Факультет

Студентам

Посетителям

Новая алхимия

Открытие радиоактивных процессов вновь возродило давно осмеянную мечту алхимиков о превращении элементов.

Однако распад радия и урана вряд ли восхитил бы знаменитого средневекового «делателя золота» Парацельса: ценою миллиардов лет превращений получить… свинец! А выделяемая при этом энергия сочится так медленно! (Нужно иметь 15 килограммов радия, чтобы нагреть литровый чайник до кипения в 10 минут.) Человечество хочет быть хозяином, а не наблюдателем. И оно не хочет долго ждать.

Но как добраться до этого равнодушного ко всем обычным воздействиям атомного ядра, где найти снаряд, способный пробить панцирь этого броненосца?

Мы уже упомянули выше, что Резерфорд пытался использовать в качестве таких снарядов частицы, вылетающие из самого ядра: альфа-частицы. Расчет оказался правильным.

Резерфорд бомбардировал альфа-частицами ядра азота и выбивал из них протоны — ядра водорода. Азот превращался в кислород. Но число превращающихся ядер при этом было очень мало. Лишь несколько альфа-частиц из миллиарда попадали в ядра азота и производили его превращение: точность прицела неизмеримо ниже, чем у самой плохой артиллерийской команды. Мы видели, что благодаря невообразимо редкому расположению ядер в веществе лишь одна альфа-частица из восьми тысяч имеет шанс пройти настолько близко к ядру, чтобы испытать сильное отклонение в его поле. Из 50 тысяч таких «счастливых» частиц всего одна, благодаря упоминавшимся уже выше загадочным законам микро-вселенной, в нарушение всех правил обычной механики, проникает в отталкивающее ее своим одноименным зарядом ядро и производит катастрофу.

Собственно говоря, снаряд наш оказывается не бомбой, а торпедой, да еще иногда замедленного действия: пробив панцирь броненосца, она проникает внутрь и производит взрыв лишь спустя некоторое время. На языке физики: альфа-частица захватывается ядром, которое через несколько времени распадается, ибо оказывается непрочным. Ядро азота с весом 14 единиц и зарядом 7 единиц, захватив ядро гелия с весом 4 и зарядом 2, выбрасывает ядро водорода — протон с весом 1 и зарядом 1. Остается вес 14 + 4—1 = 17 и заряд 7 + 2—1 = 8, то есть изотоп кислорода с весом 17. Физик записывает:

7N14 + 2Не48O17 + 1Н1

Каков же при этом баланс энергии?

Прежде чем перейти к этим столь важным для нас числам, остановимся вкратце на замечательных методах, позволивших физикам непосредственно наблюдать все эти суб-атомные частицы и превращения.

Методы эти основаны на том факте, что заряженная частица при полете через вещество, — скажем, газ, — вырывает по дороге из оболочек атомов электроны. Атомы приобретают заряд, то есть ионизуются. Так как толпа наружных электронов в атомах, не в пример ядрам, довольно густа, то таких ионов на своем пути частица производит множество — целую цепочку. Конечно, она при этом тратит свою энергию на вырывание электронов и постепенно тормозится. Заметим, что незаряженная частица не производит ионизации.

Существует прибор, в котором ионизация, произведенная всего одной пролетевшей частицей, оказывается достаточной, чтобы произвести в нем электрический разряд, «толчок», в результате которого на регистрирующей фотографической ленте появляется черточка. Этот прибор может считать частицы. Его называют счетчиком Гейгера.

Но есть еще более замечательный прибор — «камера Вильсона». Это сосуд, наполненный воздухом с примесью водяного пара. Если в тот момент, когда в камеру влетает частица, быстро увеличить ее объем, — скажем, выдвинув поршень, — то пар охладится и сгустится на ионах, цепочка которых отмечает путь частицы. Получится туманный след, оставленный частицей. Его можно увидеть или сфотографировать, пока он не успел расползтись. Иногда камеру соединяют со счетчиком, так что частица сама замыкает ток и снимает себя, как человек в уличном фотографическом автомате. Благодаря камере Вильсона осколки атома стали для физиков такой же осязаемой реальностью, как ртутный столбик в трубке барометра.

