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

Зависимость между степенью «похудания» ядерных частиц и энергией их связи в ядре дается зна­ менитым соотношением Эйнштейна, гласящим,, что энергия связи равна произведению доли массы, пошедшей на связь, на .квадрат скорости света. По­ следняя величина огромна, и поэтому даже ничтож­ ное изменение массы соответствует относительно большой энергии.

Свободные ядерные частицы, чтобы обра­ зовать устойчивое атомное ядро, должны затратить на это часть своей массы. Так, два протона и два нейтрона в ядре атома гелия оказываются «похудевшими» по сравнению с теми же свободными части­

цами.

Насколько же «худеют» ядерные частицы? Опы­ ты показывают, что протон и нейтрон теряют при соединении в ядро тяжелого водорода очень не­ большую часть массы — около 0,5 процента. Соот­ ветствующая этой доле их массы энергия для одно­ го ядра невелика, но в привычных нам объемах ве­ щества количество протонов и нейтронов колос­ сально (в грамме вещества содержится триллион триллионов ядерных частиц), так что суммарная энергия связи для всех этих ядер оказывается ог­ ромной. Например, энергия, соответствующая «по­ худанию» протона и нейтрона при их соединении в

60

ядро, в расчете на грамм вещества составляет бо­ лее 100 тысяч киловатт-часов, — эта энергия выра­ батывается за целый день работы небольшой элек­ тростанции! Вот эта-то энергия связи протонов и нейтронов в ядрах и есть то, что мы называем атомной, или (Правильнее, ядерной энергией. Чтобы извлечь ее из ядер, нужно эти ядра создать — син­ тезировать.

Задача освобождения внутриядерной энергии, однако, оказалась исключительно трудной. Как из­ вестно, на (первом этапе ученые, вместо того чтобы заниматься получением ядерной энергии при синте­ зе, научились получать энергию при расщеплении (делении).тяжелых ядер на более крепкие, более устойчивые осколки. Но не об этом способе получе­ ния энергии мы будем говорить в .нашей книге.

ЗАРЯ НОВОЙ ЭПОХИ

Еще на заре науки об атомном ядре наиболее смелые писатели-фантасты предугадали возмож­ ность использования энергии, освобождаемой из атомных ядер. Но фантазии этих писателей не хва­ тило .на то, чтобы предвидеть совершенно неизвест­ ную дотоле быстроту научного прогресса, который осуществил эту возможность менее чем за четверть века. Освобождение внутриядерной энергии пришло к человечеству в виде страшного, все испепеляюще­ го взрыва атомных бомб, .сброшенных американски­ ми самолетами па Японию в августе 1945 года. Стремительный огонь, поражающий сразу целые го­ рода; сотни тысяч людей, обожженных, изувеченных смертоносным излучением, — как мало походило это на зарю атомного века!

Но заря все же взошла спустя девять лет. 27 ию-

61

ля 1954 года в Советском Союзе начала работать

первая в мире атомная электростанция. Могучая энергия, освобождающаяся из атомных ядер, была укрощена нашими учеными и .поставлена на служ­ бу человеку.

Сегодня задача добывания энергии из самых тя­ желых атомов становится уже достоянием истории. Атомная энергетика прочно входит в жизнь челове­ чества. Но все ли сделано на этом пути? Успокои­ лись ли ученые, подарив миру одно из самых выда­ ющихся открытий нашего века? Ничего подобного!

Запасы тяжелых элементов в земных кладовых, хотя и довольно велики, но все же не безграничны.

Вядерных реакторах выгорает уран-235, которого

вприродном уране всего 0,7 процента. В последние годы физики научились использовать и основную массу урана — уран-238. В тех же ядерных реак­ торах под влиянием облучения нейтронами уран-238 превращается в новый химический элемент — плу­ тоний, который по своим свойствам атомного горю­

чего вполне подобен своему «старшему брату» — урану-235. Но даже и это превращение урана на­ цело в атомное горючее способно отодвинуть урано­ вый голод на непродолжительное время.

А почему, собственно говоря, дело ограничивает­ ся одним ураном? Почему для добычи энергии из атомных ядер не использовать ядра элементов, на­ ходящихся в начале таблицы Менделеева и гораздо более распространенных в природе, чем уран?

ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ

Обратимся к таблице Д. И. Менделеева и рас­ смотрим ее начало. Ограничимся первыми восемью элементами: это водород, гелий, литий, бериллий,

62

бор, углерод, азот и кислород. Если изобразить в виде графи­ ка энергию связи протонов и нейтронов :в ядрах упомянутых элементов, получится своеоб­ разная зубчатая линия. Чем выше энергия связи, тем проч­ нее сама связь, тем устойчивее ядро. Из нашего графика вид­ но, что «пики» соответствуют ядрам гелия, углерода, азота и кислорода.

Отвлечемся на некоторое время от всей линии и изобразим в увеличенном масштабе левую ее часть — от водорода до гелия, но при этом включим в нее точки, соответствующие также изотопам водо­ рода и гелия. Изотопами называются ядра, имею­ щие одно и то же количество протонов, но разные числа нейтронов. Таких изотопов в нашем случае, помимо основных, наиболее распространенных, три: тяжелый водород — дейтерий, ядра которого со­ держат, кроме протона, еще нейтрон; еверхтяжелый водород — тритий, ядра которого образованы од­ ним протоном и двумя нейтронами, и легкий гелий, в ядрах которого на два протона приходится один

63

нейтрон. /Наконец, напомним, что ядром обычного /водорода является один /протон, а в ядре обычного гелия имеются два протона и два нейтрона. Из на­ шего графика видно, что энергия связи ядер обыч­ ного гелия гораздо выше, чем предшествующих ему ядер. Естественно, это говорит о том, что повы­ шается прочность, устойчивость ядер.

...Пустим шарик вниз по лестнице. Прыгая со ступеньки на ступеньку, он, наконец, скатится на землю и остановится. Очевидно, положение шарика наверху лестницы менее устойчиво, чем внизу.

Наш мир устроен так, что все находящиеся в

Так выглядит график энергий связи (устой­ чивостей) ядер первых восьми элементов в периодической таблице Д. И. Менделеева.

лы Отталкивания действуют и На далеких расстоя­

ниях между протонами, тогда .как силы притяже-. ния проявляются только при тесном сближении протонов и, превышая силы отталкивания, дают протонам [возможность соединиться в ядро. Значит, что|бы протоны могли перепрыгнуть через «барь­ ер», которым «отгородилось» ядро, они должны иметь достаточно высокую энергию. Только в этом случае они смогут сблизиться на расстояния, на которых между ними уже действуют ядерные силы притяжения.

Ядерные силы, имеют еще одно важное свойство, о котором мы не говорили. Пусть, например, по про­ тону «выстрелили» другим протоном, сообщив по­ следнему скорость, достаточную для того, чтобы «снаряд» смог очень близко подойти к «мишени». На какую-то долю секунды оба протона окажутся рядом, и тогда может случиться, что один из них превратится в нейтрон, испустив позитрон (поло­

против, взаимную («симпатию». Так образуется яд­ ро тяжелого водорода ■— дейтерия, называемое дей­ троном.

Далее начинается второй этап ядерных превра­ щений, который [происходит 'Значительно легче. Это объясняется тем, что в (состав дейтрона входит ней­ трон — составная часть атомных ядер. Соударения дейтрона с нейтроном (или протоном) приводят к образованию сверхтяжелого ядра водорода (три­ тия) или легкого ядра гелия (гелий-13). В этих про­ цессах может образовываться также 'свободный нейтрон или протон. Эти реакции иллюстрируются на рисунке, приведенном в следующем разделе.

С образованием обычного гелия эта цепочка ядерных превращений оканчивается: ядро гелия очень устойчиво.

Для использования энергии ядерного синтеза в земных условиях надо прямо начинать со второго этапа, применяя в качестве ядерного горючего сра­ зу дейтерий или тритий. Но как осуществить ядерный синтез?

ЖИЗНЬ СОЛНЦА

Чтобы выяснить этот вопрос, ученые обратились к Солнцу. Для этого были основания. Уже давно из­ вестно, что самыми распространенными химически­ ми элементами на Солнце являются водород и ге­ лий. Собственно говоря, гелий и (был открыт снача­ ла не на Земле, где его ничтожные количества, а в спектре Солнца, откуда и получил свое название («гелиос» по-гречески — «солнечный»). Водород и гелий... Но мы только что видели, что эти химиче­ ские элементы — начальный и конечный продукты цепочки ядерных превращений, в ходе которых вы­

66

деляется очень значительная энергия. Может быть, именно эти превращения и объяснят, почему Солн­ це «торит и не сгорает»?

