Энергия будущего

Энергия есть не что иное, как форма движения материи. Существует много видов энергии, а вот единой классификации их пока еще нет. Разные ученые, каждый по-своему, систематизируют ее виды. Мы же приведем одну из таких классификаций. Итак, вот что в нее входит.

Химическая энергия - это энергия, освобождающаяся при изменении структуры электронных оболочек молекул.

Тепловая энергия - энергия хаотического движения молекул и других частиц вещества.

Механическая энергия - это энергия свободного движения тел.

Сюда же входят электрическая, электромагнитная, гравистатическая, электростатическая, магнитостатическая, мезонная, аннигиляционная и, наконец, ядерная.

Человечество освоило большую часть перечисленных видов энергии, на что ушло несколько тысяч лет. Вначале это была энергия Солнца. Затем им был приручен огонь. За ним энергия падающей воды. Наконец наступил век пара и электричества. А несколько десятков лет назад человек перешагнул еще один рубеж и освоил энергию ядерную, или атомную, что одно и то же.

Закон Эйнштейна

Что же такое атомная энергия? Чтобы узнать, что это такое, лучше, пожалуй, напомнить о более привычной форме энергии - химической, и от нее перейти к атомной.

Мы знаем, что в угле, нефти, газе скрыта энергия.

Это и есть химическая энергия. Каким же образом освобождается она из перечисленных выше видов топлива?

Представьте себе, что вы взяли 10 гирь по одному килограмму каждая, взвесили их по отдельности и убедились, что каждая гиря весит точно один килограмм.

Затем сложили их вместе и, взвесив, получили общий вес не 10, а 9,9 килограмма! Невероятно? Да, конечно, но подобное явление с "исчезновением" массы проявляется ежечасно, ежесекундно и не в лабораторных условиях, а в топках, где горят нефть и уголь, в газовых плитах при сгорании газа. Известно, что горение, скажем, угля - это процесс (реакция) соединения углерода с кислородом с образованием углекислого газа. При сгорании каждых 12 килограммов углерода расходуется 32 килограмма кислорода. И мы вправе ожидать, что в результате этой реакции образуется 44 килограмма углекислого газа.

Но проведем такой воображаемый опыт. Поместим в герметическом сосуде те же 12 килограммов углерода и 32 килограмма кислорода, взвесим сосуд и убедимся, что суммарный вес составляет 44 килограмма. Теперь каким-либо способом (нам все равно, каким,опыт воображаемый) подожжем углерод и проведем полностью реакцию соединения углерода с кислородом. Поскольку сосуд герметичный и ни во время горения, ни после него не выходили никакие вещества, то взвешивание его после реакции должно дать все те же 44 килограмма, теперь уже в виде углекислого газа. Взвесив же сосуд, мы удивимся, что углекислого газа не 44 килограмма, а примерно на 4 миллионные доли (4-10^-6) грамма меньше.

Этот опыт мы назвали воображаемым потому, что при существующей технике взвешивания невозможно уловить изменение такого большого веса (44 кг) всего на 0,000004 грамма. Тем не менее ученые другим путем установили, что вес углекислого газа в данной реакции действительно снизился на 4-10^-6 грамма. В чем же тут дело? Куда делась эта недостающая часть реагирующих веществ?

Все дело в том, что при реакции горения образуется не только углекислый газ, но и выделяется энергия. Вот на нее-то и израсходованы 4-10^-6 грамма массы!

Энергия, как оказывается, самым непосредственным образом связана с массой. Этот всеобщий закон связи массы и энергии был открыт и сформулирован создателем теории относительности А. Эйнштейном. Согласно этому закону массе вещества в один грамм соответствует энергия 21,5 миллиарда килокалорий. (Одна килокалория (ккал) - это количество тепла, необходимое для нагревания одного килограмма воды на один градус.)

Эту величину можно получить и из нашего воображаемого опыта, если разделить выделившуюся энергию на уменьшение массы.