На приложенных здесь фотографиях можно видеть пути нескольких частиц. На одной из них запечатлено попадание альфа-частицы в ядро азота и расщепление последнего: взрыв ядра произошел в том месте, где след раздваивается. Одно ответвление принадлежит вылетевшему протону, другое, более короткое — путь оставшегося ядра кислорода O17, которое испытывает отдачу, как всякое выстрелившее ружье. Третьего следа, как и следовало ожидать, нет: альфа-частица внедрилась в ядро, она уничтожилась сама, стала частью атома кислорода.

По длине пробега частицы в газе до полной остановки можно судить о ее энергии.

Наконец камеру Вильсона можно поместить между полюсами магнита, поле которого искривит пути частиц. По изгибу следов можно судить о заряде частицы и ее массе.

Этот важный метод предложен советским физиком академиком Д. В. Скобельцыным.

Для расщепления ядер азота подсчет энергии показал следующее: альфа-частица несла с собой энергию 7,7 миллиона электрон-вольт. (Электрон-вольт eV — употребительная у физиков мера энергии. Она очень мала: одна калория тепла соответствует 2,6·1019 электрон-вольт. Миллион электрон-вольт обозначается MeV.) Разлетевшиеся после расщепления протон и ядро кислорода обладают сообща энергией 6,5 MeV. Затрачено больше энергии, чем получено в конце реакции. Проигрыш равен 1,2 MeV.

Но вот при разрушении ядра алюминия (заряд 13, масса 27 : 13Al27) той же альфа-частицей получается после вылета протона ядро кремния 14Si30 и освобождается энергия в 3 миллиона электрон-вольт.

Чтобы оценить эту величину, вспомним, что при сгорании грамма угля получается 8 000 калорий тепла. Если сосчитать, сколько тепла приходится на каждый атом углерода и перемести в электрон-вольты, получится энергия в 4,2 eV. Такими числами, порядка нескольких электрон-вольт выражаются энергии, получаемые в большинстве химических реакций. В ядерных реакциях мы сразу перескакиваем от единиц к миллионам.

Вот какова пропасть между ядерным и химическим арсеналами! Как мы говорили, в этих лабораторных опытах превращение испытывают лишь отдельные ядра — поражают мишень лишь немногие альфа-частицы, а источники, которые были у Резерфорда, — радиоактивные вещества — испускают их не в таком большом количестве. Встал вопрос об искусственном получении мощных протоков заряженных частиц огромной скорости. Нужно было построить ионные пушки (ядро гелия или водорода ведь можно считать ионом — заряженным через отнятие электронов атомом)

Частицы можно разгонять, заставляя их двигаться в пространстве, где действуют электрические силы, — электрическом поле. На каждый вольт приложенной разности потенциалов заряд, равный по величине заряду электрона (скажем, протон), получает энергию 1 eV (отсюда и название электрон-вольт) Можно разгонять частицы и в магнитных полях. Только требуются магниты огромной мощности.

Замечательная ионная пушка была построена в 30-х годах физиком Лоренсом. В этой пушке, которая известна под названием «циклотрона», электрическое и магнитное поля действуют на заряженную частицу таким образом, что сна движется по спирали, получая при каждом обороте через одинаковые промежутки времени толчки и постепенно набирая все большую и большую энергию. В этом приборе (если можно назвать прибором машину высотой с двухэтажный дом) были получены потоки альфа-частиц с энергией 32 MeV вместо 7—8 обычных (у радиоактивных веществ). Пучок разогнанных в циклотроне протонов давал в воздухе луч длиной в 70 сантиметров. Снарядами из этой пушки можно обстреливать крепость атомного ядра и рассчитывать на успех.

