Страница 33 из 173
Благодаря таким превращениям многие элементарные частицы очень недолговечны. Так, например, мезоны и позитроны «живут» миллионные доли секунды. Так же неустойчивы и вновь открытые частицы — гипероны.
Как видим, эти частицы очень мало похожи на неизменные «кирпичики мироздания».
Но какие же элементарные частицы входят в состав ядер атомов? Некоторое время предполагали, что в ядре находятся протоны, количество которых равно атомному весу элемента, и электроны, которые уравновешивают часть положительных зарядов ядра. Так что общий заряд ядра считался равным общему количеству содержащихся в ядре протонов, за вычетом тех протонов, которые нейтрализуются электронами, находящимися там.
Позже было доказано, что это предположение противоречит ряду прочно установленных в физике положений, а поэтому пришлось отказаться от него.
Выяснить строение атомного ядра помогло открытие нейтрона. Советским физиком Д. Д. Иваненко была высказана мысль о том, что в состав ядра входят не протоны и электроны, а протоны и нейтроны. Количество протонов определяет заряд ядра, а общее количество прогонов и нейтронов, вместе взятых, равно его атомному весу.
Но как объяснить в таком случае тот факт, что при радиоактивном излучении из ядра атома выделяются бета-лучи, то есть электроны?
Электронов в ядре действительно нет, но они рождаются ядром в результате превращений частиц, входящих в его состав. Так, нейтрон порождает электрон, превращаясь в протон. Этим и объясняется испускание бета-лучей (то есть потока электронов ) радиоактивными веществами. Испускание альфа-лучей (то есть ядер гелия) объясняют так. Ядро атома гелия, в которое входят 2 протона и 2 нейтрона, обладает особой прочностью. Поэтому из радиоактивных веществ часто вырываются вместе 2 протона и 2 нейтрона, то есть альфа-частицы.
В связи с протонно-нейтронной теорией атомного ядра возникает следующий вопрос. Чем объяснить, что ядра не рассыпаются и представляют собой довольно устойчивые образования, особенно ядра гелия? Ведь известно, что все протоны заряжены положительно, а положительные заряды отталкиваются друг от друга. Нейтроны же в этом случае никакого электрического действия оказывать не могут, поскольку они не имеют заряда.
Размышления над этим вопросом привели к предположению, что внутри ядра действуют новые, ранее неизвестные, мощные силы, во много раз превосходящие силы электрического отталкивания. Природа этих сил полностью еще до сих пор не изучена. Но ясно то, что эти силы громадны. Сила электрического отталкивания тем больше, чем меньше расстояние. Поэтому при тех малых расстояниях, которые имеются между протонами в ядре, силы отталкивания между ними должны быть очень велики. А для того чтобы, несмотря на это, удержать протоны в ядре, требуются еще большие силы.
Такие мощные силы способны совершать и огромную работу, во много раз превосходящую ту, которая производится при помощи других известных нам сил — пара, электричества и так далее. Способность совершать работу, как мы уже говорили, называется в физике энергией. Следовательно, атомные ядра в своей совокупности обладают очень большой энергией.
О колоссальном количестве энергии, заключенной в атомных ядрах, можно было судить и на основании других соображений. После того как были произведены точные измерения масс протонов и нейтронов, ученых поразило одно очень странное явление. Масса ядра гелия (то есть альфа-частицы), состоящего из двух протонов и двух нейтронов, оказалась меньше, чем сумма масс двух протонов и двух нейтронов, взятых в отдельности. Выходит, при соединении четырех отдельных частиц в одну сложную частицу куда-то исчезает часть массы.
Этот странный факт был объяснен на основе формулы о соотношении между массой и энергией. Это соотношение было установлено известным американским физиком Альбертом Эйнштейном, которого Ленин назвал одним из «великих преобразователей естествознания».
А. Эйнштейн доказал, что масса тела тесно связана с его энергией. С увеличением энергии тела растет и его масса. Например, если тело нагреть, то его энергия от этого увеличится, следовательно, увеличится и масса. Но это увеличение массы нагретого тела не будет заметно, так как по соотношению Эйнштейна очень большим количествам энергии соответствует очень маленькая масса.
