Александр Проценко - Энергия будущего

Все дело в том, что при реакции горения образуется не только углекислый газ, но и выделяется энергия. Вот на нее-то и израсходованы 4-10^-6 грамма массы!

Энергия, как оказывается, самым непосредственным образом связана с массой. Этот всеобщий закон связи массы и энергии был открыт и сформулирован создателем теории относительности А. Эйнштейном. Согласно этому закону массе вещества в один грамм соответствует энергия 21,5 миллиарда килокалорий. (Одна килокалория (ккал) - это количество тепла, необходимое для нагревания одного килограмма воды на один градус.)

Эту величину можно получить и из нашего воображаемого опыта, если разделить выделившуюся энергию на уменьшение массы.

Закон Эйнштейна носит всеобщий характер. Так, при любой химической реакции с выделением энергии уменьшается масса и, наоборот, в реакции с поглощением энергии масса продуктов, получающихся в результате реакции, возрастает. Например, в реакции соединения водорода и кислорода масса получаемой воды меньше, чем сумма масс водорода и кислорода, взятых в отдельности, но при этой реакции выделяется энергия.

Если теперь с помощью электрического тока провести электролиз какого-то количества воды, то есть разложить ее на водород и кислород, то сумма масс их будет больше, чем исходная масса воды. Однако при этом на разложение воды затрачено некоторое количество энергии. В этом примере с получением и разложением воды соотношение между изменением массы и величиной выделившейся и поглощенной энергии будет таким же, как в реакции горения углерода, а именно: изменению массы в один грамм соответствует энергия в 21,5 миллиарда килокалорий.

Эта величина очень большая. Если б можно было перевести всю массу одного грамма вещества в энергию, ее хватило бы на обеспечение жизни 5-10 человек на протяжении всего их существования. К сожалению, пока это область фантастики. Позже мы еще коснемся этой проблемы, а сейчас вернемся к приведенному ранее воображаемому опыту. В нем, как вы помните, в реакции горения использовалось 44 килограмма углерода и кислорода, из которых в энергию превратилось всего 4-10^-6 грамма, то есть только одна десятимиллиардная доля. Конечно, это очень маленькая часть. А нельзя ли ее увеличить? Нельзя ли заставить переходить в энергию большую долю взятого вещества?

Оказывается, можно, и люди уже умеют это делать.

Чтобы понять, как это у них получается и в чем секреты разных способов освобождения энергии, давайте заглянем в глубины вещества и посмотрим, из каких деталей оно устроено.

Дефект массы

Что происходит с веществом при химической реакции, скажем, при горении углерода?

Молекула кислорода, состоящая из двух атомов, соединяясь с одноатомной молекулой углерода, образует трехатомное вещество - углекислый газ. Если молекула является наименьшей частью вещества, сохраняющей присущие этому веществу свойства, то атомы - это самые крошечные "кирпичики", определяющие свойства химических элементов, например, углерода, водорода, железа. Элементы отличаются друг от друга тем, что составляющие их атомы различны.

Углекислый газ не элемент, а вещество, содержащее атомы различных-элементов. Однако вещество, получившееся в результате химической реакции, состоит только из тех атомов, которые были введены в реакцию, - в данном случае из атомов углерода и кислорода. Этот факт обязателен для любой химической реакции, следовательно, в ней никогда нельзя получить новый химический элемент, новые атомы. А этого как раз и не знали средневековые алхимики и пытались получить золото из более дешевых и менее привлекательных материалов, которые, однако, не содержали атомов, определяющих свойства цветного металла.

Энергия, которую можно получить в химических реакциях, мала. Это мы видели в нашем опыте, где при горении углерода превратилась в энергию лишь одна десятимиллиардная доля вещества, участвовавшего в химической реакции горения. В других химических реакциях эта доля может быть больше, но ненамного. Значит, во всех химических реакциях, при которых изменения претерпевают лишь молекулы вещества, а атомы не изменяются и остаются целыми, невозможно перевести в энергию большую долю вещества. Как же эту долю увеличить? Надо пойти по принципиально новому пути и попытаться осуществить такие реакции, где менялись бы сами атомы.

Продолжим путешествие и "заглянем" внутрь атома.

Атом очень мал, что-то около одной пятимиллионной доли миллиметра. Почти все вещество, составляющее атом, сконцентрировано в его центре, образуя ядро атома. Вокруг ядра на большом (по сравнению с размером ядра) расстоянии вращаются электроны, несущие отридательный электрический заряд. Масса и размер этих элементарных частиц во много раз меньше массы ядра.

Вращаясь вокруг ядра, они как бы образуют так называемую электронную оболочку атома. Взаимодействие именно электронных оболочек определяет характер химических реакций и выделение энергии при этих реакциях.

Приведенное здесь описание атомов весьма и весьма упрощенное. В действительности он устроен гораздо сложнее, и очень многое в его устройстве до сих пор еще неизвестно. Однако и такая упрощенная модель довольно хорошо описывает результаты большого количества опытов, которые проводили физики, исследуя атом.

Позже нам понадобятся сведения еще о некоторых деталях атома, сейчас же дополним нарисованную модель следующим. В ядро атома входят два типа элементарных частиц: протоны и нейтроны. Последние не имеют никакого электрического заряда (отсюда и их название neutrum - ни то, ни другое латинское). Протоны же несут положительные электрические заряды, причем по величине они в точности равны заряду электрона.

Стоит сказать, сколько нейтронов, протонов и электронов содержит в себе каждый атом химических элементов.

Например, в ядре атома водорода - самого легкого элемента - содержится только один протон, вокруг которого вращается один электрон.

У углерода шесть нейтронов, шесть протонов и шесть электронов.

В атоме урана уже 143 нейтрона, 92 протона и 92 электрона.

Нельзя не обратить внимания на то, что у названных элементов число протонов равно числу электронов.

Таблица же Менделеева показывает, что это закономерно и для всех элементов. Но раз число протонов равно числу электронов, то, следовательно, положительный заряд ядра атома всегда равен отрицательному заряду всех электронов, а атом в целом, или "снаружи", электрически нейтрален.

И наконец, последний шаг путешествия в глубь атома: сколько же весят атом, протон, нейтрон? Массы этих частиц настолько малы, что для них придумана новая единица измерения, названная атомной единицей массы (а.е.м.). Одна такая единица массы равна 1,66-10^-24 грамма. Примерно столько весят и нейтрон и протон.