Тем временем камера Вильсона натолкнула физиков еще на несколько открытий, снова перевернувших все наши представления о первичных кирпичиках, из которых построено мироздание.

Изучая таинственные, чрезвычайно проникающие лучи, которые приходят к нам из глубины вселенной — так называемые космические лучи, при помощи камеры Вильсона, физики обнаружили на фотографиях новую, удивительную частицу. Это была легкая частица — все подсчеты заставляли приписать ей массу электрона, — но магнитное поле отклоняло ее в противоположную обычному электрону сторону. Это был положительный электрон!

Открытие было ошеломляющим, но вскоре подтвердилось многочисленными наблюдениями. Оказалось даже, что эти положительные частицы могут возникать в веществе одновременно с электронами. Такая «пара» появляется внезапно под действием кванта какого-нибудь очень жесткого излучения, и обе частицы описывают в магнитном поле совершенно одинаковые, только искривленные в разные стороны, пути. Новую частицу назвали позитроном. Теория, объясняющая ее возникновение и вообще предоставляющая ей право на существование, очень хитроумна, и останавливаться на ней здесь нет возможности.

Другое открытие еще важней. Обстреливая альфа-частицами легкий элемент бериллий, физики обнаружили в 1931 году, что последний испускает жесткие, проходящие через очень большие толщи лучи, не производящие ионизации, то есть не несущие заряда. Решили было, что это фотоны гамма-лучей. Но свойства их оказались странными: они могли выбивать протоны из веществ, содержащих водород, и вообще вели себя, как частицы-снаряды. В камере Вильсона они не оставляли следа, так как не имели заряда, но по дороге могли отталкивать встречные ядра азота, гелия и т. д., причем следы этих ядер уже были видны, и по ним можно было восстановить путь невидимого виновника всех этих происшествий. Очевидно, это была частица. По энергиям, которые она сообщала расталкиваемым по дороге ядрам, можно было подсчитать ее вес и скорость. Оказалось, что масса частицы-невидимки равна массе протона; так как она без заряда, то есть электрически нейтральна, ее назвали нейтроном. Это еще одна частица, могущая вылететь из ядра. К числу субатомных частиц, заменивших старые «кирпичи» — неразрушимые атомы, прибавилась еще одна.

Нейтрон и есть та самая частица — протон, лишенный заряда, — которая наряду с этим последним входит в состав всех атомных ядер. Так как масса нейтрона равна массе протона, то для веса атома безразлично, из нейтронов или из протонов составлено его ядро. Между тем, протоны <не создают заряда в ядре, чем и объясняется, что вес атома больше его заряда.

Отсутствие заряда позволяет нейтрону, не отталкиваемому ядрами, свободно проходить через большие толщи вещества. Он тормозится только при прямых столкновениях с ядрами; зато такие столкновения — попадания нейтронов в ядра — происходят гораздо чаще, чем при обстреле альфа-частицами. Все это делает нейтроны особенно мощным орудием для разрушения ядер.

Добавим, что густые потоки нейтронов огромной энергии получают в настоящее время, обстреливая бериллий и некоторые другие элементы ядрами тяжелого водорода, дейтронами, разогнанными в циклотроне Лоренса.

Вооруженные всеми этими сверхмощными метательными снарядами, физики в течение последних десяти лет усердно штурмовали атомное ядро. Обстрел производился и быстрыми протонами, и дейтронами, и альфа-частицами, и нейтронами. Подвергались обстрелу ядра самых различных элементов. Было открыто за короткое время около 600 ядерных реакций с выделением или поглощением количеств энергии, измеряемых миллионами электрон вольт на каждое ядро. В иных случаях распад ядра, захватившего какую-нибудь частицу, вовсе не происходил: ядро обогащалось частицей, возникал более тяжелый элемент. В иных случаях распад такого ядра происходил через значительный промежуток времени — получались новые радиоактивные вещества, постепенно разрушавшиеся, как уран или радий, — правда, значительно быстрее. Элементы превращались друг в друга так же легко, как разноцветные растворы солей в пробирках химиков. Была создана целая «ядерная химия». Вернее, алхимия.