С точки зрения соотношения Эйнштейна можно понять кажущееся исчезновение части массы при соединении протонов и нейтронов. В процессе этого соединения выделяется большое количество энергии. Вместе с выделенной энергией уходит и часть массы.
О величине энергии, выделяемой при этом, можно судить по такому соотношению. С массой вещества, равной 1 грамму, связано такое количество энергии, которого хватило бы, чтобы вскипятить озеро объемом в двести тысяч кубических метров.
Теперь нам становится понятным и тог в свое время поразивший физиков факт, что кусок радия выделяет энергию непрерывно, без каких-либо заметных изменений. Никакого нарушения закона сохранения энергии здесь не происходит. Все объясняется тем, что радий заключает в себе огромное количество энергии. Количество это настолько велико, что уменьшение энергии при излучении остается для нас совсем незаметным. Нам кажется, что она выделяется все в одних и тех же количествах, сколько бы времени ни происходило излучение.
Представьте себе, что вы черпаете воду из океана ведром. Несомненно, вода в ведре не появляется из ничего. Но в океане воды так много, что мы совершенно не в состоянии заметить ее убыль при этом, хотя ее, конечно, и становится меньше. Точно так же уменьшается и запас энергии радия при излучении. Подсчитано, что за 1600 лет интенсивность излучения радия уменьшится наполовину. А интенсивность излучения урана уменьшится наполовину лишь за 4,5 миллиарда лет.
Вся энергия, которой до сих пор пользовались на земле,— энергия, выделяющаяся при сгорании дерева, каменного угля, нефти, энергия ветра и падающей воды — представляет собой по сути дела преобразованную различным образом энергию солнечных лучей. Без солнца не росли бы деревья, вода постоянно находилась бы на одном уровне и, следовательно, нельзя было бы использовать ее энергию.
Но откуда же берется колоссальная энергия солнечного шара, миллионы лет щедро расточающего свои лучи по необъятным просторам Вселенной? Многие столетия ученые безуспешно бились над этой проблемой. Они высчитали, что если бы Солнце состояло целиком из каменного угля и кислорода, то энергии, выделяемой при его сгорании, хватило бы всего на 500 лет его деятельности. Теперь, наконец, физики приподняли завесу над тайной источника солнечной энергии. Ядерные реакции — вот что может ее объяснить. Энергии, выделяемой при ядерной реакции превращения водорода в гелий, Солнцу хватит на много миллиардов лет.
Все эти открытия физиков приводили к мысли о том, какую огромную пользу могло бы принести человеку использование тех мощных запасов энергии, которые содержатся в атомном ядре.
Уже тогда, в 30-х годах, ученые говорили о возможности практического применения атомной энергии, но относили это к отдаленному будущему. Однако эта возможность открылась значительно раньше.
Перед второй мировой войной было открыто одно явление, позволившее практически использовать атомную энергию. Обнаружилось, что если направить поток нейтронов на ядра урана, то они раскалываются на две части — ядра других элементов. При этом получаются новые нейтроны и выделяется большое количество энергии. Новые, «вторичные», нейтроны разбивают другие ядра урана, причем снова выделяется энергия и образуются новые нейтроны и так далее. Получается, как говорят химики, цепная, то есть непрерывная, реакция,
Это явление вначале использовалось лишь для создания атомных бомб.
Первыми применили атомную энергию в мирных целях советские ученые. Здесь ими достигнуты значительные успехи.
В Советском Союзе построена первая в мире электростанция , работающая на атомной энергии. Ледокол «Ленин» с мощным атомным двигателем прорезал вековые льды Арктики. Уже сейчас всюду проникает атомная энергия. Ее используют не только там, где требуется большое количество энергии, но и во многих других случаях. Например, при помощи энергии атома медицина борется с такой опасной болезнью, как рак. Лучи, выделяющиеся при распаде атомных ядер, разрушают раковые клетки, оставляя неповрежденными здоровые. Сельское хозяйство также использует энергию атомных ядер. Так, семена, подвергнутые облучению при помощи радиоактивных веществ, дают больший урожай.