Text
                    C ZU. ft е с и с
ЫешЕС1В"В
МОНД
Под общей редакцией члена корреспондента Академии наук СССР Я. В. Петрянова.
Ставропольское книжное издательство
1958
ОТ ИЗДАТЕЛЬСТВА
Дорогие читатели!
Человек в своем стремлении познать законы мироздания достиг блистательных успехов. Всё больше и больше «тайн> вынуждена открывать перед ним природа.
Одно из величайших достижений человеческого ума — открытие атомной энергии. Трудно даже представить, какие перспективы открываются перед человечеством, получившим в руки такое мощное орудие прогресса. В Советском Союзе построена первая в мире атомная электростанция, успешно завершается строительство первого в мире атомного ледокола. Новый вид энергии находит свое применение во множестве отраслей народного хозяйства, начиная с тяжелой промышленности, сельского хозяйства и кончая медициной, облегчая труд человека, охраняя его здоровье, помогая ему в строительстве самого справедливого общества — коммунистического.
По-иному используют атомную энергию империалисты. Размахивая атомной и водородной бомбами, безумцы угрожают жизни миллионов и миллионов людей.
Советский Союз, стоящий во главе народов, борющихся за мир, прилагает колоссальные усилия, чтобы отвести от человечества угрозу истребительной атомной войны. Он первым в одностороннем порядке прекратил испытания ядерного оружия и призвал к этому другие страны, располагающие атомными и водородными бомбами.
За Советским Союзом идут миллионы людей, всё настойчивее требующих прекратить безумную игру с огнем.
И мы твердо уверены, что дело мира восторжествует во всем мире и величайшее достижение науки будет использовано на благо человечества.
В предлагаемой Вашему вниманию книге автор в популярной и занимательной форме рассказывает о том, как ученые шаг за шагом, вырывая у природы ее тайны, открыли новый источник энергии — энергию ядерных сил, рассказывает о тех неисчерпаемых возможностях, которые открываются перед человечеством на пути мирного использования энергии, заключенной внутри ядра атома.
Книга может оказать большую пользу и учащимся старших классов при внеклассных занятиях по физике и работе в физико-технических кружках.
Ваши отзывы о книге и свои пожелания шлите по адресу: г. Ставрополь-н.-К., улица Артема, 18, Краевое книжное издательство.
Глава I
ЭНЕРГИЯ
ВСЁ В МИРЕ СОВЕРШАЕТ РАБОТУ
Если внимательно присмотреться к окружающему нас миру, можно обнаружить одно замечательное явление: всё в мире, независимо от того, относится ли это к живой или мертвой природе, постоянно совершает ту или иную работу.
Вода в реке движется, размывает берега, переносит ил и песок за
многие сотни километров, намывает целые острова, прокладывает новые русла; если река бурная, то ее воды ворочают огромные камни, вырывают с корнями вековые деревья, растущие на берегах. Вода рек и каналов приводит в действие турбины современ-
ных гидроэлектростанций, передвигает сплавленный лес. Не «бездельничает» и вода морей, озер, прудов. Кто бывал на берегу моря или озера, тот на каждом шагу встречался с результатом работы воды или в виде обрушившихся скал, или в виде гладко отполированной гальки, или в виде тончайшего песка.
Все виды работы воды трудно перечислить — настолько она разнообразна.
А воздух? Он работает ничуть не меньше воды.
И совсем уже безгранично количество видов работы Солнца. Солнце работает всюду и для всего. Без него невозможна жизнь на нашей планете.
Всю жизнь работает и человек. Чтобы человек мог существовать, ему надо двигаться, добы-
3
вать себе пищу, изготовлять одежду, строить жилища, отапливать и освещать их. Когда человек ходит или бегает, переносит ношу или достает воду из колодца, читает или пишет, разговаривает, поет, ест или пьет, играет на музыкальном инструменте или думает, даже когда он дышит во сне — он всегда совершает работу.
Уже с давних времен люди заметили следующее свойство: любое тело может совершать работу (или отдавать тепло), лишь находясь в определенных условиях.
Если одно тело может совершить работу над другим телом (или может передать ему тепло), то говорят, что первое тело обладает энергией.
Вот как Ф. Энгельс определяет, что такое энергия: «Энергия представляет собой «запас» возможной, но еще не осуществившейся работы...»
При совершении работы или теплоотдаче происходит передача энергии от того тела, которое совершает работу (или отдает тепло), тому телу, над которым совершена работа (которое получает тепло).
Таким образом и совершение работы, и отдача тепла являются двумя возможными процессами передачи энергии от одного тела к другому.
Но между процессом совершения работы и процессом отдачи тепла имеется и существенная разница. В то время как работа всегда может быть превращена в теплоту, теплота полностью превращена в работу быть не может.
Познакомимся теперь с различными видами энергии.
Всем известно, что любое движущееся тело может совершать работу. О таком теле говорят, что оно обладает энергией движения, или кинетической энергией.
Когда мы забиваем гвоздь ударом молотка, то работа преодоления сил сопротивления доски совершается за счет кинетической энергии движущегося молотка.
С другим видом энергии мы
4
можем познакомиться на примере часов-ходиков. Они, как известно, идут до тех пор, пока гири на цепочке не опустились до конца вниз. За счет чего в таких часах совершается работа вращения стрелок? За счет энергии, запасенной в гирях, подтянутых вверх. Такая энергия, скрытая в неподвижном приподнятом теле, называется потенциальной энергией.
Третьим видом энергии является тепловая энергия. Такой энергией обладает любое нагретое тело. Если пробирку с воздухом заткнуть пробкой, а затем подержать пробирку над пламенем, то пробку может выбросить.
Чтобы понять, что такое химическая энергия, разберем такой вопрос: за счет какой энергии мы обогреваемся зимой?
Известный русский химик академик Бекетов писал, что ответить на этот вопрос, будто мы обогреваемся дровами или углем, по существу значит ничего
не разъяснить. В таком ответе дано только указание на материал, из которого выделяется тепло, а не причина и происхождение этой теплоты.
Источником тепла служат не сами
с + о2
дрова или уголь (если в холодную комнату внести, скажем, вязанку дров, то от этого в комнате не станет теплее), а их горение при притоке воздуха. Значит, материалом для получения теплоты являются не только дрова или уголь, но и воздух. Только мы на воздух обычно не обращаем внимания. А между тем при сгорании каждого килограмма дров идет 6 килограммов воздуха. При сгорании дров или угля происходит соединение углерода, запасенного в дровах или угле, с кислородом воздуха. При этом соединении образуется углекислый газ и выделяется большое количество тепла.
Итак, можно сказать, что химической энергией обладают вещества, которые, вступая между собой в химическую реакцию (соединение), например горение, выделяют теплоту.
Помимо перечисленных четырех видов энергии, существуют и другие: электрическая, магнитная и т. п. В последние годы приобрел большое значение еще один, новый вид энергии — атомная энергия. С ней-то мы и познакомимся поподробнее.
НЕМНОГО ИСТОРИИ
В далекие доисторические времена человек, чтобы совершить какую-либо работу, мог рассчитывать только на силу своих мышц. Чтобы убить-хищного зверя, он должен был бросить в него-с. большой силой камень, заЪстреннуюпалку или-нанести ему удар тяжелой дубинкой. Чтобы поднять большой камень, также необходимо было большое напряжение человеческих мускулов. Даже для плавания на кораблях вначале приходилось пользоваться мускульной силой гребцов.
Приручив некоторых животных, человек начал совершать нужную ему работу за счет мышц этих животных. Хотя этим человек сделал важный шаг вперед в своем развитии, облегчил свой труд, но возможности человека остались еще в значительной мере ограниченными. Не на любой работе можно использовать животное, не во всяких условиях оно может жить и работать. Кроме того, ни человек, ни животное не могут беспрерывно длительное время работать, не могут развивать большую мощность, то есть совершить много работы за небольшой отрезок времени.
Затем человек заметил, что работу можно получать за счет других сил, существующих в природе. Так, силу ветра, например, человек начал использовать для движения парусных кораблей, для вращения ветряных мельниц; силу падающей воды — для вращения водяного колеса.
6
Развитие механических двигателей типа водяной мельницы имело огромное техническое значение. Однако месторасположение производства всецело зависило от места нахождения потока воды, который был нужен для приведения в движение водяного колеса. Еще большими недостатками страдали ветряные двигатели — ведь не всегда дует ветер.
Поэтому огромнейшее значение для истории человечества сыграло изобретение Ползуновым паровой машины, позднее усовершенствованной Уаттом. Это был первый двигатель, полностью контролируемый человеком. Паровая машина превращала теплоту сжигаемого топлива в работу.
Энергия всевозможных паровых двигателей вначале получалась в результате сжигания "дров. От-' крытие и применение каменного угля сделало переворот в этой об
ласти, развитие техники начало идти большими шагами вперед. Но вскоре выяснилась необходимость в новых видах топлива. Такими новыми видами в первую очередь явилась нефть и ее продукты (керосин, бензин и т. п.), особенно необходимые, когда техника перешла от паровых двигателей к двигателям внутреннего сгорания. Современная авиация с ее легкими моторами стала возможна только при наличии бензина.
В конце XIX века были созданы первые электромоторы. Возник вопрос об источниках энергии, за счет которых работали бы многочисленные электростанции. Первое время снабжение их энергией достигалось за счет сжигания дров, угля, нефти, торфа и т. д.
7
В XX веке в связи с открытием возможности передавать электрическую энергию на большие расстояния стало возможным размещать электростанции вдали от крупных промышленных центров и воспользоваться для работы станции двигательной силой воды.
Строительство гидроэлектростанций имеет огромное значение для развития человечества. Крупнейшие гидроэлектростанции строятся и вступают в строй у нас в СССР: Куйбышевская, Сталинградская на Волге, Каховская на Днепре, крупнейшая в мире Братская на Ангаре. Но потребности в энергии непрерывно растут. Поэтому открытие новых источников энергии является первостепенной задачей науки и техники.
Но прежде чем говорить об атомной энергии, (познакомимся с некоторыми открытиями ученых физиков.
ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ — ВСЕОБЩИЙ ЗАКОН ПРИРОДЫ
Рис. 1. Проект вечного двигателя с откинутыми палочками, придуманный в средние века.
В течение многих столетий люди пытались построить такой механизм, который, будучи однажды заведенным, безостановочно двигался бы и совершал какую-нибудь полезную работу, не получая извне энергии, то есть пытались создать «вечный двигатель» («перпетуум мобиле»).
—Несмотря н^ то, что предложено ^было огромное множество различных проектов «вечных двигателей», ни один из них... не двигался.
На помещенном здесь рисунке 1 изображен один из древнейших проектов вечного двигателя.* Устроен он на редкость просто. К краям колеса прикреплены откидные палочки с грузами на концах. При всяком положении колеса грузы на его правой стороне будут откинуты дальше от центра, нежели на левой. Значит, эта половина должна всегда перетягивать левую и тем самым заставлять колесо вращаться вечно,— по крайней мере до тех пор, пока не перетрется его ось. Во всяком случае так казалось изобретателю.
Однако, если построить такой двигатель, он не будет вращаться. Чего же не учел изобретатель?
А вот чего: хотя грузы на правой стороне всегда дальше от центра, но неизбежно такое положение, что число этих грузов меньше чем на левой.
* Приведенные примеры взяты из известной книги Перельмана «Занимательная физика».
8
Взгляните еще раз на рисунок. Направо всего 4 груза, налево же — 8. При таком положении грузов вся система уравновешивается и, естественно, что колесо вращаться не станет. Сделав несколько качаний, оно остановится.
А вот еще пример мнимого вечного двигателя: колесо с перекатывающимися в нем тяжелыми шариками. Изобретателю казалось, что шары на одной стороне колеса, находясь всегда ближе к краю, своим весом заставят колесо непрерывно вертеться.
Разумеется, этого не произойдет по той же причине, что и с колесом, изображенным на предыдущем рисунке.
Тем не менее образцы подобных вечных двигателей время от времени выставлялись в виде рекламы то в кафе, то в витринах часовых магазинов для привлечения публики. Такие «вечные двигатели» незаметно приводились в движение электрическим током.
Вот как описывает такой интересный случай профессор Перельман.
«Один рекламный «вечный двигатель» доставил мне однажды не мало хлопот. Мои ученики — рабочие — были им настолько поражены, что оставались холодны к моим доказательствам невозможности вечного двигателя. Вид шариков, которые, перекатываясь, вращали колесо и тем же колесом поднимались вверх, убеждал их сильнее моих доводов; они не хотели верить, что мнимое механическое чудо приводится в действие электрическим током от городской сети. Выручило меня то, что в выходные дни ток тогда не подавался. Зная это, я посоветовал слушателям наведаться к-витрине в эти дни. Они последовали моему совету.
— Ну, что, видели двигатель? — спросил я.
— Нет,— ответили мне сконфуженно.— Его не видать: прикрыт газетой.
Закон сохранения энергии вновь завоевал доверие и более уже не утрачивал его».
Пожалуй, остроумнее всех, по мнению проф. Перельмана, поступил некий
Рис. 2. Проект вечного двигателя с тяжелыми шариками, перекатывающимися в колесе.
9
изобретатель «вечного двигателя», демонстрировавший свое изобретение во второй половине прошлого столетия на Парижской выставке. «Двигатель состоял из большого колеса с перекатывавшимися в нем шарами, причем изобретатель утверждал, что никому не удастся задержать движение колеса. Посетители один за другим пытались остановить колесо, но оно немедленно же возобновляло вращение, как только отнимали руки. Никто не догадывался, что колесо вращается именно благодаря стараниям посетителей остановить его. Толкая его назад, они тем самым заводили пружину искусно скрытого механизма».
Очень забавна также история о «вечном двигателе» времен Петра!. «...Сохранилась оживленная переписка, которую вел в 1715—1722 гг. Петр I по поводу приобретения в Германии «вечного двигателя», придуманного неким доктором Орфиреусом. Изобретатель, прославившийся на всю Германию своим «самодвижущимся колесом», соглашался продать царю эту машину лишь за огромную сумму. Ученый библиотекарь Шумахер, посланный Петром на Запад для собирания редкостей так доносил царю о притязаниях Орфиреуса, с которым он Велцерего-воры о покупке:	~~
«Последняя речь изобретателя была: на одной стороне положите 100 000 рублей^ а на другой я положу машину».
На помещенном здесь рисунке, заимствованном из старинной кни-
Рис. 3. Схема мнимого вечного двигателя Орфиреуса, чуть было не приобретенного Петром I.
10
ги, изображена машина Орфиреуса, какой она была в 1714 году. Здесь видно большое колесо, которое не только вращалось само собой, но и поднимало при этом тяжелый груз на значительную высоту.
Слава о чудесном изобретении, которое ученый доктор показывал на ярмарках, быстро разнеслась по Германии, и Орфиреус вскоре приобрел могущественных покровителей. Им заинтересовался польский король, затем ландграф Гессен-Кассальский. Последний предоставил изобретателю свой замок для опытов и всячески испыты
вал машину.
Так, в 1717 году 12 ноября двигатель, нахо-приведен в действие, затем
Рис. 4. Разоблачение секрета «самодвижущегося» колеса Орфиреуса (со старинного рисунка).
дившийся в изолированной комнате, был
комната была заперта на замок, опечатана и оставлена под бдительным караулом двух гренадеров. Четырнадцать дней никто не смел даже приближаться к комнате, где вращалось таинственное колесо. Лишь 26 ноября печати были сняты: ландграф со свитой вошел в помещение. И что же, колесо всё еще вращалось «с неослабевающей быстротой»... Машину остановили, тщательно осмотрели, затем опять пустили в ход. В течение сорока дней помещение снова оставалось запечатанным: сорок суток караулили у дверей гренадеры, а когда 4 января 1718 года печати были сняты, экспертная комиссия нашла колесо в движении!
Ландграф и этим не удовольствовался: сделан был третий опыт,— вечный двигатель был запечатан на целых два месяца. И всё же по истечении этого срока его нашли движущимся.
Изобретатель получил от восхищенного ландграфа официальное удостоверение о том, что его «вечный двигатель» делает 50 оборотов в минуту, способен поднять 16 килограммов на высоту 1,5 метра. С этим удостоверением Орфиреус странствовал по Европе, показывая свою машину.
Тонкое плутовство Орфиреуса было раскрыто случайно только потому, что «ученый доктор» поссорился со своей женой и служанкой,
11
М. В. Ломоносов (1711—1765).
русский уче-
Величайший ный — физик, химик, металлург, историк, поэт.
Выходец из семьи простого архангельского помора Михайло Ломоносов благодаря страстной жажде знаний в 1730 г. покинул родной дом и ушел учиться в Москву.
В 1736 году Ломоносов, блестяще окончив «курс наук> в Москве и Петербурге, был направлен на учебу в Германию. В 1741 году возвратился в Россию уже вполне сформировавшимся ученым. Им был сформулирован закон сохранения вещества (закон Ломоносова) , развиты представления об атомно-молекулярном строении материи, о кинетической природе тепла. Ломоносов является создателем современной химии и физической химии.
Роль Ломоносова для всей русской науки были исключительно велика, он был по словам Пушкина «первым русским университетом».
литератор и
посвященными в его тайну. Не случись этого, мы, вероятно, до сих пор оставались бы в недоумении относительно «вечного двигателя», наделавшего столько шума. Оказывается, что «вечный двигатель» приводился в движение спрятанными людьми, незаметно дергавшими за тонкий шнурок. Этими людьми был брат изобретателя и его служанка».
Бесплодность попыток построить «вечный двигатель» привела к твердому убеждению о принципиальной невозможности создания такого двигателя и к установлению закона сохранения энергии: энергия не возникает, и не исчезает. Впервые гениальную догадку о сохранении энергии в природе высказал великий Ломоносов.
Еще в 1749 году в письме к Эйлеру* он писал: «Все изменения, случающиеся в природе, происходят так, что если что-либо прибавится к чему-либо, то столько же отнимется от чего-то другого. Так, сколько к какому-либо телу присоединяется материи, столько же отнимается от другого; сколько часов я употребляю на сон, столько же отнимаю от бдения и т. д. Так как этот закон природы всеобщ, то он простирается даже в правила движения, и тело, побуждающее своим толчком другое к движению, столько же теряет своего движения, сколько сообщает другому, движимому им».
Однако идеи Ломоносова были столь необычными, столь опережали свое время, что глубокий смысл их был понят значительно позже.
♦ Эйлер — швейцарец по происхождению, длительное время проработавший в Петербурге. Крупнейший в то время математик и физик.
12
В современном виде закон сохранения энергии был впервые сформулирован в 1842 году немецким врачом и физиком Робертом Майером.
В 1842 году Майер выступил со статьей, в которой убедительно доказывал, что при различных процессах происходят качественные превращения энергии (например кинетической в потенциальную), но количество энергии сохраняется. Это значит, что если газ в цилиндре расширяясь поднимает поршень с грузом, то есть совершает работу, увеличивая потенциальную энергию поршня с грузом, то тепловая энергия ровно настолько же уменьшается.
Однако эти смелые научные идеи Майера на первых порах были встречены в штыки реакционерами от науки, поднявшими неприкрытую травлю ученого. Только к концу жизни ученого постепенно начали признавать его заслуги. Очень высоко ценил Майера Ф. Энгельс.
Р. Майер. (1814—1878).
Известный немецкий физик и врач, впервые сформулиро вавший закон сохранения и превращения энергии.
СМЫСЛ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ
О чем же говорит закон сохранения энергии?
Согласно этому закону энергия не творится из ничего и не исчезает бесследно. Она только превращается из одного вида в другой.
Когда камень, приподнятый на большую высоту и обладающий поэтому большой потенциальной энергией, падает вниз, то его потенциальная энергия уменьшается, но при этом увеличивается кинетическая энергия.
Но куда денется эта энергия, когда камень ударится о землю и остановится? Конечно, энергия никуда не исчезнет, а опять (превратится в другую форму — в тепловую энергию, ибо от резкого торможения камень разогреется. Если подсчитать количество энергии во всех этих превращениях, то окажется, что общее количество энергии не меняется.
Еще в доисторические времена люди пользовались превращением механического вида энергии в тепловую: они добывали огонь с помощью трения (этим способом еще и теперь пользуются некоторые австралийские племена).
13
Смысл всеобщего закона сохранения энергии может быть выражен и так: при взаимодействии двух (или нескольких) тел может уменьшиться энергия одного тела и ровно настолько же увеличится энергия второго тела, то есть происходит передача энергии от одного тела к другому.
Эта передача энергии может совершаться не только путем выполнения работы первого тела над вторым, но также путем передачи тепла от первого ко второму.
Но каким бы образом не передавалась энергия от одного тела к другому, общее количество энергии не меняется.
Закон сохранения энергии является одним из основных законов природы.
Этот закон соблюдается всегда — и в мире гигантских звезд, и в мире ничтожно малых атомов.
ЗАКОН ВЗАИМОСВЯЗИ МАССЫ И ЭНЕРГИИ
Мы знаем, что каждое тело обладает определенным количеством энергии. Но возникает естественный вопрос, как определить, какое количество энергии содержится в данном теле? Существует ли метод, с помощью которого можно было бы заранее вычислить, сколько энергии содержится в любом теле?
В 1905 году такой способ был указан тогда еще никому неизвестным 26-летним немецким ученым Альбертом Эйнштейном. Эйнштейн опубликовал в научном журнале две небольшие статьи, посвященные созданной им так называемой теории относительности.
Во второй из них, занимавшей менее двух страниц, Эйнштейн сформулировал важнейший закон природы — закон взаимосвязи массы и энергии. Сущность этого закона состоит в том, что энергия, которой обладает всякое тело, прямо пропорциональна массе этого тела. Причем коэффициентом пропорциональности между массой и энергией является скорость света, возведенная в квадрат.
Иначе говоря: если масса одного тела в несколько раз больше массы другой, то и энергия первого тела точно в столько же раз больше, чем энергия второго. Более того, из этого закона вытекает еще другой вывод. Поскольку энергия тела может изменяться, то и масса тела соответственно должна изменяться, то есть масса тела не является абсолютно постоянной величиной, а зависит от тех условий, в которых
14
тело находится. Поэтому, строго говоря, мы не можем ответить на вопрос, какова, скажем, масса снаряда, если не известно о каком снаряде идет речь — о неподвижном или движущемся. Летящий снаряд обладает кинетической энергией, а покоящийся—такой энергией не обладает. Поэтому полная энергия летящего снаряда больше его энергии в состоянии покоя. Следовательно, гласит закон пропорциональности массы и энергии, масса летящего снаряда больше массы снаряда неподвижного.
Таким образом существует прямая связь между массой и энергией, которые ранее считались совершенно независимыми. Закон Ломоносова, то есть закон сохранения массы и закон сохранения энергии, благодаря этому открытию сливаются в единый закон — закон сохранения массы и энергии.
Следует сказать, что еще до Эйнштейна частный случай этого закона получил П. Н. Лебедев — известный русский физик, впервые в мире измеривший давление света. Он доказал, что свет, представляющий собой электромагнитные волны, обладает электромагнитной массой.
Закон взаимосвязи массы и энергии имеет огромное значение в современной физике, именно с его помощью была впервые указана принципиальная возможность получения атомной энергии.
Выясним теперь, какие имеются возможности для человека получить энергию, используя для этой цели разнообразные процессы, протекающие в окружающей нас природе.
А. Эйнштейн (1879—1955) Величайший физик XX века. В 1900 г. окончил учительский факультет политехнического института в Цюрихе. В 1902—1909 гг. работал инженером в Швейцарском патентном бюро. В 1905 г. Эйнштейн опубликовал три научные статьи, каждая из которых сыграла огромную роль в развитии современной физики. Самая важная из них посвящена так называемой специальной теории относительности — теории пространства и времени, во второй он развил новую теорию о природе света и третья была посвящена законам движения молекул.
С 1909 года Эйнштейн—профессор университета.
В 1916 году Эйнштейн завершает свою самую крупную научную работу: общую теорию относительности — теорию, связывающую воедино материю, пространство и время. Опыты блестяще подтвердили все теоретические выводы Эйнштейна. В его честь 99-й химический элемент назван «эйнштейний».
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ НА ЗЕМЛЕ
Интересные данные о различных источниках энергии приводит проф. Д. А. Франк-Каменецкий.
Одним из важных источников получения энергии в виде тепла является дерево.
Запасы энергии в различных древесных породах достаточно велики и человечество до открытия каменных углей и нефти широко пользовалось лесами для отопления и получения движущей силы в технике. Эта энергия сохраняется и в остатках погибших растений, из которых в течение веков образуются сначала торф, затем бурый и, наконец, каменный уголь.
Сжигая в печи дрова или уголь, мы превращаем химическую энергию в тепловую, то есть пользуемся по существу энергией Солнца, некогда запасенной растениями. Ту же солнечную энергию мы используем на гидроэлектростанциях в виде энергии падающей воды. Под действием тепла, приносимого солнечными лучами, вода в морях и океанах испаряется, пары поднимаются вверх, сгущаются в облака и тучи и проливаются дождем. Дождевая вода впитывается в землю, скапливается в родники и ключи, собирается в реки и стекает обратно в моря. Течение рек при их возвращении в моря и используется для работы гидроэлектростанций.
Энергия ветра тоже неразрывно связана с энергией Солнца. Ветер возникает оттого, что Солнце неравномерно нагревает различные части земной поверхности, и более нагретые, а значит, и более легкие слои воздуха начинают двигаться.
Как же велики запасы энергии на Земле?
В 1922 году шведский ученый Аррениус составил интересную таблицу, в которой он приблизительно оценил запасы солнечной энергии, накопленной в разной форме на Земле. За единицу он принял количество энергии, содержавшейся в угле, который был сожжен во всем мире за весь 1922 год.
В этих условных единицах, по исчислению Аррениуса, получается,			
что: 1.	Энергия воды в облаках равна	280000	единицам
2.	Излучение Солнца к верхней границе атмосферы в год	133 000	
3.	Излучение Солнца у поверхности Земли в год	53 000	
4.	Испарение воды в океанах и морях в год	34 000	
5.	Общая энергия ископаемого угля	4 400	»
6.	Энергия воздушных потоков	3 300	
7.	Энергия, заключенная в растениях,	16	>
8.	Общая энергия нефтяных месторождений	12	»
9-	Энергия текущей воды	5,5	»
16
Рис. 5. Схема, показывающая роль солнца как первоисточника всех основных видов энергии на земле.
бы-за-
ма-
П. Н. Лебедев (1866—1912)
Великий русский физик-экспериментатор. В 1891 году защитил докторскую диссертацию. В 1900 году Лебедев осуществил свою классическую работу по обнаружению давления света. Эта работа имела огромное значение для развития теории электромагнитного поля, для сформули-рования теории электромагнитной массы и энергии.
Однако далеко не все перечисленные виды энергии могут быть практически использованы.
В современной технике двумя основными источниками энергии являются ископаемое топливо (уголь и нефть) и падающая вода.
В 1929 году в Лондоне была созвана мировая энергетическая конференция, которая должна ла определить энергетические пасы на Земле.
Собранные конференцией териалы относятся к 1925 году, и хотя они сильно устарели, рассмотрим некоторые цифры. По данным геологических исследований недр Земли оказалось, что всемирные Запасы каменного угля в 1925 году были равны примерно 6,5 биллиона (миллион миллионов) тонн. Годовое же потребление угля в 1925 году было равно 1 200 миллионам тонн. Выходит, что если бы мировое потребление угля не возрастало, а оставалось на уровне 1925 года, то угля хватило бы примерно на 4 450 лет. Но в действительности, ввиду развития техники, потребление топлива резко возрастет.
К 1954 году энергетические потребности человечества покрывались в основном за счет сжигания каменного угля, нефти и газа, дающих примерно 80% всей используемой энергии. Органические вещества — древесина, солома и др. дают около 15% потребляемой энергии. Энергия же течения рек пока покрывает только 1,5% энергетических нужд человечества.
Принимая во внимание бурное развитие техники, рост населения земного шара и, значит, рост потребления энергии на душу населения, известный индийский ученый Хоми Баба, выступая на открытии Международной конференции по мирному использованию атомной энергии в августе 1955 года, высказал предположение, что всех известных запасов топлива — угля, нефти, сланцев и газа хватит менее чем на 100 лет.
18
Рис. 6. Плотина современной гидроэлекростанции.
В докладе Организации Объединенных Наций на этой же конференции указывалось, что мировая потребность энергии в 1957 году возрастет, по-видимому, в 3 раза, а к концу нашего столетия — в 8 раз по сравнению с 1952 годом. Особенно быстро растет потребление энергии в странах социализма.
В 1925 году Советский Союз потреблял 14 миллионов тонн угля, а по пооекту шестой пятилетки в 1960 году угля у нас будет добываться около 600 миллионов тонн, то. есть в 40 раз больше!
Такое же положение и с нефтью.
Каковы запасы вод-
Рис. 7. Схема установки для непосредственного превращения энергии солнечных лучей в энергию электрическую.
2*
19
Рис. 8. Электростанция, работающая за энергии приливов.
ной энергии? В отличие от энергии ископаемого топлива, водная энергия не истощается. Поэтому можно говорить не о полном запасе водной энергии, а только о годовом ее количестве. По данным 1925 года, это ко-
личество соответствовало энергии, получаемой от двух миллиардов тонн угля,
а использовалось только количество, соответствующее 120 миллионам
тонн. В настоящее время положение с использованием водной энергии также сильно изменилось. Достаточно указать, что производство гидроэлектроэнергии в СССР за годы шестой пятилетки должно возрасти в 2,7 раза.
А ведь на открытие новых запасов водной энергии трудно рассчитывать — источники водной энергии находятся на поверхности земли,
у всех на глазах.
Все источники энергии, о которых мы говорили до сих пор, имеют своим первоисточником энергию солнечных лучей. Но есть на земле и такие виды энергии, которые не зависят непосредственно от Солнца. Это — энергия приливов и энергия внутреннего жара земли. Оба эти источника энергии пока почти совсем не используются.
Полная энергия морских приливов и отливов (морские приливы и отливы вызываются главным образом притяжением воды морей и океанов к Луне и зависят от вращения Земли вокруг своей оси) колоссальна, но она рассеяна по такой длинной береговой линии, что ее трудно использовать.
Колоссальным источником энергии является и внутренний жар Земли. Известно, что в шахтах, и буровых скважинах при углублении на каждые 100 метров температура возрастает примерно на 3 градуса. Если бы удалось пробить шахту на глубину в несколько километров, то на дне ее можно было бы устроить паровой котел и использовать пар для получения механической энергии. Уже сейчас есть установки, использующие вулканический жар.
В ноябре 1956 года почти все газеты Советского Союза сообщили о том, что на Камчатке начата постройка первой в СССР электростанции, работающей на природных горячих водах и парах. На юго-западном побережье Камчатки в долине небольшой речки Паужетки бьют десятки горячих ключей. Температура клокочущей воды достигает 100 градусов. Намечено пробурить две скважины на глубину в 500 метров, где, по мнению геологов, напор и температура воды значительно выше. Это будет крупнейшая в мире промышленная установка по использованию энергии внутреннего жара земли.
Откуда же берется эта энергия?
20
Раньше думали, что Земля когда-то представляла собой огненный шар, теперь она остывает и первоначальный жар ее скоро иссякнет. Наука доказала, что это не так.
В горных породах, составляющих земную кору, содержатся, хотя и в ничтожном количестве, радиоактивные вещества. Атомы этих веществ самопроизвольно непрерывно распадаются, выделяя при этом энергию. Правда, радиоактивные вещества, постепенно распадаясь, когда-нибудь совсем исчезнут, но время, которое для этого потребуется, значительно больше, чем всё время существования Земли, то есть составляет десятки миллиардов лет.
Итак, из всех источников энергии на Земле люди используют в основном только энергию топлива и падающей воды.
Рис. 9. Схема получения электроэнергии за счет внутреннего жара земли.
В чем же здесь дело? Почему люди отказываются от энергии Солнца, приливов, внутреннего жара Земли? А потому, что все эти
виды энергии не концентрированы, а рассеяны на громадных пространствах. Каждый квадратный метр земной поверхности в ясную погоду получает солнечную энергию, равную по мощности примерно одному киловатту. Если бы мы могли полностью уловить и использовать всё солнечное излучение, падающее на площадь в один гектар (10 тысяч квадратных метров), то мы получили бы в среднем мощность в 10 тысяч киловатт. А это мощность средней электростанции. Если подсчитать полное количество энергии, получаемой от Солнца всей поверхностью земного шара, то она окажется примерно в сто тысяч раз больше, чем мощность всех электростанций мира вместе взятых. И если бы можно было использовать всю эту энергию, то ее с избытком хватило бы на удовлетворение всех потребностей человечества.
Имеются на Земле еще много других, в настоящее время не используемых или слабо используемых источников энергии. К ним прежде всего относится ветер.
21
Рис. 10. Проект ветросилового двигателя, разработанный акад. В. Ветчинским и А. Уфимцевым.
Было время, когда ветряные мельницы являлись едва ли не единственными промышленными предприятиями и энергия ветра имела большое значение для человека. И сейчас в некоторых странах, бедных другими источниками энергии, например в Голландии, ветряных двигателей очень много.
В последнее время удалось разработать совершенные типы ветряных двигателей, обладающие высоким коэффициентом полезного действия. Но трудность использования энергии ветра вовсе не в создании экономичного двигателя. Основной недостаток этого вида в том, что ветер дует не тогда, когда нам нужно, а когда ему заблагорассудится. Франк-Каменецкий сравнивает положение главного инженера большой 2?
ветряной электростанции с положением капитана парусного судна, попавшего в мертвый штиль. Когда потребители будут требовать энергии, ветра может не быть, а когда энергия вовсе не нужна, вдруг подует ураган и энергию некуда будет девать.
Поэтому использование энергии ветра в больших масштабах возможно лишь в том случае, если комбинировать ветряные электростанции с мощными аккумуляторами энергии, которые позволяли бы при сильном ветре запасать энергию, а при отсутствии ветра ее расходовать.
В октябрьском номере журнала «Юный техник» за 1956 г. сообщается о первой в мире «ветросиловой плотине», построенной членами физико-технического кружка Татауровской средней школы (Кировской области) под руководством учителя физики В. Г. Разумовского. Хотя мощность этой установки всего 4 киловатта, ее значение велико. Ведь в ней впервые в мире воплощен в жизнь проект ветросиловой плотины, созданный акаде-
Рис. 11. Ветросиловая плотина, построенная учащимися Татауровской школы.
миком В. П. Ветчинским и изобре-
тателем А. Г. Уфимцевым. Согласно этому проекту должна быть построена огромная ажурная ферма высотой в 250 метров с сотнями двадцатиметровых колес, которые будут непрерывно перекачивать в единую энергосеть страны миллионы киловатт-часов «бесплатной» энергии. И вполне возможно, что первый опыт кировских школьников
явится преддверием широкого использования энергии ветра.
ЭНЕРГЕТИКА БУДУЩЕГО
Сжигая топливо, расходуя запасы солнечной энергии, накопленные в течение миллионов лет жившими когда-то растениями и животными, человек, подобно легкомысленному наследнику, растрачивает богатства, накопленные многими поколениями его предков.
Ясно, насколько важно, и при том срочно, решить проблему промышленного использования атомной энергии. Ведь из одной тонны
23
урана можно получить столько же энергии, сколько от сжигания 3 миллионов тонн угля. А что касается запасов ядерного горючего — урана и тория, то по имеющимся в настоящее время данным они по количеству энергии, содержащейся в них, превышают известные запасы обычного топлива в несколько десятков раз.
СССР — первая страна в мире, применившая атомную энергию в мирных целях. Использование энергии деления урана у нас в СССР уже в шестой пятилетке получит огромное развитие. Достаточно сказать, что мощность наших атомных электростанций к 1960 году будет в 5 раз больше мощности Днепрогэса. Но применение урана для получения атомной энергии — лишь первая стадия использования новых могучих энергетических ресурсов.
Неограниченные перспективы развития атомной энергетики откроются при осуществлении управляемых термоядерных реакций. Такие реакции происходят всё время внутри Солнца, они-то и являются источником солнечной энергии. В земных условиях аналогичный процесс имеет место при взрыве водородной бомбы. Задача состоит в том, чтобы научиться термоядерную энергию получить не в виде взрыва, а постепенно и равномерно.
Наконец, важнейшей задачей науки является проблема непосредственного использования солнечной энергии и притом превращения этой энергии прямо в электрическую. Существуют приборы, превращающие световую энергию в электрическую. Однако коэффициент полезного действия фотоэлементов очень низок, едва достигая 1°/о. В течение последних двух лет были созданы новые полупроводниковые фотоэлементы, коэффициент полезного действия которых равен 8—1О°/о и даже еще больше (сравним с коэффициентом полезного действия паровых машин, который не больше 12—15°/о)«
Нет сомнения, что благодаря успешному развитию физики полупроводников, коэффициент полезного действия полупроводниковых фотоэлементов будет значительно повышен, что позволит практически использовать на благо человечества неисчерпаемые запасы солнечной энергии.
Глава II
В МИРЕ АТОМОВ
ПЕРВЫЕ АТОМИСТЫ
Две тысячи четыреста лет тому назад в столице древней Греции Афинах жил знаменитый философ древности, учитель Сократа — Анаксагор. Он учил, что все вещи построены из первичных мельчайших частиц — «семян>.
По Анаксагору, кости состоят из маленьких костей, кровь — из множества кровяных капелек, золото—из кусочков золота, земля —
24
из мелких земель, огонь — из огней, влага — из влаг. По обвинению в безбожии Анаксагор был выслан из Афин и умер в ссылке.
Однако идеи Анаксагора развили его последователи — известные греческие философы — Левкипп и, особенно, Демокрит. Характерной чертой Демокрита, по словам Карла Маркса, являлась неутомимая жажда познания мира. Он всё свое состояние, оставшееся от отца, истратил на путешествия. Сам Демокрит писал: «Я из всех своих современников объехал наибольшую часть земли, исследуя самое отдаленное; и я видел наибольшее число краев и стран; и я слушал речи большинства ученых людей...»
Демокрит был одним из первых материалистов и атеистов. У него совершенно отсутствовали признаки суеверия, что в то время было исключительным явлением. Рас
сказывают, например, что друзья его, желая над ним пошутить, уговорили его прийти ночью на кладбище, где они вышли к нему в белых саванах. «Полноте дурачиться»,— спокойно сказал философ «призракам».
Лучшая книга Демокрита называлась: «Великое строение мира», которая, как и большинство других его трудов, была уничтожена противниками его материалистического учения.
Так, известный философ-идеалист Платон приказывал своим ученикам уничтожать книги Демокрита, где бы они их ни находили. Такую же линию проводили и высокопоставленные служители христианской церкви. «Блаженный» Августин восклицал: «Лучше бы никогда не слыхать имени Демокрита».
Гегель—этот крупнейший философ-идеалист XVIII века—трактует Демокрита, по словам Ленина, «совсем уж, как мачеха». «Невыносим идеалисту дух материализма!» — отмечает Ленин. Но вопреки идеалистам идеи Демокрита оказали огромное влияние на дальнейшее развитие философии, и разработанное им учение об атомах является краеугольным камнем современного естествознания.
Вот как формулирует профессор П. С. Кудрявцев в известной книге «История физики» основные положения атомистики Демокрита:
1. Из ничего ничего не бывает: ничто из того, что есть, не может
25
быть уничтожено. Всякое изменение есть только соединение и разделение частей.
2 Ничто не происходит случайно, но всё происходит по некоторой причине и необходимости.
3.	Ничего не существует, кроме атомов, то есть неделимых мельчайших чапиц и пустого пространства.
4.	Атомов существует бесконечное множество и они могут принимать бесчисленное множество различных форм.
5.	Качественно все атомы одинаковы. Различие всех тел зависит от различия количества атомов, их величины, формы и порядка. Атомы — простейшие частицы и никакого внутреннего строения не имеют.
Демокрит сделал гениальную попытку объяснить строение мира,
не прибегая ни к каким сверхъестественным обоснованиям. Основной тезис Демокрита — это вечность и неуничтожаемость материи.
Идеями Демокрита руководствовались великие основатели современного естествознания: Галилей, Ньютон, Ломоносов. Но, конечно же, представления Демокрита были еще очень ограниченными, в наше время неизменный атом Демокрита, лишенный «внутреннего строения» превратился в неисчерпаемый, сложный мир.
Дальнейшим шагом вперед было учение греческого философа-материалиста Эпикура и его последователя, римского поэта-философа Лукреция Кара (родившегося за 100 лет до нашей эры). В известной поэме Лукреция «О природе вещей» излагается в популярной форме сущность учения Эпикура, расширяются и углубляются его основные положения.
В начале своей поэмы Лукреций изображает Эпикура как смелого и отважного борца против религии, который не боится «ни молвы о богах, ни молнии, ни рокота грозного».
Вот какими вдохновенными словами характеризует Лукреций Эпикура:
«В те времена, как у всех на глазах безобразно влачилась
Жизнь людей на земле под религии тягостным гнетом, С областей неба главу являвшей, взирая оттуда Ликом ужасным своим на смертных, поверженных долу,
26
Эллин впервые один осмелился смертные взоры Против нее обратить и отважился выступить против. И ни молва о богах, ни молньи, ни рокотом грозным Небо его запугать не могло, но, напротив, сильнее Духа решимость его побуждали к тому, чтобы крепких Врат природы затвор он первый сломить устремился. Силою духа живой одержал он победу, и вышел Он далеко за предел ограды огненной мира, По безграничным пройдя своей мыслью и духом пространствам, Как победитель, он нам сообщает оттуда, что может Происходить, что не может, какая конечная сила Каждой вещи дана и какой ей предел установлен.
Так, в свою очередь, днесь религия нашей пятою Попрана, нас же самих победа возносит до неба».
Основной тезис Эпикура: «Из ничего не творится ничто по божественной воле».
«...За основание тут мы берем положение такое: Из ничего не творится ничто по божественной воле, И оттого только страх всех смертных объемлет, что много Видят явлений они на земле и на небе нередко, Коих причины никак усмотреть и понять не умеют И полагают, что всё это божьим веленьем творится.
Если же будем мы знать, что ничто не способно возникнуть Из ничего, то тогда мы гораздо яснее увидим Наших заданий предмет: и откуда являются вещи, И каким образом всё происходит без помощи свыше... Надо добавить еще: на тела основные природа Всё разлагает опять и в ничто ничего не приводит, Ибо, коль вещи в частях своих были бы смертны, То и внезапно из глаз исчезали б они, погибая;
Не было бы вовсе нужды и в какой-нибудь силе, могущей Их по частям разорвать и все связи меж ними расторгнуть, Но так как всё состоит из вечного семени вещи, То до сих пор, пока им не встретится внешняя сила, Или такая, что их изнутри чрез пустоты разрушит, Гибели полной вещей никогда не допустит природа... Словом, не гибнет ничто, как будто совсем погибая, Так как природа всегда возрождает одно из другого И ничему не дает без смерти другого родиться...»
