходимое для большинства
отраслей народного хозяйства страны. Стоимость продуктов,
которые можно теперь вырабатывать и извлекать из
ископаемых горючих, в сотни, а то и тысячи раз превышает
стоимость их как топлива. Только из одного каменного угля
можно добывать такие ценные вещества, как бензин, спирт,
каучук, смазочные масла, искусственное волокно,
пластические массы, лекарства, взрывчатые вещества. И этот список
ежедневно пополняется все новыми и новыми названиями.
Великий русский ученый Д. И. Менделеев как-то, приводя
данные о ценности продуктов, содержащихся в нефти, сказал,
что сжигание нефти в качестве топлива равноценно топке
печей ассигнациями. Поэтому в будущем эти важнейшие для
Так раеходуатая топливо в паровозе и на тепловой электростанции.

человека источники сырья, безусловно, будут использоваться
по их прямому назначению, вместо того чтобы расточительно
сжигаться. А топлива всех видов во всем мире добывается
ежегодно не менее 5—6 миллиардов тонн!
Открытие атомной энергии в корне изменило направление
главного развития энергетики человеческого общества
будущего, ведущее одновременно и к резкому увеличению его
сырьевых ресурсов как за счет чисто химического
использования почти всех видов топлива, так и за счет не менее
удивительных достижений самой химии, особенно химии
органических веществ.
ЭНЕРГИЯ ДЕЛЕНИЯ
U-235^ 200 Мэв
ПАРОВОЙ КОТЕЛ
И ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР
Общее количество энергии,
выделяющейся при
расщеплении ядра атома урана-235,
измеряется приблизительно
200 Мэв.
Из них 162 Мэв, то есть бо-
всей энергии, уносятся
двумя осколками, с огромной
Энергия последующего радиоактивного*
распадауосколков \ \ *
5 Мэв// '
Энергия нейтроно
9 деления
6 Мэв
Излучение нейтрино 11 Мэв
X Сколько энергии выделяется при
делении ядра атома урана-235 и
с каким излучением она уносится.

скоростью разлетающимися в разные стороны. Поэтому на
данной стадии наших знаний в области ядерной энергетики
и оказалось наиболее целесообразным использовать ядерную
реакцию в первую очередь как источник тепла.
Если ядерный реактор предназначен для мирного
использования, например для производства электроэнергии, то ни
один научно и технически мыслящий человек, раз атомная
энергия оказалась в его распоряжении, не согласится
расточительно расходовать ее на установках, менее совершенных,
чем существующие. Наоборот, новая наука и техника требуют
и столь же передовых средств преобразования энергии.
А соревноваться приходится с весьма эффективными
установками, ибо к. п. д. современных паровых турбин,
работающих на перегретом до температуры 600—650° паре и
давлениях до 300 атму достигает 38—41 %.
И поскольку ядерный реактор вступает с такой турбиной
в соревнование как своеобразный паровой котел, он должен
обладать характеристиками хотя бы не ниже тех, которых
современная техника позволяет добиваться от паровых котлов.
Однако при попытках использовать реактор в качестве
источника тепла для паросиловых установок встречается
целый ряд принципиальных трудностей.
Паровой котел специально и конструируется, чтобы
выдерживать развивающиеся в нем огромные давления. Внутри
же атомного реактора очень высокое давление недопустимо,
так как приспособить его для этой цели сложно и трудно.
В отличие от парового котла, реактор может развивать
любую мощность, но только при условии, чтобы все
образующиеся при этом огромные количества тепла немедленно
отводились из него. В противном случае в каком-то узле реактора
произойдет местный перегрев, вследствие которого
расплавятся урановые стержни или их оболочки. Реактор будет
заражен радиоактивными продуктами распада и выйдет из строя.
У парового котла поверхность соприкосновения
нагреваемых деталей с охлаждающей их средой может быть как
угодно увеличена. Рабочая зона, нагревающаяся при работе
реактора, невелика, и увеличить поверхность соприкосновения
ее с охладителем затруднительно, а в ряде конструкций
реакторов и невозможно.
Обе эти неприятности, возникающие вследствие
необходимости создавать внутри реактора высокое давление и высокую
температуру, предъявляют совершенно особые требования
как к конструктивным элементам, из которых строится сам
реактор, так и к веществам, при помощи которых он должен
охлаждаться.
Какой же выход в этом случае может предложить техника?
223

Площадь нагрева парового котла во много раз превышает
поверхность соприкосновения рабочей зоны ядерного
реактора с охлаждающей средой.
Можно ли, не создавая внутри реактора слишком
высоких температур и особенно высоких давлений, сравнять его
по эффективности действия с современными паровыми
котлами?
К решению этой задачи можно следовать двумя путями:
применяя новые, жаростойкие и жаропрочные материалы
(сплавы с цирконием, титаном и др.), тщательно
продуманную конструкцию и другие усовершенствования, создать
такой реактор, внутри которого температура достигает 450—
500°, а может быть, и выше. Для этого охлаждающую
реактор воду, чтобы она не вскипала, приходится подавать в него
под давлением 100 и больше атмосфер.
Другой путь, не менее трудный, связан с рядом
обстоятельств интересных и заманчивых. Чтобы успешно отводить
огромное количество тепла, обычных приемов охлаждения
при помощи струи охлаждающего газа или потока воды
оказывается уже недостаточно.
В ряде современных реакторов в качестве теплоносителя
с каждым годом все больше и больше применяют жидкие
металлы: ртуть, натрий, калий и др. Жидкий натрий,
например, кипит при температуре 880°. Это значит, что тепло
224

от реактора можно отводить с помощью жидких натрия и
калия, находящихся под давлением, не превышающим обычного
атмосферного. Нагретая до такой температуры вода,
превратившись в пар, развила бы давление порядка 160 атм.
Теплоотдача у жидких металлов значительно выше, чем
у водяного пара. Они значительно меньше поглощают
нейтроны, и, кроме того, благодаря высокой теплопроводности
объем жидкого металла, потребного для охлаждения
реактора, может быть во много раз меньше, чем при
использовании воды.
Следовательно, охлаждение реактора жидкими металлами
позволяет в принципе резко поднять рабочую температуру
внутри реактора и получить к. п. д., уже сравнимый с к. п. д.
современных паровых котлов.
Однако практически создать конструкцию реактора,
выдерживающую даже те температуры, которые способен
отвести от него жидкий металл, и избежать при этом еще более
высоких местных перегревов отдельных деталей
исключительно трудно.
Существует и еще одно очень важное затруднение.
Известно, что коррозия металлов и многих других материалов
резко усиливается при высоких температурах. Под действием
же радиоактивных излучений эти процессы для ряда
материалов катастрофически ускоряются.
Есть материалы и сплавы весьма стойкие против действия
радиоактивных излучений и высоких температур, но, к
сожалению, они сильно поглощают нейтроны и оказываются
малопригодными при конструировании реакторов.
Что происходит при кипении жидкого металла и воды,
нагретых до одинаковой температуры — 880°.

В чем заключаются главнейшие преимущества
Можно было бы привести еще много больших и малых
затруднений и препятствий, лежащих на пути создания
атомных силовых установок.
Посмотрим теперь, какими принципиальными
преимуществами обладала бы электростанция на ядерной энергии по
сравнению с обычной тепловой.
В первую очередь отпала бы необходимость ежедневно
подвозить к ней несколько эшелонов с углем и увозить
обратно не менее четверти этого количества в виде золы и шлака.
Вместо 1000—1500 т угля в день атомная электростанция
мощностью 100 тысяч киловатт расходует всего лишь 200—
250 г урана-235, который легко умещается в столовой ложке.
Годовой запас горючего для такой станции может быть
доставлен на небольшом грузовике или самолете.
Следовательно, атомная электростанция может
совершенно не зависеть от существующей сети путей сообщения, к ней
не надо вести специальных железных дорог. Практически она
может быть установлена в любом месте, где есть
необходимость в таком источнике энергии.
Атомной электростанции не требуется мощное воздушное
дутье, необходимое на обычной тепловой станции для
усиления горения топлива. Она не загрязняет воздух копотью и
дымом, не берет из атмосферы живительный кислород.
Атомная электростанция может быть полностью
автоматизирована и работать без обслуживающего персонала.
226

Атомная электростанция Обслуживающий
персонал
размещения атомных электростанций.
ПЕРВАЯ В МИРЕ
27 июня 1954 года — знаменательный день в истории
ядерной энергетики. В этот день весь мир облетело сообщение
Советского правительства о том, что в СССР впервые в мире
начала давать ток электростанция, работающая за счет
энергии расщепления ядер атомов урана.
Это сообщение с большим удовлетворением было
встречено прогрессивным человечеством, видящим в нашей стране
последовательного и неустанного борца за безоговорочное
запрещение применения атомного, водородного и других
видов оружия массового уничтожения людей.
Наш народ, строящий коммунистическое общество, первый
показал человечеству правильный путь использования нового
источника энергии в мирных целях, не на зло, а на благо
всех людей.
Мы переступаем порог первой в мире атомной
электростанции. Скромное белое трехэтажное здание, расположенное
в глубине тихого, густого хвойного леса, похоже скорее на
лесную детскую школу или больницу, чем на электростанцию.
Только высокая труба напоминает, что это какое-то, видимо,
промышленное сооружение.
15*
227

Первая в мире атомная электростанция.
И хотя мы знаем, что это электростанция, непрерывно
посылающая по проводам окружающим колхозам, городам и
промышленным предприятиям свои пока еще скромные
5000 кет энергии, нигде не видно подъездных
железнодорожных путей, грузовых автомашин, кранов, эстакад.
Ничего! Электроэнергия вырабатывается за счет
непрерывного деления атомов урана-235. Суточный расход этого
топлива... 30 г! Если бы электростанция работала на самом
лучшем угле, то его требовалось бы не менее 100 т в сутки.
И здесь мы ловим себя на слове «скромные» 5000 кет.
Мы, привыкшие к мощностям возведенных и возводимых
советскими людьми электростанций —640 000, 1 000 000, 2 100 000,
3 200 000, 5000 000 кет, — уже считаем мощность 5000 кет
маленькой.
Действительно, двигатель такой мощности ставится теперь
на небольшой самолет. 4000 лет назад, чтобы развить
подобную мощность, египетским фараонам надо было согнать
в упряжки 100 тысяч рабов. В средние века пришлось бы
запрячь 10 тысяч лошадей. Весь парусный флот в
период господства Британии на морях не развивал такой
мощности.
Порог атомной электростанции советский человек
переступает с вполне понятным волнением,
228

Первая в мире!
Главное, что бросается в глаза на атомной
электростанции,— это многочисленные средства лучевой защиты. Все ра-
Схема атомной
электростанции: / — ядерный
реактор, охлаждаемый
проточной водой; 2 —
теплообменник; 3 —
фильтр, задерживающий
вещества, могущие стать
радиоактивными. если
они попадут в реактор;
4 — паровая турбина; 5—
генератор тока; 6 —
конденсатор пара; 7 —
деаэратор — устройство,
устраняющее воду из
пара; 8 — пусковой
конденсатор; 9 — резервный
конденсатор; 10 —
насосы.
бочие помещения отделены одно от другого бетонными
стенами и перегородками, толщине которых могли бы
позавидовать некоторые старинные крепости. Двери в них напоминают
двери самых прочных банковских сейфов. Даже коридоры
229

Главная деталь сложного
«организма» станции —
тепловыделяющий элемент с ураном,
охлаждаемый проточной водой.
вблизи «сердца» станции — реактора —
устроены зигзагообразно, вроде окопов и
ходов сообщения Куда бы ни
прорвались невидимые и смертельно опасные
гамма-лучи, всюду на их пути встанут
защитные бетонные преграды
Ядерный реактор расположен в
обширном зале, вернее, под полом зала,
в который выходит только его верхняя
защитная крышка
Реактор работает на медленных
(тепловых) нейтронах, замедляемых
графитом Его активная зона представляет
собой вертикальный цилиндр диаметром
1,5 и высотой 1,7 м, выложенный из
плотно подогнанных один к другому
графитовых блоков Этот цилиндр, в свою
очередь, заключен в толстую сплошную
графитовую оболочку — отражатель
нейтронов
Графитовый цилиндр реактора в
вертикальном направлении пронизан отверстиями,
расположенными на строго определенном расстоянии одно от другого.
В 128 из них вставляют сверху так называемые рабочие
стержни: длинные, сложенные вдвое трубки с двойными
стенками, между которыми размещается уран. Через
внутреннее сквозное отверстие, проходящее по всей длине трубки,
протекает охлаждающая вода.
Каждый рабочий стержень, после того как он вставлен
внутрь реактора, соединяют с входным и выходным
коллекторами, по которым вода поступает к стержням и отводится
от них.
Часть других отверстий в реакторе предназначена для
введения в них на любую требуемую глубину пластин,
регулирующих ход реакции, а также для двух аварийных пластин,
спускаемых в экстренных случаях для остановки реактора.
Введение рабочих стержней и их извлечение из реактора
производится с помощью специального подвижного
подъемного крана, установленного в зале над реактором.
Рядом с этим залом находится помещение, в котором
вдоль стен подвешено большое количество запасных
стерся

жней, рассчитанное на полугодовую работу станции.
Вследствие малой радиоактивности природного урана они
совершенно безопасны — с ними можно работать, не прибегая
к мерам защиты.
Для того же, чтобы извлечь отработавший стержень,
приходится принимать особые меры предосторожности, так как
он содержит опасные для людей сильно излучающие осколки
деления. Рабочие только прикрепляют крюк подъемного
крана к верхнему держателю стержня и сразу удаляются из
помещения.
Дальше работает автоматика. Сначала из реактора
появляется верхняя, безопасная часть стержня, затем уже
нижняя—«горячая», длиной 1,5 м, излучающая огромное
количество опасных гамма-лучей. Радиоактивность, исходящая от
такого стержня, равна радиоактивности 10 кг чистого радия.
Поэтому извлечение стержней из реактора производят
при помощи телемеханических устройств. Даже наблюдение
за этим процессом приходится вести из-за толстой бетонной
стены, через окно, закрытое не менее толстым стеклом,
сделанным из вещества, задерживающего гамма-лучи.
Но отработавший стержень нужно как можно скорее
заключить в безопасную «темницу». Как только он извлечен
из реактора, его немедленно переносят в специальное
помещение и опускают в глубокий бассейн с водой, где он
пробудет в течение года — до тех пор, пока не распадутся самые
«горячие» продукты распада урана-235, излучающие сильные
и проникающие гамма-лучи. Лишь после этого можно
направлять стержень на переработку — на извлечение из него
образовавшегося плутония и продуктов распада.
В ряд других отверстий, проходящих через реактор,
помещают специальные измерительные приборы, определяющие
плотность потока нейтронов внутри реактора. Выходные
сигналы этих приборов соединены со специальными
устройствами, управляющими движением контрольных стержней таким
образом, что, когда поток нейтронов усиливается, они вводят
эти стержни в реактор глубже, и скорость цепной реакции
уменьшается. Когда же поток нейтронов ослабевает, стержни
немного выводятся из реактора.
Весь реактор, включая и графитовый отражатель
нейтронов, заключен в стальной цилиндр, который вместе с дном
и верхней крышкой, сделанными из толстых стальных плит,
образует еще одну герметическую оболочку этого источника
энергии. Внутрь этой оболочки нагнетается инертный газ,
препятствующий окислению отдельных узлов реактора под
действием излучений.
Как известно, в природном уране содержится вс^го 0,7%
231

делящегося изотопа. Работа реактора на таком количестве
урана-235 не позволяла бы развить требуемую мощность и,
кроме того, вызывала бы необходимость слишком частой
смены рабочих стержней.
Поэтому в реактор вводят не обычный, а обогащенный
уран. В нем содержание изотопа урана-235 достигает 5%.
Благодаря такому обогащению стержни приходится менять
в среднем лишь через каждые 100 дней. Общее количество
урана, одновременно загружаемое в реактор, составляет
около 550 кг.
Реактор окружен мощной биологической защитой,
предохраняющей персонал станции от облучения. Эта защита
состоит из слоя воды толщиной 1 м, предназначенного в
основном для захвата нейтронов, некоторое количество
которых все же проникает даже сквозь отражатель; из бетонных
стен толщиной 3 м, поглощающих главным образом гамма-
лучи; из слоя чугунных плит толщиной 25 см, уложенного
поверх реактора и поглощающего гамма-лучи, идущие в
вертикальном направлении.
Однако охрана здоровья персонала не ограничивается
защитой в виде бетонных стен, водяных рубашек и стальных
оболочек. На станции действует хорошо налаженная служба
безопасности. Вокруг реактора и во всех других рабочих
помещениях установлено множество ионизационных камер,
все показания которых подводятся к специальному
центральному щиту службы дозиметрии.
Дежурный инженер-дозиметрист по показаниям приборов
оценивает степень радиоактивного загрязнения воздуха в
любом контролируемом аппаратурой помещении и количество
проникающей туда радиации. Он тут же отдает
соответствующие распоряжения, увеличивает вентиляцию воздуха и
удаляет из ставшего опасным помещения людей на столько
времени, пока там не установится безопасная доза ионизации.
Но дотошным врачам и инженерам дозиметрической
службы и этого мало. Каждый работник станции имеет
индивидуальный дозиметр — приборчик, напоминающий авторучку
или небольшую пудреницу. В него закладывают особо
чувствительную у гамма-лучам фотопленку. Каждые четыре дня
эту пленку проявляют и степень ее почернения сравнивают
с точно проверенными и проградуированными эталонами
(образцами). Если, например, уже ко вторнику она показывает,
что работник где-то получил всю положенную еженедельную,
пока еще безопасную, дозу облучения, установленную
советскими врачами после длительных и тщательных
исследований, то до следующего вторника ему запрещается
показываться у реактора, а вся команда дозиметристов приступает
232

к поискам щели, откуда проникает опасное излучение.
Правда, таких случаев в истории советской атомной энергетики
еще не зарегистрировано, но все равно бдительность врачей
исключительно велика.
Самое сложное в атомных реакторах — передача тепла
к паровой турбине. Как это осуществляется на первой
советской атомной электростанции?
Проходя через реактор и облучаясь мощным потоком
нейтронов, вода становится сильно радиоактивной, вследствие
чего невозможно непосредственно использовать ее пар и
посылать его в турбины.
Поэтому на атомной электростанции вода, отводящая
тепло от реактора, хотя и нагревается до 270°, но не кипит
и в пар не превращается, так как давление ее достигает
100 атм. Она циркулирует в короткой замкнутой системе,
называемой первым контуром. Он объединяет реактор, мощные
насосы и парогенератор, иначе называемый теплообменником.
Парогенератор — это прочный паровой котел, внутри
которого проходит змеевик, нагреваемый до высокой температуры
прогоняемой через него водой первого контура.
Вода, поступающая непосредственно в теплообменник,
циркулирует уже по второму, тоже замкнутому контуру.
Соприкасаясь с раскаленным змеевиком первого контура, эта
вода превращается в пар высокого давления, который
приводит в движение паровую турбину, вращающую генератор
электрического тока.
Главной особенностью теплообменника является то, что
вода первого контура нигде не соприкасается
непосредственно с водой второго контура и не передает ей своей
радиоактивности, то есть пар, выходящий из теплообменника,
совершенно безопасен и не нуждается ни в какой защите, так
как он ничего не излучает.
Обойдя змеевик теплообменника, вода первого контура
остывает до 190° и затем снова поступает в реактор. Делается
это с умыслом. Вода, нагретая выше 100°, способна
поглощать и отводить тепло лучше, чем самая холодная вода.
Во втором контуре вода циркулирует уже под давлением
12,5 атм, благодаря чему в теплообменнике она обращается
в пар, имеющий температуру 235—250°. Этот пар и поступает
в турбину.
На атомной станции установлены четыре таких
парогенератора (один из них резервный). Поскольку в парогенераторы
поступает вода, зараженная радиоактивностью, насосы и
подходящие к ним со стороны реактора трубопроводы защищены
так же, как и сам реактор.
Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор,
233

где, охладившись, превращается в воду. С помощью своей
отдельной системы насосов и по отдельному трубопроводу
вода возвращается в теплообменник на последующее
испарение, продолжая, таким образом, циркулировать непрерывно.
Вода первого контура тщательно очищается от примесей,
так как именно они являются главным источником
радиоактивности облученной нейтронами воды.
Если реактор по праву можно назвать «сердцем» атомной
станции, то центральный пульт управления — ее «мозг». Из
этого командного пункта осуществляется управление всеми
участками сложного процесса преобразования атомной
энергии в электрическую.
Специальные индикаторы непрерывно следят за всем
ходом работы атомного реактора и других частей
электростанции и чутко реагируют на малейшие отклонения от заданных
условий. Многочисленные световые и звуковые сигналы
показывают, что случилось, и одновременно дают знать, отчего
произошло то или иное нарушение работы реактора и
остальных узлов станции. Тотчас же с помощью автоматических
устройств отклонение ликвидируется. Что бы ни случилось
на станции, ни на секунду не изменяется ее мощность. И всем
этим сложным хозяйством управляют два инженера.
Устройство атомной электростанции постепенно
упрощается. Многие страхи и сомнения отпали в самом начале.
Многим предстоит исчезнуть в будущем. Новый источник энергии,
превосходящий все, что когда-либо было открыто или
использовано человеком за века его существования, уже прочно
вошел в нашу жизнь.
НОВЫЕ ИДЕИ
Советская атомная станция мощностью 5000 кет не
являлась только промышленной установкой. Она была
сконструирована в первую очередь для того, чтобы наглядно
продемонстрировать принципиальную научную и техническую
возможность и бесспорную целесообразность преобразования
ядерной энергии в электрическую. Это была скорее
творческая лаборатория для накапливания опыта, необходимого
для решения множества практических, эксплуатационных
задач и проблем экономики — выгодны или невыгодны
атомные электростанции по сравнению с существующими ныне
тепловыми и гидроэлектростанциями.
Опыт работы полностью оправдал надежды ученых.
Станция со дня ее пуска не имела ни единой сколько-нибудь
серьезной аварии, ни единого несчастного случая с
обслуживающим персоналом
Реальность и техническая возможность длительного про-
2S4

) 200 000 квт (
Как ИЗМеНЯеТСЯ СТОИМОСТЬ ВЫрабоТКИ ЭЛеК* | АТомнью^станци^Тепловье станции
троэнергии тепловыми и атомными
электростанциями в зависимости от их мощности
(в условных единицах).
изводства электричества при
помощи энергии деления атомов
оказались убедительно
Доказанными.
Стоимость электроэнергии,
получаемой от первой атомной
электростанции, как и
предполагалось, оказалась в несколько раз
выше стоимости электроэнергии,
вырабатываемой тепловыми
станциями. Однако это
обстоятельство объясняется главным
образом одной причиной —
относительно малой мощностью этой
станции. По мере повышения
мощности атомных
электростанций эта разница постепенно
уменьшается, а при достижении
мощности 400—600 тысяч
киловатт почти целиком уравнивается.
То есть к атомным станциям
применим общий закон — чем
больше энергетическая мощность
электростанции, тем дешевле
стоит единица вырабатываемой
ею электроэнергии. При еще
большей мощности атомная
электроэнергия должна быть дешевле
тепловой.
Какие же технические
усовершенствования и нововведения в
конструкции ядерных реакторов и атомных электростанций
можно ожидать в ближайшем будущем?
Остановимся на наиболее интересных и важных идеях
в этой области.
Мы уже говорили о недостатках схемы атомной
электростанции, у которой отсутствует теплообменник: присутствие
кипящей воды и пара высокого давления внутри реактора,
необходимость пропускания сильно зараженного
радиоактивностью пара через турбину станции и все остальные узлы,
236

необходимость в связи с этим сооружать дополнительные
средства защиты вокруг этих агрегатов, затруднения в их
обслуживании и т. д. Однако такая схема имеет и ряд
преимуществ Для сравнения обе схемы станций — с
теплообменником и без него — приведены на рисунке (стр. 237).
Выходная мощность станции взята одинаковой—135
тысяч киловатт при к. п. д., равном 27%.
А каковы преимущества? Прежде всего, у станции с
прямой схемой значительно меньше отдельных агрегатов.
В прямой схеме реактор при температуре воды 250°
должен быть рассчитан на давление 100 атм, а в реакторе
с теплообменником — за счет потерь тепла в нем —
температура пара должна быть повышена до 300°, давление до
200 атм.
Мощность, расходуемая насосом на движение
охлаждающей воды из конденсатора турбины через реактор в
количестве примерно 25 тысяч литров в минуту, составляет около
1350 кет, или 1% от мощности генератора.
В схеме с теплообменником, помимо указанных 1350 кет,
расходуемых на движение теплоносителя во второй цепи,
требуется еще мощность порядка 6750 кет, или 5%, для
поддержания движения воды, отводящей тепло от реактора
в теплообменник. 1% расхода энергии на собственные нужды
станции при прямой схеме и 6% при схеме с теплообменником.
Разница достаточно большая, чтобы не отказываться от
прямой схемы, несмотря на ряд ее недостатков. Да и
недостатки ее не так уж непреодолимы, как это могло бы
показаться с первого взгляда.
Успехи механики и телемеханики позволяют вести
управление современной электростанцией на расстоянии без
непосредственного участия людей.
Разработаны и непрерывно создаются новые жаростойкие
и жаропрочные сплавы и материалы, устойчивые против
коррозии, ускоренной сильной радиоактивностью пара,
приводящего в движение турбину. А этот пар проходит еще и через
конденсатор и главную насосную установку станции.
Несколько слов о так называемой наведенной
радиоактивности.
Вода или пар, так же как и другое любое вещество, во
время нахождения внутри реактора подвергается воздействию
исключительно мощного потока нейтронов.
Ядра атомов элементов, из которых состоит вода, главным
образом кислород, а также всегда присутствующие
незначительные примеси в ней, поглощая нейтроны, становятся
искусственными радиоактивными изотопами. Распадаясь, они
излучают бета-частицы и гамма-лучи.
236

Некоторые рабочие характеристики атомной
электростанции одной и той же мощности в зависимости от того,
имеет она теплообменник или нет.
Для того чтобы в подавляющем большинстве
облучаемых веществ могла возникнуть вторичная, так называемая
наведенная, радиоактивность, энергия воздействующих на них
гамма-лучей должна быть не менее 8 Мае. Такой энергией
гамма-лучей не обладает ни один из известных естественных
или искусственных радиоактивных элементов. Поэтому
защита силовой части станции должна предусматривать только
237

радиоактивность теплоносителя, а в случае выключения его
из работы — радиоактивность остатков воды и пара,
скопившихся или просочившихся в различных участках схемы.
А) ВОДЯНОЙ ПАР
""ЯГ
КПД, 20%
Генератор
135000ив В чем преимущества
охлаждения ядерных
реакторов жидкими
металлами.
Б) ЖИДКИЙ МЕТАЛЛ
Генератор
К.П.Д. 38/о 135000 нет
Мотор 1 350 кет
Тем не менее приходится окружать бетонной защитной
стеной не только реактор, но и турбину, конденсатор, насос
и всю систему трубопроводов. В ряде случаев этот
недостаток и ограничивает применение таких установок.
В современных высокопроизводительных котлах все чаще
и чаще начинают вместо воды применять ртуть, натрий,
калий, смесь натрия и калия и другие металлы в жидком
виде.
О причинах этого мы уже говорили.
238

Вот примерные сравнительные характеристики жидкого
натрия и воды, применяемых для охлаждения реакторов:
Основные параметры
Рабочее давление жидкости (в атм)
Температура жидкости при входе
в реактор (в °С)
Температура жидкости при выходе
из реактора (в °С)
Точка плавления жидкости (в °С)
Коэффициент полезного теплового
действия (в %)
При соединении с водой и сырым
воздухом
При соединении с графитом
Жидкий
натрий
5—8
300
550-650
104
30—35
Взрывоопасен
Не
разлагается
Вода
100
190
250
0
20-25
Безопасен
Разлагается
Но при конструировании таких реакторов возникает
множество дополнительных технических трудностей.
Например, жидкий натрий, нагретый до очень высокой
температуры, трудно удержать в системе труб, по которым он
циркулирует. Трубы расширяются, соединения могут начать
пропускать натрий наружу, а даже малейшее его количество
при соединении с влажными материалами вызывает
разрушительный взрыв. К таким же результатам приводит и
попадание воды в жидкий натрий. Кроме того, раскаленный жидкий
натрий вызывает быструю коррозию труб и металлических
деталей, с которыми он соприкасается. А в огромной по общей
протяженности цепи трубопроводов может появиться
достаточно слабое или просто ненадежное звено.
Существуют и еще более сложные специфические
трудности, на которых мы останавливаться уже не будем.
Большой • интерес представляют собой реакторы, в
которых в качестве замедлителя, а во многих случаях и
теплоносителя используется обычная вода.
Такие реакторы имеют большое будущее.
Из числа конструкций реакторов с тяжелой водой следует
особо выделить гомогенный «кипящий» реактор, в котором
уран растворен в тяжелой воде. Такой реактор обладает
рядом преимуществ, делающих его весьма перспективным.
В конечной стадии производства металлический уран
получается путем довольно сложного процесса
восстановления его из окиси со столь же сложным последующим
процессом очистки металла от остатков вредных примесей.
Для работы гомогенного реактора не нужно получать
239

металлический уран, так как окись урана сравнительно легко
растворяется в тяжелой воде. А это намного удешевляет
стоимость производства и уменьшает потери урана на «угар»
при переплавке металла.
После того как уран-235 в ходе работы гомогенного
реактора выгорает, все жидкие и газообразные шлаки — продукты
его распада — переходят в тяжелую воду, откуда их
несравненно легче извлечь и удалить, чем из слитков
металлического урана.
И, наконец, очень важное обстоятельство: реактор можно
сконструировать так, чтобы раствор урана в нем непрерывно
циркулировал. В то время как часть его работает в реакторе,
другая часть одновременно проходит процесс очистки с
добавкой в него свежих порций урана-235 и с извлечением
образовавшегося плутония. Это исключительно важно, когда
Схема реактора с непрерывным удалением продуктов деления,

j ^ Свежий уран,
может потребоваться длительная работа реактора на
высоком уровне мощности, например в качестве двигателя
космического корабля.
Высказываются идеи о возможности создания новой,
несколько необычной схемы реактора, в которой удалось бы
объединить ядерное горючее, замедлитель и теплоноситель,
сохраняя в то же время все преимущества, которые
представляет собой жидкость для извлечения из нее продуктов
распада. Схема такого реактора показана на рисунке,
1б Энергия атома
241

Одна из солей урана растворена в жидком висмуте,
который почти не поглощает нейтронов. Эта смесь непрерывно
циркулирует по замкнутому кольцу сквозь реактор,
теплообменник, насосы и установку, в которой производится
очистка смеси от продуктов распада урана и образовавшегося
плутония, а также добавление урана-235 по мере его
расходования.
В нормальных условиях никакой ядерной реакции в смеси
на всем пути ее движения, кроме реактора, не происходит.
Нейтроны, которые могли бы образоваться при
самопроизвольном делении сравнительно небольшого числа ядер
урана-235, будут беспрепятственно улетучиваться из смеси, так
как на этих участках нигде нет ни замедлителя, ни
отражателя нейтронов, и смесь в смысле самопроизвольного
наступления реакции и тем более взрыва совершенно
безопасна.
Но вот смесь попадет внутрь реактора. Он окружен со
всех сторон отражателем нейтронов, немедленно
прекращающим их утечку из смеси урана и висмута. Множество
каналов, по которым с большой скоростью протекает смесь,
окружены замедлителем нейтронов — графитовыми блоками
или тяжелой водой.
Естественно, что в этих условиях нейтроны мгновенно
уменьшают свою скорость до тепловой и начинают усиленно
делить ядра урана-235. Под действием разлетающихся во
все стороны осколков деления смесь разогревается до 500—
800°. Но едва лишь она покидает каналы реактора, как
цепная реакция в уране, взвешенном в висмуте, прекращается,
и дальше до теплообменника смесь действует как
теплоноситель. Отдав в теплообменнике свое тепло обмывающей его
воде или другому, тоже жидкому, металлу, смесь очищается
от продуктов распада и поступает снова в реактор.
Не исключена возможность, что изобретение более
совершенных материалов позволит вернуться к уже окончательно,
казалось бы, отвергнутым конструктивным решениям, к
старым, давно проверенным теплоносителям: воде и газу, вместо
поисков новых, часто очень сложных и дорогих способов
отвода тепла от реактора.
КОГДА ОДНО ПОЛЕНО ПРЕВРАЩАЕТСЯ В ДВА
В детстве мы часто слышали сказку о волшебном
горшочке, всегда до краев наполненном вкусной кашей, сколько бы
ее ни ели. Или еще о более щедрой по разнообразию еды
скатерти-самобранке. Примерно так действует и реактор, на-
242

званный несклонными к сказочным названиям учеными более
строго — БР-5 (быстрый реактор мощностью 5000 кет).
Разработали его лауреаты Ленинской премии,
действительный член Академии наук УССР А. И. Лейпунский,
профессор О. Д. Казачковский и инженер М. С. Пинкасик.
В чем же заключается его сказочность?
Предположим, вам задали вопрос: можно ли сжечь 100 кг
дров или угля, произвести при помощи тепла определенную
работу и вместе с тем тут же получить от печи все
затраченное в ней топливо или даже несколько больше, чем было
сожжено?
Пожалуй, вы тут же заподозрите в собеседнике
изобретателя вечного двигателя, неудачливого автора фантастических
повестей или очень уж несведущего человека. И, естественно,
прочтете ему небольшую лекцию о невозможности перпетуум
мобиле, о законах сохранения энергии и материи.
Однако такой печкой, выдающей обратно топливо, яв-
лятся так называемый размножительный, или
самовоспроизводящий, ядерный реактор.
Как же это получается? Не удалось ли наконец создать
вечный двигатель, только на этот раз атомный?
Создать вечный, даже атомный, двигатель, конечно, не
удалось, но получать от ядерного реактора больше топлива,
чем его в нем сгорает, видимо, можно. Речь идет о том, что
используется в качестве ядерного топлива теперь и что
можно использовать в будущем.
Мы уже говорили, что в природном уране содержится
всего лишь 0,7% урана-235, который только один и может
быть использован для получения цепной саморазвивающейся
ядерной реакции. Остальные 99,3% приходятся на уран-238
и уран-234, которые в цепную реакцию не вступают и. по
сути дела, являются балластом. Уран-235 можно либо с
самого начала отделить от урана-238 и использовать по
назначению или же, не прибегая к предварительному разделению,
выжечь его в реакторе. Благодаря этому одновременно
некоторая, очень небольшая, часть (примерно 0,3—0,5%) урана
превратится в плутоний. Образующийся плутоний можно
отделять от урана-238 до тех пор, пока все уменьшающееся
количество вновь создаваемого плутония не превратится
в нуль.
В этом случае удается сжечь уже больше, чем
первоначальные 0,7% урана-235, и мы получим соответственно и
большее количество энергии. Но зато после такой
рационализации у нас не останется никакого плутония, который
можно было бы использовать для других целей.
Опыт, приобретенный учеными в работе с реакторами,
16*
243

U-238
U-235, Pu-239
Бетон
Схема размножительного
(бридерного) реактора.
Пространство
охлаждаемое
водой
натолкнул их на смелую мысль: нельзя ли соорудить атомный
реактор таким образом, чтобы при выжигании0,7% урана-235
в плутоний превращалось не 0,3—0,5% общего количества
урана-238, а те же 0,7%, а может быть, даже 1% или
несколько больше?
Ведь возможность использовать весь уран-238, превращая
его в плутоний, больше чем в 100 раз увеличивает
энергетические ресурсы человечества.
После соответствующих теоретических исследований и
практических опытов оказалось, что путь к решению
поставленной задачи есть.
Как может быть устроен такой размножительный
реактор?
В самом центре реактора располагается строго
определенное количество чистого урана-235, естественно, несколько
меньше критической массы. Бурное начало ядерной реакции
предотвращается достаточным количеством кадмиевых
поглощающих пластин, вначале полностью введенных в урановое
тело реактора.
Поскольку применяется чистый уран-235, отпадает
необходимость применять какие-либо замедлители, и цепная
реакция в уране осуществляется быстрыми нейтронами.
Расположение атомного горючего компактной массой
позволяет эту часть реактора сделать очень небольшой, с
минимальным количеством конструкционных деталей: стоек, труб,
244

ферм и т. д., неминуемо содержащих элементы, поглощающие
нейтроны.
Центральный стержень из урана-235 окружается
сплошной оболочкой — «подушкой» или «одеялом» — из урана-238.
Вылетающие из стержня быстрые нейтроны пронизывают эту
«подушку» и, поглощаясь ядрами урана-238, превращают их
в плутоний-239.
Снаружи реактор окружен обычным отражающим
графитовым слоем и заключен в многометровую биологическую
защиту.
Охлаждение реактора и управление его работой
производятся через отверстия, проделанные в центральном стержне
урана-235, «подушке» из урана-238 и в отражающем
графитовом слое.
Цепная реакция в таком реакторе начинается после того,
как из него извлечены контрольные кадмиевые пластины
грубой регулировки и введены на определенную глубину
стержни тонкой регулировки.
Бурному нарастанию реакции будет препятствовать и сам
уран-238, поглощающий значительную долю размножающихся
нейтронов.
Когда весь уран-235 в центральном стержне реактора
расщепится, в «подушке» из урана-238 образуется несколько
большее количество плутония. «Подушку» извлекают из
реактора, полученный плутоний отделяют от оставшейся массы
урана-238, и центральный стержень теперь изготовляют из
этого вновь образовавшегося плутония. Дальше реактор
работает уже на стержнях, сделанных из плутония, каждый раз
накапливающегося в увеличенном количестве в наружной
оболочке из урана-238.
Если в обычном реакторе из каждой загружаемой в него
тонны ядерного «топлива» может быть использовано лишь
7 кг урана-235, то в реакторах на быстрых нейтронах на
каждые 100 г выгоревшего урана-235 получается до 120 г
нового ядерного горючего — плутония-239. А на каждые
100 г сгоревшего плутония-239 — до 150 и больше граммов
нового плутония за счет превращения в него урана-238.
Через несколько таких повторных циклов количество
полученного плутония удвоится. Излишек его можно перенести во
второй реактор, чтобы начать в нем второй, параллельный,
цикл размножения плутония. Еще через несколько циклов
количество полученного плутония должно учетвериться, и его
можно будет распределить на четыре реактора, и т. д.
Когда впервые был запущен такой реактор, ученые
увидели чудо-печь, которая, протопившись, вместо одного
сгоревшего полена выдала обратно два!
245

1
Kill-235
Вместо 0,7% урана-235 серия размно-
жительных реакторов позволяет
использовать весь природный уран
р0°о>
о
оо°
<|=999
и-
кг
238

Такого не может быть! Действительно, не может быть. Но
с атомной печью дело обстоит по-иному.
Два лишних «полена», естественно, получаются не из
воздуха, а за счет использования урана-238, считавшегося до
сих пор отходом, как считаются отходами в
деревообделочном производстве кора деревьев, сучья, листва, щепки,
опилки, стружки. В отходы их зачислили не из-за абсолютной
невозможности использовать, а из-за временного незнания,
как это сделать.
Стопроцентного использования природного урана таким
способом можно добиться лишь ценой отказа от накопления
плутония, ибо в реакторе он воссоздается из пепла и исчезает
вновь с тем, чтобы в процессе многократного появления все
время непрерывно вырабатывать энергию. Следовательно,
реактор размножительного типа, требующий для своей
работы непрерывного расходования плутония, идеально
подходит для использования в мирных и научных целях, например
в атомных электростанциях, в судовых атомных
установках и т. д.
Надо только иметь в виду, что этот тип реактора
находится еще в самом младенческом возрасте. Он пока сложен,
капризен в работе, не все его достоинства и недостатки как
следует выявлены и оценены.
Поставить на службу народного хозяйства страны
установку, позволяющую сразу почти в 100 раз увеличить наши
ресурсы атомной энергии — «игра, стоящая любых свеч».
Атомные размножительные реакторы с успехом могут
применяться и на электростанциях, и в качестве «двигателей».
Весьма интересны и некоторые экономические расчеты.
На стр. 248 приведены схемы трех различных типов
реакторов, показывающие условную стоимость вырабатываемой
при их помощи электроэнергии.
Первая из них изображает реактор, работающий на
чистом уране-235.
Вторая схема показывает количество энергии,
вырабатываемой при использовании так называемого регенеративного
реактора, работающего на природном уране, в котором
одновременно с делением урана-235 происходит образование из
урана-238 несколько меньшего количества плутония. Мы
видим, что количество получаемой энергии по сравнению с
первой схемой почти утроилось.
И, наконец, на третьей схеме показано количество
электроэнергии, получаемой от электростанции с реактором раз-
множительного типа, в котором путем многократного
воспроизведения удалось бы использовать весь природный
уран.
247

U-235 0,07кг
стоимость
100%
Г9.895 кг U-238 в отходы)
U-235 0,07 нг
Юнг
Л
U-238 9,93 кг
*=>■
51800 000
квт-ч
0,2%
Сравнительные характеристики трех главнейших видов ядерных
реакторов: а — обычного; б — восстановительного; в — размножительного;
справа — относительная стоимость (в процентах) получаемой при их
посредстве электроэнергии.
Экономически эта схема самая выгодная. Вот почему мы
говорим, что будущее атомной энергии принадлежит размно-
жительным реакторам.
МЕЧТА РОЖДАЕТ ПЛАН, ПЛАН РОЖДАЕТ МЕЧТУ
Выдающийся деятель Коммунистической партии
Советского Союза Сергей Миронович Киров любил говорить, что
мечта — это черновой набросок плана. Реальная
действительность нашего социалистического общества своими истоками
имела мечту, воплощенную затем в научный план, неуклонно
248

осуществляемый с невиданной в истории человечества
закономерностью и точностью.
Блестящим примером этого положения является атомная
энергетика. Совсем недавно — меньше 25 лет назад —
высвобождение внутриядерной энергии было самой смелой, самой
фантастической из фантастических и, казалось, самой
безнадежной мечтой человека. Но потребовалось всего 10 лет,
чтобы эта величественная мечта предстала перед людьми
в форме вполне реальной атомной электростанции, введенной
в эксплуатацию именно в стране, самая возможность
существования которой опять-таки лишь 50 лет назад была мечтой,
воплощенной в научный план и великие дела
основоположников коммунизма.
Дальнейший прогресс мечты, облеченной уже плотью и
кровью теории и практики, головокружительно ускоряется.
Опыт эксплуатации цервой атомной станции показал, что
резкое снижение себестоимости электроэнергии — ниже
себестоимости энергии тепловых станций — возможно лишь в том
случае, если мощность атомных электростанций достаточно
велика.
В Советском Союзе построены две «крупнокалиберные»
атомные электростанции: Белоярская имени И. В. Курчатова
и Ново-Воронежская, первые очереди которых были введены
в строй в 1964 году.
Первый блок Белоярской станции имеет мощность 100
тысяч киловатт. Впервые в мире на ней был осуществлен
ядерный перегрев пара в промышленных масштабах, что
позволило достигнуть к. п. д. станции порядка 35—38% —такого
же, как и у самых лучших современных тепловых станций.
Схема первого блока этой станции состоит из двух
контуров.
Вода первого контура под давлением 155 атм подается,
как и в первой атомной электростанции, в испарительные
каналы, расположенные в активной зоне реактора. Здесь она
нагревается теплом делящегося урана до 340° и частично
испаряется. Образующаяся пароводяная смесь (эмульсия)
поступает в сепаратор, отделяющий воду от пара. Пройдя
сепаратор, пар попадает в специальный испаритель
(теплообменник) и там отдает свое тепло воде, циркулирующей во
втором контуре, после чего возвращается обратно в активную
зону реактора.
Вода второго контура, пройдя испаритель, превращается
в пар с температурой 314° и давлением 110 атм. Однако этот
пар направляется не в турбины, а поступает обратно в
активную зону реактора в специальные пароперегревательные
каналы, где его температура повышается до 480—500°. Лишь
249

после этого пар с несколько сниженным давлением (90 атм)
поступает на лопатки турбины.
Дальнейшим развитием этого типа реактора является
второй блок этой же станции мощностью 200 тысяч киловатт
с более простой и экономичной одноконтурной схемой.
Таким образом, полная электрическая мощность двух
очередей (блоков) Белоярской АЭС будет равна 300 тысячам
киловатт.
Можно ли на реакторе белоярского типа достичь
мощности, сравнимой с мощностью первоклассной тепловой
электростанции?
Как показывают расчеты, эта задача может быть решена,
если довести температуру пара до 535—565°, а давление —
до 250 атм, что позволит поднять к. п. д. АЭС выше 40%.
В том же году был введен в эксплуатацию первый блок
Ново-Воронежской АЭС с электрической мощностью 200
тысяч киловатт. Реактор этой станции — водо-водяной, с плотно-
прочным корпусом под давлением, то есть в нем в качестве
теплоносителя и замедлителя используется вода
Сравнительно невысокие параметры пара в этой схеме
облегчают работу оборудования, и станция в целом обладает
высокой-степенью надежности.
После пуска второго блока Ново-Воронежская АЭС
достигнет мощности 575 тысяч киловатт, а стоимость
вырабатываемой ею электроэнергии значительно приблизится к
стоимости электроэнергии в этом районе.
Два типа реакторов, с которыми мы познакомились,
хорошо освоены в нашей стране и могут служить основой для
строительства АЭС с использованием реакторов на тепловых
нейтронах.
Мы уже говорили о важности создания размножительных
реакторов, позволяющих использовать не 0,7% природного
урана, а все 100%, то есть в 150 раз больше. Ведь в случае
успешного решения этой проблемы 1000 т урана с избытком
хватило бы для работы атомных электростанций общей
мощностью 100 миллионов киловатт в течение целого года!
Именно поэтому в СССР ведется большая работа по изучению
реакторов на быстрых нейтронах.
После долгих исследований принято решение о
сооружении первого в мире большого реактора на быстрых
нейтронах, электрической мощностью 300—350 тысяч киловатт,
дальнейшим развитием которого будут быстрые реакторы
с электрической мощностью 600 тысяч и миллион киловатт.
Большая ядерная энергетика — это бесспорно энергетика
реакторов на быстрых нейтронах с расширенным
воспроизводством горючего.
250

С момента открытия возможности передачи
электроэнергии на расстояние и строительством первой электростанции
прошло не менее 75 лет. Первый атомный «костер»,
зажженный в лаборатории Ферми, и первую атомную
электростанцию, введенную в эксплуатацию в СССР, разделяют только
12 лет. Поэтому было бы наивно ожидать, что с пуском даже
мощных атомных электростанций все научные и технические
проблемы, стоящие перед ядерной энергетикой и
промышленностью в целом, разрешены и все, что осталось, — это начать
массовое строительство атомных электростанций, чтобы
заменить ими несовершенные и устаревшие тепловые. На самом
деле это далеко не так. Атомная энергия настолько
отличается от всех иных форм энергии, используемых человеком,
перспективы ее дальнейшего применения столь грандиозны и
головокружительны, а методы и формы использования еще
так несовершенны, можно сказать — даже примитивны, что
если о чем-либо и можно говорить, то только о первых
разведочных шагах в этой области. Ведь самая совершенная
атомная электростанция—это чудесный, почти волшебный конь
(ядерный реактор), запряженный в старую дедовскую телегу
(паровой котел). Та же ступень неизбежного в истории науки
и техники варварства, как и сжигание нефти и угля.
И если мы еще не знаем, какие формы и размах примет
ядерная энергетика хотя бы через 10—15 лет, то можно
наверняка утверждать, что она будет далеко не похожа на все
то, чем мы восхищаемся сегодня.
Даже строя атомные электростанции большой мощности
для обыденной эксплуатации, их следует рассматривать как
сугубо экспериментальные, сооружаемые для накопления
крайне важного и очень нужного опыта, ибо следом за
единичными станциями мощностью в сотни тысяч киловатт
неминуемо должны появиться серийные станции, мощность
которых должна измеряться уже миллионами киловатт. Поэтому
вполне сознательно советские ученые и конструкторы,
создавая очередной ядерный реактор или энергетическую
установку, вносят в каждый из них что-то новое и смелое. Пока еще
есть время и возможность, надо проверить в широких
масштабах целесообразность тех или иных нововведений, не
приостанавливая ни на минуту планомерного наращивания
суммарной мощности атомных электростанций в стране в
соответствии с народнохозяйственным планом.
Учитывая эти соображения, за последние несколько лет
было разработано целое созвездие ядерных энергетических
установок различного типа и назначения. С наиболее
интересными из них мы и познакомимся,

