Сокровищница XXI века: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Если существуют изотопы элемента № 114 повышенной стабильности, то, по всей вероятности, распад его ядер будет зарегистрирован в породах, содержащих свинец, или даже просто в самом свинце.

Любопытна попытка обнаружения распада сверх-ядер в свинцовых стеклах. Осколки любых ядер, делящихся самопроизвольно, скажем, изотопов урана, кюрия, калифорния, оставляют следы-треки во многих материалах. Треки очень малы — всего несколько десятков атомных диаметров тянется осколочный след. Их нельзя обнаружить оптическим микроскопом. Длина световой волны в сотню раз превосходит протяженность осколочного следа, и пытаться различить его, рассматривая в сильный оптический микроскоп, все равно, что пробовать измерять грубой линейкой отверстие размером в десяток микрон.

Следы ядер-осколков удалось наблюдать в поле зрения электронного микроскопа. Слюдяная пластинка помещалась над слоем делящихся ядер урана, а затем на предметный столик электронного микроскопа. На его экране и появлялись треки. Но так можно поступать, когда изучаются обычные ядра трансуранов. В этом случае несложно приготовить слюдяную или стеклянную пластинку с большим числом треков, так что обязательно какой-то из них попадет в поле зрения электронного микроскопа. Дело обстоит совсем по-другому, когда идет поиск редких событий, например треков сверхядер. Ожидаемая плотность следов сверхядер очень мала. Попытка найти редкие треки может быть успешной только после просмотра большой площади. Малое поле зрения электронного микроскопа привело бы к тому, что на просмотр нужных площадей потребовались бы годы.

Пришлось разработать специальную методику обнаружения следов-треков. Помогла химическая обработка. Слюду или стекло погружали в ванну со специальным раствором. В местах, где внедрялись осколки, вещество растворялось быстрее, чем в остальной части материала, и образовывались достаточно большие — размером в несколько микрон — лунки, похожие на лунные кратеры. «Кратеры» легко просматривались обычным оптическим микроскопом со скромным увеличением, а значит, и с большим полем зрения. Ведь чем увеличение меньше, тем больше поле зрения прибора.

Чтобы найти следы элемента № 114, плавиковой кислотой обрабатывались свинцовые стекла. Стекла древние, пролежавшие в музеях более сотни лет. Все это время гипотетические ядра могли распадаться и оставлять свои меты. За сто лет даже при ничтожных концентрациях спонтанно делящихся атомов накопилось бы достаточно большое число их треков. Но и здесь физиков ждала неудача. Даже в самых старых свинцовых стеклах — технология их варки была разработана в Англии всего 200 лет назад — осколочных треков сверхядер не нашлось.

Поиск нового острова стабильных элементов продолжается. Успех будет означать новый шаг в изучении атомного ядра. Полнее предстанет перед нами еще далеко не завершенная картина строения атомного ядра— для ее дополнения особенно важно синтезировать предельные ядра с максимальным числом протонов и нейтронов. Именно такие ядра, распадаясь, в своей лебединой песне могут полнее рассказать о секретах строения ядерного вещества.

Как изучение вещества в условиях предельных температур и давлений дало многое физике, так и ядра с предельными числами нейтронов и протонов помогут понять природу сил, «склеивающих» в нуклонную каплю протоны и нейтроны элементов Вселенной.

Фундаментальные исследования шире откроют путь практическим применениям ядерной физики. Пока основой ядерной энергетики служит второй трансуран — синтетический плутоний. Применяются в промышленности, медицине, приборостроении искусственные атомы кюрия, америция, калифорния. Но главное, что дадут нам атомные ядра, сделанные руками человека, — энергия.

ЭНЕРГИЯ МИРА

Слово «энергия» встречается повсюду — на страницах газет и научных журналов, на щитках электрических машин и приборов, в быту. Чтобы добывать воду, вести поезда, освещать города, необходимо затрачивать энергию. Потребление энергии человеком растет быстрее, чем горная лавина, — за последние 50 лет люди израсходовали ее больше, чем за всю свою предыдущую историю.

