О существовании внутриатомной энергии стало известно человечеству очень недавно. Можно даже назвать дату, когда она вдруг неожиданно «объявилась» и удивила физиков. Это было ровно полвека назад. Что же представляла собой физика в то время? Еще в конце восемнадцатого века французский химик Лавуазье показал, что все веще- ства окружающей природы построены из неизменных составных частей — простых тел, эле- ментов. Вода есть соединение кислорода и водорода. Но кислород и водород ни из каких других веществ не образуются. Они неразложимы. К концу прошлого века было известно более семидесяти таких элементов. Физики знали, что все они состоят из мельчайших части- чек— атомов. Это твердо установил еще английский ученый Дальтон. Легче всех— атом водорода. Самый тяжелый, почти в 240 раз тяжелее, — атом урана. Когда великий русский химик Менделеев расположил элементы в порядке возрастающе- го веса их атомов, у него получилась замечательная таблица, с помощью которой он предска- зал существование новых, неизвестных элементов. Они потом действительно были открыты. Место, которое занимает каждый элемент в таблице, оказалось в дальнейшем еще более важным, чем думал сам Менделеев. Оно называется атомным номером. Водород открывает таблицу и обозначен номером первым. За ним идет гелий — под но- мером два. Самый последний — уран — имеет девяносто второй номер. В 1896 году было сделано удивительное открытие, поставившее науку в тупик. Французс- кий физик Анри Беккерель обнаружил, что уран и все его соединения без всякой внешней причины испускают невидимые для глаз лучи. Этому явлению дали название радиоактивности (от латинского слова «радиус» — луч) и стали прилежно его изучать. Вскоре выяснилось, что радиоактивными являются все девять последних элементов перио- дической системы — от восемьдесят четвертого до девяносто второго. Радиоактивные вещества требуют большой осторожности в обращении. Беккерель дер- жал некоторое время крупицы радия в жилетном кармане; в результате у него на груди обра- зовалась рана, которая потребовала длительного лечения. Таково действие лучей радиоактив- ных веществ на живые ткани. В дальнейшем выяснилось, что еще более разрушительное действие оказывает радиоактивность на клетки раковых опухолей. Поэтому эти вещества по- лучили широкое применение в медицине. Природу радиоактивности объяснил один из крупнейших физиков двадцатого века — анг- личанин Эрнест Резерфорд. Оказалось, что считавшиеся неизменными атомы вещества на самом деле распадаются и лучи представляют собою летящие во все стороны осколки. Радий распадается на тяжелые атомы радиоактивного элемента радона и на более легкие атомы гелия, летящие с громадной скоростью пятнадцати тысяч километров в секунду и получившие название альфа-лучей. Процесс распада радиоактивных атомов происходит с различной быстротой. Уран распа- дается необычайно медленно: количество его на Земле уменьшится вдвое примерно через пять миллиардов лет. За два-три миллиарда лет существования Земли около четвертой части имевшегося урана уже распалось. Гораздо быстрее распадается радий. Его запасы уменыиа- 525 ются вдвое примерно за полторы тысячи лет. Ясно, что весь радий, когда-то бывший на Земле, давно исчез, а тот, что имеется сейчас, непрерывно возникает из урана. Неудивительно, что его добыто всего лишь около килограмма. Распад атомов сопровождается выделением энергии. Один килограмм урана при распаде выделяет столько же тепла, сколько дают пятьдесят тонн угля. Казалось бы, энергии немало, но она постепенно выделяется в течение нескольких миллиардов лет. Поэтому целые тонны урана не смогут отопить даже маленькой комнаты. Легко рассчитать, что всего собранного на Земле радия хватило бы разве на то, чтобы вскипятить за сутки два больших чайника. Правда, их можно кипятить в продолжение тысячелетий, но вряд ли стоит этим заниматься. Другое дело, если процесс радиоактивного распада можно было бы ускорить. Перспектива замены ста тонн угля двумя килограммами урана выглядит очень заманчиво. Однако все попытки повлиять на скорость радиоактивного распада оказались безрезультатными. Он продолжает- ся с точностью, далеко превосходящей лучшие часовые механизмы. Что собою представляют таинственные атомы, которые невозможно разбить, несмотря ни на какие старания, и которые, с другой стороны, ни с того ни с сего сами распадаются? На этот вопрос наука отвечает ясно и определенно. Никакого сплошного атома не существует. Он похож на солнечную систему с тяжелым ядром посредине и легкими электронами, движущи- мися вокруг него. Тяжесть ядра, конечно, относительная. Самое