книги из ГПНТБ / Рыдник В.И. Четвертое состояние вещества

тепла его молекулами будет зависеть от плотности газа; если газ сильно разрежен, то он будет переда­ вать тепло исключительно медленно. Даже при нор­ мальных, давлениях передача тепла в газе происхо­ дит длительное время. Так, сравнительно тонкого слоя воздуха между двойными рамами окна доста­ точно, чтобы тепло из комнаты в холодный наруж­ ный воздух уходило медленно.

Но, хотя и неохотно, все же при «накачивании» энергии в газ он начнет нагреваться. Постепенно скорости молекул газа возрастут до такой Степени, что при столкновениях они будут разбивать друг друга на отдельные атомы. Еще выше температу­ ра — и от атомов начнут отщепляться электроны, образуются ионы. Но скорость движения последних гораздо меньше, чем электронов: электроны имеют малую массу и в электрических полях, например в дуге, набирают очень высокую скорость. -Массы ионов много больше массы электронов, они значи­ тельно менее подвижны и не успевают ускориться в электрических полях, так как при взаимных соуда­ рениях они изменяют направления своего движе­ ния и как бы начинают ускоряться сначала. Чем выше кинетическая энергия, тем выше температура. Так и получается, что в плазме, созданной в газо­ вом разряде, существуют две температуры: одна, более низкая, — для ионов, другая, более высо­ кая, — для электронов.

Электронная температура выражается наиболее часто не в градусах, а в особых единицах — электронвольтах. Электронвольт равен энергии, при­ обретаемой одним электроном при прохождении им разности потенциалов электрического поля в 1 вольт. Примерный эквивалент электронвольта — 1 0 тысяч градусов.

50

J m L

Предел

существовали

атомов

Солнечная печь

5 5 0 0 °

Предел существования

твердых тел

4 5 0 0 °

Ж идкий гелий

Градусы абсолютной шкалы Нельвина

«Шкала» температур в природе.

4*

Пусть у нас горит электрическая дуга. Электро­ ны в такой дуге могут приобрести энергию, скажем, в 1 0 электронвольт, то есть температуру в . 1 0 0 ты­

сяч градусов. А ионы? Если газ разрежен, то ионы будут сталкиваться друг с другом и с электронами довольно редко, и температура их будет подни­ маться очень медленно. При столкновениях с энер­ гичными электронами ионы будут испускать свет, но тепловое их движение останется незначительным.

Но начнем повышать давление в газе. Ионы бу­ дут сталкиваться друг с другом и с электронами все чаще, и их температура постепенно будет прибли­ жаться к электронной. Если обеспечить такую изо­ ляцию газа, чтобы из него не ускользнула ни ма­ лейшая порция тепла, ни один лучик света, то при очень высоком давлении ионную температуру мож­ но близко подвести к электронной. Этого удалось добиться в электрической дуге высокого давления.

Каким же термометром можно измерить темпе­ ратуры в десятки и сотни тысяч градусов? Легко понять, что обычные термометры, основанные на яв­ лении теплового расширения жидкостей, для этой цели неприменимы: они перестают действовать, ког­ да сама измерительная жидкость обращается в пар. Для не очень высоких температур (примерно от 500 до 3000 градусов Цельсия) применяются так назы­ ваемые пирометры, действие которых основано на том, что цвет свечения нагретых тел при повышении температуры постепенно «белеет».

-Но при температурах в десятки тысяч градусов излучение всех веществ становится практически бе­ лым. Здесь пирометр заменяется спектрометром — прибором, который определяет температуру по по­ явлению в спектре свечения газа новых линий, по их яркости и ширине.

52

ОТ СВЕРХБОЛЬШОГО ДО СВЕРХМАЛОГО

ПОЧЕМУ СВЕТИТ СОЛНЦЕ

Есть .в науке «вечные» загадки. Эти загадки му­ чили ученых и две тысячи, и пятьсот, и пятьдесят лет назад. Одни из них наконец получили решение, другие еще не решены, третьи почти решены — пройдет не так уж много времени, и на поле боя науки с загадкой рассеются последние клочья ту­ мана.

