Файл: Рыдник В.И. Четвертое состояние вещества.pdf

нейтрального атома, а число неитро- sy* >5^ нов может значительно (в тяжелых

'уЩ/Шпп ядрах) 'превосходить число прото­ нов.

Казалось бы, вое достаточно яс­ но и просто. Но зададим себе во­

Iпрос: а как вообще могут существо­ вать атомные ядра? В самом деле, протоны, обладая одинаковым по знаку (положительным) зарядом, должны, отталкиваясь друг от дру­ га, мгновенно разлететься, а нейтро­ ны, не имея никакого электрического заряда, в этой игре сил не могут принимать никакого участия. Меж­ ду тем атомные ядра существуют и не только не разлетаются на части, но довольно прочны.

Возникла мысль приписать ней­ тронам свойства «цемента», сплачи­ вающего протоны в ядре. Но как это может совершаться? Поскольку ней­ троны не заряжены, электрически воздействовать на отталкивающиеся друг от друга протоны они не в со­ стоянии. Значит, здесь надо было

искать какие-то новые, еще неведо­ мые силы иной природы. И очень скоро эти силы были найдены. Они получили название ядерных. Эти си­

лы можно описать следующим образом: любые две ядерные частицы взаимодействуют друг с другом,— обмениваясь третьей частицей, отличающейся от них.

Чем же обмениваются протон и нейтрон или два

58

протона и два нейтрона? Какой-нибудь частицей, которую еще не открыли, заявляли физики, когда встал вопрос о природе ядерных сил, — и не откры­ ли именно потому, что в свободном состоянии она может появляться только тогда, когда связь между ядерными частицами рвется. В прочих же условиях эта частица делает свою полезную работу в глуби­ нах атомных ядер.

Эту частицу назвали пи-мезоном. Существуют положительные, отрицательные и нейтральные пи-, мезоны. Впервые заряженные пи-мезоны были обна­ ружены в космических лучах около 15 лет назад, и вскоре их удалось получить искусственно в лабо­ раторных. условиях, в специальных машинах-уско­ рителях.

Пи-мезонами и обмениваются протон и нейтрон. В, атомных ядрах много протонов и нейтронов: в ядре урана их почти две с половиной сотни. Поэто­ му в ядрах существуют целые облака пи-мезонов, которые играют роль цемента, сплачивающего вое­ дино враждующие друг с другом протоны. Этим и объясняется существование устойчивых атомных ядер.

Все рассказанное здесь — только, как говорят физики, модель. Строгая теория ядерных сил не со­ здана до сих пор. Ядерные силы в основном есть си­ лы притяжения, действующие лишь на очень малых расстояниях. При образовании сложных ядер про­ тоны и нейтроны в ядре отдают часть своей массы на взаимную связь, то есть ядерные частицы стано­ вятся легче, зато связаны крепче. Таким образом, для того чтобы разрушить ядро на составные ча­ сти — протоны и нейтроны, нужно затратить энер­ гию. Наоборот, при синтезе атомных ядер из прото­ нов и нейтронов энергия выделяется.

59

Зависимость между степенью «похудания» ядерных частиц и энергией их связи в ядре дается зна­ менитым соотношением Эйнштейна, гласящим,, что энергия связи равна произведению доли массы, пошедшей на связь, на .квадрат скорости света. По­ следняя величина огромна, и поэтому даже ничтож­ ное изменение массы соответствует относительно большой энергии.

Свободные ядерные частицы, чтобы обра­ зовать устойчивое атомное ядро, должны затратить на это часть своей массы. Так, два протона и два нейтрона в ядре атома гелия оказываются «похудевшими» по сравнению с теми же свободными части­

цами.

Насколько же «худеют» ядерные частицы? Опы­ ты показывают, что протон и нейтрон теряют при соединении в ядро тяжелого водорода очень не­ большую часть массы — около 0,5 процента. Соот­ ветствующая этой доле их массы энергия для одно­ го ядра невелика, но в привычных нам объемах ве­ щества количество протонов и нейтронов колос­ сально (в грамме вещества содержится триллион триллионов ядерных частиц), так что суммарная энергия связи для всех этих ядер оказывается ог­ ромной. Например, энергия, соответствующая «по­ худанию» протона и нейтрона при их соединении в

60

ядро, в расчете на грамм вещества составляет бо­ лее 100 тысяч киловатт-часов, — эта энергия выра­ батывается за целый день работы небольшой элек­ тростанции! Вот эта-то энергия связи протонов и нейтронов в ядрах и есть то, что мы называем атомной, или (Правильнее, ядерной энергией. Чтобы извлечь ее из ядер, нужно эти ядра создать — син­ тезировать.