Все тела, по Лукрецию, состоят из мельчайших атомов, непрерывно движущихся подобно пылинкам в лучах Солнца. Весьма образно он поясняет причину того, что мы не замечаем атомного движения, на ярких примерах доказывает, что вещество состоит из частиц:
«...Выслушай то, что скажу, и ты сам, несомненно, признаешь, Что существуют тела, которых мы видеть не можем.
Ветер, во-первых, морей неистово волны бичует,
27
Рушит громады судов и небесные тучи разносит Или же мчась, по полям, стремительным кружится вихрем, Мощные валит стволы, неприступные горные выси, Лес низвергая, трясет порывисто: так, налетая, Ветер, беснуясь, ревет и проносится с рокотом грозным. Стало быть, ветры — тела, но только незримые нами. Далее, запахи мы обоняем различного рода, Хоть и не видим совсем, как в ноздри они проникают. Также палящей жары или холода нам не приметить Зрением своим никогда, да и звук увидать невозможно. Но это всё обладает, однако, телесной природой, Если способно оно приводить наши чувства в движенье: Ведь осязать, как и быть осязаемым, тело лишь может. И, наконец, на морском берегу, разбивающем волны, Платье сыреет всегда, а на солнце оно высыхает; Видеть, однако, нельзя, как влага на нем оседает, Да и не видно того, как она исчезает от зноя. Значит, дробится вода на такие мельчайшие части, Что недоступны они совершенно для нашего глаза. Так и кольцо изнутри, что долгое время на пальце Носится, из году в год становится тоньше и тоньше, Капля за каплей, долбит, упадая, скалу; искривленный Плуга железный сошник незаметно стирается в почве; И мостовую дорогу, мощенную камнями, видим Стертой ногами...»
Воззрения древних атомистов были гениальными догадками, но они оставались только догадками до тех пор, пока эти догадки не были проверены, очищены от случайного и ошибочного и не были превращены в научно доказанные факты.
Тем не менее, как указывал Ленин, заслуга древних атомистов велика, ибо у них «гениальные догадки и указания пути науке, а не поповщине».
Большую роль в науке о строении вещества сыграл величайший мыслитель древности — Аристотель (384—322 годы до нашей эры). Аристотель получил философское образование в школе Платона в Афинах. Одно время Аристотель был воспитателем Александра Македонского. Позже Аристотель основал свою философскую школу «Ли-кей», где основным методом обучения были беседы во «время прогулок. После смерти Александра Македонского Аристотель подвергался гонениям, обвинен в безбожии, и вскоре умер в изгнании.
Аристотель написал множество книг по всем отраслям знания того времени. Не случайно К. Маркс назвал Аристотеля Александром Македонским греческой науки. Учению о природе Аристотель посвятил свое знаменитое сочинение «Физика». Он считал, что в мире существует четыре первичных элемента — огонь, воздух, земля и вода.
Аристотель колебался между материализмом и идеализмом. Его
28
учение оказалось очень удобным для религии, и в средние века его утверждения были узаконены христианской церковью. Ленин говорил, что «поповщина убила в Аристотеле живое и увековечила мертвое».
Этим живым у Аристотеля являлось его признание реальности внешнего мира, признание им объективности познания.
Правда, основным методом познания природы Аристотель считал созерцание. Наблюдая окружающие явления, но не исследуя их опытным путем, Аристотель только своим умом пытался понять сущность различных процессов в природе.
Поэтому, наряду с некоторыми гениальными догадками, учение Аристотеля о природе содержало и множество нелепейших рассуждений.
«Физика» Аристотеля сыграла двойственную роль в естествознании. С одной стороны, она послужила толчком для последующего развития учения о природе, с другой, будучи догматизирована схоластической наукой, она явилась тормозом в развитии этого же учения.
ВОЗРОЖДЕНИЕ АТОМНОЙ ТЕОРИИ
В средние века в течение полутора тысяч лет в Западной Европе наука была в полном загоне. Это было время засилия богословия и мракобесия.
Учение о строении всех тел из атомов противоречило учению церкви и жестоко преследовалось. Так, в начале XVII века в 1626 году французский парламент специальным декретом запретил под страхом смертной казни заниматься атомной теорией. Но еще в XVI веке с учением об атомах выступил Джордано Бруно. Это был великий мыслитель, который пожертвовал жизнью, но не отказался от своих убеждений. Более семи лет находился он в заключении у инквизиторов, его страшно пытали, добиваясь его отказа от материалистических взглядов. Но ни заключение, ни пытки не сломили духа этого человека.
Он не отказался от своих взглядов и был приговорен к смертной казни «без пролития крови», как было сформулировано в приговоре,
29
то есть путем сожжения живым.
Джордано Бруно, выслушав приговор, бросил в глаза инквизиторам знаменитые слова: «Вы более испытываете страха, произнося мой приговор, чем я, его принимая». 17 февраля 1600 года Бруно был сожжен. Через немногим более 200 лет на той же площади, где был казнен Бруно, великому мыслителю, смелому борцу за торжество правого дела науки, был установлен памятник.
«...От столетия, которое он провидел, на том месте, где был зажжен костер» — этими словами, написанными на камне, признало человечество величие Джордано Бруно.
Только в XVII—XVIII веках естествознание возникает как наука и многие ученые возвращаются к представлениям об атомах. Таких взглядов придерживались величайшие физики Галилей и Ньютон. Однако и их трактовка атомов была еще очень ограниченной. Они рассматривали атомы механически: атомы неделимы и неизменны, они способны лишь к механическому движению и внешним сочетаниям между собой. Сочетание нескольких атомов не образует чего-нибудь качественно нового.
Ясно, что такое чисто механическое представление об атомах не могло разрешить вопрос об изучении немеханических форм движения материи.
В 1647 году во Франции вышла книга ученого Гассенди об атомах.
Он утверждал, как и Демокрит, что все вещества в природе состоят из неделимых частиц-атомов, отличающихся друг от друга формой, величиной и весом.
Но Гассенди развил учение древних атомистов дальше. Он писал, что для образования миллионов разнообразных тел не нужно большого числа различных атомов. Атомы — это своеобразные кирпичи, из которых можно построить самые сложные и разнообразные строения.
Однако и учение Гассенди еще оставалось догадкой, ибо существовавший тогда уровень развития естествознания не позволял дока
зать существования атома.
39
ЧТО ТАКОЕ «ФИЛОСОФСКИЙ КАМЕНЬ»
«Философский камень» или «Элексир молодости» — это необычайный, всемогущий камень, который будто бы излечивает самые страшные болезни, возвращает молодость, превращает в золото любой металл, он даже может дать человеку бессмертие.
В существование такого камня верили люди в средние века, его упорно искали алхимики. Алхимией называли в то время науку или искусство превращать различные металлы в золото. Алхимия зародилась в Египте и быстро распространилась по всей Европе. Теоретической основой алхимии являлась философия Аристотеля. Множество людей во всех европейских странах, надеясь легко и быстро разбогатеть, увлекались алхимией. Конечно, алхимия настоящей наукой не являлась. Алхимики работали вслепую, абсолютно не зная свойств различных тел. Алхимики учили, что, как и живые существа, металлы развиваются, приближаясь к своему совершенству — к золоту. Но такое совершенствование происходит слишком медленно. Задача алхи
мии состоит в том, чтобы ускорить этот процесс, а сделать это можно только с помощью «философского камня». «Я превратил бы море в
золото, если бы оно состояло из ртути!» — писал один средневековый алхимик.
Время от времени кто-нибудь из алхимиков сообщал об «открытии» «камня философов».
Так, в 1569 году алхимик Бранд в Гамбурге, выпарив мочу и прокалив полученный черный остаток, получил какое-то вещество, которое светилось в темноте. Бранд решил, что открыл «философский камень». Но получить золото с помощью этого «философского камня» не удалось.
Как оказалось, обнаруженное им вещество представляло химический элемент фосфор («фосфор» в переводе на русский
Рис. 12. Алхимик в своей лаборатории.
язык означает «несущий свет»).
31
сову.
Среди алхимиков встречалось немало ловких жуликов, которые умели войти в доверие «к сильным мира сего». Например, английский король ГенрихУ! представил трем алхимикам право изготовлять «золотые» монеты из медных сплавов. Эти монеты предусмотрительна сбывались во Францию.
Следует тем не менее отметить, что алхимия была закономерным явлением в истории естествознания, она накопила множество научных фактов, ряд экспериментальных методов, необходимых для осуществления различных химических реакций.
Однако, эти ценные крупицы тонули в море мистики и религии.
Понятно, поэтому, что алхимия не могла удовлетворить практических потребностей быстрорастущей промышленности XVIII века.
На смену алхимии пришла химия. И этот существенный шаг вперед был сделан благодаря тому, что впервые удалось связать теоретические представления об атомах с опытными данными о составе и свойствах различных веществ. Виднейшая заслуга в этом принадлежит величайшему русскому ученому Михаилу Васильевичу Ломоно-
УЧЕНИЕ ЛОМОНОСОВА О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА
Все вещества в природе можно разбить на две группы: вещества простые и вещества сложные.
Если через сложное вещество — воду — пропускать электрический ток, она разлагается на два новых вещества — на водород и кислород. Нагревая на огне широко распространенный камень известняк, можно разложить его на углекислый газ, который выделяется при выдыхании, и негашеную известь, применяемую в строительном деле. Эти вещества можно в свою очередь разложить дальше: негорючий углекислый газ — на кислород, поддерживающий горение, и горючий углерод, а негашеную известь — на кислород и металл кальций. Разными способами пропуская ток, нагревая, действуя другими веществами, можно разложить большинство веществ в природе на несколько более простых, обладающих обычно совершенно отличными свойствами.
Вещества, которые можно разложить на более простые, называются сложными веществами.
32
Но есть такие вепхеств^-^кггорЬцГ^ не разлагаются на составные части, не изменякгтся. Нельзя, например, разложить кислород, водород, углерадг^Келезо, медь, цинк и др. — их называют химическими элементами.
В чем же причина различия между сложными веществами и химическими элементами?
Величайшая заслуга в решении этой важнейшей проблемы и принадлежит Ломоносову.
Если мы будем уменьшать количество какого-нибудь вещества, например воды, то качественные свойства воды от этого не изменятся. Но можно ли уменьшать количество воды беспредельно и чтобы при этом сохранились ее свойства — свойства воды?
Ломоносов первым указал на то, что существует определенное наименьшее количество данного вещества, сохраняющее еще свойства этого вещества. Это наименьшее количество вещества он назвал молекулой.
Все вещества состоят из молекул, все молекулы данного вещества совершенно одинаковы, а молекулы различных веществ различны.
Однако молекулы не являются мельчайшими частицами, а представляют собой устойчивое соединение нескольких атомов. Ломоносов рассматривал атом не просто как мельчайшую частицу, а как частицу, обладающую определенными химическими свойствами. Сортов атомов существует столько, сколько различных химических элементов (в настоящее время их известно сто два).
Из атомов можно образовать огромное количество сочетаний, то есть молекул.
А молекул столько, сколько различных веществ в природе (в настоящее время их известно более миллиона).
Итак, каждое тело состоит из молекул. Молекулы бывают однородными и разнородными. Простые вещества состоят из однородных молекул, а сложные — из разнородных. Рассмотрим газ водород — это неразложимое вещество, его молекулы состоят из двух одинаковых атомов — атомов водорода.
Молекула воды содержит три атома: два атома водорода и один атом кислорода.
Только с появлением молекулярной теории Ломоносова можно было объяснить целый ряд явлений. Например, почему, находясь сравни-
3 Путешествие внутрь атома
33
д.
И. Менделеев (1834—1907) Гениальный русский химик— создатель периодического закона. Дмитрий Иванович Менделеев родился в г. Тобольске в семье учителя. В 1855 году он окончил педагогический институт в Петербурге, представив к выпускным экзаменам свою первую научную работу. Уже в 1856 году Менделеев защищает диссертацию и становится доцентом Петербургского технологического института.
В 1861 году Менделеев издает курс органической химии, отмеченный премией Академии наук.
В 1868—69 гг. возглавляет кафедру общей химии Петербургского университета, где усиленно работает над тем, чтобы установить общий закон химии, который позволил бы объединить многочисленные факты в единую стройную теорию. В результате упорного труда Менделеев создал периодическую систему.
В честь Менделеева 101-й элемент назван «менделевий».
телЪяо ка-большом расстоянии, мы чувствуем запахцветов или одеколона? Это легко можно понять, если учесть, что тела не являются сплошными, а состоят из мельчайших частиц — молекул. Оторвавшиеся отдельные молекулы пахучего тела попадают к нам в нос и мы ощущаем запах.
Точно так же объясняются такие явления, как испарение воды или растворение, скажем, кристалликов сахара в воде. Если предполагать, что вода и сахар сплошные тела, то как понять растворение сахара в воде? Если же, допустить, что и вода и сахар состоят из молекул, то процесс растворения объясняется просто. Кристалл сахара, попадая в воду, под действием воды распадается в ней на мельчайшие, невидимые глазом частички— молекулы, которые затем расходятся по всей жидкости.
А свойства газов? Ломоносов первый в науке объяснил, что газ— это совокупность молекул, свободно двигающихся с большой скоростью в пространстве и непрерывно сталкивающихся друг с другом. Давление газа на стенки сосуда создается ударами огромного числа молекул об эти стенки.
Скорость молекул зависит от температуры газа — чем выше температура, тем больше скорость.
Поэтому с повышением температуры повышается сила удара каждой молекулы, то есть увеличивается давление.
Также просто Ломоносов объяснил, почему при уменьшении объема сосуда увеличивается давление газа на стенки этого сосуда. Сжимая газ, мы предоставляем молекулам газа меньше свободного про
3*
странства для движения; столкновения учащаются, в каждую секунду ударяется большее количество частиц и давление газа возрастает.
Основные представления молекулярной теории Ломоносова сохранились и поныне. Конечно, эта теория теперь более совершенна, она позволяет, например, объяснить причины различия свойств у одного и того же тела в твердом, жидком и газообразном состоянии, зависимость свойств тел от температуры и давления, почему при нагревании тела расширяются и т. п.
СКОЛЬКО В ПРИРОДЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
К концу XVIII века химики знали более двадцати неразложимых химическим путем веществ, то есть химических элементов. Но уже
вскоре удалось открыть еще много новых, дотоле неизвестных элемен-
тов, главным образом металлов — натрий, калий, барий, магний и др.
К середине прошлого века было известно уже более 50 химических элементов, то есть более 50 различных вид^в атомов.
Но сколько еще неизвестных химических элементов имеется в природе?
Еще очень важный вопрос возник к этому времени: существует ли какая-нибудь зависимость, связь
между химическими элементами или они совершенно независимы, не имеют между собой ничего общего?
Большинство химиков до 60-х годов прошлого века придерживались именно последней точки зрения. По их мнению, бессмысленно было искать какой-то общей закономерности среди разнообразия химических элементов.
Но так ли это было в действительности, достоверно сказать никто не мог.
35
К тому времени в химии был накоплен огромный опытный материал, были изучены не только свойства всех известных химических элементов, но и огромное количество их соединений. Чтобы разобраться в многотысячном множестве химических соединений, нужна была своего рода карта, то есть единая система, с помощью которой можно было бы, не блуждая, идти к желаемой цели в мире химического многообразия.
Такая система была создана в 1869 году гениальным русским химиком— Дмитрием Ивановичем Менделеевым.
ЧТО ТАКОЕ АТОМНЫЙ ВЕС
Уже в начале XIX века химики заметили, что атомы различных элементов отличаются друг от друга своим весом или массой. Раз это так, то интересно сравнить веса атомов всех известных элементов — может быть здесь удастся найти ответы на неясные вопросы о взаимосвязях различных веществ. Казалось бы, что сделать это весьма просто, нужно на одну чашку весов положить один или несколько атомов одного элемента и постараться их уравновесить некоторым количеством атомов другого элемента. Однако из-за ничтожной величины атомов поступить так нельзя. Диаметр различных атомов приблизительно равен одной стомиллионной доле сантиметра, иными словами, в 1 сантиметре можно уложить вплотную в виде цепочки 100 миллионов атомов. Молекула представляет собой соединение нескольких атомов, поэтому размеры молекулы не намного больше атомов.
Чтобы представить себе, как малы атомы и молекулы и как много атомов и молекул содержится даже в сравнительно небольших телах, приведем такой пример. Если, скажем, одну каплю спирта растворить и тщательно перемешать в Сенгилеевском озере, то в каждом кубическом сантиметре воды этого озера окажется приблизительно сто тысяч молекул спирта!
Как же в таком случае можно сравнивать веса различных атомов?
Это проще всего сделать, воспользовавшись законом Авагадро.*
Исследуя множество химических реакций, происходящих между газами, Авагадро в 1811 году пришел к выводу, что при одинаковых температурах и давлениях в равных объемах любых газов содержится одинаковое число молекул.
Поэтому, если мы определим при одинаковых условиях вес 1 литра различных газов, то мы этим самым определим и относительные веса молекул этих газов. Так, из того факта, что 1 литр кислорода в 16 раз тяжелее 1 литра водорода, следует, что молекула кислорода в 16 раз тяжелее молекулы водорода. Так как и молекула кислорода И молекула водорода содержат по два атома, то мы можем сделать
Авагадро — известный итальянский физик и химик.
86
J
вывод: вес одного атома кислорода равен весу 16 атомов водорода. Истинный вес одного атома любого элемента ничтожно мал, например, вес атома водорода равен 0,000 000 000 000 000 000 000 167 грамма.
Ясно, что пользоваться такими числами очень неудобно, их трудно запомнить. Поэтому принято пользоваться не весом атома в граммах, а относительным числом, показывающим во сколько раз вес атомов данного элемента тяжелее атомов самого легкого элемента — водорода.* Это относительное число получило название атомного веса (не путайте с весом атома, который выра-
жается в граммах). Итак, атомный вес кислорода равен 16. Атомный вес металла урана равен 238 — это значит, что атом урана в 238 раз

тяжелее атома водорода.
ЗАКОН МЕНДЕЛЕЕВА—ВЕЛИКИЙ ЗАКОН ПРИРОДЫ
К концу шестидесятых годов в химии было известно уже 63 химических элемента. Время от времени открывали новые химические элементы, но эти открытия совершались случайно, обычно даже неожиданно. Поэтому появление в 1869 году системы Менделеева имело неоценимое значение для науки.
Впервые работа Менделеева была зачитана на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге в марте 1869 года. Дмитрий Иванович был болен в это время и его сообщение прочел за него известный русский химик Н. А. Меншуткин. Основное научное предположение Менделеева состояло в том, что свойства химических элементов зависят от их атомных весов.
Если все элементы расположить в порядке возрастания их атомных весов, то в такой «естественной» системе наблюдается замечательная закономерность: химические свойства элементов повторяются через вполне определенные, правильные промежутки, повторяются периодически. Менделеев так и назвал свою систему — периодической.
* В действительности за единицу атомного веса берут Vie веса атома кислорода. Эта величина очень мало отличается от веса атома водорода.
37
Рассмотрим периодическую систему Менделеева.
Она представляет собой прямоугольную таблицу, разбитую горизонтальными и вертикальными прямыми линиями на отдельные клетки. В каждой из клеток расположен определенный символ химического элемента. Все элементы расположены в этой таблиц? в порядке возрастания их атомного веса слева направо. После заполнения первого ряда, заполняется второй, затем третий и т. д. Основной особенностью этой таблицы является то, что все элементы, расположенные в любом вертикальном столбце очень похожи между собой по своим химическим свойствам. Например, в первом столбце расположены наиболее химически активные элементы — щелочные металлы: литий, натрий, калий и т. д., это первая группа системы Менделеева. В восьмом столбце расположены инертные (благородные) газы, не вступающие в химические реакции. Вдоль же горизонтальных рядов или периодов свойства элементов непрерывно меняются по вполне определенной закономерности.
Периодический закон Менделеева показал, что все химические элементы едины по своей природе. Однако огромное значение периодической системы состояло не только в этом. Всякое крупное научное открытие должно не только объяснять известные факты, но, что еще важнее, /предсказывать новые, ранее неизвестные явления. Система Менделеева позволила научно предсказать существование неизвестных элементов и заранее описать их химические и физические свойства.
Можно сказать, что Менделеев создал карту атомного мира. Слепым поискам неизвестных элементов был положен конец.
КАК БЫЛ ПОДТВЕРЖДЕН ЗАКОН МЕНДЕЛЕЕВА
Создав карту атомного мира — периодическую систему — и убежденный в правоте своих выводов, Менделеев приступил к выяснению важнейших следствий, вытекавших из этой системы.
Конечно, это открытие не было случайным. Около двадцати лет Менделеев работал над созданием периодической системы. Еще будучи студентом Петербургского Главного педагогического института и слушая лекции по химии у знаменитого профессора химии А. А. Воскресенского, Менделеев задумывался над тем, какая связь существует между различными химическими элементами. Но ответить на этот вопрос было не так просто. Слишком уж разнообразны свойства химических элементов: одни — твердые, другие — жидкие, третьи —газообразные, одни легкие, другие тяжелые, имеются металлы и неметаллы, стойкие и неустойчивые. Чтобы разобраться в этом пестром множестве свойств химических элементов, нужно было обладать глубокими химическими знаниями и уметь смело делать обобщения и предвидения. Именно такими способностями обладал гениальный Менделеев.
Долго работая с различными химическими веществами, Менделеев приходит к важной мысли, что атомный вес вещества должен *быть связан со свойствами этого вещества.
38
Сопоставляя друг с другом различные группы элементов, Менделеев после нескольких лет творческого труда, после многих сравнений, предположений и допущений в конце концов нашел общую зависимость между элементами — великий периодический закон.
Изучая свойства элементов, расположенных по мере возрастания их атомных весов, Менделеев обратил внимание на то, что периодическая последовательность в изменении свойств химических элементов в отдельных местах нарушается. Например, на том месте, где должен был находиться элемент, родственный алюминию, стоял согласно атомному весу элемент титан. Но этот элемент обладает совершенно иными свойствами, чем алюминий. Более того, если оставить титан на его месте, то нарушается закономерность в периодичности свойств и у других элементов, стоящих после титана. Менделеев приходит к выводу, что на месте титана должен стоять другой элемент. Но какой? Среди всех известных тогда элементов, близких по атомному весу к титану, элемента, со свойствами, близкими к алюминию, не было. Менделеев, будучи уверенным в правильности периодической системы, делает смелое предположение, что такой элемент в природе существует, но пока еще не открыт. Он оставляет для этого элемента в своей таблице пустое место с вопросительным знаком и дает ему предварительное название — «экаалюминий». Он даже описывает физические и химические свойства этого элемента, элемента, которого еще ни один человек в мире не встречал.
А через четыре года — 20 сентября 1875 года — на заседании Парижской Академии наук было сообщено об открытии французским химиком Лекок де Буабодраном нового элемента, названного им «галлий». Исследования свойств галлия показали, что по своим свойствам он подобен алюминию. Это и был предсказанный в 1871 году Менделеевым экаалюминий (приставка «эка» означает «подобный»).
Интересно, что, как указывает А. Л. Колесников, Буабодран сперва неверно определил удельный вес галлия. Менделеев тотчас же написал в Париж письмо, указав, что, по-видимому, Буабодран ошибся, что из периодической системы следует, что удельный вес этого элемента должен быть равным 6. Французский химик повторил свои измерения и должен был подтвердить, что Менделеев был прав.
Еще через пять лет шведский ученый Нильсон открыл предсказанный Менделеевым элемент экабор. Этот элемент Нильсон назвал «скандий». Он писал: «Не остаётся никакого сомнения, что в скандии открыт экабор... Так подтверждаются самым наглядным образом мысли русского химика, позволившие не только предвидеть существование названного элемента, но и предсказать его важнейшие свойства».
В 1886 году был найден еще один предсказанный Менделеевым за 15 лет до этого химический элемент экакремний — германий. Свойства и этого элемента совпадали с описанными в 1871 году создателем периодической системы.
ЗЭ
Великий знаток естествознания Фридрих Энгельс писал тогда, что Менделеев, создав периодическую систему, совершил большой научный подвиг.
Менделеевым было предсказано открытие ряда других элементов, позднее найденных различными учеными.
Может возникнуть вопрос, в чем причина периодичности свойств химических элементов, впервые установленная Менделеевым.
Для того чтобы понять причину периодической повторяемости свойств различных атомов, очевидно, нужно проникнуть внутрь атома, выяснить его строение, структуру. Только современная атомная физика решила эту задачу и показала, почему периодическая система Менделеева поистине стала картой атомного мира.
Об этом мы расскажем подробно, когда познакомимся с тем, как устроены атомы.
Глава III
АТОМ
Итак, система Менделеева явилась картой атомного мира. Но сразу же возникал вопрос: является ли атом последней, конечной станцией по пути вглубь материи, то есть является ли атом простейшей, элементарной частицей или он в свою очередь построен из более простых, более мелких частиц?
Менделеев по этому поводу писал: «Легко предположить, но ныне нет еще возможности показать, что атомы простых тел суть сложные существа, образованные сложением некоторых еще меньших иастей». Этот вопрос могли решить только опыты.
ВЕЩЕСТВО И ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
Еще очень давно было замечено, что если два различных тела потереть друг о друга, то эти тела становятся наэлектризованными — одно заряжается положительно, другое — отрицательно. Уже из этого простого факта следует, что внутри вещества содержатся электрические заряды.
Однако каким образом электричество содержится внутри атомов вещества было совершенно неясно. Этот вопрос несколько прояснился после опытов известного английского физика Михаила Фарадея, проведенных им в 1833 году.
Опуская два разноименных электрода в различные электролиты (то есть растворы кислот, солей или щелочей), он заметил, что при прохождении тока на электродах всегда выделяются вещества, являющиеся составными частями электролита. Например, если пропустить ток через слегка подкисленную воду, то на положительном электроде (аноде) выделяется кислород, а на отрицательном— водород.
40
Это явление, называемое электролизом, ныне широко используется в технике. Далее Фарадей установил закон: количество выделяющихся веществ прямо пропорционально количеству электричества, прошедшего через электролит.
Как представить себе это явление с точки зрения атомной теории строения вещества?
По-видимому, здесь происходит распад молекул электролита на части, каждая из которых состоит из одного или нескольких атомов. Поскольку при выделении этих частей молекул электролита по цепи идет ток, то $сть происходит перенос зарядов, мы должны предположить, что эти «осколки» несут на себе электрический заряд. (Атом или группа атомов, несущих электрический заряд, называются ионами).
Далее Фарадей заметил, что вне зависимости от силы тока, от формы электродов, от длительности прохождения тока и т. п. объем выделившегося при электролизе воды водорода точно в два раза больше объема выделившегося кислорода.
Если же пропускать ток через раствор соляной кислоты, то на электродах всегда выделяются одинаковые объемы водорода и хлора. Пропуская ток последовательно через оба электролита, мы вновь убедимся, что объем водорода, выделившегося из первого электролита, всегда равен объему водорода второго и равен объему выделившегося хлора. Объем же выделившегося кислорода точно в два раза меньше.
Вспомним теперь, что водород и хлор одновалентные элементы, а кислород — двухвалентный и что в
М. Фарадей (1791—1867)
Великий английский физик, основоположник современной электротехники.
Фарадей родился в семье кузнеца и рано узнал нужду. В 12 лет он уже работал в переплетной мастерской. В свободное время много читал научно-популярных книг.
В 1813 году поступил на работу к известному химику Дэви в качестве лаборанта. С 1815 года Фарадей сам начал производить опыты и вскоре публикует свою первую научную работу.
В течение последующих нескольких лет он совершил ряд столь значительных открытий, что уже в 1824 году был избран в академики.
Фарадей установил важнейший закон электромагнитной индукции, законы электролиза, законы намагничивания, закономерности трического
Фарадей скромным, верженным
прохождения элек-тока через газы, всю жизнь прожил честным и самоот-тружеником.
4
равных объемах газов содержится оавное число молекул (закон Авагадро) .
Таким образом, поскольку при электролизе одновременно происходит и перенос электричества и перенос вещества, причем при прохождении определенного количества электричества выделяется также вполне определенное количество молекул (или атомов) вещества, естественно предположить, что каждая молекула (или атом) переносит строго определенное количество положительного или отрицательного электричества.
Такой вывод сделал немецкий ученый Гельмгольц в 1881 году в речи, посвященной памяти Фарадея:
«Если мы принимаем существование атомов элементов, то мы не можем избежать и дальнейшего
Рис. 13. Схема электролиза в медном купоросе. К—катод, А—анод.
следствия,— что и электричество, как положительное, так и отрицательное, разделено на определенные элементарные количества, которые ведут себя, как атомы электричества».
Итак, из опытов Фарадея вытекало (хотя это было замечено только через 50 лет после этих опытов), что молекулы и атомы вещества состоят из заряженных частей, причем величина заряда у них не может быть произвольной, а должна быть кратной наименьшему возможному «зерну» — атому электричества.
КАТОДНЫЕ ЛУЧИ
Еще в начале XIX века профессор физики Петербургской Медикохирургической академии Василий Владимирович Петров обнаружил, что разреженные газы способны проводить электрический ток, причем в определенных условиях газ в сосуде при прохождении тока начинает
42
Рис. 14. Тень на флуоресцирующем стекле катодной трубки.
ярко светиться (такое свечение некоторых газов используется сейчас в газосветных лампах). Эти опыты повторялись многими учеными и, в первую очередь, Фарадеем. Оказалось, что при уменьшении давления в трубке характер свечения менялся, а сила тока, проходившего через газ, возрастала. Казалось непонятным, если воздух не проводит электричества, то как . может его проводить почти пустое пространство?
В 1860 году физики научились получать очень разреженный воздух, менее одной десятитысячной доли атмосферного давления. При таких малых давлениях свечение газа в трубке вовсе исчезает.
В 1879 году английский ученый Крукс заметил, что при этом на стеклянной стенке, как раз против отрицательного электрода (катода) появляется яркое	~
между катодом и
изумрудно-зеленое светящееся пятно. Если на пути зеленым пятном поместить какой-нибудь предмет, то он будет отбрасывать резкую тень. Это навело ученых на мысль, что трубку пронизывают какие-то невидимые лучи, которые распространяются от катода и вызывают свечение стекла. Эти невидимые лучи были названы катодными лучами. Впоследствии ученые еще больше увеличивали разрежение газа в трубках — до миллионных долей атмосферы. При таком разрежении катодные лучи слабели, а зеленое пятно меркло; приборы показывали отсутствие тока в цепи трубки.
Но, вот что интересно: даже при таком разрежении воздуха в трубке, если катод накалить,
Рис. 15. Катодные лучи, сконцентрированные на пластинке, накаляют ее.
Рис. 16. Отклонение катодных лучей в электрическом поле.
43
зеленое пятно вспыхивает с прежней силой. Раскаленный катод испускает лучи, несмотря на почти полное отсутствие воздуха.
Что же такое катодные лучи?
И снова ответ дал опыт.
Было замечено, что катодные лучи несут значительную энергию — стекло в том месте, где сияет зеленое пятно, сильно нагревается. Под действием магнита пучок катодных лучей отклоняется и зеленое пятно на стекле соответственно смещается. Как известно, на световые лучи магнитное поле не действует. Значит, катодные лучи — это не световые лучи, а поток каких-то частиц.
По направлению отклонения катодных лучей в магнитном или электрическом поле можно было определить, что это поток отрицательных зарядов.
Более того, по величине отклонения заряженных частиц и из других опытов удалось определить величину их заряда и массу. Заряд этих частиц является наименьшей возможной порцией электричества (отрицательного).
Английский ученый Стоней назвал эти частицы в 1891 году элект-ронами.
АНОДНЫЕ ЛУЧИ
Итак, катодные лучи — это поток отрицательно заряженных электронов. Откуда же берутся эти электроны?
Можно предположить, что они выделяются из атомов того газа, который в небольших количествах имеется в трубке. Но ведь атомы всех тел не имеют зарядов, нейтральны. Значит, если из нейтрального атома вылетит один или несколько отрицательно заряженных частиц-электронов, то оставшаяся часть атома должна иметь положительный заряд. И если в трубке отрицательно заряженные электроны движутся от катода (—) к аноду ( + ), то положительно заряженные остатки атомов должны двигаться в противоположную сторону, то есть от анода ( + ) к катоду (—). И действительно, наличие потока таких положительно заряженных частиц было подтверждено на опыте в 1886 году Гольдштейном.
Рис. 17. Разрядная трубка для наблюдения анодных лучей.
44
Он взял обычную разрядную трубку, но катод расположил не у края, а посредине трубки так, что вся трубка была разделена катодом на две части, как изображено на рисунке.
В катоде, имеющем форму пластинки, он просверлил несколько тонких каналов. Положительно заряженные частички атомов (или, как их называют, положительные ионы), возникающие в пространстве между анодом и катодом, устремляясь к катоду, приобретают большую скорость. Большая часть ионов задерживается поверхностью катода, но те ионы, которые попадают в каналы, продолжают двигаться по инерции и попадают в «закатодную» часть трубки. Они-то и образуют анодные лучи. Анодные лучи, попадая на стекло, как и катодные лучи, вызывают свечение стекла. Под действием сильного магнитного или электрического поля анодные лучи тоже отклоняются, хотя и значительно слабее, чем катодные. По направлению отклонения у анодных лучей можно судить, что частицы имеют положительный заряд. Но масса этих положительных частиц в несколько тысяч раз больше массы катодных частиц (то есть электронов).
Исследования катодных и анодных лучей показали, что атомы состоят из отрицательных электронов и положительных остатков.
ПЕРВАЯ МОДЕЛЬ АТОМА
Итак, к 1892 году стало совершенно ясно, что атом имеет какое-то сложное строение (вопреки своему названию «атом» — неделимый).
Как же он устроен? Видеть атомы даже в сильнейшие современные (электронные) микроскопы невозможно. Но в определенных условиях, например при большом нагреве тела, атомы излучают свет. Нельзя ли по этому свету судить об устройстве атома?
Впервые за решение такой задачи взялся английский физик Дж. Дж. Томсон.
Не будем подробно рассказывать о том, как Томсон разрешал эту
задачу, скажем только, что на основании своих исследований он попытался объяснить устройство атома.
Вот как устроен простейший атом водорода по Томсону. Атом представляет собой положительно заряженный жидкий шар, внутри которого плавает электрон. Заряд положительного шара равен отрицательному заряду электрона, так что в целом атом нейтрален.
В обычном положении электрон находится в центре шара, так что силы, действующие на электрон, уравновешены. Но при повышении температуры тела, при столкновениях атомов, электрон может выскочить из положения равновесия и сместиться в сторону. Тогда на электрон
45
начинают действовать силы со стороны положительного шара, которые будут притягивать его к центру. Электрон, под действием этих сил, будет двигаться всё быстрее и быстрее к центру и по инерции, подобно маятнику, проскочит положение равновесия, то есть электрон будет совершать колебания и излучать свет-
ЛУЧИ-НЕВИДИМКИ
История современной физики начинается с 1895 года, когда немецким ученым Вильгельмом Рентгеном были открыты лучи, позднее названные рентгеновскими. Случилось это так.
Рентген исследовал свойства электрического тока, идущего через газ. Для этого он применял разрядные трубки разных форм и размеров, чтобы выяснить, как отражается на электрическом токе форма и
размеры трубок. Однажды
поздно вечером Рентген заканчивал работу в лаборато-
рии. Он закрыл разрядную трубку картонным футляром и потушил свет в лаборатории. В этот момент он вспомнил, что не выключил ток, идущий через трубку. Не включая свет, он подошел к столу и хотел выключить рубильничек. Но тут вдруг заметил на столе какой-то ярко светящийся предмет. Оказалось, что это светился кусок картона, покрытый особым, так называемым стая
флуоресцирующим составом (платино-синероди-соль бария). Этот состав обладает тем замечатель-
Рис. 18, 19, 20. Различные типы рентгеновских трубок.
46
ним свойством, что если на него падает свет, он сам начинает светиться особым, характерным для этого состава светом. Но была ночь,, на экран свет не падал, а экран всё-таки излучал свет! Рентген выключил ток в трубке, экран перестал светиться.
В эту ночь ученый так и не ушел домой. Он решил выяснить, почему при пропускании электрического тока через разрядную трубку соль бария, находящаяся в этой комнате, светится.
Скоро Рентгену удалось установить, что является причиной этого свечения. Оказалось, что при достаточно высоком напряжении между электродами один из электродов разрядной трубки становится источником невидимых лучей, которые обладают многими удивительными свойствами, и самым замечательным была их способность проходить через тела, непрозрачные для видимого света, например через картонный футляр. Далее выяснилось, что под действием неизвестных лучей воздух становится хорошим проводником электричества. Эти лучи оказывают воздействие на фотопластинки, подобно обычному видимому свету, действуют на тка-
В. Рентген (1845—1923) Выдающийся немецкий зик. В 1866 году окончил политехнический институт в Цюрихе и уже через два года защитил докторскую диссертацию. С 1874 года—профессор физики в различных германских университетах. В 1895 году открыл и всесторонне изучил лучи, позднее названные рентгеновскими. Последние годы своей жизни Рентген посвятил исследованию электрических свойств кристаллов.
фи-
ни живых организмов.
Открытые им лучи Рентген назвал Х-лучами (икс-лучами), то есть неизвестными лучами. Теперь их во всем мире называют рентгеновскими лучами. В дальнейшем рентгеновские лучи получили широчайшее практическое применение в медицине, технике и науке. Использование этих лучей прочно вошло в нашу жизнь.
ОТКРЫТИЕ АНРИ БЕККЕРЕЛЯ
Сообщение Рентгена об открытии им Х-лучей произвело на ученых всех стран огромное впечатление. Французский ученый Анри Беккерель также решил заняться «исследованием рентгеновских лучей, и вот почему. В статье Рентгена сообщалось, что в том месте, где рентгеновские
47
анод
элек троны
катод
рентгшбы лучи
Рис. 21. Схема образования рентгеновских лучей в трубке.

лучи выходят из трубки, стекло трубки светится желтовато-зеленым светом, подобным свету флуоресцирующих веществ. Анри Беккерель—профессор Парижской политехнической школы и член Парижской Академии наук, очень
8-12 в wT
Рис. 22. Просвечивание организма больного с помощью рентгеновских лучей (рентгеноскопия).
много лет изучал свойства различных флуоресцирующих составов.
У Беккереля первая возникшая мысль была — не является ли флуоресценция причиной рентгеновских лучей? Может, рентгеновские лучи возникают всегда, когда имеется флуоресценция?
Он решил осуществить такой опыт. В качестве флуоресцирующего вещества он по счастливой случайности взял соль урана и положил ее поверх фотопластинки, тщательно завернутой в черную бумагу, не пропускающую видимых световых лучей. Затем пластинка выставлялась на яркий свет. Через некоторое время фотопластинка проявлялась. На пластинке каждый раз оказывалось темное пятно, по форме совпадающее с куском соли урана. Беккерель объяснил это потемнение тем, что под действием солнечного света флуоресцирующее вещество, помимо обычных, излучает еще и рентгеновские лучи, которые, проникая через черную бумагу, воздействуют на фотопластинку. Однако вскоре выяснилось, что это объяснение не соответствует действительности. Как-то Беккерель приготовил фотопластинку и соль, но надвинувшиеся тучи закрыли солнце и пришлось отложить опыт. Он положил пластинку с солью на ней в шкаф. Погода прояснилась только через несколько дней, и перед новым опытом, не будучи уверенным в пригодности фотопластинки, Беккерель ее проявил. К своему удивлению, он обнаружил на пластинке потемнение более интенсивное, чем во всех предыдущих случаях, хотя в темном шкафу соль не могла флуоресцировать. Следова-
48
Рис. 23. Фотография отпечатка соли урана, полученная Беккерелем.
тельно, флуоресценция здесь не при чем, соль урана не была предварительно освещена солнечным светом и на пластинку воздействовали какие-то лучи, проникающие через черную бумагу. Беккерель занялся исследованием этих лучей. Оказалось, что на фотопластинку действовали только те флуоресцирующие вещества, которые содержал в себе уран. Стало ясно, что эти лучи испускает уран.
РАДИОАКТИВНЫЕ ЛУЧИ
Лучи, открытые Беккерелем, подобны по многим своим свойствам лучам Рентгена. Они тоже действуют на фотопластинку, проходят через непрозрачные тела (черную бумагу, тонкие металлические пластинки), под их влиянием воздух становится проводником электричества. Но в отличие от рентгеновских лучей, которые можно получить только при специальных условиях — высоком напряжении и сильно разреженном газе, лучи Беккереля излучаются всегда, всё время, непрерывно, для их излучения не нужно затрачивать энергию.
Но их излучает, как будто, только один элемент — уран.
Молодая польская ученая Мария Склодовская-Кюри, только что начавшая самостоятельную научную деятельность, сразу же после сообщения Беккереля задалась целью выяснить, не обладают ли способностью излучать лучи Беккереля, помимо урана, и другие элементы.
В течение двух лет Мария Кюри упорно и настойчиво исследовала свойства тысяч различных солей, минералов, рудных пород. Наконец она получила первый важный результат. Оказалось, что элемент торий также испускает лучи Беккереля. Кюри продолжала поиски. Вскоре
4 Путешествие в нутрь атома
49
Пьер Кюри (1859—1906) Известный французский физик. Родился в Париже в семье врача. Еще в детстве проявил необыкновенные способности к математике.' В 16 лет Пьер поступил в Парижский университет. Еще будучи студентом, он совместно со своим братом Жаком открыл явление пьезоэлектричества. С 1883 года Пьер Кюри—ассистент физики Парижского института физики и химии. В 1895 году П. Кюри защитил докторскую диссертацию.
В 1895 году П. Кюри женился на Марии Склодовской, и с тех пор их научная деятельность неотделима.
Пьер Кюри трагически погиб 19 апреля 1906 года в то время, когда перед ним только открывалась широкая дорога в науку.
В честь П. Кюри названа его именем единица радиоактивности.
