«Без ядерной энергетики говорить
о мировом энергетическом балансе
невозможно»
В. В. Путин, Президент РФ
  • Слайд 1
  • Слайд 3
  • Слайд 2
  • Слайд 4
Экология и атомная энергетика

Из жизни атомов и ядер

«…власть человека над вещами целиком
зависит от успехов науки и знания, ибо
мы можем управлять природой, лишь
повинуясь ей»
(Ф.Бэкон)

Как и зачем создан Мир, порождающий жизнь? Какое место в нем занимает человек? Исполнитель он чьего-то замысла, идущий по предначертанному пути, или сам творец своей судьбы? Способен ли он постигнуть принципиальные основы устройства Мира? Зависят ли тело и душа человека, как части Вселенной, от физических деталей мирового механизма и таинственных сил, приводящих его в действие? Одинакова ли структура Вселенной на больших и малых пространственных масштабах? Возможно ли познание материи, может ли человек познать сам себя? Множество подобных вопросов задавали (и по-прежнему задают) люди во все эпохи и времена, размышляя над событиями и тайнами материального и духовного мира, созерцая, экспериментируя и сопоставляя свои размышления с результатами экспериментов. Так происходит отделение истинного знания от шелухи ложных представлений, так человек неустанно накапливает все новые сведения о природе и о себе, как части природы, теоретически осмысливает их и практически применяет, отодвигая все дальше границы непознанного и расширяя сферу человеческой цивилизации.

История развития человечества, по сути дела, это история тех природных процессов и сил, которые человеку со временем удалось поставить себе на службу. Конечно, предварительно изучив на бумаге и в лаборатории условия их возникновения, возможности и особенности. Правда, «на бумаге» и «в лаборатории» — это несколько условно. Когда-то одной из первых сил, которые открыл и начал использовать человек, стала сила огня. Изучение этого процесса в различных его формах (взрыв — тоже огонь, только очень быстро распространяющийся) продолжается уже более 20 веков. И успехи человечества в исследовании различных форм процесса окисления элементов, т.е. огня, очень велики — от костра, факела или лучины мы дошли до выплавки металлов, паровых двигателей, печей-обогревателей и т.д. Иногда, впрочем, огонь применяли и для «горячего» увещевания инакомыслящих, но что взять со средневековых монахов-инквизиторов!

В процессе окисления — горения — выделяется энергия в форме теплоты. Огонь есть механизм создания энергии, которую можно использовать для нагревания. Нагрев воду и превратив ее в пар, заставим пар давить на поршень. Вот готов уже и двигатель! Конечно, не всегда сила огня абсолютно покорна, выходя из-под контроля, она способна не только создать ожог, но и уничтожить целые города. Однако, несмотря на опасности, огонь привычен и давно знаком! Что-то, наверное, в нас осталось от тех древних охотников, для которых костер в пещере или в лесу был не только теплом и светом, но самой Жизнью.

Человек пришел к реке — и поставил на ней водяную мельницу. Сначала механическая энергия падающей воды помогала превращать зерно в муку и крупы, потом стала вращать электромагниты и превратилась в энергию электрического тока. Похожим образом стала работать на человека и сила ветра. Но возможности всех этих природных сил несравнимо малы по сравнению с энергетическими запасами внутри ядер атомов. Выяснилось это, как мы уже знаем, сравнительно недавно, лишь около 100 лет тому назад. А с чего началась вся эта история, как человек добрался до атомной сердцевины? Как вообще узнали о существовании атомов?

Говоря коротко, сначала (т.е. примерно около 20 тысячелетий назад!) человек научился добывать пищу и строить жилище. Затем он усовершенствовал способы добычи, а впоследствии и производства пищи, изменил свой внешний вид и сделал удобным свой дом. При этом человек непрерывно находил и изучал все новые области для жизни на планете, уже не только наблюдая за природой, но даже изменяя ее. Человек освоил и, как мог, обустроил пространство вблизи себя, своего дома, поселения. Затем он начал осваивать Землю, учась осознавать себя в пространстве и во времени.