Одной из таких загадок явилась деятельность Солнца. Почему Солнце светит? Что в нем горит?

■Предположим, что Солнце сжигает самое тепло­ творное изо всех топлив — чистейший углерод, сго­ рающий целиком, без всякой золы. Произведем не­

54

сложный подсчет. Известно, сколько тепла посы­ лает этот «костер» на Землю. Солнце — шар, по­ этому оно испускает тепло во всех направлениях равномерно. Зная размеры Земли и Солнца, нетруд­ но подсчитать, что для поддержания потока тепла от Солнца в нем каждую секунду должно сгорать около 12 миллиардов тонн угля! Цифра по земным масштабам огромная, но для Солнца, которое в триста с лишним тысяч раз тяжелее Земли, это ко­ личество угля невелико. И тем не менее весь этот уголь на Солнце должен был бы выгореть всего за шесть тысяч лет.

А ведь данные многих наук — геологии, био­ логии и др. — неопровержимо свидетельствуют о том, что яркое Солнце обогревает и освещает нашу планету уже не менее нескольких миллиардов лет.

Представление, что Солнце горит за счет угля, пришлось отвергнуть. Но, может быть, существуют такие химические реакции, в которых выделяется еще больше тепла, чем при сгорании угля? Предпо­ ложим, что они существуют. Но и эти реакции смог­ ли бы продлить жизнь Солнца на тысячу, две тыся­ чи лет, пусть даже вдвое, но никак не более.

Но если Солнце не в состоянии обеспечить само себя горючим на сколько-нибудь длительное время, то, может быть, это делает извне космическое про­ странство? Было высказано мнение, что на Солнце непрерывно падают метеориты. Мы уже говорили, что при подходе к Земле метеориты, вследствие тор­ можения в земной атмосфере, часто полностью сго­ рают, раскаляя на своем пути воздух. Почему бы не предположить, что вокруг Солнца нет никакой атмосферы, что торможение метеоритов происходит прямо в солнечном веществе, и оно разогревается до высокой температуры?

55

Обратимся опять к вычислениям. Сколько мете­ оритов должно падать на Солнце, чтобы обеспечить его длительное горение? Расчет дает совершенно не­ вероятную цифру: даже если вес всех метеоритов, упавших на Солнце, равен весу самого Солнца, то все равно оно светило бы лишь около миллиона лет.

Но, может быть, когда-то такое огромное коли­ чество метеоритов все же упало на Солнце, раска­ лило его до огромной температуры, и теперь Солн­ це медленно остывает? Ничего подобного! Сущест­ вует много доказательств того, что Солнце и милли­ ард, и миллион, и тысячу лет назад светило и гре­ ло, как сегодня. Итак, терпит крах и второе предпо­ ложение.

Удивительное постоянство солнечной деятельноности похоронило и третье, самое заманчивое пред­ положение о причине «горения» Солнца. Сводилось оно к следующему. По закону всемирного тяготе­ ния все тела сближаются друг с другом. Земля притягивается Солнцем и движется вокруг него. Камень притягивается Землей и падает на нее, если его выпустить из рук.

Представим себе, что Солнце — это некий огромных размеров сосуд с газом. Молекулы этого газа, подверженные действию взаимного притяже­ ния, несмотря на отбрасывающие их друг от друга столкновения, должны постепенно притягиваться друг к другу и сближаться. Солнце в целом тогда сжималось бы, давление газа в нем росло, а это привело бы к повышению температуры и выделению тепла.

Если считать, что за 100 лет поперечник Солнца сокращается всего на несколько километров, то этим явлением можно было бы вполне объяснить

56

лучеиспускание Солнца. Однако с помощью астро­ номических приборов столь медленное сокращение обнаружить невозможно.

Но есть «прибор», который работает куда более длительное время. Этот прибор — сама Земля. За время ее существования Солнце должно было бы сжаться в десятки раз: от размеров, во много раз больше, чем протяженность всей Солнечной систе­ мы, до современных. Такое сжатие, безусловно, от­ разилось бы на геологической истории Земли. Ниче­ го подобного, однако, история Земли не знает. Ей известны крупные геологические катастрофы, в кото­ рых гибли высочайшие горы, рождались новые океа­ ны, целые материки, но все это можно вполне объ­ яснить деятельностью самой Земли, а не Солнца.