она обнаружила еще более удивительный факт: урановая руда испускает лучи Беккереля с гораздо большей интенсивностью, чем чистый уран. Следовательно, заключила Мария Кюри, в этой руде имеется в виде примеси ничтожное количество какого-то неизвестного вещества, излучающего такие лучи значительно сильнее, чем уран, которого в руде много. Долгим и упорным трудом Марии Кюри, работавшей вместе со своим мужем Пьером Кюри, также заинтересовавшимся этими исследованиями, удалось выделить два дотоле неизвестных элемента, испускающих лучи Беккереля. Один из них они назвали полонием (в честь Польши — родины Марии Склодовской-Кюри), другой был назван радием (то есть «излучающим»). Интенсивность излучения радия оказалась в миллион раз больше, чем урана. Всем веществам, способным излучать лучи Беккереля, супруги Кюри дали название— радиоактивные, а само явление испускания этих лучей — радиоактивностью, Позднее сами лучи Беккереля стали называть радиоактивными.
Кроме упомянутых свойств радиоактивных лучей, в 1899 году случайно было обнаружено еще одно. Как-то Беккерель взял у Пьера Кюри стеклянную ампулу с небольшим количеством радия, чтобы показать студентам на лекции его замечательные свойства. Ампулку с радием он положил в жилетный карман, где она пролежала несколько часов. Через пару дней он заметил у себя на коже, в том месте, которое находилось против жилетного кармана, покраснение такой же формы, что и ампулка.
50
Еще через несколько дней Беккерель почувствовал острую боль, кожа потрескалась, образовалась сочившаяся язва. Только через два месяца рана зарубцевалась.
Узнав о таком свойстве радиоактивных лучей, Пьер Кюри решил рискнуть своей левой рукой и подверг ее длительному облучению ра7 дия. Сообщение Беккереля подтвердилось. На руке через несколько дней появилась краснота, затем воспаление, наконец, открытая рана, которую долго не удавалось излечить. .
Тогда П. Кюри совместно с врачами Бушаром и Балтазаром стали исследовать, как воздействуют радиоактивные лучи на животных.
Этими опытами заинтересовался также парижский врач Данло, который занялся всесторонним изучением действия лучей радия на живые организмы. Он показал, что в небольших дозах радиоактивные лучи могут быть использованы для лечения различных заболеваний; Вскоре радий стали применять для борьбы со страшной болезнью — раковой опухолью. Радиоактивные лучи разрушают главным образом те клетки организма, которые быстро размножаются. А такими как раз -И.являются клетки раковой опухоли.
ЕЩЕ О СВОЙСТВАХ РАДИОАКТИВНЫХ ЛУЧЕЙ
Подобно тому, как солнечный свет, попадая на флуоресцирующие вещества, может вызвать свечение этих веществ, радиоактивные лучи также могут вызвать флуоресценцию.
Если мизерное количество какого-нибудь радиоактивного элемента примешать к флуоресцирующему веществу, то последнее будет светить-4*	51
Мария Склодовская-Кюри (1867—1934)
Великая польская ученая-физик. Родилась в Варшаве в семье учителя. В 1890 году Склодовская уезжает в Париж и поступает в университет (в царской России доступ женщинам в университеты был закрыт).
В 1897 году защищает кандидатскую диссертацию и приступает к изучению излучения урана. В труднейших условиях в течение нескольких дет она совместно со своим мужем, Пьером Кюри, работает в этой области и в результате совместно открывают радий и полоний.
В 1903 году М. Кюри защитила докторскую диссертацию «Исследование радиоактивных веществ». В этом же году супруги Кюри получили Нобелевскую премию.
В 1922 году ее единодушно избирают в Парижскую академию наук.
В 1934 году М. Кюри умерла от злокачественного малокровия.
ся непрерывно годами (это используют, например, для изготовления часов со светящимися циферблатами. Такой смесью иногда покрывают ружейные прицелы, чтобы можно было целиться в темноте).
Но если под действием радиоактивных лучей вещество в состоянии излучать обычные световые лучи, несущие с собой энергию, то по закону сохранения энергии и радиоактивные лучи должны обладать энергией.
Выходит, что всякое радиоактивное вещество непрерывно выделяет энергию? За выяснение этого вопроса впервые взялся в 1903 году Пьер Кюри. Он заметил, что температура в сосуде, где содержится радий, всегда выше окружающей среды. Точными измерениями он показал, что грамм радия ежечасно выделяет примерно 140 калорий.
Это значит, что за 1 час один грамм радия выделяет такое количество тепла, что 140 граммов воды нагреется на один градус. Конечно, эта энергия невелика, но, если учесть, что теплота выделяется радием непрерывно и очень долго, то в общем радий выделяет огромное количество энергии. Можно подсчитать, что количество тепла, выделяемое одним граммом радия «за всю его жизнь», равно 3 миллиардам калорий. Такое же количество тепла выделяется при сгорании примерно 400 килограммов антрацита. Откуда же черпается эта энергия радиоактивных лучей? Пьер Кюри уже тогда высказал гипотезу, что радиоактивные вещества черпают выделяемую энергию из самих себя. «Радиоактивные тела,— говорит Кюри,— претерпевали бы в этом случае эволюцию, они
52
медленно и постепенно видоизменялись бы, несмотря на кажущуюся неизменность состояния некоторых из них... преобразование здесь более глубокое, чем обычные химические превращения, что здесь идет речь о существовании самого атома и что мы имеем дело с превращением элементов».
И далее он делает замечательный вывод:
«Неорганическая материя по необходимости эволюционирует во все времена по незыблемым законам».
Чтобы выяснить, каков механизм этих атомных превращений, ученые прежде всего пытались найти ответ на такой вопрос: какие силы природы способны воздействовать на радиоактивный распад,
ускорить или замедлить его.
Однако очень тщательные исследования показали, что ни самые
высокие или низкие температуры, ни самые мощные электрические и магнитные поля, ни огромное давление и ускорение, ни сильнейшие химические реактивы не могли повлиять на способность радия излучать энергию. Ученые и после этого не отступали перед крепостью, называвшейся радиоактивностью и продолжали ее «атаковать» самыми различными методами. Первый успех в этом отношении вновь выпал на Пьера и Марию Кюри. Поместив радий в магнитное поле, они заметили, что хотя скорость распада радия не меняется, но сами лучи претерпевают изменения: под действием магнитного поля однородный пучок лучей расщепляется на два пучка. Один из них распространяется по первоначальному направлению, а другой—сильно искривляет свой путь. По направлению и величине отклонения лучей можно было убедиться, что отклоняющиеся лучи представляют собой поток электронов. Скорость вылетающих электронов, как выяснилось, огромна и приближается к скорости света, равной 300000 километрам в секунду.
Оставалось выяснить, какова природа той части радиоактивных лучей, которая не отклоняется в магнитном поле. За решение этой задачи взялся английский физик Резерфорд. Прежде всего он решил повторить опыт супругов Кюри, применив, однако, значительно более
сильное магнитное поле.
Резерфорд обнаружил удивительное явление. Оказалось, что та часть радиоактивных лучей, которая в опытах Кюри не отклонялась в магнитном поле, теперь в более сильном поле, в свою очередь, расщепляется еще на две части. Одна часть из этих новых двух частей по-
53
Рис. 24. Разложение радиоактивных лучей в магнитном поле: 1—источник лучей, 2—сосуд, 3— гамма-лучи, 4—альфа-лучи, 5—бета-лучи.
ные тела, то окажется, что и в нии они ведут себя по-разному.
прежнему не отклонялась магнитным полем, а другая слегка отклонялась от первоначального направления, причем в сторону, противоположную отклонению электронов. Резерфорд сделал вывод, что эта часть радиоактивных лучей, во-первых, является потоком заряженных частиц (иначе они не отклонялись бы в магнитном поле), а во-вторых, частиц, заряженных положительно.
Итак, радиоактивные лучи состоят из лучей трех типов, получивших особые обозначения. Поток положительных частиц назвали альфа-лучами (альфа, бета, гамма — буквы греческого алфавита), поток электронов назвали бета-лучами, а третью часть лучей, не отклоняющихся в магнитном поле,— гамма-лучами.
Но не только характером от-
клонения в магнитном поле отличаются альфа, бета, гамма-лучи. Если отделить каждый вид этих лучей и затем исследовать их способность проходить чгрез различ-этом отноше-
Рис. 25. Схема зависимости поглощения радиоактивных лучей от вида лучей и толщины свинца.
Хуже всего проникают через вещество альфа-лучи. Уже обычный лист бумаги полностью их задержит.
Проникающая способность бета-лучей значительно больше, они в состоянии пройти через пластинку алюминия толщиной до одного сантиметра.
Во много раз лучше, чем бета-лучи, пронизывают тела гамма-лучи. Они могут пройти через пластинку алюминия толщиной в несколько десятков сантиметров.
Мы уже знаем, что бета-лучи представляют собой поток электронов. Что же представляют собой альфа и гамма-лучи?
По направлению отклонения в магнитном поле удалось установить, что альфа-лучи —
54
это поток положительно заряженных частиц. Но что это за частицы?
Резерфорду и его сотруднику Содди удалось доказать, что альфа-частицы — это атомы гелия, у которых отщеплено по два электрона, вследствие чего они приобрели положительный заряд, равный двум единицам. Гелий — инертный газ, занимающий второе место после водорода в таблице Менделеева, его атомный вес равен четырем. Поэтому и масса альфа-частицы примерно в четыре раза больше массы атома водорода.
Гамма-лучи не являются потоком частиц вещества, а потоком электромагнитных волн, каким-и являются и видимый свет, и рентгеновские лучи. Но гамма-лучи во много раз более проникающие, чем рентгеновские.
В 1906 году Резерфорд производил следующие опыты. На пути пучка альфа-лучей он ставил металлическую пластинку, в которой была прорезана узкая щель; прошедшие через щель альфа-лучи затем попадали на фотопластинку. Обнаружилось, что получающийся на фотопластинке след от альфа-частиц бывает различным в зависимости от того, находится ли на пути между щелью и фотопластинкой воздух или нет. Если на пути альфа-частиц воздуха не было, то след на пластинке имел форму щели; если же воздух был, то след получался размытым и мало напоминал по своей форме щель. Резерфорд объяснил это различие просто. Если воздух удален из прибора, то альфа-частицы не претерпевают столкновений, и они летят прямолинейно, след получается отчетливым и по форме совпадает с формой щели. Если же на пути альфа-частиц попадаются молекулы воздуха, то альфа-частицы отклоняются от первоначального направления и след получается расплывчатым. В этом случае говорят, что молекулы воздуха рассеивают первоначальный пучок альфа-лучей.
Резерфорд и его сотрудники исследовали рассеяние альфа-частиц
Л 1 If р Рис. 26. Схема опытов Резерфорда по исследованию рассеяния альфа-частиц, S—источник частиц, F—рассеивающая пластинка, Р—экран, М—микроскоп.	©	Г + + 4 | z— о Рис. 27. Зависимость величины отклонения альфа-частиц от распределения зарядов в атоме.
55
Э. Резерфорд (1871—1937)
Выдающийся ученый в области атомной	~
дился в Новой семье мелкого фермера. Уже в школе и университете Резерфорд проявил выдающиеся способности. С 1897 года он — профессор университета в Канаде. С 1907 года работал в Англии. Резерфорд открыл сущность радиоактивного распада, создал ядерную модель атома, осуществил первую искусственную ядерную реакцию.
физики. Ро-
Зеландии в
не только в воздухе, но пропускали их через тончайшие пластинки из различных веществ. Исследователи заметили любопытное явление — большинство альфа-частиц при прохождении через вещество отклоняются, но некоторые частицы отклоняются очень сильно, иногда до 90° и даже больше.
Вначале Резерфорд попытался объяснить явление рассеяния альфа-частиц на основании модели атома Томсона. Но тут-то и выяснилась полная непригодность этой модели. Дело в том, что из этих очень простых опытов вытекают весьма важные следствия о строении атома. Вот как об этом пишет профессор И. Петрянов.
«Ведь из опытов Резерфорда, несомненно, следует:
— во-первых, что вещество в основном состоит из... пустого пространства, потому что, всё-таки, главная масса летящих альфа-частиц пролетает совершенно без отклонения;
— во-вторых, внутри атома должны существовать какие-то огромные силы, которые настолько велики, что способны отбросить быстро летящую альфа-частицу в сторону.
Этими силами может быть только взаимодействие летящей частицы либо с положительно заряженными частями атома, либо с отрицательными. Но шоследнее предположение должно быть сразу же отброшено: ведь отрицательно заряженные частицы — это электроны, масса которых настолько мала, что они так же мало могут изменить движение тяжелой альфа-частицы, проносящейся мимо, как мало может повлиять на полет снаряда встретившаяся ему муха. Следовательно, нужно признать, что причиной отклонения альфа-частиц является положительно заряженная часть атома, которая должна быть настолько массивна, что способна резко отклонить в сторону оказавшуюся поблизости альфа-частицу».
5G
АТОМ ИМЕЕТ ЯДРО
Все эти рассуждения привели Резерфорда к совершенно отличному от Томсона представлению о строении атома. По Резерфорду атом состоит из центрального ядра, в котором сосредоточены почти вся масса атома и весь его положительный заряд. Вокруг ядра по круговым орбитам, подобно планетам
вокруг Солнца, движут-
Рис. 28. Схематическое изображение строения некоторых атомов по Резерфорду.
сто тысяч раз меньше всего атома деляется размером наибольшей из электрон).
ся отдельные электроны. Число электронов в каждом атоме таково, что их суммарный отрицательный заряд равен положительному заряду ядра, поэтому в целом атом
нейтрален. Диаметр ядра, как показали подсчеты Резерфорда, примерно в (размер всего атома опре-орбит, по которой движется
Эта модель строения атома получила название ядерной, или планетарной.
Итак, атом представляет собой как бы сплошную пустоту, в которой на огромных расстояниях друг от друга находятся ничтожные, невообразимо малые пылинки — атомные ядра и электроны.
Если увеличить атом до таких размеров, чтобы его поперечное сечение стало равным площади Ставрополя, то ядро будет иметь размеры яблока — вокруг этого яблока где-то разбросаны и как-то движутся электроны, размеры которых мало отличаются от размеров центрального ядра-яблока.
ЗАРЯД ЯДРА И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МЕНДЕЛЕЕВА
Всякую физическую теорию надо проверить всесторонне на опыте. Так было и с новой моделью атома. Вновь «бомбардировали» атомы различных элементов быстрыми альфа-частицами.
57
Рис. 29. Схема атома алюминия (порядковый номер 13). Вокруг ядра обращается 13 электронов. Заряд ядра равен 4-13.
Водород стоит на первом месте в
Исследуя отклонения альфа-частиц определенной энергии при прохождении их через различные вещества, оказалось возможным вычислить величину заряда атомного ядра. И тут выяснилась поразительная вещь. Оказалось, что заряд ядра атома химического элемента совпадает с порядковым номером этого элемента в таблице Менделеева, если принять заряд ядра водорода за единицу измерения.
таблице Менделеева — это зна-
чит, что заряд ядра его равен единице и, следовательно, в атоме водорода один электрон. Атом водорода — простейший из всех атомов. Вторым в таблице стоит гелий. Заряд его ядра равен двум, вокруг ядра движутся два электрона (альфа-частицы и есть ядра гелия). Самый тяжелый элемент в природе—уран—стоит на 92 месте в таблице Менделеева, значит, заряд ядра равен 92, число электронов также равно 92. Таким образом, все атомы устроены одинаково. Различие состоит толь-
ко в величине заряда ядра -и связанном с ним числе электронов.
Глава IV
ЭЛЕКТРОННАЯ ОБОЛОЧКА АТОМА
Итак, любой атом состоит из центрального положительно заряженного ядра и электронной оболочки, то есть движущихся вокруг ядра отрицательных электронов. В настоящей главе мы подробнее ознакомимся с электронной оболочкой и с тем, как сказывается ее устройство на физические и химические свойства атома.
СПЛОШНОЙ И ЛИНЕЙЧАТЫЕ СПЕКТРЫ
Хорошо известно, что солнечный, или, как его называют, белый свет неоднороден. Это впервые доказал еще Ньютон почти 300 лет назад. На пути узкого пучка солнечного света Ньютон (чтобы получить такой пучок света, он затенял комнату, закрыв ставни, а в ставне прорезал узкую щель) поставил трехгранную стеклянную призму. И вот обнаружилось явление, которого Ньютон совершенно не ожидал. В результате прохождения через призму пучок света превращался в широкую разноцветную полосу, подобную радуге. На противоположной стене ясно были видны красная, оранжевая, желтая, зеленая, синяя, голубая
68
и фиолетовая полоски, плавно переходящие друг в друга. Ньютон правильно объяснил это явление. Белый солнечный луч не простой, а сложный— он состоит из ряда цветных лучей. Призма по-разному отклоняет лучи разных цветов — меньше всего отклоняет красные лучи, больше всего__фиолетовые. То есть,—рассуждал Ньютон,—призма просто разлагает белый свет на состав-
ные части. Это, в частности, подтверждается следующим опытом Ньютона. Когда на пути цветных лучей он поставил другую призму, но только вершиной в противоположную сторону, то наблюдалась такая картина: белый свет, пройдя через первую призму, разложился на цветные лучи, а эти цветные лучи, пройдя через вторую призму, вновь «складывались» и образовывали белый свет.
Цветные полосы, получающиеся при разложении белого света, получили название спектра.
Так как всякое накаленное тело излучает свет, то перед физиками возник вопрос, а как ведет себя излучаемый накаленными телами свет при прохождении через трехгранную призму.
Исследуя этот вопрос, физики в первой половине XIX
Верш ина
Рис. 30. Так преломляется простой (однородный) световой луч, проходя через стеклянную призму.
Рис. 31. Опыт Ньютона по наблюдению разложения белого света в спектр.
века установили, что спектр
ярко накаленного тела, скажем. металла,— такой же, как спектр солнечного света.
Но выяснилось, что спектр окрашенного пламени совершенно отличен. Если в почти бесцветное пламя спиртовки внести кусочек обычной поваренной соли, пламя становится ярко-желтым. Это окрашивание
пламени возникло оттого, что в пламя попали пары натрия (поваренная соль при высокой температуре распадается на составные элементы — натрий -и хлор).
Свойством окрашивать пламя обладают и другие пары металлов: пары калия дают фиолетовую окраску, лития — красную, меди — зеленую, стронция — красную и т. п. Так вот, если узкую полосу света окра-
59
Рис. 32. Исследование окрашенного пламени с помощью простейшего спектроскопа.
шейного пламени пропустить через трехгранную призму, то вместо сплошного спектра, наблюдаемого у белого света, мы увидим линейчатый спектр: на темном фоне видны одна, две или несколько цветных линий. В зависимости от того, пары какого металла содержатся в пламени, в спектре видны различные линии. Так спектр натрия содержит одну желтую линию, спектр лития — красную и оранжевую линии и т. д.
В 1859 году немецкие ученые Кирхгоф и Бунзен обнаружили, что не только металлы, но любое вещество, превращенное в раскаленный газ, испускает свой особый, характерный только для данного вещества спектр и что, как они писали: «... ни различие соединений, ни разнообразие химических процессов в отдельных пламенях, ни различие температур нисколько не влияют на положение спектральных линий соответствующих отдельным элементам».
Так возник новый, весьма простой и удобный метод химического анализа — спектральный анализ. Чтобы определить состав какого-нибудь сложного вещества, достаточно рассмотреть спектр этого вещества и сравнить со спектрами различных элементов, которые приведены в специальных справочниках спектров.
Для нас важно отметить то, что, хотя спектры у разных элементов различны, спектры элементов, относящихся к одной группе периодической системы Менделеева, подобны.
Это наводит на мысль, что между химическими и спектральными свойствами элементов существует непосредственная связь. Дальше мы увидим, что это так и есть.
СПЕКТР ВОДОРОДА
Одним из наиболее простых является спектр водорода: он состоит из четырех линий — красной, голубой и двух фиолетовых.
В 1885 году безызвестный учитель женской гимназии в Базеле (Швейцария) Бальмер опубликовал формулу, позволившую с большой точностью определять длины волн излучаемых водородом лучей. Эта
60
формула называется формулой Бальмера — она прославила ее автора навечно, ибо сыграла важнейшую роль в атомной физике.
Каковы же особенности этой формулы?
Первая особенность состоит в том, что Бальмер вывел свою формулу не из каких-нибудь теоретических соображений о (процессе излучения света водородом. Он просто стремился подобрать искусственно такую формулу, чтобы не надо было запоминать длины волн линий спектра водорода. (Такие формулы в физике называются эмпирическими). Бальмеру удалось подобрать очень простую формулу, по которой длина волны является функцией переменной величины и. Если вместо п подставить значение 3, то формула дает длину волны красной линии спектра, если подставить п = 4, получим длину волны голубой линии, при п=5—первой фиолетовой линии и при и = 6—второй фиолетовой линии. Вторая замечательная особенность формулы Бальмера состоит в ее исключительной точности. Физика не знает другой эмпериче-ски подобранной формулы, которая давала бы такое исключительное совпадение с опытом—с точностью до тысячных долей процента! Третья, не менее интересная особенность этой формулы, состоит в том, что она прекрасно определяет и ряд новых линий, позднее открытых физиками в спектре водорода (эти линии невидимы глазом, они относятся к ультрафиолетовым лучам и могут быть обнаружены, например, с помощью фотографии). Для вычисления длин волн этих новых линий нужно в формулу Бальмера соответственно подставить вместо и значения 7, 8, 9, 10, 11 и т. д.
Наконец последняя и, пожалуй, наиболее важная особенность формулы Бальмера состоит в том, что, в отличие от всех других формул, известных до того в физике, здесь искомая величина является функцией только целых чисел. Иными словами, если вместо п подставить значение не целого числа, а, скажем, 372, то соответствующей линии в спектре не существует.
После формулы Бальмера были открыты аналогичные формулы и для спектров других элементов и, в первую очередь, щелочных металлов: лития, натрия, калия, цезия и т. п.
ТЕОРИЯ БОРА О ТОМ, КАК УСТРОЕН АТОМ
Поскольку в каких бы условиях не находились атомы элемента, они всё же излучают всегда один и тот же спектр, то, очевидно, спектр непосредственно связан со строением атома. Это хорошо выразил известный немецкий физик Зоммельфельд. «Со времени открытия спектрального анализа никто из специалистов не сомневался, что проблема атома была бы решена, если бы мы научились понимать язцк спектра. То, что мы слышим в говоре спектральных линий, есть настоящая музыка, звучащая в атоме».
Впервые попытку объяснения спектра простейшего атома — водо-
61
Нильс Бор (1885)
Известный датский физик-теоретик. Автор первой теории строения атома (теория Бора). Развил идею Френкеля модели ядра, имели большое получения атомной энергии.
рода — сделал в 1913 году молодой датский физик, ученик Резерфорда — Нильс Бор.
Бор прежде всего поставил перед собой задачу: определить, как должен быть устроен атом водорода, чтобы он мог излучать спектр, описываемый формулой Бальмера.
Ему было ясно, что старая модель Томсона для этой цели не годится: она никак не может объяснить, почему длины волн спектральных линий зависят только от целых чисел.
Но и новая, планетарная модель Резерфорда нуждалась в значительном уточнении. Действительно, по Резерфорду атом водорода состоит из положительного ядра и отрицательного электрона, вращающегося по круговой орбите вокруг центрального ядра. Но движение по окружности есть движение с ускорением. В теории электричества же доказывается, что при ускоренном движении зарядов излучаются электромагнитные волны, то есть свет. Частота излучаемого атомом Резерфорда света должна равняться частоте обращения электрона. Но тогда по мере излучения энергия атома должна убывать, уменьшение же энергии атома должно сопровождаться приближением электрона к ядру. При этом будут непрерывно меняться радиус орбиты и длина волны излучаемого света. Электрон же будет двигаться по спирали и в конце концов должен упасть на ядро.
Итак, если принять без всяких уточнений модель Резерфорда, то мы должны допустить следующие выводы:
1.	Атом должен постоянно излучать, при любых условиях.
2.	Спектр излучения должен быть сплошным, а не линейчатым.
3.	Так как электрон после излучения падает на ядро, то атом не может долго существовать.
Но ведь все эти выводы совершенно противоречат многочисленным фактам:
1.	Атомы излучают не всегда, а только при определенных условиях.
и углубил о капельной Эти работы значение для
62
2.	Спектры, излучаемые атомами, всегда линейчаты.
3.	Атом является устойчивой системой и в подавляющем большинстве случаев может существовать как таковой сколь угодно долго.
Из этих резких противоречий теорий и фактов Бор сделал правильный вывод о том, что внутри атомов господствуют свои особые законы, что к внутриатомным процессам неприменимы за-хономерности, установленные в мире больших тел, содержащих огромное
Рис. 33. Вот как двигался бы электрон, если бы строго следовать первоначальной модели Резерфорда.
множество атомов.
Бор выдвинул свою новую теорию строения атома. Вот как по этой теории следует уточнить модель Резерфорда, чтобы понять устройство атома водорода: электрон вращается по круговой орбите вокруг ядра, но при
этом не излучает света. Однако не по любой круговой орбите может двигаться электрон в атоме. Существуют только определенные «разрешенные» орбиты. Энергия, которой обладает атом, зависит от того, по
Рис. 34. Схема возможных электронных переходов в атоме водорода и излучаемых при этом спектральных линий.
какой орбите движется электрон. Чем больше радиус орбиты, тем больше энергия. Атом излучает только тогда, когда электрон переходит с большей (или, как говорят, более высокой) орбиты на меньшую. Чем больше разность энергии между начальной и конечной орбитой, тем короче длина волны, излучаемой при таком переходе.
Из теории Бора непосредственно вытекает формула Бальмера, которая, оказывается, соответствует переходам электрона с более высоких орбит на более низкую вторую орбиту. Теперь становится ясным, почему в формулу Бальмера входят только целые числа, начиная с третьей. Это номера орбит, с
которых электрон перескакивает на вторую орбиту.
Более того, из теории Бора следовало, что, наряду с бальмеров-
63
ской серией, в спектре водорода должны существовать и другие серии линий — соответствующие переходам на первую орбиту, на третью орбиту и т. д.
Бор смело предсказал существование этих линий и теоретически предвычислил длину волн этих линий.
В дальнейшем эти серии линий были обнаружены на опыте: первая, соответствующая переходам на первую орбиту,—Лайманом (серия Лаймана) и вторая — серия Пашена, соответствующая переходам на третью орбиту.
Теория Бора блестяще объяснила и ряд других закономерностей в спектрах атомов. С тех пор планетарную модель атома стали называть моделью Бора-Резерфорда.
В дальнейшем теория Бора была заменена квантовой механикой — современной наукой о строении атома. Но большинство результатов теории Бора оказываются правильными и поэтому мы ограничимся рассмотрением этой более простой теории.
КАК АТОМНАЯ ФИЗИКА ОБЪЯСНЯЕТ ПЕРИОДИЧЕСКУЮ СИСТЕМУ МЕНДЕЛЕЕВА
Следующей важной задачей теории атома явилось выяснение причины периодичности свойств элементов, установленной Менделеевым. Надо было понять, почему периодически повторяются химические и спектральные свойства атомов при последовательном увеличении по
рядкового номера, то есть заряда ядра и, следовательно, числа электронов. Теория атома должна была объяснить, почему таблица Менделеева является картой атомного мира.
И эту сложнейшую проблему наука сумела разрешить. При этом
теория, конечно, опиралась на ряд опытных фактов. Прежде всего опыты указывают на то, что не все электроны в атоме одинаково прочно связаны с ядром и, по-видимому, различно расположены в атоме. Так, например, атомы элементов первой груп-
пы — щелочных металлов — лития, натрия, калия, рубидия, цезия легко теряют по одному электрону, превращаясь в однозарядные ионы, но оторвать у них по второму электрону оказывается неизмеримо труднее. Атомы элементов второй группы—щелочно-земель-
64
ных металлов — бе-рилия, магния, кальция, стронция, бария и родия легко отделяют два электрона, но с большим трудом удается отделить третий. У элементов третьей группы легко отделяются три электрона и т. д. Очевидно, что эти более легко отделяемые электроны расположены
в атоме дальше от
ядра, чем остальные, то есть движутся на большем от него расстоянии. Далее оказывается, что количество энергии, необходимое для отры-
ва последующих нескольких электронов от атомного ядра, остается
почти постоянным, а затем скачком резко увеличивается при попытке оторвать еще какой-нибудь электрон.
Рассмотрим, например, атом натрия. Он занимает 11 место в таблице Менделеева и, следовательно, в нем содержится 11 электронов. Один электрон отрывается легко. Но чтобы оторвать любой из последующих восьми электронов, нужно затратить энергию, почти вдвое большую. Наконец, на отрыв последних двух электронов — десятого или одиннадцатого электрона—вновь нужно увеличить затрату энергии еще почти вдвое. Отсюда можно предположить, что 11 электронов располагаются в атоме натрия следующим образом: два электрона наиболее прочно связаны с ядром—они движутся по наименьшей орбите, последующие восемь—вращаются по орбитам большего радиуса (одинакового для всех этих 8 электронов), наконец одиннадцатый, последний электрон, движется по самой большой внешней орбите.
Возникает естественный вопрос, почему электроны расположены именно так?
При дальнейшем развитии и уточнении теории Бора оказалось, что внутри атомов электроны располагаются по особого рода оболочкам. К одной и той же оболочке относятся несколько электронов, обладающих одинаковой энергией. Это вовсе не значит, что все электроны данной оболочки движутся по одной и той же орбите. К одной и той же оболочке относятся несколько орбит, различающихся формой (орбиты могут быть не только круглые, но и эллиптические) и ориентацией в пространстве. Общим у них всех является только размер наибольшего диаметра орбиты, и вследствие этого сохраняется равенство энергий у электронов, движущихся по этим орбитам.
Кроме того, из теории следует, что число возможных орбит в дан-
5 Путешествие внутрь атома
65
Рис. 35. Электроны в атоме располагаются по разным оболочкам.
Рис. 36. Три различные орбиты с одинаковыми наибольшими диаметрами образуют* одну оболочку.
Рис. 37. Схема атома щелочного элемента лития.
Рис. 38. Схема атома щелочного элемента натрия.
Рис. 39. Схема атома щелочного элемента калия.
ной оболочке не может быть произвольным, а должно равняться квадрату номера оболочки.
Это значит, что первая оболочка содержит одну орбиту (12=1), вторая оболочка — четыре орбиты (22=4), третья — девять орбит (32 = 9) и т. д.
Что касается вопроса о том, какая связь существует между оболочками и орбитами электронов в атоме и периодичностью свойств химических элементов, Бор высказал следующее утверждение: периодичность в свойствах элементов объясняется периодичностью в расположении электронов в атомах. Атомы всех элементов одной и той же группы имеют одинаковое число электронов на внешних оболочках. Физические и химические свойства элементов как раз и определяются числом и расположением внешних или как их еще называют валентных электронов.
66
Щелочные металлы относятся к 1-й группе таблицы Менделеева, у них на внешней оболочке по одному электрону.
У элементов второй группы — два внешних электрона, у элементов третьей группы — три и т. д.
Каждый период таблицы Менделеева начинается с заполнения электронами новой оболочки. Поэтому периодическое заполнение новых оболочек ведет к периодичности свойств атомов. Остается выяснить, почему на каждой оболочке в атоме располагается определенное число электронов — не меньше и не больше.
Отклонению числа электронов на оболочке атома от нормального значения препятствуют два весьма общих принципа или закона природы.
Принцип минимума энергии: произвольная физическая система находится в состоянии устойчивого равновесия тогда, когда энергия системы минимальна. Приведем пример — тяжелый шарик колеблется на нити (маятник). Колебания маятника прекращаются и равновесие наступает тогда, когда шарик занимает самое нижнее положение с наименьшей энергией (потенциальной). В случае атомной системы этот принцип приводит к тому, что электроны с верхних оболочек стремятся упасть на более низкие, при движении по которым энергия электронов будет меньше. Если бы электроны в атомах подчинялись только этому принципу, то в устойчивом атоме все электроны располагались бы на первой оболочке.
В действительности электроны в атомах подчиняются еще другому принципу, а именно, принципу Паули.
Так этот принцип называется в честь известного современного физика В. Паули, сформулировавшего его в 1927 году. Анализируя многочисленные атомные спектры, Паули пришел к следующему важному выводу: на одной орбите в атоме не может двигаться более двух электронов. Дальнейшее развитие физики полностью подтвердило это.
Исходя из этих двух принципов, легко теперь представить себе, как устроены атомы различных элементов. Начнем с атома водорода. У него всего один электрон. Этот электрон располагается на первой оболочке атома. Только сообщив атому дополнительную энергию, например, при нагревании, можно заставить электрон перескочить на какую-нибудь более высокую орбиту—атом станет «возбужденным». Однако обычно возбужденное состояние не сохраняется долго, электрон обратно падает на нижнюю орбиту, излучая при этом свет. (Вот почему для того, чтобы вещество излучало свет, его надо накалить).
Перейдем теперь к рассмотрению второго элемента в системе Менделеева— гелия. У гелия оба электрона находятся на первой оболочке и при этом полностью заполняют ее. Это значит, что на первой оболочке больше свободных мест нет. Поэтому не трудно понять, почему гелий является инертным или, как говорят, «благородным газом». Присоединить к себе электроны от другого атома он не может, да и свои
5*
67
Рис. 40. Атом водорода в нормальном состоянии.
Рис. 41. Атом водорода в возбужденном состоянии.
электроны передать другому атому ему не легко. Оба его электрона «прочно устроены» на собственной оболочке. Другое дело — водород. У него на (первой) оболочке один электрон, в то время как при «прочной упаковке» на ней могут находиться два электрона. Поэтому от атома водорода легко оторвать его единственный электрон. При этом атом водорода превращается в положительный ион, а тот атом, который присоединил к себе этот электрон, станет отрицательным ионом. Между разноименными ионами возникнут электрические силы притяжения и из двух атомов возникнет единая молекула.
Гелием заканчивается первый период системы Менделеева. Следующий, третий элемент — литий. У него три электрона. По принципу минимума энергии все три электрона стремятся расположиться на
Рис. 42. Схема перехода электрона с нормальной орбиты на возбужденную и обратного перехода с излучением света.
Рис. 43. Атом гелия— второго в таблице Менделеева элемента.
Рис. 44. Схема образования молекулы соляной кислоты.
68
Рис. 45. Атом лития.
Рис. 46. Атом бериллия.
Рис. 47. Атом бора.
Рис. 48. Атом углерода.
Рис. 49. Атом кислорода.
Рис. 50. Атом азота.
Рис. 51. Схема образования молекулы углекислого газа.
Рис. 52. Атом фтора
Рис. 53. Атом неона.
69
первой оболочке, но это запрещено по принципу Паули. Поэтому два электрона располагаются на первой оболочке, а третий — вынужден расположиться на более «высоком этаже»— на второй оболочке.
Легко понять, что благодаря такому строению его химические и спектральные свойства должны быть подобны водороду. Литий тоже может отдать один электрон (то есть является, как и водород, одновалентным элементом).
Следующий, четвертый элемент — бериллий, у него два электрона на первой оболочке и два на второй. Но вторая оболочка состоит из четырех орбит, так что всего на ней 8 мест. Поэтому эти два электрона на второй оболочке далеко не полностью заполняют ее и легко могут быть отданы — бериллий двухвалентный элемент. Пятый элемент — бор, из 5 электронов, два заполняют первую оболочку, а остальные три на второй оболочке. Элемент — трехвалентный. Углерод — шестой элемент имеет на второй оболочке 4 электрона, поэтому углерод четырехвалентный элемент. На седьмом месте — азот, у которого на второй оболочке 5 электронов. Азот может отдать эти 5 электронов, но еще проще для него оторвать 3 электрона от другого атома и образовать заполненную вторую оболочку. Поэтому азот может быть и трехвалентным (электроотрицательная валентность) и пятивалентным (электроположительная валентность).
Кислород—восьмой элемент. Он содержит на второй оболочке 6 электронов. До полной второй оболочки не хватает двух электронов, поэтому кислороду легко оторвать у другого атома 2 электрона, превращаясь в дважды отрицательный ион. Кислород двухвалентный элемент с отрицательной валентностью.
На девятом месте элемент из группы галогенов — фтор. У него на второй оболочке 7 электронов. До полной оболочки у него не хватает одного электрона. Фтор элемент одинарной отрицательной валентности. Последний элемент во втором периоде — это десятый элемент — неон. У него на второй оболочке находятся 8 электронов, то есть оболочка полностью заполнена. Неон, как и гелий, инертный газ.
Третий период начинается с одиннадцатого элемента — натрия. У него 2 электрона на первой оболочке, 8—на второй и одиннадцатый электрон находится на третьей оболочке.
Нам теперь уже ясно, что химические и спектральные свойства у натрия должны быть аналогичны литию и водороду. Далее продолжается заполнение третьей оболочки и т. д. Так, у двенадцатого элемента — магния, кроме двух заполненных оболочек, на третьей оболочке находится два электрона. Поэтому магний принадлежит ко второй группе элементов — щелочно-земельным металлам, подобно бериллию, кальцию и др. Тринадцатый элемент—алюминий, у него на третьей оболочке три электрона. По своим химическим свойствам он подобен бору. Аналогично происходит заполнение у следующих элементов: кремний имеет четыре внешних электрона, фосфор — пять, сера — шесть, хлор — семь и т. д.
70
НОВЫЕ ТИПЫ АТОМОВ
Мы познакомились с тем, как устроены атомы. Возникает вопрос— исчерпываются ли этим все возможные типы атомов? Оказывается— нет. Так устроены обычные атомы, встречающиеся в природе. За последние годы ученые научились искусственно создавать и другие типы атомов. Такие атомы иногда, правда очень редко, встречаются в природе— в так называемых космических лучах.
Первый из таких необычных атомов — это позитроний — атом без ядра. Позитроний представляет собой систему двух электронов отрицательного и положительного (позитрона), вращающихся вокруг общего центра. Этот атом похож на атом водорода, но в 2 000 раз легче последнего, размер его вдвое больше и, главное, он очень не устойчив. Позитроний может просуществовать не более одной десятимиллионной доли секунды, после чего превращается в свет. Другой тип недавно обнаруженных атомов — это мезо-атомы. У мезо-атомов вокруг обычного ядра вращаются не электроны, а отрицательные мезоны. Мезоны имеют заряд, равный электрону, но масса их в 200—300 раз больше. В зависимости от типов мезонов существуют различные типы мезо-атомов. Легкие мезоны (мю-мезоны) также подчиняются принципу Паули. Поэтому для мю-мезо-атомов должна существовать своя атомная карта, аналогичная системе Менделеева. Мезо-атомы, как и позитроний, неустойчивы.
Рис. 54. Позитроний.
Рис. 55. Превращение позитрония в свет.
Рис. 56. В результате слияния электрона и позитрона, позитроний исчезает и вместо него возникают две или три «порции> (кванта) гамма-лучей.
71
Рис. 57. Сравнительная схема обычного атома и мезо атома водорода.
О еще одном виде атомов, так называемых антиатомах, будет рассказано дальше.
Все эти примеры наглядно показывают, как бесконечно многообразна природа.
72
Глава V
АТОМНОЕ ЯДРО
РАДИОАКТИВНЫЕ СЕМЕЙСТВА
Зная, как устроен атом, вновь вернемся к рассмотрению радиоактивного распада элементов. Радий выбрасывает альфа-лучи, представляющие поток ядер гелия. Что же при этом происходит с самим радием? Если из ядра радия вылетает ядро гелия, заряд которого равен двум, то заряд ядра, выбросившего альфа-частицу, должен уменьшиться на две единицы. А это значит, что образуется ядро с порядковым номером на две единицы меньше, чем у радия. Действительно, при радиоактивном распаде радия (порядковый номер 88) образуется 86 химический элемент — газ радон.
Радон сам тоже является радиоактивным элементом и выбрасывает альфа-лучи, превращаясь в 84 элемент.
Если при радиоактивном распаде ядра выбрасываются бета-лучи, то есть из ядра вылетают электроны (опыт показывает, что при бета распаде электроны вылетают не из оболочки атома, а из самого ядра), то заряд ядра увеличивается на единицу и образуется элемент с порядковым номером на единицу больше, чем первичный элемент.
Исследования показали, что подавляющее большинство естественно радиоактивных элементов связаны в радиоактивные семейства. Наиболее известно ураново семейство. Родоначальником этого семейства является 92 элемент — уран (отсюда и название всего семейства) с атомным весом 238. Путем нескольких последовательных превращений возникает 88 элемент — радий, который превращается в 86—радон, тот, в свою очередь,— в 84, который, выбрасывая альфа-лучи, превращается в 82 и т. д. Кончается это семейство свинцом, который является устойчивым элементом и дальше не распадается.
Другое радиоактивное семейство ведет свой род от тория. От него идет длинная цепь поколений, заканчивающаяся также
ЛЯГТТ свинцом. Но свинец, происходящий из торие-вого семейства, немного тяжелее уранового свинца.
\	(86Rn(Eni)4
G 'мтт * a.	Л4*1 к “к	г’А
73
UI
UX<
Радиоактивное семейств* урана
лет
J
Id
в [3,3 10 лет
Rn
a\ 3.923 дн
RaA
а \3,03мин
a\lJ10~9cek
KaP
Po
RaG
кос
Ra
8В
я\1590лет
Зимин
19,7мин
RqB
Рис. 58. Схема последовательных радиоактивных превращений в семействе урана.
а\2,7Ю5лет
19,9 мил аЩОЧ
В результате изучения радиоактивных превращений рушились старые представления о вечной неизменности атомов.
Более того, картина атомного мира всё больше прояснялась, стало возможным устанавливать происхождение тех или иных видов атомов. В то время, как одни атомы долговечны и не меняются в течение миллиона лет, другие живут всего несколько секунд.
Если сейчас взять некоторое количество радия, то от него через 1590 лет останется ровно половина. А вот его потомок радий А живет совсем недолго, от него остается половина уже через три с половиной минуты. Радиоактивный элемент торий С1 распадается на половину в кунды.
течение миллионной доли ce-

ЯДРО УДАЛОСЬ РАЗБИТЬ
В 1919 году Резерфорд провел следующий опыт, сыгравший важнейшую роль в атомной физике. Это был опыт, когда впервые удалось проникнуть внутрь атомного ядра.
Мы уже писали о том, что Розерфорд вместе со своими учениками занимался изучением рассеяния альфа-частиц ядрами атомов. Исследователи ставили различные варианты опытов. В частности, они сравнивали характер рассеяния альфа-частиц ядрами легких и тяжелых элементов. И тут обнаружилось, что если рассеяние альфа-частиц тяже
74
Рис. 59. Схема установки Резерфорда.
