Александр Леонович - Физика без формул

Давайте порассуждаем вместе. Вещество состоит из молекул, молекулы состоят из атомов, атомы состоят из ядер и электронов, ядра состоят из… Из чего же состоят ядра? Может быть, как раз они — те самые, неделимые частички, меньше которых уже ничего нет? Оказалось, не так. Радиоактивное излучение, вылетающее из недр вещества, подталкивает к мысли, что и ядра — не самые мелкие «детали» природного конструктора.

В 20–30-е годы XX столетия были открыты две частицы. Они оказались очень близкими по массе, но отличались тем, что одна имела положительный заряд, такой же, кстати, как заряд электрона, а другая была нейтральна — вовсе не имела электрического заряда. Первую назвали протоном, вторую — нейтроном.

Дмитрий Иванович Менделеев(1834–1907) — российский ученый. Открыл один из фундаментальных законов природы — периодический закон химических элементов. На его основе предсказал существование еще не открытых элементов, найденных позже. Занимался тепловыми процессами, сконструировал барометр, изучал на воздушном шаре верхние сдои атмосферы. Разрабатывал теорию весов и точные приемы взвешивания.

Сцепленные друг с другом различные комбинации двух этих частиц образуют ядра атомов всего множества известных на сегодня химических элементов. Многие из них вам уже хорошо знакомы — железо, алюминий, водород, ртуть, медь, йод, кислород, золото, сера, углерод, фосфор, бром, хлор, серебро, кремний… Элементы эти собраны в большую таблицу, которую вы обязательно увидите в книгах по физике и химии или на стенах школьных кабинетов, где изучают эти науки. Такая таблица носит имя ее создателя, нашего соотечественника, знаменитого ученого Дмитрия Ивановича Менделеева.

Знание строения атомного ядра позволило разложить по полочкам, по ячейкам все, из чего складывается вещество. Количество протонов и нейтронов в ядре строго указывает, какой это элемент, каковы его физические и химические свойства. Иначе говоря, такой «банк данных» обладает огромной предсказательной силой.

Почему в крохотном ядре каждого атома удерживаются вместе такие частицы, как протоны? Если они положительно заряжены, то по всем электрическим правилам должны отталкиваться. Причем так, что ядро просто бы «взорвалось». Однако этого не происходит, ядрышки многих атомов вполне устойчивы, стабильны. Почему?

На таких маленьких расстояниях, на каких оказались в ядре протоны, действуют, помимо электрических, еще и другие силы. С ними человек столкнулся, лишь когда попытался объяснить себе, откуда в ядре взялся такой липкий «клей». Никакими известными силами его происхождение не объяснялось. Вот и пришлось считать, что это особый, ядерный вид сил. Они мощнее всех иных, но «включаются» лишь на микроскопических расстояниях, когда ядерные частички оказываются совсем рядышком друг с другом.

Но почему мы говорим лишь о протоне? Нейтрон — его постоянный «сосед» по ядру и равноправный участник ядерных процессов. Все сказанное его так же касается. Отметим, что третий компаньон, входящий в состав атома, — электрон — никак не влияет на жизнь внутри ядра. Слишком он от этого отдален, чересчур далеко от ядра кружится.

Количество протонов и нейтронов, входящих в состав ядра, меняется от единицы у водорода — самого легкого химического элемента, до сотен штук у таких тяжелых элементов, как уран. Различные их группировки, «сцепки», определяют, насколько тот или иной атом устойчив или нет.

Что происходит с атомным ядром, когда оно испускает радиоактивное излучение? Остается ли оно неизменным? Или, быть может, испытывает какие-то превращения? Поиски ответов на эти вопросы, продолжающиеся несколько десятилетий, привели ученых к неожиданному, но очень важному выводу.

Естественная радиоактивность, обнаруженная более 100 лет назад, дала представление о том, что внутри ядер атомов вещества запасена огромная энергия. О таких веществах вы, наверное, слышали, например, это уран. Так нельзя ли сконцентрировать его, обработав горные породы, в которых он рассеян по Земле? И тем самым получить источник энергии очень большой мощности? Оказалось, что эта задача в принципе решаема, но нужного нам сорта урана в природе не слишком много.

Кропотливые исследования, однако, показали, что можно создать искусственную радиоактивность. То есть как бы подталкивать ядра тяжелых элементов к тому, чтобы они начали распадаться, высвобождая сдерживаемую мощными ядерными силамиэнергию.

Во всех случаях распада из тяжелого ядра получаются более легкие, такие, например, как ядра атомов железа.

Энрико Ферми(1901–1954) — итальянский физик. Работал в области атомной и ядерной физики, астрофизики, исследовал космические лучи. Открыл искусственную радиоактивность, положил начало нейтронной физике. Доказал возможность цепной ядерной реакции деления урана. Построил первый ядерный реактор и осуществил его запуск, участвовал в создании американской атомной бомбы.

К концу 30-х годов в нескольких странах учеными было найдено, как заставить ядра делиться. А в 1942 году в США был запущен первый в мире ядерный реактор. Эта работа проводилась под руководством итальянского физика Энрико Ферми. Так была открыта первая страница в истории использования ядерной энергии.

Как распорядиться той колоссальной энергией, которая скрывается внутри атомных ядер? К сожалению, первое применение она нашла в оружии чудовищной разрушительной силы — атомной бомбе. Невероятные усилия ученых, направленные на познание строения вещества, были использованы так, что многие из них впоследствии стали активными борцами за запрещение этого оружия.

И все же, в чем суть этого изобретения? Очищенное и сконцентрированное ядерное горючее, например, уран, размещают «дольками» в снаряде. Сам по себе этот уран распадается очень долго. Но когда при попадании бомбы в цель срабатывает детонатор «обычного» взрыва, его мощное давление сдвигает «дольки» вместе. Образуется так называемая критическая масса урана, в которой реакция деления ядер невероятно убыстряется. Ее еще именуют цепной реакцией. Внутриядерной энергии выделяется так много, что она и создает взрыв чудовищной силы.