Интересная винтажная статья, которая, думаю, заинтересует коллег.
ОТ СОЛНЦА К АТОМУ
Всем известно, что мы живем за счет солнечной энергии. Мы пользуемся ею, когда сжигаем каменный уголь: ведь угольные залежи – это не что иное, как остатки погребенных под землей доисторических лесов, а они росли за счет энергии солнечных лучей. Энергия Солнца заключена в «белом угле» – энергии рек, которые мы заставляем вращать турбины гидростанций. «Голубой уголь», то есть энергия ветра, – это тоже преобразованная солнечная энергия.
Заглядывая вперед и строя планы могучей энергетики будущего, горячие головы мечтали главным образом, только о наиболее полном освоении всех видов энергии, образующихся на Земле благодаря солнечному излучению.
Но как только исследователи разобрались в устройстве атомов, размышления об энергетике будущего получили новое направление. Солнце перестало быть в глазах многих мечтателей единственным источником двигательных сил будущего.
Современная наука выяснила, что атом представляет собой сложную конструкцию. В центре его расположено тяжелое положительно заряженное ядро, а вокруг него – целый рой легких, подвижных отрицательно заряженных электронов. Основа строения вещества – это именно ядро. Добравшись до него, исследователи узнали, что ядро, в свою очередь, имеет сложный состав. Атомные ядра всех элементов построены из простейших водородных ядер (они получили название протонов) и нейтронов – нейтральных, то есть электрически не заряженных частиц.
Силы, которые скрепляют протоны и нейтроны в необычайно плотной упаковке атомного ядра, пока что еще загадочны. Но известно, что они огромны. К этому заключению можно было прийти, наблюдая хотя бы за радием, сложные ядра атомов которого представляют собой неустойчивые системы. Перестраиваясь и выбрасывая избыточные частицы, они выделяют огромное количество энергии.
Внутриатомная энергия, выделяемая радием, настолько велика, что когда им пользуются для лечебных целей – например, для того чтобы выжигать раковые опухоли, – то берут самые ничтожные количества его, мельчайшие доли грамма. Иначе излучение будет чересчур сильным, и вместе с болезненной опухолью будут выжжены и здоровые ткани.
Избыточные частицы, вылетающие из распадающихся ядер атомов радия, выбрасываются с такой колоссальной силой, что скорость их достигает десятков тысяч километров в секунду. Если бы артиллерийские снаряды летали с такой скоростью, то они проходили бы через самую толстую броню так же легко, как обычный снаряд сквозь паутину!
Грандиозные запасы внутриатомной энергии содержатся не только в ядрах атомов радиоактивных веществ. Они имеются в атомах любого вещества – в атомах земли, воды, воздуха, нашего собственного тела. Но как извлечь эту энергию оттуда? Она выделяется самопроизвольно только из атомов радиоактивных веществ, подверженных непрерывному распаду. А во всех остальных веществах она хранится «на замке», и открыть ей доступ вo внешний мир – не легкая задача.
ЭНЕРГИЯ НА ЗАМКЕ
Физики, исследовавшие явления радиоактивности, долгое время находились в таком же положении, как и созерцатели звездных миров. Как для астрономов недосягаемы светила, которые они изучают, так и физики никак не могли воздействовать на ход естественной радиоактивности. Радиоактивные вещества можно кипятить, обжигать, охлаждать до самых низких температур, подвергать их действию самых могучих магнитных и электрических полей, а они будут продолжать, как ни в чем не бывало, свою внутреннюю перестройку, не замедляя и не ускоряя ее темпа. Ядро всякого атома, даже такого неустойчивого, как атом радия, скреплено так прочно, что воздействие тысячеградусной жары ила десятков тысяч атмосфер давления – сущий пустяк для него. Они не могут заставить его распадаться на части или перестраиваться.
Однако величайший экспериментатор нашего столетия Эрнест Резерфорд сумел подобрать для разгрома ядра подходящий снаряд. В 1919 году он впервые бомбардировал атомы обыкновенного азота теми самыми частицами, которые с огромной силой и скоростью выбрасывают распадающиеся атомы радия. Резерфорд доказал, что ядро азота после попадания в него такой частицы, в свою очередь, расщепляется. Эти работы открыли путь к ядру атома. Сотни исследователей во множестве лабораторий во всех частях света стали успешно бомбардировать ядра атомов разных элементов, стараясь их разрушить и посмотреть, что из этого получится.
