Энергия будущего

В пределах объема ядра составляющие его частицы находятся в беспрерывном движении. Если бы удалось добавить туда хотя бы немного энергии, то есть ввести ее избыточное количество, то частицы стали бы двигаться быстрее. Можно предположить, что они смогли бы преодолеть соединяющие их ядерные силы и "изнутри" взорвать, разделить ядро. Величину этой избыточной энергии (физики называют ее энергией возбуждения) можно рассчитать.

Если проделать эти вычисления, то окажется, что легче всего поддаются делению тяжелые ядра. Так, для урана-235 величина энергии возбуждения равна всего 5 миллионам электронвольт - 5 Мэв. (В своих расчетах физики предпочитают пользоваться этой единицей энергии. Один Мэв примерно равен 4-10^-17 килокалориям.) Для платины (атомный вес 195) величина возбуждения равна 40 Мэв, а для элемента с атомным весом 141 (празеодим) возрастет до 62 Мэв. Ядра тяжелых элементов самые неустойчивые. Достаточно лишь немного "подтолкнуть" такое ядро, то есть добавить небольшое количество энергии, как оно разделится.

Если теперь возобновить разговор об инструменте и энергии, то инструментом для деления атомного ядра могут быть, как уже говорилось, протоны, другие ядра или нейтроны. Попав в ядро, они должны иметь хороший запас энергии, то есть обладать большой скоростью. Этот запас должен быть не меньше той энергии возбуждения, о которой речь шла выше. Только тогда ядро перейдет в возбужденное состояние и произойдет его деление.

Для того чтобы протон или нейтрон обладали энергией 5 Мэв, необходимой, для деления урана-235, нужно, чтобы скорость их равнялась 30 тысячам километров в секунду.

Мы еще не обращали внимания на одно свойство частиц, представляющих собой инструмент для деления ядра, - их заряд. А ведь протоны и ядра атомов - это заряженные частицы, и именно поэтому они как инструмент непригодны для деления ядра. При сближении, например, протона с ядром между ними будут действовать силы отталкивания. Преодолевая их, протон потеряет часть своей энергии и попадет в ядро таким обессиленным, что уже не сможет разделить ядро. Значит, энергия заряженных частиц-снарядов должна быть очень большой (вспомните термоядерный синтез), существенно больше энергии, необходимой для деления ядра.

Поэтому в качестве инструмента для деления предпочтение надо отдать незаряженному нейтрону. Пользуясь своей нейтральностью, он может свободно проникать в ядро; ему не надо преодолевать силы отталкивания. Чтобы разделить ядро, он должен только принести в него энергию возбуждения, и ее будет достаточно для этой "операции".

Остановимся еще на одном факте, имеющем громадное значение для осуществления реакции деления.

Когда шла речь о синтезе элементов, мы заметили, что если лишь присоединить нейтрон к ядру, то, поскольку это будет уже элемент с другим атомным весом, должна выделиться энергия, обусловленная изменением недостатка (дефекта) массы. В случае присоединения нейтрона к урану-235 она равна примерно 7 Мэв. Прежде чем выделиться из ядра, эта энергия переведет его в возбужденное состояние. Следовательно, "простое присоединение" нейтрона к ядру уже вносит в него энергию возбуждения, большую той, которая необходима для разделения элемента с атомным весом 235 (она равна, если помните, 5 Мэв), точнее, 236, так как после присоединения нейтрона атомный вес увеличился на единичку.

Отсюда вытекает, что нейтрон не должен обладать никакой начальной энергией, его не нужно разгонять до 30 тысяч километров в секунду, необходимо только, чтобы он как-то попал в ядро. Тогда оно придет в возбужденное состояние и с большой вероятностью разделится. А уж само деление приведет к выделению энергии гораздо большей. О ее величине мы уже говорили: для урана-235 она равна примерно 200 Мэв на ядро (20 миллионов килокалорий на грамм урана).

Под действием нейтронов, не обладающих начальной энергией, могут делиться не все ядра, а только те, у которых энергия возбуждения, необходимая для их деления, меньше 7 Мэв, то есть той энергии, которая выделяется при простом добавлении нейтрона к ядру.