„CM'
He будем интриговать вас. Эти две буквы означают
«сверхмощный».
Для того чтобы иметь возможность создавать реакторы
любых, мыслимых и пока еще не мыслимых назначений и
характеристик, должна существовать современная, отлично
оснащенная и мощная научная организация. Такой базой и
является Научно-исследовательский институт атомных
реакторов Комитета по мирному использованию атомной энергии
при Совете Министров СССР в городе Мелекессе,
Ульяновской области. Своеобразный полигон атомной энергетики и
завод заводов. Здесь будут исследоваться и испытываться
различные схемы атомных электростанций, разнообразные
материалы атомной техники. Как и положено головному
научному центру, он должен, естественно, иметь реактор
реакторов. Такой реактор и создан учеными института.
Ульяновская атомная электростанция — одно из важных
направлений новых поисков. В ней используется так
называемый кипящий реактор, превращающий подводимую к
активной зоне воду в пар высоких параметров, который подается
непосредственно на турбину, хотя предусмотрена возможность
работы и по схеме Ново-Воронежской атомной
электростанции. В этом случае вода, нагретая до 309°, под давлением
200 атм поступает в парогенератор, где отдает свое тепло
воде второго контура, которая превращается в пар, питающий
турбины, с температурой 237° и давлением 32 атм.
Мощность электростанции, правда, невелика, всего 50—
70 тысяч киловатт. Ее здесь больше и не нужно. Но зато для
любых научных и конструкторских исследований необходимы
очень большие — сверхплотные, предельно возможные потоки
нейтронов. А это дается немалым трудом, так как
приходится, помимо всего, устранять тысячи, казалось бы, самых
пустяковых и несущественных препятствий.
В первую очередь удалось осуществить хорошее
охлаждение активной зоны реактора, а также подобрать
конструктивные материалы, поглощающие сравнительно мало
нейтронов, но выдерживающие высокие температуры.
Как известно, в активной зоне образуются нейтроны всех
энергий — от быстрых до тепловых, но меньше всех тепловых
нейтронов. Поэтому в активную зону встроили полость,
заполняемую водой или другим аналогичным замедлителем.
Попадая в вещество замедлителя, быстрые и
промежуточные нейтроны замедляются до тепловых энергий, в
результате реактор дает самый мощный в мире поток нейтронов
в пучке — число с 15 нулями (1015) на 1 см2/сек.
252

Активная зона набирается из кассет, каждая из которых
представляет собой пакет из тепловыделяющих пластин.
Через щели пластин под давлением 50 атм прокачивается вода,
охлаждающая рабочую зону реактора. Так как под действием
излучений часть воды разлагается на водород и кислород,
образуя гремучий газ, в реакторе предусмотрена система, в
которой этот очень опасный газ без взрывов снова
превращается в воду.
Впервые в мире смена рабочих кассет в активной зоне
осуществляется внутри реактора с помощью специальной
автоматической перегрузочной машины, извлекающей
«выгоревшую» кассету и заменяющей ее свежей, хранимой тут же
в своеобразном складе кассет.
Тело реактора пронизано большим числом каналов,
используемых для облучения исследуемых веществ потоками
нейтронов разной энергии и интенсивности, а также
каналами для вывода за пределы реактора в специальные
помещения пучков нейтронов для физических исследований.
Все управление реактора автоматизировано.
В заключение следует сказать, что самый плотный поток
нейтронов, достигнутый до сих пор в США, равняется
4,2-1014 нейтронов на 1 см2/сек.
„ДРАЗНИЛКА"
Основными достоинствами ядерного реактора
энергетического типа должны быть надежность и долговечность в
работе, легкость управления, высокие, но не предельные
эксплуатационные характеристики (с «запасом»), полная
безопасность для людей. Ничто не должно доводиться «до
грани», хотя превратиться в атомную бомбу и взорваться ни
один реактор обычного типа практически не может, так как
ядерное топливо в них рассредоточено и скорость нарастания
цепной реакции благодаря этому даже в случае серьезной
аварии не будет носить взрывного характера. Кроме того, по
мере повышения температуры в активной зоне ход цепной
реакции резко замедляется.
А соблазнов довести цепную реакцию до состояния «без
пяти минут двенадцать» — чуть-чуть не доходя до взрыва —
чрезвычайно много. Это и огромная тепловая мощность,
развиваемая в таком состоянии, ограниченная лишь способностью
теплоносителя достаточно быстро уносить фантастические
количества тепла и способностью конструктивных элементов и
самих тепловыделяющих элементов выдерживать очень
высокие температуры и бомбардировку мощным потоком нейтро-
253

щ
Мишень \Ш
ш
Нейтрон ь.
235(меньше
критичесной
массы)
Предохранитель
ный стержень
'из урана 23Г
Как действует пульсирующий
реактор («дразнилка») на быстрых
нейтронах.
Плутоний - 23
нов, лавинообразно
увеличивающимся по мере
убыстрения хода цепной
реакции. А большие
потоки нейтронов с
'каждым днем все более и
более нужны ученым для
изучения очень
интересных и важных изменений
в различных веществах
под действием
нейтронной бомбардировки,
начиная от «холодной»
технологии увеличения
выхода ценных продуктов из
сырой нефти или
вулканизации р'езины и кончая
разрушением раковых опухолей в самых малодоступных
скальпелю хирурга участках мозга человека.
Каким же тогда образом создать «предвзрывное»
состояние ядерной реакции?
Вы уже знаете принцип действия атомной бомбы. Нужно
лишь очень быстро свести вместе, вернее, «выстрелить» одну
навстречу другой две половинки сферы из урана-235 или плу-
тония-239, масса каждой из которых заведомо меньше
критической. При соединении же их вместе получается масса,
превышающая критическую. Возникающая реакция носит
взрывной характер и длится после соприкосновения полусфер
миллионную долю секунды. И если ходом цепной реакции еще
возможно как-то управлять в начальные мгновения ее
нарастания, то невозможно или почти невозможно—в последующие.
И вот появляется реактор, в котором невозможное
становится не только возможным, но к тому же оказывается еще
и совершенно безопасным.
Представьте себе два куска плутония, масса которых
несколько меньше критической. Расположены они один против
другого так, что между ними остается щель, достаточно
широкая, чтобы в них не могла начаться цепная ядерная
реакция. В этой щели со скоростью 5000 об/мин вращается диск
с укрепленным на нем блоком урана-235. В тот ничтожно
короткий момент, когда уран влетает в щель и оказывается
254

между слитками плутония, масса всей комбинации из
ядерного горючего оказывается выше критической и в нем
начинается взрывная цепная реакция, и тогда... Нет, взрыва не
произойдет, ибо за какую-то малую долю секунды до
возможного взрыва уран выскакивает из щели, и цепная реакция
столь же быстро обрывается. Но в момент «противостояния»
слитков плутония и урана выбрасывается, как вспышка
молнии, огромный сгусток быстрых нейтронов, — то, что не под
силу даже большому промышленному реактору.
Ну, а если каким-либо чудом блок урана сорвется и
застрянет между смертоносными слитками плутония?
Это невозможно чисто механически. Но чтобы на всякий,
даже невероятный, случай удесятерить меры
предосторожности, «слитки» плутония сделаны не сплошными, а составлены
из отдельных стерженьков вроде пачки карандашей. В случае
какой-либо аварии или превышения безопасного уровня
нарастания реакции, срабатывает сверхбыстродействующее
автоматическое устройство, выбивающее из пачки один или два
«карандашика». Тогда общая масса плутония и урана
становится ниже критической, и цепная реакция в ней возникнуть
не может.
Главная ценность такого реактора заключается в том, что
при среднем уровне мощности, не превышающем 1 кет, он
5000 раз в секунду «бьет» импульсами нейтронов,
соответствующих реактору мощностью в несколько тысяч киловатт!
5000 раз в минуту рука человека «почти» сознательно
взрывает атомную бомбу и столько же раз мертвой хваткой
прерывает ее, подчиняя своей воле. Недаром ученые —
создатели этой установки — шутя и любовно называют ее
«дразнилкой», хотя ее полное официальное название «импульсный
быстрей реактор» (ИБР).
Естественно, что все участки сооружения, где существует
хотя бы ничтожно малая возможность прорваться
нейтронной струйке наружу, ограждены надежными стенами
биологической защиты.
„АРБУС"
Мощность этой атомной электростанции Очень неболь*
шая — «всего» 750 кет. Но главное ее достоинство не в
мощности, а в легкости. Она предназначается для мест,
расположенных в далекой северной тундре, в таежных дебрях,
необжитых краях и для всех тех отдаленных районов страны,
куда пока еще не дошли линии электропередач, несущие
людям живительную энергию, тепло, свет.
255

Как известно, вес любой атомной электростанции,
работающей по пароводяному циклу, приходится не на
собственно реактор, а на его биологическую защиту, так как
необходимо защищать не только его активную зону, но и все
устройства первого контура, включая теплоноситель,
трубопроводы, насосы, теплообменник и т. п. Незащищенными
можно оставить только воду и трубопроводы второго
контура и турбины.
Причина этому — вода. Проходя через активную зону
реактора, она как бы впитывает в себя излучения и становится
сильно радиоактивной и чрезвычайно опасной для людей.
Ну, а что было бы, если вместо воды использовать
вещество, не становящееся радиоактивным под действием
облучения любой интенсивности?
Конструкторы «Арбуса» пошли на применение смелой
новинки — вместо воды в первом контуре в качестве
теплоносителя они использовали органическую жидкость,
совершенно «равнодушную» к облучению. Она не только хорошо
отводит тепло, но и не активизируется — не заражается
радиоактивностью. Соперником воды и даже расплавленных
металлов оказался газойль — обычное дизельное топливо.
Его только нужно перед использованием тщательно очистить
от посторонних примесей, в первую очередь от серы, легко
становящейся радиоактивной под действием излучений.
Как видите, атомный «огонь» в этой установке
«заливается» легко воспламеняющимся горючим!
Но зато чистый газойль, пройдя активную зону реактора,
остается безопасным, как и в начале своего пути. Поэтому,
кроме самого реактора, вернее, его активной зоны, окружать
биологической защитой почти нечего. Более того, газойль
ничего не коррозирует. Все трубопроводы, насосы, арматуру
можно делать не из специальной, а из обычной стали/
Но это далеко еще не все. Благодаря большой удельной
теплоемкости теплоносителя давление, под которым он
работает, в 20 раз меньше, чем на водяных атомных
электростанциях. Единственный недостаток такого теплоносителя: под
действием излучений он частично химически изменяется —
полимеризуется, то есть превращается в пластмассу.
Вследствие этого его после использования приходится очищать от
образовавшихся продуктов химической реакции.
Для работы такой электростанции требуется в год всего
несколько тонн свежего газойля и 2 кг урана. Если бы
электрические генераторы этой станции приводились в движение
обычными дизелями, она за год израсходовала бы около
1500 т топлива. А здесь одной зарядки реактора ураном
хватает на два года.
256

Но вернемся к тому, с чего мы начали. «Арбус» весит
всего 360 т. Сравнительно малый объем биологической
защиты позволил расчленить всю электростанцию на 19 отдельных
блоков, ни один из которых не весит более 20 г, вследствие
чего ее можно доставить в любой уголок страны.
Несмотря на все эти особенности и отступления от
привычной практики, «Арбус» прост, надежен и удобен в работе.
АТОМНАЯ САМОХОДНАЯ
Речь идет не о самоходной атомной пушке, а о мирной
атомной электростанции.
Если создание «Арбуса» — сверхлегкой атомной
электростанции — вызывает удивление, то еще большее изумление
вызывает атомная электростанция, названная более чем
скромно — «ТЭС-3». Людям, привыкшим видеть атомную
электростанцию в огромных бетонных сооружениях, трудно
сразу поверить, что четыре транспортера-вездехода на
широких гусеницах и есть передвижная атомная электростанция
мощностью 1500 кет. Она может работать там, куда трудно
забросить даже легкий «Арбус», где нет ни железных дорог,
ни аэродромов, но где нужна до зарезу электроэнергия.
Самоходная атомная электростанция.

До ближайшего пункта «ТЭС-3» можно перевезти по
железной дороге на четырех платформах или на пароходе, а
дальше она пойдет сотни километров по бездорожью уже
своим ходом, преодолевая, как танк, даже метровые
препятствия.
По прибытии на место надо соединить коммуникациями
все агрегаты, создать для первых двух машин естественное
укрытие — специальную траншею с тонкостенными
железобетонными перекрытиями, засыпанными сверху толстым слоем
земли, — и станция готова для запуска.
На первом вездеходе расположен атомный реактор, на
втором — циркуляционные насосы, парогенераторы и другое
оборудование первого радиоактивного контура. Схемы
реактора и станции обычные — по водо-водяному циклу.
По первому контуру циркулирует вода под давлением
130 атм, по второму контуру после теплообменника — пар,
перегретый до 280°.
В третьей машине находится обычная паровая турбина и
генератор, в четвертой — пульт автоматизированного
управления.
Для обслуживания этого подвижного «городка» нужно
всего три-четыре челорека в одну смену. Без перезарядки
ураном станция может работать год. За сутки она расходует
всего лишь 14 г урана-235.
Весят все четыре машины 350 т. После остановки реактора
станция через две недели может отправиться снова в путь.
При этом радиоактивные тепловыделяющие элементы
остаются в реакторе.
„РОМАШКА"
Несмотря на огромные успехи в расширении
энергетической базы человеческого общества, особенно после того, как
на службу людям была поставлена электроэнергия, ученых
долгое время смущал, а в последние десятилетия
по-серьезному волнует некогда прогрессивный, а ныне
варварски-расточительный способ, каким человечество расходует
ужасающе быстро и все ускоряющимися темпами природные
источники энергии: уголь, нефть, растительные виды
топлива.
Исторически развитие электротехники пошло по ныне
повсеместно применяемой схеме выработки электроэнергии:
топливо — паровой котел — паровая машина
(турбина)—генератор электрического тока, а не по более простой схеме:
теплота — электричество.
258

Причин этому было много. Более длинный и сложный
способ давал более высокий коэффициент полезного
использования энергии — например, в паровозе до 6—7%, в то время
как все другие, более короткие схемы не вырывались за
пределы 1—2%. И это предопределило развитие
электроэнергетики на два с лишним века вперед.
Постепенно благодаря усилиям ученых и инженеров
коэффициент полезного использования энергии тепла,
скрытой в топливе, поднялся до 25—30%, а у самых современных
энергетических установок достигает 35—38 и даже 41%.
Естественно, что разработке иных, более совершенных
экономичных способов преобразования энергии теплоты в
электрический ток почти не уделялось никакого внимания.
Тревога за сырьевые ресурсы человечества возникла
в связи с тем, что ежегодная добыча угля во всем мире
превышает 3 миллиарда тонн, а нефти— 1,5 миллиарда тонн, не
считая газа, растительных и других видов топлива. Всего
почти 5 миллиардов тонн. О том, что запасы топлива
катастрофически уменьшаются и абсолютно и относительно
роста добычи, споров уже нет. Мнения расходятся только
в том, на сколько человечеству теперь хватит угля и нефти.
Одни считают, что угля хватит на 300—500 лет, а нефти на
50 лет, другие сокращают эти числа в два-три раза.
В свете неминуемо надвигающегося топливного голода
кажется уже преступлением, добывая 5 миллиардов тонн
топлива в год, 3U его выбрасывать буквально на ветер. Вряд ли
в деятельности человека есть еще какая-либо область со столь
низким использованием природных ресурсов, чем энергетика.
И нет ничего удивительного, что во всех странах мира
целые армии ученых занялись проблемой прямого
преобразования теплоты в электричество, минуя всевозможных
посредников. И очень скоро выяснилось, что некоторые
отброшенные на заре энергетики как безнадежно бесперспективные
способы получения электроэнергии, притом непосредственно
из теплоты, оказались в свете новейших достижений науки
куда более перспективными, чем те, которые полновластно
господствуют в энергетике сегодня.
Мы здесь можем только назвать их, не вдаваясь глубоко
в принципы действия этих «новинок», многие из которых
известны науке свыше... 100 лет!
Это преобразование солнечного света в электричество,
обещающее со временем достичь к. п. д., равного 45%. Это
термоионные устройства с к. п. д. не ниже 65—70%, магнито-
гидродинамические генераторы с к. п. д. порядка 70—80%,
термогенераторы с к. п. д. не ниже 45—50% и, наконец,
топливные химические элементы, обещающие к. п. д. даже око-
17*
259

ло 100%! Тогда как даже теоретический потолок
использования энергии тепла в тепловых электростанциях не может
превысить 41—43%.
Учитывая огромную насыщенность мировой энергетики
электрическими устройствами существующих видов,
потребуется несколько, а может быть, и много десятилетий, чтобы
заменить их энергетическими установками этих условно
«новых» видов.
Атомная энергетика сама по себе обещает на долгие
годы, видимо на века и тысячелетия, снять или отодвинуть
наступление энергетического голода. Но и она также уязвима
со стороны низкого к. п. д. использования энергии тепла,
причем даже 41—43% для нее являются труднодостижимыми.
Поэтому нет ничего удивительного в том, что,
разрабатывая атомные установки всех видов, ученые не могли пройти
мимо того факта, что впрягать огненного
коня—ультрасовременный ядерный реактор — нужно не в старую телегу —
паровой котел, о чем мы уже говорили, а во что-то иное,
обещающее хотя бы поначалу только принципиально более
высокий к. п. д.
Все это длинное вступление понадобилось нам для того,
чтобы подчеркнуть важность первого шага, сделанного
советскими учеными, — запуска 14 августа 1964 года в работу
экспериментальной установки с прямым преобразованием
ядерной энергии в электрическую. Этой установке и было
присвоено лирическое название «Ромашка» — за ее внешний
вид, напоминающий этот цветок.
Больше века назад было замечено, что если спаять вместе
два различных куска металла и один охлаждать, а другой
нагревать, то в образующейся цепи потечет электрический
ток. Долгое время этот эффект из-за низкого к. п. д. (около
0,5%) с успехом применялся лишь в измерительной технике.
Развитие современной полупроводниковой техники
позволило получать материалы, в которых преобразование теплоты
непосредственно в электроэнергию может совершаться уже
с к. п. д., равным 10—11%.
Поскольку ядерный реактор является по своей природе
тепловой машиной, его использование в качестве источника
теплоты для термоэлектрического преобразования энергии
наиболее перспективно.
В экспериментальном реакторе-преобразователе,
«Ромашке» тепловая энергия, создаваемая в активной зоне
высокотемпературного реактора, нагревает «горячие» спаи
большого количества батарей, собранных из термоэлектрических
элементов, которые и преобразуют теплоту непосредственно
р электрический ток.
260

Тепло получается в
активной зоне реактора,
имеющей форму цилиндра, в
которой размещены 11
графитовых кассет с
тепловыделяющими элементами в
виде пластин из дикарбида
урана. Реакция деления
осуществляется на быстрых
нейтронах. Зеркалом для
нейтронов служит бериллие-
вый отражатель,
окружающий со всех сторон
активную зону реактора.
Так как к. п. д.
термоэлементов растет с
увеличением разности температур
между горячим и холодным
спаями, максимальная
температура в центре активной
зоны реактора достигает
1170°.
Термоэлектрический
преобразователь встроен в
наружную поверхность
отражателя, имеющую
температуру около 1000°. Он
составлен из полупроводниковых
термоэлектрических
элементов из
кремний-германиевого сплава. Одна сторона термоэлементов нагревается теплом
реактора, другая принудительно охлаждается. Термобатарея
дает ток силой 88 а, который и отводится во внешнюю цепь.
Электрическая мощность «Ромашки» пока еще не
велика — 500 вт. Но нужно иметь в виду, что это первая
работающая установка такого типа. Потребуется какое-то время,
чтобы накопить опыт, необходимый для конструирования
предельно легких, компактных электростанций самого
различного назначения.
АТОМ НАПОИТ ПУСТЫНИ
Схема устройства
полупроводниковой термоэлектрической батареи,
используемой в «Ромашке». Каждый
термоэлемент такой батареи состоит
из двух спаянных нагреваемыми
концами полупроводников,
отличающихся один от другого знаком
термоэлектрического эффекта У одного из
них положительно заряженным
является горячий конец, у другого —
холодный. Между холодными
концами каждого термоэлемента (пары)
возникает разность электрических
потенциалов порядка 0,2—0,3 в при
силе тока до 1 а.
Больше двух третей поверхности Земли занимает
Мировой океан, или попросту вода. Поэтому нашу планету было
бы более правильно называть не Землей, а, например, Водой
или Океанией,
261

Однако из трети, занятой сушей, почти половина
приходится на пустыни, полупустыни и сильно засушливые места.
Но и то, что остается, природа «не благоустроила» для
человека. Это или переувлажненные, обильные реками, озерами
и болотами малозаселенные суровые и холодные просторы
Севера, колоссальные количества замерзшей воды,
покрывающие Арктику и Антарктиду, или густонаселенные, но
изнывающие от жажды теплые края, могущие, как по
волшебству, обернуться настоящим раем, если их вдоволь напоить
влагой. И это тем более трагично, что многие из них
тысячелетиями живут бок о бок с безбрежными просторами
океанов и морей. Но вода в них горько-соленая. Ею нельзя
напоить ни людей, ни нивы.
По запасам пресной воды наша страна занимает первое
место в мире. Однако вода эта, так же как и на всем
земном шаре, распределена неравномерно. 80% ее приходится
на северные и восточные районы, где находится около 20%
населения и всех производительных сил страны: заводов,
фабрик, сельскохозяйственных угодий. А там, где живут
остальные 80% населения и расположена основная часть
промышленности и сельскохозяйственного производства, мало
воды и много пустынных и засушливых мест. А когда-то это
тоже были цветущие, плодороднейшие места планеты.
На протяжении многих веков человек упорно боролся
с наступлением пустыни, палящего солнца, знойного ветра.
Но вынужден был непрерывно отступать, ибо мало было
в его распоряжении средств и силы для сдерживания
могучего противника. Собственные руки, мускульная сила
домашних животных — и все!
И только новому, социалистическому обществу с его
могучей техникой и промышленной базой стало под силу
начать борьбу с извечными врагами земледельца. И главным
оружием в этой борьбе явилась вода. Советские люди стали
создавать искусственные моря пресной воды, прокладывать
тысячекилометровые трассы каналов и поворачивать реки,
направляя их воды туда, где они давным-давно уже иссякли.
Но эту воду тоже нужно добывать и, как правило,
дорогой ценой. Естественно, возникла мысль: а нельзя ли
морскую или соленую подземную воду, которая в изобилии есть
почти всюду, особенно в южных краях, превращать в
пресную? И не стакан или ведро, а целые реки, способные
напоить сотни тысяч и миллионы людей, вернуть жизнь полям,
садам, лесам.
Соленую воду можно опреснить многими способами.
Например, используя некоторые новые искусственные
материалы, так называемые ионообменные смолы. Пропуская воду
262

через огромное количество тонких перепонок из этих веществ,
можно задержать растворенные в воде соли. Можно
заморозить воду. Тогда соль сконцентрируется в нижней части
глыбы льда, а пресная вода соберется вверху... Наконец,
можно просто нагревать и испарять воду, а затем, собрав и
охладив уже свободный от соли пар, вновь превратить его
в воду, но уже пресную.
Однако любой из этих способов требует больших
материальных затрат и огро-много количества энергии.
Пустыня— это не то место, где не идут дожди, а то место, где
нет энергии. Теоретические расчеты показывают, что на
получение 1 т опресненной воды нужно затратить как
минимум 1 квт-ч энергии. Но где взять столько энергии? Под
силу ли это даже такому могучему индустриальному
государству, как Советский Союз? Ведь чтобы вдоволь напоить
все пустынные и засушливые районы страны, нужны десятки
и сотни миллиардов тонн воды!
Такая сила нашлась — ее даст энергия, скрытая в недрах
атома. Если использовать для этой цели атомный реактор
очень большой мощности, то получаемая от него энергия
будет обходиться значительно дешевле, чем энергия обычных
тепловых электростанций.
Атомная электростанция, сжигая в сутки от силы 2 кг
урана или плутония, может давать не только тепло для
испарительных или холодильных установок, но и достаточное
количество электроэнергии для большого промышленного
города или района с населением в несколько сотен тысяч
человек. И энергия и вода!
Первая такая установка, развивающая тепловую
мощность свыше миллиона киловатт строится на восточном
берегу Каспийского моря в городе, названном по фамилии
знаменитого поэта-бунтаря Т. Шевченко, где тот когда-то
отбывал царскую ссылку. На вырабатываемом тепле будет
работать электростанция мощностью около 150 тысяч киловатт,
а пар, после того как он приведет в движение турбины и
генераторы электрического тока, направится в
опреснительную установку, которая произведет 100—ПО тысяч
кубических метров (или тонн) пресной воды в сутки по цене около
шести копеек за кубический метр. Этого количества воды
хватит для большого города с населением в несколько десятков
тысяч человек.
Таким путем люди нового, социалистического общества
получают в свое распоряжение могучую силу, позволяющую
успешно вести наступление на пустыни и засухи.

Г А А В А
„МЛАДШИЙ БРАТ"
АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
СКОЛЬКО СТОИТ ШАПКА ДЫМА?
В начале нашего века к владельцу одного большого
металлургического завода в Англии явился представитель
какой-то химической фирмы и предложил купить... дым,
огромное количество которого плотной завесой постоянно
окутывало завод и отравляло жизнь его рабочим и
окрестному населению. Заводчик, раздраженный штрафами и
неприятностями с профсоюзом, охотно подписал договор, по
которому он бесплатно на 99 лет отдавал странному
покупателю весь дым своего предприятия, а покупатель, в свою
очередь, брал на себя расходы по переустройству дымоходов
завода
Необычная сделка долго служила предметом насмешек
газет, юмористических журналов, не скупившихся на остроты
но поводу того в какой посуде унес покупатель свою
драгоценную покупку, сколько стоит в текущем году на бирже
шапка дыма, и т. п.
264

Вскоре рядом с заводом выросли корпуса химического
комбината, а через несколько лет владелец
металлургического завода рвал на себе волосы за свое легкомыслие и
близорукость — предприимчивый сосед, организовав
извлечение исключительно ценных веществ, уносимых с дымом,
стал без большого труда и особых затрат получать за них
ненамного меньше прибылей, чем владелец завода за
основную продукцию.
Оказывается, невесомый, никому не нужный и даже
вредный дым содержал в себе множество продуктов, начиная от
серной кислоты и кончая платиной.
Аналогичная картина повторилась и в век атомной
энергии. «Зола», образовавшаяся после сгорания ядерного
горючего, то есть продукты деления урана-235 и плутония-239,
являющиеся, по существу, отходами при работе ядерных
реакторов, нашли широкое применение в современной
науке, технике и промышленности. В Москве даже существует
необычный магазин, на вывеске которого написано
«Изотопы».
Когда в ходе ядерной реакции делится некоторое
количество урана-235, то вместо него образуются примерно 250
новых элементов, масса которых лежит в пределах от 72 до 162.
Рисунок (стр. 266) показывает распределение продуктов
деления урана-235 в забиеимости от их массы и приблизительное
количество каждого из них, а в таблице (стр. 267)
перечислены главнейшие из этих изотопов. Часть из них быстро
погибает, сразу же переходя в устойчивый, стабильный
изотоп. Как можно убедиться, в сколько-нибудь значительных
количествах образуется лишь сравнительно немного долго-
живущих радиоактивных элементов.
На атомной электростанции даже мощностью в 100 тысяч
киловатт их образуется в год от 90 до 140 кг.
Активность излучения изотопов принято измерять
единицей, называемой кюри. Такое излучение дает 1 г радия.
Каждый килограмм радиоактивных продуктов, образующихся при
работе атомной электростанции, соответствует по своей
радиоактивности приблизительно 2000 кг радия. Чтобы
оценить грандиозность этой цифры, достаточно вспомнить, что
весь мировой запас радия до 40-х годов нашего века едва
составлял 2—3 кг\
В отличие от естественных радиоактивных веществ,
продукты деления не испускают альфа-частиц. Однако и
приведенного небольшого количества радиоактивных изотопов
вполне достаточно, чтобы убедиться, какое широкое
применение они могут найти в науке, технике, медицине,
промышленности. Исследователь имеет возможность практически из-
265

брать для своих целей изотопы, излучающие или только
бета-частицы, или только гамма-лучи, а при надобности и то
и другое.
Для каждого вида излучения можно выбрать и
подходящую энергию, начиная от энергии около 30—150 тысяч
электронвольт и кончая бета-частицами с весьма высокой
энергией, порядка 3,0—3,5 Мэв. Наконец, в зависимости от
характера применения этих излучений период полураспада
выбранных изотопов может также измеряться от секунд до
нескольких лет.
МАССОВОЕ ЧИСЛО ЭЛЕМЕНТА
Какие радиоактивные «отходы» и в каких количествах образуются
в результате деления урана-235.

Важнейшие продукты деления урана-235
Наименование
изотопа
1 Стронций-90
Y Иттрий-90
Иттрий-91
Цирконий-95
Ниобий-85
Технеций-99
1 Рутений-106
* Родий-106
( Цезий-137
^ Барий-137
1 Церий-144
* Празеодим-144
Прометий-147

Химический
символ
?г)
Y
Zr J
Nbj
Тс
Rh/
Csl
Baj
Ce 1
Pr J
Pm
Сколько
этого
элемента
образуется
(в %)
5,3
5,4
6,4
6,2
0,5
6,2
5,3
2,6
Период
полураспада
25 лет
62 часа
57 дней
65 .
35 .
106 лет
1 год
30 сек
33 года
2,6 мин
290 дней
17,5 дня
4,4 года
Виды излучения и их энергия
в миллионах электронвольт
бета-частицы
0,61
2,3
1,53
/0,39(98%)
11,0(2%)
0,15
0,3
0,03
/3,5(82%)
12,3(18%)
10,5(95%)
11,19(5%)
Нет
0,35
3,0
0,22
гамма-лучи
Нет
Нет
Нет
(0,7(93%)
0,2(93%)
(0,92(7%)
0,76
Нет
Нет
(0,5(17%)
0,73(17%)
(1,2(1%)
Нет
0,66
Нет
1 0,2
i 1,2
Нет
Примечания: 1. Стрелка слева означает, что одновременно
образуется еще и другой элемент — дочерний продукт.
2. Ядро бария-137 находится в возбужденном
(неустойчивом) состоянии, из которого оно переходит
в основное состояние только после испускания
гамма-кванта.
Можно подметить и общее правило — самой высокой
энергией излучения обладают в основном короткоживущие
изотопы.
К некоторым из этих особенностей радиоактивных
изотопов— главнейшим их характеристикам — мы в дальнейшем
будем возвращаться неоднократно.
Несмотря на относительное разнообразие свойств
радиоактивных изотопов, получающихся в процессе деления
урана-235, современная наука и техника достигли такого уровня,
когда всего этого стало уже явно недостаточно. Биология,
медицина, сельское хозяйство, химия и многие другие
отрасли требуют радиоактивные изотопы, которые в качестве
267

Нейтрон
coS+ni=^>c~+Y-*Hi;+e-
Поглотив нейтрон, кобальт-59 становится сильным
радиоактивным веществом — кобальтом-60
продуктов деления урана не встречаются вовсе или
получаются лишь в ничтожно малых количествах
Например, металлургия, некоторые области медицины и
другие нуждаются в изотопах, энергия гамма-излучения
которых значительно превышает энергию продуктов деления
урана
Поэтому пришлось искать пути создания нужных науке
и технике более мощных радиоактивных изотопов
Один из самых распространенных методов получения
этих веществ — облучение обычных, неактивных изотопов
в ядерном реакторе с большой плотностью нейтронов
Так, например, из обычного кобальта-59 получают один
из самых распространенных искусственных радиоактивных
изотопов — кобальт-60.
Для этого слитки кобальта-59, придав им
предварительно нужную форму, помещают в ядерный реактор
Поглотив нейтрон, ядро кобальта становится
неустойчивым, радиоактивным изотопом — кобальтом-60. Полученный
источник испускает слабые бета-частицы и мощные
проникающие гамма-лучи (1,16 и 1,30 Мэв)
Период полураспада кобальта-60 довольно велик — он
равняется 5,3 года, поэтому радиоактивный кобальт широко
используется в различных промышленных установках.
268

ДРАГОЦЕННЫЕ ОТХОДЫ
Говорить о промышленном применении радиоактивных
изотопов ■— значит изложить основы многих отраслей
современной науки и техники. Недаром известный американский
физик У. Либби шутил, что каждые 5 минут можно
придумать по крайней мере два возможных применения
радиоактивных изотопов.
Мы расскажем здесь только о наиболее интересных, как
нам кажется, применениях этих веществ в некоторых
областях современной науки и техники.
Защита от электрических зарядов. Как мы
уже говорили, под действием радиоактивных излучений
происходит ионизация различных веществ, попадающих под эти
излучения. В газах при этом возникает проводимость — это
свойство лежит в основе работы ряда измерительных
приборов.
Это же свойство радиоактивных изотопов используется
и в устройствах, предназначенных для устранения опасных
электрических зарядов.
В сухой день вы расчесываете волосы гребнем из
пластмассы. Если это делается в темноте, то будут видны большие
красивые фиолетово-желтые искры и слышно легкое
потрескивание. Гребень и волосы таким путем превратились в
электростатическую машину, создающую электрические
заряды довольно высокого напряжения.
Таким путем можно избежать образования электрических искр во
взрывоопасных отраслях производства (мука, сахарная и угольная
пыль и т. д.).
269

Если в двигателях внутреннего сгорания, окруженная
металлическими стенками цилиндра, такая же электрическая
искра в точно определенное время поджигает сжатые пары
бензина, делая тем самым полезное дело, то в ряда случаев
эти невинные красивые искры могут явиться причиной
тяжелых катастроф.
Тончайшая пыль, которая часто образуется на
мукомольных и сахарных заводах, может взорваться с силой мощной
бомбы и разрушить огромное железобетонное здание.
А сколько неприятностей создают трущиеся, а тем самым
и заряжающиеся электричеством большие поверхности в
производстве, где изготовляются или применяются листовые
пластические материалы, оберточная бумага, нитки на
ткацких станках, бесконечная лента материи! Если все эти
крошечные заряды не устранить, они могут создать хаос в
автоматически работающих аппаратах и станках: заставят
заряженные поверхности прочно слипаться или, наоборот,
расходиться в стороны, к ним будут притягиваться частицы пыли
и всевозможные соринки, превращая в брак изготовленный
материал.
Достаточно, однако, поместить возле таких непрерывно
электрически заряжающихся в работе материалов и изделий
безопасный для окружающих радиоактивный источник —
бета-излучатель (стронций-90, прометий-147 и др.), как
картина тотчас же изменится.
Бета-частицы, пронизывая по всем направлениям
окружающий воздух, ионизируют его, делают проводящим,
вследствие чего образующиеся электрические заряды сразу же
стекают на землю и не могут накопиться до величины,
способной породить искру.
Все, что где-либо оказывается электрически заряженным,
в присутствии источника радиоактивного излучения
немедленно разряжается.
Радиография. Рентгеновы лучи уже давно
используются для просвечивания различных предметов с целью
обнаружения в них возможных внутренних дефектов.
Однако до недавнего времени применяемые для этих целей
рентгеновские аппараты были сравнительно маломощны;
электрическое напряжение на аноде трубки у них редко
превышало 30—75 тысяч вольт, хотя во многих случаях этого было
совершенно недостаточно.
Специальные высоковольтные аппараты с напряжением
на трубке 100 тысяч и 250 тысяч вольт позволили
просвечивать лишь сравнительно тонкие металлические изделия.
Аппараты же с напряжением миллион вольт и выше, которыми
можно было пользоваться для контроля массивных предме-
270

Внешний вид и схема устройства
рабочей головки промышленной гамма-
установки для просвечивания толстых
слитков и металлических листов.
тов, оказались настолько
сложными и дорогими, что
и до сих пор насчитываются
буквально единицами.
Исключительно простой
выход из положения был
найден, когда для этих
целей стали применять
радиоактивные вещества,
созданные в ядерных реакторах.
Они гораздо дешевле
рентгеновских установок и
обладают достаточно мощным
излучением.
Радиоактивный кобальг-
60 сравнительно просто
изготовить, он дешев, но
испускаемые им лучи
обладают проникающей
способностью, равной рентгеновым
лучам, которые можно получить лишь от огромных и
сложных установок, работающих с напряжением на аноде трубки,
равным примерно 2 миллионам вольт.
Кобальт-60 позволяет легко просвечивать сталь толщиной
до 150 мм, а в ряде случаев — и до 250 мм. Удобство работы
с ним заключается и в том, что, например, в заводских
условиях подлежащие проверке изделия могут быть оставлены
под лучами кобальта на всю ночь, и наутро контролер уже
будет иметь готовые снимки внутренности изделия.
Интересно устройство одного из типов кобальтовой
«пушки».
Ее толстостенный металлический корпус в обычном
положении (горлом вверх) является контейнером для
хранения одного или нескольких слитков кобальта-60. Для того
чтобы привести установку в рабочее состояние, необходимо
лишь перевернуть контейнер горлом вниз. Тогда слиток
кобальта по специальному каналу опускается к самому горлу
«пушки», и перед ним под действием тяжести сами собой
открываются две толстые свинцовые заслонки. Испускаемые
кобальтом гамма-лучи направляются непосредственно на про-
271

ХОЛОСТОЕ ПОЛОЖЕНИЕ
Схема устройства одного из типов кобальтовой «пушки>.
веряемое изделие, а сзади изделия устанавливается кассета
с пленкой, чувствительной к гамма-лучам.
На рисунке, внизу, показан типичный снимок, сделанный
при помощи таких установок. Там, где слой металла был
тоньше, поглощение гамма-лучей было меньше. На снимке
эти места темнее.
Главными преимуществами и достоинствами метода
радиографии является
исключительная гибкость и простота
работы с гамма-установкой.
Пожалуй, самой лучшей
иллюстрацией удобств,
создаваемых гамма-радиографией,
является показанная на
рисунке (стр. 273) карманная
установка, по силе действия
эквивалентная большому
рентгеновскому аппарату. В
свинцовом цилиндре длиной \\Ъмм
и диаметром 50 мм по оси
расположен искривленный
канал диаметром 3,5 мм.
Типичный снимок детали, сделанной
с помощью гамма-лучей.

В этом канале может свободно перемещаться небольшой
алюминиевый стаканчик длиной около 10 мм. На дне
стаканчика укреплена круглая пластинка толщиной 0,25 мм,
сделанная из искусственного радиоактивного тулия-170. При
нажатии спускового тросика, подобного применяемым в
фотоаппаратах, стаканчик с тулием выдвигается из сердцевины
свинцового цилиндра к его торцовой поверхности, закрытой
крышкой из пластмассы.
Карманная гамма-установка
с тулием-170.
В этом рабочем положении стаканчика гамма-лучи от
пластинки тулия излучаются узким пучком перпендикулярно
торцовой поверхности аппарата.
Когда аппарат не работает, стаканчик автоматически
уходит внутрь канала. Излучаемые тулием-170 гамма-лучи не
проникают наружу, так как вследствие изогнутости канала
целиком поглощаются в свинце.
Вся установка весит около 2,5 кг, безопасна в обращении,
и ее можно применять для медицинских целей
(просвечивание и лечение) и для целей промышленной дефектоскопии,
так как радиоактивное излучение тулия способно проникать
сквозь сталь толщиной 2,5 см.
Определение толщины предметов. Светлые и
темные места, получаемые на рентгеновских снимках
человеческого тела или какого-либо предмета, означают, что те или
18
Энергия атома
273

иные участки
просвечиваемого объекта
пропускают или задерживают
эти лучи в большей или
меньшей степени. Общее
правило в этом случае
гласит: чем плотнее, то
есть тяжелее, вещество,
стоящее на пути лучей,
тем сильнее оно их
задерживает. Отсюда
рентгеновский снимок может
служить одновременно и
мерой плотности
вещества. Путем сравнения
самых светлых и темных
мест полученного
изображения с заранее
промеренным образцом можно
определить толщину
облучаемого предмета.
В гамма - установке,
сконструированной для подобной цели, на место фотопленки
ставят любой прибор, измеряющий интенсивность дошедших
до него гамма-лучей, например ионизационный счетчик.
На рисунке показана схема прибора, непрерывно
измеряющего толщину ленточных материалов: бумаги, пластмасс,
тонких металлических лент и т. п.
Изменение электрического тока можно использовать и
для автоматического управления работой станка,
изготовляющего материал. Когда, например, толщина листа
становится тоньше требуемой, этот ток приводит в действие
специальный механизм, который немедленно разводит валки
станка — и прокатываемая пленка или лист утолщается.
Таким же образом можно и уменьшать толщину проката.
Радиоактивность и химическая промыш-
ленность. Полимеризацией в химии органических веществ
и главным образом в химии искусственных пластмасс
называются такие химические реакции, при которых большое
количество молекул объединяется в длинную цепочку,
образуя одну гигантскую молекулу, называемую полимером.
В ряде случаев радиоактивные излучения способствуют
началу процесса полимеризации, который очень трудно или
совершенно невозможно осуществлять какими-либо другими
методами.
Совершенно необычайные свойства приобретают под дей-
При помощи радиоактивных
изотопов можно измерить толщину любого
ленточного материала.
274

ствием излучения некоторые пластмассы. Так, например,
полиэтилен, широко применяемый для изготовления деталей
радиотехнических и электротехнических устройств с
повышенными изоляционными свойствами, после облучения
гамма-лучами резко увеличивает свою электрическую прочность
при высоких температурах.
Если же пропитать дерево некоторыми видами пластмасс,
а затем облучить очень жесткими (коротковолновыми)
гамма-лучами, то получается новый материал, в семь раз более
прочный, чем дерево, и который к тому же отлично
склеивается и сопротивляется короблению.
До сих пор единственным способом получения бензина
были различные формы перегонки нефти с применением
высоких температур и давлений. Недавно было установлено,
что если бомбардировать газ ацетилен бета-частицами
большой энергии, то ацетилен полимеризуется в бензин, выход
которого в самом начале опытов оказался не ниже 20%,
а сам процесс можно вести при температуре не выше 25°.
Под действием радиоактивных излучений некоторые вещества,
например пластмассы, приобретают совершенно неожиданные свойства.