тяжелое ядро весит в сотни миллиардов раз меньше грамма. Ученые определили и силы, которые действуют между части- цами, входящими в состав атома. Это силы электрического притяжения и отталкивания. Ядро заряжено положительным электричеством, электроны — отрицательным. Поэтому электроны притягиваются к ядру и отталкиваются друг от друга. Значение этого открытия огромно. Теперь, наконец, человечество впервые узнало, как по- строена материя. После того как установили механику движения электронов в атоме, люди научи- лись распознавать свойства веществ иногда лучше, чем свойства машин, которые сами создали. Все электроны совершенно одинаковы. Их число в атоме определяется зарядом его ядра. Электрический заряд ядра имеет для свойств атома несравненно большее значение, чем его вес или масса. Два ядра с одинаковым зарядом, но различной массой дают атомы настоль- ко похожие, что их почти невозможно различить. Мы всегда принимаем их за атомы того же самого элемента. В действительности они не совсем одинаковы. Их называют изотопами. У водорода наряду с обычными ядрами — протонами — иногда присутствуют в ничтожном коли- честве дейтроны, вес которых вдвое больше. Водород с ядрами удвоенного веса называется тяжелым водородом, а вода, приготовленная из него, — тяжелой водой. Она составляет всего около сотой доли процента природной воды, и добывать ее приходится с чрезвычайным тру- дом. Тяжелая вода кипит при ста трех градусах, и вообще разница между обыкновенной и тяжелой водой очень невелика. У водорода, таким образом, один изотоп является ничтожной примесью. В других случаях дело обстоит иначе. Например, в любом количестве хлора около половины его атомов несколько легче, другая — тяжелее. Он состоит из смеси двух изотопов почти поровну. Радиоактивность — это распад атомного ядра, распад той маленькой частицы, которая находится в центре атома. Но она сама имеет сложное строение. Тяжелые ядра химических элементов, стоящих в последнем ряду системы Менделеева, неустойчивы и постепенно одно за другим распадаются. Большое количество энергии, выделяющееся при распаде, показывает, что взаимодей- ствие частиц внутри ядер гораздо сильнее, чем взаимодействие между электронами и ядром. Это и естественно, если принять во внимание колоссальную тесноту, необычайную уплотнен- 526 ность вещества внутри ядер. Расстояние между частицами в ядрах в десятки тысяч раз мень- ше, чем расстояние между ядром и окружающими его электронами. Физики не любят ограничиваться простым наблюдением того, что происходит в природе независимо от них. Им всегда хочется вмешаться самим. Двадцать семь лет назад Резерфор- ду удалось искусственным путем расщепить атомное ядро. Идея его эксперимента была очень проста. Он облучал различные вещества лучами радиоактивных элементов, то есть обстрели- вал их пулями, состоящими из ядер атомов гелия, движущихся со скоростью пятнадцать тысяч километров в секунду— в несколько тысяч раз быстрее, чем пушечный снаряд. При облуче- нии азота ему удалось, наконец, осуществить превращение элементов. Это было мечтой алхи- миков и почти полтора столетия считалось совершенно невозможным. В результате обстрела ядро атома азота поглотило альфа-частицу и тотчас же выбросило из себя протон. На месте азота оказался ничего общего с ним не имеющий кислород. Так азот и гелий были превраще- ны в кислород и водород. Только четверть века прошло с того времени, когда человек осуществил первую ядерную реакцию. Но теперь число их достигло многих сотен. Правда, возможности для этого необы- чайно возросли. Сейчас уже нет необходимости ограничиваться альфа-лучами радиоактивных веществ. В распоряжении физиков имеются более удобные пулеметы, дающие значительно больше пуль, движущихся с гораздо большей скоростью. Существует много различных прибо- ров этого рода. С помощью аппарата циклотрона получают мощные пучки протонов, дейтро- нов или альфа-частиц, скорость которых достигает более тридцати тысяч километров в секунду. При многих ядерных реакциях энергии выделяется больше, чем в процессе радиоактивно- го распада. Однако она не поддается использованию. Дело в том, что ядерные реакции край- не неэффективны. Летящие частицы, положительно заряженные, как и ядро атома, отталки- ваются от него. Только очень быстро двигаясь, они могут влететь внутрь ядра и вызвать реак- цию. Между тем эти частицы, находясь внутри материи, постепенно замедляются и становятся бессильными преодолеть отталкивание. Для ничтожно малой альфа-частицы, летящей внутри вещества, расстояния между атома- ми, между ядрами и окружающими их