Задача освобождения внутриядерной энергии, однако, оказалась исключительно трудной. Как из­ вестно, на (первом этапе ученые, вместо того чтобы заниматься получением ядерной энергии при синте­ зе, научились получать энергию при расщеплении (делении).тяжелых ядер на более крепкие, более устойчивые осколки. Но не об этом способе получе­ ния энергии мы будем говорить в .нашей книге.

ЗАРЯ НОВОЙ ЭПОХИ

Еще на заре науки об атомном ядре наиболее смелые писатели-фантасты предугадали возмож­ ность использования энергии, освобождаемой из атомных ядер. Но фантазии этих писателей не хва­ тило .на то, чтобы предвидеть совершенно неизвест­ ную дотоле быстроту научного прогресса, который осуществил эту возможность менее чем за четверть века. Освобождение внутриядерной энергии пришло к человечеству в виде страшного, все испепеляюще­ го взрыва атомных бомб, .сброшенных американски­ ми самолетами па Японию в августе 1945 года. Стремительный огонь, поражающий сразу целые го­ рода; сотни тысяч людей, обожженных, изувеченных смертоносным излучением, — как мало походило это на зарю атомного века!

Но заря все же взошла спустя девять лет. 27 ию-

61

ля 1954 года в Советском Союзе начала работать

первая в мире атомная электростанция. Могучая энергия, освобождающаяся из атомных ядер, была укрощена нашими учеными и .поставлена на служ­ бу человеку.

Сегодня задача добывания энергии из самых тя­ желых атомов становится уже достоянием истории. Атомная энергетика прочно входит в жизнь челове­ чества. Но все ли сделано на этом пути? Успокои­ лись ли ученые, подарив миру одно из самых выда­ ющихся открытий нашего века? Ничего подобного!

Запасы тяжелых элементов в земных кладовых, хотя и довольно велики, но все же не безграничны.

Вядерных реакторах выгорает уран-235, которого

вприродном уране всего 0,7 процента. В последние годы физики научились использовать и основную массу урана — уран-238. В тех же ядерных реак­ торах под влиянием облучения нейтронами уран-238 превращается в новый химический элемент — плу­ тоний, который по своим свойствам атомного горю­

чего вполне подобен своему «старшему брату» — урану-235. Но даже и это превращение урана на­ цело в атомное горючее способно отодвинуть урано­ вый голод на непродолжительное время.

А почему, собственно говоря, дело ограничивает­ ся одним ураном? Почему для добычи энергии из атомных ядер не использовать ядра элементов, на­ ходящихся в начале таблицы Менделеева и гораздо более распространенных в природе, чем уран?

ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ

Обратимся к таблице Д. И. Менделеева и рас­ смотрим ее начало. Ограничимся первыми восемью элементами: это водород, гелий, литий, бериллий,

62

бор, углерод, азот и кислород. Если изобразить в виде графи­ ка энергию связи протонов и нейтронов :в ядрах упомянутых элементов, получится своеоб­ разная зубчатая линия. Чем выше энергия связи, тем проч­ нее сама связь, тем устойчивее ядро. Из нашего графика вид­ но, что «пики» соответствуют ядрам гелия, углерода, азота и кислорода.

Отвлечемся на некоторое время от всей линии и изобразим в увеличенном масштабе левую ее часть — от водорода до гелия, но при этом включим в нее точки, соответствующие также изотопам водо­ рода и гелия. Изотопами называются ядра, имею­ щие одно и то же количество протонов, но разные числа нейтронов. Таких изотопов в нашем случае, помимо основных, наиболее распространенных, три: тяжелый водород — дейтерий, ядра которого со­ держат, кроме протона, еще нейтрон; еверхтяжелый водород — тритий, ядра которого образованы од­ ним протоном и двумя нейтронами, и легкий гелий, в ядрах которого на два протона приходится один

63

нейтрон. /Наконец, напомним, что ядром обычного /водорода является один /протон, а в ядре обычного гелия имеются два протона и два нейтрона. Из на­ шего графика видно, что энергия связи ядер обыч­ ного гелия гораздо выше, чем предшествующих ему ядер. Естественно, это говорит о том, что повы­ шается прочность, устойчивость ядер.

...Пустим шарик вниз по лестнице. Прыгая со ступеньки на ступеньку, он, наконец, скатится на землю и остановится. Очевидно, положение шарика наверху лестницы менее устойчиво, чем внизу.

Наш мир устроен так, что все находящиеся в

Так выглядит график энергий связи (устой­ чивостей) ядер первых восьми элементов в периодической таблице Д. И. Менделеева.