К 2000 году, по некоторым расчетам, население Земли должно удвоиться — достигнуть 7 миллиардов человек. И чтобы обеспечить этих новых людей всем необходимым, нужны дополнительные источники энергии.

Альберт Эйнштейн в начале нашего века открыл закон, согласно которому масса вещества М эквивалентна энергии Е(Е = Мс2). В этой знаменитой формуле с2 — постоянная величина — квадрат скорости света. Если один грамм массы полностью переходит в энергию, то должно выделиться 25 миллионов киловатт-часов. Столько же энергии получается, если в топках сжечь целый эшелон каменного угля.

Однако не так просто освободить скованную веществом энергию, пустить ее в дело.

Во всех химических превращениях, которыми пользуется человек, чтобы добыть энергию, и которые с ее выделением протекают в природных условиях, только очень малая доля вещества преобразуется в энергию.

Допустим, в топке парового котла сгорел килограмм нефти. Сложные молекулы углеводородов превратились в углекислый газ и воду и связали 1700 граммов кислорода: нефть + кислород = вода + углекислота + энергия. Вес продуктов сгорания, воды и углекислоты будет меньше веса исходного вещества (нефти и кислорода), потому что часть массы перешла в энергию. Но убыли не отметят даже точнейшие весы, — меньше миллионной доли грамма из 2700 граммов трансформировалось в энергию.

Потому-то на практике изменение массы вещества в химических реакциях никогда не учитывают.

«Зола» одного килограмма урана, сгоревшего в ядер-ном реакторе, весит 999 граммов. В энергию уже переходит ощутимое количество — миллиардные доли превратились в тысячные. Эффективность ядерного горючего в миллионы раз выше обычного, химического. Почему так происходит, нетрудно понять в свете упомянутого закона Эйнштейна.

Масса вещества, а следовательно, и его энергия, почти полностью заключена в атомных ядрах. На долю остальной части атома — электронной оболочки — приходится менее двухтысячной доли атомной массы. В химических реакциях, когда перестраиваются электронные оболочки, изменения массы на каждый реагирующий атом незначительны (ведь процесс протекает в легкой части атома!) по сравнению с убылью в ядерных превращениях, в которых преобразуется тяжелая атомная сердцевина.

Непрерывно убывает масса нашего Солнца. Ее уносит в пространство Вселенной световой поток, рождаемый ядерными процессами. В недрах Солнца ядра водорода — протоны — становятся ядрами гелия.

Уже в середине двадцатых годов нашего века ученые знали, что из одного килограмма водорода получится только 988 граммов гелия. Дело в том, что масса ядра солнечного элемента меньше массы четырех водородных ядер, из которых можно «сделать» гелиевое ядро. «Массовый» избыток при переходе водорода в гелий и обеспечивает энергией Солнце.

В старых физических журналах можно прочитать удивительные статьи. Они посвящены попыткам превратить водород в гелий. Авторы пытались в обычных лабораторных условиях того времени получить из водорода гелий. Им казалось, что стоит только найти подходящий катализатор, например палладий, — и пойдет желанная реакция. Ставились опыты. В сосуде с водородом находили примесь гелия! Получалось, что реакция протекает уже при комнатных температурах, но слишком медленно... Сегодня, просматривая такую статью, трудно сдержать улыбку — ученые твердо установили: водород становится гелием при температуре порядка 20 миллионов градусов. Очевидно, в тех опытах солнечный газ попадал в сосуд из атмосферы, а не рождался из водорода.

Высокие температуры нужны потому, что водород переходит в гелий по сложной цепи ядерных реакций. В отличие от атомов, ядра реагируют между собой лишь в том случае, когда они движутся с очень большими скоростями, существующими в сильно нагретом веществе. Только тогда они преодолевают силы отталкивания, препятствующие их сближению и взаимодействию между собой.

В нашу эпоху водород — основное вещество, из которого состоит Солнце. Однако на Солнце в незначительных концентрациях есть и другие элементы. Особую роль играет углерод. Атомное ядро обычного углерода захватывает протон и становится родоначальником циклической цепи превращений: после захвата протонов в цепи трижды появляются разные сорта атомов азота, один раз тяжелый изотоп углерода с массой 15 атомных единиц и, наконец, богатый нейтронами изотоп кислорода. Его ядро очень неустойчиво и мгновенно распадается на гелий и обычный углерод, с которого все начиналось. Углерод опять начинает захватывать протоны, и цикл превращений повторяется. В результате количество углерода не изменяется, а в каждом цикле исчезают четыре протона, возродившись в форме гелиевых ядер и дополнительной энергии, уносимой гамма-лучами. К счастью для землян, гелий рождается в центральной области Солнца — только там температура достигает подходящей для его появления величины, и гамма-лучи не достигают поверхности Солнца. Рассеиваясь на своем пути солнечным веществом, они дробятся на менее энергичные кванты электромагнитного излучения и во внешних слоях светила становятся потоком носителей света — фотонов.

На Солнце гелий образуется и по другим цепочкам ядерных превращений. В одной из них вначале из протонов получаются тяжелые атомы водорода, а потом из них — гелий. И все же главная роль — за углеродной цепочкой, остальные вносят сравнительно малый вклад в энергетику Солнца.

Процесс синтеза гелия приводит к тому, что каждую секунду Солнце теряет 4,3 миллиона тонн своей массы, которая превращается в энергию и уносится в пространство световым потоком. Мизерную часть солнечной энергии — 0,4 миллиардной доли — перехватывает земная поверхность. И вот эти крохи, падающие на Землю с поверхности нашего светила, миллиарды лет поддерживают развитие земной жизни, рождают ветры, разрушают горы.

Ядерная энергия солнечного вещества приходит на Землю слишком рассеянной. Чтобы получить скромную мощность в один киловатт, нужно в солнечный день в средних широтах собрать энергию с поверхности, равной квадратному метру. Да и работать на нас Солнце может нерегулярно, с большими перерывами, — то наступает ночь, то небо затягивают облака. Меняется световой поток и от времени года. А нельзя ли у нас дома, на Земле, построить искусственное Солнце?

Осуществить в земных условиях управляемый синтез гелия из простейших ядер водорода протонов гораздо сложнее, чем из ядер тяжелого водорода дейтерия. Даже на Солнце протоны очень медленно переходят в ядра гелия. На каждую тонну солнечной массы выделяется всего 0,2 ватта. За сто тысяч лет в тонне солнечного вещества один грамм протонов превратится в гелий. Только большой объем нашего светила — естественного термоядерного реактора — спасает положение, и мощность, излучаемая квадратным сантиметром поверхности, достигает 7 киловатт — на каждый квадратный сантиметр работает 35 тысяч тонн солнечной массы.

Пока в современных лабораториях исследователи нагревают тяжелый водород до высоких температур мощными электрическими разрядами. Трудности велики. Плазму — нагретую до миллионов градусов смесь электронов и атомных ядер — трудно удержать в ограниченной части пространства. Плазма не должна соприкасаться со стенками какого-либо сосуда — нет и не будет материалов, которые выдержат столь высокие температуры, да и холодные стенки отводили бы слишком много тепла от зоны термоядерной реакции и она бы глохла. Поэтому горячую водородную плазму удерживают в определенном объеме с помощью сильных магнитных полей. И хотя в наши дни достигнуты большие успехи в изучении способов получения высокотемпературной плазмы, промышленный энергетический термоядерный реактор, по-видимому, появится еще нескоро.

Но есть другой не менее обильный и уже доступный нам источник ядерной энергии — источник, которым человек уже овладел в полной мере.