электронами так велики, что вероятность попадания ее в какое-нибудь ядро крайне сомнительна. Представьте себе лес, где каждое дерево находится от другого в пяти километрах. Можно ли попасть снарядом в какое-нибудь дерево без прице- ла? Ясно, что при этих условиях в лучшем случае удается вызвать одну ядерную реакцию с помощью миллиона частиц. Таким образом, на ускорение множества летящих частиц в цик- лотроне приходится затрачивать энергии гораздо больше, чем можно получить в результате ядерной реакции. Положение выглядело настолько безнадежно, что физики долгое время относились к перспективе использования внутриядерной энергии примерно так же, как к про- блеме вечного двигателя. Хитрая природа, оказывается, только дразнила физиков. Там, где все казалось ясным, вдруг открылись новые, неожиданные явления. Ученые обнаружили, что при облучении аль- фа-лучами элемента бериллия из его ядра выбрасываются новые частицы, отличающиеся элект- рической нейтральностью. Они получили название нейтронов. Далее выяснилось, что в дей- ствительности нейтроны, наряду с протонами, являются теми кирпичами, из которых построе- ны все ядра атомов, вся материя. Например, дейтрон — это соединение одного протона и одного нейтрона, гелий — соединение двух протонов и двух нейтронов и т.д. Ядро урана со- держит девяносто два протона и сто сорок шесть нейтронов. Открытие нейтронов произвело переворот в ядерной артиллерии. Ведь они не отталкива- ются, и поэтому ничто не препятствует им проникнуть в ядро. Они путешествуют в материи до 527 тех пор, пока не влетят в какое-нибудь ядро и не застрянут в нем, либо поглотившись, либо вызвав другую ядерную реакцию. Нейтроны во всех случаях безотказно вызывают ядерные превращения. Это заговоренные пули, которые всегда находят намеченную жертву. Нейтрон открыл вход в зачарованный замок, где хранится внутриядерная энергия. Но здесь осталась еще более прочная дверь, как бы окованная железом. Когда нейтрон произво- дит реакцию, из ядра вместо нейтрона вылетает заряженный протон или альфа-частица. Они застревают в материи, и реакция останавливается. Надежда на успех казалась обманчивой. Но главное все же было сделано: мысль о доступности внутриатомной энергии стала крепнуть. Семь лет назад появилось сообщение, что ядро урана при поглощении нейтронов не вы- брасывает из себя, как обычно, протона или альфа-частицы, а делится на две части. Этот новый тип ядерной реакции получил название деления. Казалось бы, что ничего особо важного не произошло. Однако именно деление явилось тем волшебным ключом, который открыл последнюю дверь, за которой скрывалась внутри- ядерная энергия. Тяжелый темно-серый металл уран, известный уже около ста лет, оказался тем философским камнем, который так долго и бесплодно искали алхимики. Дело даже не в том, что деление дает энергии в десять раз больше, чем обычная ядерная реакция. Оказа- лось, что в процессе деления из ядра выбрасываются от двух до трех новых нейтронов. Нейт- роны, таким образом, не погибают, а возрождаются в удвоенном числе, опять проникают в соседние ядра урана, делят их, и так самопроизвольно, быстро нарастая, процесс может раз- виваться дальше. Это произвело на физиков ошеломляющее впечатление. Открылась клетка, в которой сидел зверь, страшную силу которого мы очень хорошо себе представляли. Однако сразу же возникли некоторые трудности. Природный уран содержит в основном изо- топ с атомным весом 238 и ничтожную примесь изотопа 235. Оказалось, что уран-235 делится любыми нейтронами безотказно, а уран-238 — только очень быстрыми нейтронами. Нейтроны, движущиеся с меньшей скоростью, не только не делят ядер урана-238, но просто поглощаются им и выходят из игры. Значит, обычный, встречающийся в природе уран непригоден для деления. Чтобы решить задачу, остается выделить из обычного урана чистый уран-235. Задача эта очень нелегкая, так как различие свойств этих двух изотопов совершенно ничтожно. Но физи- ки нашли способ их разделения. Оставалось только преобразовать лабораторную технику в промышленную. Этим и занялись физики разных стран, подстегиваемые второй мировой вой- ной. Грандиозность поставленной задачи видна уже из того, что американцы и англичане, имея в своем распоряжении громадные ресурсы техники и большинство физиков мира, вы- нуждены были напряженно работать более четырех лет. Решить эту проблему пыталась и фашистская Германия. Обанкротившийся Гитлер лихора- дочно торопился создать новое орудие разрушения. Если немцы не достигли цели, то заслуга в этом принадлежит советскому народу, который уничтожил фашистского зверя