Как мы уже знаем, гамма-лучи являются чрезвычайно
короткими электромагнитными волнами, то есть, говоря
упрощенно, светом, только не видимым, каждый фотон которого
обладает значительно большей энергией, а следовательно, и
большей способностью производить работу, чем фотон
видимого света.
Известно, что химический процесс соединения некоторых
веществ, называемых галогенами (фтор, хлор, бром, йод),
с другими химическими элементами затруднен тем, что в
темноте он протекает слишком медленно и для его ускорения
необходимы источники яркого света. Сейчас многие такие
процессы удалось ускорить при помощи ламп
ультрафиолетового света. Применение гамма-лучей, обладающих во много
раз большей активностью, чем ультрафиолетовые лучи,
позволяют еще больше увеличить скорость многих процессов
получения галоидных химических соединений.
В основе громадного количества химических реакций ле*
жат процессы окисления, важнейшими из которых являются
цепные реакции в присутствии кислорода. Однако многие
из них происходят или слишком медленно, или их очень
трудно регулировать в нужном направлении.
В последнее время ученые столкнулись с явлениями, пока
еще полностью не разгаданными. Например, если горючее
для ракетных двигателей, такое, как пропан, до того как оно
попадает в камеру сгорания, пропустить через сетку с
отверстиями диаметром 0,001 см, вытканную из проволочек
облученного в реакторе золота, с общей радиоактивностью
порядка 10 тысяч кюри, то эффективность сгорания этого
горючего повышается на 50% против обычного.
„МЕЧЕНЫЕ" АТОМЫ
Предположим, вам для каких-то целей понадобилось
определить, какие люди посещают театр, стадион, парк или
библиотеку.
Вы сравнительно легко узнаете в толпе военных — по
форме, учащихся — по форме и возрасту, пионеров — по
красным галстукам, и т. д. Среди массы военных
ориентироваться еще легче. Воинские звания определяются по знакам
различия, а специальности — по эмблемам, установленным
для различных родов войск, и по форме.
Получить хотя бы небольшую часть нужных сведений,
наблюдая толпу одинаково одетых людей, например
большую группу спортсменов, участвующих в массовых
гимнастических упражнениях, уже невозможно. Все они, кроме
276

внешнего вида и возраста, будут казаться совершенно
одинаковыми. Но достаточно одеть их в различную форму со
знаками спортивных обществ, как снова, хотя и
приблизительно, можно определить, кто участвует в выступлении.
В практике ученых, инженеров и производственников
встречаются сходные задачи. Часто нужно определить, как
ведут себя, где находятся, куда попадают вещества, не
видимые глазом. Например, каким образом распределяются
в смеси две одинаковые на вид жидкости или невидимые
газы: где располагаются молекулы какой-либо примеси в
слитке металла; куда и как быстро попадает лекарство,
введенное в организм человека или животного, и т. п. Тут уж
определить все эти отличия и различия простым глазом
невозможно — нужны более или менее сложные способы
косвенного определения.
Однако задача становится особенно трудной, а часто и
совершенно невыполнимой, если надо все эти измерения
проделать в движении. Нужно, например, исследовать, как течет
в реке вода: где быстро, где медленно, где ровно, где с
завихрениями, где потоки воды как бы сжимаются, где
расходятся и т. п. В таком случае воду приходится метить.
Высыпают в нее разноцветные краски, стеклянные или пробковые
бусинки, в темноте пускают множество корабликов со
свечками и наблюдают исследуемый участок реки с высоты. Но
как быть, когда требуется исследовать процессы еще более
сложные и труднодоступные?
В свое время великий русский химик А. М. Бутлеров
мечтал найти вещество, которое позволило бы проникнуть в
недра молекул самых сложных веществ — белка,
высокомолекулярных углеродистых соединений и др., «увидеть», где и
в каком порядке располагаются атомы в этих молекулах, как
они движутся, куда и когда переходят при химических
реакциях.
Правда, в настоящее время уже есть приборы, которые
косвенным путем позволяют считать и даже увидеть
отдельные молекулы и атомы, но нам нужно научиться непрерывно
следить за их изменениями и превращениями: в движении
и в покое, в твердых веществах и в газах, в жидкостях, в
живых организмах и в клетках.
А это много труднее, чем просто обнаружить или даже
сосчитать их.
Короче говоря, ученым очень нужно было перенести в мир
атомов и молекул те же методы, какие применяют при
изучении путей перелета и мест пребывания птиц, движения
рыб, пчел и других животных, то есть метить их.
Выловивший рыбу рыбак или убивший птицу охотник пересылает
277

обнаруженную метку в соответствующую научную
организацию. Там на специальной карте отмечают, где была
окольцована птица или рыба и где, при каких обстоятельствах они
были добыты. Множество таких повторяющихся меток и
позволяет ученым не только делать те или иные выводы, но
даже ставить прогнозы на будущее.
Открытие радиоактивности позволило осуществить и эту
мечту человека. Атомы радиоактивного вещества оказались
на редкость большими «скандалистами». Где бы они ни были,
куда бы ни двигались, в какие бы химические реакции ни
вступали, непрерывно выбрасывая из своих ядер частицы или
излучая гамма-лучи, они ведут себя столь «шумно», что
позволяют при помощи довольно простых средств непрерывно
их обнаруживать. Ионизационный счетчик считает
пролетающие через него отдельные частицы, камера Вильсона и
фотографическая эмульсия позволяют увидеть следы движения
этих частиц. Причем вовсе не обязательно вводить в
исследуемое вещество какие-то чужие, инородные ему атомы,
которые могли бы исказить, нарушить в какой-то степени ход
того или иного физического или химического процесса,—
можно пользоваться только радиоактивными изотопами
самого исследуемого вещества.
Так, например, в массу обычного расплавленного железа
вводят некоторое количество радиоактивного железа и
исследуют распространение радиоактивности в расплаве. Это
сразу показывает, как идет перемешивание железа при
плавке в зависимости от температуры. Можно, наоборот, ввести
в расплавленное железо некоторое количество другого
радиоактивного вещества и после получения готовой отливки
изучить, где, в каких местах собрались молекулы или атомы
примеси. Это очень удобно, потому что атомы этих веществ
непрерывно подают сигналы: «Я тут!», «Нас столько-то!»
Удобство и легкость, с какой радиоактивные изотопы или
меченые атомы могут вводиться в любые вещества,
химические соединения, сплавы, смеси, сложные органические
вещества и организмы живых существ, а затем
обнаруживаться в них, позволили в весьма короткий срок создать
совершенно новый метод исследования буквально во всех
отраслях науки, техники и промышленности.
Вот несколько примеров.
Представьте себе, что в зарытой на большой глубине и
проходящей под оживленными улицами города линии труб
водопровода или газа где-то образовалась небольшая, но
опасная трещина, могущая впоследствии вызвать серьезную
аварию. Обнаружить ее точное местонахождение очень
трудно, почти невозможно. Как быть в этом случае? Вскрывать
278

Радиоактивные изотопы позволяют отыскать место повреждения
трубы глубоко под землей, не прибегая к раскопкам.
всю трассу протяженностью в несколько километров? Ждать
большей, уже заметной утечки?
Однако если к воде или газу, проходящему по этому
трубопроводу, примешать небольшое, безопасное для
потребителей количество радиоактивного изотопа с коротким
периодом полураспада, то спустя некоторое время в районе утечки
жидкости или газа в окружающий грунт проникнет
достаточное количество «громко кричащих» о своем присутствии
радиоактивных атомов. Их можно сравнительно легко
обнаружить при помощи счетчика, укрепленного в конце
специального щупа, последовательно погружаемого в землю
вдоль всей трассы. Место аварии находится сразу. Или же
сигналы, поступающие от счетчика, который везут вдоль
трассы на тележке, записываются на магнитную пленку или
проволоку, длина которой равна длине трассы. Затем в
лаборатории магнитная пленка устанавливается для
«проигрывания» в магнитофон. Зарегистрированные сигналы
радиоактивных излучений воспроизводятся в громкоговорителе
в виде страшного шума. Пленку останавливают, измеряют ее
длину и на соответствующий участок трассы посылают
аварийную бригаду.
Атомы-сигнализаторы, показывающие свое
местонахождение в веществе и все этапы своего движения и преобразо-
279

вания, являются очень ценным средством контроля,
наблюдения и исследования, и им принадлежит большое и
блестящее будущее в науке, технике и производстве.
Но это самые простые, так сказать, элементарные формы
применения метода «меченых» атомов, первоначальная школа
«малой» атомной энергии. А ее можно усложнить — из
пассивной сделать активной. Особенно широкое применение
активные методы использования радиоактивных изотопов
нашли в химии, биологии и медицине.
Рассмотрим некоторые из них.
ИЗОТОПЫ В БИОЛОГИИ
Еще со времен широкого применения в биологических
исследованиях рентгеновых лучей было установлено, что
облучение живых организмов очень слабыми дозами лучей
во многих случаях действует исключительно благоприятно на
эти организмы, ускоряя их рост, развитие, размножение и
т. д. И, наоборот, облучение более сильными дозами лучей
действует на организм сначала угнетающе, а при увеличении
дозы облучения разрушающе и даже приводит к гибели.
Наиболее надежным способом стерилизации различных
веществ, то есть уничтожения всевозможных бактерий, в
течение долгого времени был нагрев до сравнительно высоких
температур: 100° и выше.
Однако многие вещества, особенно скоропортящиеся
продукты, претерпевают при этом столь большие химические
и вкусовые изменения, что в ряде случаев применение
высоких температур исключается вовсе.
Тот факт, что под действием ионизирующих излучений
живые организмы разрушаются, а затем и гибнут, натолкнул
на мысль использовать эти излучения для так называемой
холодной стерилизации.
И действительно, полное уничтожение всех живых
организмов, присутствующих в большинстве обычных продуктов
питания, может быть осуществлено потоком бета-частиц и
особенно успешно гамма-лучами непосредственно в
упаковке — в целлофане, картонных коробках, стеклянных банках
и даже в жестяных консервных банках. Такая стерилизация
после упаковки продуктов устраняет возможность их
загрязнения при облучении.
Облучение особенно удобно производить на конвейере.
Попадая в сферу действия мощного источника излучения,
микробы или погибают, или же становятся бесплодными, и
их дальнейшее размножение и развитие прекращаются.
280

Конвейер для холодной стери
лизации медикаментов.
Радиоактивные
излучатели применяются и для
обеспложивания
вредителей сельскохозяйственных
растений, например для
предохранения зерна от
наиболее опасного
вредителя — долгоносика.
Этот способ ценен тем,
что при нем не требуется
столь больших доз
облучения, какие нужны для
полного уничтожения
вредителей (в 100—1000 раз
меньше), что весьма
важно, когда облучение
производится на конвейере или требуется обработать в
сравнительно короткий срок очень большое количество продуктов.
Особенно нужны эффективные, простые, дешевые, но
мощные средства стерилизации в медицине — для абсолютно
надежного обеззараживания лекарств, фармацевтических и
медицинских препаратов, которые часто должны быть
совершенно стерильными на всем протяжении их существования —
от времени приготовления до момента применения.
На рисунке показана схема установки для стерилизации
медикаментов гамма-лучами.
Облучаемые ампулы на конвейерной ленте вводятся в
установку сверху. Все время обходя источник излучения, они
выходят из нижней части камеры уже в стерилизованном
виде.
Очень много неприятностей для работников пищевой
промышленности и общественного питания доставляет
прорастание картофеля при длительном его хранении. И какие бы
меры ни принимались, какие бы условия для его хранения ни
соблюдались, наступает момент, когда картофель начинает
прорастать. В результате слишком большая часть
заложенного на хранение картофеля гибнет, не попадая к
потребителю как раз в самое важное время года, лишая его ценного
продукта питания, бесполезно загружая склады и транспорт.
Облучая картофель гамма-лучами, можно без вреда для
его питательных свойств задержать срок прорастания до
281

18 месяцев, что практически полностью разрешает проблему
хранения этого важного продукта без обычных чрезмерных
потерь.
Не останавливаясь на этих пассивных формах
использования радиоактивности в биологии, ученые осторожно пошли
дальше — в частности, в опытах, направленных на
повышение урожайности и создание новых сортов
сельскохозяйственных культур Например, в результате гамма-облучения
был выведен сорт овса, устойчивый к некоторым грибковым
заболеваниям; ячмень, дающий урожай на 5—6% больше
обычного, и др.
Облучая семена перед посевом малыми дозами
гамма-лучей, удается при благоприятных климатических условиях
добиться более раннего цветения и быстрого развития
растений. Иногда для этого семена перед посевом вымачивают
в радиоактивном растворе.
Непосредственное облучение некоторых растений строго
^3. 5,000 р { ^6. 106,250 р
Облучение гамма-лучами позволяет
предохранять картофель от прорастания.

дозированными радиоактивными изотопами ускоряет их
развитие и созревание. Это обстоятельство имеет большое
значение для продвижения ценных южных культур в северные
районы страны, где лето очень коротко, вследствие чего
многие из них просто не успевают созреть.
Огромную помощь ученым оказывают «меченые» атомы
в исследованиях самых тонких физиологических функций
Контроль 15 25 50 100 200 300
ОБЛУЧЕНИЕ В РЕНТГЕНАХ (р)
В малых дозах радиоактивное облучение
способствует росту и развитию растений.
растений и живых организмов: в частности, в изучении
обмена веществ — каким образом растения усваивают удобрения,
помещаемые в почву на разную глубину и в различное время
года. Радиоактивные изотопы помогли ученым открыть
способ внекорневой подкормки растений путем опрыскивания их
питательными веществами, что можно делать даже с
самолета. А ведь раньше считалось, что питательные вещества
должны вноситься только в почву, к корням растений.
ИЗОТОПЫ В МЕДИЦИНЕ
Воспользовавшись длительным и широким опытом
применения радия и рентгеновых лучей в исследованиях и
лечении живого человеческого организма, ученые, правда
соблюдая должную осторожность и, мы бы сказали, в ряде
случаев сдержанность, начали применять радиоактивные
вещества, вводя их в организм человека.
Для оправдания этой осторожности следует напомнить,
что известен случай, когда работницы одной часовой фабрики
283

а б в
Радиоавтсираф лягушки после введения ей в кровь радиоактивного
фосфора: а —через 20 мин; б — через 48 мин; в — через семь суток.
в США, раскрашивавшие стрелки и циферблаты часов
светящимся составом, брали кончик кисточки в рот, чтобы смочить
его слюной. А в светящейся краске содержалось ничтожное
количество радия, излучение которого и вызывало свечение
веществ, заключенных в краске. Так как организм человека
задерживает ряд попавших в него веществ, в том числе и
радий, то даже ничтожно малых количеств этого элемента,
попавших в организм, оказалось достаточно, чтобы под
действием непрерывного радиоактивного излучения началось
разрушение кроветворных органов, и пострадавшие
работницы этой фабрики погибли.
Однако возможность получать искусственные изотопы
с самыми различными периодами полураспада и энергией
излучения в корне перевернули все привычные представления
и существовавшие ранее опасения на этот счет. Например,
давно было известно, что молодые, очень быстро
размножающиеся клетки раковой опухоли под действием облучения
рентгеновыми лучами разрушаются скорее, чем окружающие
ее и более медленно размножающиеся здоровые клетки. На
284

этом и основано успешное лечение рака рентгеновыми
лучами. Но этот метод наиболее результативен лишь при
наружных формах страшной болезни — раке кожи, слизистых
оболочек и т. п.
Окружающие опухоль здоровые ткани мешают
гамма-лучам проникнуть на достаточно длительное время к
внутренним органам. В этом случае на разросшиеся
злокачественные клетки приходится меньше лучей, чем на здоровую
ткань.
Радиоактивные изотопы открыли пути к атаке больного
органа в соответствии со старой поговоркой, что «крепости
берутся предпочтительно изнутри».
Еще ранее было установлено, что целый ряд внутренних
органов человека и животных концентрируют в себе
определенные химические элементы, попадающие разным путем
в организм. Например, йод собирается главным образом
в щитовидной железе, фосфор — в костях, марганец — в
печени, и т. д. Среди радиоактивных изотопов, получаемых
в результате деления урана или приготовляемых
искусственным путем в ядерном реакторе, можно подобрать такие,
которые обладают достаточно коротким сроком жизни и
избирательно поглощаются больным органом.
Эти изотопы и вводят в организм человека. Спустя
короткое время большая часть их собирается в органе, который
поражен злокачественной опухолью.

В этом случае излучение радиоактивных изотопов будет
направлено изнутри наружу — им уже не придется
пробиваться сквозь толщу здоровой ткани. Первой на их пути
станет больная ткань, которая и будет разрушена до того, как
начнут страдать здоровые клетки. Если тщательно учесть
и точно подобрать период полураспада радиоактивного
изотопа, то к моменту окончания своего полезного действия он
должен целиком распасться. Так сейчас и лечат рак
щитовидной железы и рак кроветворных органов.
Иногда приходится поступать иначе. В те органы,
которые не обладают способностью накапливать какие-либо
определенные элементы, вводят или крошечную ампулу, или
Медицинский реактор, при помощи которого обычные вещества,
предварительно введенные в организм и собравшиеся в пораженном
болезнью участке, облучают потоком нейтронов и превращают в
радиоактивные изотопы, излучения которых разрушают опухоль изнутри.

В некоторых случаях радиоактивные
вещества можно «выстрелить» внутрь
заболевшего органа.
жидкий (коллоидный) раствор не реагирующего с тканями
человека радиоактивного вещества. Быстро распадаясь, эти
вещества облучают больной участок, а по прекращению
излучения остаются в организме, не причиняя ему вреда.
На рисунке показан радиоактивный пистолет. При его
помощи крошечную песчинку радиоактивного вещества
(золота) можно выстрелить внутрь заболевшего органа на
точно заданную глубину. Микроскопическая песчинка причиняет
боль во много раз меньшую, чем укол самой тонкой иглы.
Ранка мгновенно затягивается и заживает. Радиоактивный
снарядик начинает свою разрушительную работу над
смертельной опухолью, а спустя положенное время он
превращается в безвредный кусочек металла.
Большие надежды врачи возлагают на радиоактивные
изотопы тех веществ, которые хотя и накапливаются в
различных частях организма, но сравнительно быстро
растворяются и выводятся из него. Таковы, например, натрий,
тантал и другие элементы. Применение их может оказаться
полезным и в тех случаях, когда очень слабому
радиоактивному излучению необходимо подвергнуть или весь организм,
или некоторые его части (кровь, печень,
желудочно-кишечный тракт, легкие, мозг и др.).
В этом случае такие вещества вводятся в организм
человека и, после того как они попадут в заболевший орган,
последний подвергается действию бомбардировки
нейтронами. Поглощая нейтроны, эти вещества становятся на
короткий срок радиоактивными и облучают заболевшее
место.
287

Чтобы не поражать без нужды соседние органы, кобальтовая
«пушка» может вращаться вокруг больного
Например, бор накапливается в раковой опухоли в три
раза больше, чем в обычных клетках мозга.
Если ввести через вену в кровь больного небольшое
количество бората натрия, а спустя некоторое время облучить
участок мозга, пораженный опухолью, медленными
нейтронами из специально сконструированного для этой цели
ядерного реактора, то, захватывая медленный нейтрон, ядро
атома бора-10 возбуждается и выбрасывает альфа-частицу,
которая сильно ионизирует и быстро разрушает только клетки
ткани мозга, содержащие бор. Действие этого излучения
столь кратковременно, что здоровые клетки, содержащие
меньшее количество бора (!/з), остаются неповрежденными.
Так активно используются радиоактивные изотопы в
борьбе за жизнь человека.
ПРОБЛЕМЫ ОПАСНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЙ
В чем же заключается действие любых видов излучения
на вещество? Что можно считать сильным, средним и
слабым облучением и облучением вообще? Как и чем его
определять и измерять?
Бета-частицы. Воздействие заряженных частиц на
любое вещество в первую очередь основано на
ионизируются

щем действии, когда летящая с большой скоростью и
энергией частица, например электрон (бета-частица), выбивает
из атома облучаемого вещества другой электрон, создавая
тем самым положительно заряженный атом (положительный
ион) и свободный электрон (отрицательный ион), а вместе —
пару ионов. Если под действием источника излучений в 2 см3
воздуха при нормальных условиях и давлении образуется
2 миллиарда пар ионов в 1 сек, то интенсивность такого
облучения считают, по аналогии с действием рентгеновых
лучей, равной 1 рентгену (р).
Как видно из таблицы на стр. 267, важнейшими, наиболее
удобными продуктами деления, излучающими только бета-
частицы, являются стронций-90, иттрий-91, технеций-99 и
прометий-147.
Эти изотопы сравнительно легко получить в особо чистом
виде, вследствие чего можно избежать опасности, что в них
могут оказаться примеси, способные излучать гамма-лучи,
а тем самым избежать и необходимости в контейнерах с очень
толстыми защитными стенками, применяемых для хранения
веществ, излучающих гамма-лучи.
Поскольку бета-частицы обладают малой способностью
проникать сквозь вещества, защита от них весьма несложна,
и можно обойтись довольно тонкой оболочкой. Однако
существует одна несколько неожиданная опасность. Резкое
торможение летящих с очень большой скоростью электронов,
когда их поток направлен на какое-либо плотное вещество
(металл), вызывает появление рентгеновых лучей с большой
проникающей способностью — так называемое тормозное
рентгеновское излучение.
Проникающая способность этого излучения
увеличивается по мере увеличения скорости электронов, а также
плотности (атомного веса) вещества, через которое оно
проходит.
Поэтому, чтобы ослабить это весьма неприятное вторичное
рентгеновское излучение, необходимо защитную оболочку
вокруг радиоактивного изотопа, излучающего только бета-
частицы, делать тем не менее двухслойной: внутренний
тонкий слой — из вещества с самым низким атомным весом,
например из пластмассы, для остановки бета-частиц; наружный
слой — из вещества с высоким атомным весом (свинец) —для
поглощения возникающих рентгеновых лучей.
Гамма-лучи. Самое ценное свойство этих лучей
заключается в их способности проникать на большую глубину
почти во все существующие в природе вещества.
В отличие от бета-частиц, гамма-лучи, являющиеся
электромагнитными волнами с чрезвычайно короткой длиной вол-
19 .энергия атомз
289

Какому суммарному облучению подвергается в наше время человек
за первые 30 лет своей жизни (в рентгенах) от разных источников.
ны, не могут быть полностью задержаны в каком-либо
определенном слое вещества. Они могут быть только ослаблены.
Гамма-лучи также способны ионизировать атомы
вещества, сквозь которые они проходят.
Вследствие того, что радиоактивные излучения — будь то
поток частиц или гамма-лучи — вызывают ионизацию атомов
веществ, находящихся на пути их распространения, такие
излучения, даже в очень малых дозах, крайне вредны и опасны
для человека и любых живых организмов. Особенно вредно
сказывается это на здоровье будущих поколений, так как
вредное действие излучений передается потомству.
Со дня рождения люди и так подвергаются непрерывному
воздействию всевозможных излучений. Их пронизывают
космические лучи. Окружающие скалы и почва в крошечных
дозах содержат радиоактивные вещества, которые
непрерывно излучают. Эти вещества имеются в пище, воде и воздухе.
С начала XX века к этим неизбежным и неустранимым
врагам людей прибавились другие, создаваемые уже их
собственными руками. На рисунке показано ориентировочное
290

количество всех видов радиоактивных излучений, которое, по
мнению советских ученых, без заметной опасности для
грядущих поколений может получить за период первых 30 лет
своей жизни молодой человек. Эта норма равна 10
рентгенам (/?). Из нее лишь 3,1 р человек набирает за счет
космического излучения и радиоактивных излучений в окружающей
природе, к которым его организм за многие тысячелетия
своего развития в какой-то мере приспособился.
В медицинской практике сейчас широко применяются
рентгеновы лучи для просвечивания легких, желудка, зубов и
других внутренних органов. За 30 лет за счет этих как
будто невинных и безопасных облучений набегает в среднем
еще 3 р.
Такой пустяковый прибор, как часы со светящимся
циферблатом, для изготовления которого применяется ничтожное
количество радиоактивных веществ, при регулярном их
ношении добавляет до 0,5 р — количество из общей суммы 10 р
достаточно заметное.
Итого набирается 8—10 ру то есть почти вся и без того
небезопасная норма, причем не исключена возможность, что
многие могут получать количество радиации, превышающее
средние количества. В этой связи огромную опасность
представляют испытания атомного оружия. Если они не будут
полностью прекращены, для будущих поколений людей
норма радиации будет значительно превышена.
Облучения, полученные в больших количествах за один
раз, представляют прямую и безусловную опасность для
животных и человека. Лучевой удар в 600—800 р для человека
смертелен, хотя различные организмы сопротивляются ему
по-разному. Морская свинка гибнет при 300, собаки — при
600, кролик — при 1250 р. При 350 р погибает лишь 10% крыс,
многие из них выдерживают до 700 р. Существуют бактерии,
выдерживающие доз> радиации, в 10 тысяч раз
превышающую смертельную дозу для человека.
Имеет значение и то, сразу _или постепенно, большим или
малым дозам облучения подвергается организм. Так, если
ту же морскую свинку облучать по 4—5 р в день, она гибнет
не раньше, чем получит 2900—3000 р.
Там, где людям приходится работать с источниками
излучений (реакторы, ускорители, радиоактивные вещества,
рентгеновские установки), принимаются особо тщательные меры
предосторожности и контроля.
Благодаря им практически устранена возможность
заболевания лучевой болезнью, которое если и происходит, то
только в случаях очень редких аварий или грубой
неосторожности.
19*
291

Во всех опасных местах введен строгий учет количества
излучений, получаемых человеком Для этой цели служат
приборы, непрерывно и автоматически контролирующие
уровень излучения в помещениях, где работают люди. В случае,
если этот уровень по каким-либо причинам повышается,
подается сигнал всем немедленно покинуть помещения. Кроме
того, каждый работник постоянно носит с собой
индивидуальный контрольный прибор, по которому в конце
рабочего дня можно определить, какую общую дозу излучения
получил тот или иной человек. И если он по каким-либо
причинам эту дозу перебрал, его на соответствующее время
отстраняют от работы.
ЧАСЫ, ВЕДУЩИЕ СЧЕТ ТЫСЯЧЕЛЕТИЯМ
Возможности использования «малой» атомной энергии на
благо человечества поистине неисчерпаемы.
С большим сожалением нам приходится ограничиться
только небольшим числом примеров использования «малой»
атомной энергии в современной науке и технике.
Чтобы показать, насколько широки границы применения
радиоактивных изотопов, мы не можем не привести в
заключение еще один очень увлекательный пример.
Если бы исходные вещества трех ветвей радиоактивных
элементов: урана, тория и актиния — имели сравнительно
короткий период полураспада, то совершенно ясно, что они
очень давно перестали бы существовать на Земле, и мы
сегодня даже и не подозревали бы, что у хорошо всем
известного свинца были столь знатные предки. Возможно, что в
давнопрошедшие времена на Земле существовали какие-то
другие радиоактивные элементы, нисходящие цепочки
которых полностью распались, и многие из хорошо известных
сейчас устойчивых и безобидных элементов являются их
менее счастливыми потомками. Как знать!
Теперь же мы точно знаем, что период полураспада ура-
на-235 равен 710 миллионам лет, урана-238 — 4,5 миллиарда
лет, а тория—даже 13,9 миллиарда лет. Следовательно,
полный срок их существования простирается в глубь времен на
значительно более длительный срок.
И чем точнее удается ученым измерить время
существования тех или иных радиоактивных элементов, тем чаще при
определении сроков существования геологических
образований Земли прибегают к этим далеко не безмолвным
свидетелям, которые на протяжении миллиардов лет отсчитывают
свое особое время, не забегая вперед и не отставая.
292

Радиоактивные «часы»,
которые идут без завода
миллиарды лет.
Там, где ученые обнаруживают уран, находятся и
продукты его распада. Подсчитано, что за миллион лет в 1 г
природного урана накапливается 0,000137 г свинца.
Тщательно установив количество того и другого, удается
с большой точностью определить и время образования
данного минерала.
Этот метод позволяет определять возраст горных пород
также и по соотношению урана-235 и свинца-207 или то-
рия-232 и свинца-208, наконец, свинца-206 и свинца-207.
Более точный метод возраста Земли дает
калий-аргоновый метод.
Природный калий состоит из двух стабильных изотопов:
калия-39 (93,08%) и калия-41 (6,91%), а также одного
радиоактивного изотопа — калия-40 (0,01%). В природе калий
очень распространен и входит в состав главнейших
породообразующих минералов, отличаясь завидным постоянством
своего изотопного состава.
Радиоактивный калий-40 распадается двумя путями: 88%
его атомов в результате бета-распада образуют устойчивый
изотоп кальция-40, а 12% атомов калия-40 превращаются
в неустойчивый изотоп — аргон-40, который после испускания
гамма-кванта переходит в основной, стабильный изотоп арго-
на-40. Период полураспада калия-40 равен 1,30 • 109 годам.
293

Распад калия-40 постепенно ведет к убыванию его в
природном элементе и к накапливанию продуктов распада: арго-
на-40 и кальция-40. Измеряя и сопоставляя оставшиеся
количества этих изотопов, удается определить абсолютный
возраст тех или иных горных образований.
Но счет на миллиарды лет ведут только геологи,
геофизики, астрономы и еще некоторые сравнительно
немногочисленные специалисты славной когорты ученых мира.
Остальная, большая часть ученых не менее первых
заинтересована в точном определении более коротких отрезков
времени, исчисляемых уже не миллионами, а сотнями и
десятками тысяч, а часто и тысячами лет.
Здесь приходится обращаться к методу совсем иного,
космического происхождения — к применению радиоактивного
углерода-14.
Откуда берется этот сравнительно редко встречающийся
на Земле изотоп углерода?
Наша планета с момента ее зарождения непрерывно
подвергается бомбардировке космическими лучами — частицами,
обладающими огромной энергией, измеряемой десятками и
сотнями миллиардов электронвольт. Космические частицы
разбивают подвернувшиеся им ядра атомов, составляющих
атмосферу Земли, выбивая вместе с другими осколками
нейтроны. В свою очередь, эти блуждающие нейтроны
захватываются ядрами азота-14. Происходит ядерная реакция,
в результате которой появляется один атом радиоактивного
углерода-14 и выбрасывается один атом водорода (протон).
Период полураспада такого углерода равен примерно
6000 лет.
Углерод является одним из наиболее активных элементов
в природе Поэтому, едва образовавшись, он тут же
подвергается «нападению» атомов кислорода и, соединившись с
ними, образует углекислоту — двуокись углерода-14.
Вездесущий ветер, а также взаимная диффузия газов основательно
перемешивают молекулы этого непрерывно образующегося
в природе «меченого» газа с молекулами обычного
углекислого газа.
Дальше все идет обычным порядком: углекислота
поглощается* растениями, а животные и люди потребляют эти
растения в пищу вместе с попавшим в них радиоактивным
углеродом.
На 'Этом простом обстоятельстве, собственно говоря, и
основана техника измерения при помощи радиоактивного
углерода-14.
Где-то и когда-то заболело, прекратило принимать пищу
\\ пало животное. 5000 лет спустя ученый-палеонтолог обна-
294

ружил при раскопках сохранившуюся кость этого животного.
Произведя соответствующие измерения, ученый установил,
когда жил ископаемый зверь.
Каким образом ему удалось это сделать?
Радиоактивный углерод-14, накопившийся в теле
животного, начинает исчезать после его гибели. Ядра атомов
распадаются с определенной скоростью, и половина
первоначально накопленного количества исчезнет через 5568 лет,
половина оставшегося количества исчезнет еще через 5568 лет,
через 18 тысяч лет останется только 1/в часть, и т. д.
Следовательно, установив количество остаточной
радиоактивности в костях, ученый и смог определить время гибели
животного.
Но какое количество радиоактивности он принял за
исходное? Ответ на этот вопрос и является иллюстрацией
изящества и точности данного метода. Дело в том, что
содержание в обычном углероде его радиоактивного изотопа в
течение миллионов лет не изменилось, потому что в природе
существует равновесие между вновь образующимися и
распадающимися атомами углерода. Следовательно, количество
радиоактивного углерода, которое следует взять за
исходное, как раз равно его процентному содержанию в
существующем в настоящее время «живом» углероде окружающей
нас природы.
Установив исходное число наших необычных часов,
остается только определить разницу между активностью углеро-
да-14 в углероде окружающих нас живых веществ и
активностью углерода-14 в остатках животных или растений,
существовавших и погибших несколько тысяч лет назад.
Любое животное или растение, живущее сегодня,
содержит в 1 г своего тела столько углерода-14, сколько
содержало их и упомянутое выше животное 5000 лет назад, а именно
около 50 миллиардов атомов. Но теперь в костях
ископаемого животного оно уменьшилось ровно наполовину. Если бы
их осталось У4, то мы могли бы сказать, что животное жило
и погибло 10 тысяч лет назад, и т. д. Просто?
Этот метод был проверен на образцах ткани, взятых от
египетских мумий, время погребения которых было точно
известно. Результаты подтвердили правильность этого метода.
В пределах до 20 тысяч лет такой метод определения
возраста остатков животных и растительных ископаемых дает
надежные результаты. Увеличение этого числа станет
возможным по мере создания все более и более чувствительной
аппаратуры, отмечающей наличие атомов радиоактивных
изотопов. Дело в том, что через 60 тысяч лет — время, равное
10 периодам полураспада углерола-14, — в исследуемом
295

образце остается всего лишь 0,1% радиоактивного изотопа.
Обнаружить и точно измерить его излучение существующими
сейчас методами пока очень трудно.
Прежде чем переходить к следующей главе, необходимо
остановиться на одной интересной области техники,
связанной с радиоактивными изотопами.
„ГОРЯЧАЯ" ЛАБОРАТОРИЯ И „ЖЕЛЕЗНАЯ РУКА"
Извлеченный из ядерного реактора изотоп какого-либо
элемента, став радиоактивным, настолько «горяч», что в
первые секунды, минуты или часы по количеству и интенсив-
296

ности излучаемых им частиц и гамма-лучей он может
равняться десяткам и сотням килограммов чистого радия. Пока
это вещество находилось за надежными бетонными стенами
реактора, особой проблемы, что с ним делать, не возникает.
Но вот он в специальном контейнере доставлен туда, где
его предполагают использовать. И сразу же возникают
десятки проблем: как его использовать, как с ним обра-
щаться?..
Привычными способами вести исследования с такими
материалами, естественно, невозможно. Поэтому пришлось
создавать специальные «горячие» лаборатории, в которых
можно без всякой опасности для людей выполнять все
положенные исследования с подобными изотопами.
29?

Обычно это отдельное здание, имеющее целый ряд камер,
соединенных между собой длинным коридором для внутри-
лабораторного транспорта. Все помещения — лаборатории —
отделены одно от другого толстыми бетонными стенами,
непроницаемыми для любых излучений. Двери между ними
сделаны из многослойных стальных листов с прокладками,
поглощающими опасные излучения.
В лабораториях изучают или всевозможные свойства
облученных в реакторах изотопов, или их воздействие на
другие вещества. Поэтому лаборатория должна иметь в
своем распоряжении устройства, позволяющие обрабатывать
полученные вещества, проводить их механические,
физические и химические исследования, выполнять большое число
сложных измерений. Делать все это необходимо издалека,
за надежной защитой, при помощи сложных автоматических
и телемеханических устройств, включая и установки
телевидения.
Одна из камер представляет собой механическую
мастерскую, в которую в первую очередь и поступают по
специальной подъездной дороге слитки изотопа, погруженные в
толстостенные свинцовые ящики (контейнеры). Здесь при
помощи автоматических устройств контейнеры распаковывают
и извлекают изотопы. На фрезерных и иных станках из них
изготовляют образцы нужной формы и размеров.
Рядом с механической мастерской находится раздаточная
камера, в которой хранятся приготовленные для
исследования образцы. Дальше располагаются камеры для
металлографических и физических исследований и камеры
механических испытаний.
Передачу образцов из камеры в камеру, от прибора к
прибору производят с помощью тележки-транспортера,
передвигающейся по транспортному коридору и управляемой из
операторских комнат соответствующих «горячих» камер.
В тех камерах, где обрабатывают и испытывают не очень
«горячие» — «полугорячие» — образцы, наблюдение из
операторских комнат ведут через смотровые окна, закрытые
толстым специальным свинцовым стеклом, надежно
защищающим оператора от радиоактивных излучений. Вся внутренняя
поверхность «горячих» камер облицована нержавеющей
сталью, облегчающей мойку и очистку их от радиоактивных
загрязнений. Каждая камера, операторская и все
вспомогательные помещения оборудованы специальными
приборами, позволяющими следить и контролировать степень
радиоактивности в них.
Управление всеми этими процессами производят из
операторской комнаты, связанной с мастерской манипулятором —
298

«Железные руки» (дистанционные манипуляторы)
1
Й „Железные!
руки"
■щршт
непременная принадлежность «горячих» лабораторий.

очень интересным
инструментом, являющимся как бы
продолжением рук
оператора, простертых через
толстую защитную стенку в
«горячую» камеру.
С помощью такого
манипулятора ученый,
экспериментирующий с
радиоактивными веществами, может,
находясь за толстой
защитной стеной,
предохраняющей его от мощных и
опасных излучений, точно и
безошибочно выполнять самые
сложные движения, которые
обычно выполняются
руками человека. За годы после
появления ядерных
реакторов «железная рука»
прошла интересный путь
развития и совершенствования.
Сначала это были
различного рода мостовые и
подвижные краны, рычаги и
автоматические устройства.
Однако, несмотря на все
усовершенствования, работа
с ними оставалась трудной,
движения приспособлений—
неуклюжими и неудобными,
до тех пор пока им не стала
придаваться форма и
характер движения руки и
пальцев человека.
Манипуляторы, повторяющие
естественные движения экспериментатора, могут выполнять не
только грубые работы и перемещения внутри «горячей»
лаборатории, но и осуществлять движения, порой недоступные
даже человеческой руке. На приводимых здесь рисунках
показаны некоторые элементы и идеи, на основе которых
конструируются подобные устройства.
Точность их действия поразительна!
Пользуясь, например, манипулятором, можно очистить от
скорлупы сваренное яйцо, не повредив белка, или завязать
в узел толстую полосу железа. Они позволяют взвесить
Что можно сделать при помощи
особо мощных манипуляторов
300

образцы на аналитических лабораторных весах, измерить
деталь при помощи микрометра, отвинтить винт или
гайку, и т. д.
Наблюдение за своей работой оператор ведет при помощи
перископа — системы зеркал, расположенных в специальном
изогнутом канале, проходящем через толстую бетонную
стену.
В случае необходимости показания приборов в камере
можно рассматривать при помощи сильного бинокля,
микроскопа или телевизионной установки.
На этом, пожалуй, мы и закончим главу о новых чудесных
помощниках человека — радиоактивных изотопах.

г л л в л
ДВЕН/1ДЦ/П71Я
БУДУЩЕЕ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ
НАЧАЛО НОВОГО ПУТИ
Было бы большой ошибкой считать, что достигнутые в
настоящее время успехи в высвобождении атомной энергии и
ее использовании являются вершиной того длинного пути,
путешествие по которому люди начали много-много лет
назад
Ведь огромная энергия, высвобождаемая человеком при
ядерной реакции деления урана, пока еще составляет лишь
0,1% всей заключенной в атомном ядре энергии' Не
контролируемая человеком термоядерная реакция позволяет
несколько повысить высвобождаемую энергию вещества
А сколько ее нужно человеку?
Очень и очень много И не просто энергии, а само-й
концентрированной ее формы — атомной энергии
Сейчас пока трудно сказать, как все это точно
произойдет Однако пути решения некоторых проблем можно уже
предвидеть в общих чертах Остановимся на важнейших
43 НИХ
302

О ДВИГАТЕЛЯХ ВООБЩЕ
Свои самые сокровенные надежды человек издавна
возлагал на новый источник энергии беспредельной мощности,
ничтожно малых размеров, безгранично долго действующий
и почти не расходующий топлива. Еще не обладая таким
источником необыкновенной силы, человек уже не хотел
летать рядом с орлами. Он хотел лететь к звездам!
И вот, наконец, этот чудесный источник почти
неограниченной энергии и мощности в наших руках!
Любой новый двигатель, используемый для движения
морского, наземного или воздушного транспорта, должен
обладать целым рядом преимуществ по сравнению со всеми
другими, ранее применявшимися.
Он должен быть более мощным, более легким, более
экономичным по расходу топлива, более простым в изготовлении
и эксплуатации, более прочным и надежным в работе.
Начнем с мощности двигателя. Наиболее компактными
и легкими, по сравнению с развиваемой ими мощностью,
являются авиационные двигатели. Обычные поршневые
моторы, имеющие по нескольку десятков рабочих цилиндров,
с большим трудом можно строить на мощность порядка
3000—4000 лошадиных сил (л. с). Современные реактивные
двигатели развивают тяговое усилие, соответствующее при
полете самолета с
максимальной скоростью
мощности порядка 35—40
тысяч лошадиных сил и
больше. И, наконец, в
ракетных двигателях
кратковременного действия
может быть получено
тяговое усилие,
соответствующее мощности уже
в миллионы лошадиных
сил.
Ядерный реактор,
расходующий в сутки около
1 кг делящегося урана,
Чудесный источник
«неограниченной» энергии выделяет лишь
ничтожное ее количество —
всего 0,1—0,5%.

Вес двигателя, приходящийся на 1 лошадиную силу.
развивает тепловую мощность порядка миллиона киловатт.
В качестве источника энергии электростанции, имеющей
к. п. д., равный 35%, он позволил бы получать 350 тысяч
киловатт самой удобной для использования энергии —
электрической. Такай мощности было бы вполне достаточно для
приведения в движение любого самого большого корабля на
море, самого мощного локомотива на рельсах, самого
огромного самолета в воздухе.
Но ведь теоретически мощность атомной электростанции
не ограничивается этими числами Сжигая 2 кг ядерного
горючего в сутки, мощность можно было бы удвоить, сжигая
4 кг — учетверить.
Вторым весьма важным вопросом в проблеме двигателя
является его вес. Чем легче двигатель при одной и той же
мощности, тем шире область его применения. Обычно
степень совершенства двигателя, если не рассматривать неко-
304

торые особые условия его работы, определяется весом,
приходящимся на 1 л с. мощности
Для тяжелых стационарных двигателей, рассчитанных на
надежную длительную работу, например на тепловых
электростанциях, морских судах и т. д., на 1 л. с. приходится от
14 до 10 кг веса.
У авиационных поршневых двигателей, предназначенных
для сравнительно кратковременной работы при
максимальной мощности, на 1 л. с. .приходится около 0,5—0,4 кг веса,
у турбореактивных — 0,3—0,2 кг, у прямоточных воздушно-
реактивных— 0,10—0,05 кг, у жидкостно ракетных — 0,010—
0,001 кг и т. д.
У атомной установки... Увы, она слишком велика по
сравнению со своими конкурентами. Но вес, приходящийся
на единицу мощности, — это еще не самый важный
показатель.
Любой вид транспорта рассчитан на определенное число
часов работы без повторной заправки его горючим: судно —
на месяцы, паровоз — на сутки, самолет — на десятки часов,
реактивный самолет — на часы.
Поэтому, как бы ни был совершенен и легок двигатель,
приходится принимать во внимание не один только его вес,
а вес с запасом топлива, требуемого для непрерывной работы
в течение времени между двумя заправками. А это
существенно меняет дело.
Например, на судне водоизмещением 10 тысяч тонн
паровой или нефтяной двигатель может весить, допустим, 1000 i,
а в рейс для него нужно брать 2000—3000 т угля или нефти.
Следовательно, вес силовой установки плюс топливо надо
считать уже равным 3000—4000 т.
Кроме того, ни одно судно не может проработать всю
навигацию или совершить очень длительный рейс без
пополнения горючего А это в большинстве случаев означает
необходимость иметь еще отдельный флот, подвозящий к разным
портам страны уголь и нефть, что зачастую сложно, дорого,
нерационально, а иногда и невозможно. Все это косвенно
можно было бы тоже приплюсовать к «весу» силовой
установки судна.
Самолет, в течение 12 час покрывающий расстояние в
8000—10 000 км, двигатели которого весят 2—3 т, должен
брать с собой 10—15 т горючего, а иногда и больше.
Недаром про современные тяжелые самолеты говорят, что
это летающие цистерны. Скажем, самолет весит 10 т, вес
двигателя 2—3 т, вес топлива 10—15 г, а полезный поднимаемый
груз — всего лишь несколько тонн. Короче говоря,
современный самолет больше возит сам себя, чем людей или грузы,
20 Энергия атомэ
305

Более правильно вес и удельную мощность двигателя
определять вместе с весом запаса топлива, расходуемого в течение
определенного времени
И вес двигателя, приходящийся у него на 1 л. с. мощности,
совсем не так мал, как это выглядело сначала, когда мы не
учитывали прикованной к нему тяжелой гири в виде
огромной керосиновой цистерны.
После столь длинного вступления мы можем поговорить
и об атомных установках.
Выгодно ли использовать атомный реактор как источник
энергии для различных двигателей?
306

Дело на первый взгляд обстоит неважно.
На 1 л. с. мощности такого двигателя придется уже не
0,5, не 1 и даже не 10 кг его веса. Одна бетонная защитная
оболочка даже наименьшего из известных реакторов должна
весить независимо от его мощности не менее 300—500 т.
Самое обидное при этом то, что, собственно, сам реактор,
включая уран, замедлитель, отражатель нейтронов и систему
охлаждения, весит не так уж много.
Известны типы реакторов, вес которых не превышает и
сотен килограммов.
Но зато в смысле веса всей установки, включая запас
возимого топлива, ядерный реактор имеет свои неоспоримые
преимущества. Мы упоминали, что атомная электростанция
мощностью порядка 100 тысяч киловатт при тепловой
мощности реактора 300—400 тысяч киловатт расходует на свою
работу в день всего лишь около 500—600 г урана-235 или
плутония. В год это составит около 0,2 т, и если при этом
используется так называемый регенеративный или размножи-
тельный реактор, то можно вернуть часть топлива или даже
получить его в большем количестве.
Теперь представим себе, что на судно водоизмещением
10—12 тысяч тонн поставлен атомный реактор тепловой,
мощностью 40—50 тысяч киловатт. Вес реактора составит
примерно 1000 г, запас ядерного горючего 0,5 т, вес турбин
двигателей 1000 т, прочее оборудование будет весить 600 т. Всего
2600 т против 5000—6000 т обычного судна такого же
водоизмещения, взятого вместе с запасом топлива.
Если обычное судно с полным запасом топлива может
пройти не больше 10 тысяч километров, то судно с атомной
установкой покроет 300—500 тысяч километров!
А ведь судну с обычными двигателями для этого
потребуется почти 35 раз пополнять топливо, перевезти в своих
трюмах 80—90 тысяч тонн лишнего груза и для подвоза его
содержать целый флот угольщиков или нефтеналивных
судов, армию людей, систему баз, портов и т. д.
Из нашего рассказа можно сделать вывод, что при всех
возможных усовершенствованиях атомных установок
ближайшего и более далекого будущего ядерный реактор,
видимо, в течение долгого времени будет приводить в движение
только большие и тяжелые морские суда, подводные лодки
и, может быть, огромные транспортные самолеты.
И, видимо, еще в течение долгого времени будут
огорчены поклонники автомобильного и мотоциклетного транспорта,
а также авторы фантастических повестей, мечтающие, что
уже в недалеком будущем все автомагистрали страны и
улицы городов будут заполнены атомными автомобилями и мо-
20*
307

тоцйкламй, а воздушное пространство—самолетами
индивидуального пользования с установленными в них
маленькими атомными двигателями.
ПЕРВЫЙ В МИРЕ АТОМНЫЙ ЛЕДОКОЛ „ЛЕНИН"
Особенно выгодной оказалась атомная установка для
ледокола Известно, что самые крупные суда этого типа
имеют паровые или дизельные двигатели мощностью от 10
до 25 тысяч лошадиных сил
Летом 1960 года в Советском Союзе начал свою
навигацию первый в мире атомный ледокол «Ленин»
водоизмещением 16 тысяч тонн, обладающий силовой установкой
мощностью 44 тысячи лошадиных сил — в 2,0—2,5 раза большей,
чем у самых крупных ледоколов мира
Преимущества атомного ледокола перед всеми другими
ледоколами с любыми видами энергетических установок
огромны, а в ряде случаев и просто несравнимы
Первое и главное — это постоянство водоизмещения, а
следовательно, постоянные и лучшие ледокольные качества
судна, так как нет необходимости иметь на нем огромный
запас дизельного или иного топлива, а по мере его
расходования— равного ему по весу балласта— забортной воды,
на перевозку которого, в свою очередь, расходуется добрая
половина возимого топлива и вырабатываемой машинами
энергии.
Практически неограниченная автономность плавания
позволяет ледоколу совершать рейсы любой протяженности и
длительности, работать на больших мощностях, без боязни
остаться без топлива и застрять во льдах там, откуда его
не сможет вывести уже никакой иной ледокол.
Об исключительных возможностях атомной установки
ледокола «Ленин» можно судить хотя бы по тому, что три
года подряд (1960—1962) его реакторы работали без
перезарядки ядерным горючим и могли бы работать еще одну
навигацию!
При экономичном режиме работы реактора он смог бы
пройти вокруг земли 8—10 раз без перезарядки топливом!
Вообще говоря, судовые атомные энергетические установки
позволяют строить надводные суда со скоростью хода, в два
раза превышающей скорость любых современных надводных
судов. Однако у ледокола «Ленин» иные задачи, поэтому
скорость его хода сравнительно невелика — на чистой воде
она равна 18 узлам (33 км/час), а во льдах толщиной 2,4 м —
2 узлам (4 км/час).
308

Атомный ледокол «Ленин».
Ледоколам старого типа значительную часть короткого
драгоценного времени навигации приходится терять на
ожидание улучшения ледовой обстановки в море. Они могут
проводить караваны судов при толщине льда до 70—90 см, а в
условиях сжатия льдов в два балла вообще лишены
возможности оказывать помощь транспортным судам.
Атомный ледокол в подобных случаях полностью
сохраняет свою маневренность и активность. Благодаря
использованию атомного ледокола время навигации в Арктике
почти удвоилось. Сбылась мечта великого русского
флотоводца и создателя русского ледокольного флота адмирала
С. О. Макарова: «Дойти до полюса напролом!»
На рисунке показано общее расположение и
принципиальная схема атомной энергетической установки
ледокола.
При конструировании реактора, помимо общих задач,
особое внимание уделялось прочности, надежности и
безопасности установки. Плавание любого морского судна даже
309

по чистой воде слишком часто сопряжено с огромными
трудностями и опасностями Стоит лишь учесть, что сила удара
морской волны высотой в 5—6-этажный дом может порой
достигать 35—40 т на квадратный метр поверхности корпуса!
Ледоколу же, помимо всего этого, приходится еще днями и
неделями таранить и крушить двухметровые льды, нанося
порой по нескольку ударов в одну и ту же ледяную глыбу
с полного хода.
Совершенно очевидно, что эти условия ни в какое
сравнение не идут с условиями работы обычных, стационарных
установок. А ядерный реактор должен быть тщательно
огражден от качки, быстрых вертикальных и других
перемещений и особенно вибраций.
Команда ледокола не только работает, но на все время
плавания еще и живет на расстоянии не свыше 50—100 м от
источника опасных излучений. Поэтому к радиационной
защите реактора, как обычной, так и на случай возможной
аварии, предъявляются куда более жесткие требования, чем
к установкам на суше. Короче говоря, защита должна быть
абсолютной — такой, как будто бы ледокол работает не на
ядерном, а на обычном горючем.
Учитывая эти, а также многие другие, не менее важные,
требования, для первого в мире атомного ледокола был
выбран водо-водяной реактор, охлаждаемый водой под
давлением и в котором вода служит еще и замедлителем
нейтронов. Это позволило сконструировать активную зону реактора
сравнительно малых размеров, тем самым значительно
сократить общий вес биологической защиты, вернее,
усилить ее.
Можно было бы поставить на ледокол всего один реактор
требуемой тепловой мощности, что в целом позволило бы
сэкономить и общий вес, и объем всей установки, однако
после тщательного взвешивания всех «за» и «против» было
решено поставить три реактора—два работающих и один
резервный, включаемый на случай каких-либо
неисправностей в работающих, а также для работы в особо тяжелых
ледовых условиях.
Корпус реактора представляет собой стальной цилиндр
высотой 5 и диаметром 2 м, облицованный изнутри для
защиты от коррозии нержавеющей сталью.
Активная зона имеет следующие размеры: высота 1,6 м,
диаметр 1 м. В качестве топлива используется двуокись
урана с увеличенным до 5% содержанием делящегося изотопа
урана-235. Общий вес топлива в одном реакторе 1,7 т, а во
всех трех реакторах 5,1 т, из которых около 0,25 т —
уран-235.
310

Следует помнить, что тепловая мощность любого
реактора в четыре-пять раз превышает электрическую, или
силовую мощность любой энергетической установки. Поэтому
тепловая мощность каждого реактора составляет 90 тысяч
киловатт, а всех трех реакторов — 270 тысяч киловатт.
Поступающая в реакторы под давлением 200 атм вода
нагревается в нем до температуры 325°.
Так как под действием излучений радиоактивными
больше всего становятся растворенные в воде посторонние
вещества, то циркулирующая по первичному контуру вода
подвергается двукратной перегонке (дистилляции).
Как и в обычных схемах, охлаждающая активную зону
реактора вода поступает в трубчатый теплообменник —
парогенератор, где и отдает свое тепло воде вторичного контура,
превращая ее в пар с температурой 310° и давлением 28 атм.
Этот пар и вращает четыре главные паровые турбины
ледокола, каждая из которых приводит в движение два
генератора постоянного тока напряжением 1200 в. Один из этих
генераторов имеет мощность 3840 кет, другой состоит из двух
генераторов, размещенных в одном корпусе, каждый
мощностью 1920 кет.
Атомный ледокол «Ленин» — электроход. Три его гребных
винта приводятся в действие тремя электродвигателями, из
которых средний имеет мощность 19 600 л. с, а два
бортовых — по 9800 л. с. каждый.
Благодаря такой системе обеспечивается особая гибкость
управления, маневренность и надежность работы всей
энергетической установки.
Повышенная мощность среднего гребного
электродвигателя обоснована тем, что вращаемый им гребной винт лучше
других защищен от повреждений и является основным.
Вращение винтов с помощью электродвигателей, а не
непосредственно турбинами позволяет в широких пределах
изменять скорость хода судна, и ими легче управлять не
с помощью машинного телеграфа, как на обычных судах,
а непосредственно с капитанского мостика.
Помимо главных турбогенераторов, ледокол имеет еще
два вспомогательных, мощностью по 1000 кет для питания
током всех судовых механизмов.
Для запуска установки предусмотрен резервный дизель-
генератор мощностью 1000 кет и два дизель-генератора в
качестве резерва на случай остановки вспомогательных
турбогенераторов.
Все, что входит в первичный контур каждого реактора,
окружено биологической защитой, состоящей из нескольких
слоев воды и стали. Это заполненные водой цистерны, внутри
311

