Уильям Лоуренс - Люди и атомы
Что все это означает? Это означает, что спущенные па воду атомные подводные лодки и те, что за ними последуют, могут завоевать первенство на море, подобно тому как железный корабль в свое время изгнал деревянный.
Все это дает обнадеживающий ответ на старый вопрос. Тем из нас, кто боится будущего и с тревогой спрашивает: «Сторож, еще ночь? Сторож, еще ночь?», можно ответить так же, как и в старину: «Приближается утро, но еще ночь!».
ЧАСТЬ ПЯТАЯ
Атомный букварь
ГЛАВА 34
Вселенная, заключенная в атоме
Мир атома настолько фантастичен, что для его понимания требуется коренная ломка наших понятий о пространстве и времени.
Атомы так малы, что если бы каплю воды можно было увеличить до размеров Земли, то каждый атом в капле был бы меньше апельсина.
Одна капля воды состоит из 6000 миллиардов миллиардов (6 000 000 000 000 000 000 000) атомов водорода и кислорода, из которых на долю водорода приходится 4000 миллиардов миллиардов атомов.
И тем не менее атом имеет строение, сходное с нашей солнечной системой. В его непостижимо малом центре, радиус которого составляет менее одной триллионной сантиметра, находится относительно огромное «солнце»— ядро атома. Вокруг этого атомного «солнца» вращаются крошечные «планеты», которые движутся по определенным орбитам с тем же постоянством и в таком же соответствии с непреложными законами, как наша Земля и другие планеты вращаются вокруг Солнца.
Ядро атома состоит из двух основных строительных кирпичиков Вселенной — протонов и нейтронов. Обе эти частицы взаимопревращаемы, поэтому они имеют общее название — нуклоны. При возбуждении протон может стать нейтроном, а нейтрон может быть превращен природной «алхимией» в протон.
В атомной шкале как протоны, так и нейтроны имеют массу в одну атомную единицу. Например, атом водорода, ядро которого состоит только из одного протона, имеет атомную массу, равную единице. Атом гелия с ядром из двух протонов и двух нейтронов имеет атомную массу, равную четырем. Масса двойника, или изотопа, водорода, именуемого тяжелым водородом, или дейтерием, с ядром из одного протона и одного нейтрона равна двум, а атомная масса трития — третьей разновидности водорода, ядро которого состоит из одного протона и двух нейтронов,— равна трем.
Таким образом, изотоп является разновидностью того же самого элемента с тем же числом протонов в ядре, но с другим количеством нейтронов.
Например, самая распространенная разновидность урана — самого «тяжелого» из всех естественных элементов— имеет ядро, состоящее из 92 протонов и 146 нейтронов, т. е. из 238 частиц (нуклонов), почему этот изотоп и называется уран-238. Ядро второй разновидности урана состоит из того же числа протонов (92), но меньшего количества нейтронов (143). Таким образом, всего в нем содержится 235 нуклонов, откуда и происходит название этой разновидности — уран-235. Это двойник, или изотоп, урана, давший нам ключ к атомному веку.
«Планеты», вращающиеся по определенным орбитам вокруг «солнца» — ядра,— это электроны, частицы настолько сверхмикроскопические, что если бы на одну чашу весов положить один протон или один нейтрон, то на другую пришлось бы положить 2000 электронов. Но именно эта, по своим размерам приближающаяся к нулю, частица, самая малая единица массы во Вселенной, сделала возможным появление радио, телевидения, звукового кино, электронного микроскопа, гигантских вычислительных машин — машин, за несколько секунд решающих сложнейшие математические задачи, которые потребовали бы годы труда самых блестящих математиков,— а также еще тысячи и одного автоматического устройства, ставших обыденными в нашей повседневной жизни.
Да и электричеством мы обязаны именно электрону, что очевидно из самого названия этой частицы, хотя ко времени ее открытия в 1897 г. электричество уже было известно в течение 2500 лет и использовалось человеком почти сто лет. Электрический ток, как теперь известно, представляет собой направленный поток электронов в проводнике.
Электрон и протон — заряженные частицы. Количество заряда в каждом из них совершенно одинаково, однако заряды различаются по знаку, причем протон всегда обладает положительным зарядом, а электрон — отрицательным. Этот заряд является минимально возможным электрическим зарядом в природе и поэтому называется «атомом электричества». Атом электричества — это одна из основных констант природы.
За одну секунду пятидесятиваттная лампочка потребляет количество электричества, равное заряду трех миллиардов миллиардов электронов, т. е. три миллиарда миллиардов атомов электричества!
Нейтрон — единственный компонент атомного ядра, который не несет электрического заряда. В силу своей электрической нейтральности, что, кстати, видно из его названия, нейтрон имеет наибольшую проникающую способность из всех частиц в природе. Именно эта способность нейтрона проникать сквозь плотный электрический барьер, ограждающий ядра атомов, дала человеку ключ к атомному ядру и позволила расщепить на части ядро урана-235. Как мы уже знаем, именно нейтрону мы обязаны наступлением атомного века.
Говоря о протонах и нейтронах, надо всегда помнить о двух важных моментах. Первое — это то, что нейтроны и протоны могут переходить друг в друга. При определенных условиях протон теряет свой положительный заряд, излучая положительно заряженный электрон (позитрон), и превращается, таким образом, в нейтрон. Точно так же при возбуждении нейтрон теряет отрицательно заряженный электрон и превращается в протон.
Последний процесс используется для превращения не- расщепляемого урана — урана-238 — в плутоний и тория— в расщепляемый уран — уран-233. Вековая мечта алхимиков — превращение одних элементов в другие — становится возможной благодаря способности протонов переходить в нейтроны и наоборот.
Вторым чрезвычайно важным моментом, имеющим принципиальное значение для правильного понимания природы атомной энергии, является то, что каждый протон или нейтрон, находясь в ядре атома, весит меньше, чем в свободном состоянии, вне его. Потеря в весе компенсируется количеством энергии, необходимым для связи протона или нейтрона с другими частицами ядра.
Эта потеря в весе постепенно возрастает для элементов первой половины периодической системы и достигает своего наибольшего значения для ядра серебра, 47-го элемента, после чего постепенно уменьшается.
Следовательно, соединив два элемента, порядковый номер которых меньше серебра, получим новый элемент, протоны и нейтроны которого потеряют в весе, если его ядро легче ядра серебра, и увеличатся в весе, если оно тяжелее серебра.
При соединении любого элемента тяжелее серебра с другим элементом справедливо обратное положение. Например, если криптон и барий (ядра которых имеют соответственно 36 и 56 протонов) соединить в уран (92 протона в ядре), то вес протонов и нейтронов уранового ядра увеличится.
С другой стороны, при расщеплении уранового ядра на ядра криптона и бария каждый их протон и каждый их нейтрон потеряют в весе.
Увеличение веса всегда означает потерю в энергии, а потеря в весе — соответствующее приобретение в энергии, что находится в точном соответствии с формулой Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии. Потеря в весе характеризует количество энергии, связывающее протон с протоном, нейтрон с протоном и нейтрон с нейтроном.
Таким образом, ядерная энергия может быть высвобождена двумя диаметрально противоположными способами. Первый—это деление, т. е. расщепление ядра тяжелого элемента на ядра двух более легких элементов. Второй — синтез, или соединение ядер двух легких элементов в одно ядро более тяжелого элемента. Как при расщеплении, так и при синтезе конечные элементы легче, чем исходные. А потеря массы проявляется в высвобождении громадного количества ядерной энергии.
Практически синтез в условиях Земли возможен только для двух изотопов водорода — дейтерия и трития, а расщепление — только для одного естественного элемента, урана-235, и двух искусственных элементов — урана-233 и плутония.
Итак, при синтезе двух легких атомов в один более тяжелый один плюс один дает меньше двух, а половина от двух — больше чем один.
Напротив, при расщеплении тяжелых элементов один плюс один дает больше двух, а половина от двух — меньше чем один. Такой сумасшедшей арифметикой приходится пользоваться, чтобы понять фантастический мир атомного ядра.
Формула Эйнштейна показала, что и массу, и энергию можно создавать и разрушать, но только в том смысле, что масса может превращаться в энергию и энергия в массу.
При горении угля в тепловую энергию превращается микроскопическое количество — треть миллионной части грамма на килограмм, т. е. треть миллиардной части всей сжигаемой массы. При этом не уничтожается ни одного атома, но каждый атом в процессе горения теряет треть одной миллиардной части своей первоначальной массы, которая и превращается в тепло.
