Физика без формул - Александр Леонович

Знание строения атомного ядра позволило разложить по полочкам, по ячейкам все, из чего складывается вещество. Количество протонов и нейтронов в ядре строго указывает, какой это элемент, каковы его физические и химические свойства. Иначе говоря, такой «банк данных» обладает огромной предсказательной силой.

Почему в крохотном ядре каждого атома удерживаются вместе такие частицы, как протоны? Если они положительно заряжены, то по всем электрическим правилам должны отталкиваться. Причем так, что ядро просто бы «взорвалось». Однако этого не происходит, ядрышки многих атомов вполне устойчивы, стабильны. Почему?

На таких маленьких расстояниях, на каких оказались в ядре протоны, действуют, помимо электрических, еще и другие силы. С ними человек столкнулся, лишь когда попытался объяснить себе, откуда в ядре взялся такой липкий «клей». Никакими известными силами его происхождение не объяснялось. Вот и пришлось считать, что это особый, ядерный вид сил. Они мощнее всех иных, но «включаются» лишь на микроскопических расстояниях, когда ядерные частички оказываются совсем рядышком друг с другом.

Но почему мы говорим лишь о протоне? Нейтрон — его постоянный «сосед» по ядру и равноправный участник ядерных процессов. Все сказанное его так же касается. Отметим, что третий компаньон, входящий в состав атома, — электрон — никак не влияет на жизнь внутри ядра. Слишком он от этого отдален, чересчур далеко от ядра кружится.

Количество протонов и нейтронов, входящих в состав ядра, меняется от единицы у водорода — самого легкого химического элемента, до сотен штук у таких тяжелых элементов, как уран. Различные их группировки, «сцепки», определяют, насколько тот или иной атом устойчив или нет.

Что происходит с атомным ядром, когда оно испускает радиоактивное излучение? Остается ли оно неизменным? Или, быть может, испытывает какие-то превращения? Поиски ответов на эти вопросы, продолжающиеся несколько десятилетий, привели ученых к неожиданному, но очень важному выводу.

Естественная радиоактивность, обнаруженная более 100 лет назад, дала представление о том, что внутри ядер атомов вещества запасена огромная энергия. О таких веществах вы, наверное, слышали, например, это уран. Так нельзя ли сконцентрировать его, обработав горные породы, в которых он рассеян по Земле? И тем самым получить источник энергии очень большой мощности? Оказалось, что эта задача в принципе решаема, но нужного нам сорта урана в природе не слишком много.

Кропотливые исследования, однако, показали, что можно создать искусственную радиоактивность. То есть как бы подталкивать ядра тяжелых элементов к тому, чтобы они начали распадаться, высвобождая сдерживаемую мощными ядерными силами энергию.

Во всех случаях распада из тяжелого ядра получаются более легкие, такие, например, как ядра атомов железа.

К концу 30-х годов в нескольких странах учеными было найдено, как заставить ядра делиться. А в 1942 году в США был запущен первый в мире ядерный реактор. Эта работа проводилась под руководством итальянского физика Энрико Ферми. Так была открыта первая страница в истории использования ядерной энергии.

Как распорядиться той колоссальной энергией, которая скрывается внутри атомных ядер? К сожалению, первое применение она нашла в оружии чудовищной разрушительной силы — атомной бомбе. Невероятные усилия ученых, направленные на познание строения вещества, были использованы так, что многие из них впоследствии стали активными борцами за запрещение этого оружия.

И все же, в чем суть этого изобретения? Очищенное и сконцентрированное ядерное горючее, например, уран, размещают «дольками» в снаряде. Сам по себе этот уран распадается очень долго. Но когда при попадании бомбы в цель срабатывает детонатор «обычного» взрыва, его мощное давление сдвигает «дольки» вместе. Образуется так называемая критическая масса урана, в которой реакция деления ядер невероятно убыстряется. Ее еще именуют цепной реакцией. Внутриядерной энергии выделяется так много, что она и создает взрыв чудовищной силы.

Впервые такое оружие было применено американцами 6 августа 1945 года, когда на японские города Хиросиму и Нагасаки были сброшены две бомбы, начиненные ядерной взрывчаткой. Многие годы после этого самые крупные страны мира производили подобное оружие в огромных масштабах. Эра ядерного противостояния недавно, можно надеяться, завершилась. Правда, опасность распространения этого оружия существует, поэтому здравомыслящие люди, в том числе и ученые, пытаются найти способы полного его запрета.

Создание ядерного реактора показало ученым и конструкторам, как можно «приручить» энергию, заключенную в самых глубинах вещества. Реакция деления тяжелых радиоактивных ядер может быть неуправляемой, когда вся энергия выделяется одновременно, взрывообразно. Это и происходит в атомной бомбе. Но можно и регулировать испускание этой энергии, отбирая ее у ядерного топлива постепенно, небольшими порциями.

Так и поступают, загружая, например, уран в ядерный реактор. Выделение энергии происходит в таком режиме, когда можно в любой момент «заглушить» ядерную реакцию. Для этого в котел с топливом быстро погружают стержни из специального материала, способные поглотить частицы, вызывающие реакцию.