Текст книги "Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек"
Автор книги: Сергей Бердышев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 17 (всего у книги 25 страниц)
Поскольку атом химически неделим, то о его расщеплении никто не мог даже думать до конца XIX в. Лишь в 1896 г. француз А. Беккерель открыл природное явление, впоследствии названное радиоактивностью. В то время ученый мир был потрясен сообщением В. Рентгена об обнаружении невидимых X-лучей, обладающих высокой проникающей способностью. Многие физики увлеченно занимались их исследованием и ставили разнообразные опыты для получения новых сведений о возможностях загадочных лучей.
Беккерель также проявил живой интерес к открытию Рентгена и даже выдвинул собственную гипотезу о природе X-лучей. По мнению Беккереля, невидимое излучение возникает после длительного воздействия солнечных лучей на некоторые вещества. То есть рентгеновские лучи сходны в чем-то с люминесцентным свечением. Беккерель, пытаясь найти доказательство своей теории, ставил эксперименты, в которых использовал, наряду с прочими веществами, урановую соль.
Содержание опытов сводилось к следующему. Физик освещал вещество солнечным светом, после чего прятал его в темное место, предварительно подкладывая под вещество фотопластинку, завернутую в черную бумагу. Используя урановую соль, Беккерель заметил, что фотопластинка оказывалась неоднократно засвеченной. Следовательно, уран источает рентгеновские лучи.
Ученый был уверен, что вынужденное излучение происходит под воздействием солнечного света, однако случай заставил его изменить свое мнение. Как-то раз эксперимент Беккереля был сорван пасмурной погодой. Несмотря на то что опыт был завершен раньше обычного и ученый не ожидал получить результат, он, тем не менее, решил положить урановую соль на фотопластинку. Та оказалась засвеченной точно так же, как если бы соль весь день пробыла на ярком солнце. Беккерель заключил, что испускание невидимых лучей солью нельзя увязать с люминесценцией.
Обнаруженное физиком природное явление заинтересовало многих других ученых, в т. ч. супругов Кюри. Мария Склодовская-Кюри, исследовавшая феномен вместе со своим мужем Пьером Кюри, предложила назвать вновь открытое явление радиоактивностью (от латинского «radis» – луч). В 1898 г. супруги-ученые открывают два других, помимо урана, радиоактивных элемента – радий и полоний.
Обычно радиоактивность связывают не с ядерными превращениями и распадом элементов, а с процессом испускания некоторыми веществами жесткого, проникающего излучения. В реальности разница между двумя явлениями значительна. Испускание радиации, как вид невидимого излучения, действительно всегда сопровождает радиоактивный распад всех нестабильных ядер элементов. Жесткое излучение является в данном случае формой высвобождения колоссальной атомной энергии.
Но точно такое же излучение может возникать и в ходе термоядерных реакций, т. е. реакций, связанных не с распадом, а с синтезом ядер. Поэтому заменять понятие радиоактивности термином «радиация» нельзя. Физики различают три вида активного излучения, обозначаемые первыми тремя буквами древнегреческого алфавита – альфа-, бета– и гамма-лучи. Выявить разновидности радиации удалось после того, как упоминавшийся ранее английский физик Э. Резерфорд применил магниты для изучения свойств невидимых лучей.
В магнитных полях радиоактивное излучение отчетливо распадается на три потока, поскольку некоторые слагающие лучи частицы имеют электрические заряды. Альфа-частицы представляют собой положительно заряженные ядра гелия. Они отклоняются в магнитном поле в сторону отрицательного полюса. Бета-частицы являются свободными электронами, которые несут отрицательный заряд и потому отклоняются в сторону плюсового полюса.
Гамма-лучи образованы т. н. гамма-квантами, или фотонами, с очень высокой энергией и большой частотой. Заряда эти частицы не несут, поэтому в магнитном поле не отклоняются. Таким образом, сплошной поток радиации можно разбить в магнитном поле на три самостоятельных потока – один прямой (гамма-лучи) и два отклоняющихся к противоположным полюсам (альфа– и бета-лучи).
