Что произойдет, если менее прочное, менее устойчивое ядро мы превратим в более прочное, более устойчивое?
Лампа устойчиво стоит на столе. Значит, она не может сама упасть, разбиться, наделать шуму.
Упав все-таки на пол, лампа дальше падать не может. Значит, очутившись на полу, она сделалась крепче привязанной к Земле, более устойчивой.
Всегда при переходе в более прочное, более устойчивое состояние тело или система тел превращают потенциальную энергию в работу. Таков закон природы. И он в полной мере относится к миру атомных ядер.
Значит, в итоге превращения менее прочной комбинации ядерных частиц в более прочную произойдет то же, что при падении лампы на пол: освободится энергия, совершится работа. Но можно заранее сказать, что теперь она будет колоссальна. Вы убедитесь в этом, снова вспомнив закон взаимосвязи массы и энергии.
Дело в том, что прочность ядра полностью определяется величиной, хорошо доступной измерению, — средней массой нуклона. Ведь, по Эйнштейну, уменьшение запаса потенциальной энергии в теле неминуемо сопровождается уменьшением его массы. И чем крепче в ядре привязан нуклон к своим соседям, чем больше израсходовал он своей потенциальной энергии на связь, чем меньший запас этой энергии остался в частице, тем меньше сделалась ее масса, тем нуклон легче. Мы приходим к выводу: в более прочных ядрах нуклоны легче, в менее прочных — тяжелее.
Как узнать точный вес нуклонов в разных ядрах?
Очень просто: с помощью нашей «карты микромира», таблицы Менделеева. Выберите в ней какой-нибудь элемент, разделите его атомный вес на число частиц в ядре, и дело сделано.
Выполнив такие вычисления для ядер всех элементов, вы получите очень наглядную кривую.
Рисуя картину изменения массы нуклона с увеличением числа нуклонов в ядре, она вместе с тем точно выражает изменение прочности ядер. Если бы все ядра были одинаково прочны, их взаимные превращения не сопровождались бы выделением энергии. Тогда наша кривая стала бы прямой.
В действительности же атомные ядра, изменяя свое строение, как бы скатываются по кривой вниз. Энергию, которая при этом выделяется, нетрудно подсчитать по формуле Эйнштейна. К примеру, вес нуклона в ядре урана-235 на 1,8 • 10-27 грамма больше, чем в ядре бария. Эта разница (удельный дефект масс) соответствует энергии в 1 мэв на нуклон. На грамм вещества она составит 5,5 . 1023 мэв, или 8,8.1010 джоулей.
Итак, освобождение ядерной энергии сводится к старой мечте алхимиков — превращению элементов.
Какими же путями оно осуществляется?
4. ПРОБУЖДЕННЫЕ ЯДРА
ВНИЗ ПО ЛЕСТНИЦЕОткрыв явление радиоактивности, Анри Беккерель столкнулся с первым и самым простым путем превращения элементов и освобождения ядерной энергии.
Что происходит при радиоактивном распаде?
Ядро перестраивается и «скатывается» с менее устойчивого положения в более устойчивое. При этом неизбежно выделяется ядерная энергия — в форме движения частиц и электромагнитного гамма-излучения.
Например, уран при радиоактивном распаде переходит в радий, радий — в радон и так далее, вплоть до устойчивого и нерадиоактивного свинца.
Стремясь к устойчивости, радиоактивные элементы будто спускаются по лестнице, ступеньки которой имеют разную длину и высоту. На длинной ступеньке ядро «живет» дольше. Чем выше ступенька, тем больше «спрыгнувшее» ядро освобождает потенциальной энергии, тем ближе оно подходит к полной устойчивости.
Вот на верхней ступеньке — горсть ядер урана. Они словно катаются взад и вперед, причем то одно, то другое достигает края ступеньки и падает вниз. При этом испускается альфа-частица. Первая ступенька длинная, поэтому ядра обитают на ней очень долго. Половина первоначального количества «скатывается» за 4,5 миллиарда лет.
Следующая ступенька — коротенькая. От попавших на нее перестроившихся ядер уже через 24 дня остается только половина. «Падая вниз», они испускают электроны, и неощутимо крошечные нейтральные частички, под названием нейтрино, снова перестраиваются и на следующей, еще более короткой ступеньке живут всего 1,2 минуты.