Закон Эйнштейна носит всеобщий характер. Так, при любой химической реакции с выделением энергии уменьшается масса и, наоборот, в реакции с поглощением энергии масса продуктов, получающихся в результате реакции, возрастает. Например, в реакции соединения водорода и кислорода масса получаемой воды меньше, чем сумма масс водорода и кислорода, взятых в отдельности, но при этой реакции выделяется энергия.

Если теперь с помощью электрического тока провести электролиз какого-то количества воды, то есть разложить ее на водород и кислород, то сумма масс их будет больше, чем исходная масса воды. Однако при этом на разложение воды затрачено некоторое количество энергии. В этом примере с получением и разложением воды соотношение между изменением массы и величиной выделившейся и поглощенной энергии будет таким же, как в реакции горения углерода, а именно: изменению массы в один грамм соответствует энергия в 21,5 миллиарда килокалорий.

Эта величина очень большая. Если б можно было перевести всю массу одного грамма вещества в энергию, ее хватило бы на обеспечение жизни 5-10 человек на протяжении всего их существования. К сожалению, пока это область фантастики. Позже мы еще коснемся этой проблемы, а сейчас вернемся к приведенному ранее воображаемому опыту. В нем, как вы помните, в реакции горения использовалось 44 килограмма углерода и кислорода, из которых в энергию превратилось всего 4-10^-6 грамма, то есть только одна десятимиллиардная доля. Конечно, это очень маленькая часть. А нельзя ли ее увеличить? Нельзя ли заставить переходить в энергию большую долю взятого вещества?

Оказывается, можно, и люди уже умеют это делать.

Чтобы понять, как это у них получается и в чем секреты разных способов освобождения энергии, давайте заглянем в глубины вещества и посмотрим, из каких деталей оно устроено.

Дефект массы

Что происходит с веществом при химической реакции, скажем, при горении углерода?

Молекула кислорода, состоящая из двух атомов, соединяясь с одноатомной молекулой углерода, образует трехатомное вещество - углекислый газ. Если молекула является наименьшей частью вещества, сохраняющей присущие этому веществу свойства, то атомы - это самые крошечные "кирпичики", определяющие свойства химических элементов, например, углерода, водорода, железа. Элементы отличаются друг от друга тем, что составляющие их атомы различны.

Углекислый газ не элемент, а вещество, содержащее атомы различных-элементов. Однако вещество, получившееся в результате химической реакции, состоит только из тех атомов, которые были введены в реакцию, - в данном случае из атомов углерода и кислорода. Этот факт обязателен для любой химической реакции, следовательно, в ней никогда нельзя получить новый химический элемент, новые атомы. А этого как раз и не знали средневековые алхимики и пытались получить золото из более дешевых и менее привлекательных материалов, которые, однако, не содержали атомов, определяющих свойства цветного металла.

Энергия, которую можно получить в химических реакциях, мала. Это мы видели в нашем опыте, где при горении углерода превратилась в энергию лишь одна десятимиллиардная доля вещества, участвовавшего в химической реакции горения. В других химических реакциях эта доля может быть больше, но ненамного. Значит, во всех химических реакциях, при которых изменения претерпевают лишь молекулы вещества, а атомы не изменяются и остаются целыми, невозможно перевести в энергию большую долю вещества. Как же эту долю увеличить? Надо пойти по принципиально новому пути и попытаться осуществить такие реакции, где менялись бы сами атомы.

Продолжим путешествие и "заглянем" внутрь атома.

Атом очень мал, что-то около одной пятимиллионной доли миллиметра. Почти все вещество, составляющее атом, сконцентрировано в его центре, образуя ядро атома. Вокруг ядра на большом (по сравнению с размером ядра) расстоянии вращаются электроны, несущие отридательный электрический заряд. Масса и размер этих элементарных частиц во много раз меньше массы ядра.

Вращаясь вокруг ядра, они как бы образуют так называемую электронную оболочку атома. Взаимодействие именно электронных оболочек определяет характер химических реакций и выделение энергии при этих реакциях.