лыми ядрами происходит в полном соответствии с теоретическими расчетами, то в случае с легкими элементами оно не соответствует теории. Конечно, нужно было выяснить, почему на тяжелых ядрах происходит рассеяние «нормально», как подсказывает теория, а на легких иначе?
Резерфорд рассуждал так: отличие между тяжелыми и легкими ядрами состоит только в величине заряда. У тяжелых ядер заряд велик (например у урана заряд равен, как мы знаем, 92 единицам) и сила отталкивания между такими ядрами и альфа-частицами очень велика; она заставляет альфа-частицы отклоняться от первоначального направления еще на сравнительно больших расстояниях от ядра. У легких же ядер заряд мал, и силы отталкивания тоже малы, поэтому, возможно, что альфа-частица проходит близко к ядру или даже проникает внутрь ядра. В этом случае теория Резерфорда о рассеянии альфа-частиц уже не будет верной.
Но,—мыслил далее Резерфорд,— если альфа-частицы могут проникнуть внутрь ядра, то стоит попытаться использовать эти частицы, испускаемые при радиоактивном распаде, в качестве «снарядов» для бомбардировки атомных ядер с тем, чтобы их расщепить.
В качестве таких снарядов он выбрал альфа-лучи радиоактивного элемента радий С1 (это наиболее быстрые альфа-частицы из всех, излучаемых естественно радиоактивными элементами). Их скорость близка к 20000 километрам в секунду. С такой скоростью можно долететь от Земли до Луны за 20 секунд. Установка Резерфорда схематически изображена на рисунке.* В сосуде находится газ азот. Внутрь сосуда помещался источник альфа-лучей (D), источник может перемещаться по сосуду. В стенке (Е) было сделано отверстие (F), за которым помещался флуоресцирующий экран, на котором возникают вспышки, когда на него попадают отдельные альфа-частицы. Эти вспышки наблюдают в темноте через микроскоп. Сперва источник альфа-частиц располагали близко от окошка и наблюдали вспышки на экране. Затем источник D стали удалять всё больше и больше. Наконец расстояние от источника до экрана стало большим длины пробега альфа-
* При изложении этого опыта, как и смежных вопросов, мы следуем профессору М. И. Корсунскому.
75
частиц в азоте. Тем не менее вспышки на экране были видны. Но ведь альфа-частицы не могли пройти такое расстояние. Чтобы узнать, что вызывает эти вспышки, Резерфорд заменял азот другими газами— вспышки исчезали. Стало ясно, что частицы, вызывающие вспышки на экране, связаны не с источником альфа-лучей, а возникают в азоте при бомбардировке его альфа-частицами. По величине пробега этих образовавшихся в азоте частиц можно было установить, что они—ядра водорода. Но откуда же взялись в азоте ядра водорода? Сначала возникло предположение, что азот был не совсем чистым и содержал в виде примеси немного водорода. Тогда азот тщательно химически очистили. Однако вспышки на экране от стого не исчезли. Пришлось сделать необычное предположение: при бомбардировке ядер азота возникают ядра водорода.
АЗОТ ПРЕВРАЩАЕТСЯ В КИСЛОРОД
Дальнейшее исследование этого явления с несомненностью установило, что в опыте Резерфорда мы имеем дело с ядерной реакцией.
Заряд ядра азота равен 7 (азот стоит на 7 месте в таблице Менделеева). Когда в это ядро влетает альфа-частица, заряд которой равен
2, то образуется новое ядро с зарядом в 9 единиц. Но так как при этом вылетает ядро водорода с зарядом, равным едини-
К.с,.р£•“=	;	; ;
це, то в результате захвата ядром азота альфа-частицы образуют новое
Рис. 60. Схема ядерной реакции превращения азота в кислород.
ядро, с зарядом, равным 8.
Восьмым элементом в таблице Менделеева является кислород.
Итак, бомбардируя атомы азота ядрами гелия, Резерфорд получил два других элемента — кислород и водород!
Эта реакция явилась первым в истории человечества осуществленным превращением одних элементов в другие.
Из опыта Резерфорда можно сделать вывод, что между атомами раз-
личных элементов имеет-
76
ся не только аналогия в строении, но возможна и взаимопревращае-мость их.
А ведь над этой проблемой бились веками когда-то алхимики, пытавшиеся получить искусственно из ртути золото.
Впрочем, если бы алхимику показали, как это событие произошло и что из этого получилось, он был бы в высшей степени разочарован. Конечно, никаких золотых гор, ни «философского камня», о которых он мечтал в свое время, не было и в помине, и с внешней стороны это показалось бы ему ничтожным и несущественным.
О ЧЕМ МОЖЕТ РАССКАЗАТЬ МАССА ЯДРА?
Мы выяснили, что основной частью атома является ядро. Заряд равен порядковому номеру элемента, а масса ядра близка к массе всего атома. Явление радиоактивного распада указывает нам на то, что в ядрах атомов происходят сложные превращения. Значит, можно сделать вывод, что ядра не являются простейшими, элементарными частицами вещества, а что они имеют сложное строение и состоят из более простых частиц.
Поэтому следующей задачей физики явилось изучение строения атомного ядра.
Чтобы разрешить эту задачу, надо было прежде всего с большой точностью определить массы различных ядер. Дело в том, что еще в начале XIX века английский ученый Проут обратил внимание на то, что атомные веса различных элементов выражались целыми числами, то есть веса атомов в целое число раз больше веса атома водорода. Он
высказал предположение, что атомы любого элемента состоят из атомов водорода в количестве, равном их атомному весу. Например, атомный вес кислорода 16, значит, по этому предположению атом кислорода состоит из 16 атомов водорода.
Однако последующие более точные измерения атомных весов показали, что в действительности у многих элементов атомный вес не является целочисленным. Так, атомный вес хлора — 35,5.
Гипотезу Проута пришлось оставить.
77
ЧТО ТАКОЕ ИЗОТОПЫ
легкип водород тяжелый водород сверхтяжелый водород
Рис. 61. Атомы трех изотопов водорода.
В 1906 году при изучении свойств различных радиоактивных элементов было замечено, что если смешать однородные соединения совершенно отличных по своим радиоактивным свойствам иония и тория, то в дальнейшем никакими способами разделить их не удается. Во всех химических реакциях ионий и торий ведут себя совершенно одинаково.
Итак, торий и ионий имеют тождественные химические свойства, однако атомные веса у них различны: у тория 232, а у иония — 230.
Дальнейшие исследования показали, что подобные случаи, когда атомы с различными атомными весами имеют одинаковые химические свойства, встречаются и у других элементов.
Вот эти-то разновидности одного и того же химического элемента, имеющие различные атомные веса, стали называть изотопами (по гречески «изос»—равный, «топос»—место), то есть элементами, занимающими одно и тоже место в таблице Менделеева. Некоторые элементы имеют до десяти изотопов. Наличие среди атомов химических элементов атомов нескольких изотопов естественно усложняет определение массы ядер. Следовательно, определяя атомный вес какого-нибудь элемента, мы фактически сравниваем средний вес всех изотопов, входящих в данный элемент с весом водорода. Чтобы выяснить, входят ли в данный элемент несколько изотопов и какова истинная масса атомов, необходимо научиться измерять массу отдельных атомов.
Для определения массы атома Томсон предложил следующий способ. Прежде всего следует атомы интересующего нас элемента ионизировать, то есть выбить из них один или несколько электронов. Если теперь полученные ионы поместить в разрядную трубку, в катоде которой имеются отверстия, то мы получим пучок быстро летящих ионов — это анодные лучи, о которых рассказывалось выше. Если же на пучок этих ионов наложить магнитное и электрическое поля, то пучок ионов будет отклонять-
Рис. 62. Схема отклонения ионов в электоическом и магнитном полях.
ся. Это отклонение может быть обнаружено на фотопластинке. Величина отклонения для ионов будет зависеть от их массы. Поэтому, если в пучке содержатся ионы, скажем, трех изотопов, мы получим вместо одного три пучка ионов. По величине отклонений можно судить о массе ионов (масса иона практически равна массе атома, ибо ион— это атом, лишенный электрона, а масса электрона ничтожно мала).
Таким путем Томсон и другие ученые установили, что большин
ство элементов состоит из смеси изотопов и что атомные веса изотопов выражаются целыми числами. Проводившиеся в дальнейшем исследования показали, что только незначительное количество элементов состоит из одного изотопа (фтор, натрий, фосфор, золото и т. д.). Это целое число, характеризующее массу атомов изотопа называют массовым числом.
В отличие от массового числа атомный вес может не быть целым числом, если элемент состоит из смеси нескольких изотопов.
ПЕРВОНАЧАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ ЯДРА
Итак, атомные веса изотопов всех элементов, оказалось, действительно выражаются целыми числами. Поэтому вновь возникла мысль о справедливости предположения Проута, что все элементы построены из водорода. Само собой разумеется, теперь в свете тех знаний об атоме, которыми уже располагали ученые, пришлось значительно изменить формулировку этой гипотезы. А именно, следовало предположить, что ядра всех элементов построенны из ядер водорода. Поэтому массы ядер (почти точно равные атомным весам) должны быть кратными массе водородного ядра.
Ядро водорода, являющееся простейшим из всех ядер, было названо «протон», то есть простейший. Чтобы согласовать эту гипотезу с фактами, требовалось ее несколько дополнить. Действительно, если все ядра состоят из протонов, то, скажем, ядро урана, атомный вес которого 238, должно состоять из 238 протонов. Но протон имеет положительный заряд, численно равный заряду электрона, (напомним, что атом водорода состоит из ядра — протона и одного электрона; в целом атом нейтрален). Таким образом, если бы ядро урана состояло только из протонов, заряд ядра был бы равен 238, в то время как в действительности заряд его равен 92 (уран занимает 92 место в таблице Менделеева). Пришлось, поэтому, предположить, что в ^тдре, кроме протонов, имеются еще и электроны. Причем, в ядре электронов столько, насколько
79
теория строения ЯДР
атомный вес больше заряда ядра. Например, ядро урана состоит, согласно этой гипотезе, из 238 протонов и 146 электронов. Поскольку заряд электрона отрицательный, то заряд всего ядра будет равен 92.
На массу же ядра наличие в нем электронов почти не влияет из-за легкости электронов.
Эта первая гипотеза строения атомных ядер получила название протонноэлектронной и была общепринятой в двадцатых годах. С ее помощью весьма просто было объяснить явление радиоактивности.
Тем не менее она оказалась ошибочной.
ОТКРЫТИЕ НЕЙТРОНА
Еще в 1920 году Резерфорд высказал смелое предположение, что, возможно, в природе, помимо известных ядер, существуют ядра с зарядом, равным нулю, и массой, равной единице. «Подобный атом,— писал Резерфорд,— обладал бы совершенно фантастическими свойствами... он должен был обладать способностью свободно проходить через вещество... его нельзя было бы удержать в закрытом сосуде».
Поставленные, однако, Резерфордом и его учениками опыты по обнаружению этих ядер оказались безуспешными.
В 1930 году немецкие ученые Бете и Беккер обратили внимание
на то, что при бомбардировке альфа-частицами некоторых легких элементов (бериллия, бора, лития) возникают какие-то лучи с большой проникающей способностью. Эти лучи способны проходить через толстые слои свинца почти не ослабляясь. Но такой же проникающей способностью обладают и гамма-лучи, поэтому Бете и Беккер решили, что это также есть гамма-лучи. Они даже примерно оценили по проникающей способности энергию гамма-лучей, возникающих при бомбардировке бериллия альфа-лучами.
80
В 1932 году французские ученые Фредерик Жолио-Кюри и его жена Ирен Кюри решили подробнее исследовать это излучение. Прежде всего они выяснили, что эти лучи почти не ионизируют воздух, через который они проходят. Однако, если на пути этих лучей поместить парафин или какое-нибудь другое вещество, содержащее много водорода, то ионизи-
Рис. 63. Схема опыта Бете и Беккера.

а о. CZ
рующая способность лу-	--- (±)
чей резко возрастает.	-----
Супруги Кюри объяснили ЭТО тем, ЧТО «гамма- Рис. 64. Схема опыта Ф. Жолио и И. Кюри, лучи» огромной энергии, проходя через водородосодержащее вещество, выбивают из него ядра водорода (то есть протоны), которые способны сильно ионизировать воздух или другие газы. Что ионизацию воздуха осуществляют действительно протоны, они затем доказали непосредственно. Тогда же они подсчитали, какой энергией должны обладать гамма-лучи, чтобы выбить из тела протоны. Оказалось, что энергия их должна быть раз в 10 больше, чем вытекало из расчетов Бете и Беккера. Такое большое расхождение не могло быть объяснено какой-нибудь ошибкой в расчете. Уже слишком велики были расхождения.
Стало ясно, что создавшееся противоречие не может быть объяснено без коренной ломки самих представлений о природе лучей, выделяющихся при бомбардировке бериллия альфа-частицами.
В 1932 году английский ученый, сотрудник Резерфорда — Чадвик, проанализировав результаты опытов, выдвинул следующую гипотезу: при облучении бериллия (а также лития и бора) альфа-лучами вылетают не гамма-лучи, а поток особых частиц, лишенных электрических зарядов, по размеру и массе близких к протонам. Эти частицы он назвал «нейтронами». Эта гипотеза позволила без всяких противоречий объяснить все особенности лучей, выбрасываемых бериллием.
Дальнейшее развитие физики полностью подтвердило справедливость гипотезы Чадвика, так что в настоящее время существование нейтронов является достоверным. Нейтроны и являются теми ядрами, которые предсказывал в 1920 году Резерфорд.
Путешествие внутрь атома	81
Действительно, совокупность нейтронов представляет собой так сказать «нулевой элемент», стоящий в таблице Менделеева впереди водорода. В химическом отношении этот «нулевой элемент» совершенно инертен, ибо ни присоединить, ни отдавать электроны другим атомам он не может, а значит, не может вступать в химические реакции. Профессор М. И. Корсунский в известной книге «Атомное ядро» очень удачно сравнивает поведение «нулевого элемента» с человеком-невидимкой.
Почему тела являются непроницаемыми, то есть почему через тело не может пройти другое тело, даже маленькое?
Всякое вещество состоит из ато
мов, не являющихся сплошными образованиями — расстояние между ядром и электронами в атоме в десятки тысяч раз больше размеров ядра и электронов. Непроницаемость вещества обусловлена отталкиванием электронных оболочек атома.
По отношению же к нейтронам это отталкивание не имеет значения. Для нейтрона всякое тело представляет собой редкую решетку, через которую он легко может пройти. Поэтому удерживать нейтроны в сосуде практически невозможно, на что и указывал Резерфорд.
Чадвик определил и массу нейтрона; по современным данным масса нейтрона равна 1,009 массы протона, то есть масса нейтрона чуть-чуть больше массы протона. В приближенных расчетах их можно считать одинаковыми.
1932 ГОД—ГОД «РОЖДЕНИЯ» ДВУХ НОВЫХ ЧАСТИЦ
Итак, если до 1932 года в физике были известны две элементарные частицы — электрон и протон, то теперь к ним следовало еще присоединить третью — нейтрон. Но такое положение в физике сохранилось не долго. Уже через несколько месяцев после открытия нейтрона, в августе 1932 года, в космических лучах была открыта еще одна элементарная частица—позитрон. Позитрон иногда еще называют положительным электроном, ибо масса и величина заряда у позитрона точно равна массе и величине заряда электрона. Только у электрона заряд отрицательный, а у позитрона — положительный.
После открытия позитрона известных элементарных частиц стало уже четыре.
82
ГИПОТЕЗА СОВЕТСКИХ ФИЗИКОВ ИВАНЕНКО И ГАПОНА
Долгое время считалось, что ядра атомов состоят из протонов и электронов. Однако наука всё глубже и глубже познавала свойства ядер. И вот стало выясняться, что имеется ряд фактов, противоречащих этой гипотезе.
Одним из таких противоречий является следующее: если подсчитать по законам атомной физики энергию, которой должен обладать электрон, находясь внутри ядра, то получается совершенно немыслимая огромная величина, несовместимая с опытными данными.
Чтобы разрешить эту и ряд других принципиальных трудностей, советские физики Д. Д. Иваненко и Е. Н. Гапон, выдвинули новую гипотезу строения ядра.
По этой гипотезе в ядре атома электронов нет, а все атомные ядра состоят из протонов и нейтронов.
Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента, а общее число протонов и нейтронов равно массовому числу. Иначе говоря, число нейтронов равно разности между массовым числом и зарядом ядра.
Например, заряд ядра гелия равен двум, массовое число его — четырем, следовательно, число протонов равно двум и число нейтронов тоже двум. То есть, ядро гелия состоит из двух Н 1 протонов и двух нейтронов. Ядро урана	—х
имеет заряд, равный 92, а массовое чис- ( ло — 238. Значит, в ядро урана входит I ) 92 протона и (238—92 = ) 146 нейтронов.	/—л	_
Водород Ядро Ьооорооа
Рис. 65. Схема строения ядер некоторых атомов.
Гелий Ядро г ел ир
Кислород Ядро кислорода.
83
КАК НОВАЯ ТЕОРИЯ ОБЪЯСНЯЕТ РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД
Гипотеза Иваненко и Галона полностью устранила вышеупомянутые трудности, но перед ней возникла другая трудность. Если в ядре нет электронов,то откуда же берутся бета-лучи при радиоактивном рае-ладе некоторых элементов,, ведь бета-лучи это поток электронов? На этот,вопрос гипотеза Иваненко-Гапона отвечает так: при бета-радиоак-тивном распаде внутри ядра происходит превращение нейтрона в про
Рис. 66. Схема радиоактивного превращения сверхтяжелого водорода в гелий.
Рис. 67. Схема радиоактивного превращения изотопа азота в углерод.
тон и электрон (сумма электрических зарядов протона и электрона равна заряду нейтрона, то есть нулю). За счет выделяющейся при этом превращении энергии электрон получает большую скорость и вылетает из ядра.
Возможно и обратное превращение протона в нейтрон с выбросом из ядра позитрона.
Дальнейшие исследования полностью подтвердили справедливость гипотезы Иваненко-Гапона и в настоящее время она является общепринятой теорией строения ядра.
Важность этой теории, помимо выяснения действительного строения атомных ядер, состоит еще в следующем: она показала, что не только атомы и ядра, но и простейшие, элементарные частицы не являются неизменными, а способны к взаимопревращениям.
ЕЩЕ ОДНО ВЕЛИКОЕ ОТКРЫТИЕ
В 1934 году дочь Марии Склодовской-Кюри и Пьера Кюри — Ирен Кюри и ее муж Фредерик Жолио-Кюри совершили великое открытие, за что были удостоены Нобелевской премии по физике. Исследуя ядерные реакции, происходящие при бомбардировке альфа-частицами различных элементов, они открыли несколько своеобразных реакций.
34
А именно: если бомбардировать, скажем, алюминий альфа-частицами, то из ядра алюминия вылетает нейтрон и образуется легкий изотоп фосфора с атомным весом 30 (обычный изотоп фосфора имеет атомный вес 31). Важно при этом то, что полученный изотоп фосфора оказывается неустойчивым и выбрасывает радиоактивные лучи. Таким образом, в результате такой ядерной реакции удалось искусственно получить радиоактивный элемент.
Явление радиоактивности, с которым физики еще каких-нибудь тридцать лет не могли ничего поделать, было теперь создано волей человека в лаборатории.
Фредерик и Ирен Кюри подробно изучили открытое ими явление.
Прежде всего они выяснили характер радиоактивных лучей, выбрасываемых этими искусственно созданными радиоактивными элементами. Оказалось, что эти радиоактивные лучи представляют собой поток позитронов, то есть частиц незадолго до этого открытых в составе космических лучей. Это был тоже очень интересный результат— позитроны могут возникать и на земле.
Выяснилось далее, что подобные радиоактивные изотопы можно создать не только у фосфора, но и у азота, у кремния и других элементов.
Из открытия Ф. Жолио-Кюри и И. Кюри вытекало несколько весьма важных выводов, и прежде всего, что явление радиоактивности может быть вызвано искусственно.
Второй вывод такой: радиоактивными могут быть не только тяжелые, но и легкие элементы.
Фредерик Жолио-Кюри х (1900 г.)
современный ученый-физик.
Крупнейший французский Работал лаборантом у Марии Кюри. Под ее руководством Жолио начинает научную деятельность. Здесь он познакомился с дочерью М. Кюри— Ирен, на которой женился в 1926 году. В 1930 году Жолио-Кюри защитил докторскую диссертацию, посвященную химии радиоактивных элементов. В 1934 году он совместно с Ирен открыл искусственную радиоактивность, за что супруги получили в 1935 г. Нобелевскую премию. К началу второй мировой войны Жолио-Кюри был близок к созданию атомного котла. Во время фашистской оккупации Жолио-Кю-ри вступил в скую партию и посредственное тивной борьбе пантов. Ныне председатель Всемирного Совета Мира.
коммунистиче-принимал неучастие в ак-против окку-Жолио-Кюри
85
Не4г + Ai в
P 15* + П 0
Нейтрон
1 нейтрон е+
а-частиця	Длюминий
2 протона	13 протонов
2 нвнтроня	14 нейтронов
Фосфор
15 протонов
15 нейтронов
Фосфор •
15 протонов 15 нейтронов
КРеМНИЙ 4- Позитрон
14 ПРОТОНОВ
16 нейтронов
Рис. 68. Схема получения искусственного радиоактивного фосфора.
свинец
Рис. 69. Схема опыта И. и Ф. Кюри, с помощью которой была открыта искусственная радиоактивность.
И, наконец, третий вывод: у обыкновенных устойчивых элементов существуют радиоактивные изотопы. В природе они не встречаются, так как они уже давно распались, но их можно получить искусственным путем.
Несколько позже итальянский физик Ферми показал, что создать радиоактивные изотопы можно почти у всех элементов и не только бомбардировкой альфа-частицами, но и еще легче — бомбардировкой нейтронами.
86
ПРЕВРАЩЕНИЕ ЯДЕР
Если до открытия в 1896 году явления радиоактивности ученые считали, что атомы являются неделимыми частицами вещества, то после этого такими неделимыми частицами стали считать ядра атомов.
Когда же было доказано, что при радиоактивном распаде альфа-частицы или электроны выделяются из самих ядер, то от этого утверждения пришлось отказаться. Тогда же возникло предположение, что воздействовать на ядра извне, по воле человека, невозможно. Это мнение как будто имело основание. Ведь ни сверхвысокими температурами, ни колоссальными давлениями, ни сильнейшими электрическими и магнитными полями не удается разбить ядро.
Своими опытами по превращению ядер азота при бомбардировках их альфа-частицами в ядра кислорода Резерфорд в 1919 году показал, что и ядра можно превращать и изменять. Но для этого нужно бомбардировать ядра достаточно мощными «снарядами», какими являются альфа-частицы, выделяющиеся при естественном радиоактивном распаде некоторых элементов.
Ученых не мог удовлетворить полностью такой способ воздействия на ядра. Ведь это не совсем «искусственное» превращение — необходимо прибегать к «естественным» альфа-частицам, которые являются продуктами самопроизвольного распада других атомных ядер. Экспериментатор не может регулировать ни количество этих снарядов, ни их скорость. Что возможности физики при превращении
Ирен Ж о л и о-К ю р и (1897—1956)
Известная французская ученая, дочь Марии и Пьера Кюри. Во время первой мировой войны принимала активное участие в рентгенологическом обслуживании раненых, которым руководила ее мать. В 1920 году окончила университет, а в 1925 году защитила докторскую диссертацию. С 1926 года вместе со своим мужем Фредериком Жолио работала в области ядерной физики. Помимо известного открытия искусственной радиоактивности и возможности превращения света в вещество, Ирен Кюри вплотную подошла к открытию деления урана. Как и ее муж, Ирен Жолио-Кюри активно участвовала в борьбе против фашистских оккупантов.
В честь супругов Жолио-Кюри 96 элемент, полученный искусственно, был назван кюрий.
87
ядер таким методом действительно ограничены, видно хотя бы из того, что бомбардировкой естественными альфа-частицами невозможно разбивать ни средние, ни тяжелые ядра (начиная с 20-го элемента), ни даже некоторые легкие — гелий, углерод, кислород.
Нетрудно понять, почему таким путем удается разбивать только легкие ядра и то не все. Тяжелые ядра имеют большой положительный
заряд и, следовательно, сильно отталкивают летящие альфа-частицы. Чтобы альфа-частица могла, преодолев отталкивание, влететь в ядро, она должна обладать энергией больше той, которую имеют естественные альфа-частицы. Ядро гелия, углерода и кислорода не удается разбить потому, что эти ядра, особенно прочны и на их разрушение также требуются более мощные «снаряды», чем естественные альфа-ча
стицы.
ЯДЕРНАЯ АРТИЛЛЕРИЯ
Понятно поэтому, что физики-ядерщики стали искать пути осуществления полностью искусственного превращения ядер, путем бомбардировки ядер такими «снарядами» (частицами), которым в лаборатории может быть сообщена необходимая энергия и которых можно создать сколько угодно.
Лет тридцать тому назад начали создавать различные типы установок, с помощью которых заряженным частицам можно было сообщать огромные энергии. Эти установки получили название ускорителей. Современные ускорители сообщают ядрам гелия энергию, в сотни раз большую той, которой обладают естественные альфа-частицы. Бомбардируя такими сверхмощными «снарядами» ядра атомов, удалось не только превращать все виды существующих в природе ядер, но и обнаружить ряд новых явлений.
Ядерные «пушки» — это установки, позволяющие получить за-у ряженные частицы, движущиеся с огромной скоростью. Во всех ускорителях для этого пользуются электрическим полем. Если взять два электрода и приложить к ним большое напряжение, допустим в
88
50 000 вольт, то протон, перемещаясь от положительного электрода к отрицательному, будет всё больше ускоряться и к концу пути наберет энергию в 50 000 электроно-вольт.
Конечно, чтобы .протон при своем движении не растратил энергию при столкновении с молекулами воздуха, нужно всё это производить в трубке, из которой выкачан воздух. Чтобы мы могли воспользоваться быстрым протоном для бомбардировки и чтобы он не ударился об отрицательный электрод, нужно в электроде сделать небольшое отверстие, тогда протон пролетит через него и дальше будет двигаться по инерции с постоянной скоростью.
Однако энергия в 50 000 электроно-вольт совершенно недостаточна для разрушения ядер. Казалось бы для сообщения протону энергии, скажем, в 10 миллионов электроно-вольт следует просто приложить к электродам напряжение в 10 миллионов вольт. Но получить такое огромное напряжение да еще приложить его к вакуумной трубке, в которой расположены электроды, так чтобы между электродами не произошел разряд, практически невозможно. Поэтому пришлось прибегнуть к различным остроумным методам, чтобы получить частицы огромных энергий.
ЦИКЛОТРОН
Почти во всех типах ускорителей с помощью магнитного поля' заставляют частицу много раз описывать окружность. А электрическое поле каждый раз ускоряет движение частицы всё больше и больше.
Первым весьма удачным ускорителем явился циклотрон, построенный в 1930 году Лауренсом в США.
Пользуясь сильным электромагнитом, путь протона искривляют, принуждают протон идти не прямо, а по кругу, как лошадь по арене цирка. Да еще подхлестывают его, чтобы протон бежал всё быстрее и
89
быстрее. Кнутом тут служат электрические силы, а «ареной цирка» — разрезанная на две половинки (дуанты) круглая плоская коробка, внутри которой движется протон.
Левая половина заряжена отрицательно, правая — положительно. Если частица находится в разрезе между половинками, она притягивается к отрицательной и влетает в нее.
Магнит искривляет путь частицы (протона), заставляет ее идти по кругу. Когда протон, оотисав половину окружности вылетает из левой половины и оказывается опять в разрезе между дуантами, автоматиче
ски меняются знаки зарядов дуантов — левая половинка заряжается положительно, правая — отрицательно.
Теперь электрическая сила вновь «подстегивает» протон и он влетает в правую половинку. Он летит уже быстрее и описывает уже путь большего радиуса.
Так повторяется много раз. И при каждом обороте протон летит всё быстрее и быстрее по спирали.
В основе работы циклотрона лежит следующее важнейшее свойство: хотя протон в циклотроне движется по спирали, то есть всё время увеличивает длину полуокружно-
Рис. 70. Циклотрон: а) дуанты, б) камера циклотрона в магнитном поле.
90
Рис. 71. Схема движения заряженной частицы в циклотроне.
стей, которые он описывает, время прохождения любой из них одно и то же, ибо одновременно растет и скорость протона.
Иными словами, в циклотроне скорость частицы и путь, проходимый ею, прямо пропорциональны. Поэтому отношение пути к скорости, то есть промежуток времени, проводимый частицей внутри
дуанта есть вполне определенная величина. Вот это свойство постоянства периода обращения и позволяет непрерывно ускорять заряженную частицу, если к дуантам приложить переменное напряжение с периодом, в точности равным периоду обращения частицы внутри дуантов.
Когда скорость протонов становится достаточно большой, их выпускают из циклотрона через особое окошко. Путь вылетающих протонов (или других ускоренных частиц) можно видеть в воздухе: они образуют светящийся пучок длиной в один-два метра.
Рис. 72 и 73. Камера циклотрона в разрезе.
91
Рис. 74. Внешний вид циклотрона.
Картина подобна той, которую можно наблюдать при выстреле из орудия.
Уже в первом циклотроне Лауренсу удалось получить протоны с энергией в 3 миллиона электроно-вольт. В дальнейшем стали строить циклотроны еще больших размеров, чтобы получить частицы со значительно большей энергией. Если диаметр магнитов первого циклотрона был равен 40 сантиметрам, то современный циклотрон имеет магнитные полюса диа
Рис. 75. Современный циклотрон с диаметром магнитных полюсов 1,5 м.
92
метром в 1,5 метра. Такой циклотрон по размерам равен одноэтажному дому, он позволяет получить дейтоны (ядра тяжелого водорода) с энергией в 16 миллионов электроно-вольт.
Циклотрон получил широкое распространение в ядерной физике, как один из наиболее удачных типов «ядерных пушек>. Циклотрон служит для ускорения тяжелых частиц-протонов, альфа-частиц, дейтонов. Для ускорения легких частиц-электронов был создан другой тип ускорителя — бетатрон.
БЕТАТРОН
Для ускорения электронов пользоваться циклотроном нельзя, ибо для электронов не выполняется условие постоянства периода обращения. Это может показаться странным, ведь электроны, кроме своей малой массы, ничем принципиально не отличаются от протона (противоположность знаков их заряда, конечно, не существенна — она может только изменить направление движения частицы: если положительная частица, скажем, вращается по часовой стрелке, то отрицатель
ная — против часовой стрелки). Но оказывается, что здесь масса имеет решающее значение. Дело в том, что условия постоянства периода обращения выполняются только в том случае, если масса ускоряемой частицы неизменна. Но, как доказал впервые Эйнштейн в теории относительности, масса любого тела зависит от скорости — чем больше скорость тела, тем больше и его масса. Правда, при обычных скоростях это увеличение совершенно ничтожно, но, когда скорость тела начинает приближаться к скорости света, масса тела быстро возрастает. Такое явление как раз имеет место при ускорении электронов. Даже при сравнительно небольшой энергии — в один миллион электроно-вольт—скорость электронов становится сравнимой со скоростью света и, следовательно, масса его
Рис. 76. Общий вид бетатрона на 20 млн. эл.-вольт.
93
Рис. 77. Бетатрон на 100 млн. эл.-вольт.
заметно меняется, что приводит к нарушению условия постоянства периода обращения. Электрон будет всё больше запаздывать при выходе в разрез между дуантами к моменту изменения их полярности.
Конечно, возрастание массы имеет место и у протонов, но так как они почти в 2 000 раз тяжелее электронов, то при такой же энергии скорость протонов во много раз^ меньше, чем у электронов, аг значит, изменение массы тоже невелико.
Всё же и у тяжелых ча
стиц при дальнейшем увеличении скорости начинает сказываться нарушение условия постоянства периода обращения. Поэтому пришлось создавать и для тяжелых частиц более сложные ускорители.
В первом бетатроне, построенном в 1941 году, электроны достигали энергии 2,5 миллиона электроно-вольт. Этот первый бетатрон был столь мал, что свободно умещался на столе лаборатории, весил он менее 150 килограммов.
В 1941 году был построен более мощный бетатрон — в нем удавалось получить электроны с энергией в 20 миллионов электроно-вольт.
Весил этот бетатрон уже 3,5 тонны, диаметр магнитных полюсов у него был около 0,5 метра. В этом бетатроне электроны совершают около 350000 оборотов, проходя путь длиной в 420 километров. Конечная скорость электрона была только на О,3°/о меньше скорости света. Это была наибольшая скорость, полученная до тех пор человеком.
Столь быстрые электроны, тормозясь при столкновении с твердой пластинкой, излучали гамма-лучи с энергией в 20 миллионов электроно-вольт, то есть значительно превышали по своей энергии естественные радиоактивные гамма-лучи. Следует отметить при этом, что получаемый таким образом пучок гамма-лучей был весьма интенсивным, равным количеству лучей, излучаемых одним килограммом радия. Вспомним, что во всем мире за год не добывается такого количества радия.
В 1943 году был построен третий, еще более мощный бетатрон на 100 миллионов электроно-вольт. Его электромагнит весит 130 тонн. Вся установка помещалась в специальном здании со стенами метровой толщины — это нужно для защиты работающих людей от гамма-лучей и электронов. Пульт управления находился в другом помещении. Несмотря на огромные размеры такого бетатрона, он всё же значи
94
тельно меньше циклотрона, сообщающего такую же энергию. Сравнительная простота бетатронов делает их незаменимым орудием в руках исследователей. Однако возможности бетатрона ограничены.
СИНХРОТРОН И ФАЗОТРОН
В 1944 году советский профессор В. И. Векслер опубликовал в научном журнале две статьи, в которых дал замечательное решение проблемы создания еще более совершенных ускорителей как для электронов, так и для тяжелых частиц. Такой усовершенствованный ускоритель для электронов получил название синхротрона. Синхротрон — прибор, сочетающий в себе свойства бетатрона и циклотрона.
Синхротрон позволяет значительно повысить предельное значение энергии, которое может быть сообщено электрону. Существует ряд синхротронов, создающих электроны с энергией в 300 миллионов электроно-вольт, то есть раза в три больше, чем в бетатроне. Синхротрон имеет еще одно важное преимущество. Магнитные полюса у него делаются не сплошными, а кольцеобразными, что значительно облегчает и удешевляет изготовление электромагнита. Но для ускорения тяжелых
частиц синхротрон не годится. Поэтому В. И. Векслер предложил другой тип ускорителя — фазотрон (или иначе — синхро-циклотрон). Фазотрон представляет собой усовершенствованный циклотрон, который позволяет получать тяжелые частицы с энергиями в десятки раз больше, чем в циклотроне.
Фазотрон является весьма сложным и крупным сооружением. В крупнейшем американском фазотроне, построенном в Беркли (штат Калифорния), диаметр магнитных полюсов равен 4,7 метра, магнит весит около 3 000 тонн. Этот фазотрон сообщает альфа-частицам энергию в 400 миллионов электроно-вольт. Самый мощный в мире фазотрон построен у нас, в Москве, в Институте ядерных проблем Академии наук СССР, под руко-
Рис. 78. Синхротрон на 70 млн. эл.-вольт.
9S
водством Д. В. Мещерякова. В нем получают альфа-частицы с энергией в 650 миллионов электроно-вольт, вес магнита — 7 000 тонн, диаметр магнита — 6 метров.
СИНХРОФАЗОТРОН
А. П. Гринберг в своей книге «Методы ускорения заряженных частиц» писал в 1950 году: «Ученых, изучающих физику атомного ядра, иногда сравнивают с астрономами. Хотя исследуемые теми и другими объекты находятся в противоположных концах «шкалы длин», общей чертой применяемых для изучения этих объектов технических средств является колоссальный их объем и вес. Пожалуй, нет других областей естествознания, где исследователь пользовался бы установками такого размера, как современный фазотрон или как гигантский телескоп-рефлектор с пятиметровым зеркалом. Характерной чертой тех и других установок является то, что для расширения их возможностей необходимо прежде всего увеличить размер установки.
Возникающие при этом технические трудности огромны, но исследователи не останавливаются перед ними. Физик, который пять лет назад мог лишь мечтать об обладании способом генерации частиц с энергиями в области сотен миллионов электроно-вольт, нынче имеет такие
Рис. 79. Предварительный ускоритель синхрофазотрона на 10 млрд, эл.-вольт.
96
Рис. 80. Схема устройства синхрофазотрона.
способы в своем распоряжении и, едва приступив к изучению этой обширной неизведанной области энергии, обдумывает уже, каковы возможные пути получения частиц с энергиями от одного до десяти миллиардов электроно-вольт!»
С того дня, как написаны эти строки, прошло только шесть лет, а ускорители такого типа уже действуют и получили название «синхрофазотрон» (иначе его называют «беватрон» или «космотрон»). Космотрон представляет собой синхротрон, видоизмененный таким образом, что он может ускорять тяжелые частицы.
Английский беватрон, построенный в Бирмингаме дает частицы с энергией в 1 миллиард электроно-вольт.
Крупнейший американский космотрон дает возможность получать тяжелые частицы с энергией в 6,2 миллиарда электроно-вольт.
Приведем несколько цифр, характеризующих этот космотрон. Вес магнита 13 тысяч тонн, вес одной обмотки магнита около 400 тонн. Для питания этого магнита построена специальная электростанция мощностью в 60 000 киловатт.
Хотя существующий космотрон работает менее двух лет, с его помощью удалось получить много весьма важных научных результатов, например, открыто несколько новых типов элементарных частиц, так называемых тяжелых мезонов, и ряд других.
Недавно у нас в СССР закончена регулировка и пущен в строй са-
7 Путешестг ие внутрь атома
97
Рис. 81. Общий вид здания, в котором расположен синхрофазотрон Объединенного института ядерных исследований.
мый мощный в мире синхрофазотрон, который дает частицы с энергией в 10 миллиардов электроно-вольт.
В синхрофазатроне в отличие от циклотрона и фазотрона траектория ускоряющих частиц представляет собой не спираль, начинающуюся с центра магнита, а заполняет собой только узкое кольцо по периферии магнитных полюсов. Поэтому здесь средняя часть магнита становится ненужной. Это позволило применять не сплошные, а кольцевые магниты, что значительно уменьшило их вес.
Рис. 82. Общий вид синхрофазотрона
о8
Вот некоторые данные этого самого крупного в мире ускорителя. Электромагнит вместе с обмоткой весит 36 000 тонн, средний диаметр кольца магнита — 60 метров. Мощность электрических генераторов, питающих обмотки магнита, достигает 140 000 киловатт.
За время ускорения протона, до наибольшей..энергии протон успевает сделать 4,5 млн. оборотов и описывает путь в 900 000 километров, то есть более чем в два раза больше, чем расстояние от Земли до Луны.
Чтобы на своем пути протоны не теряли энергии при столкновении с молекулами воздуха, из ускорительной камеры должен быть откачан воздух до самой высокой степени. 56 насосов непрерывно откачивают из камеры воздух, поддерживая давление не более миллиардных долей атмосферы. Чтобы возможно было поддерживать в камере такой вакуум, стенки камеры сделаны двойными.
Этот ускоритель был создан под руководством профессоров В. И. Векслера, Д. В. Ефремова и А. Л. Минца.
на 10 млрд. эл.-вольт.
99
7*
Создание этого, не имеющего себе равных, синхрофазотрона потребовало от наших электротехников, радиотехников и машиностроителей решения ряда сложнейших проблем. Благодаря тесному содружеству огромного коллектива ученых, инженеров, техников, строителей и монтажников эти задачи были блестяще решены.
В настоящее время наши крупнейшие ускорители — фазотрон на 680 млн. электроно-вольт и синхрофазотрон на 10 млрд, электроно-вольт, как известно, переданы Правительством СССР в Объединенный институт ядерных проблем.
В самое последнее время развернулись работы по созданию еще билее мощных синхрофазотронов. Идея всех этих работ состоит в том, чтобы увеличить магнитные силы, «привязывающие» частицы к орбите. Этот метод получил название «жесткой фокусировки». Большую роль в развитии этого метода сыграли советские ученые Петухов, Рабинович и Коломенский.
У нас в стране ведется подготовка к созданию ускорителя с жесткой фокусировкой на энергию в 50—60 миллиардов электроно-вольт. Длина окружности, которую будут описывать ускоряемые частицы в этом ускорителе равна 1,5 километра.
О том, какое значение для науки имеют ускорители, можно судить, например, по тому открытию, которое было сделано в августе 1955 года.
Бомбардируя медную пластинку протонами, ускоренными в космотроне до колоссальной энергии в 6,2 миллиарда электроно-вольт, американские ученые Э. Серге, К. Виганд и О. Чемберлен обнаружили частицу, по массе в точности равную протону, но имеющую отрицательный заряд.
Частица эта была названа антипротон.
АНТИПРОТОН
Существование такой частицы было предсказано теоретически английским ученым Дираком еще в 1928 году. Однако, несмотря на тщательные поиски ее в течение 25 с лишним лет, на опыте обнаружить антипротон не удавалось.
Нам теперь ясно, почему до сих пор эти поиски были безуспешными: облучая вещество лучами с энергией не менее 1 миллиона электроно-вольт, можно получить пару частиц: электрон и позитрон; чтобы получить тяжелую пару—протон и антипротон, нужно вещество бомбардировать лучами с энергией примерно в 2000 раз большей (протон, как мы знаем, тяжелее электрона почти в 2 000 раз, значит, и энергия у него во столько же раз больше).
Итак, чтобы получить протон и антипротон, нужно бомбардировать вещество лучами с энергией не менее 2 миллиардов электроно-вольт. А частицы такой огромной энергии физики научились получать 100
совсем недавно,— когда был создан космотрон. В космических лучах, хотя и встречаются частицы таких больших энергий, но интенсивность этих лучей очень мала, и образование антипротонов под действием космических лучей происходит очень редко.
В пустоте антипротон может существовать сколько угодно долго, но если он столкнется с протоном,— то оба они исчезнут, превращаясь в несколько более мелких частиц, так называемых «мезонов», разлетающихся с огромной скоростью.
Вокруг этого открытия в США была поднята шумиха. Дело в том, что, возможно, в мире существуют и «антиатомы», у которых ядро
Рис. 84. Атом антиводорода.
Рис. 85. Атом антикислорода.
Протон	Антипротон
Рис. 83. Протон, соединяясь с антипротоном, превращается в несколько мезонов.