Излучение разной природы имеет неодинаковую проникающую способность. Альфа-частицы остановить сравнительно легко, поскольку они малоактивны и слишком тяжелы. Плотный слой вещества или магнитное поле легко гасят такое излучение. Электроны гораздо более активны, они имеют сравнительно высокую проникающую способность. Большой подвижностью обладают гамма-кванты, которые остановить чрезвычайно трудно. Гамма-лучи способны вызывать у человека серьезные поражения клеток и тканей на молекулярном уровне. Именно поэтому радиация крайне опасна.
Защитой от радиации является слой поглощающего ее вещества. Это может быть любое вещество, однако мощность слоя для разных материалов будет неодинакова. Слой металла, как правило неактивного свинца, толщиной в 6 см способен почти полностью заглушить поток радиации от солей урана. Бетонная защита должна иметь толщину около 10–15 см. Грунт (почва) в качестве препятствия для гамма-лучей подбирается средней мощностью до 60 см. Естественно, приведенные здесь цифры усреднены.
Резерфорд совершил немало других открытий, которые легли в основу ядерной физики. Кроме обнаружения ядерных реакций и видов радиоактивного излучения, весьма существенным достижением ученого следует назвать открытие закона радиоактивного распада. Резерфорд установил, что нестабильные атомы распадаются со строго определенной периодичностью и в постоянной доле от первичного количества.
Период распада постоянен и неизменен для каждого вида атомов. У разных видов он может насчитывать от долей секунды до миллионов лет. Скорость распада ядер и образования новых видов атомов и элементов постоянна, она не зависит ни от каких внешних сил и воздействий, за исключением ядерных. Период распада не особенно важен в физике, поскольку ученым гораздо удобнее иметь дело с т. н. периодом полураспада. Так называется временной интервал, за который распадается примерно половина всего количества ядер.
Период полураспада является постоянной величиной. В течение первого периода происходит распад 1/2 от общего количества, за последующий период – распад 1/2 от исходного или 1/4 от первичного, по прошествии еще одного периода – соответственно 1/2 и 1/8 части. Что же произойдет, когда останутся, скажем, 4 атома? Наверное, по истечении очередного периода полураспада останутся 2 атома, хотя вполне вероятно, что 3 или даже 1. Так происходит потому, что закон радиоактивного распада имеет вероятностный характер. Он справедлив, когда количество атомов чрезвычайно велико и возможность распада именно половины из них наиболее вероятна. Но в радиоактивном веществе по прошествии периода полураспада никогда не распадается ровно 50 % ядер. Однако сколь угодно приближенное к 50 % количество распавшихся атомов вполне реально. Например, если по прошествии периода полураспада распадется из 1 млрд атомов 500 000 100 ядер, то в этом не будет ничего удивительного. Напротив, такое количество распавшихся ядер наиболее вероятно и ожидаемо.
Изобретение атомных реакторовПосле открытия А. Беккерелем и супругами Кюри явления радиоактивности Э. Резерфорд догадался использовать излучение, рождающееся во время этого процесса, для воздействия на атомы вещества. Наибольший интерес у физика вызвало альфа-излучение. Облучение вещества альфа-частицами вызывает в нем ядерные реакции, сопровождающиеся перерождением атомов (их распадом, превращением в новые атомы) или испусканием атомами нового излучения.
Возможность проводить ядерные реакции так, как задумано, привлекла к себе внимание ученых. В 1934 г. вслед за Резерфордом проводят опыты по бомбардировке альфа-частицами разных веществ Ирен Жолио-Кюри (дочь супругов Кюри) и ее муж Фредерик Жолио-Кюри. Они обнаруживают, что алюминий, бор и магний после облучения альфа-частицами приобретают радиоактивные свойства. Новое физическое явление называют в науке искусственной радиоактивностью. За его открытие супругам Жолио-Кюри в 1935 г. была присуждена Нобелевская премия.
