Текст книги "Атомная проблема"
Автор книги: Филлип Рэн
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 9 страниц)
Ф. Рэн
Атомная проблема
От Издательства
Брошюра «Атомная проблема», вышедшая в 1956 году во Франции, написана профессором Национальной школы гражданской обороны Ф. Рэном в качестве учебного пособия для слушателей школы. Она состоит из двух частей: первая часть посвящена вопросам использования ядерной энергии для военных целей, а во второй разбираются различные аспекты мирного применения этой энергии и экономические и социальные последствия ее открытия.
В первой части брошюры автор приводит некоторые элементарные сведения из ядерной физики, рассказывает об устройстве ядерного оружия и его поражающих факторах, а также касается вопросов противоатомной защиты. Поскольку во Франции испытания атомного оружия не производились, для написания этой главы были использованы, по-видимому, открытые материалы, опубликованные в иностранной, и прежде всего в американской, печати. Следует отметить, что автор, не являясь специалистом-атомником, подчас излагает материал без должной научной строгости. Так, он пишет, что «механическое действие взрыва, или действие ударной волны, пропорционально корню кубическому из мощности бомбы», хотя следовало бы говорить о том, что расстояния, на которых отмечается одно и то же избыточное давление во фронте ударной волны, относятся как корни кубические из тротиловых эквивалентов атомных зарядов. Вряд ли можно согласиться и с таким утверждением автора, что «бомбы мощностью в 2000–3000 номинальных бомб представляют собой предел, так как ударная волна может в конце концов стать своеобразным препятствием, каким является забойка в шпуре, и основное действие взрыва будет проявляться только в верхних, более разреженных слоях атмосферы».
Раздел, где освещаются достижения различных стран в области ядерного оружия, изложен в брошюре необъективно и тенденциозно. Ф. Рэн черпает сведения об СССР из реакционной буржуазной прессы, и не удивительно, что целый ряд его заявлений не имеет ничего общего с действительностью (в ним относятся, например, заявления о месте и результатах испытаний Советским Союзом ядерного оружия, о последствиях этих испытаний для Японии и др.). Особо следует отметить такой факт: с целью доказать отставание СССР от США в области ядерного оружия Ф. Рэн пишет, что США будто бы взорвали водородную бомбу 1 ноября 1952 года, а СССР – только в августе 1953 года. Но ведь каждому ясно, что взорванное американцами опытное устройство, представляющее собой куб с ребром 6–7 м и весом 65 т, нельзя назвать бомбой. Следовательно, скорее можно говорить об опережении Советским Союзом США, чем о его отставании. А последующие события – такие, как пуск первой в мире атомной электростанции, успешное испытание межконтинентальной баллистической ракеты, запуск двух искусственных спутников земли и спуск на воду атомного ледокола, – наглядно доказали несостоятельность мнения о научно-техническом отставании СССР.
Во второй части брошюры, как уже говорилось, рассматриваются преимущественно социально-экономические вопросы, связанные с мирным использованием атомной энергии. Здесь содержатся интересные сведения об энергетических потребностях и расходе энергии в масштабе Франции и всего мира, о росте народонаселения и т. д. Однако автор излагает все эти вопросы с неомальтузианской точки зрения. По его мнению, рост населения земного шара неизбежно ведет к обнищанию, голоду и периодическим войнам с массовым уничтожением людей. При этом он умышленно не отделяет социалистические страны от капиталистических, так как это сразу опровергло бы его взгляды: известно, что в странах социализма рост производства идет быстрее, чем рост народонаселения, и жизненный уровень населения неуклонно повышается. Таким образом, изменения социального строя общества как самого верного пути к улучшению условий жизни народов капиталистических стран Рэн не видит. Он говорит лишь о том, что атомная энергия будет способствовать повышению экономического потенциала не только развитых, но и отсталых стран и содействовать процветанию народов, но это заявление тонет в общем потоке мальтузианских идей.