имеет отрицательный заряд, и вокруг него вращаются положительные электроны — позитроны. При столкновении таких антиатомов с обычными атомами должен был бы произойти огромный взрыв. На этом основании некоторые люди за рубежом высказывают гипотезу о том, что наша Солнечная система может исчезнуть в результате столкновения с другими системами, состоящими, как и весь остальной мир, кроме нашей Солнечной системы, из антиатомов.
Конечно, в условиях очень большого вакуума, возможно, удастся получить антиатомы от антиводорода до антименделеевия, но в обыч-
101
них условиях получить заметное количество антивещества невозможно. Поэтому гипотеза о возможности исчезновения нашего мира в результате столкновения с антивеществом лишена каких бы то ни было оснований.
Вот что по этому поводу пишет один французский популяризатор: «Разговоры о том, что можно произвести достаточно антипротонов, чтобы уничтожить весь земной шар, напоминают о южно-американской басне про чудовище, которое настолько алчно, что пожирает самое себя...
Если бы Земля встретилась с планетой, вещество которой состоит из антиатомов, наступил бы конец света... А если бы Луна была сделана из швейцарского сыра, то кратеры были бы дырками... Эти два утверждения имеют одинаковую научную ценность. Никогда еще не удавалось обнаружить антивещество в большом количестве; и, вероятно, тот факт, что ядра в нашей вселенной имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный, это не простая случайность, а основной космический закон...»
Что известно о свойствах антипротона?
В обычных условиях он недолговечен — время жизни антипротона равно 0,000001 секунды. Но в пустоте антипротон устойчив и не распадается сколько угодно долго. Открытие антипротона имеет большое значение для теории строения ядра и ядерных частиц.
Вот как оценивают крупнейшие ученые это открытие.
Известный советский физик-теоретик академик Л. Д. Ландау:
«Открытие антипротона... является новой вехой в интереснейшей и труднейшей проблеме современной физики — проблеме элементарных частиц».
Член корреспондент Академии наук СССР В. И. Векслер:
«Открытие антипротона раскрывает еще одну страницу в строении вещества. Это открытие является, вместе с тем, еще одной иллюстрацией безграничных возможностей человеческого мышления и практики, всё глубже проникающих в тайны природы».
В самое последнее время была открыта таким же методом еще одна предсказанная теорией Дирака частица — антинейтрон.
ВАЖНОЕ ОТКРЫТИЕ КИТАЙСКИХ УЧЕНЫХ
Благодаря применению современных мощных ускорителей совсем недавно было сделано еще одно крупное открытие.
Молодые китайские ученые Ли Чжен-дао и Ян Чжень-нин обнаружили, что открытые в 1949 году новые сверхтяжелые мезоны, так называемые К-мезоны, ведут себя очень странно. Дело в том, что по своим свойствам все частицы делятся на два класса: на четные и нечетные. Причем считалось, что закон сохранения четности является абсолютным законом природы.
Это значит, что при любых превращениях одних частиц в другие
102
«суммарная четность» всех частиц до реакции и -после нее должна сохраняться. Так, например, четная частица может превратиться в две (или четыре) нечетные, но никогда не может превратиться в три нечетные частицы.
Но вот опыты, проведенные на космотроне, несомненно доказали, что К-мезоны иногда распадаются на два пи-мезона (четные частицы), то есть ведут себя, как четная частица, а иногда превращаются в три нечетные частицы, то есть ведут себя, как нечетные частицы. Это необычное явление взволновало физиков во всем мире. Создалось какое-то катастрофическое положение. С одной стороны, многочисленные опыты с достоверностью показывают, что закон сохранения четности является незыблемым законом природы, с другой,— обнаружены факты, противоречащие этому. Требовалось срочно найти выход из сложившегося в физике тяжелого положения.
И этот выход был найден крупнейшим советским физиком-теоретиком академиком Л. Д. Ландау. Ландау'исходил из того, что в природе не может быть противоречий между фактами, что такие противоречия являются кажущимися и являются следствиями каких-то привычных, но не совсем верных предположений.
Основная мысль работы Л. Д. Ландау состоит в том, что пространство, в котором мы живем, не является полностью симметричным. В мире существует двойная, комбинированная симметрия—зеркальная и зарядовая.
В беседе, опубликованной в газете «Правда» в марте 1957 г., сам академик Ландау так наглядно объясняет смысл своей теории: «Когда мы смотрим в зеркало, то наше изображение нам кажется отличающимся от нас только заменой левой стороны на правую. В действительности же, если бы зеркальное изображение было реальным, то оно отличалось бы еще и тем, что оно состояло бы не из атомов, протонов, нейтронов и электронов, а из антиатомов, антипротонов, антинейтронов и позитронов».
Ряд приведенных на ускорителях опытов подтверждают эту теорию. Так, с помощью «ядерной артиллерии» наука получает возможность всё глубже познать природу.
Глава VI
АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ
ЭНЕРГИЯ, СОСРЕДОТОЧЕННАЯ В АТОМЕ
Мы уже знаем, что в технике для получения энергии пользуются главным образом теплотой, выделяющейся-при горении.
Горение... В далекие доисторические Бремена в жилище первобытного человека ярко расцвел самый прекрасный цветок, лучшее творение природы — огонь. С тех пор он:—ближайший спутник и друг человека.
103
Его воспевали поэты, о нем писали трактаты философы. Но в чем состоит сущность процесса горения? Это стало ясным совсем недавно, когда выяснилось строение атома.
Горение — это химическая реакция соединения какого-нибудь вещества с кислородом. Чтобы понять, что при этом происходит, рассмотрим простейшую химическую реакцию соединения.
Пусть два атома водорода в результате реакции соединились в одну молекулу.
Рис. 86. Молекула водорода.
Рис. 87. Схема образования молекулы углекислого газа из атомов углерода и кислорода.
В каждом из атомов водорода вокруг ядра существовала электронная оболочка, образованная вращающимся электроном. При соединении этих атомов образовалась довольно прочная система — молекула водорода. Эта система представляет собой два положительных заряда, вокруг которых существует также
f ион лития]	Сион фторя]
Рис. 88. Схема образования молекулы фтооистого лития.
104
единая электронная оболочка, образованная теперь уже двумя электронами.
Вообще, в результате химической реакции, будь то реакция соединения или разложения, происходит перестройка электронной оболочки. При этом с энергетической точки зрения могут быть два случая. Либо в результате реакции электроны оболочки сильнее притягиваются к положительным зарядам — система стала прочнее, потенциальная энергия уменьшилась; либо электрон оболочки связан в молекуле с положительными зарядами слабее, чем они притягивались к ядрам в отдельных атомах,— система стала менее прочной, более рыхлой, потенциальная энергия увеличилась. По закону сохранения энергии в первом случае реакция пойдет с выделением избытка энергии (обычно в виде тепла). Такая реакция называется экзотермической (экзо — означает наружу, термо — тепло). Во втором случае реакция может происходить только тогда, когда обоим атомам сообщают, придают добавочную энергию. Такая реакция называется эндотермической (эндо — внутрь). В первом случае два медленно движущихся атома, соединяясь, дают молекулу, двигающуюся быстрее. А это и значит, что в результате такой реакции повышается температура, то есть выделяется теплота.
Во втором случае два быстрых атома, соединяясь, дают медленную молекулу и при этом температура понижается.
Два медленных атома в последнем случае, очевидно, вовсе не могут соединяться в молекулу.
Теперь нам ясно, что химическая энергия — это потенциальная энергия электронной оболочки атома.
Горение как раз и представляет собой реакцию соединения, при которой образуется более прочная электронная оболочка, и поэтому выделяется энергия.
Примером выделения энергии при реакции разложения неустойчивых молекул на более устойчивые части является действие взрыв-
105
чатых веществ. При взрыве какого-нибудь взрывчатого вещества его сложные, малоустойчивые молекулы распадаются на более мелкие, более прочные молекулы, и в результате выделяется много энергии.
До самого последнего времени в технике в основном использовалась, да и сейчас используется энергия, выделяющаяся в результате перестройки электронных оболочек. Ядра атомов при этом остаются совершенно неизменными. Но ведь ядра являются главной частью атомов, масса ядер в несколько тысяч раз больше массы электронов, участвующих в химических реакциях. Исходя из известного уже нам закона взаимосвязи массы и энергии, мы можем ожидать, что, если бы удалось осуществить реакцию, в которой участвовали бы ядра, количество выделяющейся (или поглощающейся) энергии было бы во много раз больше, чем при химических реакциях. Более того, мы можем заранее предусмотреть, какого типа ядерные реакции будут экзотермическими, то есть будут идти с выделением энергии (а нас, естественно, только такие реакции интересуют).
Всякая ядерная реакция, при которой из менее прочных получаются более прочные ядра, будет идти с выделением энергии.
Для того чтобы вцбрать нужную ядерную реакцию, нужно прежде всего выяснить вопрос о прочности ядер.
Атомные ядра являются весьма прочными системами, их очень трудно разрушить. Однако, возникает вопрос, все ли типы ядер одинаково прочны? Если бы ответ был бы положительным, то ни при каких ядерных реакциях энергия не выделялась бы и не поглощалась. К счастью, это не так. Ядра атомов имеют различную прочность. Чтобы определить прочность атомных ядер вовсе не обязательно разбивать на опыте всевозможные типы ядер (скажем, бомбардируя их частицами с огромными энергиями).
Можно очень легко определить прочность ядра, зная их массу, пользуясь законом взаимосвязи массы и энергии.
Ученые, сделав соответствующие вычисления установили, что наиболее прочными ядрами в природе являются ядра атомов, занимающих среднее положение в таблице Менделеева. Самые легкие и самые тяжелые ядра являются менее прочными.
Причина такой зависимости прочности от числа частиц, образующих ядро, была выяснена рядом ученых и, в частности, известным советским физиком Я. И. Френкелем^
СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ В ЯДРЕ
Ядра состоят из протонов и нейтронов. Поскольку все протоны являются положительно заряженными частицами, то между ними как между одноименными зарядами, должны действовать силы отталкивания. Если бы между частицами в ядре не действовали никакие другие силы, то ядра не могли бы существовать как целое — протоны, входящие в них, отталкиваясь, разлетались бы во все стороны.
106
Но, как мы уже хорошо знаем, ядра существуют. Следовательно, на протоны действуют, помимо электрических, еще какие-то другие силы, и эти силы должны быть обязательно силами притяжения, величина которых больше сил отталкивания. Эти силы, действующие между частицами ядра, получили название ядерных сил. Эти силы особой природы, неизвестные ранее в науке. Теорию ядерных сил в значительной мере развили советские физики И. Е. Тамм и Д. Д. Иваненко. Эти силы связывают частицы, из которых построено ядро.
Рис. 89. Схема сил, действующих в ядре.
лионных долей миллиметра,
Исследования показали, что ядерные силы действуют в равной степени между двумя протонами, между двумя нейтронами и между протоном и нейтроном. Далее оказалось, что ядерные силы на очень малых расстояниях (порядка одной биллионной — миллионная миллионной доли—миллиметра) чрезвычайно велики. Они во много раз больше, чем силы отталкивания между протонами, находящимися на таком же расстоянии. Однако с увеличением расстояния между ядер-ными частицами до двух-трех бил-ядерные силы ослабевают настолько,
что практически их можно считать равными нулю.
Это характерное отличие ядерных сил — сил «короткодействующих». Электрические силы действуют между протонами, даже если расстояние между ними значительно превосходит размеры ядра, дей
ствуя между всеми заряженными частицами, находящимися в ядре.
По иному ведут себя ядерные силы. Так как они очень быстро убывают с увеличением расстояния, то их действие распространяется не на все частицы, находящиеся в ядре, а только на соседние. Если расположить в ряд, скажем, три частицы, то первая частица притягивает только вторую частицу, но на третью частицу уже не действует. Отсюда ясно, что каждая частица в ядре может притянуть к себе
197
столько частиц, сколько у нее возможно непосредственных «соседей».
Такое же положение имеет место у капелек обыкновенной жидкости — каждая молекула жидкости притягивает к себе соседние молекулы. Хорошо известно, что если никакие внешние силы не действуют, жидкость стремится принять форму шара (для больших количеств жидкости в обычных условиях этому мешают силы тяжести. Но если поместить, например, одну жидкость в другую жидкость с таким же удельным весом, первая «потеряет в ней вес», повиснет и моментально соберется в виде шара). Шарообразная форма является наиболее «выгодной» для молекул жидкости, ибо шар является фигурой, которая при данном объеме имеет наименьшую поверхность. Поэтому не окруженных полностью соседями поверхностных молекул будет в этом случае меньше. Таким образом, при наличии только молекулярных, краткодействующих сил жидкость благодаря подвижности частиц принимает наиболее прочную шарообразную форму капли.
Поскольку ядерные силы подобны молекулярным силам
Рис. 90. Капля жидкости принимает форму шара.
сцепле-
ния, ядерная «жидкость» должна обладать такими же свойствами, как и капельки обыкновенной жидкости. Поэтому атомные ядра тоже имеют шарообразную форму. Отличие состоит только в том, что ядерные
силы, действующие на ядерную частицу, примерно в миллион раз больше молекулярных сил, действующих на одну молекулу. При этом нуж
но еще иметь в виду, что линейные размеры ядерной частицы примерно в 100 000 раз меньше молекулы, то есть фактически ядерные силы в ты-
сячи миллиардов раз более мощны, чем молекулярные силы. Если бы листок бумаги состоял из ядерного ве-
щества, то для того, чтобы разорвать его, потребовалась бы сила почти тысячи паровозов!
Несмотря на это огромное количественное различие, можно ядро рассматривать как «каплю ядерной жидкости». На это впервые указал Я. И. Френкель, развивший так называемую «капельную модель атомного ядра».
Мы до сих пор не учитывали электрических сил отталкивания между протонами ядра. У малых ядер, которые содержат небольшое число протонов эти силы отталкивания совершенно ничтожны по сравнению с ядерными силами и их можно не учитывать. Но чем больше ядро, тем больше в нем прото-
108
bob, и силы отталкивания, следовательно, становятся всё более заметными. С увеличением числа частиц в ядре оно всё более приобретает вытянутую форму, так как одноименные заряды стремятся удалиться подальше друг от друга.
Изменение формы яд-, ра можно легко изобразить с помощью заряженной жидкой капельки <рис. 92).
Рис. 91. Если бы молекулы бумаги были связаны между собой ядерными силами, то для разрыва листка понадобились бы усилия многих паровозов.
Нейтральная капля имеет форму правильного шара. Если ей сообщить электрический заряд, то капля вытягивается и тем больше, чем больше ее наэлектризовали. При достаточной наэлектризованно-сти посредине капли возникает сужение, образуется «перешеек» или <перетяжка», которая становится всё уже и уже и, наконец, разрывается, так что из первоначальной капли образуются две меньшие.
Интересно отметить, что в то время, как наэлектризованные капли стремятся к дроблению, нейтральные незаряженные капли стремятся к укрупнению. Физики знают, что при сближении двух маленьких капелек они сливаются в одну большую каплю. Оно и понятно, в незаряженной капле действуют только молекулярные силы сцепления, стремящиеся сблизить частицы жидкости, а в наэлектризованной капле этим силам противодействуют силы отталкивания, стремящиеся удалить заряженные частицы жидкости друг от друга. Совершенно аналогичная картина наблюдается и в атомных ядрах, о чем расскажем подробнее дальше.
Теперь мы можем понять, почему прочность ядер зависит от числа частиц в ядре (массового числа). Рассмотрим какое-нибудь 6	д	легкое ядро, скажем
/*^**^*4	лития> состоящее из 6
f \	С Л С	j нуклонов (3 протона и
\	3 нейтрона).
Ни у одной из ча-._____-------- стиц в ядре лития нет
9	Z \ больше двух соседей,
{	то есть каждая части-
ца связана как бы
Рис. 92. Схема деления	капли, заряженной Двумя пружинками С
электричеством.	остальными частицами.
109
Рис. 93. Ядро тяжелого водорода.
Рис. 94. Ядро среднего атома.
Если же мы перейдем к более крупным ядрам; то число соседей у каждой частицы будет увеличиваться и для достаточно больших ядер (содержащих 80—100 частиц) почти у каждой частицы будет по 12 соседей (за исключением частиц, находящихся у поверхности ядра).
Из математики известно, что при самой плотной упаковке любой шар можно окружить 12 шарами такого же радиуса. У таких ядер каждая частица скреплена уже 12 пружинками. Понятно, что у больших ядер, коэффициент использования ядерных сил будет выше, чем у легких ядер, и поэтому средние ядра оказываются прочнее, чем легкие.
Дальнейшее увеличение числа частиц в ядре свыше 100 уже не может заметно увеличить коэффициент использования ядерных сил. Ведь и так каждая частица (за исключением небольшого числа тех, которые находятся на поверхности ядра) скреплена максимальным числом пружинок — 12. Поэтому, если бы не существовало в ядрах еще и электрических сил, прочность ядер при увеличении числа частиц сперва бы возрастала, а начиная с ядер с массовым числом при
мерно 100, оставалась бы почти одинаковой (рис. 95).
Однако в ядре, помимо ядерных сил притяжения, существуют электрические силы отталкивания, они отрицательно влияют на прочность ядра и тем сильнее, чем больше протонов (а значит, и нуклонов) в ядре.
График (рис. 96) показывает, как зависит от массового числа отрицательная прочность ядра вследствие электрических сил отталкивания (кривая лежит ниже горизонтали, что соответствует отрицательной прочности).
Поскольку в ядре действуют и те и другие силы, то истинная зави-
Млссобое число
Рис. 95. График зависимости прочности ядра от числа частиц, если бы в ядре действовали только ядерные силы.
Млссо&ое число
Рис. 96. График убывания прочности ядра с ростом чисда частиц, если бы в нем Действовали только электрические силы.
ПО
симость прочности ядра от массового числа получится наложением обоих графиков (рис. 97).
Прочность
Рис. 97. Теоретический график прочности ядер в зависимости от массового числа.
Ahccofco
* число
массовое число
Из него следует, что наиболее прочными являются ядра средней величины.
Рис. 98. Действительная зависимость прочности ядер от числа частиц.
Нужно сказать, что мы значительно упростили картину взаимодействия частиц в ядрах.
В действительности она значительно сложнее. Так, мы не касались
того, почему в ядрах чдсло протонов (приблизительно равно числу ней-
тронов.
ЧТО ТАКОЕ «МАГИЧЕСКИЕ» ЧИСЛА
Когда мы рассматривали, как устроена периодическая -система Менделеева, мы отмечали, что атомы химических элементов с определенным числом электронов обладают особой устойчивостью — это инертные газы. У них внешняя оболочка полностью заполнена электронами.
Оказывается, что аналогичное положение имеет место и в атомных ядрах.
До сих пор мы считали, что все частицы внутри ядра находятся в одинаковых условиях. Оказывается, однако, что нейтроны и протоны тоже образуют внутри ядра оболочки. При определенных числах протонов и нейтронов в ядре, так называемых «магических» числах, ядра оказываются особенно прочными.
Такими «магическими» числами являются 2, 8, 14, 20, 28, 50 и 82. Если ядро содержит «магическое» число протонов или нейтронов, то такое ядро оказывается значительно более прочным, чем соседние ядра.
Так, особенно устойчивы, например, ядра гелия (2 протона, 2 нейтрона), кислорода (8 протонов, 8 нейтронов), кремния (14 про
111
тонов, 14 нейтронов). Наличие «магических» чисел говорит о сложном строении ядер. Для выяснения принципов получения атомной энергии, однако, достаточно нашей упрощенной картины.
ПРОТОН ИМЕЕТ СЛОЖНОЕ СТРОЕНИЕ
Чтобы понять, каким образом осуществляется действие ядерных сил между нуклонами, нужно прежде всего выяснить, как устроены протоны и нейтроны.
Еще несколько лет тому назад считалось, что протон является мельчайшей и простейшей элементарной частицей вещества и поэтому бессмысленно говорить о структуре протона.
Недавно ученым удалось с помощью интересной идеи и тончайшей техники «заглянуть» не только внутрь ядра, но и внутрь протона. Конечно, когда мы говорим «заглянуть», то понимать это надо в переносном смысле. Ядра так ничтожно малы, что нет никакой надежды их увидеть. Тем не менее, удалось проникнуть внутрь ядер и многое о них узнать.
Как же это удалось сделать? Оказалось, что пройти насквозь ядра могут достаточно быстрые электроны. Некоторым это может показаться странным. Ведь из-за их легкости электроны давно были сброшены со счетов возможных ядерных процессов. Да, те сравнительно медленные электроны, которыми располагали ученые лет 20 назад, для этого не годились.
Самые быстрые электроны тогда были те, которые получаются при естественном радиоактивном бэта-распаде. Их энергия была не более 10 миллионов электроно-вольт.
С помощью же ускорителей получают электроны с энергией в миллиард электроно-вольт. А при таких фонтастически огромных энергиях ничто не может помешать электрону влететь внутрь ядра. Но может возникнуть вопрос, в чем преимущество электронов перед обычными ядерными «тяжелыми снарядами»— протонами или дейтонами.
В этом-то и суть: внутри ядра электронов нет и на них не действуют ядерные силы. Когда электрон пролетает мимо протонов и нейтронов, то на него действуют только электрические и магнитные силы, которые достаточно изучены в физике. Наблюдая отклонение электрона от первоначального пути вследствие прохождения через ядра атомов, мож1но уверенно рассчитать силы, испытываемые электроном, а отсюда судить о строении ядра.
Так, если ядро имеет очень малые размеры с четкими границами, то при бомбардировке его электронами рассеяние электронов будет иметь другой характер, чем если ядро является расплывчатым.
В результате таких ответов выяснилось, что «ядра атомов неоднородны по всему объему. В центре ядра расположена очень плотная сердцевина, вокруг которой находится разрежающаяся оболочка. Интересно, что у различных ядер толщина этой расплывчатой оболочки
112
одна и та же, в то время как размер плотной сердцевины увеличивается с увеличением массового числа. У легких ядер внутренняя сердце-вина вообще отсутствует и плотность ядра равномерно уменьшается от центра к краям.
Еще более интересны оказались результаты опытов по «просверливанию» электронным пучком протонов.
Оказывается, что протон представляет собой ничтожных размеров центр («керн»), вокруг которого существует облако «мезонов». Теория утверждает, что протон через определенные промежутки времени испускает мезон, который вращается вокруг него ничтожные доли секунды, а затем обратно поглощается протоном. Новейшая ядерная физика приходит к выводу, что процесс выбрасывания и поглощения мезона должен рассматриваться как постоянная и неотъемлемая деятельность протона и нейтрона (Р. Хофстадтер). Ученые предполагают, что внутриядерные силы возникают вследствие обмена мезонами между нуклонами (то есть протонами или нейтронами).
КАК МОЖНО ПОЛУЧИТЬ ЯДЕРНУЮ ЭНЕРГИЮ?
Зная, что не все ядра одинаково прочны, для получения ядерной энергии можно воспользоваться одним из двух следующих типов ядер-ных реакций: либо каким-нибудь образом разбивать тяжелые ядра с образованием двух средних, более прочных ядер (реакция разложения), либо осуществить реакцию соединения нескольких менее прочных легких ядер в одно среднее ядро (реакция соединения).
В настоящее время оба пути практически осуществлены: первый тип реакции — это ядерная реакция деления самых тяжелых в природе ядер — ядер урана, а второй тип — это так называемая термоядерная реакция — реакция соединения самых легких ядер — ядер водорода в ядра гелия.
Исторически раньше был осуществлен первый путь, поэтому мы с него и начнем рассмотрение методов получения ядерной энергии.
ЭНЕРГИЯ ДЕЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ ЯДЕР
Итак, для получения ядерной энергии можно воспользоваться делением тяжелых ядер на ядра средние по своему весу. Но как осуществить такую ядерную реакцию? Мы уже знаем, что единственным способом разбить атомное ядро является бомбардировка его |Какими-ни-будь частицами, обладающими большими скоростями.
Первая мысль, которая может прийти в голову, это использовать в качестве таких снарядов естественно-радиоактивные лучи, а именно поток альфа-частиц [бета-частицы, то есть электроны, как мы уже знаем, вследствие своей очень малой массы не годятся для бомбардировки ядер).
Оказывается, что таким путем идти для получения энергии нельзя.
8 Путешествие ^внутрь атома	НЗ
Рис. 99. Вследствие электрического отталкивания вероятность попадания положительной частицы в ядро очень мала.
Дело в том, что, естественно-радиоактивными частицами можно разбивать только легкие ядра. Для того чтобы разбить тяжелые ядра, нужно ядерные снаряды ускорить до огромных энергий, когда они в состоянии будут преодолеть отталкивание со стороны «мишеней», то есть бомбардируемых ядер. Поэто-
му нужно попытаться воспользоваться заряженными частицами (протонами или альфа-частицами), ускоренными до огромных скоростей в ускорителях. Но если даже
бомбардирующая частица и обладает достаточной энергией, чтобы преодолеть отталкивание обстреливаемого ядра,то тем не менее вероят-
ность попадания ее в ядро ничтожна: ведь размеры ядер очень малы по сравнению с атомами, и при малейшем отклонении от строго центрального направления такая частица отклонится в сторону. Кроме того, вследствие наличия у летящих частиц заряда и малой вероятности попадания их в ядро, они растрачивают при прохождении через веще
ство очень много энергии, то есть сильно замедляются прежде чем натолкнутся на атомное ядро. Если же в ядро попадает частица, у которой скорость ниже некоторого предела, то деления ядра уже не произойдет. Поэтому при использовании положительно заряженных ядерных «снарядов» только примерно одна на миллион бомбардирующих частиц вызывает деление бомбардируемого ядра. И хотя при этом делении выделится энергия во много раз больше, чем та, которой об-
ладает сама частица-снаряд, в целом из-за огромных потерь энергии, растраченной теми частицами, которые не вызвали деления, мы не только никакого выигрыша энергии не получим, а, наоборот, окажемся в большом проигрыше.
Значит, ни протон, ни электрон для «снарядов» при бомбардировке атомного ядра не пригодны. А есть ли всё-таки такой «снаряд», при помощи которого можнЪ разбивать атомные ядра с большой выгодой? Таким снарядом является нейтрон, лишенный электрического заряда.
ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ДЕЛЕНИЯ УРАНА
Как только был открыт нейтрон, молодой итальянский физик Энрико Ферми, работавший в Римском университете, решил подвергнуть бомбардировке нейтронами различные элементы периодической системы Менделеева. Оказалось, что обычно при такой бомбардировке ядра захватывают нейтроны, в результате чего получаются изотопы первоначальных атомов с массой на одну единицу больше. Эти новые ядра, как правило, являются неустойчивыми и излучают бета-частицы. Что
114
же случится,— подумал Ферми,— в том случае, если действию нейтрона подвергнуть уран? Ведь уран— 92-й, последний элемент в периодической системе Менделеева. Если бы в случае воздействия нейтронов на уран имел бы место только что описанный процесс, то в результате получился бы тяжелый изотоп |грана-239, который, выбросив бета-частицу (электрон), превратился бы в 93-й элемент, то есть элемент, который в природе не существует.
Это был столь заманчивый опыт, что Ферми решил его поставить, хотя и представлял себе всю сложность задачи. Ведь и 93-й элемент, вероятно, радиоактивный, неустойчивый, в противном случае мы нашли бы его среди устойчивых элементов. А в результате распада 93-го элемента, возможно, получается 94-й элемент?
Опыт, действительно, дал очень интересные результаты. Облучив
Рис. 100. Что получится, если облучить ядро урана-238 нейтронами?
(Идея опыта Ферми).
Э. Ферми (1901—1954) Известный итальянский физик-экспериментатор и теоретик. С 1928 года — профессор Римского университета. В 1938 году получил Нобелевскую премию за исследования свойств нейтронов.
В 1939 году в знак протеста против фашистских законов уехал из Италии в США, где до последних дней занимался вопросами получения атомной энергии. Первый в мире атомный котел был создан под руководством Ферми в 1942 году.
В его честь 100-й элемент в таблице Менделеева назван фермий.
уран нейтронами, Ферми обнаружил, что у урана появилось радиоактивное излучение, до того не наблюдавшееся. Это излучение состояло из бета-лучей четырех сортов, излучаемых по-видимому четырьмя различными типами атомов. Сперва Ферми подумал, что такими радиоактивными элементами, излучающими эти бета-лучи, являются какие-то неизвестные изотопы тяжелых элементов. Однако к концу 1935 года тщательные химические исследования показали, что элементы, излучающие бета-лучи, не могут быть изотопами ни одного элемента от
115
ртути до урана. Пришлось допустить, что в результате облучения урана нейтронами образуются новые элементы с порядковым номером больше 92. Их назвали трансурановыми (то есть «заурановыми» элементами, располагающимися в таблице Менделеева за ураном). Подробным изучением трансурановых элементов занялись немецкие ученые Ган, Лиза Майтнер и Штрассмац. Ими была выдвинута гипотеза, что в результате облучения урана нейтронами получаются три радиоактивных
изотопа урана, которые, распадаясь, превращаются в трансурановые
элементы. Однако эта гипотеза не могла объяснить некоторые особенности.
За решение этой проблемы взялись Ирен Кюри и югославский физик Савич. В 1938 году они вплотную подошли к правильному решению, но, к сожалению, не смогли сделать верных выводов из своего открытия. Тогда Ган и Штрас-сман повторили опыты Кюри и Савича. Исследуя вопрос о том, какие элементы излучают бета-лучи, Ган и Штрассман заметили, что один из них подобен по химическим свойствам радию и представляет собой какой-то изотоп радия.
Чтобы отделить ничтожно малые количества этого «радия» от урана, они поступили так: подвергнутый облучению нейтронами уран растворили и затем добавляли элемент барий (барий по своим свойствам аналогичен радию — они стоят в одном столбце в периодической системе). Барий добавлялся в качестве «носителя», выпадая
116
в осадок, он с собой уносит и химически родственный радий (сам раздай не выпал бы в осадок вследствие мизерных количеств его в растворе). Но когда они затем попытались отделить «радий» от бария, то никаким образом этого сделать им не удалось. Отсюда неизбежно вытекал вывод, что в действительности «радий» представляет собой барий. Это был поразительный итог: в результате соединения нейтрона с атомом урана получается новое ядро, от которого отщепляется ядро бария. То есть после облучения
Рис. 101. Нейтрон, попадая в ядро урана, разбивает его на две части.
урана получаются не какие-то неведомые трансурановые, а давно известные атомы бария.
Итак, облучая уран нейтронами, получаются атомы элемента. занимающего среднюю часть таблицы Менделеева.
Чтобы объяснить, как из урана образуется барий, Лиза Майтнер выдвинула предположение, что при попадании в ядро урана нейтрона образуется воз
бужденное ядро, которое распадается на два более мелких ядра. Найденный Ганом и Штрассманом барий и является одним из осколков урана.
Сообщение Гана и Штрассмана вызвало огромный интерес среди специалистов-физиков. Ученые повторили их опыты и подтвердили правильность результатов. Член-корреспондент Академии наук СССР Я. И. Френкель выдвинул теорию деления ядер, позднее развитую Н. Бором. Большую работу по выяснению химической природы осколков провел в Ленинградском
радиевом институте академик В. Г. Хлопин со своими учениками.
Разберем теперь подробнее вопрос о том, почему открытие Гана и Штрассмана вызвало такой огромный интерес.
Мы уже знаем, что при делении тяжелых ядер на ядра средней величины, должно выделиться колоссальное количество энергии.
Оно и понятно: в результате деления тяжелого ядра образуются два меньших ядра, то есть два положительных заряда, находящихся вначале
Рис. 102. Более подробная схема деления ядра урана. Показано, что при таком делении выделяется 200 млн. эл.-вольт
энергии.
117
на ничтожно малом расстоянии друг от друга. Между такими зарядами возникает большая сила отталкивания, поэтому осколки ядра урана разлетаются с большой скоростью. Встречая на своем пути атомы и молекулы вещества, эти осколки передают им большую часть своей кинетической энергии. Вследствие этого молекулы начинают двигаться быстрее, то есть повышается температура тела. Таким образом, в конечном итоге ядерная энергия превращается в тепловую энергию.
Когда самые различные опыты, проведенные учеными, определенно подтвердили, что при попадании в ядро урана нейтрона происходит деление ядра, возникла задача объяснить причины и сам процесс этого деления, а также исследовать его результаты. Необходимо было ответить на ряд важных вопросов. Например, могут ли делиться, помимо урана, и другие элементы? Какой изотоп урана (природный уран представляет собой смесь трех изотопов: уран-238, уран-235, уран-234) играет главную роль в этом процессе? Освобождаются ли в процессе деления новые нейтроны? И если освобождаются, то почему не происходит следующего деления под действием вылетевшего нейтрона? Конечно, то обстоятельство, что уран находится в Земле в больших количествах в течение многих лет не взрываясь, указывает на то, что такого непрерывного деления урана не происходит, что какие-то причины препятствуют этой реакции. Наконец, нельзя ли использовать реакцию деления урана для практического получения внутриатомной энергии?
В течение последующих лет наука сумела ответить на эти вопросы.
Мы уже знаем, что ленинградский профессор Яков Ильич Френкель для объяснения процесса деления ядер предложил интересную идею: ядро ведет себя подобно капле воды. Приведя в колебание или заряжая каплю воды, ее можно разорвать на две меньшие капли. Точно так же и ядро можно разбить на два меньших ядра. Внутри ядра, как мы хорошо знаем, действуют две противоположные системы сил: ядер-ные силы притяжения и электрические силы отталкивания. У тяжелых ядер вследствие большого числа протонов электрические силы отталкивания стремятся нарушить сферическую форму и разорвать ядро. Однако электрические силы даже у самых тяжелых ядер, встречающихся в природе, всё же меньше, чем ядерные, так что сами разорвать ядро они не могут. Но если в тяжелое, малоустойчивое ядро влетит нейтрон, то он вызовет деформацию капли ядра — оно принимает сильно вытянутую форму. Одноименные заряды, накопившиеся при этом на вытянутых концах капли, стремятся из-за отталкивания еще сильнее вытянуть ядро. У ядра образуется перетяжка и, наконец, ядро распадается на две части, бы'стро разлетающиеся в противоположные стороны.
Легко также понять, что не все изотопы урана в равной степени способны расщепляться нейтронами. Так, если сравнить два главных изотопа уран-238 и уран-235, то, хотя у них равное число протонов, ядро урана-235 легче распадается, ибо в нем меньше нейтронов, играющих как бы роль цементирующего материала в ядре. Поэтому в то 418
I
Рис. 104. Шаровидная капля жидкости под действием механического воздействия приходит в колебательное движение. Размах колебаний может быть настолько сильным, что капля разрывается на две меньшие капли.
Рис. 103. Заряженная шаровидная капля из-за ческого отталкивания на две.
электри-делится
32 р
142 П
реакции
Пербичныи нейтрон
Рис. 105. Схема ядерной деления урана.
а 5б[звл
3 излученных нейтрона
119
время, как ядра урана-238 могут делиться только при попадании в них очень быстрых нейтронов, уран-235 делится под действием как быстрых, так и медленных нейтронов.
Более того, в 1940 году молодые советские ученые Флеров и Петр-жак обнаружили, что ядра урана-235 иногда, правда очень редко, сами по себе распадаются на две половинки, если даже нейтрон в такое ядро не попал.
ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ
Следующим важным вопросом для физики явился такой: сопровождается ли деление урана возникновением вторичных нейтронов? Мы знаем, что с увеличением ядра увеличивается относительное количество нейтронов. В самом деле, у легких ядер числа протонов и нейтронов равны, то есть на каждый протон приходится один нейтрон, у ядер средней массы — 1,3 нейтрона на один протон, а в ядрах урана — на один протон приходится в среднем 1,6 нейтрона. Ясно, что при делении урана на меньшие ядра в них должен быть избыток нейтронов. Такое неравновесное состояние ядра может легко перейти в устойчивое, если из ядра будут выброшены бета-частицы, которые образуются внутри ядра при превращении нейтронов в протоны. Но, может быть, один или несколько лишних нейтронов попросту вылетят из возбужденного ядра? Наличие таких вторичных нейтронов явилось бы необходимым условием для того, чтобы могла осуществиться непрерывная (цепная) реакция деле
ния ядер.
Поэтому-то многие ученые и
Рис. 106. Простейшая схема цепной реакции.
занялись решением этого вопроса. Наибольших успехов добились работав-щие независимо друг от друга Жо-лио-Кюри и Ферми. Оказалось, что, действительно, деление ядер урана сопровождается возникновением вторичных нейтронов. В среднем при каждом делении ядра вылетают два-три нейтрона.
Полученный результат имел первостепенное значение. Это значило, что возможна нарастающая цепная реакция. Задача получения ядерной энергии была в принципе решена.
Как мы поступаем, когда разжигаем печь углем?
При трении спичечной головки о коробок выделяется теплота, достаточная, чтобы спичка воспламенилась. Горящая спичка выделяет значительно больше теплоты и от нее может
120
загореться бумага, от бумаги — щепки, затем дрова и только после этого загорится уголь. Характерным здесь является нарастание количества выделяющегося тепла — это пример нарастающей цепной реакции.
Пусть при делении ядра в результате попадания в него одного нейтрона образуется два новых нейтрона. Предположим, что каждый из этих вторичных нейтронов
Рис. 107. При попадании в ядро урана одного нейтрона образуется три новых нейтрона.
будь ядра урана и в свою очередь вызовет деление. Тогда будет разрушено уже не одно ядро, а два, и в результате из двух ядер вылетят по два, а всего четыре нейтрона. Эти нейтроны, в свою очередь, вызовут деление четырех ядер урана с образованием восьми вторичных нейтронов, последние вызовут 8 делений ядер, причем возникает 16 вторичных нейтронов и т. д. То есть число нейтронов и число делящихся ядер будет быстро возрастать. Это и будет цепная реакция при делении урана.
Если вы, дорогой читатель, усвоили то, о чем мы здесь рассказали, у вас, наверное, возникает следующий вопрос: почему же нет цепной реакции деления природного урана, который в больших количествах
12Ь
Я. И. Френкель. (1894—1952)
Известный советский физик-теоретик. Внес большой вклад в теорию жидких и твердых тел, в теорию магнетизма и физику атомного ядра.
содержится внутри Земли? Ведь всегда имеются в уране нейтроны за счет самопроизвольного деления урана-235, открытого Флеровым и Петржаком. А, кроме того, нейтроны имеются и в космических лучах, непрерывно падающих на Землю из далеких космических пространств.
Дело в том, что мы рассмотрели весьма упрощенно картину деления урана. В действительности такому нарастанию цепной реакции в природном уране препятствует ряд обстоятельств.
Во-первых, в природном уране содержится только 0,7% урана-235, который делится при попадании в него любого нейтрона. Основная же масса природного урана — это уран-238, который делится только под действием быстрых нейтронов. Если в уран-238 попадает нейтрон с энергией меньше 1 миллиона электроно-вольт, то деление ядра урана не произойдет. В этом случае нейтрон поглотится ядром урана-238 и перестанет играть какую-либо роль в развитии цепной реакции.
Особенно сильно поглощает уран-238 нейтроны, обладающие определенной энергией, а именно, около 7 электроно-вольт. Иначе говоря, у нейтронов как бы существует «опасная зона скоростей». Как только скорость нейтрона станет близкой к этой «опасной» скорости, нейтрон почти наверняка поглотится ураном-238 (так называемый «резонансный захват»).
Рис. 108. Схема цепной реакции деления урана.
122
Во-вторых, мы считали, что всякий возникающий нейтрон обязательно попадает в какое-нибудь ядро урана, но так как кусок урана имеет ограниченные размеры, то часть нейтронов обязательно вылетит наружу, не встретив на своем пути ни одного ядра урана. Вероятность встречи нейтрона с ядром урана тем больше, чем меньше скорость нейтрона и чем больше размер куска урана.
В-третьих, в уране всегда имеются различные примеси, которые могут поглощать нейтроны, что также уменьшит число нейтронов, поддерживающих деление урана.
Чтобы цепная реакция действительно могла идти, нужно устранить или уменьшить действие указанных препятствий.
ПОЛУЧЕНИЕ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ
Как же практически из урана получают ядерную или, как ее принято называть, атомную энергию? В настоящее время известно, что не
Рис. 109. Схема получения ядерного горючего—плутония из нерасщепляющегося урана-238.
ЗЛ6КТР0Н- Q
электронно)
ТОРИИ
протактинии
УРОН
Рис. 110. Аналогичная схема получения ядерного горючего — урана-233 из тория.
123
блуждающий нейтрон
Осколок после деления
\\Z35
еип^он
| Замедлитель ""|
Осколок после деления
только в уране-235, но и в плутонии-239 (химический элемент 94) и в уране-233, получаемых искусственно, возможно осуществить цепную реакцию.
Но для этого мало иметь один из этих видов ядерного горючего,, нужно еще устранить те три препятствия, мешающие нарастанию цепной реакции, о которых говорилось выше.
КАК УСТРАНИТЬ ПОГЛОЩЕНИЕ НЕЙТРОНОВ ТЯЖЕЛЫМ УРАНОМ?
Чтобы устранить первое препятствие, то есть поглощение нейтронов ураном-238, можно энергетическую установку целиком основать на-легком уране-235^ отделив его от урана-238. Так, например, поступили американцы при изготовлении ими первых атомных бомб.
Однако поскольку урана-235 в природном уране очень мало и к тому же разделить-изотопы технически весьма сложно, то в установках для получения атомной энергии в-мирных целях поступают иначе. При делении урана, вылетающие быстрые нейтроны превращаются в медленные. Этим «убивают сразу двух зайцев».
Во-первых, медленные нейтроны значительно лучше делят уран-235, чем быстрые (правда, медленные нейтроны не делят уран-238, но выигрыш оказывается намного больше^ проигрыша), и, во-вторых, при быстром торможении нейтронов вероятность попадания в область резонансного захвата значительно меньше. Для быстрого торможения нейтронов к урану добавляют какое-нибудь легкое вещество (не поглощающее нейтронов), так называемый «замедлитель».
Рассмотрим теперь вопрос о том, какие вещества и при каких условиях могут явиться замедлителем нейтронов, благодаря которому/ не требуется отделять изотопы природного урана друг от друга.
124
W238
Превращается В плутоний
I	*
Медленные \ нейтроны Могут быть утеряны
\\235
Осколок после f Замедлитель | Осколок после деления	Н——jr—Г*	деления
Рис. 111. Цепная реакция деления урана при наличии замедлителя.
ПОЧЕМУ ЗАМЕДЛИТЕЛЕМ ДОЛЖНО БЫТЬ ЛЕГКОЕ ВЕЩЕСТВО?