Немецкий ученый Бете сделал подсчеты. Энер­ гия, испускаемая Солнцем в виде тепла и света, из­ вестна, масса Солнца — тоже. Оставалось найти только количество протонов в веществе Солнца, энергию, выделяющуюся в каждом акте синтеза, и, наконец, вероятность этого синтеза.

(Первое определить оказалось совсем неслож­ но — примерная доля водорода в солнечном веще­ стве и вес протона известны. С помощью ядерных реакций синтеза, возбужденных в лабораторных условиях, удалось оценить и энергию, выделяю­ щуюся при синтезе ядер водорода в ядро гелия.

Самым сложным оказался подсчет вероятности реакций синтеза. Как мы уже говорили, чем энер­ гичнее движутся протоны, то есть чем большую ско­ рость они имеют, тем ближе они могут подходить друг к другу, тем больше вероятность их слияния. В начале нашей книги мы установили, что чем выше температур а, тем .быстрее движутся молекулы. С те­ ми уточнениями понятия температуры, которые мы затем сделали, это положение можно применить и к движению атомных ядер, в частности 'протонов.

Результат подсчета показал, что цепочка прев­ ращений протонов в ядра гелия вполне может объ­ яснить наблюдающуюся интенсивность солнечного излучения, если (предположить, что внутри Солнца существуют температуры более десяти миллионов градусов. При таких температурах легкие ядра давно уже лишены своих электронных оболочек, так что солнечное вещество представляет собой не что иное, как «идеальную» плазму.

Цепочка превращений — так называемый про-

Тйннй-протонный цикл — даже при такой гигант­ ской температуре, как ,в недрах Солнца, ввиду от­ носительной разреженности солнечного вещества и ■малой вероятности процесса синтеза протекает исключительно медленно: на один акт синтеза ядра

Цепочка ядерных превращений в одним из вари­ антов синтеза ядра гелия из ядер водорода (протоннснпротонный цикл). Именно этот процесс синтеза сегодня в глубинах Солнца.

# — протоны, О — нейтроны, р+ — позитроны.

гелия из протонов уходит около 15 миллиардов лет! Но протонов на 'Солнце неисчислимые полчища, и в результате каждую секунду в глубинах Солнца происходят многочисленные акты ядерного синте­ за, в каждом из которых выделяется сравнительно небольшая, а в целом колоссальная, энергия, столь щедро излучаемая светилом в пространство.

Солнце непрерывно расходует солнечное «горю­ чее» — протоны, превращая их в «золу» — ядра ге­ лия. Что произойдет, когда 'будут «сожжены» все протоны? Солнце потухнет? И если так, то когда это произойдет? Расчет показывает, что протонов на Солнце так много, что при сегодняшней интен­

68

сивности его «горения» оно просуществует в виде мировой печки еще много миллиардов лет. А по­ том?

Быть может, Солнце остынет. Но есть и другая возможность. Оказывается, «зола» тоже может го­ реть. Чтобы понять это удивительное свойство ядерной золы, вернемся к полному .графику устойчиво­ сти ядер, от которого мы отвлеклись, чтобы уяснить протонно-протонный цикл. Мы видим, что пик, со­ ответствующий гелию, довольно высок. Но на гра­ фике есть еще более высокая вершина, соответ­ ствующая ядру кислорода. Значит, возможно новое движение по «лестнице устойчивости» — от гелия к кислороду.

Мы не будем подробно рассматривать эту цепоч­ ку ядерных превращений. Прежде всего, для нача­ ла основного ее звена три ядра гелия должны со­ браться в одном месте и соединиться друг с другом в ядро углерода. Поскольку это случается редко, — не забудем, что все три ядра должны иметь, кроме того, и огромные скорости, чтобы .преодолеть взаим­ ное их отталкивание, гораздо большее, чем между протонами, — вероятность первого превращения очень мала. Такое слияние требует еще большей температуры, чем в недрах Солнца, — около 100 миллионов градусов. Но благодаря огромному количеству ядер гелия в «золе» оно все же будет осуществляться довольно часто.

Как только из трех ядер гелия образовалось ядро углерода, начинается новая цепочка превра­ щений. Ядро углерода, захватив три раза по одному протону и один раз превратив протон в нейтрон, превращается в ядро кислорода, но легкого: до обычного кислорода этому ядру не хватает одного нейтрона. Ядро легкого кислорода очень неустой­

69