В 1938 г. немецкими физиками О. Ганом и Ф. Штрасманом проводятся исследования радиоактивного деления ядер урана. Ученые наблюдают активное выделение нейтронов в ходе реакции. Тогда же Ф. Жолио-Кюри принимается за исследование деления урана. На основе открытия Гана и Штрасмана он выдвигает предположение, что в уране возможны цепные реакции. Дальнейшие работы Жолио-Кюри подтвердили справедливость этого предположения.
Рождающиеся при делении ядер урана нейтроны начинают бомбардировать соседние ядра и вызывать их деление. В результате распад атомов продолжается стихийно. Очередная группа распавшихся атомов порождает нейтроны, разрушающие еще одну группу атомов, также порождающих при распаде нейтроны. При этом выделяется колоссальное количество энергии, которая может быть использована человеком.
Цепные реакции не нуждаются в контроле, они протекают самопроизвольно. Однако этот стихийный процесс приводит к высвобождению такого количества энергии, что ее выделение происходит взрывообразно. На этом принципе основано устройство атомной бомбы. Ядерная энергетика деления развивает технологии контролируемого расщепления атома, при которых возможно получение не разрушительной, а созидательной энергии для нужд промышленности.
Первым ученым, который добился успеха, занимаясь такими исследованиями, был итальянский физик Э. Ферми. Он изучал особенности процесса искусственного деления ядер урана и, в частности, установил, как обойти границу величины критической массы. Под критической массой радиоактивного вещества понимается такое его количество, когда цепная реакция перестает быть управляемой.
В атомной энергетике достижение ядерным горючим критической массы очень опасно, поскольку реактор превращается в бомбу. Первый в мире реактор был запущен под руководством Э. Ферми в США в 1942 г. В нашей стране в 1946 г. был запущен первый в Европе атомный реактор. Его запуском ведал основатель отечественной ядерной физики И. В. Курчатов.
Управляемый термояд
Термояд – сокращенное, полуофициальное название термоядерного синтеза. Энергию атомного ядра можно до бывать не только путем расщепления, но и посредством синтеза тяжелых ядер, когда рождение новых продуктов сопровождается выделением радиоактивного излучения и колоссального количества тепла. Видимо, эпоха анализа (разложения) в науке и технике безвозвратно уходит в прошлое. Ее сменяет эпоха синтеза. Человек больше не разрушает, а старательно создает из простого сложное. Мы объединяем вещества в лекарства, пластмассы, волокна, сплавы и многое другое. Теперь человеку предстоит создавать новые атомы, чтобы обеспечить себе доступ к практически безграничным источникам энергии.
Открытие реакции термоядерного синтезаРеакции синтеза атомных ядер были предсказаны рядом физиков в 1910-х гг. на основании данных изучения радиоактивного превращения элементов. Парадоксально, но термоядерный синтез был осуществлен в 1919 г., т. е. почти за 9 лет до искусственного проведения реакции радиоактивного распада. Впервые в искусственных условиях его провел Э. Резерфорд: он столкнул на большой скорости гелий с азотом и получил водород и тяжелый кислород. Спустя 5 лет ученый успешно провел в своей лаборатории синтез сверхтяжелого водорода трития из ядер тяжелого водорода дейтерия.
Ядро гелия (альфа-частица) обладает удивительной способностью воздействовать на атомы. Еще сильнее расшатывает любое атомное ядро дейтрон – ядро дейтерия. Бомбардируя этими ядрами более тяжелые изотопы, удается вызвать интенсивные реакции, приводящие к синтезу новых элементов. Средневековые алхимики мечтали превращать неблагородные металлы в золото. Наука показала, что химическим путем этого добиться невозможно, но каждый специалист по ядерной физике знает, что превратить свинец или ртуть в золото реально. Нужно воспользоваться колоссальными возможностями термоядерного синтеза.