В качестве замедлителя следует брать легкие вещества по следующей причине. При столкновении нейтрона с ядром не всегда нейтрон поглощается. Обычно прежде чем поглотиться ядром. нейтрон испытывает несколько столкновений с ядрами. При таком столкновении нейтрон отдает часть своей кинетической энергии ядру, с которым столкнулся. Энергия же (и скорость) нейтрона при этом уменьшается.
Физика доказывает, что если движущийся шар сталкивается с покоящимся шаром значительно больших размеров, то движущийся шар теряет мало энергии и отскакивает от второго почти с первоначальной скоростью. Точно также мало энергии теряет движущийся шар, если он сталкивается с шаром значительно меньших размеров. В этом случае движущийся шар полностью отбрасывает маленький шар. Больше всего энергии теряет движущийся шар при столкновении с шаром равной массы. При подходящем ударе движущийся шар может полностью затормозиться, а неподвижный начнет двигаться со скоростью первого шара. Чем ближе, поэтому, масса ядра к массе нейтрона, тем сильнее будет тормозиться нейтрон. Но масса нейтрона равна массе самого
125
дые водородосодержащие вещества можно применять в качестве за-
медлителя, но и они для этого (протоны) хорошо соединяются с нейтронами, превращаясь в дейтоны (ядра тяжелого водорода).
Поэтому в качестве замедлителя приходится брать другие вещества, которые хотя и значительно тяжелее и, следовательно, хуже замедляют нейтроны, но зато не страдают теми недостатками, что водород. Так, следующим после водорода ядром является дейтон с массовым числом 2. Он почти совершенно не Поглощает нейтроны. В обычном виде тяжелый водород (дейте-
легкого ядра водорода — протона. Поэтому водородосодержащие вещества и могут применяться в качестве замедлителя.
Если бы замедлитель должен был удовлетворять только тому условию, чтобы он представлял как можно более легкое вещество, то, конечно, водород был бы идеальным замедлителем. Однако замедлитель должен обладать еще и другими важными свойствами: он не должен поглощать нейтроны, стоимость его должна быть низкой (ведь в котлах обычно содержится несколько тонн замедлителя), плотность его должна быть как можно больше, чтобы у нейтрона вероятность столкновения с атомом замедлителя была не очень мала, чтобы он не вступал в химические реакции с ураном и другими веществами в котле и др.
Обычный водород в качестве замедлителя не годится, так как он является газом и плотность его очень мала. Жидкие же или твер-
очень хороши, ибо ядра водорода
126
рий) тоже газ, поэтому в качестве замедлителя применяется тяжелая вода (молекула тяжелой воды содержит один атом кислорода и два атома дейтерия). Тяжелая вода прекрасный замедлитель, но она весьма дорога и ее трудно получить.
Тяжелую воду впервые получили англичане Льюис и Макдональд в 1933 году. Удельный вес ее равен 1,1, то есть больше обычной воды. Кипит тяжелая вода при 101,4°С, замерзает при 3,8°С. В молекулу тяжелой воды вместо двух атомов водорода входит два атома дейтерия (тяжелого водорода), поэтому молекулярный вес у тяжелой воды равен 20 (у обычной воды он равен 18).
Тяжелая вода ядовита, рыбы и растения в ней гибнут. Физические свойства тяжелой воды (такие, как коэффициент преломления света, .скорость звука в ней и т. п.) весьма отличаются от обычной воды.
Впервые в больших масштабах производить тяжелую воду начали немцы.
На территории Германии велись работы по получению атомной энергии. Одновременно с этим, летом 1940 года, после захвата Норвегии гитлеровцами, на гидроэлектростанции в Рюконе, где норвежцы получали тяжелую воду, немцы организовали крупное производство тяжелой воды. Помимо тяжелой воды, немцы изготовили в Норвегии большое количество парафина с тяжелым водородом — дейтерием.
У американцев и англичан не было тяжелой воды, и они не могли организовать производство ее в необходимых масштабах. Англичане опасались, что немцам первым удастся получить атомную бомбу, поэтому они подвергали жесточайшей бомбардировке места предполагаемых атомных установок в Германии. В то же время на протяжении почти трех лет английские разведчики делали неоднократные попытки взорвать и, наконец, взорвали завод тяжелой воды в Норвегии.
В феврале 1943 года у немцев не осталось ни завода, ни запасов тяжелой воды. К началу 1944 года завод был восстановлен, но два месяца спустя он был снова разрушен английскими бомбардировщиками. Однако к апрелю 1944 года немцы опять располагали 12 ^тоннами тяжелой воды.
В большом секрете, под усиленной охраной этот драгоценный груз был отправлен из Норвегии в Австрию. Во время переправы через озеро груз был потоплен. Английские парашютисты-водолазы сумели прикрепить мощный заряд тола с часовым механизмом к килю парома. В несколько мгновений не стало ни парома, ни охраны, ни тяжелой воды.
127
Тяжелая вода содержится в обычной морской воде в 1ничтожных количествах: в 10 литрах воды содержится 2 грамма тяжелой воды.
Выделить тяжелую воду можно разными способами, например электролизом: в этом случае легкий водород выделяется на отрицательном полюсе скорее, чем тяжелый. Таким образом, в результате электролиза вода обогащается дейтерием. Повторяя эту операцию, получают всё более «тяжелую» воду. Из-за столь сложного процесса тяжелая вода весьма дорога: литр тяжелой воды стоит около 1 000 долларов.
Следующий элемент—гелий—не может применяться как замедлитель, ибо он газ. В качестве замедлителя применяют элемент бериллий, он весьма дорог. Очень часто применяют в качестве замедлителя чистый углерод, хотя его ядра в 12 раз тяжелее нейтронов и, следовательно, замедляет он их значительно хуже дейтонов, но зато он легкодоступен и не дорог.
КАК УМЕНЬШИТЬ ЧИСЛО НЕЙТРОНОВ, ВЫЛЕТАЮЩИХ ИЗ УРАНА?
Полностью устранить второе препятствие, то есть помешать бесполезному вылету нейтронов из урана в пространство, конечно, нельзя.
Но чем больше будет размером кусок урана, внутри которого происходит деление ядер нейтронами, тем больше возможности каждому нейтрону встретить на своем пути ядра урана. Поэтому для того, чтобы цепная реакция могла развиваться, необходимо взять достаточно большой кусок урана (больше некоторого «критического» размера). Критический размер, или, как обычно говорят, критическая масса, зависит от состава урана, от его геометрической формы и от других обстоятельств. Так, критическая масса может быть значительно уменьшена,
Рис. 112. Зависимость хода цепной реакции от размеров куска урана. Критическую массу можно уменьшить, окружив уран отражателем.
если уран окружить веществом, отражающим вылетающие нейтроны и возвращающим их обратно внутрь урана.
Так как даже ничтожно малые количества некоторых веществ могут сильно поглощать нейтроны, то не только уран, но и все материалы, соприкасающиеся с ураном (например, поглотитель), подвергаются самой тщательной химической очистке. Такая очистка урана производится периодически и во время работы установки, так как накапливающиеся в результате деления осколки ядер тоже спо-
128
собны поглощать нейтроны. Только обеспечив такие условия, при которых в среднем в результате каждого деления вылетает больше одного нейтрона (в этом случае говорят, что «коэффициент размножения нейтронов больше единицы») можно создать нарастающую цепную реакцию.
АТОМНЫЙ КОТЕЛ
Установку, в которой осуществляется цепная ядерная реакция, называют атомным котлом, или ядерным реактором. Существует множество различных типов реакторов. Атомный котел обычно представляет собой большой сосуд, или вернее сооружение, внутри которого находится уран и замедлитель.
Прежде всего отметим, что если количество урана в котле мало (то есть объем, занимаемый ураном мал), то цепная реакция не сможет идти, ибо большая часть нейтронов будет вылетать из котла наружу, не производя никакого деления ядер урана. Ясно, что при увеличении количества урана, а значит, при увеличении размеров котла относительная доля уходящих нейтронов будет уменьшаться. При некотором размере цепная реакция становится возможной и котел может быть пущен в ход.
Однако если не принять никаких мер, то в таком котле будет про-
исходить непрерывное нарастание делящихся ядер. При этом непрерывно будет возрастать количество выделяющейся энергии (тепла). В конце концов произойдет взрыв. На этом принципе построены атомные бомбы. Такая неконтролируемая цепная реакция может быть использована и в мирных целях, скажем, для производства гигантских взрывных работ и т. п.
Обычно же нам нужно получать ядерную энергию в течение длительного времени сравнительно малыми количествами (малыми по сравнению с той энергией, которая выделяется при
Рис. 113. Схема устройства атомного котла Жолио-Кюри.
5 Путешествие внутрь атома
129
Рис. 114. Схема работы атомного котла типа «водяной кипятильник».
Рис. 115. Гомогенный реактор на медленных нейтронах (схема).
атомном взрыве). Для этого нужно иметь возможность регулировать интенсивность ядерной реакции. Это достигается тем, что регулируют число действующих нейтронов. Для этого в котел погружают вещество, сильно поглощающее нейтроны — так называемый «поглотитель» (в качестве поглотителя обычно применяют стержень из-металла кадмия или особой бористой стали). Чем глубже погружены регулирующие стержни в котел, тем больше они поглотят нейтронов и тем меньше будет интенсивность реакции. Наоборот, извлекая стержни из котла, можно увеличить число нейтронов в котле, и реакция пойдет сильнее.
Управление регулирующими стержнями производится автоматически. Дело в том, что при работе котла из него исходит большое количество радиоактивных лучей и нейтронов. Все эти лучи обладают большой проникающей способностью. Поэтому каждый атомный котел должен быть окружен защитной стеной, хорошо поглощающей все эти лучи. В качестве защиты применяют чаще всего толстые бетонные стены в сочетании со свинцовыми и кадмиевыми плитами.
130
Во время работы котла в нем выделяются огромные количества тепла, которое и используют для технических надобностей.
Для этого через котел пропускают по трубам специальное вещество, называемое «теплоносителем». Проходя через горячий котел, теплоноситель нагревается и поступает затем в теплообменник, где отдает это тепло, скажем, воде, превращающейся при этом в пар. Пар поступает на лопатки паровой турбины,
Рис. 116. Гетерогенный реактор — расплавленное ядерное горючее проходит через каналы твердого
которая может совершать	замедлителя.
какую-либо работу. В ка-
честве теплоносителя надо применять вещества, имеющие большую теплоемкость, не поглощающие нейтроны и не разъедающие металлы в котле. Такими свойствами обладают тяжелая вода, газ гелий, неко
торые расплавленные металлы (натрий, калий).
На помещенных здесь рисунках показаны схемы и внешний вид некоторых типов действующих атомных котлов.
Как же работает атомный котел? Вылетевший из ядра урана-235 нейтрон, сталкиваясь с яд-
рами атомов замедлителя, скажем графита, замедляется. Надо сказать, что графит почти не поглощает нейтроны. Графитовые слои, ограничивающие котел, играют поэтому роль отражателей— после многократных столкновений с графитом часть нейтронов возвращается в центр котла и рано или поздно встречается там с ядрами атомов урана.
Столкновение нейтронов с ядрами урана-235 приводит к развитию цепной реакции, встреча с ядрами урана-238 в большинстве случаев выводит нейтроны
Рис. 117. Схема процессов, происходящих в атомном котле, ломаными линиями показано движение нейтронов.
9*
131
р.... 118 Общий вид английского ядерного реактора на н	4 000 квт.
Рис. 119. Внешний вид реактора с тяжелой водой.
из реакции, но вызывает превращение атомов урана-238 в плутоний-239, являющийся прекрасным ядерным горючим.
Реактор рассчитан так, чтобы при известном расположении кадмиевых стержней коэффициент размножения нейтронов был бы несколько больше единицы. После того, как желательная мощность цепной реакции деления урана достигнута, автоматически вдвигают в реактор кадмиевый стержень с таким расчетом, чтобы коэффициент размножения стал в точности равным единице. Теперь котел будет работать при постоянной мощности до тех пор, пока заметно не уменьшится число ядер атомов урана-235. Следует иметь в виду, что израсходование урана-235 идет очень медленно, ввиду огромного количества энергии, выделяющейся на одно деление.
Вот некоторые данные, приведенные профессором Китайгородским, характеризующие один из опытных реакторов, работающих на тяжелой воде: 6,5 тонны тяжелой воды находятся в алюминиевой ванне высотой около 3 метров и диаметром около 2 метров. , В эту ванну может быть опущена «щетка» из ура-
Рис. 120. Внешний вид реактора «Зоэ>.
Рис. 121, 122. Активная зона атомного котла с урановыми стержнями и графитовым замедлителем.
133
новых стержней, завернутых в алюминиевую фольгу для предохранения от коррозии. В этом котле было 120 стержней из металлического урана длиной около 2 метров и диаметром около 3 сантиметров. Полный вес урана равнялся 3 тоннам.
Защита этого реактора состоит из слоя графита толщиной в 60 сантиметров, слоя из свинцово-кадмиевого сплава толщиной 10 сантиметров, и слоя бетона толщиной в 2,5 метра. Этот котел работал при мощности в 300 киловатт. Тяжелая вода играет в этом котле одновременно и роль теплоносителя — она отводит тепло охладителю. Для этой цели она непрерывно циркулирует между котлом и охладителем.
Управление котлом осуществляется кадмиевыми стержнями. Безопасность котла обеспечивается запасными «стоящими наготове» стержнями, а также возможностью выпуска из системы тяжелой воды.
Так как описанный котел работает с природным ураном, то в нем, наряду с выделением энергии, происходит образование плутония-239.
А вот описание меньшего по размеру котла этого же типа, но развивающего мощность в 1 000 киловатт и использующего чистое ядерное горючее — уран-235. Критическая масса урана-235, необходимая для работы котла, лишь незначительно превосходит 1 килограмм. Однако тяжелой воды требуется всё же около 7 тонн. Горючее размещается в виде небольших стерженьков в 75 граммов каждый. Смена горючего в таком котле производится один раз в шесть месяцев.
Итак, критическая масса чистого ядерного топлива очень невелика и большой размер котла продиктован лишь необходимостью иметь значительное количество замедлителя (тяжелой воды).
Для того чтобы уменьшить размеры котла, можно попытаться использовать в качестве замедлителя обычную «легкую» воду. Преиму
134
щество легкой воды как замедлителя по сравнению с тяжелой водой состоит в том, что она лучше замедляет нейтроны. Ведь легкая вода содержит атомы легкого водорода, ядра которых — протоны — равны по массе нейтронам. А в молекулы тяжелой воды входят атомы тяжелого водорода — дейтерия. А ядра дейтерия — дейтоны — состоят из двух частиц: протона и нейтрона; поэтому масса дейтона вдвое больше массы нейтрона.
Следовательно, замедлять скорость сталкивающихся с ними нейтронов дейтоны будут хуже, чем протоны. Однако легкая вода поглощает нейтроны. Тем не менее оказывается, что котел с мощностью порядка 1000 киловатт можно создать на 1,5 килограмма урана-235 и 50 литров обычной воды.
Известна еще одна своеобразная конструкция ядерного реактора, основанная на использовании растворов урановых солей в замедлителе. Этот реактор обладает следующей интересной особенностью: его можно сконструировать таким образом, чтобы он поддерживал цепную реакцию на нужном уровне без помощи контрольных поглощающих стержней. Это связано с тем, что коэффициент размножения нейтронов исключительно чувствителен к концентрации ядерного горючего.
Рис. 123. Макет реактора на тяжелой воде. (Всесоюзная промышленная выставка).
135
Рис. 124, Макет опытного реактора для исследовательских целей (Всесоюзная промышленная выставка).
Рис. 125. Саморегулирующийся реактор с жидким ядерным горючим.
Если почему-либо реакция деления в котле развилась слишком бурно, температура в котле повысится. Но при повышении температуры раствор урана, вследствие теплового расширения, будет увеличивать свой объем, концентрация урана в растворе упадет и цепная реакция прекратится. Температура в растворе начнет понижаться, а объем раствора уменьшаться. Когда температура достигнет нормального значения, концентрация урана в растворе как раз станет равна критической и цепная реакция вновь будет идти.
Наоборот, если в котле под действием каких-нибудь случайных причин интенсивность цепной реакции станет убывать, то понижение температуры вызовет увеличение концентрации урана и приведет, следовательно, к нарастанию цепной реакции до нормальной величины.
136
РАЗМНОЖИТЕЛЬНЫЕ КОТЛЫ
Среди многих типов атомных котлов особую роль играют так называемые «размножительные» (или как их называют за рубежом — ♦бридерные») котлы.
Если котел работает на природном уране, то, как мы знаем, помимо реакции деления урана-235, одновременно происходит образование из урана-238 искусственного ядерного горючего — плутония. Однако в обычных условиях количество образующегося плутония мало, ибо в котле много замедлителя, и нейтроны в основном движутся с небольшой скоростью (тепловые нейтроны) и, следовательно, почти не поглощаются ураном-238.
Чтобы увеличить количество образующегося плутония, казалось бы нужно уменьшить количество замедлителя в котле, но этого при работе на природном уране нельзя делать, ибо поскольку урана-235 здесь очень мало, нейтроны, не успевшие замедлиться, поглотятся в уране-238 и цепная реакция может оборваться.
Если же котел работает на сильно обогащенном уране, то можно уменьшить количество замедлителя, так что увеличится число нейтронов, поглощающихся ураном-238 (который при этом превращается в плутоний), и вместе с тем цепная реакция деления урана-235 будет продолжаться.
При определенных условиях можно добиться того, что плутония в котле образуется из инертного тяжелого урана больше, чем при этом распалось легкого урана-235. Поэтому такой котел и называется «раз-множительным», в нем, помимо выделения большого количества тепло-
Рис. 126. Схема реактора, воспроизводящего ядерное горючее (бридерный реактор).
137
вой энергии, происходит «расширенное воспроизводство» ядерного горючего из «негорючего» урана-238. Коэффициент «регенерации» (восстановления) достигает у некоторых котлов 150 процентов и даже больше.
Если мы вспомним, что инертного урана-238 в природе в 140 раз больше, чем делящегося урана-235, то ясно будет, какое огромное значение для энергетики будущего будут играть размножительные котлы.
Очень перспективен реактор, работающий на медленных нейтронах, использующий в качестве горючего торий, обогащенный искусственно полученным изотопом урана-233. Такой реактор воспроизводит «горючий» уран-233 из «негорючего» тория в большем количестве, чем его расходует. Коэффициент «регенерации» горючего равен 1,1.
Учитывая большую распространенность тория в земной коре (по сравнению с ураном), можно понять, почему этот тип реактора представляет исключительный интерес.
ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
К 1937 году, когда француженка Маргарита Пере открыла франций—87-й элемент, в таблице Менделеева больше не оставалось «белых пятен» — известны были все 92 элемента от водорода до урана.
Но физики и химики не успокаивались, они вновь и вновь предпринимали новые «экспедиции» в «неизвестные края» — за уран. Первую попытку такого рода сделал Ферми еще в 1935 году. В 1940 году в Беркли (США) Мак-Миллан и Ательсон, бомбардируя уран интенсивным пучком нейтронов, получили 93-й химический элемент — нептуний (по имени планеты Нептун, расположенной в солнечной системе за Ураном). Второй заурановый элемент появился на свет тотчас же вслед за первым: радиоактивные атомы нептуния, излучая бета-частицы, превращаются в атомы элемента №94—плутоний. (Плутон самая удаленная планета, расположенная за Нептуном). Плутоний был впервые получен американским физиком Сиборгом в 1941 году. В 1950 году Сиборг получил еще четыре трансурановых элемента № 95 — америций, №96—кюрий, №97—берклий и №98—калифорний.
Как и все тяжелые элементы, начиная с № 84,— заурановые элементы радиоактивны. Причем с усложнением ядер срок жизни заурановых элементов как правило падает. И если у плутония период полураспада больше двадцати тысяч лет, то у америция — 500 лет, а у калифорния — всего 45 минут.
Изучать все эти элементы—весьма сложная задача, ибо, во-первых, они получаются в ничтожных количествах и, во-вторых, потому, что они обладают очень сильной радиоактивностью. Работа с ними производится в герметически закрытом сосуде, в стенки которого вмонтированы резиновые перчатки. Из известных трансурановых элементов один плутоний, как мы уже знаем, получил широкое применение как ядер-138
ное горючее. Ничтожные количества природного плутония были недавно обнаружены в чехословацкой урановой руде.
В 1951 году в американском научном журнале появилось сообщение о том, что получены еще два трансурановых элемента № 99 — афиний и №100—центурий.
Однако тщательно проведенные затем опыты показали, что это ошибка — никаких новых элементов получить тогда не удалось. Только в декабре 1952 года удалось, и на сей раз окончательно, получить эти два элемента.
При термоядерной реакции соединения тяжелого и сверхтяжелого водорода (реакция эта идет, как мы знаем, при температуре в несколько миллионов градусов) образуется, помимо гелия, мощный поток нейтронов. Если на пути этих нейтронов поместить плутоний, то он может последовательно один за другим поглотить 16 нейтронов и выбросить 5 электронов, превращаясь в ядро элемента № 99 — эйнштейния. Аналогично из урана получают фермий, элемент № 100.
В 1955 году, при бомбардировке эйнштейния альфа-лучами Си-борг получил еще один трансурановый элемент № 101 и назвал его в честь творца периодической системы — «менделеевий».
В июле 1957 года объединенная группа шведских, английских и американских ученых, бомбардируя 96-й элемент — кюрий — ионами углерода получили новый 102-й элемент. Это открытие было сделано в Нобелевском институте в Стокгольме. Ученые назвали этот вновь открытый элемент «нобелий».
Как и все трансурановые элементы, нобелий радиоактивен, он испускает альфа-лучи с энергией 8,5 млн. электроно-вольт, период полураспада нобелия—10 минут, атомный вес его по предварительным данным равен 253.
КАКОЙ ЭЛЕМЕНТ ЯВЛЯЕТСЯ ПОСЛЕДНИМ
Является ли нобелий последним элементом или можно создать еще более сложные элементы? Существует ли граница усложнения ядер?
Последним элементом, очевидно, будет такой, у которого прочность равна нулю, в ядрах этого элемента силы отталкивания равны силам притяжения. Точно указать, какой элемент будет последним, теория не может, по расчетам одних ученых, этот элемент—№ 118, по расчетам других — № 137.
ТЕРМОЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ
Мы уже говорили, что атомную энергию можно получать двумя способами: путем разложения (распада) тяжелых элементов и путем соединения легких элементов. До сих пор мы рассказывали о первом способе, о разложении тяжелых элементов. Теперь о втором способе.
139
Хорошо известно, что Солнце отдает в мировое пространство ежесекундно громадное количество тепла и света. Это излучение приводит к огромным потерям энергии Солнца, и если бы энергия непрерывно не пополнялась, то интенсивность солнечного излучения должна была бы быстро спадать, Солнце потухало бы со временем. Тем не менее наукой достоверно доказано, что и миллионы лет назад наше Солнце на Землю посылало такое же количество энергии, что и сейчас
Откуда же Солнце, да и другие звезды, черпают свою практически неисчерпаемую энергию? За счет каких колоссальных источников энергии в этих раскаленных светилах поддерживается столь высокая температура, достигающая в недрах звезд десятков миллионов градусов?
Когда-то думали, что Солнце представляет собой большой раскаленный шар, в котором непрерывно происходит горение. Но в этом случае оно бы полностью сгорело уже в течение 4—5 тысяч лет.
Лет семьдесят тому назад известные физики Гельмгольц и Томсон выдвинули гипотезу, что Солнце излучает тепло благодаря тому, что оно беспрерывно сжимается под действием сил взаимного притяжения. Однако расчеты показали, что и эту гипотезу приходится отвергнуть, ибо она приводит к тому выводу, что возраст Солнца не больше 20 миллионов лет. Но это противоречит общеизвестным научным данным. Ведь на Земле жизнь, невозможная без тепла Солнца, существует уже более сотни миллионов лет.
Каков же источник, поддерживающий в течение миллиардов лет жар Солнца?
х В настоящее время наукой доказано, что источником энергии звезд являются ядерные реакции, происходящие в глубинных частях звезд.
В отличие от ядерных реакций деления урана и являющихся реакциями разложения (анализа) самых тяжелых ядер, в глубинах звезд происходят противоположные ядерные реакции соединения (синтеза) самых легких ядер, так называемая термоядерная реакция.
При достаточном сближении, скажем, двух ядер тяжелого водорода, образуется более прочное ядро гелия и при этом выделится много энергии (в несколько раз больше, чем при делении урана в расчете на одинаковую массу).
В обычных земных условиях, осуществлению такой реакции препятствуют два об-
£>юооооо
D
Не’
Рис. 127. Схема термоядерной реакции соединения водорода и дейтерия с образованием гелия-3.
140
Рис. 128. По такой схеме в звездах происходит термоядерная реакция превращения ядер водорода в ядра гелия.
стоятельства: во-первых, ядра окружены электронными оболочками, размеры которых в десятки тысяч раз больше ядер. При сближении атомов между электронами оболочек возникают силы отталкивания, препятствующие дальнейшему сближению ядер.
Во-вторых, даже если бы удалось лишить ядра электронных оболочек, то и в этом случае сближение ядер до непосредственного соприкосновения было бы невозможно из-за возникающих при сближении ядер огромных сил отталкивания между одноименными (положительными) зарядами ядер.
Однако при температуре в 20 миллионов градусов, которая существует в глубине Солнца и других звезд, оба эти препятствия могут быть преодолены: при столь высокой температуре ядро не в состоянии удержать электроны на оболочке атома, ядра как бы становятся «оголенными». При такой высокой температуре ядра приобретают столь значительную скорость и кинетическую энергию, что они в состоянии преодолеть взаимное отталкивание и сблизиться до соприкосновения. Тогда уже возможно действие ядерных сил, происходит ядерная реакция синтеза (отсюда и название «термоядерная» реакция, «термо» — тепло).
Как, показал известный немецкий физик Бе*ге, в глубине звезд как раз происходит ядерная реакция превращения водорода в гелий.
Справедливость этой теории, в частности, подтверждается тем, что Солнце на 50°/о состоит из водорода и на 45°/о — из гелия.
Расчеты показывают, что еще десятки миллиардов лет Солнце будет светить так же интенсивно, как в настоящее время.
Естественно возникает вопрос, нельзя ли в земных условиях искусственно осуществить термоядерную реакцию? Ведь она имела бы практически неизмеримо большее значение, чем реакция деления урана. Ведь термоядерная реакция дает на единицу массы в 8—10 раз больше энергии, а главное, сырья для ее осуществления — водо-
141
рода в природе имеется неограниченное количество.
Давайте разберем этот вопрос подробнее. Мы знаем, что для протекания термоядерной реакции необходима температура в десятки миллионов градусов. Еще лет 15 назад получить такую температуру искусственно казалось бы совершеннейшей фантазией. В настоящее время наука знает способ получения таких температур: при атомном взрыве как раз и образуется нужная температура. Если внутрь большого количества сжатого тяжелого (и сверхтяжелого) водорода поместить атомную бомбу и произвести атомный взрыв, то при образующейся огромной температуре создадутся условия для протекания термоядерной реакции.
По этому принципу и устроена так называемая водородная бомба. В очень прочной стальной оболочке
« .
находится в сжиженном состоянии тяжелый и сверхтяжелый водород: внутри помещается небольшая атомная бомба, играющая роль запала водородной бомбы.
Но нас интересует не столько водородная бомба, сколько возможность использования для мирных целей термоядерной реакции. Возможно ли получить энергию термоядерной реакции не в виде взрыва, а постепенными, нужными нам порциями?
У нас в СССР под общим руководством академика Курчатова ведутся крупные исследования в э:ом направлении.
О некоторых из этих работ академик Курчатов рассказал в своей лекции в английском атомном центре Харуэлле во время визита в Англию Н. А. Булганина
Рис. 129. Принципиальная схема устройства водородной бомбы.
142
и Н. С. Хрущева. Лекция Курчатова произвела сенсацию, поразила более трехсот крупнейших английских ученых, присутствовавших на ней. Ведь эта лекция была прочитана всего лишь через несколько месяцев после того, как глава английской делегации на Международной конференции по мирному использованию атомной энергии в Женеве известный физик Кокрофт заявил: «Я хотел бы быть в состоянии предсказать сегодня, когда сделается реальностью волнующая нас перспектива производства атомной энергии путем реакции слияния. Но, хотя мы очень серьезно работаем над этой проблемой в Великобритании, моя способность прозрения недостаточно велика для этого».
Подобную мысль высказал и глава американской делегации.
Поэтому крупнейшие английские ученые единодушно признали, что лекция Курчатова является величайшим вкладом в ядерную физику и, устроили Курчатову невиданную овацию.
Курчатов в своей лекции рассказал о работах, выполненных под непосредственным руководством академиков Арцимовича и Леонтовича.
Основная трудность в получении термоядерной реакции состоит, как мы уже говорили, в получении огромной температуры в несколько миллионов градусов.
Рис. 130. При обычной температуре происходит хаотическое движение атомов.
Рис. 131. При высокой температуре ядра теряют свои электроны, вещество существует в виде плазмы.
Рис. 132. Под действием сверхмощного магнитного поля образуется тончайший плазменный шнур.
143
Рис. 133. Внутри плазменного шнура температура достигает миллиона градусов, создаются условия для прохождения термоядерной реакции.
Если бы вместо дейтерия попытаться осуществить термоядерную реакцию на других веществах, то понадобилась бы еще более высокая температура (ибо у более тяжелых ядер заряд больше, следовательно, и электрическое отталкивание также возросло бы).
Но при таких огромных температурах дейтерий может существовать лишь в форме плазмы, то есть среды, состоящей из голых атомных ядер и свободных электронов. Количество энергии, необходимой для нагревания плазмы до миллиона градусов сравнительно невелико. Например, для грамма дейтерия достаточно 3—5 киловатт-часов. Поэтому если бы удалось обеспечить сохранение в плазме накопленной тепловой энергии, то можно было бы вызвать термоядерную реакцию. Но в том-то и состоит главное затруднение, чтобы исключить тепловые потери. Если в сосуде попытаться нагревать тяжелый водород, то его частицы, разбегаясь во все стороны, отдадут тепловую энергию стенкам сосуда- Уже при температуре в 50—100 тысяч градусов потери тепла становятся столь огромными, что дальнейшее повышение температуры становится невозможным. Следовательно, нужно было найти теплоизолятор. Но где взять теплоизоляцию, способную выдержать температуры в миллион градусов? Ни один материал в мире тут не устоит. И еще одно обстоятельство надо иметь в виду. Если нагреть плотное вещество, скажем твердый или жидкий дейтерий, то при очень высоких температурах механическое давление может достигнуть миллиарда атмосфер.
Следовательно, в таком веществе термоядерную реакцию можно осуществить на один очень краткий момент — процесс будет иметь характер взрыва. Поэтому все опыты проводят с газообразным дейте-144
Рис. 134. Мезо-атом водорода может на миг соединиться с ядром дейтерия, значительно облегчая возможность термоядерной
рием. Если бы удалось теплоизолировать газ, то в лабораторных условиях можно бы вызвать термоядерную реакцию.
Кажется, что задача неразрешима. Но ее решил двадцатидевятилетний физик А. Д. Сахаров (ныне академик) совместно с известным советским физиком академиком И. Е. Таммом. В качестве теплоизоляции они предложили применить магнитное поле, которое играет роль незримой теплоизолирующей стены — изолятора-«невидимки».
Дело в том, что при высоких температурах в атомах любого вещества положительные ядра не могут больше удерживать отрицательные электроны — газ превращается в плазму. А магнитное поле, как известно, влияет на движение заряженных частиц: вместо того, чтобы они* хаотически метались во все стороны, они начинают двигаться узким пучком.
Магнитное поле заставляет заряженные частицы плазмы двигаться по винтовой линии малого радиуса. Чем сильнее магнитное поле, тем уже становится пучок, сжимаясь в тонкий шнур. И. В. Курчатов сравнивает это состояние ядер и электронов с белкой в колесе. Лишенные свободы частицы в магнитном поле уже не могут унести энергию из плазмы.
Таким образом, частицы дейтерия при наличии магнитного поля теряют свободу движения и уже не могут унести энергию из плазмы на сторону. Но самое интересное состоит в том, что необходимое для этого магнитное поле само возникает, если через разреженный газ пропустить электрический ток большой силы — примерно в 100 000 ампер. Этот ток сыграет двойную роль — он выделит тепло для нагревания и за счет своего магнитного поля не даст этому теплу пропасть зря.
Правда, ток такой большой силы можно пропустить только на одно мгновенье, но этого достаточно, чтобы в дейтерии началась термоядерная реакция.
Под действием магнитного поля заряды мгновенно сжимаются в тончайший плазменный шнур, оторванный от стенок сосуда. Температура быстро начинает возрастать,
достигая миллиона градусов.	реакции.
10 Путешествие внутрь атома
Специально поставленными советскими физиками под руководством академика Арцимовича экспериментами были подробно исследованы явления, происходящие в дейтерии при прохождении больших токов. В некоторых опытах сила тока достигала двух миллионов ампер, а мгновенная мощность примерно в 10 раз была больше мощности Куйбышевской гидроэлектростанции. Температура в трубке с газом превосходила миллион градусов, но, в отличие от водородной бомбы, тяжелый водород здесь совершенно безопасен, так как его в трубке ничтожные количества.
При этом наблюдается интенсивное выделение нейтронов, что указывает на наличие каких-то ядерных процессов в плазме. Исследования продолжаются, и есть основания считать, что по этому пути удастся получить управляемую термоядерную реакцию!
Последние месяцы принесли нам сообщение еще об одном важном открытии в этой области.
Мексиканский физик Альварец с помощью гигантских ускорителей осуществил ядерную реакцию синтеза методом, теоретически предсказанным еще в 1954 году известным советским физиком — профессором Я. Б. Зельдовичем.
Хотя в результате этой реакции водород превратился в гелийг эту реакцию нельзя назвать термоядерной, ибо она была осуществлена при обычных комнатных температурах. Это удалось сделать благодаря тому, что здесь применялся своего рода катализатор, то есть вещество, облегчающее реакцию. Роль такого катализатора играли мезоны, искусственно полученные на огромных ускорителях.
Можно подумать, что грандиозная задача, о которой говорилось выше, уже решена. К сожалению, еще нет. Дело в том, что вероятность такой реакции даже с катализатором очень мала. Чтобы получить таким образом из водорода гелий в заметных количествах, нужно создать такие интенсивные пучки мезонов, что на их получение придется затратить энергии намного больше, чем выделится при ядерной реакции синтеза.
Тем не менее каждому ясно, что тот исторический момент, когда будет не только принципиально, но и технически решена задача осуществления реакции ядерного синтеза, уже близок.
Глава VII
ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
АТОМНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ АКАДЕМИИ НАУК СССР
Неисчерпаемые ресурсы энергии атомного ядра стали доступны человечеству совсем недавно. Человечество еще только вступает в атомную эпоху, сделаны только первые шаги. Но уже сегодня, как указывает академик А. Н. Несмеянов, атомная энергия открыла пе-146
ред техникой и экономикой совершенно новые возможности. Она неизмеримо расширяет энергетн-ческие ресурсы.
27 июня 1954 года начала работать первая в мире атомная электростанция Академии наук СССР.
Главной частью электростанции является атомный реактор. Замедлителем в нем служит графит, который имеет ряд преимуществ: ол почти не захватывает нейтроны, легко механически обрабатывается, а изделия из него весьма прочны, его свойства незначительно изменяются при высоких температурах. Ядерным горючим был выбран обогащенный уран, в котором содержится 5 процентов урана-235. Общее количество урана в котле 550 килограммов, из коих 27,5 килограмма урана-235. За сутки расщепляется 30 граммов урана. Для работы обычной тепловой электростанции такой же мощности требуется примерно 120 тонн угля. Так как уран в котле главным образом Пред-
H. В. Курчатов.
(1903)
Выдающийся советский физик. Открыл явление сегнетоэлектричества. Известен крупнейшими исследованиями в области физики атомного ядра.
ставляет уран-238, то многие ней-
троны захватываются им, образуя плутоний, то есть при работе реак-
тора, помимо основного процесса—деления урана и выделения энергии, происходит превращение некоторого количества «негорючего» урана-238 в горючий плутоний.
Количество «восстанавливаемого горючего» на атомной электростанции Академии наук равно 32 проц., израсходованного урана-235.
Охлаждение реактора осуществляется обычной дистиллированной водой, находящейся под давлением 100 атмосфер. Хотя в качестве
теплоносителя, отводящего тепло от реактора, помимо воды, могут применяться многие другие вещества, например, углекислый газ, азот, гелий, жидкий натрий и другие, воду во многих отношениях выгоднее применять для этой цели. Вода дешева; будучи тщательно очищена, при прохождении через реактор, вода не становится заметно радиоактивной, слабо поглощает нейтроны.
Отрицательной стороной применения воды в качестве теплоносителя является необходимость поддержания ее под высоким давлением, без чего невозможно было бы нагреть воду до нужной температу-
10*
147
Рис. 135.
Принципиальная схема действующей атомной электростанции Академии наук СССР.
1. Ядерный реактор. 2. Трубопровод. 3. Циркуляционный насос, перегоняющий горячую воду из реактора по трубопроводам (2) в парогенератор (4). Здесь за счет принесенного тепла вода второго контура превращается в пар, который. поступает по трубопроводу (5) к турбине (6). Отработанный пар конденсируется в конденсаторе турбины (7). Конденсат с помощью питательного насоса (9) по трубопроводу (8) подается в парогенератор. 10. Компенсаторы объема. 11. Газовые баллоны. 12. Подпиточные насосы. 13. Бак с водой для восполнения утечек. 14. Фильтр для предохранения от попадания загрязнений в реактор.
ры. А чем выше температура нагревателя, тем больше коэффициент полезного действия котла. В котел вода поступает, имея температуру 170°, а выходит из котла нагретая до 260—280°. В теплообменнике эта вода передает свое тепло воде вторичного контура, за счет чего получается пар с давлением 12,5 атмосфер, приводящий в действие турбину мощностью в 5 000 киловатт. Включение паровой турбины во вторичный контур предохраняет ее от попадания радиоактивных элементов. Поэтому турбина работает в обычных теплотехнических условиях. В свою очередь эта турбина вращает генератор электрического тока.
Вода в реакторе непрерывно подвергается облучению нейтронами и, правда, мало, но всё же становится радиоактивной. Для контроля радиоактивности в помещениях станции установлены приборы для измерения интенсивности радиоактивных лучей, главным образом гамма-излучения. При росте радиоактивности выше допустимых преде-
148
СБОРНЫЙ КОЛЛЕКТОР
Рис. 136. Общий вид реактора атомной электростанции Академии наук СССР.
Рис. 137. Главное здание атомной электростанции АН СССР. Здесь помещается ее <сердце> — ядерный реактор.
лов, дежурный на пульте управления получает световые и звуковые сигналы. В помещениях станции применена усиленная вентиляция, удаляемый воздух выводится из здания через высокую трубу, поэтому никакой опасности для окружающего населения он не представляет.
Рис. 138. Пульт управления атомной электростанции. Здесь оператор следит за работой всех звеньев станции.
150
Блохинцев Д. И.
(1908)
Известный советский физик, автор капитального учебника «Основы квантовой механики». Под его руководством была создана первая в мире атомная электростанция Академии наук СССР. За это выдающееся достижение Д. И. Блохинцев был удостоен в 1957 г. Ленинской премии.
В первичном контуре реактора периодически производится частичное обновление воды, так как во время работы в ней появляется ряд вредных примесей, являющихся следствием деления ядер урана на различные «осколки». Сбрасываемая вода, обладающая заметной радиоактивностью, выдерживается значительное время в специальных отстойниках, после чего разбавляется обычной водой до безопасного уровня радиоактивности.
Для контроля облучения каждый сотрудник имеет индивидуальный электрометрический дозиметр, по внешнему виду напоминающий авторучку или карманный прибор, заряженный фотопленкой, проявляемой через определенное время. Почернение пленки зависит от количества радиоактивных лучей. Над реактором помещены два аварийных стержня, которые автоматически опускаются в реактор и прекращают цепную реакцию деления при поступлении аварийного сигнала.
Управление всей станцией и наблюдение за работой всевозможного оборудования сосредоточено на центральном щите управления.
Профессор Д. И. Блохинцев, выступавший на Международной научно-технической конференции по мирному использованию атомной энергии в августе 1955 года с докладом о первой промышленной атомной электростанции СССР, отмечал, что опыт работы этой электростанции указывает на экономическую выгодность и полную техническую возможность строительства атомных электростанций большой мощности.
Реактор атомной электростанции Академии наук СССР предназначен не только для получения энергии, но и длй проведения различных физических исследований и изучения свойств материалов в условиях облучения их нейтронами. С этой целью в графитной кладке реактора имеется шесть изогнутых каналов, доведенных до активной зоны, в которые помещаются исследуемые вещества. В этих каналах
151
Рис. 139. В центральном зале здания атомной электростанции. Под полом установлен реактор.
управление
шел
Г777/М
экрридля зящи т ы 1\ддерный от излучений ] реактор*
ТУР5ИНЯ
насос
тепла, отводимого от реактора в электрическую энергию.
Рис. 140. Схема превращения
152
Рис. 141.
Схема атомной электростанции мощностью в 200 000 квт.
1. Ядерный реактор. 2. Циркуляционный насос. 3. Парогенератор. 4. Турбина.
5. Конденсатор. 6. Питательный насос. 7. Подпиточный насос. 8. Подпиточная емкость. 9. Фильтр. 10. Холодильник. 11. Компенсатор высокого давления. 12. Генератор.
можно получить нейтронные потоки до 80 тысяч миллиардов нейтронов за секунду через один квадратный сантиметр.
Во время работы реактора в рабочих стержнях в результате деления ядер урана образуются примеси, состоящие из ряда элементов средней части периодической системы Менделеева, а также элемент плутоний, в который превращается уран-238 после захвата нейтрона. Примеси, в особенности ксенон, сильно захватывают нейтроны, чем замедляют цепную реакцию деления. Поэтому, после деления сравнительно небольшой части урана-235 (в реакторе атомной станции эта часть равна 20 процентам) стержни извлекаются из реа-ктора, и после выдерживания в специальном водном бассейне в течение длительного времени для ослабления их активности направляются на химический завод, где все примеси и плутоний извлекаются, а уран обогащается до прежнего содержания урана-235 и вновь направляется в реактор. Срок работы одного стержня в активной зоне реактора 2,5 месяца.