Дальше следует более десятка коротких и длинных, высоких и низких ступенек. На некоторых из них ядра пребывают многие тысячи лет. Правда, на других они издерживаются на какие-нибудь десятитысячные доли секунды. В конце концов они достигают самой нижней ступеньки, с которой уже упасть некуда. Так радиоактивные элементы превращаются в устойчивые, нерадиоактивные.
Подобных лестниц в мире атомов несколько. Они объединяют в «семьи» много естественно радиоактивных веществ.
Существуют в микромире и радиоактивные лестницы, сделанные человеком. Первыми научились их строить видный французский физик Фредерик Жолио-Кюри и его жена Ирэн Кюри.
Естественная и искусственная радиоактивность в наши дни верно служит технике, биологии, медицине. Из-
лучение радия, кобальта-60 применяется для лечения опухолей. Атомы, меченные радиоактивностью, помогают решать сложные задачи науки и практики. Но такие вещества пока еще не являются источниками полезной работы. Правда, в последние годы на их основе научились устраивать светящиеся указатели, даже нечто похожее на миниатюрные лампочки. Сообщалось, например, о «лампочке» величиной с кнопку и мощностью в 20 миллионных долей ватта, которая светит непрерывно в течение пяти лет. Сделана эта световая батарейка из смеси измельченного фосфора с окисью искусственно радиоактивного элемента прометия-147, излучающего электроны. Существуют и электрические батарейки на искусственно радиоактивных материалах в сочетании с полупроводниками. Однако подобные примеры — исключение. Для нужд большой энергетики радиоактивные вещества неприменимы: слишком медленно, слишком малыми дозами они отдают свою энергию. И причина здесь та, что по радиоактивной лестнице путь ядер к устойчивости невообразимо долог.
ЧЕРЕЗ СТУПЕНЬКИКогда наш юный читатель, сделав уроки, бежит играть в футбол, он скачет по лестнице сразу через две— три ступеньки. Иные ловкачи ухитряются перемахивать и через пять — шесть ступенек! Разумеется, нижней лестничной площадки они достигают куда раньше, чем степенные старушки, которые не спеша ступают на каждую ступеньку,
А почему бы ядрам тоже не попробовать «скакать через много ступенек» лестницы радиоактивности?
Нечто подобное иногда случается.
Может ли ядро урана «перескочить» через промежуточные состояния на пути к устойчивости? Да, но тогда, вместо того чтобы отдавать свое вещество и энергию «через час по чайной ложке», оно должно сразу отколоть от себя порядочный кусок. Тогда и энергии сразу выделится много.
В 1939—1940 годах советские ученые Г. Н. Флеров и К. А. Петржак доказали, что такое самопроизвольное раскалывание урановых ядер бывает. Оно ведет гораздо «ниже», чем лестница радиоактивности, и превращает урановое ядро в два ядра, каждое из которых гораздо легче ядра свинца. Но происходит это явление чрезвычайно редко. Чтобы в куске урана половина всех его атомных ядер сами собой раскололись, надо ждать сотни миллиардов лет! Урановое ядро — не особенный любитель «скакать через ступеньки», лишь в редчайших случаях борьба его внутренних сил приводит к столь резкой перестройке, как расщепление.
Тогда, может быть, есть способ как-нибудь заставить урановое ядро делиться? Что, если стрельнуть в него быстрым электроном? Он не пробьет брони электронной оболочки, а если и пробьет, то дойдет до ядра слишком слабеньким. Ударить в ядро протоном или другой тяжелой электрически заряженной частицей? Не выйдет. 92 протона уранового ядра совместными усилиями без труда оттолкнут пришельца прочь.
А если запустить в ядро нейтроном? Вот это другое дело! Электрическое поле нейтрону не преграда. Попав в ядро, он может легко проникнуть внутрь. И в некоторых случаях нейтрон, очутившийся в ядре, способен расщепить его, рассечь на два более легких ядра.
Убедившись в этом, физики распахнули двери в новую эру истории человечества — эру атомной энергии.
СЕКРЕТ УРАНАНа музейной витрине под стеклом — невзрачные, ничем не примечательные с виду камни. Они похожи на булыжники, которыми мостят мостовые. Но поднесите к ним счетчик радиометра — и вы услышите в наушниках пулеметную дробь щелчков. Перед нами радиоактивное сырье. Уран...
Что это за металл, в чем секрет его столь громкой в паши дни славы?
Многим читателям ответы на такие вопросы известны, но мы все же вкратце напомним физическую сущность процессов в урановых ядрах, бомбардируемых нейтронами.