Специальный раздел брошюры посвящен энергоресурсам Франции и состоянию французской атомной промышленности. Из приведенных здесь материалов складывается впечатление о сильном техническом отставании этой страны в области атомной энергии и ее полной зависимости от иностранного капитала. Однако небезынтересно отметить, что, по сообщениям пространной печати (например, итальянской газеты «Пополо» от 8 ноября 1957 года), Франция, желая поддержать свой престиж, подорванный событиями в Тунисе, Марокко и Алжире, готовится произвести испытания ядерного оружия.
Автор, безусловно, отлично понимает, какими бедствиями грозит человечеству атомная война. Тем не менее он не решается поставить вопрос о запрещении ядерного оружия как средства массового уничтожения людей – вместо этого он пишет о необходимости пересмотра взглядов на формы и способы ведения войны с учетом новых условий и требует усиления обороны.
В этой связи нельзя не отметить, что в своей брошюре Ф. Рэн попросту обходит проблемы борьбы за мир и за запрещение ядерного оружия и ничего не говорит об усилиях СССР в этой области.
Советский Союз всегда стоял на позициях мира, последовательно выступал за запрещение ядерного оружия, сокращение вооруженных сил и разрядку международной напряженности и делами подкреплял свои мирные предложения. Так, 31 марта 1958 года Верховный Совет СССР принял решение об одностороннем прекращении испытаний ядерного оружия. Этот высокогуманный акт по достоинству оценен всем прогрессивным человечеством.
Но поскольку капиталистические страны продолжают гонку вооружений и ведут подготовку к войне, мы вынуждены крепить оборону нашей Родины. Надо согласиться с автором, что население должно знать, какой опасности оно подвергается при атомном взрыве, и уметь защититься от его поражающих факторов.
Несмотря на указанные недостатки брошюры, издательство считает, что советскому читателю будет полезно ознакомиться с этой работой, содержащей целый ряд интересных сведений. Она поможет получить некоторое представление о существующих на Западе взглядах на проблемы, возникшие в связи с открытием атомной энергии, а также на перспективы ее использования. Безусловно, к высказываниям автора, особенно по социально-экономическим и политическим вопросам, следует относиться в высшей степени критически.
Часть первая
ЯДЕРНЫЕ БОМБЫ
Глава I
Общие сведения
В этой главе мы напомним некоторые элементарные сведения о строении вещества, необходимые для понимания принципа действия ядерных бомб.
I. Химические элементы1. Количество элементов. Периодическая система элементов Менделеева.
В отличие от химических соединений, которых в природе существует очень много (3,5 тыс. соединений из общего количества 300 тыс., известных нам на сегодняшний день), количество простых веществ, или элементов, в природе ограниченно. Последние принято классифицировать по их атомному весу, который при обозначении элемента стоит обычно рядом с его символом. Наиболее известной классификацией элементов является периодическая система элементов Менделеева, где за основу принят кислород, обозначаемый латинской буквой О, с атомным весом 16. Атом кислорода по этой системе обозначается О16. В таблице Менделеева в клетке № 1 стоит самый легкий элемент – водород, а в клетке № 92 – уран.
В 1869 году, когда Менделеев предложил свою классификацию, было известно всего 63 элемента. Менделеев утверждал, что большинство принятых в то время атомных весов были неверными и что всего в природе должно существовать 92 элемента. И действительно, в 1871 году Лекок де Буабодран открыл галлий (№ 31), в 1879 году Нильсон выделил скандий (№ 21), а в 1887 году Винклер открыл германий (№ 32). В дальнейшем открытие новых элементов пошло более быстрыми темпами, и в 1939 году все пустые клетки таблицы Менделеева были заполнены, за исключением клеток под номерами 41, 63, 85 и 87.
К началу 1956 года был известен 101 элемент. Элемент № 100 – фермий – впервые был получен искусственным путем в конце 1953 года, а в конце 1954 года ученым удалось обнаружить 17 атомов 101-го элемента периодической системы Менделеева. В настоящее время говорят уже о существовании 108 элементов, причем элементы от № 102 до № 105 являются довольно устойчивыми, и их можно обнаружить обычным химическим путем, а три последних элемента неустойчивы, и для их исследования приходится прибегать к помощи ядерной химии.
В каждой клетке периодической системы Менделеева могут стоять несколько разновидностей одного и того же элемента, называемых изотопами. Так, в клетке № 1, кроме обычного (легкого) водорода, можно обнаружить еще два его изотопа: дейтерий и тритий, а в клетке № 92 находятся 11 изотопов урана.
2. Обозначение элементов. Число Авогадро.
Каждый элемент обозначается определенным символом, например, кислород – О, водород – Н, уран – U. У этого символа в виде индексов указываются:
а) атомный номер, обозначаемый буквой Z. Атомный номер соответствует номеру клетки, которую занимает данный элемент в таблице Менделеева. Например, водород имеет атомный номер 1, гелий – 2, литий – 3, кислород – 8, уран – 92, плутоний – 94;
б) массовое число А, представляющее собой округленный до целых единиц атомный вес того или иного элемента. Так, массовое число водорода будет равно 1, а урана – 238.
Поэтому в ядерной физике каждый элемент обозначается следующим образом: zXA.
В ядерной физике встречается также понятие грамм-атома. Грамм-атом какого-либо элемента – это число граммов этого элемента, соответствующее его атомному весу. Таким образом, 1 грамм-атом водорода равен 1,008 г, а 1 грамм-атом урана – 238,07 г. Необходимо отметить, что в грамм-атоме любого элемента содержится всегда одно и то же количество атомов. Это количество, называемое числом Авогадро, равно примерно 6 .1023 (то есть 6 с 23 нулями).
Теперь необходимо хотя бы коротко остановиться на строении атома.
II. Строение атомаКаждое химическое вещество состоит из однородных частиц, называемых молекулами. Если разложить молекулу на более элементарные составные части, мы получим атомы.
Атом принято схематически изображать в виде ядра с вращающимися вокруг него электронами. Ядро состоит из двух видов элементарных частиц (нуклонов): протонов, несущих положительный электрический заряд, и нейтронов, не имеющих никакого электрического заряда. Вокруг ядра вращается целый рой отрицательно заряженных электронов, расположенных в несколько слоев.
1. Атомный номер Z и массовое число А.
Количество протонов, содержащихся в ядре того или иного элемента, равно атомному номеру Z этого элемента. Например, в ядре водорода и его изотопов содержится всего один протон, а в ядре урана – 92 протона. Поэтому водород имеет атомный номер 1, а уран – 92.
Атом электрически нейтрален. Поскольку величина электрического заряда протона равна величине заряда электрона, который называется элементарным зарядом, можно сделать вывод, что число протонов в ядре равно числу электронов, вращающихся вокруг ядра. Следовательно, атомный номер элемента дает возможность судить как о количестве протонов, так и о количестве электронов, содержащихся в атоме этого элемента.
Массовое число А соответствует количеству нуклонов или общему числу протонов и нейтронов в ядре того или иного элемента.
В ядре легкого водорода содержится всего один протон, вокруг которого вращается один электрон. В ядре дейтерия, кроме протона, имеется 1 нейтрон, что в сумме составляет 2 частицы, а в ядре трития – 2 нейтрона, то есть всего 3 частицы. Поэтому мы обозначаем эти изотопы так: легкий водород – iH1, дейтерий – iH2, тритий – iH3.
Из 11 изотопов урана 3 изотопа (с атомным весом 234, 235 и 238) являются естественными.
Содержание урана 235 в природном уране составляет 1/140, а урана 238 – 139/140. Это означает, что на каждые 140 ядер природного урана приходится всего одно ядро урана 235, а остальную массу его составляет уран 238. Что касается урана 234, то в природном уране можно обнаружить лишь его следы.
В ядре урана 235 насчитывается 235 нуклонов. Поскольку число протонов в ядре урана равно 92, простым вычитанием можно определить количество нейтронов, которое в ядре урана 235 будет равно 143. Уран 238 отличается от урана 235 тем, что в его ядре на 3 нейтрона больше. Эти 3 естественных изотопа урана можно обозначить следующим образом: 92U234, 92U235, 92U238.
Плутоний, который в таблице Менделеева стоит в 94-й клетке, имеет массовое число 239. Это означает, что ядро плутония содержит 94 протона и 145 нейтронов.
Следовательно, количество нейтронов любого элемента равно разности А – Z.
Число нейтронов в ядрах легких элементов, как правило, примерно равно числу протонов. Что касается тяжелых элементов, то в их ядрах нейтронов больше, чем протонов.
2. Размеры атома и ядра.
Радиус атома выражается числом порядка 10-8 см, что соответствует десяти тысячным микрона (микрон равен тысячной доле миллиметра), радиус ядра равен примерно 10-13 см, или одной миллиардной доле микрона. Иными словами, атом в 100 тыс. раз больше его ядра. Из этих цифр можно сделать вывод, что между ядром и электронной оболочкой ничего нет – «вещество заполнено пустотой»[1]1
Положительно заряженное ядро и электроны связаны между собой силами электрического притяжения. – Прим. ред.
[Закрыть].
Необходимо сделать еще одно важное замечание: почти вся масса атома сосредоточена в ядре. Чтобы проиллюстрировать необычайную плотность ядра, скажем, что 1 см3 ядер урана весит более 100 млн. т!
Конечно, представить себе такую громадную плотность очень трудно.
3. Сложное строение атома.
Схема атома, которую мы дали выше, очень упрощена. На самом же деле, кроме тех частиц, о которых мы уже говорили, существуют еще положительно заряженные электроны, называемые позитронами, а также отрицательно заряженные протоны, или антипротоны. Сейчас ученые говорят даже об антинейтронах. Действительно, в некоторых случаях протоны передают свой заряд нейтронам. Следовательно, эти две частицы могут в определенных условиях превращаться из одной в другую. Кроме того, они связаны между собой особыми силами, носящими название ядерных сил, природа которых мало изучена. Не подлежит сомнению, что все эти понятия со временем будут уточнены и, может быть, ученым удастся обнаружить новые частицы, более элементарные, чем известные нам сегодня.
Все так называемые «классические» свойства элементов (химические, электрические, магнитные) обусловливаются числом электронов и структурой электронной оболочки. Лишь явления радиоактивности и превращения элементов связаны с изменениями внутри ядра. Электроны должны рассматриваться одновременно и как материальные частицы, и как волны; эта их двойственная природа легла в основу квантовой механики, принципы которой были сформулированы в 1924 году Луи де Бройлем.
III. Закон взаимосвязи массы и энергии1. Формула Эйнштейна.
Мы знаем, что существует закон сохранения массы: «Ничто в природе не пропадает бесследно и не создается из ничего, все превращается». С другой стороны, известно, что есть закон сохранения энергии. Энергия проявляется в различных формах, причем тепловая энергия является самой последней из них. Это было доказано Джоулем еще лет сто тому назад.
В 1905 году Эйнштейн, который в то время служил в Федеральном бюро патентов в Берне, опубликовал три статьи, имевшие огромное значение не только для развития физики, но и для всей современной науки. Рассматривая в одной из своих статей специальную теорию относительности, Эйнштейн доказал эквивалентность массы и энергии. Масса и энергия, по Эйнштейну, являются выражением одной и той же сущности, и это дает основание говорить, что энергия = массе.