Именно в процессе этой работы было точно высчитано количество энергии, заключенной в ядре.
Мощь внутриядерной энергии не может идти ни в какое сравнение с мощью обычных видов энергии, которые дам до сих пор были известны. Возьмем для примера хотя бы такой концентрированный вид энергии, как скрытая энергия пороха. При взрыве эта энергия освобождается. Порох превращается в горячие газы, которые выталкивают снаряд. Работу, которую при этом совершает заряд, скажем, 76-миллиметрового патрона, могли бы проделать в такой же короткий срок только около полумиллиона людей, и то напрягая все свои силы! А внутриядерная энергия, содержащаяся в таком количестве вещества, какое требуется для порохового заряда, в миллион раз больше скрытой химической энергии пороха! Таким; образом, размышления о заманчивых запасах внутриядерной энергии всегда имели под собой некоторую почву. Фантазия начиналась там, где речь заходила о практическом использовании этих энергетических запасов.
НЕПРИЯТНОСТИ ДЛЯ МЕЧТАТЕЛЕЙ
Одна из крупнейших неприятностей для тех, кто мечтал об использовании внутриядерной энергии, заключалась в том, что в ядро атома очень трудно попасть – даже сверхбыстрыми «снарядами» Резерфорда.
Чтобы понять, почему это так, представим себе кусок самого твердого, самого плотного вещества, скажем, металла. Если поверхность излома куска металла рассматривать в очень сильный микроскоп, то можно разглядеть отдельные плотно прижатые друг к другу кристаллики, из которых состоит металл. Они кажутся совсем сплошными. Но если бы мы с вами могли рассмотреть строение вещества в масштабе атомов, мы увидели бы, что на самом деле эти кристаллики состоят из бесчисленных рядов атомов – пустышек с маленькими ядрами в центре. Расстояния между ядрами в самом твердом веществе в десятки тысяч раз больше, чем размеры самого ядрышка. А кругом – пустота.
Ясно, что попасть в такое ядро, затерянное во внутренних пустотах атома, очень нелегко. Это все равно, что стараться из артиллерийского орудия попасть в пять случайных прохожих, рассеянных на площади в 1 квадратный километр. Если мы хотим, чтобы сравнение было точным, надо еще допустить, что у артиллеристов завязаны глаза и стреляют они не целясь – куда попало. Как-то в часы досуга мы подсчитали, что артиллеристы, желай поразить только одного из этих пяти человек, должны в подобных условиях сделать миллион выстрелов! Примерно такова же меткость стрельбы экспериментатора, который должен поразить невидимую для него цель – крошечные атомные ядра, отстоящие друг от друга, сравнительно с их размерами, на очень большие расстояния.
Читатели могут посоветовать нам увеличить число мишеней. В самом деле, легко представить себе тир, в котором мишени поставлены, как фигуры на черных шахматных клетках: одна закрывает собой промежуток между двумя другими. В таком тире самый плохой стрелок, даже если он выстрелит не целясь, куда-нибудь да попадет.
Попытаемся применить это рассуждение к миру атомов. Очевидно, чтобы получить такой тир со многими рядами ядерных «мишеней», надо просто взять слой вещества потолще.
Но не будем забывать, что атом состоит не только из ядра, но и из электронной оболочки. Прорываясь через эти оболочку, заряженная частица растрачивает свою энергию. Движение ее замедляется, и после многих таких столкновений у нее уже не хватает сил, чтобы продвигаться дальше.
НЕПРИЯТНОСТИ ПРОДОЛЖАЮТСЯ
Но мало попасть в ядро атома – надо его еще разбить.
Вторая неприятность для желающих тотчас же воспользоваться внутриатомной энергией заключалась в том, что частицы-снаряды не всегда могут проникнуть в ядро, даже если они с ним столкнутся.
Ядро забрано в своеобразную «броню». Оно заряжено положительно. А мы его тоже бомбардируем положительно заряженными частицами (самые распространенные снаряды – это протоны, то есть положительно заряженные ядра атомов водорода). Но одноименные электрические заряды, как мы знаем из закона Кулона, отталкиваются. Следовательно, при сближении ядро-мишень будет отталкивать ядро-снаряд. Чтобы преодолеть это сопротивление и «влезть» в бомбардируемое ядро, частица, выполняющая роль снаряда, должна обладать очень большой скоростью.
