Глеб Анфилов - Искусственное Солнце

Крепче склеиваются мезонным обменом частицы ядра сверхтяжелого водорода трития, состоящего из одного протона и двух нейтронов.

А вот ядро легкого гелия, в котором появился второй протон (на один нейтрон), связано слабее ядра трития. Это и понятно: ведь вступило в свои права электростатическое отталкивание протонов.

Но стоит прибавить сюда еще один нейтрон — и связь резко возрастет. В ядре обычного гелия (комбинация двух протонов и двух нейтронов, называемая также альфа-частицей) каждый нуклон приклеен к своим собратьям почти втрое сильнее, чем в ядре легкого гелия.

Путешествуя дальше по «карте микромира», как образно называют иногда таблицу Менделеева, мы убеждаемся, что вначале прочность ядер с некоторыми колебаниями быстро растет, а затем, по мере увеличения веса и размеров ядер, постепенно снижается.

Ядра — рекордсмены прочности — находятся примерно в середине менделеевской таблицы. В них мезонный обмен особенно интенсивен, ибо подавляющее большинство нуклонов оказывается там внутри ядра и работает «во всю силу». «Мимо цели» их мезоны не попадают. Казалось бы, с дальнейшим увеличением числа нуклонов ядро должно делаться еще прочнее. А на самом деле происходит спад прочности.

Как его объяснить?

Общее влияние притяжения нуклонов в крупных ядрах ослабляется большим количеством частиц. Мезонный обмен, реализуясь на ничтожных расстояниях, не может охватить с прежней силой увеличившуюся семью нуклонов. Вместе с тем все заметнее сказывается предательское отталкивание протонов.

Теория предсказывает: ядра с числом протонов больше примерно 120 существовать не могут. Возникнув, они тотчас были бы разорваны электростатическим отталкиванием. А на практике в естественных земных условиях наибольшее число протонов — 92, в ядрах урана. И это весьма «рыхлые», неустойчивые образования.

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 -27грамма больше, чем в ядре бария. Эта разница (удельный дефект масс) соответствует энергии в 1 мэв на нуклон. На грамм вещества она составит 5,5 . 10 23мэв, или 8,8 . 10 10джоулей.

Итак, освобождение ядерной энергии сводится к старой мечте алхимиков — превращению элементов.

Какими же путями оно осуществляется?

Открыв 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.