В Советском Союзе строятся атомные электростанции разных типов мощностью в 50—100 тысяч киловатт. На Всесоюзной промышленной выставке в Москве демонстрируется макет атомной электростанции на 200 000 киловатт. В течение шестой пятилетки у нас будет построено ряд значительно более крупных атомных электростанций общей мощностью в 2—2,5 миллиона киловатт, что в 5 раз больше мощности Днепрогэса.
В соответствии с этим, Главное управление по использованию атомной энергии при Совете Министров СССР решило построить в течение 1956—1960 годов пять сверхмощных атомных электростанций по 400—600 тысяч киловатт каждая.
153
ПОДВЕДЕМ НЕКОТОРЫЕ ИТОГИ
Познакомившись с различными путями создания источников атомной энергии, подведем некоторые итоги.
Какие преимущества и недостатки у атомной (ядерной) энергии по сравнению с другими видами энергии? В чем принципиальное отличие атомной энергии, позволяющее, по мнению крупнейших ученых мира, утверждать, что мы вступили в «новую эру — эру атомной энергии?».
Основные преимущества атомной энергии перед другими видами энергии и прежде всего химической состоят в следующем:
1-	Количество атомной энергии, выделяющейся на единицу массы ядерного горючего, в несколько миллионов раз больше, чем энергия, выделяющаяся при сгорании обычных видов топлива (бензин, уголь, дрова и т. п.).
Можно сказать, что «теплотворная способность» у ядерного горючего неизмеримо больше, чем у лучших видов обычного горючего.
2.	Работа источника атомной энергии не зависит от наличия кислорода и не дает золы. Это позволяет устанавливать атомные двигатели на подводных лодках и космических ракетопланах.
3.	Принципиально возможно получение * в атомных реакторах очень высоких температур. Это позволит создавать тепловые двигатели с коэффициентом полезного действия, близким к 1ОО°/о. (Величина КПД всякого теплового двигателя определяется прежде всего температурой нагревателя. В наилучших современных двигателях внутреннего сгорания типа «Дизель» максимальная температура в цилиндре не превышает 2500°С и КПД у них равен 30—35 процентам).
Следует отметить, что последнее преимущество в настоящее время еще почти не используется, так как для этого нужно создать материалы, устойчивые к высоким температурам. Такие термоустойчивые материалы в настоящее время создаются учеными.
Об экономическом значении ядерной энергии, как нового источника энергии уже говорилось выше.
Какие же перспективы раскрываются в связи с тем, что атомная энергия обладает такими преимуществами? Объективным законом развития техники является неуклонный рост количества и концентрации энергии, используемой людьми.
Каких-нибудь 200 лет назад чудо тогдашней техники — громадная, тяжеловесная паровая машина Ползунова развивала мощность лишь в пару десятков лошадиных сил. Теперь двигатель такой же мощности ставят на легковую автомашину. А современный реактивный двигатель, весящий столько же, сколько легковая машина, при интенсивном режиме работы развивает мощность, примерно равную мощности Куйбышевской гидроэлектростанции. Атомная энергия позволит в неизмеримо больших масштабах повысить концентрацию мощности.
154
Рис. 142. Первая в мире паровая машина И. П. Ползунова.
Рис. 143. Современный советский пассажирский самолет ТУ-104.
Второе преимущество атомной энергии — независимость от кислорода, также имеет большое принципиальное значение для развития техники. Оно позволяет создавать двигатели, зависящие в еще меньшей степени, чем современные, от внешних условий. Мощные атомные двигатели можно устанавливать на большой глубине под землей, под водой, в безвоздушном пространстве.
Но не только в этом состоит значение открытия атомной энергии. Огромные перспективы открываются перед человечеством.
Рис. 144. Перспективная схема комплексного использования ядерного горючего^
156
«Человечеству грозит «тепловая смерть»— бубнили когда-то пророки конца света во главе с Джинсом. — Когда-нибудь Солнце остынет, все источники энергии будут использованы, жизнь замерзнет в холодном космосе, наступит гибель человечества...»
Можно ли при современных знаниях решить задачу бесконечного развития человечества? На такой вопрос мы можем ответить ясно и твердо. Да, уже при современных наших знаниях можно ставить такую задачу.
И решение этой задачи грядущего можно было бы осуществить несколькими путями.
Первый путь состоит
в том, чтобы когда-нибудь обеспечить освоение людьми планет при помощи космических ракет или других космических кораблей.
Попробуем найти другой путь. На первый взгляд он покажется слишком смелым. Но при высоком развитии техники далекого будущего такое решение в принципе осуществимо.
Это решение состоит в том, чтобы превратить всю нашу планету целиком в гигантский космический корабль, который будет двигаться не но орбите, а по пути, намеченному человеком.
Для управления движением Земли есть возможность сообщить земному шару некоторое ускорение при помощи огромного атомного реактивного двигателя, ось сопла которого совпадает с осью Земли, (проф. Покровский).
Следует отметить, что атомная энергия в настоящее время обладает и одним существенным недостатком по сравнению с другими видами энергии. При работе атомного реактора выделяется огромное количество радиоактивных лучей и нейтронов. Эти лучи действуют коварно и беспощадно на всё живое, незаметно разрушая клетки организмов. Поэтому требуется довольно громоздкая, массивная защита, усложняющая использование атомной энергии.
Несмотря на это, как показывают расчеты и опыт, электроэнер
157
гия, получаемая от атомной электростанции, уже теперь не дороже электроэнергии обычной тепловой электростанции.
Еще одно преимущество у атомной энергии.
При работе атомного котла непрерывно образуются продукты отхода— «зола». Однако в отличие от золы или шлака, образующихся, скажем, у обычного парового котла, которые почти ничего не стоят, «зола» и «шлак» атомного котла весьма ценны. Дело в том, что эти отходы представляют собой, главным образом радиоактивные элементы. И использование этих радиоактивных элементов открывает новые возможности для расширения власти человека над природой. Радиоактивные изотопы и ядерные излучения стали мощным средством воздействия на вещества и процессы и новым могучим средством исследования в различных областях науки и техники.
Широким полем применения радиоактивных изотопов явились химия и физика, металлургия и автоматика, биология и агрономия.
АТОМНАЯ БАТАРЕЯ
Огромный интерес для науки и техники представляет открытие возможности непосредственного превращения атомной энергии в элек-
трическую.
Такие устройства получили название атомных батарей. Существует несколько типов атомных батарей. Простейшие из них устроены
следующим образом: внутрь металлического корпуса вводится электрод, тщательно изолированный от корпуса кварцем или янтарем и покрытый тонким слоем какого-либо радиоактивного изотопа. Воздух из такого устройства выкачивается. Если изотоп испускает, например, бета-частицы то внутренний электрод, теряя отрицательный заряд, будет заряжаться положительно, а внешний электрод (корпус) отрицательно. По мере накопления зарядов у такого элемента напряжение будет увеличиваться и может достичь сотен тысяч ватт. Тем не менее
Рис. 145. Высоковольтная атомная батарея. 1 — шаровидный электрод с радиоактивным веществом. 2 — внешний электрод. 3 — изолятор, 4 — пути электронов.
ток, даваемый одним таким элементом, очень мал и имеет величину порядка миллиардных долей ампера. Но взяв до
158
статочное количество радиоактивного изотопа и соединив несколько таких элементов параллельно в батарею, можно получить от нее значительно больший ток. Эта батарея может действовать без зарядки длительное время, примерно 25 лет.
Значительно более перспективным типом является атомная батарея, использующая для усиления тока полупроводники. В таких батареях сила тока в сотни тысяч раз больше, чем в батареях предыдущего типа.
Создание атомных батарей является принципиально возможным, и открывает путь широкого превращения атомной энергии в наиболее удобный вид энергии — энергию электрическую.
АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ НА ТРАНСПОРТЕ
Атомный ледокол
Академик Курчатов на XX съезде КПСС рассказал об атомном ледоколе, строительство которого сейчас заканчивается на одном из ленинградских заводов.
Это будет корабль совершенно нового типа, который позволит изменить тактику плавания во льдах Арктики, плавать почти круглый год в северных морях, широко освоить для судоходства Северный морской путь, расширить фронт научных исследований в бассейне Северного полюса. Сбывается предвидение знаменитого русского мореплавателя С. О. Макарова, который мечтал достигнуть Северного полюса на ледоколе.
Рис. 146. Модель первого в мире советского атомного ледокола «Ленин».
159
Рис. 147. Модель атомного ледокола в разрезе.
Применение атомной энергии даст ледоколу ряд важных преимуществ по сравнению с обычными ледоколами, работающими на угле или нефти. Если сравнить атомный ледокол с ледоколом таких же размеров, работающим на обычном топливе, то ледокол с атомной силовой установкой будет превосходить его по длительности плавания без захода в порты для пополнения топлива в десять-двенадцать раз, а по мощности — более чем в полтора раза.
Дело в том, что на обычных ледоколах’примерно одна треть водоизмещения, то есть общего веса судна и груза, используется под запасы топлива, исчисляемые тысячами тонн. На наших ледоколах, действующих в морях Арктики, например, такие запасы достигают трехчетырех тысяч тонн на одном судне. Суточный же расход его достигает ста-ста двадцати тонн. Понятно поэтому, что ледоколы не могут отходить далеко от портов на длительное время. На строящемся атомном ледоколе суточный расход ядерного горючего—урана—будет исчисляться граммами. Поэтому райой плавания такого ледокола становится практически неограниченным. *
Благодаря повышенной мощности атомный ледокол сможет прокладывать путь в тяжелых арктических льдах, непроходимых для современных ледоколов. Запасы ядерного топлива — урана, которые смогут быть взяты на борт корабля, позволят ему не заходить в порты в течение 2—3 лет.
На атомном ледоколе личный состав будет надежно защищен от вредных радиоактивных излучений, являющихся следствием работы ядерного реактора. Управление его осуществляется автоматически. Автоматика и телемеханика значительно облегчат труд команды. Кочегаров здесь не будет, их полностью заменят операторы, работающие у пульта управления.
Атомная подводная лодка
Современная подводная лодка — это грандиозный корабль, имеющий больше 1 500 тонн водоизмещения и несущий на борту свыше 150 человек команды. Подводная лодка снабжена двигателем огромной мощности — до 10 000 лошадиных сил, поэтому она способна двигаться под водой сдг скоростью в несколько десятков километров в час, может спускаться на глубину свыше 100 метров и способна пробыть под водой больше 100 часов.
Для подводного плавания на лодке устанавливаются электромоторы, которые питаются электроэнергией от аккумуляторных батарей. Однако запаса электрической энергии, накопленного в аккумуляторе, хватает ненадолго.
В дальних переходах подводная лодка идет в надводном положении при помощи двигателей внутреннего сгорания — дизелей, которые одновременно заряжают током разрядившиеся за время подводного плавания электрические аккумуляторные батареи. Работать же дви-11 Путешествие внутрь атома	161
«
Рис. 148. Атомная подводная лодка в разрезе.
гатели при плавании под водой не могут, так как они приводятся в движение за счет тепловой энергии, выделяющейся при сгорании нефтяных продуктов. А для горения любого топлива, как мы знаем, требуется кислород и при том очень много кислорода.
Необходимость иметь на подводной лодке два рода двигателей (дизели и электромоторы с аккумуляторами) является большим недостатком этого типа кораблей.
Во-первых, для обеспечения подводной лодки электроэнергией необходимы огромные количества аккумуляторов, занимающих большую часть внутреннего помещения корабля и представляющих собой весьма значительную нагрузку.
Во-вторых, и это главное, для перезарядки аккумуляторов подводная лодка должна периодически подниматься на поверхность, где включаются дизельные двигатели, приводящие в движение динамомашины, вырабатывающие электрический ток. Поэтому современная подводная лодка не является подводной в полном смысле слова. Особенно это стало оказываться сю 'времени появления радиолокации. Не случайно, что в то время, как в самом начале второй мировой войны, немецкий подводный флот наносил надводному флоту союзников большие потери, к концу войны сам нес в несколько раз больше потерь, чем надводные корабли союзников.
Так как для перезарядки аккумуляторов подводной лодки приходится подниматься на поверхность, то радиолокаторы их сразу же обнаруживают (что происходит под водой, радиолокатор не в состоянии определить). Обнаруженная подводная лодка, скрываясь от преследования, вынуждена уйти под воду. Но долго под водой она двигаться не может. Иногда, чтобы спастись от атакующих ее кораблей, подводная лодка ложится на дно, ожидая по многу дней, пока преследователи удалятся. Но при этом подводной лодке грозит другая
162
опасность: если она плотно ляжет на дно и вытеснит полностью из-под себя воду, то вышележащие слои воды прижмут ее (так называемое гидростатическое давление) с огромной силой ко дну. Преодолеть такое давление лодка никак не сможет, и она окажется заживо погребенной на дне моря.
При установке на подводной лодке атомного двигателя она приобретает практически неограниченный радиус действия без пополнения горючим. С этим двигателем лодка может находиться и перемещаться под водой неопределенно долго, так как расход ядерного топлива на ней ничтожно мал, кислорода для него не требуется.
А кислород для команды может быть запасен в жидком виде.
Реактор с защитой от излучений займет на лодке меньше места, чем аккумуляторные батареи, вес которых составляет на крупной подводной лодке сотни тонн.
В печати сообщалось о некоторых действующих подводных лодках с атомным двигателем. Одна из таких лодок—«Наутилус», с экипажем до 100 человек и водоизмещением в 2 700 тонн — построена в 1954 году в США. В 1955 году была спущена на воду еще более мощная подводная лодка «Морской волк» водоизмещением в 3 260 тонн, по своим размерам крупнее обычных подводных лодок: длина их корпусов около 100 метров, ширина — 9 метров. В том месте, где расположен атомный реактор, корпус утолщен. Мощность двигателя у «Наутилуса» более 7 тысяч лошадиных сил. Расчетная подводная скорость лодки почти 40 километров в час. Во время ходовых испытаний «Наутилуса», в течение которых реактор проработал более 15 часов, лодка подолгу находилась под водой, многократно всплывала и погружалась.
«Наутилус» — первый опытный подводный корабль. На случай выхода из строя атомного двигателя на нем имеются запасные дизельные двигатели для плавания на поверхности и электромоторы, питающиеся от аккумуляторных батарей для плавания под водой, как у обычных подводных лодок. Атомная силовая установка у обеих лодок состоит из урано-графитного реактора, работающего на медленных нейтронах и паровых турбин, вращающих винты. Специальным насосом вода перегоняется по трубам сперва через активную зону реактора, где нагревается до высокой температуры, затем в теплообменник. Там она отдает тепло воде, находящейся во вторичном контуре и превращает ее в пар. Он-то и приводит в движение турбину. Система каналов в реакторе выполнена из циркония — металла, практически не поглощающего нейтронов, стойкого против коррозии и хорошо проводящего тепло. Защита от излучений обеспечивается свинцовыми плитами и баками с морской водой, расположенными вокруг отсека с реактором. Атомная силовая установка «Наутилуса» еще весьма громоздка и занимает около половины полезного объема корабля.
11»
163
Рис. 149. Атомная подводная лодка «Наутилус».
Ввиду больших размеров «Наутилус» по управляемости и маневренности уступает обычным подводным лодкам.
Несколько лучше обстоит дело у «Морского волка».
Для облегчения атомного двигателя и уменьшения его размеров стремятся использовать реакторы, работающие на нейтронах высоких скоростей и применять эффективные теплоносители. Этим условиям частично удовлетворяет двигатель «Морского волка», у которого установлен реактор с обогащенным горючим, работающий на промежуточных нейтронах.
В качестве первичного теплоносителя применяется жидкий натрий, перекачиваемый электромагнитными насосами.
Подводные корабли с атомными двигателями смогут плавать и подо льдами Арктики и Антарктики и помогут в освоении Северной и Южной полярных областей. В случае необходимости экипажу выйти на лед, можно будет его легко пробуравить с помощью атомной энергии снизу. Атомные подводные корабли позволят организовать длительный подводный лов рыбы.
Атомолет
Недалеко то время, когда гигантские атомные самолеты легко поднимутся с аэродромов в воздух. Атомный самолет сможет летать месяцами не опускаясь на землю, совершая десятки беспосадочных кругосветных полетов со сверхзвуковой скоростью.
Предложено несколько типов авиационных атомных двигателей.
164
Рис. 150. Атомный реактивный самолет (проект).
Простейший из них — воздушно-реактивный прямоточный двигатель. Для того чтобы он начал работать, его необходимо внешним воздействием, например с помощью другого двигателя, разогнать до высоких скоростей.
При этом воздух поступает внутрь камеры двигателя, где сжимается и продавливается через каналы атомного котла. В этих каналах воздух нагревается, расширяется и с огромной скоростью вытекает через сопло. Создается реактивная тяга, и самолет летит в стррону, противоположную направлению выброса горючего воздуха.
Еще удобнее и проще осуществить двигатель турбовинтовой, в котором рабочее тело (обычно вода) циркулирует по замкнутому контуру. Вода прокачивается насосом через реактор, а затем превращается в пар высокого давления. Пар поступает на турбину, вращающую винт и, сжимаясь в конденсаторе, превращается в воду, которая вновь накачивается в реактор. Воздух, обтекающий трубки конденсатора, сильно нагревается и вытекает назад, создавая дополнительную реактивную тягу.
Предложены и другие типы двигателей.
Первые атомные самолеты будут, вероятно, весить по 150—200 тонн. Атомные самолеты можно значительно облегчить, если управление осуществить с планера, который движется за ним на длинном тросе. В этом случае реактор не нужно окружать защитой.
Возможен проект атомного самолета весом в 42 тонны. По этому проекту реактор, очевидно, будет размещен сравнительно далеко от кабины экипажа и поэтому для его защиты будет достаточно сравнительно тонкий слой брони.
Повидимому, сперва атомные самолеты будут управляться по радио.
165
Атомобиль
Пока еще не существует атомных автомобилей, но ученые и конструкторы уже предложили несколько вариантов такой машины.
Вот схема одной из них:
Мотор автомобиля подобен обычному автомобильному двигателю внутреннего сгорания, только вместо бензина в нем используется ядерное горючее- Цилиндры должны быть изготовлены из материала, хорошо отражающего нейтроны. В цилиндре, разделенном поршнем на две части, находится газ с пылью из замедлителя и урана. При сжатии газа в одной части цилиндра после достижения критической концентрации урана возникает цепная реакция деления урана. В результате газ, сильно нагреваясь, расширяется и выталкивает поршень. Концентрация урана при этом падает ниже критической, и в этой части цилиндра ядерная реакция прекращается. Но зато во второй половине произошло сжатие и началась такая же реакция.
Таким образом, поршень будет непрерывно двигаться то в то в другую сторону, причем
дый такт является рабочим. Для пробега 100000 километров атомный автомобиль требует несколько Граммов урана (автомобиль «Победа» тратит на такое расстояние 12 тонн бензина). Заправляться такая машина сможет не чаще одного раза в месяц.
Техническое осуществление этой идеи затрудняется тем, что трудно отводить тепло от двигателя, от той части цилиндра, в которой кончилась в данный момент цепная реакция.
одну, каж-
Атомоход
Дизельэлектроход «Россия», для того чтобы дойти от Одессы до Нью-Йорка и обратно, как указывает Р. Р. Перельман, должен сжечь примерно 3 500 тонн топлива.
Если же на таком корабле установить атомный двигатель, то на весь путь понадобилось бы всего несколько килограммов урана. Правда, атомный котел с защитой сам весит много, но даже при весе котла в тысячу тонн грузоподъемность корабля значительно бы увеличи-166

Рис. 151. Проект океанского пассажирского атомного корабля.
лась. Кроме того, эксплуатация атомного двигателя значительно проще. Разработан проект атомного корабля.
Водоизмещение такого корабля 25 тысяч тонн, мощность — около 200 000 киловатт, скорость его — 45 километров в час.
Огромная мощность атомного котла позволит половину выбрасываемой им энергии использовать для различных целей. Так, часть энергии будет использоваться для работы так называемых гидромониторов. При движении корабля во льдах гидромониторы выбрасывают десятки тысяч тонн воды под давлением в несколько сот атмосфер. Перед этими струями не устоят даже огромные полярные льдины.
Все работы на судне выполняет электричество, вырабатываемое судовой атомной электростанцией.
Электростанция вращает гребные винты, центробежные насосы гидромониторов, она приводит в движение механизмы для погрузки и разгрузки судна, она приводит в действие лифты, системы вентиляции и отопления. Электричество используется для приготовления пищи и других бытовых нужд. Электроэнергия выполняет особую роль в управлении судном и его механизмами — всё управление автоматизировано.
1*7
Атомовоз
В настоящее время разработан проект сверхмощного локомотива с атомным двигателем.
Вес его 300 тонн (современный крупный паровоз с тендером npi полной загрузке весит примерно 140 тонн). Ширина колеи — 3 метра, длина его с прицепом — 50 метров, высота 5 метров.
На локомотиве будет установлен атомный котел из нержавеющей стали, заполненный раствором урановой соли в воде. Всего урана-235 в котле 9 килограммов. Теплоносителем будет являться дистиллированная вода, которая будет пронизывать котел по 10 тысячам тонкостенных трубок. Кадмиевые стержни позволяют регулировать количество выделяющегося тепла. Давление пара, поступающего на турбину, равно 12 атмосферам, температура пара — 200 градусов.
Мощность атомовоза будет равна 8000 лошадиным силам (самый мощный советский электровоз «Н-8» имеет мощность 5 700 лошадиных сил). Турбина вращает 4 генератора постоянного электрического тока. От них ток поступает на 12 тяговых двигателей мощностью более 600 лошадиных сил каждый.
Расход ядерного горючего составит только 15 граммов на 1 000 километров пробега. Заправка горючим атомовоза будет производить^ ся один раз в шесть месяцев. Скорость атомовоза 200 километров в час.
Рис. 152. Проект атомного поезда.
168
Рис. 153. Гомогенный реактор атомовоза. 1—раствор урана, 2—стальные трубки, 3 —заслонки, 4 — регулирующие стержни, 5, 9 —насосы, 10 — электромоторы. Внизу атомовоз с реактором.
Рис. 154. Локомотив с гетерогенным уран-графитовым реактором.
169
АТОМНАЯ РАКЕТА
Как известно, ракета движется за счет выбрасывания назад части ее массы обычно в виде газа. Поэтому масса ракеты по прибытии всегда меньше ее массы в момент вылета.
Простейший из ракетных двигателей воздушно-реактивный прямоточный двигатель. О нем мы уже говорили, когда рассказали о ато-молете.
Однако при создании такого двигателя встретятся большие затруднения. Каковы эти трудности и как можно попытаться их преодолеть подробно Рассказывает Р. Перельман в своей статье «Атомные
Еще знаменитый русский ученый Е. Э. Циолковский, основоположник науки о движении ракет, вывел определенное уравнение, которое позволяет установить, необходимое для достижения заданной скорости полета отношение веса топлива к весу ракеты вместе с полезным грузом. Из этого уравнения следует, что для достижения ракетой скорости в 11,2 километра в секунду, минимально необходимой для преодоления земного тяготения, вес. ее химического топлива должен быть в 28 раз больше веса полезного груза и конструкции.
Для одноступенчатых ракет, летающих со скоростью 2 километра в секунду, удается уже в настоящее время добиться того, чтобы взятое топливо весило примерно в 5 раз больше, чем конструкция и полезный груз. Несколько облегчают решение задачи составные ступенчатые ракеты — «ракетные поезда», также впервые предложен
ие'
ные Циолковским, и возможность дозаправки ракеты горючим на промежуточных этапах. Однако при использовании химического топлива взлетный вес и размеры космической ракеты оказываются весьма большими. Более перспективно для космических полетов использование атомных двигателей.
Вот как конструкторы представляют себе такую атомную ракету: реактор состоит из конических трубок с пористыми стенками толщиной в 3— 4 миллиметра, состоящих из смеси урана и углерода. Водород, проходя под давлением в трубки через пористые стенки, нагревается. Регулирование температуры, доведенной примерно до 6000°С производится с помощью стержня из кадмия. Нагреваясь, газ уходит через сопло.
Таким образом, основная проблема удаления лишнего тепла, развиваемого реактором, удачно решается применением пористых материалов.
В первом варианте ракета должна была весить перед вылетом более 1 500 тонн.
Проблему можно упростить, если установить реактор на быстрых нейтронах. Тогда начальный вес ракеты сократится примерно до 100 тонн, а вес ракеты в момент прибытия будет превышать 10 тонн.
5 октября 1957 года весь мир облетело сообщение, вызвавшее небывалый интерес: в Советском Союзе запущен первый в мире искусственный спутник Земли.
Менее чем через месяц, 3-го ноября был запущен второй советский искусственный спутник. На борту второго спутника размещалась разнообразная аппаратура и подопытное животное. Общий вес этого спутника — свыше 500 килограммов, скорость его — около 8 километров в секунду. Максимальное расстояние орбиты от Земли 1 500 километров.
Совсем недавно мир облетело новое изумительное сообщение — запущен третий советский спутник весом около полуторы тонны — целая летающая лаборатория.
Специалисты многих зарубежных стран полагают, что в СССР
171
3
Рис. 156. Космическая атомная ракета: I—стартовая ступень с ЖРД, II—-ступень с ВРД, III—ступень с атомным двигателем, IV, V, VI — ступень с ЖРД.
«...открыли новое, особенно эффективное горючее для ракет, которое дает им возможность посылать спутник такого огромного веса на столь дальйие расстояния».
Ясно, что теперь, когда на повестку дня поставлена задача создания межпланетной ракеты, особую роль приобретает перспектива использования в качестве ракетного топлива ядерное горючее.
Глава VIII
РАДИОАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
КАК ОБНАРУЖИВАЮТ РАДИОАКТИВНЫЕ АТОМЫ
Для обнаружения радиоактивных атомов используют, например,, свойство их излучения действовать на фотопластинку. Этот способ назван радиографией, а снимок — радиоавтографом. Для получения, радиоавтографа предмет, содержащий радиоактивный элемент, прикладывается на некоторое время в темноте к фотопленке. Затем пленка проявляется. В тех местах, куда попали радиоактивные лучи, получается потемнение.
Другой способ обнаружения радиоактивного излучения основан на свойстве этого излучения ионизировать воздух, то есть делать его проводником электричества. Для этого применяют так называемые счетчики Гейгера. Принцип действия такого счетчика весьма прост: между металлическим полым цилиндром (корпус счетчика) и изолированной от него металлической нитью, проходящей по оси цилиндра,.
172
Рис. 157. Принципиальная схема<действия счетчика заряженных частиц.
металличесш трубил
Рис. 158. Электрическая схема счетчика заряженных частиц.
Рис. 159. Внешний вид одного из типов установок для измерения интенсивности радиоактивных лучей.
173
приложено напряжение в 1 500—2 000 вольт. В электрическую цепь включают какой-нибудь чувствительный электро-измерительный прибор (гальванометр). В обычных условиях гальванометр покажет отсутствие тока, ибо через воздух, отделяющий нить от корпуса, ток идти не может. Но если через счетчик пролетят альфа- или бета-частицы, то они вызовут ионизацию молекул воздуха и ток пойдет от
Рис. 161. Один из первых образцов камеры Вильсона.
Рис. 160. Схематическое изображение счетчика Гейгера с электрической цепью.
Рис. 162. Схема работы камеры Вильсона.
174
корпуса к нити. Гальванометр по силе тока, прошедшего через счетчик, позволит определить интенсивность излучения.
Еще более замечательным прибором для регистрации радиоактивных лучей явилась камера, сконструированная английским ученым Вильсоном в 1912 году. Этот прибор, как и счетчик Гейгера, основан на свойстве радиоактивных лучей производить ионизацию воздуха, но используется он здесь совсем иначе.
Вильсон заметил, что пересыщенные пары какой-либо жидкости легко конденсируются и образуют видимый туман в том случае, если воздух содержит пылинки, играющие роль центров конденсации.
Исследуя дальше это явление, Вильсон обнаружил, что электрические заряды могут также служить центрами конденсации. Если тщательно очистить воздух от пылинок, то пересыщенный пар конденсироваться не будет, но если создать в воздухе ионы, то вокруг каждого
Рис. 163. Следы пролетевших через камеру Вильсона заряженных частиц.
175
иона образуется маленькая капелька жидкости. На этом основан принцип работы камеры Вильсона, позволяющий видеть путь движения радиоактивных частиц.
Камера заполняется водяными парами. Пусть через камеру пролетит, скажем, альфа-частица. Она образует на своем пути много ионов. Если теперь быстро увеличить объем воздуха в камере, то он охладится и пары станут пересыщенными — они будут конденсироваться на ионах. Маленькие капельки, образованные вокруг ионов, сольются в одну цепочку и воспроизведут траекторию пролетевшей альфа-частицы. Эти траектории фото-
графируются и по полученным снимкам можно судить о всех превращениях, происшедших с частицей на пути ее следования.
Подобно тому, как охотник различает следы зверя на свежевыпавшем снегу и по отпечаткам этих следов может сказать, какому зверю они принадлежат, так и физик, по следам пролетевшей в камере Вильсона частицы, может рассказать основные свойства этой частицы.
Существуют и другие методы обнаружения радиоактивного излучения.
МЕЧЕНЫЕ АТОМЫ
Известно, что с движением атомов и молекул связаны многие свойства окружающих нас тел. Поэтому перед наукой давно стояла задача уметь следить за движением невидимых частиц вещества. Для этого нужно было найти способ как-то отличить отдельные атомы от других атомов того же химического элемента. Ученые давно пытались пометить атомы, как, например, метят птиц или других животных, за которыми хотят провести наблюдение.
Но ведь не только глазом можно следить за движением тел. По звуку самолета мы можем определить его местонахождение ночью или в облачную погоду. Радиосигнал, посылаемый радиопередатчиком самолета, также может помочь определить его местопребывание.
Радиоактивные атомы тоже посылают «сигналы» в виде излучения, и эти сигналы могут быть приняты, зарегистрированы специальным прибором.
176
Не может ли радиоактивное излучение служить для атомов меткой, с помощью которой удастся проследить их движение?
Может. Только надо иметь в виду, что радиоактивные лучи выделяются при радиоактивном распаде атома, то есть при его превращении в другой атом. «Меченый атом» недолговечен. Однако в процессах, за которыми наблюдают с помощью меченых атомов, участвует такое колоссальное их количество, что превращение даже десятков и сотен тысяч их почти не меняет общего числа атомов, «взятых под наблюдение».
Возможность использования радиоактивных атомов в качестве атомов меченых основана на том, что почти во всех процессах в природе изотопы одного и того же элемента ведут себя одинаково. При этом безразлично, являются ли какие-нибудь изотопы радиоактивными или нет. Например, при сжигании водорода, содержащего смесь легкого, тяжелого и сверхтяжелого изотопа, с кислородом соединяются в равной мере атомы всех этих изотопов, хотя легкий и тяжелый изотопы нерадиоактивны, а сверхтяжелый изотоп водорода (тритий) — радиоактивен. При попадании внутрь, скажем, организма человека смеси радиоактивных и нерадиоактивных атомов одного и того же элемента оба вида атомов
Рис. 164. Схема, рисующая движение радиоактивной пищи через пищевод кролика.
Рис. 165. Схема движения радиофосфора, введенного в кровь человека для исследования. Условной вспышкой обозначено излучение радиофосфора.
12 Путешествие внутрь атома
177
ведут себя химически и физически совершенно одинаково. Но радиоактивные атомы непрерывно излучают радиоактивные лучи, то есть сигнализируют о месте своего пребывания и. значит, о движении всей массы атомов данного элемента.
Если мы хотим наблюдать за каким-нибудь веществом, то нужно к нему подмешать такое же вещество, но содержащее атомы радиоактивного изотопа. Тогда по излучению радиоактивных изотопов можно судить о движении данного вещества.
Например, если нужно проследить за процессом обмена веществ в организме, в частности, узнать, где, в каких органах задерживается тот или иной элемент, принятый с пищей или лекарством, то к пище добавляется
вещество, содержащее радиоактивные атомы соответствующего элемента.
Скажем, к обычной поваренной соли добавляют немного соли, содержащей радиоактивные меченые атомы натрия (молекулы поваренной соли состоят из атомов натрия и хлора). Человек съел эту пищу и через несколько минут кровь разнесла меченые атомы по всему организму. Специальный прибор-счетчик, зажатый в руке исследователя, покажет, что и здесь появились меченые атомы.
Так можно проследить за путешествием атомов различных элементов по всему организму.
РАДИОАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В МЕДИЦИНЕ
Широкое применение радиоактивные изотопы, образующиеся при работе атомных котлов, получили в медицине. Одной из важнейших задач современной медицины является своевременное распознавание и лечение злокачественных опухолей (рак, саркома). Применение рентгеновских или радиоактивных лучей для лечения раковой опухоли дает очень хорошие результаты, эти лучи разрушают клетки опухолей, способствуя излечению больного. Но недостатком этого метода является то, что при облучении опухоли, особенно расположенной глубоко внутри организма, приходится подвергать облучению и здоровые ткани, а это часто приводит к ожогам и другим осложнениям.
Возникла проблема: надо найти способ облучать опухоль, не подвергая действию лучей другие ткани тела. Эта проблема успешно разрешается с помощью радиоактивных изотопов.
Например, для лечения заболевания щитовидной железы — базедовой болезни — очень действенным средством оказался радиоактивный йод. Щитовидная железа, расположенная впереди дыхательного горла, принадлежит к органам внутренней секреции, которые выделя
178
ют в кровь гормоны — вещества, регулирующие различные виды деятельности организма. Гормон щитовидной железы — тироксин—регулирует обмен веществ, потребление кислорода, влияет на работу сердца. В состав тироксина входит йод. При базедовой болезни щитовидная железа разрастается, тироксин вырабатывается в избытке. Вследствие этого усиливается обмен, увеличивается потребление кислорода. Это приводит к повышению температуры, истощению, нарушению работы сердца и нервной
Рис. 166. Измерение с помощью счетчика излучения радиоактивного йода, накопившегося в щитовидной железе больного.
системы.
До последнего времени в тяжелых случаях болезни прибегали
к оперативному вмешательству — удалению большей части щитовидной железы, чтобы уменьшить поступление в кровь ее гормона. Теперь
для лечения этой болезни используют свойство йода накапливаться в щитовидной железе. Давно было известно, что многие элементы при
введении их в организм накапливаются преимущественно в определенных органах и тканях. Например, кальций и стронций поглощаются преимущественно костной тканью, фосфор — клетками крови и костной тканью, йод же поглощается щитовидной железой.
Особенно сильно происходит накопление йода в ней при базедовой болезни. Если ввести в организм больного базедовой болезнью радиоактивный йод в виде водного раствора, он, накапливаясь в щитовидной железе, будет своим излучением разрушать клетки железы, что уменьшит размеры разросшегося органа. Это прекратит избыточную выработку гормона.
Существенно при этом то, что радиоактивный йод не оказывает никакого влияния на другие органы, поскольку он весь накапливается в щитовидной железе. Да и на нее он действует недолго. Иод быстро распадается и теряет свою радиоактивность. Через месяц-два в железе не остается и следа йода. Понятно, что йод и в этом отношении значительно лучше других радиоактивных элементов, скажем радия (период полураспада— 1 590 лет). Введенный внутрь, даже в ничтож-
12*
179
Рис. 167. Лечение заболеваний кожи с помощью радиоактивных веществ, лись лечить, как и раковые заболевания, путем облучения рентгеновскими или радиоактивными лучами, которые разрушают бурно разрастающиеся белые кровяные шарики. Однако успеха достигнуть не удалось. В настоящее время имеется уже ряд случаев излечения этой страшной болезни с помощью радиоактивных элементов. В кровь больного вводилась соль радиоактивного фосфора. Радиоактивный фосфор накапливается особенно сильно в костном мозгу, в больных клетках пораженного организма. Поэтому радиоактивный фосфор подвергал белые кровяные шарики облучению, так сказать в самом зародыше. Благодаря этому количество белых кровяных шариков резко уменьшилось и в состоянии больного наступило значительное улучшение.
Подобно этому для лечения саркомы (раковая опухоль костной ткани) применяют радиоактивный стронций, накапливающийся в костях.
ных количествах, радий подвергал бы человека непрерывному облучению на протяжении всей его жизни.
Радиоактивные изотопы применяют для лечения белокровия («лейкемии»). Лейкемия — это болезнь костного мозга, в результате которой в громадном количестве вырабатываются белые кровяные шарики. При этом в крови становится очень мало красных кровяных шариков, так что кровь уже не может переносить
кислород и человек погибает. До последнего времени белокровие пыта-
Рис. 168. Лечение радиоактивными лучами при помощи терапевтической гамма-установки.
180
Широкое применение в медицине для лечения рака получил искусственно радиоактивный кобальт-60, он излучает мощные гамма-лучи. Кобальт почти полностью вытеснил во много раз более дорогой радий. Кобальт имеет несколько преимуществ перед радием: гамма-лучи кобальта почти однородны по своей проникающей способности, а у радия— неоднородны; радий, распадаясь, образует радиоактивный газ — радон, который может через воздух попасть в дыхательные органы больного, кобальт же не образует газа. Кобальт применяют как для лечения злокачественных опухолей, расположенных на поверхности тела, так и внутри тела.
С помощью радиоактивных элементов медицина разрешает много и других задач, но и приведенных примеров достаточно, чтобы понять значение атомной энергии в борьбе за здоровье человека.
РАДИОАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В БИОЛОГИИ И СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Для успешного решения грандиозных задач, поставленных перед сельским хозяйством Коммунистической партией Советского Союза, большое значение имеет новый метод исследования, с помощью которого удается установить неизвестные ранее закономерности развития растительного и животного организмов, поднять урожайность, получить новые высокоценные сельскохозяйственные культуры. Это — метод меченых атомов.
В сельскохозяйственной науке, изучающей растения, животных и продукты их жизнедеятельности, пользуются, естественно, главным образом радиоактивными изотопами тех элементов, из которых построена основная масса живых организмов и которые принимают существенное участие в жизненных процессах. Это прежде всего угле-1 род, водород, кислород и азот, а также фосфор, сера, железо, натрий и некоторые другие.
В сельскохозяйственных исследованиях удобнее пользоваться теми из радиоактивных изотопов, у которых большой •период полураспада. В противном случае меченые атомы распадутся почти полностью еще до того, как закончится эксперимент.
Для поднятия урожайности огромное значение имеет правильное удобрение почвы. Но чтобы получить наи-
181
лучшие результаты, нужно знать, когда и каким образом вносить удобрение, как влияет на усвоение его растением глубина заделки, вид удобрения (раствор, порошок, гранулы) и т. п. На эти вопросы нельзя ответить «вообще», ответы будут зависеть от конкретных почвенно - климатических условий. Меченые атомы могут оказать здесь очень большую помощь и в каждом отдельном случае быстро и точно дать соответствующие ответы. Этот метод позволяет узнать, как говорил К. А. Тимирязев, «мнение
самого растения» относительно удобрения.
Старыми методами при химическом анализе по-
Рис. 169. Схема прибора для измерения радиоактивности листа растения.
сделать это было трудно. Так, например, ступления в растение какого-нибудь элемента, содержащегося в удобрении, скажем фосфора, нельзя было определенно ответить на вопрос: поступил ли фосфор из удобрения или непосредственно из почвы. Приходилось проводить опыты на удобренной и неудобренной почве и по разности результатов судить об усвоении удобрения растениями.
Меченые же атомы позволяют легко отличить элементы, поступающие из удобрения, от тех же элементов, усвоенных из почвы.
Пусть мы желаем выяснить усвояемость фосфора из фосфоросодержащих удобрений. Для этого удобно пользоваться бета-радиоактивным изотопом фосфора. Если мы хотим исследовать поведение, скажем, суперфосфата, то приготовляют суперфосфат с добавкой меченых атомов фосфора. Ясно, что слишком большое количество радиофосфора в удобрении нежелательно, большие дозы радиоактивных лучей вредны для растений.
Чтобы выяснить наиболее целесообразные условия применения суперфосфата, на опытном поле меченое удобрение вводится на раз
личных участках по-разному, затем на этом поле высаживают какую-нибудь культуру, и изо дня в день измеряют радиоактивность листьев растущих растений. То растение, в котором лучше усваивается фосфор из удобрения, будет раньше и больше излучать радиоактивные лучи, что и зарегистрирует счетчик. Растение как бы «расскажет»
182
счетчику о том, как ему легче всего использовать предложенное ему удобрение.
Таким образом, мы можем наглядно выяснить, когда в естественных условиях корни растения под землей достигнут удобрения и как хорошо они его используют.
Подобные опыты позволили установить, что кукуруза и хлопчатник усваивают фосфор лучше при местном введении удобрений, чем при разбрасывании, а другие растения, наоборот. Так было установлено, что кукуруза особенно активно забирает фосфор в ранние сроки вегетации, картофель в течение всего времени роста усваивает фосфор удоб<-рений лучше, чем фосфор почвы, а соя, наоборот, почти весь нужный ей фосфор берет из почвы.
Исключительно большую помощь в изучении развития сельскохозяйственных культур оказал метод меченых атомов при изучении роли микроэле
Рис. 170. Радиоавтограф растения, поглощавшего корнями радиоактивные соединения.
ментов.
Микроэлементами называют такие химические элементы, которые поступают в живой организм в ничтожных количествах, но без которых, тем не менее, невозможно развитие организма. Например, медь, цинк, марганец и другие вещества находятся в почве в количествах, измеряемых сотыми и тысячными долями процента, но при отсутствии этих веществ растение заболевает. И, наоборот, введение в почву небольших количеств этих элементов (микроудобрений) может значительно повысить урожай. Так как эти элементы поступают в растение в чрезвычайно малых количествах, то применение обычного химического анализа весьма затруднительно.
Почти половина сухой массы растений состоит из углерода. Все питательные вещества/ получаемые в конечном итоге из растений, содержат углерод. Углерод — это основа органических веществ растения. Поэтому для биологии очень важным является изучение углеродного питания растений. Вплоть до конца XVIII века считали, что
183
Рис. 171. Опыт по изучению усвоения корнями растения углекислоты почвенных газов.
углерод усваивается растением из почвы. Но в первой половине XIX века опытным путем было доказано, что растения с помощью листьев при их освещении солнцем поглощают углекислый газ из воздуха. С тех пор в биологии укрепилось представление о световом, воздушном питании растений. Так как на свету растения не только поглощают углекислый газ, но и выделяют кислород, то сложилось мнение, что углекислый газ, поглощаясь листьями растений, под влиянием солнечного света, разлагается. Причем, кислород выделяется растением наружу, а углерод, соединяясь с водой, образует углеводы, а затем и другие продукты. К. А. Тимирязев показал, какую важную роль в этом процессе играет зеленое вещество листа — хлорофилл. Именна хлорофилл поглощает световую энергию солнечных лучей и использует ее для превращения простых, бедных энергией веществ в богатые энергией соединения — углеводы.