А для того чтобы получить такие быстрые частицы, нам нужно затратить сравнительно большое количество энергии. С помощью сильных электрических полей экспериментатор искусственно ускоряет бег частиц-снарядов, но израсходованная при этом энергия используется только в ничтожной степени: ведь из всех «разогнанных» с большой скоростью частиц только каждая стотысячная или каждая миллионная встретится с ядром и расщепит его. Остальные растратят свою энергию зря, при бесплодных столкновениях с атомами и их ядрами.
Но, может быть, при каждом удачном попадании зато выделяется столько энергии, что она с лихвой перекрывает все эти огромные потери? К сожалению, и это не так.
До сих пор при обстреле ядра удавалось добиться только того, что оно под воздействием снаряда лишь отчасти перестраивалось. От удара снаряда ядро не взрывалось, а лишь поглощало одну частицу-снаряд, либо выбрасывало наружу одну какую-либо частицу, оказавшуюся излишней.
Новые ядра, которые получались в результате этих преобразований, очень близко подходили по составу к прежним. До сих пор умели превращать ядра алюминия в ядра кремния, бор – в углерод, магний – в кремний и т. д. Если вы кинете взгляд на периодическую таблицу элементов, вы увидите, что превращаемые друг в друга элементы находятся в ней рядом. Различия в их внутриядерной энергии сравнительно невелики, и поэтому ее освобождается при таком преобразовании не так уж много.
Таким образом, все было против мечтавших об использовании внутриядерной энергии: и неточная стрельба ядерной артиллерии, и недостатки самих снарядов – заряженных частиц, и скромный характер самих ядерных реакций, при которых выделялось сравнительно мало внутриядерной энергии. Ничтожно мало, если принять во внимание огромные энергетические затраты, которые производили экспериментаторы. Все лаборатории мира, вероятно, затратили уже на бомбардировку атомных ядер, на ускорение своих снарядов столько же электроэнергий, сколько дает в год крупнейшая электростанция. А энергии, которую выделили во время этих опытов атомные ядра, пораженные снарядами, не хватило бы для получасового питания одной электрической лампочки.
Первый проблеск надежды принесло открытие в 1932 году нейтрона – замечательной частицы, для которой не существует такой преграды, как электронная оболочка атома. Это чудесное свойство вновь открытой составной частицы ядра объясняется тем, что электрически она нейтральна: она не несет на себе никакого заряда. Чтобы нагляднее представить себе, как именно ей удается благодаря отсутствию заряда невозмутимо пронизывать электронные оболочки атомов, сравните ее с костяным шариком, который катится мимо магнита. Незаряженный костяной шарик просто не почувствует влияния магнитного поля, через которое пройдет. Но если на его месте будет шарик из магнитного материала (его мы сравним с заряженной частицей), то на него магнит подействует: он отклонит его с пути.
Экспериментаторы поспешили использовать и нейтроны в качестве снарядов для бомбардировки ядер атомов. Так возникла ядерная артиллерия, эффективность боя которой 100 процентов.
Правда, нейтронам невозможно искусственно придать большую скорость, так как на них не действуют даже самые сильные электрические поля, с помощью которых удается разогнать заряженные протоны.
Но нейтронам «разгон» и не нужен. Для таких снарядов не имеет решающего значения скорость полета. Электрическая «броня», в которую забрано ядро, для них недействительна. Эти нейтральные частицы без всяких усилий проникают сквозь мощное электрическое поле ядра и поглощаются самим ядром. Эго свойство нейтронов – неизбежно быть поглощенными ядрами встречных атомов – и делает их снарядами «без промаха». В какую-нибудь цель они да попадут! Не одними, так другими ядрами атомов они будут проглочены. При этом в ядре произойдет перестройка, сопровождающаяся вылетом какой-либо другой частицы и выделением энергии.
Казалось бы, нейтроны это чистый клад для тех, кто мечтает об использовании внутриядерной энергии. Они избавляют разом от двух неприятностей: обеспечивают ядерной артиллерии стопроцентное попадание в цель и не требуют энергии для искусственного ускорения.
К сожалению, у нас нет иного источника нейтронов, кроме самих ядер, в которых эти частицы заключены. А чтобы высвободить их оттуда, надо сначала бомбардировать вещество заряженными частицами.
