Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами

Что служит топливом для топлива?

Чтобы сблизить атомы, нужно приложить действительно большие усилия. И чем сильнее вы их сближаете, тем это труднее. Если с достаточной силой сжать пар, можно получить воду. Если сжимать ее дальше, то можно получить лед. Если точно так же постепенно сжимать необозримое множество атомов углерода, водорода и кислорода, то в конце концов можно получить необходимые нам нефть, каменный или древесный уголь. Заключенная в этом топливе энергия, которую вы высвобождаете, когда сжигаете эти субстанции, является как раз той самой энергией, которая пошла на сближение в них атомов для создания молекул углеводорода. Изготавливать это топливо своими руками бессмысленно: нам вернулось бы ровно столько энергии, сколько мы в него вложили. К счастью, топливо для нас создает природа: энергия Солнца, естественных сжатий и естественного тепла внутри Земли. Так что мы получаем энергию от природы, не прикладывая усилий к ее производству.

То, что верно для молекул, верно и для атомов. Теоретически вы можете создать атом, объединив в пространстве его составляющие (протоны, нейтроны и электроны). Для этого потребуется гигантское количество энергии, но вы сможете получить ее обратно. Этот процесс мы называем ядерным синтезом (здесь атомы создаются из своих составных частей). Аналогичным образом, только разделив атомы, вы можете добиться высвобождения колоссального объема энергии. Никто не подозревал ни о чем подобном до начала XX века. Первый ключ к разгадке этой великой тайны природы подобрал Альберт Эйнштейн, когда в 1905 году сформулировал свое бессмертное уравнение Е = mc². Скорость света – это огромное число (300 000 000, а точнее 299 792 458 м/с), а скорость света в квадрате и вовсе невообразима (90 000 000 000 000 000 м²/c²). Так что даже небольшая масса (m) создаст гигантское количество энергии (Е). Всё это звучит достаточно сухо и абстрактно до тех пор, пока вы не вспомните эффект, произведенный первым высвобождением ядерной энергии. Две относительно небольшие (около 3 м в длину) атомные бомбы в 1945 году стерли с лица земли города Хиросиму и Нагасаки. Такой вариант высвобождения атомной энергии называется расщеплением ядра (при этом происходит деление атома). Через 50 лет после тех трагических событий многие из нас используют электроэнергию, которую вырабатывают электростанции путем разделения атомов. Разве это не удивительно!

Сколько нужно атомов, чтобы зажечь электрическую лампочку?

Представьте себе, что мы берем 1 г урана (сверхтяжелый элемент, который используется в качестве топлива в АЭС) и разделяем все его атомы, чтобы получить энергию. Если бы мы делали это каждую секунду, то в результате ежесекундно получали бы 100 ГВт мощности. Сегодня крупная АЭС имеет мощность порядка 2 ГВт. Таким образом, 1 г урана дает нам мощность примерно 50 АЭС[93].

Причина в том, что на практике атомные электростанции используют немного уранового топлива, причем медленно. С другой стороны, чтобы зажечь 10-ваттную лампочку, необходимо ежесекундно разделять 300 млрд атомов урана.

Огромные числа. Но ничего удивительного. Атомы, как мы всегда знали, представляют собой исключительно микроскопические объекты природы.