Итак, все три упомянутые гипотезы о причинах «горения» Солнца оказались несостоятельными. Наука, сумевшая объяснить многие сложнейшие яв­ ления на Земле, до недавнего времени опускала ру­ ки перед загадкой деятельности Солнца. Теперь стало ясно, что решение этой загадки надо искать не в глубинах космоса, а в недрах Солнца.

И здесь на помощь науке о сверхбольшом — астрономии — пришла наука о сверхмалом — фи­ зика атомного ядра.

В МИРЕ АТОМНЫХ ЯДЕР

Говоря о строении атомов, мы совершенно не касались структуры атомных ядер, представляя их некоторыми малыми шариками, окруженными сло­ ями электронов. Теперь нам придется немного оста­ новиться и на строении ядра. Оно, как известно, со­ стоит из протонов и нейтронов, причем число пер­ вых в точности равно числу электронов в оболочке.

57

нейтрального атома, а число неитро- sy* >5^ нов может значительно (в тяжелых

'уЩ/Шпп ядрах) 'превосходить число прото­ нов.

Казалось бы, вое достаточно яс­ но и просто. Но зададим себе во­

Iпрос: а как вообще могут существо­ вать атомные ядра? В самом деле, протоны, обладая одинаковым по знаку (положительным) зарядом, должны, отталкиваясь друг от дру­ га, мгновенно разлететься, а нейтро­ ны, не имея никакого электрического заряда, в этой игре сил не могут принимать никакого участия. Меж­ ду тем атомные ядра существуют и не только не разлетаются на части, но довольно прочны.

Возникла мысль приписать ней­ тронам свойства «цемента», сплачи­ вающего протоны в ядре. Но как это может совершаться? Поскольку ней­ троны не заряжены, электрически воздействовать на отталкивающиеся друг от друга протоны они не в со­ стоянии. Значит, здесь надо было

искать какие-то новые, еще неведо­ мые силы иной природы. И очень скоро эти силы были найдены. Они получили название ядерных. Эти си­

лы можно описать следующим образом: любые две ядерные частицы взаимодействуют друг с другом,— обмениваясь третьей частицей, отличающейся от них.

Чем же обмениваются протон и нейтрон или два

58

протона и два нейтрона? Какой-нибудь частицей, которую еще не открыли, заявляли физики, когда встал вопрос о природе ядерных сил, — и не откры­ ли именно потому, что в свободном состоянии она может появляться только тогда, когда связь между ядерными частицами рвется. В прочих же условиях эта частица делает свою полезную работу в глуби­ нах атомных ядер.

Эту частицу назвали пи-мезоном. Существуют положительные, отрицательные и нейтральные пи-, мезоны. Впервые заряженные пи-мезоны были обна­ ружены в космических лучах около 15 лет назад, и вскоре их удалось получить искусственно в лабо­ раторных. условиях, в специальных машинах-уско­ рителях.

Пи-мезонами и обмениваются протон и нейтрон. В, атомных ядрах много протонов и нейтронов: в ядре урана их почти две с половиной сотни. Поэто­ му в ядрах существуют целые облака пи-мезонов, которые играют роль цемента, сплачивающего вое­ дино враждующие друг с другом протоны. Этим и объясняется существование устойчивых атомных ядер.

Все рассказанное здесь — только, как говорят физики, модель. Строгая теория ядерных сил не со­ здана до сих пор. Ядерные силы в основном есть си­ лы притяжения, действующие лишь на очень малых расстояниях. При образовании сложных ядер про­ тоны и нейтроны в ядре отдают часть своей массы на взаимную связь, то есть ядерные частицы стано­ вятся легче, зато связаны крепче. Таким образом, для того чтобы разрушить ядро на составные ча­ сти — протоны и нейтроны, нужно затратить энер­ гию. Наоборот, при синтезе атомных ядер из прото­ нов и нейтронов энергия выделяется.

59