Таким образом, в конечном счете мы опять приходим к неэффективной стрельбе миллионом снарядов по одной мишени. Ясно, что никакого выигрыша энергии тут не получится.
НОВЫЕ СОБЫТИЯ
Меняют ли это безутешное положение новые события, сведения о которых будоражат умы физиков в течение последних лет?
Не будем пока делать поспешных заключений. Познакомимся прежде всего с фактами.
До сих пор, как мы уже говорили, ядерные превращения сводились лишь к перестройке ядра атома, причем обычно наружу выбрасывалась какая-либо оказавшаяся излишней частица.
Но сейчас физики с увлечением изучают совершенно новые ядерные превращения, при которых внутриядерной энергии выделяется в несколько десятков раз больше того, что наблюдалось до сих пор.
Такие превращения обнаружены у ядер тяжелого металла урана, когда его обстреливают нейтронами. Поглощая нейтрон, ядро урана не просто перестраивается, а разрывается надвое. Из такого тяжелого ядра атома урана получается два более легких ядра – ядра атомов других химических элементов, например криптона и бария.
Почему же при этой реакции выделяется сравнительно большое количество внутриядерной энергии?
Ядро урана тяжелое, сложное, «рыхлое». Чтобы удержать вместе многочисленные частицы, из которых состоит это рыхлое ядро, нужна большая энергия. Но вот ядро урана распалось на две части, которые обе начали новую самостоятельную жизнь. Образовались новые, компактно сложенные ядра сравнительно легких элементов. В этой новой упаковке частицы теснее и крепче связаны друг с другом, чем в «рыхлом» ядре урана. Эти новые, компактно связанные системы энергетически «экономнее», и поэтому при распаде ядра урана на два ядра легких элементов наружу выделяется сравнительно большой избыток энергии.
И вот что еще очень важно: распадаясь под действием снаряда-нейтрона на два новых ядра, урановое ядро в то же время само выбрасывает из себя нейтроны.
Вполне возможно представить себе, что эти вновь родившиеся нейтроны также будут поглощены ближайшими ядрами урана и, в свою очередь, вызовут ряд новых распадов; при этом снова появятся нейтроны и т. д. и т. д. Одно звено процесса будет цепляться за другое: произойдет то, что называется цепной реакцией. Типичный пример цепной реакции – взрыв пороха. Вспыхивает одна частица пороха; распадаясь, она выделяет много тепла; при образовавшейся высокой температуре начинают распадаться другие частицы, и процесс разрастается, как лавина.
Не может ли произойти нечто подобное с ураном? Если начальное нейтральное облучение развалит несколько первых атомов урана, не будет ли дальше этот процесс развиваться уже самопроизвольно и неудержимо? Иными словами, не подействует ли первая порция нейтронов, направленная на уран как спуск курка, за которым последует взрыв, выстрел?
Чтобы нейтроны не рассеивались зря в пространстве, где нет урана, а целиком и полностью были бы использованы в этой цепной реакции, надо взять достаточно большой, массивный кусок урана. Французские физики подсчитали, что такой лавинный, самопроизвольно развивающийся взрыв удастся уже в том случае, если будет облучена сплошная масса урана весом около 50 тонн.
Пятьдесят тонн – это груз, помещающийся в трех железнодорожных вагонах. Между тем при распаде такой порции вещества выделится столько энергии, что ею можно было бы вскипятить несколько миллиардов тонн воды!
Пойдет ли, однако, взрыв атомов урана по описанному нами пути? Это должно быть выяснено опытом.
Разумеется, в этих опытах требуется большая осторожность, иначе может разразиться неслыханная катастрофа. До сих пор взрыв атомов наблюдался только при опытах с ничтожными количествами урана. В дальнейшем для опытов будут брать все более и более толстые слои урана и при этом измерять, сколько нейтронов выделяется из его взрывающихся атомов.
Если предположения физиков подтвердятся, мы окажемся перед крупнейшими событиями не только в науке, но и в технике. Быть может, проблема, столько лет считавшаяся фантастической, получит, наконец, хотя бы частично, практическое решение.
источник: академик А. АЛИХАНОВ; Рисунки Н. СМОЛЬЯНИНОВА «Взрыв атома» // «Техника-молодежи» 10-11/1944, c. 18–20