которых размещены еще стальные листы. Дополнительно
к ним в качестве защиты используется также часть
оборудования первичного контура.
Оборудование первичного контура, в котором
циркулирует ставшая радиоактивной вода, защищено стальными
стенами толщиной 300—400 мм, а в местах сложной формы —
бетоном с примесью лимонитовой руды
Контроль за уровнем радиоактивности на судне
осуществляется двумя системами защиты — технологической и
биологической, полностью обеспечивающими безопасность
экипажа.
АТОМНЫЙ ЛОКОМОТИВ
На приведенном рисунке (стр. 313) показан внешний вид
и частичный разрез ширококолейного (4,5 м) двухэтажного
поезда будущего и атомного локомотива, какими они
представляются автору книги и художнику, ее
иллюстрировавшему. Возможно и даже вероятно, что это будет не так, как
изображено, но, может быть, рисунки не очень уж далеки от
истины.
Какие же обстоятельства придется учитывать
конструкторам атомных локомотивов?
Железные дороги, в отличие от морских путей, проходят
вблизи от населенных пунктов. Следовательно, защита
ядерного реактора, устанавливаемого на локомотиве, должна
быть полной — со всех сторон, и снизу, и даже сверху
(мосты!). А это в первую очередь означает, что должен быть
создан реактор самых малых размеров при максимально
возможной отдаваемой мощности.
Далее. Какие бы строжайшие и всесторонние меры по
обеспечению безопасности движения ни принимались, все же
придется считаться с тем, что отдельный атомный локомотив
из числа многих может когда-нибудь потерпеть аварию.
В этом случае конструкция его должна быть такой, чтобы
радиоактивные вещества, заключенные в рабочей части
реактора, в системе охлаждения и в циркулирующем между
реактором и паровой турбиной теплоносителе, при возможной
аварии никуда бы из реактора не ускользали.
А подобная задача неминуемо связана с весьма
значительными конструктивными усложнениями всей
установки.
Рассмотрим один из опубликованных за границей
проектов атомной установки на обыкновенном локомотиве
Как мы помним, самым маленьким реактором из всех
известных до настоящего времени, а видимо, и возможных типов
312

Атомный локомотив и поезд будущего.
является гомогенный «кипящий» реактор — «паровой котел»,
работающий на обогащенном уране. Обычно это одна из
солей урана, растворенная в тяжелой воде. Рабочий объем и
форма такого реактора — металлическая сфера из
нержавеющей стали диаметром не более 30 см.
При содержании чистого урана-235 в растворе в
количестве около 9 кг такой реактор свободно может развить
тепловую мощность порядка 30 тысяч киловатт, а при к. п. д.
всей установки порядка 20—25% полезная мощность
локомотива будет равна 5000—7500 л. с.
Расходуя в сутки примерно 25—30 г урана-235, ядерный
реактор такого типа в состоянии проработать без смены
ядерного горючего непрерывно несколько месяцев.
Конструкция установки должна быть такой, чтобы после
завершения определенного пробега локомотива всю рабочую
часть реактора — металлическую сферу с раствором или весь
его блок — можно было легко извлечь из локомотива
целиком, а на ее место поставить новую.
Малый объем рабочей части гомогенного реактора
позволяет устроить и подвесить его так, чтобы при любой аварии
содержимое металлической сферы не выливалось в наружные
отсеки реактора.
В условиях неизбежной тряски и толчков, от которых вряд
ли удастся полностью избавиться и в локомотивах будущего,
создать абсолютно надежные соединения труб и других
устройств, изолировать их от воды и воздуха в случае даже
небольшой аварии будет очень трудно. Поэтому при всей
313

заманчивости охлаждения реактора каким-либо жидким
металлом от него в данном случае пришлось бы
отказаться.
Останется наиболее простое, надежное и более дешевое
решение: применить в качестве теплоносителя обыкновенную
воду, нагнетаемую в реактор под давлением, или какой-либо
органический теплоноситель.
По этим же соображениям нет необходимости
устанавливать и теплообменник. Неизбежные потери тепла в нем
снизили бы и без того не очень высокий к. п. д. локомотива.
Поэтому паровая турбина должна работать непосредственно
от пара высокого давления, выходящего из реактора. Такая
работа турбины вполне возможна. Главным ее недостатком
является сильная радиоактивность пара. Он заражает не
только турбину и конденсатор, но и те устройства, через
которые на своем пути проходят вода и пар.
Объем полной биологической защиты локомотива в этом
случае будет не менее 150 м3, а вес ее — порядка 500—600 т.
Вместо бетона может применяться и другой материал,
например чугун или свинец.
В этом случае огражденное свинцовыми стенками
полезное пространство установки может быть значительно
большим и оборудование в нем разместится свободнее и удобнее
для обслуживания и управления.
Электрический генератор, который питает многочисленные
электродвигатели, приводящие в движение колеса
локомотива, в бетонной защите не нуждается.
Общая длина атомной установки с различными
устройствами около 50 м.
АТОМНЫЙ САМОЛЕТ
Полет, эта исконная мечта человека, — вот настоящая
стихия применения атомной энергии! Летать сколь угодно долго,
над облаками, быстрее звука, летать к далеким, казалось
бы, никогда не досягаемым планетам, в другие звездные
миры.
Энергии, вырабатываемой любой из современных
огромных гидроэлектростанций — Волжской, Братской,
Красноярской и др., — с лихвой хватило бы для движения самого
гигантского спутника Земли или межпланетного корабля. Но
взять в качестве силовой установки такую даже самую
«маленькую» станцию или собрать, сконцентрировать всю
вырабатываемую ею энергию так, чтобы можно было упаковать ее
Э самолет, ракету, космический корабль, невозможно. Трудно
314

рассчитывать и на то, что удастся скоро найти способ
передавать огромное количество энергии методом направленного
радиолуча, без проводов.
Идеальным примером плотно упакованного в малом
объеме огромного количества энергии является ядерный
реактор.
В принципе ядерный реактор, установленный на самолете,
летящем на большой высоте, мог бы обойтись и без
громоздкой и тяжелой биологической защиты, за исключением
стенки, обращенной в сторону пассажирских и служебных
помещений. В этом случае геометрические размеры защитной
стены, в тени которой и должна находиться остальная часть
самолета, могут быть значительно уменьшены, так как она
должна перехватывать радиоактивные излучения только в
пределах довольно узкого конуса.
Однако на время нахождения самолета на земле, защита
реактора должна быть абсолютно полной.
Каким же образом выполнить эти, казалось бы,
противоречивые требования?
Их можно решить по-разному. Например, атомная
установка может находиться либо в кормовой, либо в носовой
части корпуса или же на концах крыльев так, чтобы во время
стоянки воздушного корабля на земле реакторы входили
в специальные помещения — «коробочки» со стенками,
обеспечивающими нормальную биологическую защиту (толщина
2—2,5 м).
Вес защитной стенки, отделяющей пассажиров и груз от
реактора, может быть снижен еще больше целым рядом
способов и приемов. Для этого можно, например, сильно
удлинить корпус самолета и расположить пассажирские кабины
на расстоянии нескольких десятков метров от реактора так,
чтобы при минимальных линейных размерах защитного
устройства «тень», создаваемая им для радиоактивных лучей,
покрывала возможно максимальную площадь.
Дальше, сами двигатели — турбины и т. д. — могут
отделять реактор от кают и складов для груза и в значительной
степени служить защитной массой, если при конструировании
двигателей выбрать металлы и другие материалы, не
приходящие быстро в негодность от действия радиоактивных
излучений.
В качестве дополнительной защиты между атомной
установкой и пассажирскими помещениями могут располагаться
цистерны с водой, багажные отделения с грузами, не
боящимися облучения, помещения для шасси (колес) самолета
и т д.
Остальное пространство в полете может и не защищаться,
315

яШР
к ТЕЛЕВИЗ. КАМЕРА-
РЕ АКТОР-
ПЕРИСКОП
ТЕЛЕВИЗ. АНТЕННА^
ЩЕЛЬ-
КОНТРОЛЬНЫЙ
ИНСТРУМЕНТ
'ШаВШШ&ЗШ*®
Защита атомного самолета во время нахождения его на земле.

при условии, что другим самолетам будет запрещено
приближаться к атомному на определенное расстояние — порядка
нескольких сот метров.
Какими должны быть двигатели такого самолета?
Реактивный двигатель в настоящее время является наиболее
совершенным Он позволяет производить преобразование
энергии тепла в движение без промежуточных ступеней в виде
поршней, шатунов, коленчатых валов и других устройств,
снижающих к. п. д. двигателя
Сравнительные характеристики и данные существующих
типов реактивных двигателей приведены на рисунке.
Современные виды реактивных двигателей.
Запас кислорода, нагнетаемого в камеру сгорания, и
теплотворная способность современных самых
высококалорийных видов топлива вследствие недостаточной жаростойкости
материалов, из которых изготовляются камеры сгорания,
рабочие лопатки турбины и другие части реактивных
двигателей, используются сейчас только на 30%.
Если бы существовали материалы, жаростойкость которых
позволяла длительное время выдерживать температуру
порядка 2000° и выше, то скорость полета современных
реактивных самолетов могла бы быть удвоена.
317

Поэтому дальнейший прогресс реактивной авиации в
значительной степени зависит от того, будут ли в ближайшие
годы созданы более жаропрочные и жаростойкие материалы.
Ядерный реактор, установленный на месте камеры
сгорания реактивного двигателя, может с успехом заменить любой
вид современного топлива, так как температура воздуха,
продуваемого через реактор, может быть доведена до 800—1000°
и больше.
Несколько схем возможных атомных установок показаны
на рисунке (стр. 319).
Устройство всех их почти сходно с устройством обычных
реактивных двигателей.
Воздух, поступающий в установку, проходит через
ядерный реактор, работающий или без замедлителя (быстрые
нейтроны), или с графитовым замедлителем (медленные
нейтроны). Для этой цели внутри реактора сделано большое
количество отверстий, выложенных металлом с большой
теплоемкостью, а рабочая часть реактора имеет удлиненную
форму, способствующую лучшему нагреву струи воздуха до
требуемой температуры. Нагретый воздух, пройдя сквозь
турбину компрессора, выбрасывается через выхлопное сопло
в атмосферу.
У турбореактивных двигателей воздух нагнетается
компрессором и, нагревшись, попадает в газовую турбину.
Прямоточный реактивный двигатель устроен проще. В нем воздух
непосредственно попадает в камеру сгорания через заборное
отверстие и, нагревшись, выбрасывается наружу. Надобность
в компрессоре и турбине при таком поступлении воздуха
отпадает. Но работать этот двигатель может только при очень
больших скоростях.
Благодаря огромной мощности, развиваемой атомной
установкой, степень сжатия воздуха, подаваемого в камеру
нагрева компрессором, может быть доведена до величины,
недоступной для реактивных двигателей обычного типа, и столь
же легко воздух можно нагреть до очень высокой
температуры. Сильное предварительное сжатие большого объема
нагреваемого воздуха обеспечивает резкое увеличение
мощности двигателя и скорость его истечения через выхлопное
сопло двигателя в атмосферу, что, в свою очередь,
увеличивает скорость движения самолета.
Теперь нам остается рассмотреть еще один вид
двигателя, судьба которого, пожалуй, целиком зависит от ядерного
реактора. Речь идет о двигателе для космического корабля.

Отражатель
Холодный воздух^
Воздушный
компрессор
Воздушный
радиатор
входной
диффузор
^
Атомный реактор
Горячий воздух
Воздушная
турбина
Холодная
жидкость
Насос
Реактор
Холодная
жидкость.
Насос
Атомный реактор
Отражатель
Возможные схемы атомных самолетных двигателей.

МЕЖПЛАНЕТНЫЙ КОРАБЛЬ БУДУЩЕГО
Много лет назад великий русский ученый Эдуард
Константинович Циолковский открыл человечеству конкретные пути
и способы осуществления путешествия на ракетном корабле
в межпланетное пространство Единственными двигателями,
с помощью которых тогда можно было бы попытаться решить
эту грандиозную задачу, были пиротехнические ракеты,
пускаемые в дни больших праздников для развлечения
гуляющих.
От этих игрушечных ракет до космического корабля было
тогда так же далеко, как от урановой краски до атомного
реактора.
Однако маленькая шумная игрушка, выпускающая во
время полета длинный хвост огня и дыма, была крошечной
моделью своего будущего большого собрата.
Чтобы космическая ракета могла вырваться из цепких
лап земного притяжения и начать свой путь в космическом
пространстве, она должна приобрести скорость порядка
11,2 км/сек. Самые лучшие виды горючего, существовавшие
в то время, позволяли получить скорости в 10 раз меньшие.
Было от чего печалиться и считать, что космические
полеты— дело людей XXI века.
Однако уже в последующие годы скорость движения
ракет благодаря применению новых видов топлива резко
возросла.
Даже в неблагоприятных условиях из-за несовершенства
современных видов жаростойких и жаропрочных сплавов
новые сорта топлива уже позволяют развивать заветную
скорость в 11,2 км/сек.
Однако эту скорость удается развить всего на несколько
минут — время, достаточное лишь для того, чтобы выйти из
сферы притяжения Земли, а затем, в силу законов небесной
механики, в свободном полете пройти мимо или упасть на
ту или иную планету. Все, что можно еще сделать, это
подправить в полете траекторию движения ракеты с помощью
небольших вспомогательных реактивных двигателей, не
требующих больших запасов топлива. Именно таким путем были
осуществлены полеты советских ракет на Луну, вокруг Луны,
к Марсу и на Венеру.
Если говорить о настоящих космических полетах без
людей или с людьми, ракета должна иметь достаточный запас
энергии, а следовательно, и топлива, чтобы ее двигатели
могли работать не несколько минут, а месяцы или годы. Ведь
космический корабль должен иметь возможность погасить
приобретенную при старте скорость, чтобы произвести посадку
320

скорость км/СЕК у
Теплотворная способность некоторых видов топлива для ракетных
двигателей и создаваемая ими скорость полета.

на нужной планете, подняться с нее вновь и, вернувшись
к Земле, еще раз погасить приобретенную скорость и
приземлиться. Грубо говоря, чтобы затормозить движение ракеты
и совершить посадку, нужно затратить примерно столько же
топлива, сколько его требуется для того, чтобы разогнать
ракету до необходимой скорости при старте.
А вот чтобы стартовать с поверхности Луны обратно на
Землю, вторая космическая скорость должна быть
значительно меньше, чем при старте с Земли, — 2,7 км/сек вместо
11,2 км/сек. В этом случае топлива требуется несколько
меньше. Зато, чтобы стартовать с поверхности Юпитера или
Урана, топлива потребуется значительно больше, чем для отрыва
от поверхности Земли.
Вот почему с такой надеждой смотрят конструкторы на
атомный реактор.
Изобретателям предстоит преодолеть поистине
нечеловеческие трудности, но ни у кого не возникает сомнений, что
в космических ракетах будущего будут стоять именно
атомные двигатели.
Атомный реактор будущего, свободный от своих
главнейших недостатков — в первую очередь от чрезмерного веса его
защитных оболочек, — поставленный на космическую ракету,
явится, безусловно, самым совершенным источником энергии
для ее реактивных двигателей, создавая возможность
получить практически любую мощность в течение очень
длительного времени.
Пределом здесь, как мы уже говорили, является
количество тепла, которое можно непрерывно отводить от
реактора, и температура, которую будут выдерживать различные
узлы и механизмы реактора, двигателя, а также вес урана,
взятого в полет, и того вещества, которое будет нагреваться
до предельно высокой температуры в реакторе и
выбрасываться через сопла ракеты.
К сожалению, и количество отводимого тепла, и особенно
жаропрочность и жаростойкость материалов ближайшего и
даже несколько отдаленного будущего не позволяют делать
сколько-нибудь оптимистических прогнозов.
Если сейчас вещества, из которых изготовляются камеры
сгорания, выхлопные трубы и другие рабочие части ракеты,
выдерживают в лучшем случае температуру до 1200°, то
можно почти уверенно считать, что через 20—30 лет они будут
выдерживать не больЩе 3000—4000°.
А это очень далеко от температуры в 30, 50, 100 тысяч
градусов, какие были бы нужны для серьезных, дальних
полетов действительно звездных кораблей.
До Луны полет ракеты занимает несколько дней. Учиты-
322

вая необходимость максимальной экономии топлива, при
самых выгодных условиях отрыва от земного притяжения
полет на Марс займет у ракеты даже с атомным двигателем
не менее 250 дней, на Венеру — до 150 дней. При полетах
в другие звездные миры счет уже пойдет на десятилетия,
столетия, тысячелетия и т. д. Срок явно не под силу одному
поколению людей.
ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Как известно, тяга в реактивных двигателях и ракетах
создается раскаленными газами — продуктами сгорания
химического топлива, с большой скоростью вытекающими из
сопла таких двигателей. Величина этой тяги зависит главным
образом от массы выбрасываемого вещества и скорости его
истечения. В обычных двигателях, работающих на
химическом топливе, скорость истечения отработанных газов не
превышает 3000—5000 м/сек. Следовательно, единственный путь
повышения силы тяги реактивных двигателей любого вида —
увеличение массы продуктов сгорания топлива,
выбрасываемых в единицу времени, или резкое увеличение скорости
их истечения, или одновременно то и другое.
Идеалом явилась бы, естественно, скорость истечения,
близкая к скорости света.
Однако трудно ожидать, что когда-либо удастся создать
вещества, развивающие при горении температуры в десятки
и сотни тысяч градусов, а только при таких температурах и
соответствующих им скоростях истечения нагретого вещества
можно было бы мечтать о скоростях полета ракеты, дающей
человеку шансы когда-нибудь вырваться в звездные
просторы, посетить другие миры.
И чтобы вся проблема не была безнадежно
пессимистичной, навечно приковывающей человека к границам его
ближайших соседей или в лучшем случае в пределах Солнечной
системы, должны быть созданы двигатели, основанные на
совершенно иных принципах.
За последние годы, в связи с созданием мощных
ускорителей заряженных частиц, а также с разработкой плазменных
преобразователей теплоты непосредственно в электричество,
минуя паровые котлы, турбины и генераторы, с высоким
к. п. д. (до 70% и выше), начались усиленные разработки так
называемых ионных реактивных двигателей для ракет.
Главным соблазном здесь является возможность сперва
превратить вещество в высокотемпературную плазму, то есть
ионизировать газообразное вещество, а затем ускорить
полученные ионы до скоростей, сопоставимых со скоростью света,
21*
323

и тем самым увеличить тягу двигателей во столько раз, во
сколько скорость истечения ионов превышает скорость
истечения газообразных продуктов сжигания обычного
химического топлива, если брать их одинаковые количества. Отсюда
значительное повышение грузоподъемности, скорости и
дальности полета ракеты и другие столь же решающие
преимущества.
Масса протона в 1836 раз больше массы электрона. Масса
же иона, в свою очередь, больше массы протона во столько
раз, во сколько атомный вес применяемого вещества больше
атомного веса водорода. Следовательно, важнейшей задачей
при конструировании такого двигателя, видимо недалекого
будущего, является увеличение массы вещества,
выбрасываемого ракетой.
Однако современные, даже сверхмощные ускорители
заряженных частиц для этой цели малопригодны. Нужно,
чтобы ускоритель разгонял не незримо тоненький лучик, хотя
бы и тяжелых частиц, с силой тока, измеряемого
микроамперами, а мощный поток частиц, измеряемый сотнями,
тысячами, а возможно, и миллионами ампер.
Получить ускорители с такой величиной тока — дело
довольно трудное.
Для того чтобы иметь возможность ионизировать
баснословно огромное количество атомов газообразного вещества,
а затем разогнать полученную массу положительно
заряженных частиц до скоростей порядка десятков и сотен тысяч
километров в секунду, необходимо установить на ракете
мощные источники энергии, вес и объем которых, естественно,
съедят значительную долю преимуществ, приобретенных за
счет огромного выигрыша в скорости истечения реактивной
струи.
Однако подсчеты, проведенные учеными, показали, что
«игра, безусловно, стоит свеч». В результате длительных
исследований создано несколько действующих моделей таких
двигателей.
Устройство ионного двигателя исключительно просто.
Основная его часть — электрический генератор, создающий
сильное электрическое поле высокого напряжения.
Источником положительно заряженных ионов могут быть
газообразные вещества, например сжиженные водород и гелий, легкий
металл цезий, или другие вещества, ионизирующиеся, то есть
теряющие свои электроны, при сравнительно невысоких
температурах— порядка 2000—5000°. Попадая в электрическое
поле мощного ускорителя, ионы разгоняются до космических
скоростей и выбрасываются из хвостовой части двигателя,
создавая таким образом реактивную тягу,
324

Принцип устройства и действия ионного двигателя.
Тяга эта, по сравнению с тягой существующих ракетных
двигателей на химическом топливе, невелика, и ракеты,
снабженные ионным двигателем, будет целесообразно запускать
не с Земли, а с околоземной орбиты, куда они должны
выводиться с помощью обычных многоступенчатых ракет на
химическом топливе.
Зато, оказавшись в космическом пространстве, ионная
ракета может действовать днями, неделями, а в будущем
(когда их можно будет снабдить атомными энергетическими
установками) —и годами.
Если на уже находящемся в космосе корабле, весящем
1000 т, начнет работать ионный двигатель, развивающий тягу
всего около 100 кг, что является более чем скромной
величиной по сравнению с массой корабля, то получаемое им
ускорение тем не менее будет равняться примерно 6000—
7000 км/сутки, лока корабль не достигнет скорости около
40 км/сек, или 3—4 миллионов километров в сутки. При этом
будет расходоваться всего около 6 кг топлива
(ионизированного газа) в час.
Эта скорость очень далека от скорости выбрасываемых
частиц и тем более от скорости света. Но ее можно
увеличивать по мере увеличения плотности потока разгоняемых
частиц в луче линейного ускорителя, учитывая, что вместо
одного в ракету можно ставить несколько, а то и много
ускорителей и, кроме того, использовать более компактные виды
ускорителей.
В длительных полетах, когда ускорение ракеты может
происходить постепенно, в качестве источника энергии могут
применяться и другие устройства — например,
термоэлектрические или солнечные батареи.
325

РАКЕТА ФОТОННАЯ
Квантовая теория рассматривает свет как поток фотонов,
движущихся в пространстве согласно законам
распространения электромагнитных волн. Если свету как волновому
процессу присущи длина волны, частота колебаний и
постоянная скорость распространения (300000 км/сек), то фотон как
частица света должен обладать и массой, взаимосвязанной
с его энергией.
Вещество в момент выбрасывания фотона получает
импульс в противоположном направлении, равный импульсу
выброшенного фотона. Если бы масса частицы этого вещества
была равна массе фотона, то она должна была бы полететь
в обратном направлении с такой же скоростью, как и
выброшенный фотон.
Представьте теперь себе невероятно ярко светящий
прожектор, подвешенный в безвоздушном пространстве. Под
действием сил отдачи вылетающих фотонов он должен начать
двигаться в противоположную лучу света сторону со
скоростью, во столько же раз меньшей скорости света, во
сколько раз масса прожектора больше массы выбрасываемых
одновременно фотонов. Это и будет своеобразный световой
реактивный двигатель, движение которого основано на
энергии отдачи, образующейся за счет вылетающего потока
фотонов, — фотонная ракета.
Но, как известно, фотон не имеет массы покоя. Поэтому
рассчитывать силу тяги реактивного фотонного двигателя
теми же методами, какими рассчитывается тяга двигателей,
работающих на химических видах топлива или ионах,
невозможно, как невозможно сосчитать, сколько килограммов
фотонов нужно выбрасывать из сопла столь необычного
двигателя, чтобы ракета, весящая, допустим 100 т, могла быть
ускорена до той или иной скорости за определенный период.
Судить о величине тяги фотонного двигателя можно лишь
по количеству энергии, которой должен обладать луч света,
ускоряющий нашу фантастическую ракету.
Никакой из известных науке сегодняшнего дня источников
света для этой цели непригоден, так как даже самые
совершенные из них превращают в свет в лучшем случае 20—
30% расходуемой ими энергии. В свою очередь, к. п. д. самых
совершенных известных источников энергии, получаемых
путем сжигания топлива, редко превышает 38—41%. Меньше
трети от половины! При делении ядра атома урана или тория
надвое высвобождается в 2,5—3,0 миллиона раз больше
энергии, чем при сжигании топлива. Но и в этом случае
высвобождается всего около 0,5%—половина сотой доли энергии,
326

Масса фотонов на скорость
Сущность идеи использования давления света в качестве
источника движения
заключенной в веществе. И даже в ходе ядерной реакции
слияния ядер атомов легких элементов в более тяжелые
(водорода в гелий) высвобождается лишь 0,5% скрытой в
веществе энергии.
Наука знает единственный вид реакции, при которой
выделяются все 100% скрытой в веществе энергии. Это
аннигиляция — взаимоуничтожение двух элементарных частиц:
например, электрона и его античастицы позитрона.
В результате их исчезновения вся энергия пары электрон—
позитрон, как кинетическая, так и связанная с их массой
покоя, целиком переходит в энергию фотонов. Согласно
знаменитому соотношению Эйнштейна между массой и энергией —
Е = тс2, собственной массе покоя электрона или позитрона
соответствует энергия в 0,51 Мэв. Общая же энергия двух
фотонов, появляющихся в результате столкновения и аннигиляции
электрона и позитрона, равна 0,51 X 2 = 1,02 Мэв.
Поэтому, чтобы воспользоваться принципом реактивного
движения с помощью фотонной ракеты, потребуется сперва
превращать вещество в какие-то элементарные частицы и их
античастицы (электрон и позитрон, протон и антипротон
и т. д.), а затем направлять два раздельных потока этих
частиц в какую-то условную камеру «сгорания», где
взаимосвязанная с массой этих частиц энергия могла бы в процессе
аннигиляции целиком превратиться в свет—видимый или
невидимый.
327

Все эти предварительные рассуждения понадобились нам
только для того, чтобы пояснить, с какими баснословно
огромными количествами энергии придется иметь дело
человечеству будущего при желании воспользоваться единственно
возможным в природе видом ракеты, которая могла бы
теоретически лететь со скоростью, близкой к скорости света.
Но... таких «но» теперь последует довольно много.
Любой источник света, кроме лазера, испускает свои лучи
равномерно во все стороны. Сконцентрировать их все в
параллельный луч, направленный в какую-то одну сторону,
можно только с помощью вогнутого зеркала.
А идеально гладких поверхностей, отражающих свет со
стопроцентной эффективностью, в природе не существует:
2—3% световой энергии поглощаются в веществе зеркала.
В прожекторных или кинопроекционных установках с
электрическими дугами высокой интенсивности зеркала
достаточно охлаждать проточной водой или обдувать струей
воздуха. Но там, где речь идет о миллионах и миллиардах
киловатт-часов энергии, сконцентрированных на поверхности
ограниченной площади, количество поглощенной веществом
зеркала энергии тоже будет выражаться миллионами
киловатт-часов, и из какого бы вещества ни было изготовлено
такое зеркало, оно мгновенно испарилось бы.
Следующее «но» оказывается еще более серьезным.
Допустим, что будет изобретена совсем удивительная машина —
сверхмощный ускоритель, на котором можно было бы
получать астрономически огромные количества каких-либо
античастиц (позитронов, антипротонов и др.) или даже
антивещества (антидейтронов и т. п.).
Если основные элементарные частицы: протон, электрон,
нейтрино — живут бесконечно, то их античастицы живут
миллионные и миллиардные доли секунды до встречи с первыми
подвернувшимися им «под руку» частицами. А ведь из таких
частиц состоят все окружающие их предметы: детали
установок, трубопроводов, камеры «сгорания», даже молекулы газа
в откачанных до предельного разрежения внутренних
полостей ускорителей.
И, едва зародившись, античастицы будут
аннигилировать— взаимоуничтожаться — где угодно и в чем угодно —
везде, кроме тех устройств, где это крайне нужно, — в камере
«сгорания», установленной в фокусе гигантского идеального
зеркала. Сейчас даже трудно придумать, каким физическим
путем можно было бы изолировать античастицы от их
антагонистов.
Остальные «но» имеют еще более сложный характер, и
вряд ли есть необходимость их все здесь перечислять.
328

Однако было бы ошибкой считать, что фотонная ракета
является хотя и красивой, но несбыточной вовеки мечтой.
Неосуществимой она кажется нам с точки зрения достижений
науки сегодняшнего дня и того ее развития, какое можно
ожидать в предвидимом будущем. Но через 5, 10, 50, 100 лет
какое-либо неожиданное, головокружительно-невероятное
открытие в физике может стать конкретной реальностью. Ей
даже вовсе не обязательно быть фотонной ракетой.
Но одним из истоков ее зарождения, безусловно, будет
мечта о двигателе, несущем человека к другим звездам со
скоростью, близкой к скорости света.
АТОМНАЯ БАТАРЕЯ
Сейчас наступил, пожалуй, самый подходящий момент для
того, чтобы читатель мог с полным правом спросить нас: если
не касаться фантастических рассказов, то где та маленькая
таинственная коробочка, которая в повестях писателей
прошлого и начала этого века могла непрерывно снабжать
энергией большое судно, подводную лодку, летательный аппарат
или космическую ракету?
Из предыдущих глав вы узнали, что энергия,
выделяющаяся при расщеплении горсти урана-235 или плутония-239,
равна выработке большой электростанции в течение
нескольких суток.
Стало быть, мечта наших сказок в принципе осуществима.
Но вот таинственного источника неисчерпаемой энергии,
умещающегося в спичечной коробочке, все еще нет!
Беда в том, что сравнительно небольшое количество
чудесного атомного горючего — урана или плутония — приходится
прятать в громоздком, тяжелом ядерном реакторе —
«коробе» величиной с хороший дом, с толстыми, как у крепости,
бетонными стенами.
Сейчас, когда добрая толика дел уже завершена и самая
могущественная сила природы находится в руках человека,
у него, естественно, возникло еще одно, вполне законное
желание— убрать с пути этой могучей силы толстые бетонные
стены, снять тяжелый груз, весящий сотни тонн, с нового
чудесного источника освобожденной энергии. И тогда...
А сейчас? Неужели сейчас ничего нельзя сделать? Ну,
хотя бы первый, небольшой шажок в этом направлении?
Этот шаг уже сделан. Создана пока еще маленькая
атомная электрическая батарейка объемом всего 0,3 см3. Эта
малютка способна вырабатывать электроэнергию непрерывно
в течение нескольких десятков лет.
329

Как она устроена?
Мы уже говорили, что при расщеплении ядра урана-235
или плутония получается очень много самых разнообразных
радиоактивных осколков — элементов, стоящих в середине
таблицы Д. И. Менделеева: барий, йод, стронций, лантан
и другие.
В процессе последующего радиоактивного распада они
выбрасывают бета-частицы, то есть электроны. Одни — много
электронов, но в течение короткого времени; другие,
наоборот,— мало электронов, но зато в течение длительного
времени. Третьи вместе с электронами посылают и сильно
проникающие гамма-лучи, от которых можно укрыться лишь за
многометровыми бетонными стенами, даже если количество
излучающего вещества не превосходит пылинки. А чтобы
задержать поток электронов, выбрасываемых любым
радиоактивным веществом, нужна оболочка из алюминия толщиной
1 мм. Поэтому можно выбрать такие изотопы, которые,
совершенно не излучая опасных для человека гамма-лучей,
выбрасывали бы достаточно большое количество электронов в
течение сравнительно длительного времени.
После тщательных исследований было установлено, что
лучше всего для этой цели подходит радиоактивный строн-
ций-90. Его период полураспада составляет 24 года,
бета-излучение— 0,61 Мэв— достаточно мощное, зато гамма-лучей
он не испускает.
Итак, мы имеем кусочек радиоактивного вещества,
испускающего электроны, но это еще не батареи. Для того чтобы
источник электроэнергии мог отдать свою энергию куда-то
вовне или, как говорят, на внешнюю нагрузку, должны
иметься два полюса, или электрода, между которыми
непрерывно создается разность потенциалов.
А какую же разность потенциалов можно получить на
кусочке стронция-90, если выбрасываемые ядрами его атомов
электроны летят во все стороны в самом хаотическом
беспорядке? Сколько электронов летит в какую-либо одну
сторону, столько же летит в противоположную. В результате при
огромном количестве выбрасываемых стронцием-90
электронов электрического напряжения от него получить
невозможно. Оказывается, наличия только одного источника
электронов еще недостаточно.
Надо, чтобы движение всей массы электронов —
вылетающих бета-частиц, несущих электрические заряды, — было
упорядочено и носило организованный характер, то есть
направлялось преимущественно в какую-нибудь одну определенную
сторону.
Это можно осуществить, если поток электронов пропу-
330

Устройство низковольтного электрического элемента, составленного
из пластинки стронция-90 и полупроводникового выпрямителя.
екать через такое устройство, в котором их движение в одном
направлении встречало бы ничтожно малое сопротивление,
а движению в противоположном направлении
препятствовало бы очень высокое сопротивление. Такие устройства носят
название выпрямителей, детекторов, вентилей или
электрических клапанов.
В науке и технике теперь весьма важную роль начинают
играть некоторые кристаллические вещества, так называемые
полупроводники, и изготовляемые из них устройства —
полупроводниковые приборы, выпрямители, усилители,
генераторы.
Кристаллы полупроводников обладают еще одним
замечательным свойством, которым не обладают другие
вещества. Электроны, выбрасываемые радиоактивным стронцием-90,
несут столь большую энергию (скорость), что, проходя через
кристаллы полупроводника, выбивают из внешних оболочек
его атомов большое количество электронов. Эти вторичные
электроны, в свою очередь, приобретают столь же большую
скорость и уже сами способны выбивать из атомов
полупроводника электроны третьего поколения. Те, в свою очередь,
способны выбить новые электроны, и т. д.
381

Происходит некоторое подобие цепной реакции —
лавинообразное нарастание количества выбитых из кремния или
германия электронов.
В результате к выпрямляющему устройству (месту
соприкосновения двух кристаллов с разным направлением
проводимости электронов) каждый электрон, первоначально
выброшенный радиоактивным стронцием-90, прибывает в
сопровождении свиты из сотен тысяч других электронов, попутно
выбитых им и его «собратьями» по путешествию. Если учесть,
что ничтожно малый кусочек стронция выбрасывает
миллионы электронов в секунду, то, сложенные вместе, электроны
многих поколений образуют ощутительный электрический ток,
текущий через выпрямляющее соединение («переход») только
в одном направлении. Получается небольшая электрическая
батарейка, развивающая напряжение около 0,5 в и
электрическую мощность порядка 1 микроватта (мквт).
Это, конечно, очень мало, но если учесть, что 1 м3
содержит 1 миллион кубических сантиметров и в этом объеме
можно упаковать великое множество таких батареек, то
можно было бы получить целую батарею, дающую при
напряжении 0,5 в электрический ток в сотни ампер непрерывно
в течение 24 лет.
А это уже не так плохо!
Конечно, со временем объем каждой такой элементарной
батарейки можно будет уменьшить в десятки, а может быть,
и в сотни раз, а силу тока увеличить за счет применения
веществ, излучающих большее количество электронов. Такая
батарея не будет бояться ни жары, ни холода, не будет
требовать почти никакого ухода. Как видите, мечта об атомной
батарее весьма увлекательна.
Примерно такую же батарейку можно сделать и
несколько иным путем. Внутри металлического корпуса, служащего
положительным электродом, располагают другой, хорошо
изолированный от первого электрод. Этот внутренний
электрод покрывают радиоактивным веществом, которое
непрерывно излучает альфа-частицы — положительно заряженные
ядра атомов гелия.
Теряя с каждой выброшенной альфа-частицей два
положительных электрических заряда, центральный электрод
заряжается все больше и больше отрицательно, внешний же
корпус батарейки — положительно. Если из пространства
между электродами хорошо откачать воздух, а сами
электроды идеально изолировать один от другого, то напряжение
между ними может достигнуть весьма большой величины —
сотен тысяч вольт. Правда, сила тока будет ничтожно
малой— всего сотые доли микроампера. Но батарейки можно
332

изоляция
(кварц или янтарь)
положительный
электрод

РАДИОАКТИВНОЕ
ВЕЩЕСТВО
Устройство высоковольтной атомной батареи.
соединять параллельно и получить таким образом
необходимую силу тока.
Неоценимым преимуществом атомных батарей является
то, что исходным сырьем для их изготовления будут
продукты деления (вредные отходы), получаемые в больших
количествах при работе ядерных реакторов.
Атомная батарея, использующая полупроводниковый вы-
333

прямитель, может работать и от гамма-лучей. Поток
электронов может быть создан в полупроводнике под действием
гамма-лучей, выбивающих электроны из атомов германия
или кремния.
Однако вследствие большой проникающей силы
гамма-лучей такую батарею придется укрывать за толстой бетонной
или свинцовой защитой. В ряде случаев атомные батареи
с гамма-источниками могут также найти применение,
особенно в стационарных условиях, где их вес не имеет особого
значения.

ТРИНАДЦАТАЯ
ЧТО ТАКОЕ ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ?
СТРАННАЯ ИГРА
Представьте себе, что вы находитесь на футбольном поле
и чем больше наблюдаете игру, тем больше недоумеваете.
Вместо того чтобы забивать мяч в ворота противника,
некоторые игроки старательно посылают его в свои собственные;
вратарь в самые опасные моменты, возникающие на
штрафной площадке, спокойно уходит и разговаривает с тренером;
за ошибки во время игры наказывается не виновная, а
пострадавшая сторона... Вы видите поле, ворота, мяч, знаете
силы, которые там действуют, но никак не поймете, что же
это за правила игры, какими законами она управляется.
И, возможно, что, просидев достаточно долго на такой
сумасшедшей игре, вам удастся в конце концов догадаться о ее
правилах.
Но вот вы попали на соседнее поле, где тоже играют в
футбол. Игра идет, как и положено, все правила
соблюдаются так, как их каждый знает, но только одна загвоздка—
вы не видите мяча. Игроки играют в какой-то невидимый
335

мяч, и, судя по их поведению, они даже видят этот мяч и
работают с ним.
Здесь законы игры как будто ясны и понятны, но главный
объект игры неизвестен — большой или маленький мяч,
легкий или тяжелый, да и мяч ли это вообще и т. д.
Похожую на эту картину встретили физики при своих
попытках понять, что же делается в ядре атома, какие силы
в нем господствуют и какие законы ими управляют.
Мы уже знаем, что электрические силы, притягивающие
отрицательно заряженные электроны к положительно
заряженному ядру атома, должны заставлять собранные в ядре
положительно заряженные частицы — протоны — разлетаться
с огромной силой в стороны.
Однако, вопреки всем известным нам законам физики,
протоны, находясь в пределах атома, вместо того чтобы
разлетаться, почему-то удерживаются все вместе, и столь
сильно, что необходимо приложить огромную энергию, чтобы их
разделить.
Что же это за силы?
Электрические? Если бы у половины протонов в ядре
атома положительные заряды переменить на отрицательные,
вследствие чего вместо отталкивания они стали бы
притягиваться один к другому, то эти электрические силы
притяжения оказались бы в десятки раз менее мощными, чем те силы,
которые фактически удерживают одинаково заряженные
протоны в ядре атома.
Следовательно, эти силы носят явно не электрический
характер. Кроме того, как бы могли электрические силы
удерживать в ядре и нейтроны, не имеющие никаких
электрических зарядов?
Может быть, силы тяготения? Но они оказываются еще
менее приемлемыми, так как силы тяготения между двумя
частицами ядра атома в 1037 раз слабее сил, удерживающих
их на самом деле.
Что же тогда это за таинственные, непонятные силы?
Когда ученые сначала занялись электронами, то силы,
участвовавшие в «игре», были им тогда уже точно известны.
Это были электрические силы притяжения и отталкивания.
Неизвестны были лишь законы, которые управляли действием
этих сил.
Чтобы объяснить все самые сложные стороны движения
электронов и взаимоотношения их с положительно
заряженными частицами, свойства атома в целом (его размеры;
химические свойства и поведение; свет, который излучает атом
при изменении уровня энергии электронов; движение
электрона в пределах атома и т. п.), физика в свое время вынуж-
336

дена была разработать совершенно новую теорию движения
частиц микромира — квантовую механику, объяснившую
наконец правила странной и непонятной игры в футбол, вроде
изображенной в начале этой главки.
Когда же идет речь о ядре атома, мы тоже можем
разобраться в управляющих законах, о них нам говорит та же
квантовая механика. Но вот что за силы участвуют в этой
внутриядерной «игре», мы не знаем.
ЧТО ПРИТЯГИВАЕТ ЭЛЕКТРОН К ПРОТОНУ
По закону Кулона, сформулированному еще в 1784 году,
сила, действующая между двумя электрическими зарядами,
зависит от величины зарядов и расстояния между ними: она
уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния
между ними.
Значительно позже, в результате работ Фарадея и
Максвелла, был установлен весьма важный для всей современной
физики факт: если каким-либо образом изменить расстояние
между двумя зарядами, например сдвинув один из них, то
подобное изменение электрической силы до другого заряда
дойдет не в тот же самый момент, а через некоторое время,
именно такое, какое требуется свету, чтобы пробежать
расстояние, разделяющее эти заряды.
Этот факт позволил связать между собой электрические
и световые явления, показав, что электромагнитное поле,
окружающее движущийся заряд, распространяется от него
со скоростью света.
В результате работ Планка и Эйнштейна было
установлено, что и электромагнитное поле, так же как вещество и
электрические заряды, имеет не сплошное, а прерывистое —
корпускулярное — строение. Минимальное количество
электромагнитной энергии, образующей это поле, стали называть
квантом или фотоном.
Квант излучения, или фотон, может существовать и
распространяться только со скоростью света — 300 тысяч
километров в секунду. С этой же скоростью передается и
воздействие одного электрического заряда на другой.
Современная физическая теория считает, что силами,
осуществляющими взаимодействие между электрическими
зарядами, являются непрерывно испускаемые и поглощаемые ими
фотоны.
Непрерывный обмен фотонами между двумя
заряженными телами и создает силы электрического притяжения или
отталкивания.
22 Энергия атома
337

Два электрически заряженных
тела взаимодействуют между
собой путем непрерывного обмена
фотонами, благодаря чему между
ними создаются силы
электрического притяжения или
отталкивания.
Новая теория ближе и точнее всех других соответствует
тому, что удалось получить физикам до сих пор при помощи
самых сложных и тонких экспериментов. На ее основе
с большой точностью рассчитано строение самого простого
атома вещества — водорода, состоящего всего из двух
частиц: одного протона и одного электрона.
Когда же мы переходим к выяснению вопроса, с какими
силами действуют одна на другую элементарные частицы, из
которых складывается ядро атома, и что это за силы, то здесь,
не имея ни привычных представлений, вынесенных со
школьной скамьи, ни «убедительных» и «очевидных» аналогий
(вроде заученных: «разноименно заряженные тела
притягиваются, а одноименно заряженные отталкиваются»),
представить природу этих особых внутриядерных сил становится
очень трудно.
Внутриядерные силы по своему действию и свойствам
намного сложнее электрических сил притяжения или
отталкивания или любых иных известных ученым сил.
Взаимодействие между двумя ядерными частицами,
очевидно, зависит не только от расстояния между ними, но и от
скорости их движения, равно как и от относительного
направления вращения этих частиц.
Вероятно, имеются силы, которые действуют между тремя,
четырьмя или большим количеством частиц одновременно.
Следует особо отметить тот удивительный факт, что эти
силы совершенно не зависят от электрических зарядов самих
частиц. Протон и протон, нейтрон и нейтрон, протон и
нейтрон — все они притягиваются один к другому примерно
с одинаковой силой.
Самой интересной особенностью внутриядерных сил
оказался их исключительно малый радиус действия. На
расстоянии, равном, например, 2,6 • 10~13сж, ядерные силы
притягивают два протона один к другому в 10 раз сильнее, чем
они взаимно отталкиваются под действием одинаковых
полозу

жительных электрических зарядов. Если же это расстояние
увеличить всего лишь в два раза, ядерные силы притяжения
становятся уже равными электрическим силам отталкивания.
Увеличение расстояния в 25 раз приводит к тому, что
электрические силы отталкивания превышают внутриядерные
силы притяжения в миллион раз.
С другой стороны, имеются основания предполагать, что на
еще более коротких расстояниях — меньше чем 0,5 • \0~13см—
притягивающее действие внутриядерных сил резко
обрывается, и они превращаются в еще более отталкивающие силы.
Внутриядерные силы имеют и другое важнейшее свойство:
взаимодействие между ядерными частицами также носит
характер некоего обмена.
И здесь мы встречаемся с фактом, указывающим, что
взаимодействие между нуклонами — нейтроном и протоном —
должно осуществляться при помощи каких-то материальных
частиц электромагнитного характера, напоминающих фотоны,
при посредстве которых осуществляется взаимодействие
между электрическими зарядами. Такую мысль впервые
высказал советский физик лауреат Нобелевской премии академик
И. Е. Тамм.
Что же это за частицы?
1.1
a*fr /V tV
Некоторые удивительные
особенности действия
внутриядерных сил между
нуклонами в зависимости от
расстояния.
^дшмичмм ■" -:::.:::::::::::
10 Лм

НА СЦЕНЕ ПОЯВЛЯЕТСЯ НОВАЯ ЧАСТИЦА - МЕЗОН
В 1933 году японский физик Хидеки Юкава, анализируя
накопившийся теоретический и опытный материал, высказал
ряд новых идей, касающихся природы ядерных сил. Согласно
его представлению, в ядре атома роль связывающего кванта
выполняет новая материальная частица, названная им мезо
ном. Он предсказал и свойства частиц, которыми должны
были бы обмениваться протон и нейтрон, чтобы привести
к появлению огромных сил, действующих на коротких
расстояниях и только в пределах ядра атома. Эти обменные
частицы должны сами сильно взаимодействовать с
протонами, нейтронами и ядрами независимо от их зарядов.
Исходя из общих принципов квантовой механики,
следует, что силы, действующие на далеких расстояниях,
подобные силам электрическим, могут переноситься частицами, не
имеющими массы покоя, то есть которые могут существовать,
только двигаясь со скоростью света. Такими частицами, как
мы знаем, являются фотоны. Вся масса фотона проявляется
и связана с тем, что он движется со скоростью света.
Силы же, действующие на близких расстояниях, исходя
из тех же законов квантовой механики, должны передаваться
частицами, которые даже в состоянии покоя имеют массу.
Эта масса должна быть тем больше, чем короче радиус
действия ядерных сил.
Для сил с радиусом действия около Ю-"13 см (два
диаметра ядра атома) масса таких частиц должна быть
примерно в 200 раз больше массы электрона.
Для того чтобы эти частицы могли осуществлять обменные
функции между нуклонами ядра атома, они должны быть
электрически заряженными. Когда протон и нейтрон
взаимодействуют между собой, протон излучает положительно
заряженный мезон, который и поглощается нейтроном. В этом
процессе протон теряет свой положительный заряд и
становится нейтроном, в то время как нейтрон приобретает
положительный заряд и превращается в протон.
Такой же результат, естественно, получается, если нейтрон
излучает отрицательный мезон, который поглощается
протоном.
Предположение о существовании и положительного и
отрицательного мезонов было высказано Юкавой в соответствии
с общими принципами современной физики, состоящими в том,
что для любой положительно заряженной частицы в природе
должна существовать и противоположная ей по заряду
отрицательная частица. Подробнее об этом мы расскажем
позднее.
340