Но алхимия эта пока не приближает нас к использованию энергии ядра. Вызывать расщепление каждого ядра при помощи циклотронов весом в несколько тонн — неблагодарная задача. Представьте себе, что в цилиндре двигателя самолета, наполненном парами бензина, нам пришлось бы поджигать по отдельности каждую молекулу! Вряд ли мы смогли бы получить хоть один оборот пропеллера. Все дело в том, что химическое превращение каждой молекулы бензина дает энергию, которая вызывает превращение следующей молекулы, — возникает цепь таких превращений, как говорят, цепная реакция. Нужно было найти такую же цепную реакцию в ядерной области.

И вот, такие реакции были обнаружены. Совсем незадолго до начала второй мировой войны, в 1939 году, было сделано удивительное наблюдение, что при действии нейтронов на уран возникает изотоп элемента бария, с атомным весом, немного большим половины атомного веса урана. Объяснение вновь открытого явления было предложено сразу: это — совершенно новая, до сих пор не наблюдавшаяся ядерная реакция, при которой ядро атома тяжелого элемента — в данном случае урана — не выбрасывает частицу, а раскалывается на две части, причем обломки разлетаются с огромной энергией. Исследования нового явления, которые непосредственно последовали за его открытием и в которых почетная роль принадлежала советским ученым, лауреатам Сталинской премии Г. Н. Флерову и К. А. Петржаку, установили следующие обстоятельства.

Несколько тяжелых элементов — среди них изотоп урана с весом 235 — могут расщепляться бомбардирующими нейтронами на примерно равные осколки и образуют атомы элементов со средними атомными весами. Энергия, которая освобождается при таком «делении» урана, равна не пяти и не десяти, а примерно двумстам миллионам электрон-вольт. Но самое важное в этой реакции то, что при каждом акте деления ядер урана освобождаются новые нейтроны — в среднем от одного до трех. А уже эти нейтроны могут расщеплять следующий атом урана и так далее. Таким образом, однажды начавшись, расщепление продолжается дальше само собой. При известных условиях процесс может протекать настолько быстро, что произойдет грандиозный взрыв.

Использование какой-либо подобной реакции для промышленного получения ядерной энергии, по-видимому, вполне возможно.

Открытие источника энергии, в сотни миллионов раз более концентрированного, чем все те, которые известны до сих пор, открывает совершенно новые возможности перед техникой, перед всей человеческой культурой. Будучи поставлена на службу созидательной деятельности человечества, ядерная энергия изменит лицо земли.

В процессе исследования деления ядер урана были открыты два новых элемента. Оказалось, что урановое ядро может захватить нейтрон и затем испустить сначала один, а потом другой электрон, увеличиваясь каждый раз в заряде на одну единицу. Получаются ядра с весом 239 и зарядами 93 и 94. Такие «заурановые» элементы до сих пор не были нам известны. В природе они не встречаются и впервые были получены в лаборатории. Им дали имена двух «заурановых» же планет солнечной системы — нептуний и плутоний. Кроме того, есть сведения о создании еще двух элементов с атомными номерами 95 и 96 — им уже дали имена американий и кюрий.

Так современная алхимия не только сумела превращать одни элементы в другие, но и сотворила новые, никем не виданные до сих пор.

Но вернемся к кирпичам мироздания. Свести все существующее от 92 атомов к двум частицам электричества — отрицательному электрону и положительному протону, — как мы видели, не удалось. Природа не хочет быть простой так, как это понимает человеческий ум. Мы уже познакомились еще с двумя частицами-кирпичами: легкой положительно заряженной частицей, «электроном навыворот» — позитроном, и «протоном без заряда» — нейтроном. Есть еще кванты лучистой энергии — фотоны, которые никогда не бывают неподвижны, а рождаются только для того, чтобы мчаться со скоростью 300 000 километров в секунду. По-видимому, можно считать установленные существование еще одной легкой частицы — «нейтрино», не имеющей заряда. Эта частица, не способная сдвинуть с места встречное ядро, уже совсем невидимка. О соображениях, требующих ее существования, и опыте, по-видимому, это подтверждающем, мы здесь не можем говорить.