Сегодня уже найдены формулы реакций, обеспечивающих получение золота из любого неблагородного металла. К сожалению, искусственный синтез элементов чрезвычайно труден, поэтому золото гораздо выгоднее добывать из земных недр. Чтобы сталкиваемые ядра вступили в реакцию, им нужно сообщить значительную скорость, которая напрямую зависит от энергии летящих частиц. Резерфорд осуществил лишь простейшие реакции, значительно разогнав ядра. Более сложные реакции потребуют или невероятно длительного разгона, или создания температур от 50 до 100 млн °С.
Задолго до того, как ученые столкнулись с проблемами осуществления термоядерного синтеза, английский физик А. Эддингтон выдвинул смелое предположение, что звезды горят благодаря протеканию в их недрах термоядерных реакций. До того времени ученые выдвигали самые невероятные гипотезы для объяснения причины свечения звезд.
Ближе всех к истине подошел Г. Гельмгольц. Он предположил, что разогревание недр звезды объясняется ее сильным гравитационным сжатием под действием собственного тяготения. Однако в таком случае запаса теплоты такому светилу, как Солнце, хватило бы максимум на 1,8 млн лет. Гипотеза Гельмгольца была справедлива лишь отчасти. Звезда действительно разогревалась под влиянием гравитационного сжатия до температуры в недрах около 80 млн °С, при которой в ее веществе «зажигались» термоядерные реакции, поддерживающие дальнейшее ее свечение.
В 1937 г. американскому ученому Г. Бете удалось доказать протекание термоядерных реакций на Солнце, следовательно, Эддингтон оказался совершенно прав. Звезды действительно черпают свою колоссальную энергию из протекающих в их недрах реакций термоядерного синтеза. Если бы наше Солнце состояло из угля или бензина, то выгорело бы за 1000 лет. Более калорийным и долговечным топливом, чем бензин, может служить только ядерное горючее. Все звезды горят благодаря реакциям синтеза ядер, поэтому астрофизическое изучение этих космических объектов значительно продвинуло ядерную физику вперед.
Сегодня известно, что небесное тело может зажечься и самостоятельно светиться, если оно имеет массу свыше 0,2 солнечной. Во Вселенной обнаружены огромные звездообразные тела, т. н. коричневые карлики. Их масса приближается к 0,2 солнечной, но она недостаточна для поддержания высокой температуры внутри недр. Тем не менее новорожденные звезды могут иметь самые разные размеры и массы, главное, чтобы количество вещества превышало минимальную отметку.
От размеров и массы светила зависит ход термоядерных процессов в его недрах и его дальнейшая судьба. Маленькие светила, чьи масса и размеры значительно меньше солнечных, относятся к красным карликам и эволюционируют медленно. Проходят десятки миллиардов лет (до 80 млрд), прежде чем красные карлики превратятся в новый тип звезд. За это время звезды остальных типов успевают сильно измениться. Крупные бело-голубые светила, значительно превосходящие Солнце, сжигают запас водорода стремительно, за неполные 1,5 млн лет.
После этого они начинают постепенно разрушаться, но сначала проходят стадию пульсирующих звезд. У пульсаров в недрах горит гелий, и его неравномерное горение вызывает частые колебания внешнего газового слоя и, соответственно, периодические изменения светимости. Такие звезды то увеличиваются, то уменьшаются; поток лучистой энергии из их недр то возрастает, то идет на убыль. В силу этой причины звезды такого рода названы переменными. Астрономам известны несколько классов пульсирующих переменных. Это красные гиганты, красные сверхгиганты и желтые гиганты (лириды).
Как понятно из названий светил, их линейные размеры крайне велики и часто в сотни раз превосходят солнечные. Самая большая звездная масса, точно измеренная астрономами, в 50 раз превосходит солнечную. В таких звездах протекает синтез углерода из гелия. Некоторые красные гиганты не только производят углерод, но и активно выпускают его в мировое пространство. Попадая в открытый космос, углерод быстро застывает, превращаясь в сажу. Она на время окутывает звезду сплошным покрывалом, заметно снижая блеск светила.