Что происходит с мю-мезоном, попавшим в камепу Вильсона. След
медленного мю-мезона начинается в левом углу камеры и
постепенно становится все более и более «жирным», так как частица
постепенно замедляется вследствие соударений с атомами газа,
наполняющего камеру. Замедлившись до энергии, при которой его
внутреннее уравновешенное состояние нарушается, мю-мезон
взрывается, распадаясь в зависимости от своего первоначального
заряда на быстрый позитрон и на два нейтрино. Следы нейтрино
на снимке отсутствуют, так как, не имея заряда, они не
ионизируют газа.
Первые такие частицы, получившие название мю-мезонов
и были обнаружены в космическом излучении в 1936 году. Их
масса равнялась 207 массам электрона.
Однако вскоре выяснилось, что с этими частицами
происходит совсем не то, что ожидали. Мю-мезоны вели себя
безразлично к ядрам атомов и реагировали лишь на
электрические заряды протонов. С нейтронами они
взаимодействовали настолько слабо, что никак не могли являться
переносчиками внутриядерных сил. Помимо всего, они были крайне
неустойчивыми. Средний срок их жизни равнялся всего
2,2 миллионной доли секунды. В зависимости от заряда мю-
мезона при его распаде всегда возникает электрон или
позитрон. Подсчеты энергии, выделяющейся при распаде,
показывают, что при этом должны появляться по крайней мере
еще две частицы, не имеющие заряда, и с массой, во много
раз меньшей массы электрона (оббо*)- ^ти 4acTHU*bI — Уже
упоминавшиеся нами ранее нейтрино.
341

СЕМЬЯ МЕЗОНОВ
Мезоны, действительно ответственные за существование
обменных сил между ядерными частицами, были открыты
лишь в 1948 году Поуэллем, Оккиалини и Латтесом
(англичанин, итальянец и бразилец) и названы тяжелыми
пи-мезонами. Их масса в 273 раза превышает массу электрона.
Условия образования, существования и последующие
превращения пи-мезона имеют очень сложный характер.
Обнаруженный впервые также в космическом излучении, пи-мезон
в результате торможения в веществе останавливается спустя
2,5 . 10 ~~8 сек и распадается на две частицы — мю-мезон и
нейтрино.
Чтобы было понятнее, почему это происходит именно так,
напомним, что если частица, в данном случае пи-мезон, не
движется, то единственной энергией, которой она обладает,
является ее собственная энергия, взаимосвязанная с массой.
Исчезновение пи-мезона открывает доступ к его
собственной энергии. Часть ее идет на создание массы более легкого
Замедляясь в веществе, пи-мезон останавливается и распадается на
две частицы мю-мезон и нейтрино Далее мю-мезон, также
сталкиваясь с ядрами других атомов, замедляется и распадается уже на
электрон и два нейтрино

мю-мезона. Остальная часть превращается в энергию
движения, вследствие чего только что народившиеся мю-мезон и
нейтрино разлетаются с огромной скоростью (энергией).
Приобретенная ими кинетическая энергия в точности
эквивалентна этому остатку. Вот почему частица может
самопроизвольно распадаться только на более легкие частицы.
Дальше мю-мезон также распадается, образуя электрон
и два нейтрино. Попав в ядро атома, быстрый мю-мезон
способен его разрушить.
Тяжелые пи-мезоны, в отличие от других мезонов, очень
сильно взаимодействуют с ядрами атомов. Именно они
оказались обладателями тех самых свойств, которые еще в
1933 году были предсказаны Юкавой, то есть квантами
ядерного поля, подобно тому как фотоны являются
квантами электромагнитного поля.
Однако теория, предложенная Юкавой, все еще не
объясняла полностью некоторых особенностей и тонкостей
действия внутриядерных сил.
Для того чтобы все более или менее сходилось точно,
необходимо было существование еще и незаряженного
нейтрального пи-мезона, ответственного за взаимодействие
между протоном и протоном, а также между нейтроном и
нейтроном. Мысль о существовании такой частицы была
высказана английским физиком Кеммерошем. Протон,
естественно, не может поглотить положительный мезон, так как он
не может приобрести второй положительный заряд, то есть
любой заряженный мезон не в состоянии осуществлять
взаимодействие между протонами.
Существование нейтрального мезона, в частности,
объясняет независимость действия внутриядерных сил от зарядов
частиц, входящих в ядро атома.
Вскоре в космическом излучении были обнаружены и эти
недостающие для полноты картины нейтральные мезоны,
масса которых превышает массу электрона в 264 раза, но
которые не имеют электрического заряда.
Эти мезоны тоже живут очень недолго — меньше
2 . 10~16 сек— и распадаются на два фотона.
Таким образом, в образовании и существовании ядерных
сил участвуют три вида частиц, излучаемых и поглощаемых
протонами и нейтронами. Это тяжелые положительные и
отрицательные пи-мезоны, ответственные за обменные силы
между нейтронами и протонами, и тяжелые нейтральные пи-
мезоны, являющиеся носителями обменных сил, действующих
между одинаковыми ядерными частицами — двумя
протонами или двумя нейтронами.
Короче говоря, мезонная теория удовлетворительно объяс-
343

няет все особенности и тонкости действия внутриядерных сил,
которые до сих пор из-за их необычности, противоречия со
всем предыдущим опытом и привычками физиков все еще
трудно отчетливо себе представить. Похоже, что в мезоне
удалось наконец обнаружить тот невидимый мяч, которым
велась внутриядерная «игра», упомянутая в начале этого
раздела книги.
Вскоре в космических лучах, а позднее и при помощи
сверхмощных ускорителей частиц была открыта целая семья
еще более тяжелых мезонов, то есть частиц тяжелее
пи-мезона, но легче протона. Например, были обнаружены частицы,
по массе равные 966 массам электрона. Такому мезону было
присвоено название /(-мезон. На рисунке (стр. 345) показан
процесс появления и нескольких последовательных
преобразований этой уж совсем необычной частицы. Неведомая пока
еще космическая частица, скорее всего, протон, обладающая
огромной энергией — может быть, в несколько десятков или
сотен миллиардов электронвольт,— проходя огромную толщу
земной атмосферы, служащей как бы гигантской
предохранительной броней нашей планеты, а также и всего живого на
ней, вдребезги разбивает подвернувшееся ядро атома какого-
то вещества. В результате такой катастрофы появляется
осколок— сверхтяжелый мезон. Пролетев некоторое расстояние,
Схема, объясняющая тонкости
взаимодействия ядерных частиц
посредством непрерывного обмена
пи-мезонами (л) Взаимодействие между
протоном и протоном, нейтроном "и
нейтроном может осуществляться
лишь посредством нейтрального пи-
мезона Между протоном и нейтроном
и нейтроном и протоном — при
помощи положительных или
отрицательных пи-мезонов

На схеме показано появление
тяжелого К-мезона *и процесс его
дальнейших последовательных
преобразований. Черные следы в
звезде — это следы протонов.
Более тонкие — следы очень быстрых
протонов и пи-мезонов.
эта частица через 0,85- Ю-8 сек распадается уже на три пи-
мезона, которые, в свою очередь, спустя некоторое^ время
распадаются на мю-мезоны, а те — на электроны и нейтрино.
Так же, как у пи-мезонов, существуют и нейтральные
тяжелые /(-мезоны.
Не исключено, что мезонная теория внутриядерных сил
окажется короткоживущеи и ученым придется терпеливо
строить здание новой теории, объясняющей загадку № 1
современной физики —что такое внутриядерные силы?
СВЕРХТЯЖЕЛЫЕ ЧАСТИЦЫ — ГИПЕРОНЫ
В последние годы опять-таки сперва в космическом
излучении, а затем и в ускорителях были обнаружены частицы,
масса которых оказалась даже больше массы протона. Эти
неустойчивые, быстро распадающиеся частицы были названы
сверхпротонами или гиперонами. Они могут быть и
заряженными и нейтральными. Относительно изученным из них по
ряду причин оказался нейтральный гиперон. Его масса равна
2182 массам электрона, то есть примерно на 340 электронных
масс тяжелее протона. Появившись, он живет не больше
3 • 10 ~10 сек и на лету распадается на протон или нейтрон и
отрицательно заряженный пи-мезон.
Пока нет оснований считать их какой-то новой
разновидностью мезонов. Для этого они слишком тяжелы. Ведь трудно
предположить, что, взаимодействуя между собой, протон и
нейтрон обмениваются частицами, масса которых больше,
чем они сами.
После распада гиперонов всегда возникает либо протон,
либо нейтрон, что заставляет предположить, что гиперон
представляет собой протон или нейтрон, поглотивший
значительную дополнительную энергию и вследствие этого оказав-
345

шийся возбужденным. Поэтому он должен эту энергию тут же
выделить обратно и, естественно, распадается на протон или
нейтрон и мезон.
Такова картина, дающая только приблизительное
представление о характере сил, действующих в границах
ничтожно малого объема ядра атома, в непрерывном движении и
преобразованиях которых скрыта огромная энергия.
ЧТО МОЖЕТ БЫТЬ ОБЩЕГО МЕЖДУ КАПЛЕЙ ВОДЫ
И ЯДРОМ АТОМА?
Вы уже знаете, что ядра атомов тяжелых элементов
крайне неустойчивы и, поглотив нейтрон, приходят в сильно
возбужденное состояние, заканчивающееся в конце концов либо
«испарением» одной или нескольких лишних частиц или
делением ядра атома, например урана-235, надвое.
Как это более или менее обоснованное и понятное
объяснение увязать с наличием столь мощных сил, связывающих
и удерживающих вместе все нуклоны ядра, казалось бы вовсе
исключающих распад даже сильно возбужденного ядра?
К сожалению, пока что не существует исчерпывающего
объяснения сложнейшего механизма действия внутриядерных
сил. Есть лишь несколько гипотез и даже теорий,
помогающих в какой-то мере объяснить внутриядерные процессы и
производить хотя бы приблизительные необходимые расчеты.
Одной из таких теорий является капельная модель ядра
атома, предложенная в свое время датским физиком Ниль-
сом Бором и советским физиком Я. И. Френкелем.
Действительно, ядро по характеру протекающих в нем
процессов очень напоминает каплю жидкости.
Частицы-нуклоны (протоны и нейтроны), из которых сложено ядро,
представляются расположенными таким же образом и по тем же
законам, как молекулы в сферической капле жидкости,
например воды. Электрические заряды молекул довольно
энергично (и сильно) расталкивают их в стороны, вследствие чего
молекулы слабо связаны между собой, и капля в целом
стремится растечься — «распухнуть». В то же самое время
довольно сильное натяжение наружной молекулярной пленки
воды на поверхности капли стремится удержать, сжать
молекулы вместе, вследствие чего жидкость принимает
единственно возможную в данных условиях форму сферической
капли. Если мысленно разрезать такую каплю пополам, то
плотность вещества внутри ее будет везде одинаковой и
резко оборвется на границе с воздухом, то есть количество
молекул воды в любом объеме пропорционально этому объему.
346

Электрически заряженная сферическая
капля воды сохраняет свою форму в
результате сложного взаимодействия
между поверхностным натяжением воды,
силами молекулярного сцепления ее
частиц и распределенными в ней
электрическими зарядами. Нарушение этих
условий вызывает деление капли.
Сходным образом можно представить себе и
поведение ядра урана При попадании
в него нейтрона (а) ядро становится
неустойчивым (б), вытягивается в виде
гантели (в), а затем, разделившись
надвое (г), разлетается с огромной
энергией в стороны (д).
<с?у
Л- + +. -п
Как показали все
исследования, ядерные силы являются
силами близкодействующими.
В ядре взаимодействуют одна
с другой только частицы,
находящиеся рядом, то есть
почти так же, как и молекулы
в капле воды. Между более
удаленными частицами
ядерные силы не действуют.
Поэтому и требуется одно
и то же усилие, чтобы
зачерпнуть ложку воды из стакана
или из реки, так же как нужно
затратить примерно одну и ту
же энергию, чтобы отделить
ядерную частицу от ядра
железа или свинца.
Если привести
сферическую каплю жидкости в
состояние колебания, то она в
зависимости от энергии этих
колебаний проходит ряд состояний, далеких от ее
первоначальной формы. При малой энергии она превращается из
сферы в эллипсоид, а затем под действием поверхностного
натяжения наружной пленки превращается снова в сферу.
Если же размах колебаний велик, капля может принять
форму гантели, и теперь достаточно уже небольшого усилия,
чтобы она разорвалась на две деформированные части,
тотчас же приобретающие форму правильной сферы.
Возбужденное ядро атома тяжелого элемента в своем
колебательном движении проходит примерно тот же ряд со-
347

Так можно представить себе действующие на коротких расстояниях
силы сцепления между элементарными частицами — нуклонами,
составляющими ядро атома (Л), и силы электрического
отталкивания между положительно заряженными протонами (Б). Когда
расстояние между частицами увеличивается, действие сил сцепления
резко уменьшается. Это можно сравнить с тем, что происходит
когда стенки показанной на рисунке коробочки деформируются и
заключенные в ней фигурки начинают выскакивать в образовавшиеся
провалы.
стояний. В один из моментов, когда ядро приобретает форму
гантели, то есть одни из участков ядерной «капли» как бы
выдавливаются за границы действия ядерных сил, а сгустки
положительно заряженных частиц, также выдавленных на
концы гантели, оказываются в исключительно благоприятных
условиях, усиливающих их отталкивающее действие,
происходит разрыв перемычки, и ядро делится надвое.
Если в плоскую резиновую круглую коробочку налить
воды, а затем перехватить — сжать ее посередине, то вода
выплескивается из коробочки, вследствие того что объем
деформированной коробочки стал меньше круглой.
Если теперь читатель сумеет нарисованную выше в
наглядных геометрических образах картину перевести на куда
менее образную «игру» и взаимодействие энергетических
уровней частиц в ядре атома, то результат будет намного
точнее и ближе к тому, что происходит в сильно возбужденном
ядре атома в действительности.

ЗАГАДКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЧАСТИЦ
Свойства атомных и ядерных частиц раскрываются в
процессе их взаимодействия.
В повседневной жизни мы очень широко пользуемся
понятием «сила» — можно было бы насчитать несколько
десятков всевозможных сил, вплоть до «силы воли» и «силы
привычки». .. Однако подлинных, глубоко различающихся по
своей природе сил взаимодействия между физическими
телами не столь уже много.
Если не считать сил тяготения, которое играет
существенную роль только в присутствии очень больших масс, известны
лишь три вида взаимодействий: электромагнитные,
сильные и слабые. Эти термины, конечно, сугубо
условны.
Известно, что, несмотря на великое разнообразие
электромагнитных яэлений, все они определяются взаимодействием
электрических зарядов, которые одинаковы по величине для
всех элементарных частиц—будь то протон, электрон,
заряженный мезон или гиперон.
Сюда относятся все явления, связанные с излучением и
поглощением электромагнитных волн и света, все химические
и молекулярные явления, в которых участвуют
исключительно электронные оболочки атомов.
Главным действующим лицом, или «агентом»,
ответственным за самую возможность таких взаимодействий,
посредником, которым как бы обмениваются между собой
заряженные физические тела, является фотон — квант энергии
электромагнитного излучения. Об этом мы достаточно говорили
в предыдущих главах.
Термин «сильные взаимодействия» появился после 1932
года, когда раскрылась тайна внутренней структуры ядра
атома, состоящего из разного рода элементарных частиц —
заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Именно сильные
взаимодействия соединяют и удерживают нуклоны в ядре
атома и лежат в основе ядерных сил, которые, в отличие от
электромагнитных, характеризуются очень малым радиусом
действия, но зато очень большой интенсивностью. Они
резко обрываются на расстоянии около двух диаметров ядра
атома.
В основе их лежит, как мы уже разобрались, процесс
испускания и поглощения пи-мезонов, которыми
обмениваются взаимодействующие между собой нуклоны — протоны
и нейтроны.
Помимо этого, сильные взаимодействия проявляются еще
и при столкновении частиц, обладающих высокой энергией,
349

в процессе которых за счет части энергии этих частиц
появляются мезоны, гипероны и многие другие частицы.
Однако существуют еще соударения элементарных
частиц, обусловленные «слабыми взаимодействиями».
Они зачастую остаются незаметными в океане сильных и
даже электромагнитных соударений. Речь идет о
многочисленных самопроизвольных, тихих превращениях различных
элементарных частиц, которые в принципе ничего общего между
собой могли не иметь, таких, как, например, бета-распад
нуклонов (протона или нейтрона), распад мю-мезона и
пи-мезона, захват мю-мезона нуклоном и распады других частиц.
Процессы, вызванные слабыми взаимодействиями, часто
называют медленными, так как это время относительно
велико, хотя в ряде случаев оно может длиться всего
миллионные доли секунды. За это время, например, распадается мю-
мезон. В мире элементарных частиц такой промежуток
времени действительно весьма продолжителен, поскольку для
сильных взаимодействий характерны процессы, длящиеся
Ю-23 сек\
Процесс распада элементарных частиц вызывается не
электромагнитным, а особым взаимодействием, в котором
участвуют нейтрино и другие легкие частицы. Это
взаимодействие в миллиарды раз слабее электромагнитного, хотя
намного сильнее гравитационного. Физики называют его слабым.
Сила тяготения между двумя телами универсальна и
зависит только от расстояния между ними и от их масс, но не
зависит от того, из какого материала состоят тела, будь то
золото или железо. Электрическая сила притяжения или
отталкивания положительно и отрицательно заряженных частиц
зависит только от величины зарядов и расстояния частиц, но
не зависит от того, какие именно частицы являются
носителями зарядов.
Что же тогда лежит в основе слабых взаимодействий
элементарных частиц?
Прежде чем попытаться дать ответ на этот вопрос,
вернемся к одному очень важному обстоятельству, которое в
последние годы беспокоит физиков.
ПРОБЛЕМА СУЩЕСТВОВАНИЯ НЕЙТРИНО
Наиболее неуловимой частицей в физике является
нейтрино.
Мы, к сожалению, не имеем возможности изложить здесь
очень сложные и тонкие рассуждения и расчеты, приведшие
ученых к убеждению в безусловной реальности и настоятель-
350

ной необходимости существования пока еще очень
загадочной нейтральной частицы — нейтрино. Эта частица не несет
на себе никакого заряда и не имеет массы покоя. Она может
существовать только в движении со скоростью, очень близкой
к скорости света, так же как и фотон, обладающий квантом
Поведение частиц, появляющихся при распаде
нейтрона, вызвавшее в свое время подозрение ученых о
существовании еще одной и притом довольно странной по
свойствам частицы — нейтрино: а — если нейтрон
распадается только на протон и электрон, то закон
сохранения количества движения требует, чтобы* эти частицы
разлетались точно в противоположных направлениях;
б — фактически же они разлетаются под некоторым
углом; это доказывает, что потерянное количество
движения уносится еще одной частицей — нейтрино.
электромагнитной энергии. В этом смысле нейтрино является
самой волнообразной частицей.
К этому убеждению ученых привели следующие опыты.
При распаде нейтрона на протон и электрон, в соответствии
с законом сохранения количества движения, образующиеся
частицы должны были бы разлетаться точно в
противоположные направления. Фактически же они разлетаются под
некоторым углом. Это и навело ученых на мысль, что
потерянное количество движения, как и значительное количество
энергии, которой они в таких случаях всегда
недосчитывались, уносит еще одна частица с необычными свойствами.
351

Самое удивительное в этой частице — ее поистине
потрясающая проникающая способность. Если другие частицы от
соударения до соударения в любом веществе — например,
железе или меди — в лучшем случае проходят несколько
десятков сантиметров или даже метров, то электрически
нейтральное нейтрино, не имеющее массы покоя и
движущееся, видимо, со скоростью света, было бы способно
беспрепятственно пролететь, не вступая ни в какое
взаимодействие с частицами вещества, сквозь чугунную плиту
толщиной, в несколько миллиардов раз превышающей расстояние
от Земли до Солнца!
И неудивительно, что ученым потребовалось более 25 лет
упорного труда, чтобы убедиться в существовании этой
частицы. Только в 1956 году удалось впервые реально
зарегистрировать нейтрино.
Собственно говоря, «поймали» не само нейтрино, а
противоположную ему частицу — антинейтрино. И не столько
«поймали», сколько обнаружили редчайшее явление — след
его взаимодействия с другими частицами вещества.
Мы уже говорили, что у каждой элементарной частицы
существует двойник, свойства которого противоположны ее
свойствам, например электрический заряд. Труднее
представить себе, чем отличается нейтральная частица от своего
нейтрального же двойника, поскольку обе они не несут
никаких электрических зарядов и имеют одинаковые массы.
Различия их столь незначительны и проявляются в столь
тонких взаимодействиях, что их можно считать истинно
нейтральными. Однако опыты показали, что нейтрино и
антинейтрино все же разные частицы.
Более того, советские ученые сумели доказать, что должно
существовать не одно, а два нейтрино: одно — электронное,
а другое — мюонное (мю-мезонное), и соответственно им два
антинейтрино. Электронное нейтрино участвует во всех
взаимодействиях, в которых участвует электрон, а мюонное
участвует только в паре с мю-мезоном.
Спрашивается, какую конкретную роль вообще играет
нейтрино во всех физических явлениях, с которыми ученые
повседневно сталкиваются в своих стремлениях еще глубже
познать природу материи?
Не является ли оно некой «заплаткой», с помощью
которой физики-теоретики пытаются штопать прорехи в
сложнейших современных теориях, где все еще не сходятся концы
с концами?
Проникновение в тайны нейтрино исключительно важно
для построения теории слабых взаимодействий. Очень важно
оно и для изучения мира звезд и галактик. Например, энер-
352

гия потока нейтрино, излучаемая Солнцем, всего лишь в 10 раз
меньше полной энергии, испускаемой им в виде света. Когда
ученые научатся улавливать потоки нейтрино, испускаемых
звездами и галактиками, человечество получит еще один
источник информации, помимо света и радиоволн,
ограничивающих радиус наблюдаемой Вселенной «только»
несколькими миллиардами световых лет. Нейтринная астрономия
благодаря огромной проникающей силе нейтрино сразу
раздвинет эти рамки, даже трудно сказать насколько — в
десятки, сотни, а может, и тысячи раз!
Плотность нейтрино в космосе, вероятно, сравнима с
плотностью всей остальной материи, поэтому без нейтрино теперь
невозможно строить и науку о космосе — космогонию. Ведь
в жизни звезд неминуемы периоды, когда их нейтринное
излучение по мощности даже превышает обычную светимость.
И вот лишь совсем недавно получены достаточно веские
доказательства его существования. В подземной нейтринной
лаборатории, размещенной в старой шахте вблизи города
Иоганнесбурга, в Южной Африке, на глубине более 3 км,
впервые удалось зарегистрировать семь нейтрино, возникших
при взаимодействии первичных космических лучей с атомами
атмосферы Земли.

Г Л А
■'''■■'&
1 / /',--NZ\ »
1 • • .'i'":*r*4L
1 \ * .'1^'.Т>^
1 • * * ~*i * 1 »
1 ' \ Ч-"-'' * *
1 *«.** --"''У
Lmmmmmm
Б
(
А
S
ЧЕТЫРНАДЦАТАЯ
НОВОЕ О СТРОЕНИИ ЯДРА АТОМА
ЧТО ТАКОЕ „МОДЕЛЬ" ЯДРА?
Обстрел атома альфа-частицами, произведенный в свое
время Резерфордом, позволил установить, что, по сути дела
атом является пустым, так как почти все его вещество
сосредоточено в ядре, занимающем ничтожно малый объем
в центре атома.
И тем не менее обстрел «пустого» атома позволил Резер-
форду нащупать в его бескрайных просторах ядро и в первом
приближении определить относительные размеры атома и его
ядра.
С тех пор направление научных экспериментов пошло
главным образом по пути бомбардировки атома и его ядра
с целью отколоть от них какую-либо частицу или же при
особой удаче — разрушить его целиком.
Совершенствование средств «атомной артиллерии», а
также тот факт, что атомы и их ядра довольно ловко отражают
большинство летящих на них частиц, отбрасывая их в
разные стороны, заставили ученых все чаще и чаще возвращать-
354

ся к первоначальному опыту Резерфорда, но на этот раз уже
не с желанием разрушить атом, а, так сказать, прощупать,
промерить, проникнуть, если предоставится возможность,
в глубину атомного ядра — дальше, чем это было сделано
более ранними исследователями. В этой связи пришлось
изменить и некоторые прежние представления о характере
строения ядра атома и составляющих его частиц.
Благодаря тому что все наше знакомство с атомом, а
особенно с его ядром основано на косвенных методах
исследования, всякого рода термины: «строение» ядра атома, его
«изображение», «заглянуть» внутрь атома и прочие
аналогичные выражения — носят условный, далекий от своего прямого
смысла характер. Ядро атома остается абсолютно и
безнадежно невидимым.
Поэтому, чтобы не создавать неправильного, научно
неверного представления, физики чаще всего, имея в виду
строение атома или его ядра, говорят: «модель» атома или ядра.
Такое слово более точно отражает фактические знания и
представления о таинственном, невидимом теле, изучение
которого стало смыслом жизни и объектом стремлений многих
поколений физиков. Тщательно анализируя результаты
различных опытов, физики уже могут строить ту или иную
теорию, ту или иную модель строения ядра атома.
До недавнего времени моделью строения ядра атома
служила капля жидкости — капельная модель. О ней мы
достаточно подробно говорили в главе тринадцатой.
Согласно капельной модели строения ядра, плотность
ядерного вещества принималась как величина постоянная и
что каждое ядро имеет отчетливо выраженную пограничную
поверхность. Чем больше капля жидкости, тем больше
содержится в ней молекул. И аналогично — чем больше размер
ядра, тем больше в нем умещается нуклонов.
Отсюда можно вывести достаточно простой закон,
определяющий относительные размеры ядер атомов различных
элементов: их объемы прямо пропорциональны числу
заключенных в них нуклонов.
А поскольку и капля и ядро имеют форму сферы, то объем
их пропорционален кубу радиуса. Следовательно, радиусы
различных атомных ядер будут изменяться пропорционально
кубическим корням из числа нуклонов в ядре.
Например, если в большом ядре атома число нуклонов
в восемь раз превышает количество нуклонов в маленьком
ядре, то радиус большого ядра должен быть вдвое больше
радиуса маленького.
По этой причине в физике размеры атомных частиц чаще
всего определяют по их радиусу, а не по их диаметру.
23*
355

и1 П16
H ) ЯДРО АТОМА ВОДОРОДА U 8 ЯДРО АТОМА КИСЛОРОДА
Ю"13ом \— 4-10"13см—1
т
1 протон
Плотность положительного
заряда 100%
U 235
92 ЯДРО АТОМА УРАНА
Плотность положительного
заряда 50 °/о
92 протона
143 нейтрона
Плотность положительного '
заряда 39 °/о
Плотность электрического заряда ядра атома зависит от атомного
веса элемента, так как в объем ядра, помимо заряженных частиц
(протонов), входят во все возрастающем количестве незаряженные
нейтроны
Исходя из тех же соображений удобства для сравнения
и пересчетов, радиус ядра, если его измерять в так
называемых ядерных единицах, или фермы (1 ядерная единица =
10~13 см) у равняется
1,45)/" число нуклонов в ядре,
то есть кубическому корню из числа нуклонов в ядре,
умноженному на постоянный коэффициент, равный 1,45
По этой формуле, например, радиус ядра атома золота,
содержащего 197 нуклонов, будет равняться
356

3
1,45~|/197 = 8,45 фермы, или ядерных единиц,
или 8,4510 10-13 см.
Ядро атома, как известно, заряжено положительно.
Нейтроны, не имеющие заряда, естественно, общего заряда ядра
не увеличивают, но зато увеличивают его массу.
Сравнивая ядро со сферической каплей жидкости,
приходится предположить, что электрический заряд в ядре также
равномерно распределен по всему его объему.
Но здесь уже начинаются неувязки.
Оказывается, плотность электрического заряда,
сосредоточенного в данном объеме ядра, не может быть одинаковой
для атомов различных элементов, так как она зависит от
отношения числа протонов к общему количеству нуклонов
в ядре.
Выходит, что в ядре водорода, которое состоит всего из
одного протона и не имеет ни одного нейтрона, плотность
электрического заряда будет самой высокой. В ядре же, где
и протонов и нейтронов оказывается поровну, плотность
заряда становится равной уже половине плотности ядра
водорода. И, наконец, в самых тяжелых ядрах, где число протонов
составляет только 39% от общего числа нуклонов, плотность
заряда оказывается самой низкой.
Такое постепенное уменьшение плотности заряда как-то
не вяжется с дискретностью (прерывистостью,
скачкообразностью) строения вещества и его свойств в микромире.
И хотя капельная модель ядра в целом ряде случаев
весьма удобна для объяснения многих важных свойств ядра
и правильно отражает некоторые закономерности его
строения, указанное выше изменение плотности заряда, видимо,
не соответствует истинному положению вещей, а
следовательно, ядро атома не может быть в точности похоже на каплю
жидкости.
Сомнительно, например, чтобы поверхность ядра была
столь же резко обозначена, как у капли жидкости, то есть
чтобы от максимальной плотности, равномерно
распределенной по всему объему сферы, она сразу спадала до нуля у ее
границы.
Современная квантовая теория показывает, что вблизи
поверхности слоя, или оболочки, плотность вещества ядра
атома должна плавно уменьшаться от некоторой постоянной
величины до нуля.
В результате таких противоречий за последние годы было
выдвинуто несколько новых теорий и моделей строения ядра
атома. Например, по одной из них, ядро представляется
357

МОДЕЛИ ЯДЕР
Расстояние
от центра ядра
OS
о;
го
Расстояние
от центра ядра
аз [
О
в
Расстояние
от центра ядра
- Расстояние
от центра ядра
с Расстояние
от центра ядра
Расстояние
от центра ядра
Ж
*- Расстояние
от центра ядра
се
гот
X
Расстояние
от центра ядра
Устройство ядра атома можно представить себе в виде различного
рода моделей, изображенных на рисунке. Кривая сбоку каждой
модели показывает, как изменяется плотность заряда ядра по мере
увеличения расстояния от центра. Чертеж А представляет собой
капельную модель ядра с постоянной плотностью заряда по всему
объему и резко очерченной граничной поверхностью; Б — точечную
модель; В — ядро в виде оболочки. Модели Г, Д, Е представляют
собой ядро, оболочка которого изменяется по разным законам. Модели
Ж и 3 дают наибольшее согласование с экспериментальными данными,
358

в виде сферы с очень расплывчатыми очертаниями, в которой
плотность вещества равномерно уменьшается от центра к
поверхности. По другой теории, масса и заряд сосредоточены
в виде концентрических оболочек. Существуют и другие
модели, отличающиеся одна от другой именно порядком
распределения плотности и заряда вещества по сечению атома.
КОГДА ЛЕГКИЙ СНАРЯД ЛУЧШЕ ТЯЖЕЛОГО?
Возвращаясь снова к первым опытам Резерфорда,
позволившим по рассеянию альфа-частиц обнаружить
существование совсем крошечного ядра в относительно больших
просторах атома, ученые вспомнили и то обстоятельство, что,
чем быстрее движется частица, тем короче оказывается и
соответствующая ей длина волны. А из всех частиц быстрее
всего можно разогнать опять-таки электроны — до скорости,
близкой к скорости света.
Однако только с появлением мощных ускорителей частиц
предоставилась возможность приступить серьезно к опытам
по определению размеров ядра атома и составляющих его
частиц по тому, как они рассеивают быстро летящие
электроны.
Электроны по своим размерам самые подходящие для
этого частицы. Но дело, к сожалению, не только в величине
частицы.
Поясним это примером.
Если используемые электроны обладают энергией всего
в несколько десятков тысяч электронвольт, то
соответствующая такой энергии длина волны будет порядка 10 ~8 см, или
равняться, как мы условились измерять выше, 100 тысячам
ядерных единиц, что соизмеримо лишь с диаметром
электронной оболочки атома. Следовательно, пучок электронов,
обладающих одновременно и свойствами частиц и свойствами
волны, не будет при такой длине волны в состоянии
проникнуть внутрь атома. Так и в оптическом микроскопе
невозможно наблюдать частицы, размер которых меньше длины
волны освещающего эту частицу света.
Длина волны электрона, движущегося с энергией около
15 Мэв, оказывается в сотни раз короче, и она уже способна
проникнуть внутрь электронной оболочки атома и нащупать
там ядро, но все еще не способна определить частицы, из
которых оно сложено.
В 1951 году был построен мощный ускоритель,
позволяющий получать поток электронов, ускоренных до энергии,
равной 600 Мэв. Длина волны у электронов с такой энергией
359

Длина волны электрона, движущегося со скоростью,
соответствующей энергии в несколько десятков тысяч электронвольт,
сопоставима лишь с диаметром электронной оболочки атома.
При энергии около 15 миллионов электронвольт длина волны
электрона позволяет ему проникать уже внутрь атома. При
энергии, равной миллиарду электронвольт, длина волны
электрона позволяет ему уже нащупывать каждую ядерную
частицу.
равна всего нескольким ядерным единицам. Эти волны
оказываются уже достаточно короткими, для того чтобы
различать частицы, из которых сложены ядра атомов.
В качестве «ядерного зонда» электрон имеет и еще одно
преимущество. Он не является нуклоном, и вследствие этого
загадочные внутриядерные силы на него не действуют.
Попадая в сферу действия протонов или нейтронов ядра,
электрон подвергается действию только электрических или
магнитных сил, которые в современной физике достаточно
хорошо изучены и подаются точным измерениям и расчетам.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЭЛЕКТРОННОГО ЛИВНЯ
Когда движущаяся с большой скоростью заряженная
частица, в данном случае электрон, пролетает через
электрическое силовое поле, создаваемое атомным ядром, она,
естественно, отклоняется от своего первоначального направления.
360

Но в тех случаях, когда электрон попадает — как бы
врезывается—в ядро атома, все происходящее более удобно
рассматривать, исходя из волновых свойств электрона, то
есть учитывая его дифракцию, а не отклонения.
Сам процесс отражения, или, что правильнее, рассеяния,
в значительной степени будет зависеть от того, что
представляет собой обстреливаемое ядро.
Ядро
6
©_H-*S-
Путь электрона
Ядро
180е
&
Ъ
Путь электрона
Каким образом движущийся с большой скоростью электрон
взаимодействует с положительно заряженным ядром атома:
Л — электрон пролетает силовое поле расплывчатого ядра
атома на его периферии, вследствие этого путь электрона
изгибается; Б — электрон пролетает в непосредственной
близости от точечного ядра атома, вследствие чего он может
даже повернуть обратно; В — при прямом попадании очень
быстрого электрона в расплывчатое ядро атома электрон
пронизывает его насквозь, не отклоняясь в сторону
В том случае, когда это очень маленькая плотная
материальная точка или шарик, то чем ближе к его центру
пролетает бомбардирующий электрон, тем на больший угол он
отклонится от своей первоначальной линии полета. Те из
электронов, которые будут пролетать очень уж близко от
ядра атома, могут быть притянуты к нему столь сильно, что,
361

сделав полный оборот вокруг ядра, они могут полететь
обратно, то есть угол их рассеяния окажется равным 180°.
Теперь предположим, что ядро атома имеет некоторую
расплывчатую структуру. Поведение и рассеяние электронов
примут иной характер. Электрон, с большой скоростью
влетающий в самый центр такого ядра, окажется со всех сторон
окруженным положительным зарядом одинаковой величины.
Следовательно, ему «некуда» будет сворачивать, так как
притягивающее действие положительного заряда будет исходить
со всех сторон. Электрон пролетит сквозь такое ядро, не
изменяя своего первоначального направления.
Отсюда перед исследователем сначала стоит относительно
простая задача. Если ядро атома является небольшим, но
очень плотным телом — «точкой», то при бомбардировке его
быстрыми электронами следует ожидать, что огромное число
их будет рассеиваться под большими углами — до 180°. Если
же ядро атома имеет расплывчатую структуру, то количество
таких отражений будет относительно небольшим.
Общая картина рассеяния электронов расплывчатым
ядром будет иметь закономерность, сходную с дифракцией
света при прохождении его сквозь маленькое отверстие или
узкую щель. Вы ведь помните, что движущиеся с большой
скоростью частицы проявляют одновременно и свойства
частиц и свойства волн. На экране, куда свет падает после того,
как он прошел очень маленькое отверстие, видно яркое
светлое пятно, окруженное темными и светлыми кольцами.
Последние по мере удаления от центра становятся все слабее
и слабее. Примерно так же будут рассеиваться и электроны,
в зависимости от угла отклонения их от первоначального
направления.
Расстояние, измеренное между светлыми кольцами,
позволяет довольно точно вычислить диаметр отверстия, через
которое прошел луч света. Расстояние между такими же
максимумами рассеянных электронов при их дифракции от ядра
атома дают возможность судить о размерах этого ядра.
АТОМНАЯ МАЛОКАЛИБЕРНАЯ „АРТИЛЛЕРИЯ"
Линейный ускоритель электронов Стенфордского
университета, который был использован для этих исследований,
ускоряет электроны до энергии в миллиард электронвольт, но
не непрерывным потоком, а сгустками примерно по 60 залпов
в секунду. Каждый залп длится миллионную долю секунды
и содержит около 10 миллиардов (1010) электронов. При
помощи мощного магнита этот поток изгибается таким
образа

зом, чтобы в узкую щель попал очень тонкий пучок
электронов, обладающих одинаковой энергией. Электроны,
обладающие большей или меньшей энергией, не будут проходить
через щель. Пройдя щель, пучок электронов направляется на
обстреливаемую мишень, например очень тонкую золотую
фольгу.
На первый взгляд может показаться, что для определения
картины рассеяния электронов на нуклонах нужно лишь
поместить вокруг фольги устройства для улавливания
электронов и подсчета количества их, отраженных под разными
углами. В этом случае вся установка выглядела бы значительно
проще, чем она получилась на самом деле, и, в частности,
не нужен был бы еще один огромный подковообразный магнит
весом 45 г, который, изгибая поток уже отраженных от
мишени электронов, тем самым довольно точно сортирует их
по энергиям.
Последнее обстоятельство, однако, весьма важно, а
следовательно, и необходимо. Простого подсчета отклоняемых под
теми или иными углами электронов оказывается совершенно
недостаточно.
Дело в том, что не все частицы, направленные на ядро
атома, взаимодействуют с ним, а поэтому угол отклонения
частиц после их встречи с ядром не всегда дает истинную
картину его строения. Все зависит от уровня энергии каждой
из обстреливающих ядро частиц. При некоторых
столкновениях электрон и ядро могут вести себя подобно двум
бильярдным шарам, отталкивающимся один от другого, или, что
вернее, подобно легкому целлулоидному мячу для игры
в пинг-понг после его встречи с пушечным ядром. В этом
случае общая энергия движения (кинетическая энергия)
сталкивающихся частиц остается без изменения. Это и есть то,
что мы называем упругим соударением.
Большая частица — ядро атома, будучи во много тысяч
раз тяжелее электрона, при таком столкновении отклонится
в сторону на совершенно незначительную величину, электрон
же резко изменит свое направление, однако сохранив почти
ту же самую энергию, которой обладал до столкновения
с ядром атома.
Столкновение может произойти и таким образом, что
электрон потеряет заметную часть своей энергии, которая пойдет
на дополнительное возбуждение ядра атома, то есть на
повышение уровня его внутренней энергии. Выразится это
в том, что нуклоны ядра станут двигаться в нем энергичнее,
быстрее. Но это будет уже неупругое соударение.
Смешать вместе такие электроны — значит заранее
получить неверные, искаженные результаты. Вполне очевидно, что
363

для получения истинной картины нужно исследовать ядро
атома в его обычном, невозбужденном состоянии.
Для этого и приходится отбирать только те электроны,
которые в результате упругих столкновений полностью
сохранили свою энергию.
Установка имеет приспособление, считающее электроны,
попадающие в мишень, так как только по одному количеству
отраженных под тем или иным углом электронов, не зная
общего числа попадающих в мишень электронов, судить
о чем-либо, естественно, невозможно.
Несмотря на исключительно важные результаты,
полученные с помощью линейного ускорителя электронов до энергии
в миллиард электронвольт, позволившего «прощупать»
строение ядра атома и даже «пощупать» нуклон, этой энергии
оказалось все же маловато. Чтобы разобраться в строении
нуклонов, длина волны электрона, согласно формуле де
Бройля, при этой энергии оказывается все же недостаточно
короткой. А ведь после нуклонов есть необходимость
разобраться в строении мезонов и других более мелких частиц,
не исключая и самой важной и все еще остающейся загадкой
частицы — самого электрона.
Исходя из этих, а также многих других соображений,
в 1963 году в Физико-техническом институте, вблизи
Харькова, был пущен в работу линейный ускоритель электронов
на энергию 2 миллиарда электронвольт с конкретным
назначением— изучение структуры протона и нейтрона.
«Ствол» этой мирной пушки — медный волновод, в
котором происходит ускорение электронов, имеет в длину 240 м
и состоит из 50 секций, в каждой из которых сгусток
электронов, впрыскиваемый 50 раз в секунду, последовательно
подстегивается электромагнитными импульсами мощностью
20 тысяч киловатт, пока он не приобретет в конце трубы
энергию 2 миллиарда электронвольт!
Почему все-таки для ускорения электронов и в США и
СССР применили линейные, а не иные ускорители?
Дело в том, что, двигаясь не линейно, а по спиральной
орбите, заряженная частица при достижении определенной
энергии излучает электромагнитные волны. При этом потери
энергии на излучение обратно пропорциональны квадрату
массы частицы. Получается, что более легкий электрон,
двигаясь на орбите одного и того же радиуса, потеряет в 4
миллиона раз больше энергии, чем более массивный протон.
И обойти этот незыблемый закон природы можно, лишь
увеличивая радиус орбиты электрона, то есть спрямляя его путь
до идеала — прямой линии.