в его берло- ге, не дав ему совершить последний страшный прыжок. Немало объектов, имеющих отноше- ние к созданию атомной бомбы, разрушила на территории Германии и союзная авиация. Когда собрано достаточное количество урана-235, то для реакции все готово. Если же его слишком мало, то нейтроны, прежде чем попасть в ядро, будут бесплодно уходить в воздух. Размножения нейтронов не произойдет, и деление прекратится. Необходимое количество урана зависит от того, как он геометрически расположен. Его потребуется всего несколько кило- граммов в том случае, если всю массу собрать в форме шара. Чтобы получить мгновенный взрыв, можно, например, взять два куска урана, каждый из которых слишком мал для взрыва, и выстрелить одним в другой, «поджигая» нейтронами в момент попадания. 528 Как показали дальнейшие исследования, разделение изотопов урана не единственный способ получения внутриатомной энергии. Оказывается, если сильно замедлить скорость дви- жения нейтронов, реакция деления может произойти и на природном уране. Таким замедли- телем служат легкие ядра других веществ, сталкиваясь с которыми нейтроны теряют замет- ную часть своей энергии движения. Лучшие замедлители — это тяжелый водород или тяжелая вода и углерод. Но этот медлен- ный процесс деления непригоден для взрывов. Такой способ реакции был использован для создания уранового котла, настоящей ядерной кухни, в которой шныряют нейтроны и проис- ходят ядерные реакции в неслыханных масштабах. Для «поджигания» урана в котле нет необходимости впускать нейтроны со стороны. В 1940 году два молодых советских физика Флеров и Петржак установили, что уран по- немногу делится сам по себе. Правда, это происходит страшно медленно, но все же каждую секунду в нем рождаются сотни тысяч нейтронов, которых вполне достаточно для начала реак- ции. В ходе реакции в котле из урана получаются два не известных ранее новых химических элемента, следующих за ураном. Их назвали нептуний и плутоний. При этом оказалось, что плутоний годится для атомной бомбы не менее, чем уран-235. Получение его из смеси не требует чрезвычайно трудоемкого разделения изотопов. Он не изотоп урана, а самостоятель- ный химический элемент. Поэтому выделить его можно обычным способом. В приготовлении плутония наиболее трудным является отвод громадного количества тепла, образующегося в котле. Для охлаждения приходится выпускать на котел чуть ли не целую реку. Производство одного килограмма плутония сопровождается выделением такого количества тепла, которого достаточно, чтобы вскипятить озеро воды в двести тысяч кубометров. Урановый котел представляет интерес еще и с другой стороны. В результате деления урана получаются радиоактивные ядра. Сроки распада их невелики — от минуты до несколь- ких лет. Но именно благодаря этому степень их радиоактивности чудовищна. Радиоактивность продуктов распада одного килограмма урана в миллион раз превышает радиоактивность кило- грамма радия, то есть всего запаса его на Земле. Урановый котел дает человечеству источник радиоактивности, совершенно несравнимый с тем, что имелось до сих пор. Трудно даже пред- сказать, какую роль это может сыграть, например, в медицине. Возникает вопрос: могут ли служить источником получения внутриатомной энергии и дру- гие химические элементы? Надо считать, что в современных условиях для этой цели пригодны только уран и, возмож- но, элемент торий, запасов которого на Земле больше, чем урана. Использование ядерной энергии в мирных целях является многообещающей, но довольно трудной проблемой. Прежде всего стоит вопрос об энергетическом применении ядерного топ- лива. Главная трудность здесь — в создании двигателей. Ведь объем, который занимает ура- новый котел, сравнительно невелик, а современная техника пока не знает способа извлече- ния огромных мощностей с малой поверхности. Особый интерес представляет использование урана для специальных двигателей и, в частности, для межпланетных сообщений. Использование атомной энергии в промышленности и транспорте, несомненно, означает начало новой эры в мировой технике. Русские ученые внесли свой вклад в решение проблемы атома. Роль советской науки в этих исследованиях непрерывно возрастает. В плане новой пятилетки восстановления и развития хозяйства намечены эксперимен- тальные и теоретические работы, которые должны привести к практическому использованию атомной энергии на благо нашей родины и в интересах всего человечества. АП РФ. Ф. 93, д. 32/46, л. 118-119. Подлинник.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Атомная энергия» з дисципліни «Атомна бомба (1945-1954)»