Предполагалось, что углекислый газ в листе растения соединяется с хлорофиллом, который за счет накопленной солнечной энергии и отрывает от углекислоты кислород. Советские ученые А. П. Виноградов и Р. В. Тейс методом меченых атомов доказали, что кислород выделяется не из углекислого газа, а из воды, то есть на свету идет не разложение углекислоты, а разложение воды с выделением кислорода. Больше того, выяснилось, что углекислый газ может поглощаться растением и в темноте, вопреки установившемуся взгляду, что в темноте растение поглощает кислород и выделяет углекислый газ. Отличие между поглощением этого газа на свету и в темноте только в том,
184
что, поглощаясь в темноте, газ не претерпевает дальнейших превращений и, накапливаясь в растении, останавливает эту реакцию.
На свету же газ взаимодействует с продуктами разложения воды, что приводит к новому поглощению газа. Поэтому на свету и наблюдается энергичное поглощение углекислоты листьями растений.
Но когда выяснилось, что поглощение углекислого газа листом растения не зависит от света, естественно возникла мысль — обязательно ли углерод попадает в растение из воздуха? Может быть, и корни доставляют растениям углекислоту?
В 1955 году советские ученые А. Л. Курсанов, А. М. Кузин и другие, применив меченые атомы, с несомненностью
Рис. 173.
Полевая камера для получения меченых растений.
Рис. 172.
Установка для получения растений, меченых радиоактивным углеродом.
1. Камера из плексиглаза. 2. Счетчик для учета концентрации радиоактивного углекислого газа. 3. Манометр. 4. Бюретка для кислоты. 5. Углекислый барий.
доказали, что растение корнями забирает из почвы углеродистые соединения и переводит углерод в стебель и листья, где он в процессе фотосинтеза используется для образования углеводов.
Как указывает профессор А. М. Кузин, через корни может поступать в растение значительное количество углерода. Это количество меняется^ достигая порой более одной трети всего поглощаемого углерода.
Результаты последних исследований по-новому освещают роль углерода почвы и дают сельскому хозяйству еще одно средство повышения уро-
185
Рис. 174. Лист растения, выращенного в земле с радиоактивным удобрением (слева — негатив, справа — позитив).
жайности путем использования как углекислых солей, так и органических удобрений.
Значение удобрения для прорастания многих культур очень велико. Но внесенные в почву удобрения достигают цели не всегда — раствор поглощается верхними слоями почвы и не достигает корневой системы растения. Поэтому давно возникла проблема внекорневой подкормки растений, то есть такой подкормки, при которой поглощение удобрений происходит поверхностно, через листья.
До недавнего времени внекорневая подкормка практически применялась редко, так как трудно было выяснить в каждом конкретном случае, как усваивается удобрение листьями растения.
Применив меченые атомы, ученым удалось ответить на этот вопрос. Оказалось, что в определенные периоды развития растения степень поглощения удобрения через листья значительно больше, чем из почвы. Применяя современную и нужную растению внекорневую подкормку, удается значительно повысить урожайность различных сельскохозяйственных культур.
Важное значение получили меченые атомы и для изучения обмена веществ у животных.
А ведь продуктивность сельскохозяйственных животных прежде всего зависит от интенсивности обмена веществ в их организме. Регулируя питание коров, можно, влияя на обмен веществ, добиваться увеличения удойности. Но для разумного регулирования питания жи
186
вотных надо изучить те сложные превращения, которые претерпевают корма, попадая в организм животного.
Для изучения обмена веществ в животном организме различные элементы пищи метят каким-нибудь радиоактивным изотопом.
Применение меченых атомов для исследования процессов обмена позволило прежде всего выяснить вопрос скорости усвоения пищи. Если дать животному выпить раствор радиоактивного сахара, то уже через несколько минут можно обнаружить в выделяемом им воздухе радиоактивный углекислый газ. Это значит, чта за такой короткий промежуток времени сахар успел проникнуть в ткани организма, вступить с ним в обменные реакции и в результате продукт его окисления — радиоактивный углекислый газ — оказался в выделенном воздухе.
Рис. 175. Радиоавтограф растения, получившего внекорневую подкормку меченым фосфатом.
187
Рис. 176. С помощью такой установки можно исследовать распределение радиоактивных веществ, вносимых в организм животных с пищей.
Далее было выяснено, что пища у животных, усваиваясь, идет не непосредственно на выделение энергии, а в первую очередь на построение тканей, а вещества, ранее бывшие в них, распадаются, дают энергию организму, а продукты их распада выводятся из организма.
Использование радиоактивных изотопов особенно важно для изучения роли и значения микроэлементов в жизнедеятельности животных. Дело в том, что много болезней животных вызываются недостаточностью того или иного микроэлемента в корме.
Весьма важное применение получили радиоактивные изотопы в борьбе с вирусными заболеваниями в сельском хозяйстве. Вирусные заболевания растений приводят порой к снижению урожайности на 35—50 процентов.
Вирус — это особое белковое образование, занимающее промежуточное положение между живыми и не
живыми существами. Вирусы не могут размножаться вне живых организмов. Вирусы почти не отличаются от белков поражаемого ими животного или растения. Попав в живой организм, вирус начинает поглощать питательные вещества, размножаясь за их счет в ущерб организму — «хозяину». Исследование свойств вирусов оказалось возмож-
ным только методом меченых атомов и позволило решить ряд вопросов борьбы с вирусными заболеваниями.
Интересное применение получил метод меченых атомов в пчеловодстве. При подкормке пчел медом, содержащим радиоактивный фосфор, можно пометить пчел данного улья. А это позволяет легко следить за поведением пчел, за дальностью их полета, посещаемостью
ими чужих ульев и цветочных массивов.
Был применен метод меченых атомов и для маркировки рыб при решении многих задач, важных для рыбного хозяйства.
Из приведенных примеров уже ясно, какое широкое применение имеет и еще больше будет иметь метод меченых атомов в исследованиях сельскохозяйственных проблем. Он позволит поднять наше сельское хозяйство на новую, еще более высокую ступень развития.
И советские ученые, используя метод меченых атомов и другие новейшие достижения науки, всё активнее помогают практикам сельского хозяйства в решении этой крупнейшей всенародной задачи.
188
АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ ВЫЗЫВАЕТ ДОЖДЬ
Получить искусственный дождь! Тысячилетиями об этом мечтало человечество. И вот теперь с помощью атомной энергии удалось вплотную подойти к решению этой заманчивой проблемы. Последние несколько лет работами американских и советских ученых была подтверждена возможность получения дождя из неустойчивых облаков. Неустойчивое облако состоит из переохлажденных капель. Если такое облако «засеять» частичками сухого льда, то облако принимает менее устойчивое состояние и превращается в смесь кристаллов льда и капель воды. В таком облаке частицы сухого льда быстро испаряются, резко понижая температуру окружающей среды. При достаточно низкой температуре переохлажденные капли воды превращаются в крупицы льда, которые растут за счет пара соседних капель, становятся снежинками и падают вниз. Когда же они достигают более теплых слоев воздуха под облаком, снежинки превращаются в капли дождя. (Н. Смирнов).
Таким же методом часто удается разрушать и рассеивать низкие облака и туманы, мешающие, скажем, работе гражданской авиации.
Советские ученые разработали еще более замечательные методы химического воздействия на облака. Интересно, что проводить такое воздействие на облака можно с помощью таких веществ, которые одновременно являются химическими удобрениями, например, фосфорными и азотистыми соединениями.
Но при всей важности этих работ ясна их ограниченная применимость. Совсем недавно научный коллектив под руководством профессора Б. В. Дерягина приступил к решению значительно более важной и трудной задачи — созданию облаков и осадков. Ученые показали, что при облучении воздуха радиоактивными лучами в нем возникают мельчайшие капельки воды, которые быстро увеличиваются и превращаются в капли дождя.
Во многих местах нашей страны существуют неустойчивые состояния атмосферной влаги. Радиоактивные излучения в этом случае увеличат неустойчивость и могут привести к выпаданию осадков там, где их недостаточно. Особенно хорошо действует в этом отношении излучение кобальта-60.
Пока эти работы носят еще лабораторный характер, но нет сомнения, что наука вплотную подошла к практическому осуществлению искусственного дождевания.
РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗОТОПЫ В ТЕХНИКЕ
Радиоактивные атомы охраняют здоровье рабочих
Широкое применение получают радиоактивные элементы в технике безопасности, для охраны здоровья рабочих.
На некоторых производствах при обработке металлов, содержа-
189
Рис. 177. Работа в защитном пневмокостюме, предохраняющем от вредного действия радиоактивных лучей.
ших углерод, в воздухе может появиться вредный для здоровья угарный газ — окись углерода. Если к обычному углероду, входившему в состав рабочих материалов, примешать радиоактивный углерод, то появление в воздухе окиси углерода легко обнаружить. Счетчики, расположенные в помещении, сразу же дадут сигнал тревоги.
Недавно за границей был сконструирован такой пресс, который совершенно безопасен при работе с ним. Такая безопасность обеспечивается действием радиоактивных элементов. Дело в том, что пресс включается и выключается автоматически под действием радиоактивных лучей.
У рабочего на обе руки одеваются тонкие металлические брасле-
ты, которые содержат радиоактивные вещества. Если рабочий, забывшись, просунет руку внутрь пресса, то радиоактивные лучи
воздей-
ствуют на счетчик, который моментально остановит пресс.
Если же рабочий, приступая к работе, не оденет на руки браслеты, то пресс не начнет работать, так как без радиоактивного сигнала пусковой механизм не сработает.
Радиоактивные атомы помогают находить нефть
Еще сравнительно недавно думали, что нефть образует в недрах Земли большие озера. В действительности же теперь точно доказано, что нефть заполняет трещины или поры горных пород.
Чтобы добыть нефть бурят скважины до пласта, содержащего нефть. Диаметр, такой скважины равен 25—30 сантиметрам, а глубина иногда достигает 4—5 километров.
Чтобы нефть могла притекать из пласта в скважину, пласт должен не только содержать нефть, но и быть пористым, проницаемым. Поэтому прежде всего нужно определить, где находятся такие пласты.
Пусть по некоторым признакам определили, что в данном районе под землей, возможно, находится нефть. Тогда здесь начинают бурить разведочные скважины и исследуют горные породы. Существует несколько методов такого исследования. Наиболее совершенный — это
190
Рис. 178. Схема нейтронного кароттажа. 1— защита. 2 — источник нейтронов. 3 — ионизационная камера. 4 — нейтронный счетчик.
«радиоактивный карротаж». Слово «карро-таж», как объясняет С. Контор, происходит от французского «каррот»—морковь, так назвали во Франции поднятые из скважины образцы породы, напоминающие по форме морковину. В дальнейшем этот простой старый способ был вытеснен «электрическим карротажем», когда никаких «морковок» уже не вынимали, но термин «карротаж» остался. При электрическом карротаже в скважину опускают электрический кабель и определяют электрические свойства пород. Но этот метод не всегда дает возможность определить нефтеносный слой. В последнее время нефтяникам пришел на помощь радиоактивный карротаж, который применяется в двух видах: гамма-карро-таж и нейтронный гамма-карротаж.
Метод гамма-карротажа основан на том, что все горные породы содержат в большем или меньшем количестве радиоактивные элементы— уран, торий и другие. Выделяющиеся при радиоактивном распаде гамма-лучи могут проходить под землей сравнительно
большие расстояния. Поэтому, если в скважину опустить на кабеле счетчик, то по мере движения прибора по скважине можно судить о радиоактивности различных пластов на разных глубинах, а это позволяет судить о нахождении нефтеносного пласта.
Нейтронный карротаж основан на том, что нефть в основном состоит из углеводов, то есть содержит много водорода. Как мы уже знаем, нейтроны лучше всего замедляются ядрами водорода. Поэтому, опуская в скважину источник нейтронов, мы будем иметь вблизи прибора много медленных нейтронов, если только поблизости есть нефть. Медленные нейтроны хорошо поглощаются ядрами атомов, после чего э*ги ядра излучают гамма-лучи.
Вместе с источником нейтронов опускается в скважину и счетчик, который фиксирует эти гамма-лучи. Нейтронный карротаж значительно облегчает поиски нефти.
В настоящее время для перекачки нефти и газа всё чаще применяются нефте- и газопроводы. По плану шестой пятилетки в нашей стране будет построен ряд крупных проводов. Самый крупный в Европе газопровод Ставрополь—Москва имеет протяженность около 2 000 километров.
В связи с этим представляют интерес следующие применения радиоактивных изотопов. Пусть по одному и тому же проводу необходимо перекачать сперва один нефтепродукт, а затем другой, скажем бензин и керосин. Для того чтобы на приемной базе не смешались
191
Рис. 179. Схема определения места обрыва ерша в газопроводе.
эти различные сорта топлива, между ними закачивают пару бочек топлива, содержащего какое-нибудь радиоактивное вещество.
В конце трубопровода перед вентилем помещают счетчик радиоактивных лучей. Когда счетчик зарегистрирует подход меченого топлива, автоматически переключается вентиль и новый сорт топлива направляется в другой резервуар.
А вот еще такое применение.
землей, часто
При прочистке трубопроводов, проложенных под
применяются специальные металлические ерши, их протягивают вдоль трубы. Случается, что такой ёрш застревает в трубопроводе.
Поскольку трубопроводы обычно весьма длинны, то найти ёрш и извлечь его довольно трудно. Теперь к ершу прикрепляют кусочек радиоактивного изотопа кобальта, испускающего гамма-лучи. Если ёрш где-нибудь застрянет в трубе, его очень легко обнаружить при
помощи счетчика по гамма-излучению, легко проникающему через стенки трубы и слой земли.
Радиоактивные изотопы в металлургии, машиностроении и других отраслях промышленности
Радиоактивные изотопы получили самое широкое применение в металлургии и машиностроении, оказывая неоценимые услуги при разработке новых методов производства, при контроле и автоматизации производственных процессов.
Вот несколько примеров.
Внутренние части доменных печей, соприкасающиеся с расплавленным чугуном и шлаками, покрывают толстым слоем огнеупорного кирпича. От высокой температуры этот слой постепенно разрушается. Если это разрушение не будет своевременно обнаружено и печь не будет остановлена для предупредительного ремонта, может произойти серьезная авария. Контроль резъедания огнеупорной футеровки до последних лет был весьма затруднителен. Теперь ученые предложили хдля контроля использовать радиоактивный изотоп кобальта.
Во время постройки или при капитальном ремонте доменной печи в огнеупорную кладку замуровывают на различной глубине несколько кусочков радиоактивного кобальта. Помещая счетчик радиоактивных лучей с наружной стороны стенки доменной печи у тех мест, против которых замурован кобальт, можно легко обнаружить интенсивное
192
гамма-излучение, так как эти лучи легко пронизывают кирпич толщиной около 0,5 метра. Такие измерения время от времени производят во время работы доменной печи. Когда огнеупорный кирпич разрушится до такого предела, что в чугуне растворится кусочек кобальта, замурованный в стене печи, то счетчик, поднесенный в этом месте к доменной печи, сразу обнаружит «пропажу». Наблюдая исчезновение всё более глубоко замурованных кусочков радиоактивного кобальта, можно контролировать скорость разрушения слоя огнеупорного кирпича и выбрать наиболее удобный момент для остановки доменной печи на ремонт. Между прочим, так было выяснено, что нижняя часть кладки разрушается исключительно быстро, сразу же после начала работы печи. Этот факт весьма важен для металлургов.
Радиоактивные изотопы были применены и для измерения скорости движения газов через слой кусковых или сыпучих материалов. В частности этот радиоактивный метод был использован для исследования характера движения
Рис. 180. Схема установки для определения скорости движения газов в доменной печи.
продуваемых газов через шихту в доменной печи. Для этой цели применялся радиоактивный газ — радон в ампулах, которые помещались на разных высотах в стенке печи. В нужный момент ампулы автоматически разбивались, и порция радона смешивалась с поступающим в печь воздухом. У выхода газа из печи были установлены специальные счетчики, позволявшие зарегистрировать с большой точностью моменты появления радиоактивности. Определив, таким образом, интервалы времени, в течение которых воздух проходил определенное расстояние от основания до вершин, можно было легко вычислить скорость движения воздуха на разных уровнях в доменной печи. Полученные результаты имеют большое значение для металлургии.
Довольно часто при производстве стали и других металлов в них попадают различные небольшие примеси — частицы шлака и огнеупоров, резко ухудшающие качество металла. В производственных условиях нелегко бывает определить, откуда попадают эти вредные загрязнения.
Оценить влияние отдельных источников в загрязнении стали посторонними примесями можно путем примешивания радиоактивных
13 Путешествие внутрь атома
193
Рис. 181. Определение уровня чугуна в вагранке. 1—вагранка. 2—чугун. 3—шихта. 4—контейнер с кобальтом. 5—счетчик. 6—усилитель. 7—измерительный прибор.
изотопов к тем веществам, с которыми соприкасается сталь в процессе ее производства. Подобный случай имел, например, место на Московском заводе «Серп и Молот» при производстве подшипниковой стали, в которую попадали по неизвестной причине небольшие количества кальция, отчего сталь теряла необходимые свойства. Источник загрязнения нашли В. А. Григорян и А. М. Самарин, применив метод меченых атомов. Вводя радиоактивный кальций в различные вещества, которые соприкасались со сталью в
процессе ее получения, исследователи нашли источник загрязнения
и смогли принять меры для его устранения.
При помощи радиоактивного кобальта можно легко следить за уровнем чугуна в вагранке. Этот метод применим вообще для изме
рения уровня жидкости или сыпучего тела в непрозрачном сосуде. Для этой цели по одну сторону вагранки помещают свинцовую коробку-контейнер с источником излучения (кобальт), а по другую сторону— счетчик. Открыв затвор контейнера, направляют на счетчик узкий пучок гамма-лучей; они проходят через стенки вагранки и через шихту, находящуюся над жидким чугуном. Медленно опуская контейнер с кобальтом и одновременно счетчик, можно легко заметить момент резкого падения интенсивности проходящего через вагранку гамма-излучения. Это произойдет тогда, когда гамма-лучи встретят на своем пути жидкий чугун, который поглощает их значительно сильнее.
При помощи специальной электронной схемы источник излучения и счетчик автоматически перемещаются, пока не установятся против верхнего уровня жидкости.
За последние годы металлурги стали применять радиоактивные изотопы для метки различных марок стали.
Это позволяет просто и быстро отличать их друг от друга в то время, как раньше для этого требовалось много времени и труда. Пользуясь методом меченых атомов при плавке стали, к ней добавляют небольшое, но определенное количество какого-нибудь радиоактивного элемента, испускающего проникающие гамма-лучи. Конечно, количество добавленного вещества должно быть ничтожным, чтобы радиоактивные излучения не могли оказать вредного действия на лю
194
дей. Кроме того, эти добавки не должны изменять физических и химических свойств данного сорта стали. При такой метке установить марку стали можно практически мгновенно при помощи счетчика радиоактивного излучения.
Будет ли машина работать надежно, зависит прежде всего от качества материалов и тщательности изготовления. Современная технология не может абсолютно гарантировать отсутствие случайных скрытых дефектов в литых или сварных деталях машин. А наличие таких дефектов — трещины, поры и т. п.— * может привести к серьезной аварии. Особую опасность они представляют в случае изготовления из таких деталей самолетов, тепловозов, автомобилей, моторов, турбин и других машин. Поэтому перед механической обработкой литья или поковок, в особенности если они крупного размера, очень важно установить, нет ли внутри них дефектов. Это можно сделать при помощи просвечивания крупных деталей рентгеновскими лучами, что, однако, практически неудобно из-за громоздкости рентгеновской установки и из-за того, что современные рентгеновские трубки не позволяют просвечивать металл, толщина которого более 2—3 сантиметров.
В настоящее время успешно применяется значительно более простой и дешевый метод просвечивания изделий гамма-лучами, получивший название гаммаграфии. Экономичность этого метода объясняется главным образом легкостью получения различных радиоактивных изотопов.
При помощи гаммаграфии в настоящее время проверяется качество различных сварных швов. Этим способом, например, контролировали сварные стыки газопровода Ставрополь — Москва.
Использование гамма-лучей для проверки качества сварки при обшивке
Рис. 182. Установка для гамма-просвечивания.
Рис. 183. Схема просвечивания сварного шва гамма-лучами.
1. Источник гамма-лучей.
2. Сварной шов с непроваром.
3. График интенсивности лучей.
4. Изображение шва.
195
Рис. 184. Гамма-снимок стального механизма.
кораблей позволило значительно снизить брак и повысить производительность труда.
В процессе прокатки стальных листов на металлургических заводах изменение толщины обрабатываемого металла достигается увеличением или уменьшением давления на валки прокатного стана. Вся работа по регулировке этого процесса и контролю за толщиной проката может быть автоматически осуществлена с помощью радиоактивных элементов.
Радиоактивный изотоп, испускающий проникающие гамма-лучи, помещают по одну сторону прокатываемого листа, а счетчик — по другую. Если толщина прокатываемого листа уменьшается, то электрический ток в счетчике усиливается. Наоборот, при увеличении толщины ток уменьшается. В соответствии с этими сигналами специальный аппарат автоматически увеличивает или уменьшает давление на валики прокатного стана и тем самым поддерживает постоянную толщину прокатываемого изделия.
Точно таким же методом поддерживают постоянной толщину при изготовлении стекла, толщину ткани в текстильной промышленности.
Весьма важен для машиностроения вопрос о скорости износа
резцов и других деталей при обработке ими металла. В этой области были также проведены большие исследования при помощи радиоактивных излучений. Так, исследуемая деталь изготовляется из металла, в который при плавке были введены ничтожные количества радиоактивного изотопа. Затем собирают стружку при резании металла рез
Рис. 185. Гамма-снимок сварного шва, имеющего дефекты.
196
цом и определяют счетчиком ее радиоактивность, по величине которой рассчитывают износ режущего инструмента.
Таким образом удается выбрать наиболее подходящие металлы для изготовления режущего инструмента, геометрическую форму резца, наиболее благоприятный режим резания. Точно так же следят за износом подшипников и за влиянием на износ различных видов смазки. Для этого в подшипниковый сплав вводят радиоактивные изотопы, испускающие гамма-лучи и проверяют радиоактивность масла. Замечательная особенность этого метода состоит в том, что нет никакой необходимости отбирать пробы масла. Достаточно установить счетчик у поверхности маслопровода, по которому циркулирует масло. Гамма-излучение легко проникает через сравнительно тонкую
Объект	Рлдиолктпибный
Рис. 186. Схема установки
для измерения толщины проката.
Рис. 187. Контейнер для переноски радиоактивных изотопов.
стенку маслопровода и действует на счетчик. Этот метод позволяет непрерывно следить за износом подшипника, что очень важно, например, для пассажирских самолетов.
Одной из важнейших задач современного машиностроения является борьба с коррозией (ржавлением) металлов. В результате коррозии машины постепенно разрушаются и ежегодно выходит из строя огромное количество металлических деталей. Применение метода меченых атомов позволяет исследовать, как происходит коррозия различных металлов в разнообразных условиях, а это помогает разрабатывать наиболее разумные методы защиты поверхности металлического изделия от разрушения.
197
Для обнаружения в каком-либо образце ничтожно малых количеств различных химических элементов применяют новый сверхчувствительный «радиоактивационный анализ». Это особенно важно при изготовлении некоторых полупроводников, получающих широкое применение в технике. Дело в том, что сопротивление, скажем, пластинки германия (химический элемент-полупроводник) изменяется в десятки раз, если ввести в нее одну миллионную долю процента другого элемента. Такие малые примеси можно определить только методом ра-диактивационного анализа. Для этого исследуемый образец облучают в атомном котле нейтронами. Нейтроны, поглощаясь атомами примеси, делают их радиоактивными. Измеряя затем интенсивность радиоактивных лучей, можно определить, какое количество примесей содержится в образце.
Использование достижений ядерной физики не ограничивается только использованием радиоактивных элементов. В самое последнее время в металлургии стали применять нейтронные лучи. Если поместить твердое тело вблизи атомного котла и подвергнуть его нейтронному излучению, то происходит изменение свойств тела.
Так, при облучении металлов мощными потоками нейтронов изменяется их прочность, твердость, электросопротивление и т. п. Предел прочности стали, облученной нейтронами, может увеличиться более чем на 5О°/о.
Радиоактивные изотопы позволяют определить механизм ряда химических процессов. Вот интересный пример, приведенный профессором М. Б. Нейманом.
В лекции о применении радиоактивных изотопов в промышленности он рассказывает о том, как при помощи радиоактивного углерода было непосредственно показано, что каучук в растениях может образоваться из сахара. Для этой цели был приготовлен образец сахара, содержащий в своем составе радиоактивный изотоп углерода. Раствор этого радиоактивного ‘сахара ежедневно наносился кисточкой на листья кок-сагыза, высаженного в вазон. Кончик корня кок-сагыза был выведен через отверстие наружу. Этот кончик надрезался бритвой, и вытекавший при этом млечный сок, содержащий каучук, собирали. Химическими методами из млечного сока выделяли чистый каучук, который исследовали при помощи счетчика. Оказалось, что в каучуке уже через несколько дней после начала опыта можно было обнаружить радиоактивность, которая по мере продолжения опыта, постепенно возрастала и достигала максимального зна
Рис. 188. Прибор для изучения диффузии серы в каучуке.
198
чения примерно через две недели. Эти опыты показали, что каучук в растениях может образоваться из сахара.
Особенно важно применение радиоактивных изотопов в новой бурно развивающейся отрасли химической промышленности — производстве пластмасс. Значение пластмасс в технике огромно. Ведь пластмассам можно придать твердость гранита и легкость дерева, прочность стали и жароустойчивость асбеста, кислотоустойчивость свинца и прозрачность стекла, гибкость бумаги и электросопротивление фарфора.
Пластмассы создают путем полимеризации различных химических соединений. Полимеризация — это химическая реакция соединения множества молекул в одну сложную молекулу, имеющую форму длинной цепочки, называемой полимером.
Обычно для осуществления такой реакции применяют высокие температуры и давления, необходимо также наличие католизатора. С помощью радиоактивных облучений получают новый метод полимеризации, не требующий ни высокой температуры, ни катализатора.
Существенно, что этот радиоактивный метод позволяет сознательно регулировать процесс полимеризации, то есть получать полимеры с желательными свойствами.
Более того, облучая уже готовые полимеры, также можно менять их физико-химические свойства.
Очень большие ‘перспективы следует ожидать от недавно открытого «радиационного» метода превращения нефти в бензин. Если нефть пропускать через атомный котел, то, вследствие ее облучения гамма-лучами, из нефти выделится большее количество бензина, чем при обычном весьма сложном дорогом способе — крекинге.
У профессора Неймана описан такой пример применения радиоактивных изотопов в легкой промышленности. При производстве некоторых искусственных синтетических волокон в результате трения они легко электризуются. Вследствие электризации волокно притягивает к себе частицы пыли, на наэлектризованном волокне легче образуются узелки, что ведет к браку и к обрывам нити. Кроме того, сильная электризация материала затрудняет работу обслуживающего персонала и может привести к искрообразованию и возникновению пожаров. Для борьбы с этим электричеством применяются радиоактивные изотопы. Для этой цели изотопы осаждают на тонких пластинках, которые размещаются в местах, где образование электрических зарядов особенно вероятно. Благодаря радиоактивным излучениям воздух ионизируется и начинает проводить электричество. Поэтому накопление электричества на волокне становится невозможным.
Одной из областей, в которой применение достижений ядерной физики особенно перспективно, является пищевая промышленность. В борьбе с вредными микробами, для улучшения условий хранения сельскохозяйственных продуктов, для получения новых полезных форм растений и микробов — всюду будут использоваться радиоактивные излучения.
199
Рис. 189. Камера для радиоактивного облучения мясных туш.
Давно известно, что солнечные лучи губительны для многих болезнетворных бактерий. Оказывается, что за это ответственны невидимые ультрафиолетовые лучи. Однако из-за их весьма слабой проникающей способности (тонкий лист бумаги полностью поглощает ультрафиолетовые лучи) пользоваться ими для дезинфекции практически невозможно.
Проникающие радиоактивные излучения, убивающие микроорганизмы, могут быть использованы для стерилизации и консервирования пищевых продуктов. Основной задачей при этом является определение доз, необходимых для надежной стерилизации продуктов. Для некоторых пищевых продуктов эта задача уже решена. Разумеется, необходимо выяснить также, какие изменения происходят в пищевых продуктах под влиянием излучений. В самом деле, в пищевых продуктах под влиянием излучений могут образоваться химические вещества, вредные для здоровья, или могут разрушаться витамины, что понизит качество пищевых продуктов. Дальнейшие исследования в этом направлении позволят хранить пищевые продукты, завернутые в подходящую оболочку, например в целофан, и облученные гамма-лучами. В результате такой стерилизации ряд скоропортящихся продуктов можно будет хранить значительно более продолжительное время.
Применение жестких (проникающих) радиоактивных лучей позволит убивать микроорганизмы, не прибегая к повышению температуры. Поэтому возможно приготовление нового типа консервированных продуктов — мяса, фруктов и т. д., путем запаивания их в металлические банки с последующим облучением. Легко проникая сквозь тонкие металлические стенки консервных коробок, гамма-лучи высокой энергии убивают микроорганизмы. В таких приготовленных на холоду консервах должны сохраняться неприкосновенными витамины и ряд дру-
200
тих составных частей сырых продуктов, которые распадаются при высоких температурах.
Таким образом, при лучевой стерилизации, в отличие от температурной, которая до сих пор применялась, не требуется Расходовать топливо или электроэнергию, не происходят нежелательные изменения в продуктах и достигается более полное уничтожение бактерий, особенно их спор.
Радиоактивные элементы применяются даже в археологии, позволяя определить возраст различных предметов, найденных при раскопках. Роль «часов» здесь может играть радиоактивный углерод. Дело в том, что атомы атмосферного азота при попадании в них космических лучей превращаются в атомы радиоактивного углерода- В земной атмосфере соотношение обыкновенного и радиоактивного углерода почти неизменно. Радиоуглерод образует с кислородом углекислый газ, который может поглощаться растениями. В живущем растении, также как и в атмосфере, соотношение обычного углерода и радиоуглерода постоянно. Но как только срубили дерево и изготовили из него какой-нибудь предмет, соотношение между количеством обоих изотопов начнет изменяться. Радиоактивного углерода, вследствие того, что он распадается, будет становиться всё меньше, а устойчивый обыкновенный углерод останется без изменений.
Углеродные «часы» начали работать. Чем больше времени прошло с момента порубки дерева, тем меньше относительная доля радиоактивного углерода в общем количестве углерода. Зная, сколько должно содержаться в дереве радиоактивного углерода и сколько его осталось, нетрудно определить возраст изделий из дерева даже через ты-сячилетия. Подобными радиоактивными «часами» пользуются также для определения возраста различных материалов. Известно, что в течение миллиона лет один грамм природного урана дает в результате радиоактивного распада 0,000 137 грамма свинца. Если определить в урановой руде количество свинца и урана, то можно вычислить время, когда эта руда образовалась на Земле. По количеству свинца и гелия академик В. Г. Хлопин со своими сотрудниками подсчитал, что возраст земной коры равен примерно 2,5 миллиардам лет.
♦ * *
Существует известный миф о Прометее. Титан Прометей похитил у богов небесный, огонь и отдал его людям. За это боги жестоко наказали Прометея. Но тот огонь, который первобытные люди научились добывать, был, конечно, земным, а не небесным. И вот теперь новый Прометей подарил другой огонь, этот огонь, можно, действительно, назвать небесным огнем, ибо это он поддерживает жизнь Солнца и звезд. Этот огонь — атомная энергия. А новый Прометей — это наука, это человеческий гений. Это древний атомист Демокрит, это великий Ломоносов — первый исследователь атомов, это знаменитый Менделеев — создавший карту атомного мира, это гениальный Эйнштейн — указав
201
ший людям, где находится этот «огонь» — атомная энергия, это прославленная семья Кюри, это Резерфорд, Ферми, Курчатов и множество других ученых и инженеров, пробивших путь в атом.
Теперь важнейшей задачей людей всего мира является правильно использовать этот огонь.
Империалисты хотят сделать его орудием войны. Простые люди во всем мире, и прежде всего советские люди, хотят, чтобы атомная энергия использовалась в мирных целях.
И мы не только этого хотим, но настойчиво боремся за то, чтобы с помощью атомной энергии наша жизнь стала неизмеримо лучше, краше, богаче.
ЛИТЕРАТУРА
Перельман Я. И. Занимательная физика.
Перельман Я. И. Физическая хрестоматия.
Лазарев. Энергия, ее источники на земле и ее происхождение.
Кудрявцев П. С. Ломоносов.
Кудрявцев П. С. История физики. Т. I и И.
Фран к-К аменецкий. Энергия в природе и технике.
Мезенцев. Вселенная и атом.
Колесников. Закон Менделеева.
Петрянов kL Как измерили атом?
Ивановский М. Покоренный электрон.
Жданов Г. С. Рентгеновские лучи.
Шпольский Э. В. Атомная физика. Ч. I и II.
Корсунский М. И. Атомное ядро.
Лешковцев В. А. Атомная энергия.
Гринберг А. П. Методы ускорения заряженных частиц.
Буянов. Атомная энергия.
Френкель Я. И. Освобождение внутриатомной энергии.
Науменко. И. А. Атомная энергия и ее использование.
Поллард и Девидсон В. Прикладная ядерная физика.
Китайгородский А. И. Физические основы ядерной энергетики, 1954.
Балабанов Е. М. Ядерные реакторы.
Несмеянов А. Н. Радиоактивные изотопы.
Гроздненский Д. Э. Радиоактивные изотопы в биологии и медицине.
Курчатов И. В., Наследов, Семенов Н. Н., Харитон Ю. Б. Электронные явления. Выставка по использованию атомной энергии в мирных целях.
Ильин М. Путешествие в атом.
Михайлов В. А., Мартычев М. Г. Атомная энергия и перспективы ее использования.	«
Дейген М. Энергия атомного ядра и перспективы ее использования (на украинском языке).
Ромадин В. П. Энергетическое использование атомной энергии.
Лукьянов С. Ю. Основные представления элементарной ядерной физики.
Зиборенко К. Б. Радиоактивность.
Н а м и а с М. Ядерная энергия.
Писаржевский О. Менделеев.
Кюри Ева. Мария Кюри.
Кюри Ева. Большая Советская Энциклопедия. Т. III, 2-е издание.
Векслер В. И. Ускорители атомных частиц.
203
Фурсов В. С. Уран-графитовые ядерные реакторы.
Гольданский В. И. Ядерные реакции и методы их осуществления.
Атомная энергия (новые данные).
Воскобойни к. Ядерная энергетика.
Балабанов Е. Солнце на Земле.
Спасский. История физики.
Заславский Ю. и Шор Г. Использование атомной энергии в нефтяной промышленности.	А
Смирнов Н. Искусственный дождь. «Техника молодежи» № 9, 1957.
Бреслер С. Е. Радиоактивные элементы.
Кузин А. М. Меченые атомы в исследованиях по селКСкому хозяйству.
Нейман М. Б. Применение радиоактивных изотопов в промышленности. Группа авторов. Применение атомной энергии в мирных целях.
Б а б а т Г. И. Ускорители.
Журнальные статьи
Перельман Р. Атомные двигатели. «Наука и жизнь» №1. 1956.
Чернов М. и Богданов А. Трансарктический атомоход. «Техника молодежи» № 11, 1955.
Блохинцев Д. И., Дележаль Н. А., Красин А. К« Реактор атомной электростанции АН СССР. «Атомная энергия» № 1, 1956.
«Физика в школе» № 2, 1956.
Трифонов А. Н. Атомную энергию на службу человеку.
Курчатов И. В. О возможности создания термоядерных реакций в газовом разделе. «Атомная энергия» № 3, 1956.
Курсанов А. Радиоактивные элементы и изучение жизни растения. «Знание— сила» № 1, 1956.
Благман Г. и Дымшин Р. Исцеление больных. «Знание—сила» № 3, 1956.
Иконникова С. Неутомимый наблюдатель. «Знание—сила» № 3, 1956.
Кантор С. Радиоактивный карротаж. «Знание—сила» № 8, 1955.
Петров М. и Васильев В. Штурм ядра. «Знание—сила» № 4, 1956.
Лавренкова А. Поиски и открытия. «Знание — сила» № 1, 1956.
Покровский Г. Атомный самолет будущего. «Техника молодежи» № 8, 1955.
Орлов В. На пороге атомного века. «Техника молодежи» № 11, 1955.
Плаксин И. Меченые атомы. «Техника молодежи» № 10, 1955.
Покровский Г. Начало эры атомной энергетики. «Техника молодежи» № 9, 1954.
Сергеев С. Соревнование с космическими лучами. «Техника молодежи» 1—2, 1956.
Гладков К. Антипротон. «Техника молодежи» № 4, 1956.
Курчатов И. В. Ядерная энергетика. «Техника молодежи» № 7, 1956.
Алешин В. Атомные электростанции. «Техника молодежи» № 4, 1956.
Ширшова Р. Меченые атомы. «Техника молодежи» № 4, 1956.
Сергеев С. Генераторы космических энергий. «Техника молодежи» № 8, 1956. Несмеянов А. Н. Меченые атомы.
Хофстадтер Р. Атом неисчерпаем. «Техника/ молодежи» № 10, 1956.
ОГЛАВЛЕНИЕ
От издательства.......................	.
Глава!. Энергия................................
Всё в мире совершает работу.................
Немного истории.............................
Закон сохранения энергии — всеобщий закон природы Смысл закона сохранения энергии	ч
Закон взаимосвязи массы и энергии Источники энергии на земле .................
Энергетика будущего.........................
Глава II. Вмиреатомов..........................
Первые атомисты.............................
Возрождение атомной теории	....
Что такое «философский камень»	....
Учение Ломоносова о строении вещества Сколько в природе химических элементов Что такое атомный вес.......................
Закон Менделеева — великий закон природы Как был подтвержден закон Менделеева
Глава III. Атом................................
Вещество и электричество....................
Катодные лучи ..............................
Анодные лучи ...............................
Первая модель атома.........................
Лучи-невидимки .............................
Открытие Анри Беккереля.....................
Радиоактивные лучи .........................
Еще о свойствах радиоактивных лучей Атом имеет ядро.............................
Заряд ядра и периодическая система Менделеева
Стр.
2
3
3
6
8
13
14
16
23
24
24
29
31
32
35
36
37
38
40
40
42
44
45
46
47
49
51
57
57
Глава IV. Электронная оболочка атома .	.	»	.	58
Сплошной и линейчатые спектры.................................
Спектр водорода ..............................................
Теория Бора о том, как устроен атом...........................
Как атомная физика объясняет периодическую систему Менделеева . Новые типы атомов.............................................
Глава V. Атомноеядро Радиоактивные семейства ...................................... .
Ядро удалось разбить........................ .	.
Азот превращается в кислород	....	.	.
О чем может рассказать масса ядра?	...	.	.
Что такое изотопы.......................... .
Первоначальная теория строения ядра .	.	.
Открытие нейтрона ...................................... .
1932 год — год «рождения» двух новых частиц Гипотеза советских физиков Иваненко и Гапона Как новая теория объясняет радиоактивный распад Еще одно великое открытие............................... .	.
Превращение ядер........................................ .	.
Ядерная артиллерия ..................................... .	.
Циклотрон .............................................. .	.
Бетатрон	  .
Синхротрон и фазотрон................................... .	.
Синхрофазотрон	...	.	.
Антипротон ............................................. .	.
Важное открытие китайских ученых .	.	.	.
Глава VI. Атомнаяэнергия
Энергия, сосредоточенная в атоме .	.	....
Силы, действующие в ядре	....	. .	.	.
Что такое «магические» числа ...	.	.	.	.
Протон имеет сложное строение.................................
Как можно получить ядерную энергию?...........................
Энергия деления тяжелых ядер..................................
История открытия деления урана ...............................
Цепная реакция .... ..........................................
Получение атомной энергии ....................................
Как устранить поглощение нейтронов тяжелым ураном? Почему замедлителем должно быть легкое вещество? Как уменьшить число нейтронов, вылетающих из урана? . Атомный котел ................................................
Размножительные котлы.........................................
Трансурановые элементы .......................................
Какой элемент является последним..............................
Термоядерная реакция .........................................
Глава VII. Ядерная энергетика .	.	.	.	.	.
Атомная электростанция Академии наук СССР.....................
Подведем некоторые итоги......................................
Атомная батарея...............................................
Атомная энергия на транспорте ................................
Атомный ледокол (159). Атомная подводная лодка (161). Атомолет (164). Атомобиль (166). Атомоход (166). Атомо-воз (168).
Атомная ракета
58
60
61
64
71
73
73
74
76
77
78
79
80
82
83
84
84
87
88
89
93
95
96
100
102
103
103
106
111
112
123 124
125
128
129
137
138 139 139
146
146 154 158
159
170
Глава VIII. Радиоактивные элементы ...	. 172
Как обнаруживают радиоактивные атомы......................172
Меченые атомы..............................................176
Радиоактивные элементы в медицине.........................178
Радиоактивные элементы в биологии и	сельском хозяйстве	.181
Атомная энергия вызывает дождь.............................189
Радиоактивные изотопы в технике............................189
Радиоактивные атомы охраняют здоровье рабочих (189).
Радиоактивные атомы помогают находить нефть (190). Радиоактивные изотопы в металлургии, машиностроении и других отраслях промышленности (192).
Литература............................ .	.	. 203
Ефим Израилевич Несис.
Путешествие внутрь атома.
Редактор С. М. Страхов. Художник И. И. Харсекин. Художественный редактор Н. М. Панасюк.
Техн, редактор Т. В. Стеблянко. Корректор К. К. Журавлева.
Ставропольское книжное издательство, 1958 г.
Сдано в набор 27.VII-57 г. Подписано к печати 15.VII-58 г.
Авт. л. 9,2. Уч.-изд. л. 14. Печ. л. 15,21.
Бумага 70х92,Лв. Бум. л. 6,5. Заказ № 3496.
Тираж 25 000 экз. Цена 5 руб. 70 коп. ВГ03044.
Краевая типография, г. Ставрополь-н.-К.» ул. Артема, 18.
*1
Цена 5 руб. 70 коп.
.и.» гва
». Артема ЛЬ 18.
t.