НОВЫЕ ОТКРЫТИЯ, НОВЫЕ МОДЕЛИ
В результате длительных опытов и последующего
сложного математического анализа стало ясно, что прежние
модели ядер атомов нуждаются в серьезных исправлениях и
изменениях, а вернее, должны быть построены новые модели
ядер. Естественно, что эти новые модели, возможно, еще не
точны, в ряде деталей и просто неверны, но они лучше, чем
прежние, отражают истинное строение ядра атома.
Согласно одной из таких моделей, например, ядро атома
золота имеет плотную сердцевину, которая простирается от
центра на четыре ядерные единицы, а затем быстро
разрежается и сходит на нет на расстоянии около девяти
ядерных единиц.
Создание этой новой модели ядра атома, не имеющего
Выводы, полученные из
обстрела ядер атомов
сверхбыстрыми электронами: А—
ядро атома золота имеет
плотную сердцевину,
простирающуюся из центра
ядра на 4,0 ядерные
единицы, которая затем
быстро разрежается и сходит
на нет на расстоянии около
9,0 ядерных единиц; Б —
у ядер атомов, атомный
номер которых больше 40,
толщина переходной оболочки
оказалась удивительно
постоянной и равна 2,4
ядерной единицы, независимо от
диаметра сердечника ядра.
Сердечник у ядер атомов с
атомным номером меньше
40 отсутствует, и плотность
ядра постепенно
уменьшается от центра к периферии.
9876543211123456789 ядерных
единиц
(КГ13СМ)
ядерной единицы

резко очерченных границ, привело к тому, что стало трудно
определять, где же оно кончается или начинается, что считать
границей ядра и т. д.
Если мы примем толщину переходной оболочки ядра
атома золота как расстояние от точки, где плотность заряда
ядра равна 90% от максимальной плотности, до точки, где
эта плотность падает до 10%, то получится, что толщина
такой условной переходной оболочки будет довольно близкой
к 2,4 ядерной единицы. Определяя средний размер ядра как
расстояние от его центра до точки, где плотность ядра
равняется 50% от максимальной, получаем, что это среднее
расстояние равно приблизительно 6,3 ядерной единицы.
Для ядер, атомный номер которых больше 40,
обнаруживается любопытная закономерность. Для всех них без
исключения толщина переходной оболочки оказывается
удивительно постоянной и равна тем же самым 2,4 ядерной единицы.
Размеры плотной сердцевины ядра в зависимости от числа
нуклонов, естественно, изменяются, но расплывчатая
наружная оболочка имеет одну и ту же толщину.
Опыты с ядрами, атомный номер которых был меньше 40,
показали, что внутренняя сердцевина у них отсутствует и
плотность ядра уменьшается от центра к периферии.
Все эти новые модели и показаны на стр 365.
МОЖНО ЛИ УВИДЕТЬ АТОМ?
В некоторых местах этой книги мы упоминали о том, что
мир микрочастиц столь мал, что вряд ли когда в будущем
или, по крайней мере, очень скоро человеку удастся увидеть
непосредственно атом и частицы, из которых складывается
его ядро, вместо косвенных признаков их существования
(следы в камере Вильсона, в искровых и пузырьковых
камерах, звезды и следы в толстослойных фотографических
пластинках и т. п.). В отношении атома это утверждение
становится уже неверным.
Успехи, достигнутые в области электроники и
электронной оптики за последние годы, привели к созданию целого
ряда приборов — электронных микроскопов, позволяющих
получать снимки с увеличением до 400—500 тысяч крат. На них
впервые удалось разглядеть вирусы, размеры которых в
несколько сот раз меньше бактерий, наблюдаемых в обычные
оптические микроскопы.
Удалось увидеть даже отдельные молекулы-гиганты,
характерные для вещества некоторых пластмасс и резины.
Однако даже самые лучшие электронные микроскопы не
366

позволяют видеть детали меньше 10 ангстрем (ангстрем
равен 10~8 см).
Некоторое время назад профессору физики
Пенсильванского университета (США) доктору Эрвину Мюллеру впервые
удалось сфотографировать отдельные атомы при помощи
нового, так называемого ионного эмиссионного микроскопа,
дающего увеличение до 5 миллионов и более раз, то есть
в 20—40 раз больше, чем электронный микроскоп.
Мы не имеем возможности даже бегло изложить здесь
основы электронной оптики. Скажем лишь, что предел
увеличения обычного оптического микроскопа (1500—2000 крат)
невозможно преодолеть вследствие того, что световые волны
перестают отражаться от лежащего у них на пути предмета,
если его диаметр меньше длины этих волн. В таком случае
свет просто огибает препятствие. Явление это в оптике
известно как дифракция света. Бороться с ним можно, только
применяя свет с более короткой длиной волны, например
освещая рассматриваемый предмет невидимыми для человека
ультрафиолетовыми лучами и снимая полученное
изображение на чувствительные к этим лучам фотографические
пластинки.
Более же короткие, чем лучи света, электромагнитные
колебания — рентгеновы лучи — использовать в микроскопе
невозможно. Длина волны их столь коротка, что не
существует вещества или практических способов для их
преломления и фокусирования, то есть для создания соответствующих
линз.
Эти затруднения и привели к созданию электронного
микроскопа. Даже разогнанный до больших скоростей пучок
электронов можно относительно легко изгибать, собирать и
рассеивать при помощи электрических или магнитных линз.
Однако из физики известно, что летящая с большой
скоростью частица — в данном случае электрон — одновременно
обладает и волновыми свойствами. Длина такой присущей
частице волны тем короче, чем быстрее движется частица
или чем больше ее масса.
К сожалению, сконструировать электронный микроскоп на
рабочее напряжение выше 100 тысяч вольт очень сложно и
трудно, масса же электрона чрезвычайно мала. Все это,
вместе взятое, хотя и позволяет значительно отодвинуть момент
наступления вредной дифракции (по сравнению с оптическим
микроскопом), но все же получаемое изображение
увеличивается «всего» в 5—10 тысяч раз. Еще в 10—20 раз его
можно увеличить чисто фотографическим путем. В итоге и
получается 400—500-тысячекратное увеличение.
Недостатки электронного микроскопа и натолкнули уче-
367

Ионный эмиссионный
микроскоп
профессора Э Мюллера,
позволяющий наблюдать
отдельные атомы.
ных на идею вместо слишком легкого электрона
использовать более тяжелый протон или положительно заряженный
ион тяжелого водорода и даже гелия.
Разогнанный до большой скорости, такой ион,
обладающий в несколько тысяч раз большей массой, а следовательно,
и энергией, проявляет более благоприятные волновые
свойства: длина его волны оказывается во много раз короче, чем
у электрона, что достаточно далеко отодвигает границу
появления дифракции и позволяет ему отражаться от частиц,
уже сопоставимых с размерами атома.
Разработанный профессором Э. Мюллером прибор
состоит из колбы с двойными или тройными стенками, между
которыми налит жидкий азот или водород. Внешне колба
напоминает телевизионную трубку. Ее дно покрыто светящимся
составом, а в центре установлен электрод, оканчивающийся
тончайшей иглой из вольфрама, направленной острием вниз,
в сторону экрана. Между иглой и экраном приложено
высокое электрическое напряжение — порядка 30 тысяч вольт,
которое благодаря малому радиусу острия иглы (до 1000
ангстрем) создает на ее поверхности напряжение, уже равное
500 миллионам вольт на квадратный сантиметр.
Внутрь колбы после откачки из нее воздуха вводится
небольшое количество газа — гелия.
Как же работает такой микроскоп?
Когда атом газообразного гелия оказывается очень близ-
368

ко от поверхности острия иглы (как бы касается ее),
огромное положительное напряжение последней вырывает из
«неосторожного» атома электрон.
Образовавшийся в данной точке поверхности острия
положительный ион гелия, притягиваемый отрицательным
зарядом экрана и подстегиваемый столь же сильно
отталкивающим положительным зарядом иглы, мгновенно
разгоняется до огромной скорости и, ударяясь об экран, вызывает
его яркое свечение.
Вольфрам имеет кристаллическое, ступенчатое строение,
и самое сильное электрическое поле создается около каждого
выступа такой ступеньки. Именно в этих точках и происходит
одновременное «раздевание» сотен тысяч атомов гелия,
которые затем расходящимся пучком уносятся к экрану, образуя
на нем картину, в точности воспроизводящую ступенчатую
структуру поверхности кончика иглы, увеличенную притом
еще в 2 миллиона раз — на величину разности между
площадью поверхности кончика иглы и площадью экрана.
Каждая светлая точка на получаемой фотографии и будет
соответствовать местоположению атома в кристаллической
решетке вольфрама.
Необходимость охлаждать кончик иглы жидким
водородом вызывается довольно тонким обстоятельством. Дело в том,
что не все атомы гелия, попав на очень близкое расстояние
к кончику иглы, ионизируются. Многие из них при обычных
температурах обладают столь высокими скоростями
движения, что отскакивают от кончика острия в самых различных
направлениях. И если, отскочив от поверхности кристалла,
они все же затем ионизируются, то их полет к экрану и
последующее свечение последнего уже не будут
соответствовать картине того участка поверхности острия иглы, около
которого они должны были ионизироваться. Значит, общая
картина расположения атомов в кристалле будет сильно
искажена.
Когда же поверхность острия охлаждается до
температуры жидкого водорода (—252°), энергия движения атомов
гелия вблизи острия резко уменьшается, и, теряя свою
кинетическую энергию, они как бы прилипают к атомам вещества
иглы, а отскочив от них, не попадают слишком скоро в зону,
где они могут быть ионизированы.
На приведенном на стр. 368 рисунке показано
изображение слоя атомов вольфрама, расположенных на самом
кончике иглы.
Каждая светлая точка представляет собой атом
вольфрама диаметром несколько больше одной стомиллионной доли
сантиметра.
^4 Энергия атома

КАК ЗАГЛЯНУЛИ ВНУТРЬ ПРОТОНА
Успех в «прощупывании» ядер атомов окрылил ученых.
Им захотелось выяснить хотя бы приблизительно, что
представляет собой такое ядро атома, которое одновременно
является и элементарной частицей, то есть протон. С этой целью
электронному обстрелу были подвергнуты ядра атомов
газообразного водорода.
Протон оказался похожим на планету Сатурн. Часть времени
своего существования он окружен как бы кольцом —
появляющимся и исчезающим мезонным облаком.
Было обнаружено, что и протон является неким
протяженным телом, плотность заряда которого падает от максимума
до нуля на расстоянии 1,4 ядерной единицы от центра.
Однако, по современным данным, протон представляет
собой «голый» нуклон, периодически испускающий из себя
облачко пи-мезона, который вращается вокруг него в течение
невообразимо короткого промежутка времени, а затем
втягивается обратно в протон. При обстреле протона электронами
последние, вероятнее всего, и отражаются от этого мезонного
кольца, а не от самой сердцевины протона.
Подобные открытия все усложняют и усложняют картину
строения ядра атома и складывающих его частиц. Возможно,
что за этой сложностью скрываются очень простые вещи, и
те пока еще отрывочные данные, которые ученые получают
при помощи новых методов исследования, являются
мгновенными, временными переходами внутриядерных частиц из
одного относительно простого состояния в другое, столь же
простое состояние. Но схватываемые отрывками, «на лету»,
они создают столь сложную картину.
370

Г Л А В А
&*£*ос!
ПЯТНАДЦАТАЯ
СОСТЯЗАНИЕ С КОСМОСОМ
ЛУЧИ ИЗ КОСМОСА
Вслед за открытием в 1895 году рентгеновых лучей,
а вскоре и радиоактивности естественно возник вопрос, а не
существуют ли в природе и другие, пока неизвестные
излучения, еще больше раскрывающие сокровенные физические
процессы, протекающие в бесконечных глубинах материи.
И действительно, вскоре, как из рога изобилия,
посыпались сообщения о новых открытиях, одно сенсационнее
другого. Однако все они оказались или уже известными
явлениями, скрытыми какими-либо еще малоизученными
особенностями, или следствием добросовестных ошибок, допущенных
при опытах. Было, к счастью немного, и «открытий»,
оказавшихся плодами недобросовестной погони за легкой славой.
Но одно явление все же долгое время оставалось крайне
подозрительным, не поддаваясь обычному научному
объяснению.
Мы уже рассказывали в начале книги об устройстве и
действии обычного школьного электроскопа.
24*
371

Так вот самое удивительное заключалось в том, что какие
бы ни принимались меры для удержания электрического
заряда электроскопа, его листочки, спустя некоторое время,
неизменно опадали, и заряд с них постепенно исчезал.
Подобное явление можно было воспроизвести
искусственно, если Электроскоп облучить рентгеновыми лучами или
вблизи него поместить кусочек радиоактивного вещества.
В этом случае все было понятно. Заключенный в сосуде газ
под действием этих излучений ионизировался — из идеального
диэлектрика он превращался в более или менее хороший
проводник, по которому и стекал с листочков электроскопа
в окружающее пространство накопленный на них
электрический заряд. Процесс этот заметно замедлялся, если
электроскоп помещали в ящик с толстыми свинцовыми стенками. Так
как никакими рентгеновыми или радиоактивными лучами
саморазряжающиеся электроскопы не облучались, то ученым
оставалось сделать только одно предположение: на
электроскоп воздействует какое-то еще неизвестное излучение.
Но если от рентгеновского или радиоактивного излучения
можно было как-то защититься: слоем свинца, воды, бетона
и т. д., то от таинственного излучения ничто не спасало, даже
если электроскоп помещали в глубокую шахту или опускали
на дно озера.
Подозревая, что загадочное излучение исходит от каких-то
содержащихся в земной коре еще неизвестных радиоактивных
элементов и что сила его, естественно, должна уменьшаться
с высотой, австрийский физик В. Гесс в 1912 году стал
запускать воздушные шары с регистрационной аппаратурой на
высоту до 5 км. К удивлению, всего ученого мира, излучение
вверху оказалось намного сильнее, чем у поверхности Земли.
Дальнейшие многочисленные опыты показали, что новое
излучение приходит откуда-то извне, из космоса. Поэтому по
месту их предполагаемого зарождения оно и было названо
космическими лучами.
На протяжении миллиардов лет льется на нашу планету
не прекращающийся ни на секунду поток этих лучей, то
в виде редких отдельных вспышек, то сплошным ливнем,
пронизывая с колоссальной скоростью все живое и мертвое.
Первые же попытки определить природу этих лучей
принесли немало неожиданностей и откровений.
Начать с того, что они оказались не лучами, а частицами
с большим разнообразием в величине заряда, массы и
энергий— в большинстве своем протонов (ядер атомов водорода),
небольшого количества альфа-частиц (ядер атомов гелия) и
совсем редко ядер атомов более тяжелых элементов —
углерода, азота, железа и др. Далее выяснилось, что большинство
372

этих частиц обладает огромной, а некоторые даже чудовищно
огромной энергией, достигающей миллиардов миллиардов
электронвольт, в то время как самые быстрые и
проникающие частицы, выбрасываемые при распаде радиоактивных
веществ, «едва» достигают энергии 10 миллионов электрон-
вольт
Космические частицы удавалось зарегистрировать даже
на глубине нескольких километров под землей или водой.
Наконец, что самое важное, удалось установить, что
подлинно «космических» частиц в этом достигающем Земли
потоке вообще нет. Подавляющая масса новых «лучей» — это
бесчисленные осколки ядер атомов воздуха, разнесенных
вдребезги при лобовом попадании в них первичных,
настоящих космических частиц, обладающих столь огромной
энергией, что эти осколки превращаются в лучи почти такой же
космической энергии, способные с не меньшей легкостью сами
разбивать другие ядра атомов воздуха. Даже «осколки
осколков» — к тому же еще и нескольких поколений —
разбитых до основания ядер атомов способны создавать
нарастающую, как снежный ком, лавину — своеобразную цепную
реакцию ядерных катастроф. И не только осколков. Выделяющиеся
в ходе таких столкновений огромные количества энергии
порождают целые семейства новых, не существующих
в обычных условиях короткоживущих частиц, которые,
распадаясь, тут же порождают новые частицы самых
разнообразных физических свойств и характеристик. Природа как бы
создает на миллиардные доли секунды свои собственные
«искусственные частицы», невольно приподнимая завесу над
самыми сокровеннейшими тайнами образования вещества.
Выловить из этого потока виновников первоначальных
катастроф — дело почти неосуществимое.
Находясь под столь длительным обстрелом космических
частиц, живая материя в процессе эволюции в какой-то мере
приспособилась к ним, выработала меры защиты и,
несомненно, продолжает приспосабливаться и дальше.
Человечеству несдобровать бы, если бы этот сам по себе
огромный поток частиц не был все же относительно редким —
на каждый квадратный метр поверхности Земли ежесекундно
падает в среднем только до 250 частиц. Поэтому ученые
считают обычные дозы такого излучения, прошедшего через
своеобразную защитную броню атмосферы планеты,
безвредными для организма человека. Их действия на себе мы
практически не замечаем и не знаем, какие формы приняла бы
жизнь на Земле, если бы этих излучений вообще не было.
Но совсем иное действие первичные лучи могут оказывать
на клетки живых организмов в тех случаях, когда человек
373

Магнитное поле Земли — своеобразная броня, защищающая планету
от потока сверхбыстрых заряженных частиц Под действием потока
излучаемых Солнцем частиц магнитное поле Земли на освещенной
стороне значительно сплющено
будет все чаще, дальше и дольше выходить за пределы
спасительной брони своей планеты — ее атмосферы и магнитного
поля. И нет ничего удивительного, что таинственное
исчезновение заряда со школьного электроскопа дало толчок к
рождению мощного раздела современной физики — физики
космических лучей, а затем и физики элементарных частиц,
ставших в наши дни одними из самых важных участков
переднего края фронта науки.
Теперь уже не вызывает сомнений то, что космические
лучи — сложное природное явление, в котором главную роль
играют ядерные процессы. При этом, помимо известных
атомных частиц — протонов, нейтронов и электронов, появляются
совершенно необычные, ранее не наблюдавшиеся в природе
частицы, с еще более удивительными свойствами.
Сталкиваясь первый раз с ядрами атомов, составляющих
атмосферу воздуха и разбивая их, первичные космические
лучи расходуют на это только небольшую часть своей
первоначальной энергии. Но и ее вполне достаточно для
возникновения длинной цепочки сложных преобразований одних
частиц в другие, до тех пор пока остающейся
неизрасходованной энергии будет уже недостаточно, чтобы породить
новую частицу.
374

Сначала появляются в основном заряженные и
нейтральные пи-мезоны, которые тотчас же распадаются и порождают
itiio-мезоны— частицы, обладающие огромной проникающей
способностью. Эти частицы, собственно говоря, и являются
тем, что принято считать космическими лучами, хотя они
имеют вторичное, совершенно земное происхождение.
Достаточно лишь указать, что именно эти частицы способны
проникать сквозь километровые слои горных пород и воды.
Но часть пи-мезонов, особенно те, которые обладают
большой энергией, распасться не успевают. Они-то и
вызывают образование широких вторичных атмосферных ливней.
Нейтральные пи-мезоны распадаются очень быстро, и каждый
из них образует два фотона высокой энергии. Каждый из
этих фотонов рождает пару электрон — позитрон, которые,
в свою очередь, взаимно аннигилируя (самоуничтожаясь),
образуют фотоны меньшей энергии.
В результате всей этой совокупности последовательных
и параллельных ядерных взаимодействий на поверхность
Земли и обрушивается мощный ливень частиц: протонов,
нейтронов и пи-мезонов, обрастающих при своем дальнейшем
развитии множеством электронов, позитронов и фотонов.
Только в результате огромного количества накопленного
материала и данных исследований удалось разобраться во
всем этом хаосе частиц и рассортировать их по энергиям,
массам и зарядам, установить более или менее точную их
родословную. Для этой цели применяются очень сложные
установки, состоящие из тысяч отдельных счетчиков частиц,
сотен ионизационных камер, большого числа
фотоумножителей, камер Вильсона и другой аппаратуры.
Возникает вопрос: а откуда берутся частицы,
составляющие первичные космические лучи? Где и при каких
обстоятельствах они разгоняются до поистине фантастических
энергий, достигающих десятков и сотен миллионов триллионов
(1017—1020) электронвольт?
Сейчас уже нет сомнения, что столь потрясающую энергию
частицам могли придать только электромагнитные поля,
создаваемые расширяющимися с огромной скоростью
оболочками так называемых новых и сверхновых звезд —
катастрофическими взрывами действительно космических масштабов
или при еще более грандиозных природных явлениях —
таинственных взрывах центральных ядер галактик. В этом случае
масса выброшенной плазмы равна не какой-то доле, пусть
даже гигантской, но одной звезды, а массе многих десятков
и, возможно, сотен и тысяч звезд.
Возникающие при этом электромагнитные поля
титанической силы способны разгонять частицы до наблюдаемых
375

предельно огромных энергий Поэтому, попав в них, уже
где-то ранее ускоренные частицы получают добавочное
ускорение. После длительного блуждания по просторам нашей
Галактики, претерпев бесконечное число ускорений,
торможений и перемен направления движения, частицы столь
основательно перемешиваются, что приходят на Землю уже
равномерно со всех сторон. Не исключено, что некоторые частицы,
обладающие самой высокой энергией, приходят к нам из
других галактик. Магнитные поля нашей Галактики оказываются
недостаточными, чтобы отклонить их в стороны, и они
свободно входят и выходят из нее.
Ученые пока еще не могут предсказать, есть ли какие-
либо пути практического использования космических лучей
человечеством даже в далеком будущем. Однако изучение их
дает в руки человека очень мощное орудие, для того чтобы
пытаться проникнуть в самые сокровенные тайники природы,
познать свойства материи, которые проявляются только при
предельно высоких энергиях движения частиц и предельно
малых расстояниях взаимодействия между ними, понять
устройство микромира в масштабах Галактики,
метагалактики, всей Вселенной.
Логика развития науки неминуемо должна привести
к ряду новых фундаментальных открытий и выводов,
позволяющих решить одну из самых важных проблем современного
естествознания — проблему структуры тех мельчайших
элементарных частиц (протон, нейтрон, электрон, мезон и др.),
из которых построено или может состоять окружающее нас
вещество.
Есть и другая сторона вопроса. Потоки, ливни
космических лучей и частиц — это термины научного языка. При всей
потрясающей воображение грандиозности этих явлений в
масштабах макромира они довольно редки, вернее, рассеяны по
огромному пространству. При всей привлекательности
исследований результатов воздействия частиц с энергиями в
миллиарды миллиардов и больше электронвольт на другие
частицы, ждать такого случайного столкновения ученым
приходится неделями или месяцами. Поэтому неудивительно их
нетерпение и стремление создавать мощные искусственные
ускорители для получения частиц, не только обладающих
огромными, приближающимися к космическим энергиями, но
и очень плотных потоков таких частиц, чего нет в
космическом излучении. Пока удалось достичь энергии лишь в
десятки миллиардов электронвольт и плотностей, в миллионы раз
превышающих естественное излучение Это позволило
получать уже искусственным путем на Земле частицы, ранее
обнаруживаемые только в космических лучах. Но это далеко
376

не предел. По мере совершенствования техники и изучения
природных космических лучей эта пока еще огромная разница
в энергиях, бесспорно, будет все более и более сглаживаться.
ОБ „ЭЛЕКТРОНАХ-ОСЛАХ", „МОРЕ ДИРАКА",
АНТИЧАСТИЦАХ И ДРУГИХ МАЛОПОНЯТНЫХ ВЕЩАХ
Начало этой удивительной истории можно отнести к
1928 году, когда в физике все еще считалось, что все
вещества в природе состоят только из положительно заряженных
частиц — протонов и отрицательно заряженных — электронов.
Именно тогда известный английский физик Поль Дирак
предпринял попытку создать теорию строения электрона,
которая, основываясь на достижениях современной
теоретической и экспериментальной физики, одновременно отвечала бы
и требованиям, вытекающим из теории относительности
Эйнштейна.
Выведенное им уравнение, определяющее характер
вращения электрона вокруг своей оси и вытекающие из такого
вращения его физические свойства, весьма точно совпадало
с этими же данными, полученными ранее в результате
экспериментов и, в частности, путем изучения свойств линий
оптического спектра света.
Однако тут же возникло непредвиденное и долго
смущавшее ученых обстоятельство: чтобы быть верной, новая теория
требовала еще и существования электронов, имеющих
отрицательную энергию и отрицательную массу. Электрические
силы, действующие на такие электроны, заставляли бы их
двигаться в направлении, противоположном их обычному
движению. Чем могла быть отрицательная энергия и
отрицательная масса, вряд ли кто-либо мог ясно себе представить
тогда, да, пожалуй, и теперь. Естественно, что такие частицы,
или, как их стали после этого называть, «электроны-ослы»,
никогда в природе не наблюдались, и признание их
существования могло привести в физике к самым немыслимым
осложнениям.
В связи с этим Дираку пришлось искать какой-то выход
из создавшихся затруднений.
Он предположил, что при некоторых условиях электроны
могут попасть на уровень отрицательной энергии и что все
эти состояния, или уровни, отрицательной энергии в
окружающем нас мире заняты электронами.
По мысли Дирака, все то, что мы до сих пор считали
пустым пространством, следует рассматривать как
непрерывное и бесконечное множество электронов, находящихся в са-
377

мых различных возможных состояних отрицательной энергии.
В то же самое время их суммарное электромагнитное и
гравитационное действие равно нулю.
Такую мысленную картину непрерывного множества
состояний электронов с отрицательным уровнем энергии стали
называть «морем Дирака».
Любая колеблющаяся и непрерывно изменяющаяся масса
воды заключает в себе пузырьки — пространство, в котором
отсутствует вода. Такой пузырек, по мысли Дирака, является
как бы «дыркой» в непрерывном «море» электронов с
отрицательным уровнем энергии, которая, следовательно, должна
проявлять и вести себя противоположным электрону образом,
то есть как частица, имеющая положительную массу и
положительный заряд.
Больше того, обычный электрон, заскочивший в подобную
«дырку», должен вместе с ней неминуемо исчезнуть, излучив
по кванту энергии. Этот процесс взаимного исчезновения
электрона и «дырки», обладающей свойствами как бы
положительного заряда в «море» электронов с отрицательной
энергией, и был назван самоуничтожением, или
аннигиляцией, вещества.
ПЕРВАЯ АНТИЧАСТИЦА —ПОЗИТРОН
Некоторое время казалось, что физическая сущность такой
«дырки» могла быть отождествлена с единственной известной
в то время положительно заряженной частицей — протоном.
Однако это никак не увязывалось с устойчивостью атома
зодорода, в котором разноименно заряженные протон и
электрон могут безобидно существовать вместе бесконечно долго,
в то время как скорость аннигиляции электрона и «дырки»,
согласно новой теории, должна была бы протекать
практически мгновенно.
Кроме того, протон почти в 1836 раз тяжелее электрона,
и было непонятно, куда должна деваться разница в массе
этих двух частиц при их одновременном взаимном
уничтожении и исчезновении. Все это, вместе взятое, делало идеи
Дирака более чем сомнительными.
И лишь открытие в 1932 году позитрона — положительно
заряженной частицы, имеющей массу, в точности равную
электрону, — сразу разрешило все эти сомнения.
Теоретически предполагаемое существование «дырки»
нашло свое полное подтверждение в виде позитрона —
физической реальности, правда несколько отличной от того, что
представлял себе Дирак.
378

Вскоре удалось наблюдать и самый процесс аннигиляции
позитрона и электрона при их столкновении. Обе частицы
исчезают с одновременным испусканием двух квантов
энергии. Вероятность, повторяемость и скорость этого процесса
в точности совпадали с предсказанными теорией.
Появление и исчезновение позитрона и электрона (сверху
вниз): из свинцовой пластинки, расположенной поперек
камеры Вильсона, под действием фотона космического
излучения (путь его вследствие отсутствия заряда не виден)
выбивается пара заряженных частиц — электрон и
позитрон: минимальная энергия фотона (hv), необходимая для
создания пары: электрон (е~) и позитрон (е+), равна
\ ,02 Мэв— по 0,51 Мэв на каждую частицу; встретившись,
позитрон и электрон взаимно аннигилируют (исчезают),
превращаясь в два кванта излучения с энергией по 0,51 Мэв
каждый.
Таким образом, теория электрона, предложенная в свое
время Дираком и по необходимости претерпевшая в ходе
своей проверки естественные для любой современной
физической теории изменения, этим открытием полностью и
блестяще подтвердилась.
Дальнейшее подтверждение эта теория нашла и в том, что
позитроны, обнаруживаемые до этого только в космическом
излучении, вскоре были получены и в лабораторных условиях
при помощи очень жестких гамма-лучей, пропускаемых при
определенных условиях через вещество.
379

В этом случае возникает процесс, который является
полной противоположностью аннигиляции: определенное
количество квантов излучения исчезает, а вместо них
одновременно появляется два вида частиц — электроны и
позитроны.
Превращение гамма-кванта в пару электрон — позитрон
возможно только там, где существует сильное электрическое
или гравитационное поле. Первое — вблизи ядер атомов,
второе— у поверхности очень плотных звезд.
Это явление можно легко наблюдать в наполненной газом
камере Вильсона.
Сами гамма-лучи невидимы, но время от времени в поле
зрения появляются следы двух заряженных частиц,
исходящие из одной и той же точки, которые под действием
внешнего магнитного поля камеры закручиваются в
противоположные стороны. В остальном эти следы тождественны один
другому и свидетельствуют о том, что энергия, скорость и
масса этих частиц одинаковы, а заряды противоположны.
Энергия, которая требуется для образования пары
электрон — позитрон, в точности равна удвоенной энергии покоя
одиночного электрона (0,51 Мэв), вычисленной по формуле
£ = т0с2, и составляет 1,02 Мэв. Такую энергию легко
получить, используя даже гамма-излучение обычных
радиоактивных веществ.
ДОЛЖЕН БЫТЬ И АНТИПРОТОН!
Несколько иная, несходная картина получалась и с
попытками создать теорию протона. Его фактически
измеренные магнитные свойства (магнитный момент) оказались в три
раза выше, чем полагалось при вычислении по уравнениям
Дирака. Правильное же совпадение практических и
теоретических результатов могло быть лишь в том случае, если по
аналогии с электроном и позитроном допускалось реальное
существование наряду с протоном одинаковой с ним по массе
частицы, но имеющей противоположный ему, то есть
отрицательный, заряд.
Если реальное существование позитрона со временем
могло быть относительно легко подтверждено
экспериментально, то обнаружить частицу, противоположную протону,
в течение длительного времени было просто невозможно.
Протон в 1836 раз тяжелее электрона, и, следовательно,
для того чтобы образовать пару из протона и антипротона,
нужен был источник энергии значительно больше требуемых
для этого 1,8 миллиарда электронвольт — по 936 Мэв на каж-
380

Вот что было необходимо для получения антипротона.
дый нуклон. Частицы с такой энергией могли существовать
лишь в космическом излучений.
Одно время за отрицательные протоны ученые приняли
обнаруженные в космическом излучении отрицательные
частицы тяжелее электрона, которые, однако, оказались
мезонами с массой не больше 7б массы протона.
Не обнаружив отрицательных протонов в космическом
излучении, многие ученые стали выражать сомнение в
возможности существования таких частиц вообще. Другие
ученые, в частности доктор Б. Д. Хаймс из Манчестерского
университета (Англия), наоборот, утверждали, что
отрицательные протоны до сих пор не удавалось обнаружить лишь
потому, что количество их в космическом излучении должно
быть ничтожно малым, если только они обладают всеми теми
свойствами, какие им приписывались физиками-теоретиками.
Поймать неуловимые частицы не удалось, но была
разработана довольно тонкая и остроумная методика их обнаружения.
Спустя некоторое время стали появляться сообщения об
открытии антипротона в той или иной лаборатории. Однако
эти сообщения достаточно убедительно не подтверждались.
Большие надежды на решение этой волнующей загадки и
получение новой частицы уже искусственным путем
появились после пуска ускорителя Калифорнийского университета,
381

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ
СЛУЧАЙНАЯ
ЧАСТИЦА
«Иголка в стоге сена». Сложнейшая система устройства и расстановки
приборов, которую пришлось сооружать ученым, чтобы обнаружить,
выделить и измерить антипротон: /— пучок протонов, мезонов, гиперонов
и других частиц, выбитых из медной мишени ускорителя; среди них есть

способного разгонять частицы до энергии, равной 6200 Мэв.
Когда ускоренный до энергии 5600 Мэв протон попадает
в протон или нейтрон другого атома, то получившая удар
частица отлетает в сторону, унося 2/з полученной ею энергии
(3700 Мэв), 7з энергии (1900 Мэв) остается свободной для
возникновения («рождения») новой частицы.
Попробуем пояснить это явление несколько подробнее.
Любое событие, происходящее в микромире, можно
рассматривать как изолированное, так как расстояния, на
которых частицы взаимодействуют одна с другой, как правило,
крайне ничтожны (10~13см) по сравнению с расстояниями
между соседними атомами (10~~8 см).
Поэтому при отдельном столкновении двух ядерных
частиц, при реакции между ними или в процессе
самопроизвольного распада ядра полная энергия этих частиц остается
неизменной. Эта энергия всегда черпается из двух
источников: если частица замедляется, то при этом высвобождается
часть ее кинетической энергии (энергия движения). Если про-
и некоторое количество антипротонов; 2 — магнитная линза, отклоняющая
в сторону все более легкие, чем антипротон, отрицательно заряженные
частицы (легкие мезоны) и не пропускающая дальше все положительно
заряженные частицы (протоны, мезоны и др.); 3 — магнитная линза,
собирающая в узкий пучок прошедшие предыдущую линзу отрицательно
заряженные частицы (антипротоны, тяжелые мезоны); 4 — бетонная стена,
отделяющая ускоритель частиц от помещения, где установлены
измерительные установки; 5 — первый сцинтилляционный (светящийся) счетчик,
делающий отметку о времени пролета отрицательно заряженной частицы;
вторая отметка делается другим таким же счетчиком 8, расположенным
на расстоянии 1218 см от первого; если частица пролетает это расстояние
за 40 миллиардных долей секунды, это всего лишь отрицательно
заряженный мезон; если же частица пролетает это расстояние за 51 миллиардную
долю секунды, она является антипротоном; 6 — еще одна фокусирующая
линза, собирающая частицы в узкий пучок; 7 — магнитная линза,
отклоняющая в сторону антипротоны от еще более тяжелых частиц —
гиперонов; 8 — второй сцинтилляционный счетчик, делающий вторую отметку
о пролетевшей частице; 9 — первый контрольный счетчик Черенкова;
вещество этого счетчика подобрано так, что оно светится только тогда, когда
скорость пролетающей через него частицы равна 75—78%> скорости света,
то есть когда эта частица — антипротон; 10 — второй контрольный счетчик
Черенкова; свечение в нем появляется только в том случае, если
пролетающая через него частица имеет скорость, уже превышающую 78%
скорости света, то есть если это не искомый антипротон, а какая-то случайно
проскочившая более тяжелая частица или частица, попавшая в
тщательно оберегаемый пучок со стороны; 11 — финальный контрольный
сцинтилляционный счетчик позволяет проверить, что искомая и измеряемая
частица в конце концов пролетела весь свой сложный путь через систему
приборов до конца; 12 — примерное изображение, получаемое на экранах
измерительных приборов, когда через установку пролетает мезон (а),
антипротон (б) или еще более тяжелая частица (в).
383

исходит расщепление (разрушение) частицы, обладающей
массой, то выделяется часть собственной энергии этой
частицы с соответствующим уменьшением ее массы, в точном
соответствии с законом взаимосвязи массы и энергии.
Аналогично и потребление энергии может осуществляться двумя
способами: либо может происходить ускорение частицы
(с соответствующим увеличением ее массы), либо при
достаточной величине этой энергии может возникнуть новая
частица.
Постановка опыта разрабатывалась очень тщательно. Идея
его заключалась в следующем. Поток ускоренных в
синхрофазотроне протонов направлялся на медную мишень,
помещенную внутри вакуумной камеры ускорителя.
В результате столкновений ускоренных протонов с ядрами
атомов меди из мишени вместе с другими частицами должны
вылетать и отрицательные протоны, которые будут двигаться
в том же направлении, в каком двигались выбившие их
протоны. Но вследствие того, что антипротоны несут на себе
отрицательный заряд, магнитное поле ускорителя изгибает их
траекторию не внутрь — по кругу вакуумной камеры
установки, а наружу, то есть заставляет их выходить из
вакуумной камеры сквозь ее стенку.
Дальше пучок антипротонов пропускается через фильтры
с многочисленными щелями, помещенные в сильное поле
другого магнита. Эти щели подобраны и установлены одна
относительно другой таким образом, чтобы все частицы,
отличающиеся от антипротонов по величине и знаку заряда и хотя бы
немного но скорости и массе (мезоны и особенно гипероны),
неминуемо задерживались в фильтрах, а отфильтрованные от
них антипротоны пропускались дальше к регистрирующему
устройству.
В качестве подобного устройства могут применяться или
пакеты фотографических толстослойных пластинок, на
которых антипротоны оставляют свои следы, или счетчики,
которые улавливают свет, излучаемый прозрачным веществом,
когда через него пролетает быстрая заряженная частица,
а также счетчики, основанные на так называемом свечении
Черенкова.
Каждый раз, когда идет речь о скорости
распространения света или иных излучений электромагнитного характера,
обычно приводится число 300 000 км/сек. Не говоря уже
о том, что более точная скорость света соответствует
299 998,6±05 км/сек, она верна только для распространения
света в вакууме. И никакое тело, никакой физический
процесс в природе не может превысить эгой скорости.
Однако в других средах, например в атмосфере, воде,
384

Свечение Черенкова появляется лишь в том случае, когда через
прозрачное вещество (жидкость, пластмасса) пролетает частица со скоростью
большей, чем в этом веществе может распространяться свет.
стекле и других веществах, скорость света может быть иной,
более медленной.
Отсюда понятно смущение, когда при описании какого-
либо физического процесса попадается указание, что частица
(чаще всего электрон) движется со скоростью, большей
скорости света. При этом имеется в виду или подразумевается,
что в данной среде электрон движется со скоростью
большей, чем способен распространяться в ней свет.
Суть знаменитого явления, названного в честь его
первооткрывателя, ныне лауреата Нобелевской премии П. А.
Черенкова (явление открыто совместно с академиком С. И.
Вавиловым), заключается в том, что такая имеющая скорость
больше скорости света (повторяем, в данной среде) частица
сама излучает свет. Это новое излучение обладает рядом
замечательных свойств. Оно распространяется не во все
стороны, а в виде конуса (воронки), ось которого совпадает
с направлением движения частиц, а угол раскрытия конуса
строго зависит от скорости частицы и, естественно, от
коэффициента преломления вещества для данной длины волны,
испускаемого частицей света. Чем быстрее движется частица,
тем более узким становится этот конус.
Яркость излучения возрастает с увеличением скорости
возбуждающей его частицы и прямо пропорциональна ее
электрическому заряду.
Угол излучения, а также длительность и яркость вспышки
света настолько чувствительны к скорости движения частицы
и физическим свойствам вещества, что, помимо огромного,
25 Энергия атома
385

чисто научного значения этого открытия, позволили
использовать его в приборах исключительно высокой точности для
измерения скорости и направления движения самых быстрых
заряженных частиц — электронов, протонов, мезонов.
Пролетая сквозь вещество, частица по пути возбуждает
его атомы, которые начинают излучать свет лишь в тот
момент, когда до них долетает эта частица и передает им часть
своей энергии.
А так как электромагнитные волны излучаются не сразу
всеми атомами вещества, а постепенно, то благодаря
интерференции световых волн все они гасятся по всем
направлениям, кроме направления, совпадающего с движением
летящей частицы.
Это явление немного напоминает «усы» — две волны,
расходящиеся в стороны при движении быстроходной моторной
лодки, когда ее скорость превышает скорость распространения
волн на поверхности воды.
Пропуская поток исследуемых частиц последовательно
через батарею созданных на основе этого явления счетчиков и
измеряя яркость и угол испускаемого в том или ином
веществе конуса света, легко установить точную скорость частиц,
а в сочетании с другими счетчиками и приборами — их массу,
заряд и другие характеристики. Такие счетчики для простоты
называют «черенковскими».
Подтвердилось также мнение, что новая частица
появляется чрезвычайно редко. Удавалось обнаружить не больше
20 антипротонов в день. Время жизни антипротона — одна
десятимиллионная доля секунды. При взаимоуничтожении
(аннигиляции) антипротона, соединяющегося с протоном,
выделяется энергия, равная 900 Мэв.
В отличие от процесса аннигиляции электрона и
позитрона, при котором происходит излучение двух квантов энергии
(электромагнитное излучение), соединение протона и
антипротона такого излучения не вызывает. Вместо этого
возникает некоторое количество мезонов.
МОЖЕТ ЛИ СУЩЕСТВОВАТЬ АНТИВЕЩЕСТВО?
Открытие, доказавшее возможность существования
протонов и электронов как с положительным, так и с
отрицательным электрическими зарядами, дало повод поставить и такой
вопрос: почему все протоны окружающей нас материи
обязательно заряжены положительно, а электроны отрицательно?
Возможно ли существование веществ, в которых все
элементы состоят из атомов, имеющих ядра из отрицательных
386

протонов, а на электронных оболочках вращаются
положительные электроны (позитроны)?
Такие вопросы, кстати, как и многие другие, легче задать,
чем на них ответить. Это обстоятельство дало повод
предположить, что известное ныне физическое строение вещества
окружающего нас мира — явление местное, существующее
только в нашей Солнечной системе, а возможно, лишь в
нашей Галактике.
Но некоторые другие галактики могут быть построены из
вещества, атомы которого состоят из отрицательных протонов
и положительных электронов. Установить это обычными
астрофизическими способами наблюдения, конечно,
невозможно.
Такая материя из «галактики наоборот», встретив на своем
пути материю из нашей обычной Галактики, должна
немедленно исчезнуть (аннигилировать) со взрывом, гигантскую
мощь которого не способно представить себе даже самое
пылкое воображение.
Тот факт, что космическое излучение, регистрируемое на
Земле, содержит много протонов и практически ни одного
антипротона, сторонники существования «материи наоборот»
объясняют тем, что, стало быть, космические лучи
зарождаются в пределах нашей Галактики, равно как и падающие
на Землю метеориты.
Совсем недавно группе физиков Колумбийского
университета (США) удалось при помощи ускорителя частиц на
30 миллиардов электронвольт зарегистрировать образование
первой атомной частицы антивещества—антидейтрона,
состоящего из антипротона и антинейтрона. Однако весь опыт
современной астрофизики и астрономии весьма определенно
доказывает, что наблюдаемая нами Вселенная состоит из
одинаковой материи и меняются лишь формы ее движения.
СИММЕТРИЧЕН ЛИ И ДАЛЬШЕ МИР МИКРОЧАСТИЦ?
Открытие античастиц — позитрона и антипротона —
навело ученых на мысль, что и у остальных материальных
частиц микромира должны быть аналогичные античастицы, и,
в частности, у нейтрона. Правда, в этом случае довольно
затруднительно представить, какими же свойствами должен
обладать антинейтрон — ведь нейтрон не имеет
электрического заряда! Анти... что?
И вот совсем недавно ученым удалось опознать и такую
новую частицу — антинейтрон.
Уже давно стало известно, что быстрый протон, пролетая
25*
387

Техника плюс логика. Схема опыта, позволившего
обнаружить существование антинейтрона. Частица, которая при
прохождении сцинтилляционного счетчика не вызывает его
свечения и в то же время, попав во встречный атом вещества
счетчика, аннигилирует со взрывом, может быть только
антинейтроном, столкнувшимся с нейтроном (правый рисунок).
сквозь ядро атома, может потерять свой электрический
заряд и появиться наружу как нейтрон. Оказывается «краешек»
одного нуклона наталкивается на «краешек» другого. А
нейтральные их области — сердцевины — пролетают одна мимо
388

другой без взаимодействия. Столкнувшиеся самые внешние
части нуклонов (оболочки) образуют сгусток возбужденной
ядерной материи — «огненный шар», как его называют
физики. Он неустойчив и быстро «рассыпается» на мезоны, еще
раз подтверждая вывод, что нуклон нельзя рассматривать как
нечто однородное. Это скорее всего образование,
напоминающее земной шар и его атмосферу с постепенно
уменьшающейся плотностью. Такие же точно подозрения вскоре
появились и в отношении антипротона. И действительно, вскоре
после его открытия было найдено, что антипротон,
обнаруживаемый по скорости и заряду, пролетая затем через так
называемый сцинтилляционный счетчик, превращается в некую
нейтральную частицу. Это заключение основано на том, что
вспышка света, появляющаяся в этом счетчике, оказывается
значительно слабее, чем та, когда через него с такой же
скоростью пролетает протон.
Однако эта нейтральная частица, попав затем в другой
счетчик, расположенный дальше на ее пути, исчезает со
взрывом, что может быть лишь в том случае, если
образовавшаяся таким путем нейтральная частица является
античастицей к нейтрону — антинейтроном.
Таким образом, эту новую частицу можно опознать только
благодаря ее самоуничтожению при встрече с обычным
нейтроном. Под «самоуничтожением» антинейтрона и нейтрона
здесь следует подразумевать превращение этих частиц в
другие— например, в пи-мезоны.
Чем же тогда антинейтрон отличается от нейтронов? Не
обладая электрическим зарядом, нейтрон не может иметь
зеркальную, противоположную себе частицу с зарядом
какого-то необычного знака.
Однако у нейтрона есть ряд других свойств, по отношению
к которым и могут проявляться особенности частицы с
противоположными свойствами. Например, нейтрон ведет себя
как маленький постоянный магнитик. Следовательно,
антинейтрон может вести себя тоже как магнит, но с
противоположной полярностью, а поскольку магнитные свойства частиц
зависят от направления вращения вокруг своей оси, то
выходит, что антинейтрон вращается в противоположном
направлении, чем нейтрон.
Таким образом удалось достаточно убедительно
обнаружить античастицы ко всем обычным частицам, из которых
построено вещество.
Ну, а как обстоит дело с мезонами и другими новыми
частицами?

ЭЛЕМЕНТАРНЫ ЛИ „ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ" ЧАСТИЦЫ?
По мере углубления в таинственные недра ядра атома
средства, с помощью которых ученые могут осуществлять это
проникновение, все больше и больше суживаются и
практически остается только одно — потоки различных ускоренных
частиц, получаемые на ускорителях. С их помощью можно
разбить или «прощупать» ту или иную частицу.
С момента появления на вооружении ученых мощной, а
затем и сверхмощной «атомной артиллерии» начали
появляться одно сенсационное открытие за другим. Пожалуй,
чаще, чем этому полагалось бы быть. И в первую очередь,
появление новых частиц. Энергия «атомных снарядов» в
миллионы электронвольт оказалась достаточной, чтобы среди
осколков «микрокатастроф» обнаружить положительно
заряженный электрон — позитрон. Ускорители на сотни
миллионов электронвольт позволили получать искусственным путем
мезоны, до этого впервые обнаруженные в составе
космических лучей. Создание ускорителей на энергии в миллиарды
электронвольт привело к открытию существования
античастиц — антипротона, антинейтрона и др.
И чем дальше, тем больше!
К настоящему времени известно уже 16 элементарных
частиц и примерно столько же античастиц. Если же
включить в этот список еще и очень короткоживущие частицы, так
называемые квазичастицы — резонансы, то общее
количество известных частиц достигнет многих десятков.
Большинство этих частиц неустойчиво. Спустя ничтожно
короткое время они распадаются, превращаясь после ряда
радиоактивных распадов (с испусканием бета-частиц) в
немногие уже устойчивые частицы с меньшей массой: в
электроны, протоны, гамма-кванты и нейтрино.
Насколько это удалось установить, ни одну из этих
определенно существующих элементарных частиц нельзя
разложить на более мелкие составные части. Все они считаются
элементарными только потому, что под этим понимается
отсутствие у них структуры. Иными словами, эти частицы
нельзя представить себе состоящими из каких-то других
частиц.
К числу неустойчивых принадлежат два класса частиц.
К одному из них относятся частицы тяжелее электрона, но
легче протона. Их называют мезоны. К другому классу
принадлежат частицы тяжелее протона. Их называют гипероны
При распаде гиперонов всегда образуются нуклоны. Мезоны
известны следующих типов мю-мезоны, пи-мезоны и /С-мезо-
цы. Масса мю-мезона составляет примерно 7в массы протона,
390

масса пи-мезона — примерно lh и масса /(-мезона — около Уг
массы протона. Мю-мезоны могут быть лишь отрицательными
или положительными. Нейтрального мю-мезона не
существует. Не считая массы, мю-мезон, по-видимому, полностью
подобен электрону, и его можно рассматривать как тяжелый
электрон. Однако других тяжелых электронов в природе не
встречается.
Античастицей к отрицательному мю-мезону (<а-) является
положительный мю-мезон- (р-+). Едва появившись, мю-мезон
распадается на электрон и два нейтрино:
{х- -> е~ + v + v.
Благодаря такому взаимодействию все эти три частицы
имеют много общего, и поэтому их назвали лептонами, то есть
легкими.
Пи-мезоны бывают отрицательные, положительные и
нейтральные (тс-, 7с+, тс°). Античастицей по отношению к
положительному пи-мезону является отрицательный пи-мезон.
Пи-мезоны легко получить, бомбардируя нуклоны
частицами или фотонами излучения с энергией в несколько сотен
миллионов электронвольт. В этом случае происходит прямое
превращение кинетической энергии нуклонов в массу покоя
пи-мезона. Здесь возможна целая гамма реакций:
Протон + протон -* протон + нейтрон + положительный
пи-мезон.
Протон + нейтрон -* протон + протон + отрицательный
пи-мезон.
Гамма-квант -f- протон -* нейтрон + положительный мезон.
Гамма-квант + протон -* протон + нейтральный пи-мезон.
Гамма-квант -Ь нейтрон -* протон -f- отрицательный пи-
мезон. И так далее.
Получаемые на мощных ускорителях заряженные
пи-мезоны распадаются по следующим схемам:
положительный пи-мезон: положительный мю-мезон+ нейтрино или
позитрон + нейтрино; отрицательный пи-мезон:
отрицательный мю-мезон + антинейтрино; или электрон -Ь
антинейтрино с периодом полураспада 2,6- 10 ~8сек. Нейтральный
пи-мезон распадается значительно быстрее, но только на два
фотона с периодом полураспада приблизительно равным
4 . Ю~16сек.
Известны положительные и нейтральные /(-мезоны (К ~ и
К0) с их соответствующими античастицами: отрицательный
(К~) и нейтральный (К0) мезоны.
Благодаря большой массе /(-мезон имеет и больше
различных возможностей распада. Период полураспада
заряженного /(-мезона равен 0,85 • 10 ~~8 сек.
391

Гиперонов — элементарных частиц тяжелее протона —
существует три разновидности. Они обозначаются заглавными
буквами греческого алфавита: Л (ламбда), 2 (сигма) и
S (кси). Все они распадаются на нуклоны.
У каждого гиперона существует своя античастица с
противоположным знаком. Мир элементарных частиц
оказывается исключительно богатым как разнообразием самих
частиц, так и видами их взаимодействий и взаимопревращений.
МОЖЕТ ЛИ ЧАСТЬ БЫТЬ БОЛЬШЕ ЦЕЛОГО?
Разработана более или менее удовлетворительная и
разумная система классификации этих частиц и их
взаимодействий. Однако она еще очень далека от гармоничной картины,
и обнаруженные виды частиц и виды их взаимодействий
остаются еще не связанными между собой. Современная теория
допускает, что нуклон может состоять не только из
пи-мезонов, но и из пар нуклонов и антинуклонов, электрон в своем
«составе» может так же содержать электрон-позитронные
пары и даже нуклон-антинуклонные пары; мезон — из трех
мезонов, и т. п.
Возникает совершенно неизвестная ранее ситуация. Мы
привыкли к тому, что большее может состоять только из
меньшего: атом из ядра и электронов, ядро — из нуклонов;
что часть всегда меньше целого, что зернышко арбуза не
может быть больше самого арбуза.
Но как в таком случае пара нуклон — антинуклон может
входить в состав электрона? Однако современная физика
утверждает, что частицы могут состоять одна из другой и,
больше того, большее может заключаться в меньшем.
Здесь слово «заключать» или «состоит» нужно понимать
в другом смысле — не статическом (неподвижном), а в
динамическом (непрерывно изменяющемся), то есть, что при
взаимодействии некоторой частицы, например нуклона, с другой
частицей—допустим, с фотоном — неизбежно в качестве
промежуточных агентов будут участвовать и другие частицы:
мезоны, нуклоны, антинуклоны и т. д., временно возникающие
в результате этого взаимодействия.
Чудес не бывает и здесь. Дело не в том, что из чего
возникает, а в энергии, которой обладает в данный момент та
или иная частица, и какая ее часть может, превратившись
в массу, способствовать возникновению той или иной новой
частицы. А здесь все более или менее ясно — частица с
большей энергией (даже если она в обычном состоянии меньше
до массе) может породить за счет излишка энергии частицу
392

с большей массой Следует лишь не забывать закон
Эйнштейна— масса взаимосвязана с энергией.
Частицы, находящиеся внутри другой частицы, весьма
тесно связаны одна с другой. Но эта связь требует затрат
колоссальных количеств энергии. Поэтому какая-то, и весьма
значительная (иногда даже вся!), масса «частиц-вкладышей»
тратится именно на эту энергетическую связь. Таким
образом, «странность» всего того, о чем мы рассказываем,
объясняется тем, что масса элементарной частицы есть сумма масс
составляющих ее частиц минус энергия связи, на что
затрачена значительная доля массы взаимодействующих таким
образом частиц При соударении двух элементарных частиц,
обладающих огромной энергией, они должны рассыпаться на
те частицы, из которых они состоят, а их массы
соответственно увеличиться за счет переданной им энергии.
Именно поэтому мы не можем рассматривать частицу как
некоторый неизменный объект, вроде твердого заряженного
шарика с неизменной массой и строго определенным
количеством энергии.
Повторяем, теория допускает. Однако попытки построить
сложные модели частиц, когда одни частицы предстают как
сложные системы, состоящие из других, более элементарных
частиц и при этом с огромным дефектом масс, оказываются
пока несостоятельными
Выше речь шла о разрушении, дроблении элементарных
частиц. И о неожиданных последствиях таких микрокатастроф,
порядком спутавших карты ученых, но, правда, открывших
новые, неведомые пути к тайнам строения материи. Однако
полученные результаты не сняли проблемы строения
элементарных частиц, по крайней мере тех из них, которые мы с
несколько большим основанием можем пока еще считать
элементарными: протона, нейтрона и электрона.
Подводя итог сказанному, можно считать, что во всех
случаях соударения элементарных частиц, разогнанных до
больших энергий, происходит не механическое
дробление их на более мелкие частицы, а превращение
одних частиц в другие, более легкие. Взаимопревращаемость—
всеобщее и наиболее характерное свойство элементарных
частиц. Существуют лишь две не подчиняющиеся этому
правилу ненормальные частицы — это протон и электрон. Для
них распад, вернее, превращение в другие, более легкие
частицы, запрещен. Это исключение и делает возможным
существование окружающего нас более или менее устойчивого
материального мира.
Так в случае ядерной реакции, называемой позитронным
распадом,
393