Вначале человека интересовало лишь то, как использовать, приспосабливать и переделывать для практических нужд окружающие его предметы, вещество, материю. Затем он задумался, что это вообще такое — материя? Что кроется внутри нее, есть ли что-либо под поверхностью вещей? Практика жизни показывает, что из большого, разделив его на части, можно сделать меньшее, из твердого, нагрев его, — жидкое. Материя изменяема, если воздействовать на нее, а степень этого изменения зависит от количества энергии, которую затратит на это преобразование человек. Конечно, при помощи тех самых сил природы — огня, воды, ветра. Но это теперь мы знаем, что такое энергия, в каких процессах она освобождается и в каких условиях способна превращаться в полезную работу. А давно ли человечество узнало о том, как устроен материальный мир, в глубинах которого спрятана энергия?

Еще в пятом веке до нашей эры греческие мыслители Левкипп и Демокрит сформулировали результаты своих размышлений о структуре материи в виде атомистической гипотезы: вещество невозможно бесконечно делить на все более мелкие части, существуют «окончательные», неделимые частицы вещества. Все материальные предметы состоят из разнообразных атомов (от греческого atomos — неделимый, неразрезаемый); соединяясь, различные типы атомов образуют все новые вещества.

По легенде, Демокрит, сидя у моря на камне, держал в руке яблоко и размышлял: «Если я буду резать это яблоко ножом на все более мелкие части, всегда ли у меня в руках будет оставаться часть, которая все еще имеет свойства яблока?» Обдумав эту гипотезу, Демокрит пришел к следующим выводам: «Начало вселенной — атомы и пустота, все же остальное существует лишь во мнении. Миров бесчисленное множество, и они имеют начало и конец во времени. И ничто не возникает из небытия, не разрешается в небытие. И атомы бесчисленны по величине и множеству, носятся же они во вселенной, кружась в вихре, и таким образом рождается все сложное: огонь, вода, воздух, земля… Атомы же не поддаются никакому воздействию и неизменяемы вследствие твердости». Впрочем, есть сведения, что уже в 7 веке до н.э. в системе знаний индийского мудреца Канады материальная субстанция строилась из атомов, которые соединялись попарно. В качестве связующих сил предполагалось наличие «воли Бога или еще чего-либо». Очень интересно, что о существовании атомов мудрец считал возможным узнать «не восприятием, а рассуждением».

Проверке экспериментом данная гипотеза не подлежала, ввиду явной невозможности его осуществления в то время, и более двух тысячелетий она пылилась на полках мирового хранилища знаний. Но разве истина, рано или поздно, не становится известной?

Когда вдумываешься в даты жизни тех, кто выдвинул и развивал концепцию материалистического атомизма, поражаешься прозорливости этих мудрецов: ведь их идеи были подтверждены экспериментами лишь в недавнее время с помощью весьма не простой экспериментальной техники.

В литературной форме атомистическая гипотеза была сформулирована в знаменитой поэме римского поэта и философа Лукреция Кара «О природе вещей», опубликованной в Европе в конце 15 века, но созданной еще во времена Римской империи в 1 веке до н.э. Был ли он гениальный провидец, сам ли дошел до глубочайших научных истин, или только высказал известные в его время представления о мире, точно неизвестно. Но содержатся в его поэме сведения о мире, открытые и изученные лишь через века и тысячелетия.

Вслушаемся в слова одного из создателей атомистической гипотезы, Тита Лукреция Кара, вчитаемся в строки его поэмы. Стройное учение об атомах или, как он их называл, первоначалах вещей, Лукреций развивает, обращаясь к явлениям общеизвестным, а его умозаключениям присуща та простота, которой отличается народная мудрость - глубокая и общепонятная одновременно.

Если не будет, затем, ничего наименьшего,
Будет из бесконечных частей состоять и мельчайшее тело:
У половины всегда найдется своя половина.
И для деленья нигде не окажется вовсе предела.
Чем отличишь ты тогда наименьшую часть от Вселенной?
........................................................................
Первоначала вещей сначала движутся сами,
Следом за ними тела из малейшего их сочетанья,
Близкие, как бы сказать, по силам к началам первичным,
Скрыто от них получая толчки, начинают стремиться
Сами к движенью, затем понуждая тела покрупнее.