Но, чтобы получить действительное равенство, необходимо ввести поправочный коэффициент, а именно квадрат скорости света, обозначаемой буквой с. Тогда формула Эйнштейна примет следующий вид: Е = т . с2, где т – масса покоя. Эта формула, кстати, близка формуле кинетической энергии Е = т v2 (с примерно постоянным коэффициентом).
2. Объяснение формулы Эйнштейна.
При пользовании формулой Эйнштейна необходимо особенно внимательно следить за правильностью единиц измерения. В системе CGS, где длина выражается в сантиметрах, масса – в граммах, а время – в секундах, Е измеряется в эргах, иногда в джоулях (1 дж = 107 эрг), m – в граммах, а с – в сантиметрах в секунду. Тогда получится, что с – 3 . 1010 см/сек, а с2 = 9 . 1020, или с2 ≈ 1021.
Следовательно, в системе единиц CGS формула Эйнштейна принимает следующий вид: Е = 1021 т. Необходимо особо подчеркнуть громадную абсолютную величину коэффициента 1021.
Закон сохранения массы остается действительным и в том случае, если мы имеем дело не только с одной массой, а с массой и энергией в их совокупности. Можно сказать, что вся энергия ядра соответствует его массе, а высвобождение ядерной энергии, которое в основном происходит в виде излучений, выражается разностью массы.
а) Следовательно, для того чтобы «получить» некоторое количество энергии, нужно «затратить» какое-то количество массы. Иначе говоря, необходимо, чтобы реакция сопровождалась «дефектом» (убылью) массы.
Учитывая громадную абсолютную величину коэффициента с2, нетрудно видеть, что при незначительном дефекте массы достигается получение большого количества энергии.
Возьмем для примера Солнце. Ежесекундно на Солнце 570 млн. т водорода превращаются в 566 млн. т гелия. Следовательно, это превращение происходит с дефектом массы в 4 млн. т, которые выделяются в виде энергии и являются «горючим» Солнца. Такой дефект массы по нашим понятиям является огромным, но, принимая во внимание то обстоятельство, что масса Солнца равна 2 1027 т, можно сделать вывод, что запасов солнечного «горючего» хватит на несколько миллиардов лет.
б) Если дефект массы сопровождается выделением энергии, то и наоборот, расходуя энергию в какой-либо форме, можно увеличивать массу и, следовательно, создавать искусственным путем вещество. Однако для получения незначительного количества вещества потребуется огромное количество энергии.
В ядерной физике энергия измеряется в электроновольтах (эв). Энергия в 1 эв соответствует кинетической энергии частицы, обладающей одним элементарным зарядом и проходящей в электрическом поле разность потенциалов в 1 в. Эта энергия очень мала: 600 млрд. эв составляют 1 эрг. Для получения искусственным путем пары электронов нужно затратить энергию в 1 Мэв (1 млн. эв); такой опыт был проделан в 1933 году. Как было установлено в 1948 году, для получения пары мезонов (частиц, обнаруженных в космических излучениях) необходима энергия в 400 Мэв, а для получения пары протон – антипротон нужна энергия в 2000 Мэв.
Такие огромные энергии могут быть получены лишь на мощных ускорителях частиц. Берклейский ускоритель в США позволяет получать частицы с энергией в 6000 Мэв. На нем в конце 1955 года впервые был получен антипротон. Установки, где получают такие громадные энергии, называются беватронами (1 бэв = 109 эв), или космотронами, так как они позволяют получать энергии, которые до сих пор наблюдались лишь в космических излучениях.
Глава II
Принцип действия ядерных бомб
Напомнив некоторые общие сведения из области ядерной физики, мы можем перейти к изложению принципа действия ядерных бомб.
Все ядерные бомбы делятся на две большие группы: бомбы, основанные на реакции деления, называемые иногда «малыми бомбами», и бомбы, основанные на реакции синтеза, или термоядерные бомбы, называемые иногда «большими бомбами».
Действие как «малых», так и «больших» бомб основано на законе взаимосвязи массы и энергии. Хотя исходным материалом для обеих групп служат различные вещества, при взрыве и тех и других бомб происходят реакции, характеризующиеся значительным дефектом массы.
I. Бомбы, основанные на делении ядер1. Сущность явления.
В бомбах, основанных на делении ядер, исходным материалом служат тяжелые элементы: уран 235 или плутоний 239.
Ядра этих элементов в определенных условиях могут делиться или расщепляться под действием различных частиц, преимущественно нейтронов, поскольку, будучи электрически нейтральными, нейтроны не испытывают на себе воздействия сил отталкивания протонов ядра. Эту реакцию можно записать так:
92U235 + оn1 = 92U236 = ZXA + Z'XA' + (2 или 3) оn1 + Е.
Образовавшееся ядро урана 236 моментально расщепляется на два осколка с примерно равными массами. При этом происходят:
а) образование продуктов распада zХА +z'XA'. Продуктами распада могут быть самые различные элементы – от цинка (Z=30) до европия (Z=63).
Так как Z+Z'=92, то может образоваться пара: барий (Z=56) и криптон (Z'= 36). Каждый из этих двух продуктов распада в свою очередь распадается на три или четыре радиоактивных элемента, которые в конечном счете превращаются в устойчивые элементы;
б) испускание нейтронов. При делении ядра тяжелого элемента образуется в среднем 2–3 свободных нейтрона, которые не участвуют в образовании новых элементов, находящихся в средней части таблицы Менделеева. Эти нейтроны в свою очередь вызывают деление других ядер, и начинается цепная реакция при условии, что потеря нейтронов в результате их поглощения ядрами или вылета в атмосферу будет минимальной. Очень большая потеря нейтронов происходит, например, в уране 238, ядра которого делятся только в результате их бомбардировки «быстрыми» нейтронами, тогда как для деления урана 235 достаточно «медленных» нейтронов;
в) высвобождение огромного количества энергии порядка 200 Мэв на деление ядра. Это высвобождение энергии происходит за счет дефекта массы, который в реакциях деления составляет 0,1 % всей участвовавшей в реакции массы.
Для того чтобы цепная реакция приняла характер взрыва, необходимо наличие определенного количества массы расщепляющихся материалов, называемой критической массой. Размеры критической массы должны превышать расстояние, называемое в физике средним свободным пробегом нейтронов, так как в противном случае нейтроны могут вылетать за пределы массы, не производя деления новых ядер, и в этих условиях цепная реакция начаться не может. Для урана 235 критическая масса соответствует примерно 20 кг, для плутония – всего 5–6 кг. Впрочем, размеры критической массы можно значительно сократить, используя так называемые отражатели нейтронов, не допускающие вылета нейтронов за пределы этой массы.
2. Самопроизвольное деление.
Реакция деления ядер не вызывается искусственным путем, а начинается самопроизвольно. Поэтому совершенно безразлично, откуда берется первый нейтрон, возбуждающий реакцию. Ядра рассматриваемых нами тяжелых элементов обладают определенной способностью к самопроизвольному делению. Учитывая то обстоятельство, что количество атомов в 1 г вещества чрезвычайно велико (в 238,07 г урана содержится 6 . 1023 атомов), можно с уверенностью сказать, что всегда найдется достаточное количество свободных нейтронов для возбуждения реакции. Поэтому для того, чтобы произошел взрыв, необходимо лишь наличие критической массы. Исходя из вышесказанного, устройство атомной бомбы можно представить себе по следующим двум схемам:
а) в нужный момент на заданной высоте происходит соединение двух масс делящегося вещества, каждая из которых меньше критической;
б) внутри критической массы помещается поглотитель нейтронов, мешающий последним возбудить реакцию. Взрыв вызывается внезапным удалением поглотителя. В качестве поглотителя в таких бомбах может использоваться металл, из которого изготовляются аварийные стержни в ядерных реакторах.