Таких ядер известно немного. Их атомный вес должен быть близким к 235, и для них энергия возбуждения, вызывающая деление их ядер, составляет около 5 Мэв.

Действительно, платина (атомный вес 195) уже не подходит. Энергия возбуждения, необходимая для ее деления, равна 40 Мэв. Элемент с атомным весом 141 вообще невыгодно делить: энергия, которую необходимо затратить на его деление (62 Мэв), меньше энергии, обусловленной дефектом массы и выделяющейся при делении (48 Мэв). Значит, нужные элементы со "знаком качества" следует искать вблизи атомного веса 235. Они легко делятся и отдают большую энергию, чем тратится на их деление. Прежде всего это сам уран с атомным весом 235, наиболее распространенный в природе, затем плутоний-239 и изотоп уран-233. Эти элементы называются делящимися.

Как это было

Последовательность шагов, которые мы делали, подходя к делению ядер, почти обратна историческому ходу событий. До 1938 года физики вообще не знали, что деление возможно. Лишь открыв это опытным путем, они объяснили природу данного явления: почему его легко осуществить с помощью нейтронов и трудно с помощью протонов. Вот как это происходило.

С 1919 года физики-экспериментаторы начали изучать ядра элементов, бомбардируя их-пучками летящих частиц: ядрами гелия (альфа-частицами), протонами.

При обстреле ядра влившаяся в него частица меняла его заряд и атомный вес. Первым человеком, осуществившим превращение ядра, был английский ученый Э. Резерфорд. Он наблюдал реакцию получения кислорода из азота при обстреле последнего ядрами гелия.

У многих исследователей потом возникла мысль о создании новых элементов, которых нет на земле. Начавшаяся серия опытов приносила массу новых сведений, одно открытие следовало за другим. Началась эта серия опытами французских молодых ученых Ирэн и Фредерика Жолио-Кюри. При бомбардировке бериллия ядрами гелия были обнаружены какие-то новые частицы. Д. Чедвик в Англии повторил опыты Кюри и показал, что эти новые частицы имели массу протона, но были лишены электрического заряда. Так были открыты нейтроны. Советским ученым Д. Иваненко и немецким физиком В. Гейзенбергом была выдвинута подтвердившаяся затем гипотеза о том, что нейтроны являются составной частью ядра.

В 1934 году Э. Ферми бомбардирует атомы вновь открытыми частицами нейтронами. Обстреливая ими уран, он получил новые радиоактивные ядра, которые принял за новые элементы, следующие в периодической таблице Менделеева за ураном.

Но лишь в 1939 году стало ясно, что в действительности происходит при обстреле урана нейтронами.

В конце 1938 года Ирэн Жолио-Кюри и югославский ученый Савич провели опыты по бомбардировке урана и обнаружили среди продуктов, возникших после бомбардировки, вещество, сходное с лантаном - элементом, весьма далеким от урана в таблице Менделеева.

Эти опыты были повторены О. Ганом и его сотрудником Ф. Штрассманом (Германия). Среди продуктов облучения они обнаружили барий и молибден и уже в январе 1939 года опубликовали это сенсационное сообщение.

Атомный вес бария 137, что означало, что его ядро содержит чуть более половины числа протонов и нейтронов ядра урана. Таким образом, было установлено, что ядро урана раскалывается на более легкие ядра, в числе которых ядро бария. Этот процесс назвали расщеплением ядра. Затем появился термин - деление.

Позже было установлено, что при делении урана-235 может образоваться до 30 пар различных элементов. Характер деления таков, что ядро распадается на равные половины или образует одно тяжелое и одно легкое ядра.

В дальнейшем опыты, поставленные Ф. ЖолиоКюри, показали, что при делении урана выделяется громадная энергия. При этом были обнаружены осколки урана на расстоянии трех миллиметров от места их деления, что свидетельствовало о ядерном взрыве. Ведь если сопоставить указанное расстояние с масштабом земного шара, то оно равносильно отбрасыванию осколков нашей планеты в случае ее взрыва на расстояние 400 миллионов миллиардов километров, то есть на половину диаметра нашей Галактики.