Характерно: если обратиться к фольклору, мы найдем там сходные примеры такого же подхода к вопросу о природе вещей. Вот один из таких примеров - старая татарская байка.

“Вот эту кадку я могу наполнить три раза подряд, ни разу не опорожняя”, - сказал один. Другой не поверил. “Не веришь? Смотри !” - и говоривший так, наполнил кадку камнями. “Наполнилась?” “Наполнилась”, - согласился другой. В эту же кадку между камнями первый насыпал песок: “Снова наполнилась?” “Да”, - сказал другой. “А теперь смотри, наполнится и в третий раз!” - продолжал первый, заливая кадку водой.

В этой цепочке наглядных демонстраций остается сделать лишь вполне логичный мысленный шаг в невидимое: предположить, что и вода, на взгляд сплошная, обладает пустотами. А чтобы продолженная таким образом цепочка не была бесконечной, можно предположить, что мельчайшие, невидимые поры представляют собой уже совершенную пустоту, разделенные же ею частицы имеют предельно высокую плотность и неделимы на части.

Это умозаключение и делает Лукреций. “Первоначала вещей, таким образом, просты и плотны”, - несколько раз рефреном звучит в его поэме. Лукреций размышляет о форме атомов (у прочных тел они должны быть шершавыми и даже крючковатыми, у жидких - круглыми), о том, что Вселенная беспредельна и число атомов в ней бесконечно, что атомы могут быть различными, но их разнообразие ограничено, что они лишены цвета, вкуса, тепла и так далее - все эти качества веществ обусловлены формой, расположением и движением атомов. По ходу разговора встречается много интереснейших замечаний - о том, что во Вселенной вероятны миры, подобные нашему, что в пустоте все тела должны “равную скорость иметь, несмотря на различие в весе”, что время “никем ощущаться не может само по себе вне движения тел и покоя”.

Позже, уже в середине 17 века, идеи атомного строения материи обсуждались в философском труде Пьера Гассенди. В начале же 17 века представления об атомном устройстве материи были официально запрещены церковью.

Однако наука не может опираться на умозрительные построения. Наблюдения над природой, познание ее путем созерцания и проникновения в истину через размышление постепенно сменялись ее экспериментальными исследованиями, количественным анализом результатов целенаправленного воздействия. Эксперимент над явлениями материального мира, повторение в лаборатории природных феноменов, а затем математическая формулировка полученных данных — вот что пришло на смену умозрительным рассуждениям о природе материи.

Всерьез ученые вернулись к атомистической гипотезе только в 1803 году, когда английский химик и физик Джон Дальтон обратился вновь к представлениям о дискретной структуре материи для объяснения химических свойств газов. Он пришел к выводу, что наиболее экономное и логически непротиворечивое объяснение этих свойств вытекает из предположения о строении всех химических элементов из мельчайших неделимых компонент одного типа — атомов.

Сам Дальтон представлял атомы в виде упругих шариков и настолько верил в их реальное существование, что даже рисовал на бумаге атомы кислорода, азота, водяного пара. Впрочем, результаты экспериментов Дальтона и других исследователей для многих ученых еще долгое время не являлись убедительными. Даже в начале 20 века известный физик и философ Эрнст Мах с издевкой спрашивал у приверженцев атомной теории: «А вы видели хоть один атом?» Нужно, однако, отметить, что и для последователей атомной гипотезы, и для ее противников, существование атомов, не подтверждаемое и не опровергаемое опытом, являлось, скорее, вопросом веры. Исаак Ньютон писал: «Мне кажется вероятным, что Бог вначале создал материю в виде сплошных, массивных, твердых, непроницаемых, движущихся частиц таких размеров и форм, и с такими другими свойствами, и в таких пропорциях к пространству, которые наилучшим образом служат той цели, для которой Он их создал, и что эти простейшие частицы, будучи твердыми, несравненно прочнее, чем любые другие тела, составленные из них; даже настолько прочны, что никогда не изнашиваются и не разбиваются на куски; никакие обычные силы не в состоянии разделить то, что Бог создал сам в первый день творения…».

Исследовав простейшие, механические свойства материи, человек обратился к более сложным. 19-й век в истории науки стал эпохой изучения электрических явлений. После того, как революция в физике и технике была подготовлена, благодаря, в первую очередь, трудам Майкла Фарадея и Джеймса Максвелла, перед учеными вновь встал вопрос об атомной структуре материи — происхождение электричества стало увязываться с существованием атомов. В 1891 году Джордж Стони ввел понятие электрона, как элементарной частицы электричества, имеющей минимальный электрический заряд, необходимый для выделения из раствора (ученый изучал явление электролиза) одного атома водорода. Но еще за десять лет до него, Герман Гельмгольц впервые четко сформулировал следующую мысль: «Если мы примем гипотезу, что простые вещества состоят из атомов, мы не можем избежать заключения, что электричество, как положительное, так и отрицательное, разделяется на определенные элементарные порции, которые ведут себя подобно атомам электричества».

Электрон был зарегистрирован как самостоятельная частица лишь в 1897 году в экспериментах Джозефа Дж. Томсона. Он обнаружил, что от атомов под действием сильного электрического поля отрываются заряженные частицы. По его оценкам, масса «атома электричества» примерно в тысячу раз меньше массы атома водорода, а заряд точно совпадает с зарядом иона водорода. Позднее, уже в 1910 и 1913 годах Роберт Милликен намного повысил точность измерений заряда и массы электрона. Впрочем, и по отношению к электрону находились скептики. Знаменитый физик Оливер Лодж говорил в 1902 году: «Электрон — это чисто гипотетический заряд, изолированный от атома» . Так, несмотря на отдельные мнения, к концу 19-го века стало понятно, что частицы, еще меньшие, чем атомы, существуют реально, что, скорее всего, они входят в состав атомов и являются переносчиками некоторого наименьшего количества электричества.

Важно, однако, то, что только через 100 лет после воскрешения атомных представлений, Уильям Томсон создает первую модель атома, в которой предполагается, что электроны занимают внешнюю часть атома. Дж. Дж. Томсон, развивая модель У.Томсона, предлагает модель атома, в которой внутри положительно заряженного шара — атома — отрицательные электроны вращаются вокруг центра по концентрическим орбитам. Полный заряд атома равен нулю. Но насколько однороден этот атомный шарик, это действительно нечто вроде кекса, где в положительно заряженном «тесте», движутся «изюминки»- электроны, или есть какая-нибудь структура, что-то находится в сердцевине атома?

В физике начала 20-го века присутствовали различные, подчас удивительные, с точки зрения современной науки, представления об устройстве атома. Известный ученый Ф.Линдеман, например, полагал, что «атом кислорода имеет форму кольца, а атом серы — форму лепешки». Согласно вихревой атомной теории Томсона, атомы подобны кольцам дыма, находящимся в постоянном вращении для поддержания устойчивости.

Начатые в конце 19-го века исследования атомных ядер привели к великому открытию — Антуан А.Беккерель обнаружил, что ядра атомов некоторых химических элементов (в данном случае это была соль урана) испускают невидимые лучи неизвестной природы с уникальной проникающей способностью. Ниже мы подробнее поговорим об этом открытии и о том, что было сделано учеными в области изучения этого явления, названного радиоактивностью.

По латыни спица в колесе называется «радиус». Тем же словом называли отрезок прямой, соединяющий центр шара и какую-либо точку на окружности. Отсюда и слово «радиаре» — испускать лучи, и «радиацио» — лучеобразное распространение чего-либо от некоего центра.

Вернемся к структуре атома. Ответ на вопрос о его сердцевине был экспериментально получен Эрнестом Резерфордом в 1911 году. После ряда опытов, в которых изучалось рассеяние пучка тяжелых заряженных частиц на металлической фольге, Резерфорд пришел к выводу: в центре атома находится массивное, положительно заряженное ядро! Ученый заключил, что атомное ядро состоит из тяжелых (почти в 2000 раз тяжелее электрона) положительно заряженных частиц, названных им протонами. Масса ядра практически равна массе всего атома, а вокруг него непрерывно движутся легкие, отрицательно заряженные электроны, занимая в своем движении почти весь объем атома и образуя электронную оболочку. Теперь эти представления были доказаны экспериментом.

Нужно, впрочем, добавить, что еще в 1908 году А.Пуанкаре писал в своей статье: «Все опыты над проводимостью газов… дают нам основание рассматривать атом, как состоящий из положительно заряженного центра, по массе равного приблизительно самому атому, причем вокруг этого центра вращаются, тяготея к нему, электроны». Но это был вывод теоретика, вывод аналитический и непроверенный. Доказательство же физических законов и принципов организации материи способен дать лишь эксперимент. Именно поэтому отцом планетарной модели атома — первой правильной по сути модели — считается Резерфорд.

Все обычные химические реакции (горение, окисление, восстановление), происходящие в окружающем мире, в неорганической и органической природе, связаны с изменениями в структуре электронных атомных оболочек. При этом выделяется определенная, вообще говоря, небольшая энергия. В некоторых условиях атомы могут испускать и мощные электромагнитные сигналы, обнаруженные в 1895 году Вильямом Рентгеном и названные им Х-лучами. Однако главный запас энергии атома не связан с энергией электронных оболочек, он находится в его ядре.

Рентген обнаружил свечение экрана, помещенного случайно за катодной трубкой — вакуумной трубкой с впаянными электродами, и, желая защитить экран, поставил перед ним толстую книгу. Однако свечение экрана продолжалось! Оно «глушилось» только пластинками свинца и платины, легко проникая сквозь стекло, бумагу, живую ткань. Позднее стало понятно, что Х-лучи Рентгена — это поток высокоэнергетических электромагнитных квантов — фотонов. Менее чем за два месяца ученым были изучены практически все основные свойства открытых им лучей, включая также их применение в медицине. За свое открытие Рентген получил в 1901 году самую первую в истории науки Нобелевскую премию.

После открытия Джоном Чедвиком в 1930 году нейтронов — электрически незаряженных частиц с массой, почти точно равной массе протона — резерфордовская планетарная модель ядра была усовершенствована. Выяснилось, что в состав ядра входят и протоны, и нейтроны, связанные вместе мощными ядерными силами. Сильное взаимодействие внутриядерных частиц и обеспечивает огромный запас энергии в ядрах атомов. Именно ядра не только хранят всю энергию, но и определяют химическую индивидуальность атомов. Итак, вокруг ядра атома вращается Z штук электронов, в ядре же находится ровно Z протонов (так что полный электрический заряд атома равен нулю) и N нейтронов. Полная масса атома, тем не менее, меньше суммы масс Z+N штук нуклонов (так вместе называют и протоны, и нейтроны — сильное внутриядерное взаимодействие их не отличает друг от друга). Дело в том, что определенную часть внутриядерной энергии представляет собой энергия взаимодействия нуклонов. Сильное взаимодействие, сцепливающее нуклоны, быстро спадает с ростом расстояния между ними и почти незаметно уже на очень маленьких расстояниях (больших 10-13 см). Внутри же ядра сильное взаимодействие (притяжение) намного интенсивнее электромагнитного отталкивания одноименно заряженных протонов. К концу 40-х годов стало понятно, что сильное межнуклонное взаимодействие по своему характеру является обменным: быстро движущиеся нуклоны непрерывно обмениваются пи-мезонами, микрочастицами примерно в 7 раз более легкими, чем нуклоны (эта разновидность «жителей» микромира была также непосредственно обнаружена экспериментально, пи-мезоны существуют нейтральные и электрически заряженные). Так совершенствовались наши представления об устройстве атомного ядра.

В науке нет разделения на периоды изучения природы только экспериментальными методами, и периоды, специально отведенные для работы ученых-теоретиков, когда полученные результаты подвергаются анализу и осмыслению. Эффективное исследование природы возможно лишь при сочетании и взаимодополнении инструментов экспериментатора и формул теоретика. Проникновение вглубь материи, в структуру атома, а затем и атомного ядра, потребовало значительных усилий физиков, химиков, инженеров, математиков, как лабораторных экспериментов, так и размышлений над листом бумаги, исписанным математическими символами. Плодом всех этих усилий в начале 20-го века стало создание теории микромира — квантовой механики, позволяющей вычислять вероятности различных исходов в процессах с участием микрочастиц. Для микрообъектов могут быть рассчитаны только вероятности иметь, в результате измерения с помощью макроскопического прибора, определенные значения физических характеристик, например, энергии или импульса. Информацию другого рода в процессах с участием микрочастиц, в частности, электронов и нуклонов, получить невозможно — это запрещено фундаментальными принципами квантовой теории микрочастиц, полностью подтвержденной экспериментальными данными.

Термин «квантовая» здесь означает, что на уровне микромира энергия электромагнитных волн не только излучается, но и поглощается отдельными порциями — квантами.

Гипотеза о квантовом (отдельными энергетическими порциями) характере равновесного излучения абсолютно черного тела была выдвинута Максом Планком в 1900 году. Оказалось, что его формула абсолютно точно описывает экспериментально измеренный спектр излучения во всем интервале энергий. Для самого ученого, однако, его собственная идея всю жизнь казалась или слишком радикальной, или слишком наивной. Но именно Планк первым ввел в науку понятие о квантах, оказавшееся не просто плодотворным, но фундаментальным в новой физике микромира.

Благодаря же работам Альберта Эйнштейна, объяснившим на основе квантовых представлений явления фотоэффекта — закономерности, которым подчиняются электроны, вырываемые светом из вещества — стало понятно, что квантовую природу носит и процесс поглощения излучения. Эти результаты ученого по достоинству были отмечены Нобелевской премией по физике.

В дальнейшем стало ясно, что в микромире каждая частица представляет собой отдельный квант специфического поля, которое не является непрерывной средой, а разделено на отдельные порции — кванты. Так, фотон есть квант (иногда говорят «гамма-квант») электромагнитного поля, он переносит, как обычная и привычная частица, энергию и импульс. Пи-мезон — это квант пионного поля, посредством которого и осуществляется связь нуклонов в ядре. (Нужно сказать, что на сегодняшнем уровне знаний такое описание сильных взаимодействий является приближенным — дело в том, что протоны и нейтроны также представляют собой составные объекты, и взаимодействие между их элементами не так-то просто. Хотя квантово-полевой подход и в этом случае является главным инструментом теории. Это, впрочем, тема для другой книги.)

Однако и эксперименты по изучению структуры вещества никогда не прерывались. В том же начале 20-го века в исследованиях радиоактивных ядер было обнаружено явление радиоактивного распада — испускание ядром нескольких типов лучей. Поместив препарат радия в магнитное поле, излучение удалось разделить на несколько компонент. Часть исходного пучка отклонялась в одну сторону, часть в другую, таким образом, эти компоненты, названные альфа- и бета-излучением, имели различные электрические заряды. Затем Полем Вилларом в 1900 году была обнаружена и третья компонента излучения, не чувствующая магнитное поле. Ее назвали гамма-излучением.

Впервые эти опыты провели в 1900 году супруги Кюри, пытаясь найти отличия между рентгеновскими лучами и радиоактивным излучением. Первый этап эксперимента состоял в помещении пробирки с радием между полюсами магнита, затем на пути лучей ставилась тонкая алюминиевая пластина. Часть лучей задерживалась преградой, часть легко проходила сквозь нее. Оказалось, что альфа-компонента излучения, положительно заряженная, сильно поглощается веществом, вторая — бета-компонента — имеет значительно более высокую проникающую способность. Именно Мария и Поль Кюри установили, что бета-компонента излучения отрицательно заряжена и представляет собой поток чрезвычайно быстрых электронов — их скорость была близка к скорости света.

Позднее, к 1909 году, Резерфорд с сотрудниками экспериментально доказали, что альфа-излучение представляет собой поток ионов гелия, т.е. атомов гелия, у которых полностью удалены внешние электронные оболочки (кстати, в последующих опытах Резерфорда, в которых было фактически открыто существование ядер атомов, на очень тонкую золотую фольгу направлялся именно пучок альфа-частиц). Гамма-излучение оказалось потоком электромагнитных квантов очень высокой энергии, их проникающая способность еще выше, чем у рентгеновских лучей, энергия которых ниже энергии гамма-лучей.

Природа радиоактивного излучения сразу же заинтересовала исследователей, раскрыть ее удалось, однако, лишь к концу 20-х годов прошлого века. Вернемся, впрочем, ко времени открытия самого явления радиоактивности.