Постепенно, по мере выгорания гелия, пульсации переменных становятся все более аритмичными и напряженными. Процесс заканчивается грандиозным взрывом. Газовая оболочка звезды разлетается в пространстве, образуя горячую туманность. Ядро взорвавшейся звезды, которую земной наблюдатель назовет новой или сверхновой, превращается под действием сжатия в нейтронную звезду или, предположительно, в «черную дыру». Подобная нейтронная звезда обнаружена на месте сверхновой в созвездии Тельца. Сейчас там находится Крабовидная туманность, сложенная остатками взрыва.
Впрочем, конец не всегда наступает после полного выгорания гелия. Звезда может, исчерпав свои запасы гелия, перейти на синтез более тяжелых элементов, чем углерод. Известна звезда, вырабатывающая кремний и бурно извергающая его в космос. Кремниевый газ стремительно застывает, превращаясь в песчинки. Вокруг звезды возникает зона, полная настоящего песка.
Солнцеподобные светила почти не взрываются и не превращаются в нейтронные звезды или «черные дыры». Солнце после угасания начнет терять газовую оболочку. Она станет расширяться, поглощая планеты, а затем превратится в сферическую туманность. Ученые часто наблюдали такие туманности, с Земли они похожи на колечки сигарного дыма. В центре сферической туманности, называемой астрономами планетарной, останется сильно сжатое ядро звезды. Оно само станет звездой, поскольку будет светить за счет запасов тепловой энергии. Такие слабые светила называют белыми карликами.
Изучение законов термоядерного синтеза принесло астрономам множество больших и малых открытий, касающихся не только звезд. Сегодня почти все космологические представления так или иначе затрагивают ядерно-физическую эволюцию мироздания. Сама Вселенная родилась в результате чудовищной силы взрыва мельчайшей частицы с поперечником 1031 см. Внутри этой частицы пребывала вся мировая материя, сжатая до плотности 1095 г/см3.
Эпоха Большого взрыва, как называют пору возникновения Вселенной, характеризуется интенсивным синтезом простейших частиц из вакуума. Впрочем, сам по себе тогдашний вакуум резко отличался от нынешнего. Это было вакуумообразное состояние материи, предельно насыщенное энергией. Запасы энергии придавали материи температуру около 10 млрд С и возбуждали в вакууме огромные силы отрицательного тяготения. Оно вызвало ускоренное расширение пространства сразу во всех точках.
Сверхгорячая расширяющаяся материя представляла собой т. н. «кипящий котел», в котором протекали бурные реакции синтеза за счет значительных энергетических запасов простейших частиц – протонов, электронов, антипротонов и позитронов. Антипротоны и позитроны являются античастицами, т. е. частицами с обратным знаком. Антипротон – это отрицательный протон, а позитрон – положительный электрон.
Частицы и античастицы активно взаимодействовали друг с другом, самоуничтожаясь при этом. Их энергия переходила в фотоны, которые со временем заполнили всю Вселенную в виде холодного реликтового излучения. Но поскольку существовал небольшой избыток протонов и электронов перед античастицами, то нормальное вещество сохранилось и сложило облака космического газа. Постепенно, в процессе их уплотнения, в них образовались сгущения, ставшие звездами. В недрах звезд начался термоядерный синтез тяжелых элементов из водорода.
Современная астрофизика и смежные с ней направления астрономической науки являются по сути дела ядерной физикой, «увеличенной» до космических масштабов. Вселенная служит гигантским термоядерным реактором и одновременно лабораторией, где происходят различные превращения вещества и рождаются невероятные лучи. Благодаря астрономическим наблюдениям с применением детекторов ядерных излучений физики могут как находить подтверждение старым гипотезам, так и совершать новые открытия.
Удивительным кажется и другое. В самом начале главы приведены доказательства того, что внутри атома нет Вселенной, заполненной разумными обитателями. И действительно, космическое пространство внутри атомного ядра существовать не может. Однако атом, подобно мировому пространству, неисчерпаем. Углубляться в него можно бесконечно. В недрах атома царят физические законы, связанные с релятивистскими эффектами. Та же теория относительности описывает свойства пространства-времени Вселенной.