р -* п + е+ -f v,
где р — протон; п — нейтрон; е+—позитрон; v — нейтрино.
Один из продуктов реакции — нейтрон имеет большую
массу покоя, чем исходная частица — протон, хотя нейтрон
образовался вместе с двумя другими частицами из протона и
как «часть» его должен быть меньше целого по массе.
Все это говорит о том, что понятия части и целого, как
это было принято в классической физике, здесь неприменимы.
Приведенная выше реакция свидетельствует о сложности
протона, ибо он порождает три частицы — нейтрон, позитрон
и нейтрино. Но это совсем не означает, что протон состоит
из трех указанных частиц — хотя бы потому, что «внутри»
протона этих частиц нет. К тому же протон участвует во
множестве других реакций, результатом которых являются
самые различные частицы, и нам пришлось бы допустить, что
все они тоже входят в состав протона.
В некоторых случаях, когда энергия соударения протона
с другими частицами сравнительно невелика, он ведет себя
как истинно элементарная частица.
Мы уже говорили, что протон не является однородным
шариком. В сердцевине (керне) протона электрического
заряда нет. Он расположен в кольцеобразной внешней
пульсирующей оболочке, состоящей из пи-мезонного облака. Когда
же попытались обстреливать протон, вернее, его пи-мезонную
оболочку пи-мезонами же, то стали появляться новые
частицы: /С-мезоны и гипероны, а также античастицы —
антипротоны и антинейтроны. Все они возникают при
столкновении пи-мезонов с протонами, но только в том случае, если
пи-мезон сталкивается с керном протона, а не тогда, когда
он лишь пронизывает мезонную оболочку. Гипероны,
антипротоны и антинейтроны появляются, когда летящие
пи-мезоны проходят совсем близко от керна.
Это позволило заключить, что и керн протона не является
сплошным образованием, а состоит из нескольких оболочек:
снаружи расположена /С-мезонная оболочка, потом оболочка
гиперонов, антипротонов и антинейтронов. А истинный
«голый» протон притаился где-то в самой глубине керна. Все эти
частицы «размазаны» по своим оболочкам так же, как пи-
мезоны в наружном пульсирующем облачке. «Прощупывание»
строения одной из элементарных частиц — протона с
помощью ускоренного до нескольких миллиардов электронвольт
пучка электронов, а затем и пи-мезонов снова вернуло нас
к энергетическому состоянию частиц, объясняющему,
казалось бы, необъяснимое — почему частицы, имеющие большую
массу (гипероны, антигипероны), ухитряются, да еще не
394

одна, а сразу несколько, умещаться в значительно меньшем
объеме протона (вернее, его массы). До поры до времени эта
большая масса, как туго заведенная пружина, невидимо
присутствует в энергии меньшей частицы, которая превращается
в массу соответствующих частиц после того, как покинет
тесную «темницу» протона.
Отчаяние ученых особенно усилилось после того, как
стало ясно, что по мере увеличения энергии частиц, разгоняемых
на ускорителях, растет и- количество все новых и новых
видов частиц, причем все они неизменно проходят цепочки
последовательных распадов и превращений одних в другие.
И чем большей энергией обладает каждая вновь
открываемая частица, тем в более тяжелую частицу она превращается
в самом начале процесса распада, тем короче время ее
существования.
Природа не любит сложных вещей. Все сложное, как
правило, неустойчиво. В конечном счете в основе подавляющего
большинства ее законов и явлений лежат очень простые вещи.
Сложным оказывается лишь путь к их пониманию. Короче
говоря, эти сложности заложены не в самой природе, а в
головах ученых. Ведь, несмотря на все великое разнообразие,
превращения частиц подчиняются определенным законам,
например тяжелые частицы сами по себе не могут превратиться
в легкие, электроны не могут стать фотонами, и т. д.
Так вот, не кроется ли разгадка всей великой сложности
и обилия элементарных частиц в очень простой идее: все они
представляют собой только различные энергетические
состояния очень небольшого числа истинно элементарных
частиц, а все остальные их свойства, приписываемые другим
частицам, являются их же ненормальным состоянием,
связанным с чрезмерной перегрузкой энергией?
Например, известный американский физик В. Вайскопф
считает, что в природе на самом деле существует только две
элементарные частицы — барион и лептон. Барионы — это
протоны и нейтроны, а лептоны — электроны, мю-мезоны и
два вида нейтрино. По сути же дела основными элементами
вещества являются только протон и электрон.
Пи-мезоны и /(-мезоны — это пакеты энергии,
испускаемые барионами, а странные частицы (ламбда, сигма икси) —
сами возбужденные барионы.
Только будущее, и, видимо, недалекое, покажет,
справедливы ли эти идеи. Сейчас пока ясно лишь одно: чем большим
количеством частиц будут располагать ученые, тем больше
вероятность открыть законы, позволяющие свести их великое
разнообразие к минимальному количеству действительно
элементарных частиц.
395

КОГДА 2X2- ОЧЕНЬ МНОГО!
Человечество никогда не сумело бы высвободить
чудовищно-огромную энергию, скрытую в недрах атома, если бы
удовлетворилось только открытием ядра атома и
окружающей его электронной оболочки. Именно попытки узнать, из
чего сложено ядро атома, позволили обнаружить обширное
семейство элементарных частиц и ту удивительную истину,
что, складывая когда-то из них ядра атомов существующих
элементов, природа хотя и действовала удивительно скупо и
целесообразно, но отнюдь не «мудро». Люди научились
«переупаковывать» ядра атомов значительно плотнее, чем это
было ранее сделано слепыми силами природы, а
высвобождаемую в результате этого излишне затраченную энергию
обращать в свою пользу
И нет ничего удивительного в том, что, создав такие
тонкие инструменты исследования, как ускорители частиц,
ученые захотели исследовать до конца или, по крайней мере,
проникнуть как можно глубже внутрь микромира.
Создавая все более и более мощные ускорители частиц,
ученые радовались, ибо каждый новый достигнутый рубеж
в энергии «снарядов» «атомной артиллерии», открывал
существование все новых и новых частиц, сперва единицами,
потом парами, затем уже десятками А физики-теоретики
предсказывают, что не за горами время, когда они станут
появляться сотнями.
Все это, помимо труда и усилий многочисленной армии
экспериментаторов, стоило еще и огромных материальных
затрат Каждое последующее поколение более мощных
ускорителей потребовало изготовления магнитов, весящих тысячи
и десятки тысяч тонн, ускорительных камер, размеры
которых стали измеряться километрами, а все сооружение, по
меткому выражению одного советского популяризатора, стало
по размерам приближаться к географическим объектам, а по
точности изготовления — к микроскопам
Естественно, что в соответствующих масштабах
возрастает и стоимость подобных сооружений
И хотя построенные до настоящего времени ускорители
поражают воображение энергией разгоняемых в них частиц—
33 миллиарда электронвольт, а с недавним пуском
советского ускорителя под Серпуховом — 70 миллиардов
электронвольт, спектр энергий, существующих в природе,
затронут человеком лишь в самом его начале: в космических
лучах встречаются частицы с энергией в 1020 электронвольт —
10 миллионов триллионов электронвольт'
По сравнению с этими природными ускорителями поисти-
396

не космических масштабов безнадежно меркнут даже
грандиозные проекты создания усовершенствованных
сверхмощных ускорителей уже установившихся типов: на 300 и даже
на 1000 миллиардов электронвольт. Возник вопрос, есть ли
смысл продолжать строительство подобных гигантов, у
которых вес, размеры, стоимость, требуемая точность
изготовления растут в кубической прогрессии, а энергии лишь
удваиваются? Почему бы не попытаться заняться своеобразной
микроминиатюризацией ускорительной техники?
Вопрос оказался более чем своевременным.
Уже давно в воздухе носилась очень простая, понятная
даже из повседневной жизни идея. Разрушительная сила
столкновения двух автомобилей, мчащихся навстречу один
другому, допустим, со скоростью 60 км каждый, оказывается
не в два, а в четыре раза большей, чем при столкновении
любого из них с неподвижным препятствием. По аналогии
с этим примером, если обстреливать потоком ускоренных
частиц не неподвижную мишень, а, допустим, мишень (или
поток таких же частиц), которая с такой же скоростью
движется навстречу летящим на нее частицам, то можно было
бы получить четырехкратный выигрыш в энергии
столкновения (в системе центра масс). Однако при столкновении
частиц, движущихся со скоростями, сопоставимыми или
близкими к скорости света, все значительно сложнее и, к счастью,
в пользу исследователей, так как в этом случае дело идет не
о чисто механических силах, а о величине энергии, которая
участвует в тех или иных ядерных реакциях. А это,
оказывается, не одно и то же.
Когда ускоренный до высокой энергии ион сталкивается
с неподвижной частицей мишени, то энергия ускоренной
частицы расходуется не столько на возможные при этом
ядерные реакции, сколько на разгон центра тяжести всей системы
сталкивающихся частиц. Последнее вытекает из законов
сохранения энергии и импульса, вследствие чего налетающая
частица принципиально никогда не в состоянии
израсходовать полностью свою кинетическую энергию, а покоящаяся
частица-мишень, получив удар, должна начать двигаться
с большой скоростью, что также требует значительного
расхода энергии. Примерно так же, как при попытке расколоть
молотком камень. Та часть энергии удара, которая
расходуется на перемещение камня, то есть на его ускорение,
оказывается потерянной для цели — расколоть камень. Если при
этом бить по тяжелому камню очень легким молотком, то
камень переместится недалеко; почти вся энергия молотка
пойдет на разрушение камня. Если же по легкому камню
или гальке бить тяжелым молотком, то почти вся энергия
397

ударов будет переходить в энергию перемещения гальки, а
для ее разрушения не останется ничего. Наконец, если вес
молотка и камня окажутся одинаковыми, то в результате
удара они будут двигаться вместе со скоростью, равной
половине первоначальной скорости молотка: молоток ее
потеряет, камень приобретет.
Для того чтобы определить, какая же доля энергии
может быть израсходована на интересующие нас реакции,
например на возникновение новых частиц, необходимо перейти
в систему центра масс, в которой обе частицы — и
налетающая, и частица-мишень — движутся навстречу одна другой.
В этом случае уже нет причин, препятствующих тому, чтобы
каждая из частиц в момент столкновения полностью
израсходовала свою энергию. Помимо этого, на сцену выступают
другие, так называемые релятивистские (близкие к скорости
света) эффекты, съедающие большую часть преимуществ,
получаемых при увеличении энергии ускоряемых частиц.
Мы уже говорили, что по мере приближения скорости
частицы к скорости света значительно увеличивается ее
масса, то есть мы увеличиваем массу нашего «молотка», а
следовательно, теряем все большую и большую долю энергии
на его ускорение. При столкновении протона, ускоренного до
•энергии в миллиард электронвольт, с неподвижным протоном
57% энергии (570 Мэв) расходуется впустую (на
последующее движение частиц) и только 43% (430 Мэв) могут быть
обращены на осуществление ядерной реакции. При
ускорении протона до 3 миллиардов электронвольт полезная часть
энергии оказывается равной всего 1,15 миллиарда электрон-
вольт; при 6 миллиардах электронвольт она составит лишь
2,0 миллиарда; при 10 миллиардах электронвольт
использовать можно 2,9 миллиарда, при 50 миллиардах — только
7,5 и, наконец, при 100 миллиардах электронвольт полезная
часть составит 10,5 миллиарда электронвольт.
Стократное увеличение энергии, от 1 до 100 миллиардов
электронвольт, дает только двадцатикратное увеличение
полезной доли энергии. Конечно, мы должны быть довольны и
этим, ибо других путей получения нужной энергии нет,
однако подобное уменьшение к. п. д. соударения снаряда о
мишень никого не устраивает.
Теперь предположим, что вместо обстрела частицами
высокой энергии неподвижной мишени (состоящей, допустим, из
тех же протонов) мы сумели осуществить между ними прямое
столкновение лоб в лоб. В момент столкновения обе частицы
мгновенно останавливаются, вследствие чего и
приобретенное ими до этого релятивистское увеличение массы
целикам пойдет на осуществление желательной ядерной реакции.
398

Щ/^ КИНЕТ. ЭНЕРГИЯ = О
/ч\ Энергия, которую
можно использовать
для ядерной реакции-
При встречном столкновении ускоренных частиц в иные частицы может превратиться большая
часть или даже вся кинетическая энергия этих частиц.

Конкретно, при столкновении протона, ускоренного до
энергии 30 миллиардов электронвольт, с неподвижным
протоном полезной оказывается энергия, равная только 8
миллиардам электронвольт. При столкновении же двух протонов,
ускоренных до той же энергии каждый, полезными
оказываются все 60 миллиардов электронвольт энергии. А чтобы
получить эти полезные 60 миллиардов электронвольт энергии
при столкновении движущегося протона с неподвижным так,
как это происходит в обычных ускорителях,
бомбардирующий протон пришлось бы разогнать до энергии 2000
миллиардов электронвольт.
А для дальнейшего прогресса физических исследований
как раз и требуется не суммарная величина энергии
сталкивающихся Частиц, а именно полезная ее доля.
Еще больший эффект можно получить, если разгонять не
тяжелые частицы, а электроны, так как при той же энергии
они имеют большую скорость. Полезная энергия двух
сталкивающихся «на лету» электронов, ускоренных «всего» до
миллиарда электронвольт (когда масса электрона
увеличивается в 30 тысяч раз!), оказывается эквивалентной тому,
как если бы один электрон покоился, а другой налетал на
него с энергией 2000 миллиардов электронвольт, то есть
2 триллиона. В чем же тогда дело? Почему бы не
воспользоваться этим методом?
Дело в том, что вещество мишени обычно имеет
плотность порядка 1022 ядер в кубическом сантиметре. Во
встречных же пучках частиц в миллиарды раз меньше, чем в таком
же объеме вещества твердой мишени. В этих условиях
сравнительно редкое облачко частиц может проскочить сквозь
«строй» другого такого же облачка, не вызвав ни единого
столкновения.
Отсюда вторая и, пожалуй, еще более трудная задача —
добиваться предельно возможных по плотности сгустков
ускоренных частиц, обеспечивающих какое-то реальное число
лобовых столкновений.
Эта же задача может быть решена и несколько иным
путем: почему бы, например, не заставить наше пока еще
сравнительно «не густое» облачко частиц встречаться с другим
таким же облачком огромное число раз, что должно
увеличить вероятность столкновений и тем самым компенсировать
недостаточную еще плотность потока частиц. Для этого
нужно заставить порцию электронов или иных частиц достаточно
долго — десятки часов и больше — циркулировать в
кольцевой вакуумной камере, устроенной примерно так же, как
кольцевая камера в больших синхрофазотронах, в так
называемых накопительных системах,
400

Ускоритель на встречных пучках электронов и позитронов.
Вращаясь на одной и той же орбите в течение многих
часов, частицы после каждого оборота будут возвращаться
в одну и ту же точку пространства. Нетрудно сделать так,
чтобы вращающиеся в двух разных кольцах, но в
противоположных направлениях частицы (например, электроны,
протоны или иные частицы) каждый раз встречались в этой
точке пространства. Для этого нужно лишь соединить в
одном месте оба кольца таким образом, чтобы они вместе как
бы составляли большую восьмерку.
Опыты по созданию ускорителей со встречными
пучками электронов были начаты в СССР еще Шлет назад. Первая
такая установка, названная скромно ВЭП-1, представляет
собой магнитную дорожку из двух соединенных вместе полых
железных колец диаметром немногим больше 2 м,
напоминающую большую цифру 8. Каждые 15 сек специальный
синхротрон «впрыскивает» в каждую половинку магнитной
дорожки навстречу одна другой порцию электронов,
предварительно ускоренных до энергии порядка 40 Мэв. Попав в
сильное магнитное поле, окружающее дорожку, электроны начи-
23 Энергия атома
401

нают закручиваться в ней и разгоняться до 130 Мэв,
затрачивая на один оборот всего стомиллионную долю секунды. Так
как сгустки электронов встречаются около 100 миллионов
раз в секунду, время от времени происходят лобовые
столкновения ускоренных таким образом электронов В
результате выделяется полезная энергия, которую можно было бы
получить, обстреливая неподвижную мишень потоком
электронов, ускоренных до энергии 70 миллиардов электронвольт.
Для получения этой же энергии иным путем пришлось бы
строить циклический ускоритель с кольцом диаметром 7 км,
а линейный ускоритель на такую же энергию протянулся бы
на 5 км.
Учитывая эти бесспорные преимущества, на новом
гигантском линейном ускорителе длиной около 3,2 км, построенном
в Стенфордском университете (США) и разгоняющем
электроны до энергии 10—20 миллиардов электронвольт,
предполагается соорудить еще и накопительные кольца. В них
энергия двух сталкивающихся лоб в лоб электронных пучков
будет соответствовать энергии, которую можно было бы
получить при бомбардировке неподвижной мишени потоком
электронов, разгоняемых до энергии 6 триллионов электрон-
вольт
Сразу же выявились и главные трудности. Пучок
электронов оказался недостаточно плотным, вследствие чего нужные
лобовые столкновения электронов происходили слишком
редко. Кроме того, сталкиваясь, электроны только
«рассеиваются», то есть отскакивают один от другого. Хотя это и
позволяет решить многие очень важные для физики вопросы, в
процессе таких столкновений другие частицы практически не
возникают.
Поэтому почти одновременно возникла идея накапливать,
а затем сталкивать не электрон с электроном, а электрон
с позитроном.
Так как заряды у них различны, то в одном и том же
магнитном поле они будут двигаться в противоположных
направлениях. Для их дополнительного ускорения и
накапливания может быть использована всего одна кольцевая
магнитная дорожка — накопитель.
Хотя электрон-позитронная установка конструктивно
значительно проще, получать в большом количестве
искусственным путем позитроны очень трудно. Однако эти трудности
с лихвой оправдываются тем, что, сталкиваясь, электроны и
позитроны взаимоуничтожаются (аннигилируют), но зато
вместо них появляются новые частицы и античастицы.
На этой идее и была создана установка ВЭПП-2,
представляющая собой массивное железное кольцо диаметром
402

около 5 м, внутри которого под действием магнитного поля
накапливаются и разгоняются навстречу один другому
сгустки электронов и позитронов, предварительно ускоренные до
энергии порядка 700 Мэв. В результате их столкновения
энергия в системе центра масс соответствует той энергии, которую
на обычном ускорителе с неподвижной мишенью можно было
бы получить, разгоняя частицы до энергии 2 триллиона
электронвольт. Линейный ускоритель на такую энергию
протянулся бы на сотни километров. Энергия, получаемая в
ВЭПП-2, дает возможность получать пары даже таких
тяжелых частиц, как мю-, пи- и /(-мезоны.
Большой интерес представляет собой разработка проектов
ускорителей, на которых будут сталкиваться уже протоны
с протонами.
В Новосибирске начато строительство ускорителя с
встречными протон-антипротонными пучками с энергией в каждом
из пучков, равной 25 миллиардам электронвольт. Такая
установка эквивалентна обычному ускорителю с энергией частиц
1200 миллиардов электронвольт.
При современных технических и экономических
возможностях уже можно говорить о строительстве ускорителей
с энергией по 1000 миллиардов электронвольт в каждом
встречном пучке, что будет эквивалентно обычному
ускорителю с энергией 2 миллиона миллиардов электронвольт.
26* 403

Ускорители со встречными пучками, как и бывает в
подобных случаях, оказались ключом не ко всем замкам
ядерной физики. На них, например, невозможно получить
вторичные частицы высоких энергий — гипероны, мезоны, нейтрино.
Но, обладая колоссальным преимуществом в осуществлении
соударений таких устойчивых частиц, как электроны,
протоны и их античастицы, они позволяют стереть ряд
вопросительных знаков у многих остающихся еще загадочными
проблем. Например, имеет ли электрон конечные размеры и если
да, то какие? Является ли пространство непрерывным или
оно прерывисто и подчиняется законам квантования?..
Эти ускорители дают возможность проверить законы
взаимодействия заряженных частиц на самых кратчайших
расстояниях. Получить как можно больше данных о
таинственном и пока еще проблематичном антивеществе. Ведь любое
антивещество представляет собой идеальное, даже не
атомное горючее. , Его теплотворная способность в тысячи раз
больше, чем у ядерного горючего, в сто раз больше, чем
у термоядерного, и в миллиарды раз выше, чем у нефти и
угля.

ШЕСТНАДЦАТАЯ
ИСКУССТВЕННЫЕ АТОМЫ
Начиная с первого, ставшего уже классическим опыта
Резерфорда, вот уже свыше 50 лет ученые-физики во всех
лабораториях мира неустанно самыми разнообразными
способами разрушают атомы вещества, для того чтобы изучить,
из чего и как они сложены, какими законами и силами
управляются. Выработалась даже характерная для такого способа
исследований терминология: «бомбардировка атома и его
ядра», «атомная артиллерия» и т. п. Период разрушения в
атомной физике привел к открытиям огромной важности для
человечества: высвобождению внутриядерной энергии,
созданию новых (трансурановых) элементов, получению
искусственных радиоактивных веществ, открытию новых частиц и
многого другого.
Однако этот неизбежный и необходимый этап в развитии
атомной физики, видимо, близится к концу. Структура атома
и его ядра, законы, ими управляющие, хотя далеко еще не
раскрыты и не поняты до конца, все же дали в руки ученых
405

достаточно знаний и средств, чтобы приступить к новому
этапу, который в предвидимом будущем станет важнейшим
направлением в развитии современной физики — созданию
искусственных ядер атомов с заданными свойствами.
Разрушая или преобразуя атомы посредством
бомбардировок их атомными же «снарядами», ученые имели
возможность создавать более или менее стройные и достоверные
теории, подтвердить которые, однако, окончательно могли
лишь такие опыты, которые позволили бы на базе тех же
самых теорий сложить разрушенные атомы или ядра вместе
или создать новые, хотя бы и примитивные, искусственные
атомные структуры. В случае даже частичной удачи перед
учеными открылись бы увлекательнейшие перспективы
создания не только отдельных атомов, но и веществ с самыми
необыкновенными свойствами сверхплотные, сверхлегкие,
сверхтяжелые. Первую такую успешную попытку удалось
осуществить в 1955 году. Речь идет об искусственном атоме —
позитронии.
ИСКУССТВЕННЫЙ АТОМ-ПОЗИТРОНИЙ
Теперь, спустя много лет, все в этом замечательном
открытии кажется довольно простым Однако посмотрим, что
же представляет собой такой искусственный атом.
Известно, что в результате распада некоторых
искусственных радиоактивных элементов
происходит излучение позитрона.
Следом за быстролетящим
позитроном тотчас же увязывается
свободный электрон, всегда
имеющийся в окружающем веществе.
Эта своеобразная погоня
кончается тем, что на ничтожно
короткий отрезок времени, равный в
одних случаях всего миллионным, а
в других даже десятимиллиардным
долям секунды, возникает
временное, неустойчивое атомное
образование — позитроний, в котором
отсутствует ядро, а электрон
вращается вместе с позитроном вокруг
некоторого общего центра тяжести
Электрически такой атом похож
Атомы водорода и пози- на атом самого легкого устойчивого
трония. элемента — водорода, в котором
СТТОД1
ВЗЗШЗИЗ \
ШЁ1МзЬШ^Ж
ОДИД ||[«kKH:I»KIBI51
406

один электрон вращается вокруг одиночного протона. Но так
как позитрон не тяжелее электрона, то новый искусственный
атом — позитроний — весит приблизительно в 1000 раз
меньше, чем обычный атом водорода, а его диаметр в два раза
больше атома водорода.
За невероятно короткое время своего существования
позитрон и электрон тем не менее успевают совершить около
миллиона оборотов один вокруг другого, а затем,
сталкиваясь, взаимно уничтожаются. Позитроний исчезает, излучая
два фотона.
ДВА ФОТОНА ИЛИ ТРИ?
Закон сохранения количества движения говорит, что
сумма количества движения двух или нескольких
взаимодействующих тел никогда и ни при каких обстоятельствах не
меняется. Исчезновение позитрона и электрона и
преобразование их в кванты излучения аналогично отдаче ружья при
Почему появляются кванты отдачи.
выстреле пулей. Выстрелу одного фотона излучения
неизбежно должен соответствовать вылет другого, точно такого же
фотона с одинаковой энергией в строго противоположном
направлении.
Энергия фотонного выстрела равна приблизительно
1 Мэв — по 500 тысяч электронвольт на каждый фотон.
Иногда позитроний выбрасывает не два, а три фотона. По
теории он может выбросить и большее число фотонов при
условии, что энергия, появляющаяся в процессе
преобразования материальных частиц — позитрона и электрона в фотоны,
распределяется поровну между этими фотонами.
Следует указать, что непосредственно наблюдать момент
образования позитрония не удается. Он обнаруживает себя
407

лишь в момент своей гибели — одновременным появлением
двух или трех одинаковых квантов излучения
Квантовая теория предсказывает, что должно
существовать два типа позитрония: один, живущий 1,25 • \0~юсек, при
своем исчезновении выбрасывает два фотона, и другой со
сроком жизни 1,4 . М)-7 сек, выбрасывающий при распаде три
фотона.
В нашем представлении это ничтожно малые отрезки
времени, за которые, кажется, ничего существенного произойти
и не сможет, однако в мире атомных частиц это очень
большое время, и его вполне достаточно, чтобы обнаружить,
проследить и измерить все фазы столь скоротечного процесса,
как образование и распад позитрония.
Двухфотонный позитроний получил название
пара-позитроний, трехфотонный — орто-позитроний.
ПОЧЕМУ ВАЖНО ЗНАТЬ ЕЩЕ И СПИН ЧАСТИЦЫ
Помимо массы и электрического заряда, электрон
обладает целым рядом других свойств. Одним из наиболее
важных является то, что он вращается не только вокруг ядра, но
одновременно вокруг своей собственной оси с постоянной
угловой скоростью. Эта скорость характеризуется особой
величиной, которая называется спином.
Вращаясь вокруг ядра атома со скоростью, составляющей
несколько процентов от скорости света, электрон придает
своеобразною «жесткость» сфере той части пустого
пространства, по которой он движется. Чтобы реально убедиться в
возможности существования такой жесткости, попробуйте сунуть
карандаш в туманное пятно быстро вращающейся
крыльчатки настольного вентилятора.
Вращение электрона вокруг ядра нельзя ни ускорить, ни
замедлить. Нельзя и изменить его, не разрушив самого
электрона
Величину спина нельзя выразить числом оборотов в
минуту. Поэтому его измеряют в единицах момента
количества движения. Это несколько сложное понятие.
В механике момент количества движения равен
произведению вращающейся массы на ее скорость и на расстояние от
этой массы до центра, вокруг которого она вращается. Чем
больше скорость вращения, масса и размер тела или любая
комбинация этих величин, тем больше момент количества
движения Иными словами, это понятие характеризует
интенсивность вращения, то есть запас движения. Его величина
связана с усилием, которое необходимо, чтобы вызвать или
408

приостановить вращательное движение. Вращающийся
электрон имеет ничтожную массу и величину. Поэтому момент
количества движения его столь же ничтожно мал. Но в
масштабах микромира он огромен, подобно отношению момента
количества движения у волчка или у карусели.
В микромире спин частиц обычно измеряют в единицах
спина фотона, который условились считать равным единице.
Спин электрона равен половине, то есть половине момента
количества движения фотона. Некоторые частицы не имеют
спина вовсе — например, пи-мезоны. Все остальные частицы
имеют спин, равный половине или единице.
Когда электрон и позитрон закручиваются один вокруг
другого и временно образуют атом позитрония, их спины
могут быть либо параллельными, либо антипараллельными.
В первом случае уже в масштабах всего атома они
складываются и в целом дают спин, равный единице. Во втором
суммарная величина спина равняется нулю. Этим и
объясняется возможность существования двух видов позитрония.
В атоме орто-позитрония электрон и позитрон вращаются
параллельно, а в атоме пара-позитрония их спины направлены
навстречу один другому. В момент распада позитрония
возникают очень сложные и тонкие взаимодействия, в которых
решающую роль играют именно спины всех участвующих
в этом явлении частиц, как и спины вновь образующихся
фотонов.
Фотоны, являющиеся одной из форм существования
движущейся материи, проявляют одновременно и свойства
частиц, и свойства электромагнитных волн. Рассматриваемые
как частицы, фотоны тоже обладают спином. Спин каждого
фотона равен уже целой условной единице. Они могут
вращаться в разных направлениях, и, следовательно, спины
фотонов тоже могут складываться или вычитаться. При
параллельном вращении суммарный спин двух фотонов равен
двум. При противоположном вращении (антипараллельном)
он равен нулю.
Вращение, как и любое иное движение, подчиняется
закону сохранения количества движения. Вот поэтому-то орто-
позитроний с суммарной величиной спина двух его частиц —
позитрона и электрона, равной единице, не может распасться
на два фотона, так как спины двух его фотонов (по единице)
могут складываться и давать либо нуль (вращаясь навстречу
один другому), либо две единицы (вращаясь параллельно).
Орто-позитроний претерпевает единственно возможное для
него преобразование: он распадается на три фотона. Два
антипараллельных фотона в сумме дают спин, равный нулю,
а третий фотон дает единицу. Поэтому сумма спинов всех трех
409

$ЩШЭа
hi &
IBPtMH тИ4НкШ
■1 QR • lO~10nFK l^
CMMil
ШНЕЗ
Две разновидности атомов позитрония: слева — пара-позигроний и
справа — орто-позитроний; рисунок показывает, каким образом складываются
спины составляющих их ядерных частиц (электрона и позитрона) и
получающихся в результате распада позитрония фотонов.
фотонов равняется единице, то есть сумме спинов позитрона
и электрона, и, следовательно, делает такой распад
возможным.
Пара-позитроний же, наоборот, имея суммарный спин
двух его частиц, равный нулю, легко превращается в два
фотона, суммарный спин которых может равняться или нулю
(антипараллельно) или двум (параллельно).
410

Благодаря спину электрон и позитрон обладают еще и
магнитными свойствами, то есть, вращаясь, они ведут себя
как маленькие магнитики, полюса которых направлены более
или менее точно вдоль осей вращения этих частиц. В орто-
позитронии северные и южные полюса обеих
частиц-магнитиков— позитрона и электрона — направлены в
противоположных направлениях, электрические же свойства электрона и
позитрона проявляются, когда эти частицы вращаются в
одном и том же направлении. Слабое отталкивание между
двумя одинаковыми полюсами делает всю систему орто-по-
зитрония менее устойчивой, чем у пара-позитрония, в котором
магнитное притяжение несколько усиливает электрическое
притяжение. Вследствие этого в среднем энергия ортб-пози-
трония несколько выше, чем пара-позитрония.
Может быть, все это уж чересчур большие тонкости, но
они играют огромную роль в определении уровня энергии
частиц, особенно для того, чтобы установить причины, почему
такой искусственный атом стремится распасться. Например,
ученым удалось подметить, что время от времени атом орто-
позитрония делает как бы преждевременные попытки
взорваться. Однако суммарный спин его частиц, равный единице,
позволяет ему превратиться лишь в один фотон (со спином,
равным единице), но это, как вы видели выше, невозможно,
так как распасться с выбрасыванием всего одного фотона
ничто в природе, в том числе и атом орто-позитрония, не
может. Пара-позитроний, наоборот, даже не пытается стать
одним фотоном, так как его спин, равный нулю, для этого
вовсе не, годится. Зато, когда наступает его время
распадаться, он бео затруднений превращается в два фотона. Спины
всех его частиц этому не препятствуют: суммарный спин двух
фотонов тоже равен нулю. Пара-позитроний поэтому более
устойчив, чем орто-позитроний.
Теоретические исследования всех этих эффектов
показывают, что разница между энергиями двух таких атомов
составляет всего около Viooo электронвольта.
МЕЗОННЫЙ АТОМ
Ранее уже отмечалось, что носителями сил притяжения,
существующими между электрически разноименно
заряженными частицами, являются фотоны — кванты
электромагнитного излучения, которыми непрерывно обмениваются эти
частицы. Короткодействующие внутриядерные силы своим
существованием обязаны пи-мезонам — частицам, имеющим
массу более 273 масс электрона.
411

Так выглядит мезонный атом по
сравнению с обычным атомом
водорода.
В соответствии с этими выводами
квантовой теории наряду с позитронием
возможно существование и другого не
встречающегося в природе атома, у
которого вместо электрона вокруг ядра,
состоящего из обычных протонов и
нейтронов, вращается мезон. Это так
называемый мезонный атом.
Именно в силу того, что мезон
является носителем пока еще
таинственных внутриядерных сил, изучение такого
мезонного атома представляет собой
исключительный интерес для физики
атомного ядра.
Здесь стоит вспомнить о некоторых
особенностях структуры обычного атома,
например водорода. В нем одиночный
электрон вращается вокруг протона по
круговой орбите диаметром около 10~8
(стомиллионной) см, а диаметр самого
протона, как известно, равен примерно
\0~13см. Если такой атом поглотит извне
порцию (квант) энергии, его электрон
покидает свою нормальную орбиту и
мгновенно перепрыгивает на другую,
более удаленную от ядра атома орбиту.
Под действием сил притяжения
положительно заряженного ядра электрон
одним или несколькими
последовательными прыжками тотчас же возвращается на свою основную
орбиту, каждый раз высвобождая в виде электромагнитного
412

излучения — квантов света — поглощенную до этого атомом
излишнюю порцию энергии.
Атом каждого элемента имеет определенный набор таких
орбит и поэтому излучает свет только определенной,
свойственной ему длины волны, а следовательно, и цвета.
Теперь посмотрим, что может получиться, если в атоме
водорода электрон заменить отрицательно заряженным
мезоном. В соответствии с квантовой теорией мезону, так же как
раньше электрону, будет предоставлен выбор тоже строго
определенного числа орбит вокруг ядра атома, и перескок
его с одной орбиты на другую будет сопровождаться
характерным излучением. В случае мю-мезона, который в 210 раз
тяжелее электрона, расстояние до каждой из его орбит
вокруг ядра атома уменьшится тоже в 210 раз, а следовательно,
и длина волны излучения при перескоках мю-мезона между
этими орбитами сократится в тех же самых пропорциях, то
есть в 210 раз. Если на место электрона становится пи-мезон,
который тяжелее его в 273 раза, то все орбиты и
соответственно длины волн излучения атома сокращаются тоже в
273- раза.
Такое уменьшение длины волны переводит излучение
атома из спектра видимого света в спектр длинных, то есть
очень мягких, рентгеновых лучей, отличающихся малой
проникающей способностью. Вследствие этого их трудно
обнаруживать и изучать.
Более тяжелый мезонный атом должен излучать и более
короткие волны, то есть более жесткие и проникающие лучи.
Насколько же все эти предположения совпадают с
данными опытов?
Чтобы создавать мезонные атомы, необходимо иметь
ускоритель, энергия которого позволяет получать из облучаемых
веществ поток отрицательных мезонов; устройство, в котором
эти мезоны замедляются до тепловых скоростей, а затем
захватываются ядрами атомов соответствующих элементов; и,
наконец, счетчики, позволяющие обнаруживать и измерять
длину волны рентгеновых лучей, излучаемых возбужденными
мезонными атомами.
Первые опыты были произведены с мю-мезонами. В том
случае, когда эти мезоны захватывались относительно
легкими атомами, например неоном или углеродом, все
происходило в соответствии с ожидаемыми результатами — длина
волны рентгеновского излучения, испускаемого при ijepe-
скоках мю-мезонов с орбиты на орбиту, соответствовала
210-кратной разнице в массе между мю-мезоном и
электроном. Однако, когда дело перешло к тяжелым атомам, это
соотношение резко нарушилось — энергия рентгеновского излу-
413

КВАНТ СВЕТА
Механизм поглощения и излучения энергии обычным и мезонным
атомами
чения здесь значительно уменьшилась, в то время как законы
излучения действительны для любых видов атомов.
Что же случилось с таким мезонным атомом?
Разбор именно этого явления подтвердил достоверность
и точность теоретических расчетов, основанных на квантовой
теории атома Ответ на этот вопрос можно получить,
рассчитав местоположение мезонных орбит вокруг ядра какого-
либо тяжелого атома, например свинца. Если один из его
внешних электронов заменить мю-мезоном, то диаметр орбиты
этого мезона будет равен 5,8 • \0~13см.
Диаметр ядра атома свинца равен 17 . 10~13 см. Выходит,
что мезонная орбита в этом случае почти втрое меньше
диаметра ядра своего собственного атома и, другими словами,
должна проходить уже внутри ядра.
Невероятно, но факт!
Мы знаем, что ядро атома — исключительно плотное тело.
Однако плотность еще не означает обязательно
непрозрачность. Непроницаемость вещества является понятием лишь
нашего мира — макромира В мире атома, очевидно,
существуют другие понятия. И совершенно не исключена
возможность, что мезон может свободно путешествовать внутри
ядра, не встречая препятствий своему движению.
Именно это и происходит в нашем случае. Совершив в
короткое время (за стомиллионную долю секунды) огромное
количество оборотов — миллионы миллионов, — мезон затем
414

поглощается -ядром атома свинца, и энергия, эквивалентная
массе поглощенного мезона, с большой силой взрывает это
ядро. При этом выделяется довольно большое количество
энергии.
Измеряя длину волны рентгеновского излучения мезон-
ного атома, ученые воспользовались этим, чтобы рассчитать
диаметр ядра атома. Согласно современным воззрениям, ядро
атома представляется как облако электрического заряда,
очень плотное, но идеально «жидкое», благодаря чему оно
и не оказывает сопротивления движению мезона.
Большой интерес представляют и результаты, полученные
с пи-мезонами.
В противоположность мю-мезону, пи-мезон
взаимодействует с веществом ядра атома значительно быстрее и сильнее.
В мезонном атоме водорода мю-мезон, например, может
спокойно вращаться по своей орбите вокруг протона в течение
сравнительно долгого, по атомным масштабам, времени,
равного нескольким микросекундам. После этого он распадается
на электрон и несколько нейтрино.
С пи-мезоном в таком атоме дело обстоит совсем
по-другому. Едва он попадает на самую близкую к ядру орбиту,
как тотчас же срывается с нее и захватывается протоном,
вследствие чего время его существования в атоме в миллион
раз короче, чем у мю-мезона. В этом случае отрицательный
Что происходит с мезонным атомом более тяжелых, чем углерод,
элементов — меди и свинца. Орбита мезона в атоме свинца
проходит уже внутри его ядра.

В относительно тяжелом атоме
(например, неона) пи-мезон срывается и
захватывается ядром атома, не
достигнув даже самой ближней к нему
орбиты. В еще более тяжелом атоме
(свинца) пи-мезон срывается и
захватывается уже с пятой или шестой
орбиты. Внизу показана звезда —
след взорвавшегося ядра атома,
после того как оно сорвало с орбиты
и поглотило пи-мезон.
пи-мезон соединяется с
положительным протоном, заряды
их взаимно нейтрализуются, и
они становятся нейтральными
частицами.
В более тяжелом атоме это
явление протекает еще
живописнее. Например, в атоме
неона пи-мезон даже не
достигает самой ближней к ядру
орбиты: он поглощается
ядром, едва попав на
предпоследнюю орбиту.
«Жадность» ядра атома на
пи-мезоны совершенно
невероятна. А в таких тяжелых
атомах, как свинец, внутри
ядра которых мю-мезон может
вращаться почти
беспрепятственно, пи-мезон
захватывается ядром, находясь еще на
пятой или шестой от ядра
орбите. На опыте это
подтверждается тем, что отсутствует
рентгеновское излучение,
соответствующее более близким
орбитам.
После того как пи-мезон
оказывается захваченным
ядром атома, он полностью
исчезает. Так же как и при
захвате мю-мезона, энергия,
эквивалентная его массе, разрывает
ядро на множество осколков.
На толстослойных
фотопластинках это дает ярко
выраженную звезду.
Нарисованная нами
картина мезонного атома, его орбит
и т. п. является очень
упрощенной; частицы, которые мы
заставляем путешествовать по
орбитам, на самом деле
«размазаны» по всему объему
атома, и некоторым образом они
постоянно касаются ядра.

МОЖНО ЛИ УКРОТИТЬ
ВОДОРОДНУЮ БОМБУ?
ЕСЛИ БЫ РАЗМЕНЯТЬ НА „ГРОШИКИ"!
Мы уже видели, что контролируемая цепная реакция —
та, что происходит в ядерном реакторе, — это замедленный
в миллионы и миллиарды раз взрыв атомной бомбы.
А как быть с водородной бомбой?
Нет спору, гигантский термоядерный взрыв —зрелище
величественное и захватывающее. Но вряд ли найдется на
Земле очень уж много случаев, когда мгновенное
освобождение столь огромной энергии может быть использовано
эффективным образом. Поэтому желательно замедлить
реакцию синтеза, сделать ее управляемой.
Можно часами стоять, любуясь грозной красотой
водопадов Виктория, Ниагара или Кивач, буйным течением дикой
Ангары. Но, полюбовавшись вдосталь красотами природы,
человеческий ум начинает тут же подсчитывать
энергетические ресурсы воды и прикидывать, как бы перевести эти
миллиарды киловатт-часов, растрачиваемые даром, в киловатт-
часы электроэнергии, не нарушая при этом и природных
красот водопада или реки.
27 Энергия атома
417

Ядерную энергию, высвобождающуюся при соединении
ядер легких элементов в ядра атомов гелия, человек научился
эффективно получать пока, только производя взрыв атомной
бомбы внутри устройства, называемого водородной бомбой и
наполненного веществами, содержащими атомы изотопов
водорода или других легких элементов. При этом
высвобождается еще больше энергии, чем при взрыве атомной бомбы,
но высвобождается мгновенно.
Создав водородную бомбу, честные ученые не могли,
конечно, не задуматься и над такой сложнейшей задачей, как
обуздать новую энергию, этого еще более дикого и
норовистого коня XX века.
Не может быть, чтобы, открыв какое-то новое физическое
явление, человек не научился им управлять! Раз можно
надежно и прочно запереть в стены реактора и приручить
атомную энергию, то можно найти управу и крепкие запоры и для
новой, термоядерной энергии, которая пока еще кажется
страшным диким зверем.
Что же препятствует этому?
Термоядерная реакция в том виде, в каком мы ее пока
научились получать, может протекать только в условиях,
когда смесь изотопов водорода нагревается до температуры
в несколько сотен миллионов градусов и подвергается при
этом давлению порядка миллиардов атмосфер. Создать на
Земле эти условия, которые, видимо, постоянно существуют
внутри Солнца и звезд, можно только на мгновение,
длящееся в течение двух-трех миллионных долей секунды в
оболочке, внутри которой взрывается атомная бомба. Создать
эти давления и температуры на сколько-нибудь длительное
время человек пока не может.
Как же поступить?
Предположим, что со временем ученым удастся создать
какие-то устройства, которые позволят уменьшить силу
взрыва водородной бомбы, допустим, в 100 или 1000 раз. Этого
все равно совершенно недостаточно.
Значит, оставаясь привязанной к атомной бомбе, ядерная
энергия соединения водорода обречена еще долго быть
«великаном», способным расколоть надвое целый горный хребет,
уничтожить или создать в океане новый остров, но не
умеющим сдвинуть даже на миллиметр, не уничтожив его,
космический корабль, не способным зажечь даже лампочки от
карманного фонаря?
Но теоретически, если бы в 1 мм3, наполненном атомами
водорода, мы могли хотя бы на миллионную долю секунды
создать давление и температуру, развиваемые при взрыве
большой атомной бомбы, то термоядерная реакция синтеза
418

Сравнительная сила взрыва атомной и водородной бомб.
все же произошла бы, и в этом небольшом объеме
выделилось бы сравнительно небольшое количество энергии.
Продолжая эту мысль, вместо пространства в 1 мм3 мы
могли бы взять Vio, Vioo, Viooo долю его, то есть практически
любое малое пространство, и тем самым довести количество
получаемой от него термоядерной энергии до нужной нам
величины. Разменять ее на «грошики»! Лишь бы мы могли
создать нужные нам температуры (сотни миллионов градусов)
и давления.
Есть ли пути получить их?
Сейчас нет, но можно с уверенностью считать, что когда-
нибудь в будущем, и, возможно, не таком уже далеком, это
сделать удастся.
Откуда эта уверенность?

„КРИК" СТАЛКИВАЮЩИХСЯ ГАЛАКТИК
Астрономов и астрофизиков в течение долгого времени
интересовало происхождение особых тонковолокнистых
туманностей, состоящих из очень длинных, но относительно
узких полос, напоминающих вуаль, одна из которых хорошо
видна в созвездии Лебедя. Лишь в последнее время ученым
удалось установить, что эти светящиеся полосы появляются
в результате распространения в массе межгалактического
газа (предполагается, что это сильно разреженный водород)
особых ударных волн. Распространяясь с огромной скоростью,
эти волны вызывают свечение газа, то есть излучение им
электромагнитных волн видимого света, а также особенно
мощных радиоволн.
Светящиеся полосы в созвездии Лебедя, возможно,
появились в результате грандиозного, не передаваемого по
масштабу космического явления — столкновения двух гигантских
галактик. Столкновение двух газовых туманностей,
принадлежащих этим галактикам, и вызвало появление в газе
ударных волн, температура и давление в которых, видимо,
несравненно превышают температуры и давления, развиваемые
даже при взрыве водородной бомбы.
Можно ли перенести обстановку такого грандиозного
космического явления на нашу крошечную Землю? Целиком,
конечно, нельзя, но частично, видимо, можно. Ведь создаем же
мы при взрыве атомной или водородной бомбы условия,
существующие только в недрах Солнца и звезд.
В последние годы ученым удалось найти способы в земных
условиях получать ударные волны в газах, при которых
развивается пока еще «небольшая» температура — порядка
нескольких миллионов градусов.
Подобные температуры пока что могут интересовать лишь
астрономов да инженеров-астронавтов.
Однако эта область температур скрывает в себе весьма
важные физические процессы, которые уже в ближайшем
будущем могут представить несомненный интерес и для
физиков.
Речь идет о трубчатой камере, в которой можно создавать
ударные (взрывные) волны в газе, развивающие на короткое
время огромные давления. Ее действие основано на известном
факте, что при быстром сжатии газ нагревается. Когда же
это давление нарастает с громадной скоростью, как это
бывает в ударной волне, создаваемой при взрыве или движении
самолета, летящего со сверхзвуковой скоростью, в тепло
превращается уже значительно большая часть энергии движения
газа. При скорости, превышающей в четыре раза скорость
42Q

звука, носовая часть реактивного самолета нагрелась бы
почти до 1000°, если бы она усиленно не охлаждалась. При
скорости, превышающей скорость звука в 10 раз, ударная
волна может нагреть газ до температуры выше 3000°, при
20-кратной скорости — до 6000°. Наконец, при скорости,
в 620 раз превышающей скорость звука, температура
достигает миллиона градусов!
Камера имеет форму трубы, разделенной тонкой медной
перепонкой на две части. В одной из них сжигается смесь
водорода с кислородом, благодаря чему создается высокое
давление, растущее до тех пор, пока не разрывается перепонка,
разделяющая трубу. Тогда в газе, заключенном во второй
половине трубы, возникает ударная волна, скорость которой
может в 20 и больше раз превышать скорость
распространения звука.
В другой трубе такого типа газ взрывается мощным
электрическим разрядом, что позволяет получить ударную волну,
скорость которой уже в 34 раза больше звуковой.
О серьезных изменениях, которые претерпевают при этом
атомы газа, свидетельствует ослепительно яркое свечение
в тех местах, на которые приходится максимальная плотность
сжатия газа в ударной волне.
Направленный в спектрограф пучок этого света позволяет
определить температуру газа и давление в нем.
Представим теперь себе, что техника создания мощных
ударных волн позволит получать в газообразном водороде
Трубчатая камера, в которой создаются ударные волны.