Из чего же построены ядра, откуда вылетают столь разнообразные частицы? Впервые проф. Д. И. Иваненко в Ленинграде высказал предположение, что ядро состоит из одних протонов и нейтронов. Целый ряд чрезвычайно веских соображений привел физиков к заключению, что это именно так. Протонов в ядре столько, сколько единиц содержит его заряд, то есть по цифре атомного номера. Остальная часть массы ядра состоит из нейтронов, не прибавляющих ничего к заряду. Значит, в ядре Z протонов, образующих заряд Z, и М—Z нейтронов. В сумме они дают массу М. Прибавление одного или двух нейтронов к ядру создает изотоп с прежним зарядом, но с несколько иной массой. Так, в ядрах урана 92 протона и 143 или 146 нейтронов. Получаются изотопы с массами 235 и 238.

Но как из ядра вылетаем то, чего там не содержится? А как возникают и поглощаются в атоме сгустки энергии — фотоны, или световые кванты? Сегодня говорят о превращении внутри ядра протона в нейтрон и позитрон или нейтрона в протон и электрон. При таких превращениях из ядра и мог бы вылететь электрон или позитрон. Но как превращаются друг в друга эти первичные частицы? По-видимому, наши новые кирпичи мироздания тоже не оказываются простейшими элементами вселенной.

Это говорил еще Ленин почти сорок лет тому назад, опровергая махистов, к числу которых принадлежал упоминавшийся уже выше Оствальд: «электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна…».

Уже тогда, в 1909 году, он указывал, что «…исчезает тот предел, до которого мы знали материю до сих пор, наше знание идет глубже…».

Наука все время — а в последние десятилетия с головокружительной быстротой — движется, стремится вперед, и никогда наличный уровень знаний не может считаться окончательным, исчерпывающим. Трудно даже представить себе всю грандиозность работы, проделанной физиками XX столетия. Ведь все эти частицы, атомы, в существовании которых сомневались ещё пятьдесят лет тому назад, — это окружающие нас предметы, это мы сами. Все разнообразие явлений привычного нам мира — движение поезда, растущее дерево, дождь и ветер — лишь грандиозные совокупности других, микроскопических процессов, под всеми ими скрыто однообразное роение мириадов и мириадов мельчайших телец, время от времени нарушаемое катастрофами, перестраивающими все сызнова. И мы смогли различить в знакомых нам грубых явлениях этот микроскопический, тонкий мир, мы смогли в наших приборах все равно что увидеть его, измерять его и управлять им! Формулы физика позволили ему угадывать самые неожиданные свойства явлений мира. Леверье открыл «на кончике пера» планету Нептун. Физики открыли десятки Нептунов «на кончике пера»; собственно говоря, последние три десятка лет они только и делают, что открывают Нептуны.

И что же? Трубы астрономов пронизали пространство, перенесли нас через головокружительные расстояния — и, заглянув вдаль, мы увидели бесконечность. Мы восстановили прошлое, угадали рождение нашей планеты и ее матери — Солнца. Мы заглянули в глубь времен — и увидели там бесконечность. Мы проникли нашим разумом и нашими приборами внутрь вещества — и перед нами открывается бесконечность.

Этими тремя бесконечностями — вдаль, вглубь и внутрь — и можно было бы закончить нашу беседу, если бы к ним не следовало добавить еще одну бесконечность, открывающуюся перед нами при взгляде вперед: это — бесконечность возможностей человеческого разума, человеческой культуры.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: