Глеб Анфилов - Искусственное Солнце

Однако остановится ли атомная техника на использовании одного лишь расщепляющегося ядерного горючего? Конечно, нет! Это только начало.

Ведь запасы урана и тория в земной коре не безграничны, добывать их не так-то уж легко. Давно уже возник вопрос: а нет ли какого-либо более доступного ядерного сырья, нет ли способа обойтись без урана и тория при извлечении атомной энергии, найти для этого другие элементы, другие методы?

Чтобы получить ответ на такие вопросы, мы вновь возвращаемся к Солнцу. Именно там найдем мы новое ядерное топливо, новый способ его сжигания. Но сначала мы обязаны подробнее разобраться в особенностях бурной жизни светила.

1. СВЕРКАЮЩИЙ ПОКРОВ

Рождение света. Фарфор и сажа. Черное Солнце . Электроны-прыгуны. Разгадка шифра . Фотонное меню .

2. ПРАВО СИЯТЬ

Мяч с отоплением. Мнимый запрет. Конституция микромира.

Частицы и среда. Волны вероятности. Лыжники-кудесники. Сквозь непроницаемое. Разрешение дано.

3. ЯДРА СЛИВАЮТСЯ

Снаружи и внутри. Первые пробы. Решающее открытие. Главный этап. Конвейер реакций . Ядра-повара. Теория и опыт . Подводим итоги. Вчера и завтра . Судьбы звезд.

Солнце — прежде всего необозримый океан света.

А что такое свет?

Не ищите легкого объяснения.

- Природа света на редкость сложна и противоречива. Кстати сказать, в конце XIX века это послужило одной из причин «кризиса» физики.

Вы никогда не поставите знак равенства между морской зыбью и брошенным камнем. Волны и частицы — вещи разные.

А вот свет одновременно несет в себе свойства и того и другого.

С одной стороны, он ведет себя, как электромагнитные волны, но только очень короткие. Волны длиной 0,4 микрона дают красный свет, 0,5 микрона — сине-зеленый и т. д. Как подобает волнам, свет проходит сквозь узкие щели, огибает препятствия, преломляется и отражается.

Но вместе с тем он рождается, гибнет и взаимодействует с веществом не как волны, а как частицы — фотоны, дискретные порции (кванты) электромагнитного поля. Свету разных цветов соответствуют фотоны неодинаковых энергий: наименее энергичные — красному, наиболее энергичные — фиолетовому. Энергия фотонов связана с частотой световых колебаний простеньким соотношением:

Здесь Е — энергия фотона в эргах, v — частота (число полных колебаний в секунду), h — величина, называемая постоянной Планка, или квантом действия, которая равна 6,62377 . 10 -27эрг. секунду.

Излучая свет, атомы «стреляют» световыми «пулями».

Посмотрим, как это происходит.

Вот атом движется среди своих собратьев. Неожиданно он сталкивается с соседом и переходит в менее устойчивое состояние. Один из его электронов срывается со своей орбиты (пути движения вокруг ядра) и перескакивает на другую орбиту, расположенную от ядра подальше. В таком состоянии частички атома могут находиться разное время. Если электрону легко вернуться на прежнюю орбиту, он это делает сразу же, а излишек энергии освобождается в виде порции света — фотона. Тут и происходит «стрельба световыми пулями».

Именно такова сущность свечения тел из-за нагревания; ведь в этом случае атомы обладают большой энергией и могут при столкновениях передавать ее крупными «порциями».

Столкновения атомов создают и свет пламени лучины, и вспышку спички, и сверкание расплавленной стали. Чем сильнее нагрето тело, тем интенсивнее беспорядочное движение его атомов. При высокой температуре столкновения атомов чаще, чем при низкой. Поэтому, раскаляя тело, мы заставляем его светиться ярче.

Вы наверняка замечали и другое: кусок железа в печи ведет себя, как хамелеон — сначала краснеет, потом делается оранжевым и, наконец, желто-белым.

Это тоже понятно. Повышается температура—и не только чаще, но и сильнее становятся атомные столкновения. Естественно, что при этом «выбиваются» все более энергичные фотоны — на смену излишку красных лучей идет излишек желтых, зеленых и т. д. Соотношение количества разных лучей меняется, а это и влечет за собой изменение цвета.

Теперь мы знаем, как определить издалека температуру нагретого предмета: можно по яркости его излучения и по цвету. Оба способа широко используются на практике. Кузнец, глядя на раскаленный кусок металла, прикидывает по цвету, не пора ли его вынуть из горна и ковать. Сталевар, оценивая яркость жидкой стали, принимает меры, чтобы не поджечь свод мартена. Изобретены и действуют разнообразные приборы, которые заменяют в таких измерениях человеческий глаз и довольно точно фиксируют температуру нагретых тел.

А нельзя ли этими способами узнать, как раскалена поверхность Солнца?

Можно, но только при соблюдении некоторых предосторожностей.

Дело вот в чем: тела разного цвета неодинаково излучают свет при нагревании. Раскаленный кусочек фарфора сияет слабее и как бы краснее, чем доведенная до той же температуры крупинка сажи. С чем же правильнее сравнить Солнце — с фарфором или с сажей?

Не будем спешить с ответом. Прежде разберемся в том, что такое «черное тело».

«Черное» — значит поглощающее свет. В большой мере таким свойством обладает сажа. Однако и сажа, вопреки поговорке, чуть-чуть бела, ибо небольшую долю света она отражает. Ее хоть и с трудом, но можно осветить.

А есть что-нибудь чернее сажи?

Возьмите какую-нибудь полость — к примеру, бочку из-под бензина —и проделайте в стенке маленькую дырочку. Эта дырочка — чемпион черноты. Осветить ее практически невозможно. Любой луч, направленный в бочку, исчезает в ней, полностью поглощается. Мы получили то, что в физике именуют «абсолютно черным телом».

Начнем теперь любым способом нагревать внутреннюю полость нашей бочки, позаботившись о том, чтобы она не передавала тепло наружу.

Вот температура достаточно высока. Стенки начали изнутри светиться. В полости появилось надежно плененное излучение. Количество его при каждой температуре наибольшее — ведь оно никуда не уходит (то, что выходит из маленькой дырочки, очень мало). В соответствии с температурой меняется при нагреве качество излучения — грубо говоря, его цвет. И яркость и спектр нетрудно исследовать по световому лучу, выходящему из маленького отверстия.