мгновенные ударные волны, температура и давление которых
будут приближаться к тому, что можно получать при взрыве
атомной бомбы. Особых принципиальных препятствий к этому
как будто бы нет. Заключенное в рабочей камере такой
установки небольшое количество атомов изотопов водорода
получит возможность соединиться в атомы гелия с выделением
огромной энергии.
ПЛАЗМА-ЧЕТВЕРТОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА
Наш повседневный жизненный опыт, ограниченный
поверхностью сравнительно плотной и не слишком горячей
планеты и ее ближайшего окружения, привел к убеждению, что
любое вещество может существовать только в трех
состояниях: твердом, жидком и газообразном. Наиболее наглядно
об этом можно судить по воде, могущей пребывать в виде
льда, жидкости или пара.
Но если взять Вселенную в целом или хотя бы только
нашу Галактику, картина получается совершенно иной.
Материи во всех этих трех состояниях, вместе взятых,
оказывается ничтожно мало — количество, которое, выражаясь
языком химии, смело можно назвать «следами».
Вещество в твердом, жидком или газообразном состоянии
просто не может существовать ни в недрах невообразимо
горячих звезд, ни в облаках светящегося водорода, который
заполняет большую часть космического пространства. А на их
долю приходятся почти все 100% вещества, заполняющего
Вселенную.
Мы уже говорили, что неподвижной материи в природе
не существует и существовать не может. А всякое
беспорядочное движение молекул, атомов, атомных и ядерных частиц
связано с температурой. Чем выше температура данного
физического тела или вещества, тем быстрее и энергичнее это
движение, а следовательно, и частота их столкновений.
Ну, а чем энергичнее и чаще эти столкновения, тем скорее
начинают ослабевать, затем и рваться одна за другой
связи, удерживающие молекулы в веществе, атомы — в
молекулах, атомные частицы — в атоме, ядерные частицы —
в ядре атома.
Первой разрушается кристаллическая решетка твердого
тела — оно, за исключением некоторых органических веществ,
сначала размягчается, затем плавится и превращается
в жидкое тело.
Самое тугоплавкое твердое вещество превращается в
жидкое при температуре не выше 3000—4000°,
422

20° С
t = 100 000°C
t=1000 000°C
P=10 000 000 000
атмосфер
t = 1000 000° С
Что происходит в газе при нагревании его до сверхвысокой температуры:
а — атомы газообразного дейтерия, заключенного в разрядной трубке, под
действием комнатной температуры движутся в самых различных
направлениях; б — газообразный дейтерий нагрет до температуры 100 тысяч
градусов; атомы его превратились в плазму, то есть лишились своих
электронных оболочек; движущиеся с огромной скоростью ядра атомов и
электроны непрерывно бомбардируют стенки трубки, передавая им свое
тепло; в — к трубке приложено внешнее магнитное поле; движение частиц
из прямолинейного превратилось в спиральное, плазма сжалась в тонкий
шнур и оторвалась от стенок трубки; вследствие этого ее температура
быстро возросла до миллионов градусов, а давление — до десятков мил*
лиардов атмосфер.

Вода может существовать в жидком виде только до
температуры 100°. Выше этого она превращается в пар Но ее
еще можно сохранить в жидком виде под огромным
давлением. Но выше 2000° она, несмотря ни на какие чудовищные
давления, в жидком виде существовать уже не может.
Следовательно, выше этой температуры никаких видов водных
реакций в природе не существует.
При температуре выше 4000—5000° рвутся последние
связи внутри молекул, и вещество распадается на
составляющие его атомы. А это означает прекращение всех обычных
химических реакций
Остается один лишь газ, но, правда, газ не обычный
Чтобы понять, что это будет такое, рассмотрим поведение
какого-либо чистого газа при нагревании
По мере повышения температуры движение его молекул
становится все более и более энергичным и они все сильнее
сталкиваются одна с другой. Первыми начинают отрываться
электроны, расположенные на самых внешних оболочках и
слабее всех связанных с ядрами своих атомов. Внутри газа
появляется как бы второй газ, состоящий из свободных,
вырванных из «насиженных» гнезд электронов. Вслед за ними
наступает очередь электронов, «сидящюс» на более глубоких
и прочных орбитах.
Этот процесс сопровождается диссоциацией молекул
газа, то есть распадом их на ионизированные атомы.
А столкновения между ионизированными молекулами и
лишенными всех или части своих электронов атомами
учащаются и усиливаются, пока газ не начинает напоминать
кровь, у которой кровяные шарики плавают в жидкости,
называемой плазма.
Такой газ, в котором под действием очень высокой
температуры произошло разделение вещества на мечущиеся
с бешеной скоростью и непрерывно сталкивающиеся между
гобой свободные электроны, оголенные от электронов ядра
атомов — ионы и целехонькие, каким-то чудом все еще
удерживающие свои электроны атомы, ученые стали тоже
называть, по некоторому сходству с кровью, плазмой.
Вот в таком, плазменном состоянии и находится
подавляющее большинство материи Вселенной: звезды, межзвезд
ный газ, недра планет. «Идеальной» плазме, с полностью
разделенными атомными частицами, соответствует температура
в несколько десятков миллионов градусов.
Однако плазма — это не только нагретый до невероятно
высокой температуры газ. Это совершенно иное физическое
состояние, проявляющее целый ряд важных и просто
необыкновенных свойств — четвертое состояние вещества.
424

Плазменное состояние может возникнуть и при менее
высоких и даже относительно низких температурах, например
если газ находится в сильно разреженном состоянии. Прежде
чем столкнуться, частицы такого газа успевают приобрести
скорость и энергию столкновений, соответствующую тем же
очень высоким температурам, а из-за малого количества
таких сталкивающихся частиц весь объем газа будет
относительно холодным. Так огромная, спокойно стоящая толпа
на площади может быть практически бездеятельна, в то время
как сравнительно небольшая толпа сильно возбужденных и
мечущихся людей может причинить много неприятностей.
Пламя свечи, электрическая дуга, огненная струя,
вырывающаяся из сопла реактивного двигателя или ракеты, — все
это плазма.
Коронный электрический разряд, северное сияние,
свечение лампы холодного света, огни святого Эльма,
ослепительный след молнии и многие другие явления такого же
порядка — тоже плазма.
По ряду признаков плазма действительно сходна с газом.
Она и разрежена и текуча. Однако на уровне молекул и
атомов природа ее строения совершенно различна и именно это
объясняет чрезвычайно широкое разнообразие ее свойств, что
резко отличает плазму от всех остальных состояний
вещества.
Газы являются относительно спокойной смесью
сравнительно медленно движущихся молекул, которые ведут себя
почти как независимые тела. Они очень слабо притягиваются
одна к другой, значительно сильнее отталкиваются, а когда
сталкиваются, то отскакивают, как бильярдные шары.
В плазме атомы ионизированы, то есть состоят частично
или целиком из заряженных частиц, которые или
отталкиваются, или притягиваются одна к другой и в то же время
мечутся со страшной скоростью. Энергия, заключенная в их
скорости, делает плазму значительно горячее, чем любое
химическое пламя.
Более того, в одной и той же плазме могут параллельно
существовать по крайней мере три различные температуры:
температура быстрых электронов, она же и самая высокая
в плазме; температура нейтральных, неионизированных
атомов— самая низкая в плазме; промежуточная температура,
соответствующая движению ионизированных в разной
степени атомов плазмы.
Взятая в целом, нагретая даже до самой высокой
температуры, плазма электрически нейтральна, так как содержит
одинаковое количество отрицательно и положительно
заряженных частиц (электронов и ионов). Но если к ней при-
425

ложить внешнее электрическое напряжение (поле), то в ней
возникнет электрическая проводимость двух видов:
отрицательная (благодаря движению электронов в одном
направлении) и положительная (благодаря движению ионов в
противоположном направлении).
Одновременно плазма способна сама течь, как жидкость,
вступать в реакцию с другими веществами, как химический
раствор. Она легко поддается воздействию внешнего
электрического и магнитного полей. При некоторых условиях плазма
является отличным проводником электрического тока, не
хуже меди или алюминия.
Плазма может быть холодной, сверххолодной,
сверхгорячей, сверхбыстрой и сверхплотной. Но это всё условные
эпитеты.
Название «холодная» в приложении к плазме имеет
несколько необычный характер — речь идет о плазме,
температура которой не превышает миллиона градусов. Плазма с
температурой меньше 100 тысяч градусов считается
сверххолодной, и ядерная физика пока ею не интересуется вовсе.
Плазма с температурой выше 100 миллионов градусов считается
уже горячей, а выше 5 миллиардов градусов — сверхгорячей.
Сверхгорячую плазму называют еще релятивистской, потому
что заключенные в ней частицы движутся со скоростями,
почти равными скорости света.
Плазму можно сравнить с некой системой денежных
единиц, посредством которых природа осуществляет большинство
преобразований, связанных с получением, сохранением и
высвобождением энергии.
Звезды являются гигантскими сгустками плазмы, и
идущие в их недрах термоядерные реакции, в результате
которых выделяются невообразимо огромные количества теплоты
и света, не могут осуществляться ни при каком ином
состоянии вещества, кроме как в плазменном.
ЧУДОДЕЙСТВЕННАЯ ИСКРА
Электрический разряд всегда привлекал внимание ученых.
Возможность зарядить какое-либо тело до огромного
электрического напряжения, а затем разрядить его в ничтожно
короткое время через тоненький проводник или небольшой
объем какого-нибудь вещества прямо подсказывала, что в
этом случае на пути ослепительно яркой искры должна
мгновенно выделиться очень большая энергия, а следовательно,
и развиться очень высокая температура при соответствующем
огромном давлении.
426

Примером, подкрепляющим эти соображения, является
молния, разрушительная сила которой общеизвестна.
Поэтому уже с XVII века ученые во всем мире, начиная
с В. Франклина и М. В. Ломоносова, усиленно исследуют это
и хорошо известное и во многих деталях еще таинственное
явление.
Особое внимание з этих исследованиях всегда привлекало
то обстоятельство, что количество энергии, участвующей,
например, в грозном явлении природы — молнии, ничтожно
мало по сравнению с огромной силой этого электрического
разряда. По приблизительным подсчетам, стоимость одного
разряда молнии средней силы по ценам электроэнергии,
отпускаемой электростанциями, составляет около 14 копеек, то
есть ее энергия равна 3—4 квт-ч.
Чтобы пробить слой воздуха толщиной в несколько
километров, естественный электрический конденсатор, образуемый
грозовой тучей и поверхностью Земли или двумя тучами,
должен быть заряжен до напряжения, равного сотням миллионов
и больше вольт. Произвести же все те разрушения, которые
способна вызвать молния, может лишь электрический ток,
достигающий силы десятков и сотен тысяч ампер.
Следовательно, при столь высоких напряжениях и
огромной силе тока 3—4 квт-ч энергия молнии может выделиться
только при условии, если весь этот процесс происходит в
очень короткие отрезки времени — тысячные и более короткие
доли секунды, так же как разрушительная сила взрыва
снаряда или бомбы определяется тем, что весь взрыв длится
ничтожно малое время.
Электрический разряд искусственных молний —
установок, созданных руками человека, однако, в тысячи раз менее
мощных, чем молния, разрушает любые существующие в
природе диэлектрики, в мгновение ока испаряет любой самый
тугоплавкий металл, заставляет с ослепительной яркостью
светиться любые тела.
Расчеты и косвенные измерения показали, что в момент
электрического разряда температура в искре может
достигать при благоприятных условиях миллионов градусов.
Поэтому после открытия явления взрывной термоядерной
реакции интерес к искре — электрическому разряду в
веществе — сразу приобрел очень большое, можно сказать,
принципиальное значение.
Мы уже говорили, что обуздать термоядерную реакцию
можно лишь в том случае, если будут найдены такие пути,
чтобы она не носила характера взрыва.
Разрешение этой задачи, как выразился один из
крупнейших советских физиков, академик И. В. Курчатов, «сняло бы
427

с человечества постоянную жизненную заботу о запасах
энергии, необходимых для существования на Земле»
Раз термоядерные реакции могут возникнуть только в
случае, если температура вещества увеличилась настолько, что
при столкновении ядер в результате их теплового движения
появляется возможность преодолеть суммарные мощные
электрические силы отталкивания, существующие между ядрами
атомов, то электрический разряд, например в газообразном
дейтерии, при котором возникают надежды получить хотя бы
и мгновенные сверхвысокие температуры, самым
обнадеживающим образом открывает одно из направлений возможных
поисков путей такого управления.
Разряд в смеси дейтерия и трития предоставил бы еще
большие возможности, так как для получения заметного
эффекта потребовалась бы более низкая температура, чем
при использовании других известных веществ. Однако и в
том и в другом случае, чтобы приблизиться хотя бы к
порогу термоядерной реакции, речь должна идти о
температурах порядка нескольких десятков миллионов градусов и
давлениях в сотни миллиардов атмосфер.
При таких температурах с ядра атома срываются все
электронные оболочки и вещество, дейтерий или его смесь
с тритием, может существовать лишь в форме плазмы —
вещества или среды, в которой голые атомные ядра как бы
плавают в газе, состоящем из отдельных электронов.
Но как бы быстро ни происходили процессы, при которых
ядра атомов дейтерия и трития, соединяясь, образуют ядра
атомов нового вещества — гелия, в свою очередь выделяя еще
большую энергию, на это нужно все же какое-то строго
определенное время, в течение которого температура и давление
в плазме поддерживались бы на уровне названных
астрономических величин — миллионов градусов, миллиардов
атмосфер.
А это представляет собой самую трудную задачу. При
такой температуре ядра атомов и электроны, движущиеся
с огромными скоростями, непрерывно бомбардируют стенки
того сосуда, в котором заключена плазма, передавая им все
образующееся в плазме тепло.
А самое тугоплавкое вещество на Земле не выдерживает
температуру выше 4000°.
Разница огромная и, казалось бы, безнадежная
Но если бы мы даже и имели такое вещество и
попытались нагреть плазму до этой температуры, это все равно
сделать бы не удалось. Уже при температуре в несколько
десятков тысяч градусов отдача тепла любым сосудом в
окружающее пространство станет настолько большой, что уравняется
428

Почему нельзя расплавить
слиток металла на примусе.
с температурой плазмы. И
если такой сосуд не изолировать,
то дальнейшее повышение
температуры внутри него
станет невозможным.
Поясним это примером.
Допустим, мы стали при
помощи примуса нагревать
большой кусок металла.
Можем ли мы его весь
расплавить за несколько дней, недель
или месяцев непрерывного
нагревания?
Сначала температура
слитка начнет относительно
быстро подниматься. Но через
некоторое время этот подъем
прекратится, сколько бы мы
после этого ни грели слиток. Наступит состояние
температурного равновесия, при котором нагревшийся до определенной
температуры слиток металла будет отдавать (излучать)
в окружающее пространство ровно столько же тепла,
сколько он его получает от горелки. Повысить температуру слитка
в этом случае можно, лишь увеличив температуру горелки.
Тогда наступит новое состояние равновесия.
Теоретически все же слиток расплавить можно. Для этого
надо лишь поместить его в такой идеальный сосуд, который
совершенно не позволял бы теплу уходить от слитка.
Однако столь совершенных изоляторов тепла не
существует.
По мере повышения температуры дейтерия повышается и
давление в нем. Уже при температуре 100 тысяч градусов
давление составит больше миллиона атмосфер. Удержать
такое давление можно лишь в течение ничтожно короткого
времени. Иначе любой сосуд мгновенно разлетится.
Чтобы разрешить все эти серьезнейшие проблемы, нужны
какие-то принципиально новые открытия, приемы,
изобретения. Лучшим из них был бы способ, при помощи которого
частицы дейтерия, приобретающие под действием чудовищных
температур электрического разряда огромные скорости, не
разлетались бы во все стороны, не переносили бы с собой
тепловую энергию к стенкам сосуда, то есть, чтобы между
сосудом и плазмой создалась некая пустота, а следовательно,
и идеальная тепловая изоляция.
Тогда все движение частиц сосредоточилось бы только в
самой плазме, в результате чего ее температура непрерывно
429

и сколько угодно повышалась бы, а стенки сосуда оказались
бы, фигурально выражаясь, «холодными». Тогда
одновременно не передавалось бы на стенки сосуда и чудовищное
давление, возникающее внутри плазмы.
Но где же взять такую сверхсильную «руку»,
удерживающую бешено мятущиеся частицы внутри сосуда?
ЭНЕРГИЯ ВОДОПАДА В СТЕКЛЯННОЙ ПРОБИРКЕ
В 1950 году советские ученые — в то время молодой еще
физик, ныне академик А. Д. Сахаров и академик старшего
поколения И. Е. Тамм — предложили идею такой «руки».
Рукой титана, способного сделать, казалось бы,
невозможное— воздвигнуть незримый барьер между плазмой и
стенками сосуда, укрощающий плазму и создающий тепловую
изоляцию, — оказалось мощное магнитное поле.
Магнитное поле сразу убивало двух зайцев. Под его
действием характер движения нагретых заряженных частиц —
электронов и протонов — в плазме резко меняется. Вместо
того чтобы метаться под действием непрерывно следующих
одно за другим столкновений по прямолинейным
траекториям, они начинают двигаться по спиралям, радиус которых
становится тем меньшим, чем сильнее действующее на них
магнитное поле. В результате вся плазма стягивается к
центру сосуда (к оси трубки), превращаясь в тонкий шнур,
частицы уже не достигают его стенок, давление же и
температура внутри плазмы непрерывно повышаются. Плазма
оказывается плененной, ее энергия уже не уносится частицами
в окружающее пространство.
И это магнитное поле даже не надо создавать извне. Оно
образуется само собой при прохождении электрического тока
через любой проводник. Надо лишь, чтобы ток имел большую
величину — сотни тысяч ампер, то есть чтобы разряд был
мощнее, чем удар обыкновенной молнии. Тогда, основываясь
на теоретических соображениях, можно было бы
рассчитывать на то, что вещество в сосуде, где происходит
электрический разряд, за миллионные доли секунды превратится в
плазму, сожмется в тонкий плазменный шнур и отойдет от
стенок камеры. Температура в нем достигнет миллионов
градусов, давление — миллиардов атмосфер, и между ядрами
дейтерия или смеси дейтерия и трития возникнет
термоядерная реакция. Это, конечно, в идеальном случае.
Для того чтобы считать опыты удавшимися, достаточно
было, чтобы в термоядерную реакцию вступили хотя бы
несколько ядер.
430

При соединении ядра дейтерия и ядра трития образуется
одно ядро гелия, выбрасывается один лишний нейтрон,
испускаются гамма-лучи и выделяется энергия, равная 14,6 Мэв:
Дейтерий + тритий = гелий + нейтрон + излучение.
В этом случае сигналом-весточкой об этом
многозначительном событии было бы излучение нейтронов и гамма-
лучей: хотя бы одного нейтрона, хотя бы единственного
кванта невидимого света — гамма-лучей.
Чтобы избежать колоссальных давлений, разряд должен
осуществляться в чрезвычайно разреженной газообразной
смеси дейтерия и трития, давление которой составляет всего
0,1 мм ртутного столба.
И вот советские ученые впервые произвели серию таких
опытов. Электрический ток большой силы пропускался через
водород, дейтерий и другие газы при различных степенях
разрежения.
Максимальная сила тока в некоторых случаях достигала
2 миллионов ампер, а мгновенно выделявшаяся в течение
миллионных долей секунды мощность более чем в 10 раз
превосходила мощность любой из волжских
гидроэлектростанций.
Особенно тщательно обставлялись опыты измерительными
и контрольными установками. Ведь нельзя было не заметить
и упустить ни единого нейтрона. От этого зависела не только
судьба опыта, но и нового направления в науке.
Возможный вариант управляемой термоядерной реакции.
Электрический разряд огромной мгновенной силы пропускается через
трубку, наполненную дейтерием или смесью дейтерия с тритием. Под
действием разряда, создающего одновременно и высокую
температуру, и очень сильное магнитное поле, дейтерий нагревается до
температуры в несколько миллионов градусов Образовавшаяся из
него светящаяся плазма собирается в тонкий шнур. Благодаря
космическим температуре и давлению в плазме создаются условия для
термоядерной реакции синтеза с выделением большого количества
энергии.

Аппаратура, регистрирующая события, протекающие в
миллионные доли секунды, улавливающая единичные
нейтроны и кванты энергии, сверхскоростные фото- и
кинокамеры, фиксирующие на пленке все эти процессы, — весь
арсенал современной экспериментальной физики был щедро
предоставлен ученым для их смелого рейда в будущее.
Тяжелый труд дал обнадеживающие результаты.
Действительно, в трубке с разреженным газом создавался
плазменный шнур, температура которого достигала миллионов
градусов. Раньше ее можно было получить только при взрыве
атомной или водородной бомбы.
И самое главное, в некоторые моменты опыта из
разрядной трубки вылетали нейтроны и появлялись гамма-лучи.
Конечно, многое в этих опытах остается еще не ясным и
окончательно не решенным. Испускание нейтронов,
возможно, происходит и не в результате термоядерной реакции, а
вследствие каких-то других процессов в плазме. Оказалось,
что явления, развертывающиеся в ней, намного сложнее тех
предположений, которые первоначально были сделаны
учеными в их теоретических расчетах.
„ОСОБА" С ТЫСЯЧЬЮ КАПРИЗОВ
Плазма — на редкость неустойчивое образование. Часто,
казалось бы без всяких внешних причин, она начинает
«бунтовать»— выплескивается из удерживающего ее магнитного
поля. А попадая на стенки установки, она мгновенно
охлаждается и тут же «погибает».
Вопреки самым оптимистическим ожиданиям ученых,
одно только магнитное поле, взятое само по себе, к
сожалению, не является той идеальной невидимой «клеткой», в
которой можно было бы удержать волшебную «жар-птицу».
Например, при разряде плазма испытывает ряд быстрых,
стремительно следующих одно за другим сжатий и
расширений. Она как бы дышит. Во время этих колебаний вещество
ее то собирается к оси трубки, то разлетается к ее стенкам
с огромными скоростями, достигающими 100 км/сек. При этом
на мгновения в плазме создаются очень большие
электрические перенапряжения, которые, может быть, и повинны в
появлении нейтронов и рентгеновых лучей.
Возможно, что отдельные частицы плазмы, сталкиваясь
одна с другой в бесконечных комбинациях скоростей,
случайно приобретают столь большую энергию, что их в конце
концов выбрасывает к стенкам сосуда сквозь магнитное поле
любой напряженности.
432

Не исключено, что при некоторых, опять-таки случайных,
благоприятных условиях большое количество заряженных
частиц, двигаясь в какой-то момент в одном и том же
направлении, может создать свое собственное магнитное поле,
способное выдавить плазму через общее магнитное поле,
изолирующее ее от стенок установки.
После первых, казалось, решающих успехов ученым
пришлось довольно надолго засесть за терпеливое и
кропотливое изучение всех капризов и особенностей плазмы. А их
оказалось очень много — один коварнее другого.
Если в какой-либо лаборатории удавалось достичь
температуры порядка десятков и даже сотен миллионов градусов,
то удержать ее можно было лишь в течение тысячных или
более коротких долей секунды. Если же удавалось
увеличить этот срок до сотых или даже десятых долей секунды, то
не достигалась нужная температура.
Почему же все-таки столь важно изучить все без
исключения повадки плазмы?
Дело в том, что управляемая термоядерная реакция в
плазме не начинается так, как в водородной бомбе, —
взрывом, длящимся миллионные доли секунды. Время «слияния»
частиц зависит от «густоты» — плотности плазмы. Существует
определенный максимум такой «густоты», который еще
способно удержать магнитное поле данной напряженности. Если
плотность плазмы достигнет этого максимума, то время
слияния будет равно приблизительно 1 сек.
Следовательно, нужно ухитриться термоизолировать —
удержать температуру плазмы (а она, как мы знаем, равна
примерно 200 миллионам градусов) хотя бы на секунду или
даже больше. Кроме того, для практических целей
необходимо, чтобы концентрация частиц в плазме была достаточно
большой, ибо скорость выделения энергии пропорциональна
квадрату концентрации. Чем больше концентрация, тем
меньше время удержания плазмы. А это требование, как
видите, противоречит предыдущему.
Так как первоначальный способ — электрический разряд
в газовой смеси — в свое время обнадеживающих результатов
не дал, а плазменное состояние можно получить и другими
способами, то ученые начали тщательно исследовать их.
МАГНИТНАЯ „КЛЕТКА" ДЛЯ „ЖАР-ПТИЦЫ"
Мы уже говорили, что если движущаяся заряженная
частица попадает в магнитное поле, то она начинает
закручиваться— тем круче, чем сильнее магнитное поле. Магнитное
28 Энергия агома
433

Схема устройства магнитной ловушки («бутылки»).
поле действует на заряженную частицу несколько необычно—
оно ее не притягивает и не отталкивает. Частица как бы
навивается на незримые и пока еще неизвестно из чего
состоящие и считающиеся условными «магнитные силовые линии».
Они при этом действуют не на самую движущуюся
заряженную частицу, а на создаваемое ею магнитное поле. Точнее,
они изменяют только то движение заряженных частиц,
которое направлено перпендикулярно силовым линиям поля.
Исходя из этой особенности поведения заряженных
частиц в магнитном поле, работы по конструированию
установок для удержания плазмы пошли в основном по двум
направлениям: системы открытого типа и системы замкнутые.
Представим себе отрезок огромной трубы, из которой
тщательно откачан воздух. Снаружи на трубу надеты катушки из
толстого провода, по которым проходит постоянный ток
большой величины, создающий внутри трубы сильное
магнитное поле
Если теперь сбоку, в центре трубы, «впрыснуть» порцию
предварительно ускоренных до большой энергии электронов
или положительно заряженных ионов дейтерия, то они тотчас
же начнут навиваться на линии этого поля, сталкиваться
один с другим и нагреваться. Если при этом увеличить
напряженность магнитного поля, то, уплотняясь, оно начнет
сжимать и «гирлянды» заряженных частиц, навившихся на
силовые линии этого поля. Число их столкновений увеличится,
а температура плазмы поднимется еще выше Плазменный
шнур как бы повисает в пространстве, целиком оторвавшись
от стенок сосуда, которые становятся «холодными» и уже не
передают тепло наружу. Плазма оказывается взаперти.
Примерно так повисает сферический «комок» жидкости,
434

вылитый из сосуда в кабине космического корабля в
состоянии невесомости, когда прекращается действие сил земного
тяготения. Не соприкасаясь нигде со стенками сосуда,
жидкость сохраняет сферическую форму только благодаря
силам поверхностного натяжения своей наружной пленки.
Устройства такого рода называются адиабатическими
ловушками, а в просторечии — магнитными ловушками.
Примером магнитной ловушки является наша планета.
Попавшие в нее заряженные частицы, вместо того чтобы
обрушиться смертоносным потоком на поверхность Земли и ее
живое население, начинают закручиваться вокруг линий
магнитного поля. Это и есть знаменитые радиационные пояса
Земли. До поверхности Земли сквозь этот своеобразный
магнитный щит удается прорываться только сравнительно
немногим частицам. К счастью для человечества,
значительная часть их задерживается еще и другой не менее
эффективной броней планеты — атмосферой.
Как-то неловко, но нашу волшебную «жар-птицу» мы,
выходит, затискиваем не в клетку, а в «бутылку». Одно
утешение, что она невидимая и магнитная!
Но, отжав с помощью достаточно сильного магнитного
поля раскаленную плазму от стенок, мы, однако, не лишили
ее возможности передвигаться вдоль линий магнитного поля
в направлении от «крышки» до «дна» сосуда. Дойдя до них,
плазма снова начнет интенсивно отдавать свое тепло наружу.
Следовательно, нужно как-то отжать плазму еще и от торцов
сосуда.
Чтобы «зажать» плазму и в этих направлениях, ученые
придумали «заткнуть» бутылку еще и пробкой — усилили
магнитное поле в обе стороны от средней области ловушки.
Отражаясь от таких пробок, — вернее, «зеркал»,— часть
плазмы оказывается запертой в более ограниченном пространстве
и получает возможность нагреться еще больше.
В 1962 году на несколько более сложной, чем рассказано,
установке (БР-5) с дополнительными продольными
стержнями («палками») была получена плазма с температурой около
40 миллионов градусов с хорошей концентрацией частиц.
Эту температуру удавалось удерживать уже примерно до
0,1 сек. Это был, несомненно, крупный успех советских
ученых.
Однако и здесь обнаружились новые виды неустойчивости
плазмы, связанные с неравномерным распределением в ней
частиц.
Другим важным направлением являются исследования
в системах с замкнутыми плазменными шнурами,
помещенными в сильное продольное стабилизирующее магнитное поле.
26*
435

Одна из разновидностей магнитных ловушек
В них частицы заставляют двигаться вдоль бесконечной
(кольцевой) трубки, сжимая ее не поперечным, а продольным
магнитным полем. При этом нагрев плазмы производится
раздельно — путем пропускания через нее сильного
постоянного электрического тока (поток электронов).
Для устранения некоторых недостатков и капризов
плазмы такую «баранку» приходится иногда скручивать в
восьмерку.
Совершенствование магнитных полей и вакуумных
условий позволили советским ученым на установках подобного
типа получать при концентрации плазмы порядка 2 • 1013
частиц в кубическом сантиметре температуру порядка 2
миллионов градусов. Правда, время жизни плазмы при этом
длилось около 0,005 сек.
Здесь наряду с проблемой тепловой изоляции плазмы
приходится уделять внимание еще и вопросам ее нагревания.
Вы уже знаете, что некоторые резонансные явления,
например в циклотронах, позволяют ускорять заряженные
частицы Если на плазму, находящуюся в постоянном
магнитном поле, действует еще и переменное электромагнитное поле,
частота которого близка к угловой скорости вращения ионов
в постоянном поле, то эти ионы получат дополнительное
ускорение.
С помощью таких «ионных циклотронных волн» удалось
нагревать ионы до 10—20 миллионов градусов, правда при
невысокой температуре электронов плазмы.
Любопытны и попытки использовать неустойчивость пуч-
436

ков электронов при их взаимодействии с плазмой для
дополнительного нагрева этих же самых электронов Ведь на вся
кие многочисленные колебания, выкручивания, выплески и
и другие «выкрутасы» электронного пучка расходуется
энергия, и к том> же немалая!
Напомним, что в одной и той же плазме могут пребывать
частицы, имеющие разную энергию движения, а
следовательно, и температуру (вроде смеси трех отдельных газов) —
например, очень «горячих» электронов, «холодных» ионов и
«совсем холодных» нейтральных атомов. Поэтому делаются
попытки использовать плазму с «горячими» электронами,
то есть с электронами, ускоренными до больших энергий, для
накопления с ее помощью плазмы с «горячими» ионами или
комбинированный нагрев одновременно и электронов и ионов.
В Новосибирском институте ядерной физики развивается
метод так называемого ударного нагрева. Прикладывая
к «холодной» плазме, находящейся в постоянном магнитном
поле, дополнительно еще короткий импульс магнитного поля,
в ней можно возбудить мощную ударную волну,
распространяющуюся поперек постоянного магнитного поля. Таким
методом удалось получить плазму с энергией ионов до 10 тысяч
электронвольт.
А что, если попытаться в магнитную ловушку впрыскивать
не горячие, а холодные, то есть нейтральные частицы? Не
имея заряда, они беспрепятственно пройдут сквозь
магнитные «стенки». Когда же они окажутся внутри ловушки, с
помощью мощного луча света лазера можно превратить их
в плазму Подхваченная электромагнитным полем, эта
плазма нагреется уже до нужной температуры. Пока что это,
конечно, только весьма соблазнительная идея.
Усовершенствование метода самосжимаемого разряда
специальной конфигурации (с его описания мы начали этот
раздел книги) позволило в последнее время получить в объеме
порядка 1 мм3 на время 2—3 десятимиллионные доли
секунды дейтериевую плазму, нагретую до нескольких десятков
миллионов градусов, с концентрацией около 1020 частиц в
1 см3. При этом было зарегистрировано появление примерно
1010 нейтронов При использовании же вместо дейтерия его
смеси с тритием выход нейтронов повысился до 3—4 • 1011.
Это пока единственный метод, которым удалось получить
плазму с рекордными показателями, приближающимися
к условиям, при которых, по расчетам ученых, могут начаться
термоядерные реакции (выход нейтронов для реакции в
дейтерии должен составлять 1012).
Окажется ли это явление «синицей, обещающей зажечь
море», крошечным ручейком, ведущим к океану неограничен-
437

ной энергии в руках человека, или этот ручеек иссякнет, едва
отойдя от своего истока, покажет лишь будущее, и, возможно,
ближайшее.
Стоит только вспомнить, что использование дейтерия
(тяжелого водорода), содержащегося в 1 л обыкновенной воды,
а его там менее 0,2 г, даст такое же количество энергии, как
сжигание 300 л бензина
Как часто случается в науке, развитие термоядерных
исследований привело к неожиданным «боковым» выходам
Разработка плазменных «впрыскивателей» (инжекторов) для
заполнения «магнитных ловушек» привела к созданию
плазменных двигателей, используемых на космических кораблях,
а исследование поведения плазменных струй в магнитных
нолях породило новое направление — разработку плазменных
динамо-машин (так называемых магнитогидродинамических
преобразователей) для непосредственного превращения
теплоты в электрический ток (минуя паровые котлы и
вращающиеся машины) с высоким к. п. д. — 50—70% и выше против
35—38% У самых совершенных тепловых электростанций.
Возникают, конечно, и многие другие увлекательные
проблемы К сожалению, рассказ о них увел бы нас за рамки
этой книги
ЕСЛИ БЫ...
В главе шестнадцатой мы показали, какими свойствами
обладают атомы веществ, у которых на внешней орбите
вместо легчайшего электрона вращается более «увесистый»
мю- или пи-мезон. Атом сразу сжимается до V210 или V273
своего диаметра. Не нужно обладать слишком большим
воображением, чтобы представить себе окружающую нас
действительность, в которой наряду с привычными веществами
применялись бы и некоторые новые, изготовленные из мезонных
атомов.
Атомный реактор величиной с орех, окруженный
биологической защитой толщиной 1 см и охлаждаемый жидкостью
в 210 раз более плотной, чем тяжелая вода или жидкий
металл. Броня толщиной в лист бумаги. Ручной молоток,
весящий около 250 кг. Действительно, в объеме, где раньше с
трудом умещался один атом, их стало бы возможно «упаковать»
почти три сотни.
Увы... пока это только теоретический курьез, более
отдаленный, чем была мечта о высвобождении внутриядерной
энергии столетие назад. Никто еще не представляет себе,
каким путем электроны у атома можно было бы заменить
мезонами.
438

Распад меэонной молекулы
Предположительная последовательность осуществления холодной
каталитической термоядерной реакции соединения мезонного атома водорода
с атомом дейтерия, в которой в качестве своеобразного атомного
катализатора выступает отрицательный мю-мезон.
И, самое главное, если бы мезонный атом мог
существовать не миллиардные доли секунды, а хотя бы секунду, не
говоря уже о часах или десятилетиях. Однако ученые уже
сейчас начинают мечтать. И эти мечты идут значительно
дальше, чем все то, о чем человек мечтал до сих пор. Новая
эпоха — новые мечты!
Вот одна из них, пожалуй, наиболее увлекательная.
Несколько лет назад советские ученые Я- Б. Зельдович,
А. Д. Сахаров и М. А. Марков после длительных расчетов и
теоретических выкладок пришли к выводу, что термоядерная
реакция синтеза водорода в гелий может быть совсем не
термоядерной, проходить «на холодке», без невероятных
давлений и температур, без необходимости создавать на Земле
слишком горячий кусочек Солнца. Все, что для этого
нужно, — это мю-мезонные атомы водорода.
При встрече с атомом дейтерия мезонный атом может
подойти к нему столь близко, что отрицательный мезон
439

начнет вращаться и вокруг атома водорода и вокруг
дейтрона, стягивая их все ближе и ближе, пока на какую-то
миллионную долю секунды не образуется сначала
своеобразная мезонная молекула, а затем обе частицы, попав в сферу
действия внутриядерных сил, окончательно стянутся в ядро
атома гелия. При этом, как вы знаете, должно выделиться
5,4 Мэв энергии. Совершивший это полезное дело мю-мезон
окажется в ядре атома гелия «третьим лишним» —ему там
нет места Вся колоссальная энергия, выделившаяся при
образовании ядра атома гелия, выбросит мю-мезон из ядра.
Растратив добрую долю своей энергии при столкновениях
с другими атомами, мезон снова застрянет в каком-то из них,
задержавшись на месте выбитого электрона и образовав
новый мезонный атом водорода. Такой кочующий, неразменный
и вечно целый мезон мог бы создавать новые мезонные
атомы и молекулы, а затем огромное, все увеличивающееся
поколение новых атомов гелия.
Еще более величественна мечта об управляемой ядерной
реакции слияния.
Но. . жизнь мю-мезона столь скоротечна, что в лучшем
случае он успевает объединить одну-две пары ядер атомов
водорода и дейтерия в ядро атома гелия, а затем через
миллионную долю секунды, щедро растратив свою энергию,
взрывается, распадаясь на электрон и два нейтрино.
Как видите, дело осталось за маленьким — найти способ
удлинить время жизни мезона в миллиарды миллиардов раз.
Или же создать такой источник мезонов, который
непрерывно поддерживал бы количество вновь созданных
искусственных атомов на требуемом уровне ядерной реакции, при
которой каждый раз вместо одного сделавшего свое дело и
распавшегося мю-мезона немедленно возникал бы новый мю-
мезон.
Такая реакция, в которой мезон играл бы роль ядерного
катализатора, была названа каталитической.
Любая мечта, чтобы жить и постоянно будоражить мысль
ученых, должна иногда, хотя бы на мгновение, показывать
свое лицо, давать человеку какие-нибудь доказательства
своей осуществимости
Какие головокружительные открытия сделают ученые
в ближайшие годы, гадать сейчас еще очень трудно.
Уверенно можно сказать лишь одно — авторы
научно-фантастических романов ближайшего и отдаленного будущего энергию
для своих космических кораблей будут черпать из холодного
синтеза долго живущих мезонных атомов водорода в ядра
гелия-3 или путем образования антивещества из
антипротонов, антинейтронов и позитронов и соединения его с обыч-
440

ным веществом. Превращаемые целиком в кванты света
вещество и антивещество понесут в космические просторы
фотонную ракету со скоростью, близкой к скорости света.
Обуздав чудовище водородной бомбы, человечество
получит возможность разменять миллиарды киловатт-часов ее
энергии на меньшие дозы, которые можно использовать как
угодно. Какие неограниченные возможности даст в руки
человека этот новый источник энергии, по сравнению с которым
атомная энергия будет казаться примерно такой же, как
сейчас энергия взрыва динамита выглядит рядом с энергией
взрыва атомной бомбы.
* * *
Несмотря на все наши старания, многие весьма важные
вопросы, связанные непосредственно с атомной энергией, все
же остались освещенными слишком кратко или же не
затронутыми вовсе.
Поэтому на следующей странице приводится перечень
книг, которые автор рекомендует прочесть, если этой работой
ему удалось вызвать у читателя интерес к более глубокому
изучению самой увлекательной проблемы современности —
получению и использованию атомной энергии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
pj\n желающих более основательно
познакомиться с проблемами,
рассмотренными в этой книге
Артамкин В. Я., Ушаков Б. Л. НЕОБЫКНОВЕННЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ
АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ. 2-е изд М., Атомиздат, 1966.
Асташенков П. Т. АТОМНАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ. М.,
Госатомиздат, 1964.
Бобров Л. Л. ТЕНИ НЕВИДИМОГО СВЕТА. М., Атомиздат, 1964.
В ГЛУБЬ АТОМА. Сборник. М., Изд. АН СССР, 1965.
Волчек О. ИЗОТОПЫ НА СЛУЖБЕ ЧЕЛОВЕКА. М., Физматгиз, 1958.
Гарднер М. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ДЛЯ МИЛЛИОНОВ.
Перевод с англ. М., Атомиздат, 1965.
Ермаков Л., Сырмай А. АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ И ТРАНСПОРТ. М., Изд.
АН СССР, 1963.
НАД ЧЕМ ДУМАЮТ ФИЗИКИ (Физика атомного ядра). Сборник.
Перевод с англ., вып. 1, 2, 3, 4. М., Физматгиз, 1962—1966.
Парнов Е., Глущенко Е. ОКНО В АНТИМИР. М., Госатомиздат, 1961.
Сенгенков А. П. АТОМНЫЕ РАКЕТЫ И ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ
КОСМОСА. М., Атомиздат, 1964.
Сиборг Г. ИСКУССТВЕННЫЕ ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ.
Перевод с англ. М., Атомиздат, 1965.
Форд Кеннет. МИР ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ. Перевод с англ. М.,
«Мир», 1965.
Франк-Каменецкий Д. Л. ПЛАЗМА — ЧЕТВЕРТОЕ СОСТОЯНИЕ
ВЕЩЕСТВА. 2-е изд. М., Госатомиздат, 1963.
Фриденсон Е. С. БУДУЩЕЕ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. М., Воениз-
дат, 1965.
Щелкин /(. И. ФИЗИКА МИКРОМИРА. 2-е изд. М., Атомиздат, 1965.
Юз Д. ИСТОРИЯ НЕЙТРОНА. Перевод с англ. М., Атомиздат, 1964.
Янг Ч. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ. М., Госатомиздат, 1963.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава первая. На пороге велиного отнрытия
Мечта о невозможном . 3
«Пудинг с изюмом» 8
Ошибка Анри Беккереля 9
Глава вторая. Радиоактивность
Подвиг дочери польского народа ...... 13
Радиоактивные семейства 21
Почти «вечный двигатель» .... ... 28
Глава третья. Еще одна загадна природы
Великая пустота 30
Как же устроен атом? 34
Что означают «уровень энергии» и «электрон-
вольт» . 38
Об одном любознательном враче , 41
Что такое изотопы? 42
Машина, сортирующая атомы .... . . 44
Мир крошечных частиц и огромных энергий . 47
«Атомная артиллерия» 49
Глава четвертая. Орудия труда ученых
Как удалось сосчитать атомы 55
Туман, позволяющий увидеть невидимое ... 59
Прибор «проще простого» 62
«Холодный кипяток» 63
«Лилипутская гроза» 66
Снова фотопластинка 68
Более крупные «калибры» 69
На перекрестке новых дорог ..,,... 80
443

Глава пятая. Нлюч н ядру атома
Новое излучение . . « . . . 83
Еще один персонаж — нейтрон 86
Разгадка строения ядра атома 89
В «шапке-невидимке» 92
Искусственная радиоактивность 94
Еще одна ошибка! 97
Семья изотопов урана 102
У заветной цели , 104
Глава шестая. 0 „страшных" теориях
Почти все сначала 108
Частицы-волны и волны-частицы 109
Парадоксы волнового движения .... 112
Как возникают электромагнитные волны . 114
Что такое свет? 115
Частицы света — фотоны . 117
Великий закон 123
Что такое «дефект массы»? 127
Энергия связи ядра атома 133
А все-таки что такое радиоактивность? . . . 140
Немного о тепле 147
Термоядерная реакция 150
Глава седьмая. Управляемая ядерная реанция деления
Получение первых искусственных элементов. . 156
Атомные «спички» .... 159
Контролируемая цепная реакция 160
Атомы и игра на бильярде 162
Вода, которая тяжелее воды 165
Критическая масса ... .... 167
Когда опоздать еще далеко не порок .... 169
«Зеркало» для нейтронов . 172
«Костер» в лаборатории 173
Атомная бомба ... 176
Еще раз о нейтроне 178
Дорога в «зауранье» ... 182
Глава восьмая. Ядерный реантор
Какие бывают реакторы? 187
И в карандаше и в реакторе 188
Реактор с тяжелой водой ........ 192
Гомогенный реактор 194
Атомное «пламя» под водой . 197
444

Глава девятая. Промышленность, наной еще не было
Самая молодая отрасль 199
Атомное сырье . 200
Как добывают уран и торий 203
Фабрики ядерного горючего . 207
Ядерное топливо из «второй природы»
человека ..... 210
Торий-232 213
«Топливо звезд» . 215
Глава десятая. Поступь атомной энергетини
Как долго еще будут люди топить печи
деньгами? . 220
Паровой котел и ядерный реактор ..... 222
Первая в мире 227
Новые идеи 234
Когда одно полено превращается в два . . . 242
Мечта рождает план, план рождает мечту . . 248
«СМ» 252
«Дразнилка» . 253
«Арбус» 255
Атомная самоходная 257
«Ромашка» . . 258
Атом напоит пустыни 261
Глава одиннадцатая. „Младший брат" атомной
энергетини
Сколько стоит шапка дыма? . 264
Драгоценные отходы 269
«Меченые» атомы . . 276
Изотопы в биологии 280
Изотопы в медицине 283
Проблемы опасности излучений 288
Часы, ведущие счет тысячелетиям 292
«Горячая» лаборатория и «железная рука» . . 296
Глава двенадцатая. Будущее атомной энергии
Начало нового пути . 302
О двигателях вообще 303
Первый в мире атомный ледокол «Ленин» . . 308
Атомный локомотив 312
Атомный самолет 314
Межпланетный корабль будущего 320
Ионный двигатель 323
445

Ракета фотонная 326
Атомная батарея 329
Глава тринадцатая. Что таное ядерные силы?
Странная игра # 335
Что притягивает электрон к протону .... 337
На сцене появляется новая частица — мезон . 340
Семья мезонов .... 342
Сверхтяжелые частицы — гипероны . 345
Что может быть общего между каплей воды и
ядром атома? . . . . 346
Загадка взаимодействия частиц 349
Проблема существования нейтрино 350
Глава четырнадцатая. Новое о строении ядра атома
Что такое «модель» ядра? 354
Когда легкий снаряд лучше тяжелого? . . 359
Закономерности электронного ливня .... 360
Атомная малокалиберная «артиллерия» . . . 362
Новые открытия, новые модели 365
Можно ли увидеть атом? 366
Как заглянули внутрь протона 370
Глава пятнадцатая. Состязание с носмосом
Лучи из космоса 371
Об «электронах-ослах», «море Дирака»,
античастицах и других малопонятных вещах . . 377
Первая античастица — позитрон 378
Должен быть и антипротон! 380
Может ли существовать антивещество? . . . 386
Симметричен ли и дальше мир микрочастиц? . 387
Элементарны ли «элементарные» частицы? . . 390
Может ли часть быть больше целого? . . . 392
Когда 2 X 2 — очень много! 396
Глава шестнадцатая. Нснусственные атомы
Искусственный атом — позитроний 406
Два фотона или три? . . ... 407
Почему важно знать еще и спин частицы . . 408
Мезонный атом . 411
446

Глава семнадцатая. Мошно ли унротить водородную
бомбу?
Если бы разменять на «грошики»! 417
«Крик» сталкивающихся галактик 420
Плазма — четвертое состояние вещества . . . 422
Чудодейственная искра 426
Энергия водопада в стеклянной пробирке . . 430
«Особа» с тысячью капризов 432
Магнитная «клетка» для «жар-птицы» .... 433
Если бы 438
Список литературы
442

К ЧИТАТЕЛЯМ
Отзывы об этой и других книгах
издательства «Детская литература»
просим присылать по адресу: Москва,
А-47, ул. Горького, 43. Дом детской
книги.
Для старшего школьного возраста
Главное Кирилл Александрович
ЭНЕРГИЯ АТОМА
Ответственный редактор М А. 3 у б к о в. Художественный редактор Е. М Г у р-
к о в а. Технический редактор С. Г. Маркович. Корректоры 3. С. Ульянова
и Т. Ф. Ю диче в а. Сдано в набор 9/VIII 1967 г Подписано к печати
11/IV 1968 г. Формат 60x907ie Печ л. 28,13. (Уч.-изд. л. 25,54+1 вкл.=25,77).
Тираж 50 000 экз. А05664. Цена 96 коп. на бум. м/мел Издательство
«Детская литература» Москва, М. Черкасский пер., 1. Фабрика
«Детская книга» № 2 Росглавполиграфпрома Комитета по печати
при Совете Министров РСФСР. Ленинград, 2-я Советская, 7
Заказ № 171.

К стр. 200
Так выглядят некоторые минералы, содержащие уранз а — уранит из
Конго; б — черный и желтый карнотит, содержащийся в песчанике; в —
канадский уранит, находимый в известняке; г — в тиглях образцы
различных концентратов урановой руды. Слева — типичный образец разреза
урановой жилы, содержащей одновременно различные виды урановой руды.

К стр. 122
1. Механизм поглощения излучения квантов энергии атомами
вещества. При поглощении фотона атомом вещества его
электрон перескакивает с ближней на более далекую от
ядра орбиту. Благодаря этому атом становится
возбужденным. Спустя ничтожно малый промежуток времени
электрон возвращается с удаленной орбиты на более
близкую, вследствие чего атом излучает полученную энергию
обратно в виде кванта света. Такой обратный переход
электрон может совершить не в один, а в два или большее
число приемов, каждый раз излучая энергию в виде
квантов света того или иного цвета, соответствующих уровню
энергии той промежуточной орбиты, на которой временно
задерживается электрон.
К стр. 285
2. Метод «меченых* атомов использует свойство различных
радиоактивных элементов скапливаться в определенных
частях человеческого организма (в костях, крови, печени,
железах внутренней секреции).

Примерное устройство блока атомной электростанции мощностью. 200 тысяч киловатт.
К стр. 250

Цена 96 коп.