Уильям Лоуренс - Люди и атомы

Все это происходит благодаря одному из самых замечательных в природе циклов превращений, которому обязана существованием сама жизнь.

Электроны водорода, содержащегося в воде, и электроны углерода в двуокиси углерода воздуха накапливают солнечную энергию в создаваемых ими самых разнообразных химических соединениях.

Когда мы сжигаем дрова, уголь или нефть, то водород, входящий в состав этих веществ, соединяется с кислородом воздуха, образуя воду, а углерод соединяется с кислородом, образуя двуокись углерода; таким образом, в конечном результате получаются вещества, которые природа использует в начале цикла превращений.

В процессе этой быстрой регенерации воды и двуокиси углерода электроны излучают накопленную ими солнечную энергию в виде тепла и света.

При горении дров мы наблюдаем чудо возрождения первоначальных строительных кирпичиков растения, возникающих, как птица Феникс, из пламени, в котором снова ярко светится солнце вчерашнего дня.

Таким образом, электрон — наш друг. Он начал служить человеку за миллионы лет до того, как человек появился на Земле. Электрон дает нам огонь и жизнь. Огонь, который Прометей принес человеку с Олимпа, был электроном, излучающим солнечный свет.

А за электроном, как управляющая им сила, в центре микрокосмоса — атомного ядра — стоит нуклон. Количество электронов в атоме совершенно строго определяется количеством положительных электрических зарядов (протонов), имеющихся в нуклонах.

За исключением ядра самой легкой разновидности водорода — первого и самого легкого элемента в природе, состоящего из единственного протона,— ядра других атомов содержат протоны и нейтроны, причем последние, по всей видимости, играют роль колеса всемирного равновесия.

В легких элементах количество протонов и нейтронов приблизительно одинаково, т. е. на каждый протон приходится один нейтрон. Постепенно, с возрастанием атомного веса элементов, отношение числа нейтронов к числу протонов увеличивается, достигая наибольшего значения (92 протона на 146 нейтронов) в ядре урана — самого последнего и самого тяжелого из 92 элементов, существующих в природе.

Эти 92 протона, естественно, уравновешены 92 электронами, которые вращаются вокруг ядра по семи орбитам. Семь орбит, обозначаемых буквами К, L, М, N, О, Р и Q, имеют соответственно 2, 8, 18, 32, 21, 9 и 2 электрона. Орбита К, ближайшая к ядру, как бы соответствует орбите планеты Меркурий в нашей солнечной системе.

Ферми и другие его единомышленники не стремились найти сундук с золотом на конце радуги. Они стремились к знаниям, позволившим бы расширить и углубить представление человека об окружающем его мире.

Они знали, что в ядре атома заключен ответ на некоторые самые основные загадки природы, загадки гигантских систем звезд, движущихся по своим орбитам в беспредельном космическом пространстве, и столь же огромных систем клеток, составляющих все живое — растения, животных и людей. И они искали ключ или, скорее, крошечную замочную скважину, через которую можно было бы увидеть хоть немногое из того, что находится за воротами, ведущими в эту цитадель Вселенной.

* Ящик Пандоры в переносном смысле означает источник всяких бед. По древнегреческому мифу Пандора — прекрасная женщина, созданная Гефестом,— вопреки запрещению Зевса открыла ящик, где были спрятаны несчастья, и они разлетелись по всему свету.— Прим, перев.

В маленький герметичный стеклянный сосуд Ферми поместил небольшое количество порошка бериллия, наполнил сосуд радоном — естественным радиоактивным газом, излучающим, как и радий, альфа-частицы, т. е. ядра атомов гелия. Очень немногие из этих ядер, не более чем один из каждой сотни тысяч, вылетающих с колоссальной скоростью из ядер радона, попадают в ядро атома бериллия. При таком столкновении происходит синтез ядер гелия и бериллия, т. е. точно такой же процесс, который наблюдается в неизмеримо большем масштабе при взрыве водородной бомбы. Таким образом, крошечный стеклянный сосуд являлся миниатюрным прототипом этого апокалипсического оружия.

Чтобы понять это явление, необходимо лишь произвести элементарные расчеты. Ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов, а ядро атома бериллия— из четырех протонов и пяти нейтронов. Таким образом, в сумме получается шесть протонов и семь нейтронов.

Когда ядра гелия сливаются с ядрами бериллия, в крошечном стеклянном сосуде происходит чудо сотворения: два протона и два нейтрона гелия сливаются с четырьмя протонами и четырьмя нейтронами бериллия, образуя таким образом необходимый для жизни элемент — углерод с ядром из шести протонов и шести нейтронов.

Когда же происходит слияние ядер двух легких элементов в более тяжелый элемент, около пяти сотых процента общего количества массы всего гелия и бериллия превращается в ядерную энергию, которая приблизительно в 1 500 000 раз больше энергии, высвобождаемой при сгорании такого же количества угля, и в десять миллионов раз больше взрывчатой силы тротила. Но все это, конечно, происходит в очень небольшом масштабе, так как сливаются всего несколько атомов.

Однако Ферми и его группу интересовало не получение углерода и не высвобождение энергии синтеза. Их интересовал седьмой нейтрон, освобождаемый в процессе превращения элементов. Они построили небольшой аппарат для синтеза, желая иметь источник свободных нейтронов, ведь свободные нейтроны — явление очень редкое во Вселенной, где все они накрепко связаны в ядрах атомов.

Этот небольшой стеклянный сосуд со смесью порошка бериллия и газа радона должен был служить Ферми нейтронной пушкой для получения изотопов элементов — тех элементов, которые в силу своей высокой радиоактивности давно исчезли на Земле,— или служить для создания совершенно новых, никогда ранее не существовавших в природе элементов.

Дело в том, что нейтрон — по-своему самый замечательный из основных компонентов природы. Так как он электрически нейтрален, то может проникать сквозь гигантскую стену положительного электричества, окружающую ядро атома, которое состоит из положительно заряженных протонов. Это свойство делает нейтрон самым мощным орудием для проникновения в цитадель Вселенной — атомное ядро — с целью изучения ее сокровенных тайн.

Другое замечательное свойство нейтрона — его способность подвергаться полному превращению. Когда нейтрон попадает в ядро атома, то при определенных условиях может потерять отрицательный электрон и таким образом стать протоном. Или же нейтрон может выбить положительный заряд у одного из протонов ядра, таким образом превратив его в нейтрон.