Валерия Черепенчук - 99 секретов физики

Эрнест Резерфорд в ходе своих опытов предполагал, что радиоактивность связана с распадом атомов, если точнее – с распадом атомных ядер. Во время этого процесса происходит активный выброс излучения.

В начале ХХ века в Великобритании было проведено несколько исследований, которые приблизили человечество к пониманию того, что представляет собой процесс ядерного распада и какие страшные силы таятся в этом явлении, которое даже невозможно рассмотреть невооруженным глазом!

Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди (1877–1956) в своей статье «Теория радиоактивных превращений» заявили: даже если радиоактивный элемент на первый взгляд пребывает в покое и не подвергается никаким воздействиям, он может находиться в состоянии самопроизвольного распада. Свои умозаключения они зафиксировали в законе радиоактивного распада, который описывает зависимость интенсивности радиоактивного распада от количества радиоактивных атомов в образце и от протекшего времени. Причем все данные были добыты экспериментальным путем и представлены также в работах «Сравнительное излучение радиоактивности радия и тория» и «Радиоактивное превращение». Вскоре в научном обороте появились термины «время жизни атома» и «период полураспада».

Это исследование не только произвело переворот в науке (ведь на тот момент большинство ученых не сомневались в неделимости атома!), но и подтолкнуло к очередным исследованиям – уже в области ядерной физики. А там недалеко было и до использования ядерной энергии в военных целях.

На рубеже XIX–XX веков было установлено, что газ гелий может являться продуктом радиоактивного распада, то есть одни элементы «порождают» другие!

Ядерная реакция происходит в том случае, если ядро атома сталкивается с какой-либо другой частицей. Уже в первой четверти ХХ века ученые, ставя опыты, «бомбардировали» разнообразными частицами ядра и получали весьма интересные результаты.

В 1938 году немецкие ученые Отто Ган (1879–1968), Фриц Штрассман (1902–1980) и Лиза Мейтнер (1878–1968) проводили опыты по воздействию на ядро урана нейтронами. Они заметили, что в результате урановое ядро разделилось на два новых! Это явление было названо расщеплением. Но самым удивительным было то, что в ходе деления ядра также выделялось несколько новых нейтронов. Ученые заявили, что обнаружили «цепную ядерную реакцию». Суть ее в том, что вначале под воздействием нейтрона расщепляется урановое ядро и образуются новые нейтроны. Они, в свою очередь, вызывают деление еще двух ядер… И так далее. Очень важно было то, что в ходе подобных реакций выделялась колоссальная энергия.

Практически сразу стало понятно, что совершенное открытие может как поднять человечество на новый уровень, так и приблизить его к гибели. Ведь энергию ядерной реакции можно как поставить на службу человеку, так и создать на ее основе оружие массового уничтожения. Мы с позиции людей XXI века уже знаем, что, к сожалению, удержаться от искушения не удалось и «мирным атомом» дело не ограничилось. Сможет ли человечество вовремя остановиться на пути агрессивного использования ядерной энергии?

При расщеплении всего 0,5 грамма урана выделяется энергия, сопоставимая с той, которую можно получить при сгорании 150 литров нефти

Надо сразу уточнить, что понятие «делимости-неделимости» того или иного элемента достаточно условно: атом тоже когда-то считался неделимым, но наука постоянно обогащает нас новыми открытиями.

Давайте познакомимся с составными частями атомного ядра: протонами и нейтронами.

Когда Эрнест Резерфорд открыл атомное ядро, практически ни у кого из ученых не возникло сомнений, что оно, как и сам атом, скорее всего тоже имеет сложную структуру. И к 1919 году Резерфорд опытным путем доказал – атомное ядро тоже можно разложить на составляющие, одной из которых является протон (от греч. «первый», «основной»). Причем химически протон тождествен ядру атома водорода: ученый установил, что ядро атома водорода обнаруживается при расщеплении ядер множества других элементов.

Ученик Резерфорда, Джеймс Чедвик (1891–1974), в 1932 году открыл новую частицу, не обладающую электрическим зарядом, – нейтрон (его назвали так именно за его электрическую нейтральность). Вновь открытый «жилец» атомного ядра обратил на себя внимание именно тем, что никак не реагировал на электромагнитное поле. За это открытие ученый в 1935 году был удостоен Нобелевской премии по физике.

Интересно, что протон и нейтрон имеют почти одинаковую массу, которая почти в 1800 раз выше, чем масса электрона. Кстати, для обозначения сил, связывающих протоны и нейтроны в ядре, ввели особое понятие – «сильное взаимодействие». У него совсем небольшой радиус действия, но оно очень выражено.

Иногда протоны и нейтроны объединяют общим названием – нуклоны (от латинского «nucleus» – «ядро»)

С развитием сложной техники у человека появилась возможность проникать все глубже и дальше в структуру частиц, о существовании которых раньше никто даже не подозревал. Становилось ясно, что электроны, протоны, нейтроны – это лишь небольшая часть всех тех удивительных явлений, которые принято объединять условным названием «мелкие частицы». И в 1960-х годах американский физик Марри Гелл-Манн (род. в 1929) ввел новую «точку отсчета» – кварк и упорядочил всю систему субатомных частиц (то есть тех, которые мельче атома и входят в его состав). Он предположил, что большинство составляющих атомного ядра можно разложить на комбинации из трех разных кварков. За это ученый в 1969 году был отмечен Нобелевской премией. Теория о кварках была подтверждена опытами его коллег, когда стало возможным сделать макроснимок протона.

В 2008 году прошли первые испытания Большого адронного коллайдера. Мир замер в ожидании: чего только не говорили! И что коллайдер «засосет весь мир в черную дыру», и что он «приблизит конец света»… Страху нагоняло и то обстоятельство, что коллайдер – действительно колоссальное сооружение. Грубо говоря, он представляет собой огромную кольцеобразную трубу, проложенную на глубине около 100 метров под территориями Франции и Швейцарии. Строили его ученые, инженеры, архитекторы и программисты со всего мира. Но зачем?