Люди и атомы

За одну секунду пятидесятиваттная лампочка потребляет количество электричества, равное заряду трех миллиардов миллиардов электронов, т. е. три миллиарда миллиардов атомов электричества!

Нейтрон — единственный компонент атомного ядра, который не несет электрического заряда. В силу своей электрической нейтральности, что, кстати, видно из его названия, нейтрон имеет наибольшую проникающую способность из всех частиц в природе. Именно эта способность нейтрона проникать сквозь плотный электрический барьер, ограждающий ядра атомов, дала человеку ключ к атомному ядру и позволила расщепить на части ядро урана-235. Как мы уже знаем, именно нейтрону мы обязаны наступлением атомного века.

Говоря о протонах и нейтронах, надо всегда помнить о двух важных моментах. Первое — это то, что нейтроны и протоны могут переходить друг в друга. При определенных условиях протон теряет свой положительный заряд, излучая положительно заряженный электрон (позитрон), и превращается, таким образом, в нейтрон. Точно так же при возбуждении нейтрон теряет отрицательно заряженный электрон и превращается в протон.

Последний процесс используется для превращения не- расщепляемого урана — урана-238 — в плутоний и тория— в расщепляемый уран — уран-233. Вековая мечта алхимиков — превращение одних элементов в другие — становится возможной благодаря способности протонов переходить в нейтроны и наоборот.

Вторым чрезвычайно важным моментом, имеющим принципиальное значение для правильного понимания природы атомной энергии, является то, что каждый протон или нейтрон, находясь в ядре атома, весит меньше, чем в свободном состоянии, вне его. Потеря в весе компенсируется количеством энергии, необходимым для связи протона или нейтрона с другими частицами ядра.

Эта потеря в весе постепенно возрастает для элементов первой половины периодической системы и достигает своего наибольшего значения для ядра серебра, 47-го элемента, после чего постепенно уменьшается.

Следовательно, соединив два элемента, порядковый номер которых меньше серебра, получим новый элемент, протоны и нейтроны которого потеряют в весе, если его ядро легче ядра серебра, и увеличатся в весе, если оно тяжелее серебра.

При соединении любого элемента тяжелее серебра с другим элементом справедливо обратное положение. Например, если криптон и барий (ядра которых имеют соответственно 36 и 56 протонов) соединить в уран (92 протона в ядре), то вес протонов и нейтронов уранового ядра увеличится.

С другой стороны, при расщеплении уранового ядра на ядра криптона и бария каждый их протон и каждый их нейтрон потеряют в весе.

Увеличение веса всегда означает потерю в энергии, а потеря в весе — соответствующее приобретение в энергии, что находится в точном соответствии с формулой Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии. Потеря в весе характеризует количество энергии, связывающее протон с протоном, нейтрон с протоном и нейтрон с нейтроном.

Таким образом, ядерная энергия может быть высвобождена двумя диаметрально противоположными способами. Первый—это деление, т. е. расщепление ядра тяжелого элемента на ядра двух более легких элементов. Второй — синтез, или соединение ядер двух легких элементов в одно ядро более тяжелого элемента. Как при расщеплении, так и при синтезе конечные элементы легче, чем исходные. А потеря массы проявляется в высвобождении громадного количества ядерной энергии.

Практически синтез в условиях Земли возможен только для двух изотопов водорода — дейтерия и трития, а расщепление — только для одного естественного элемента, урана-235, и двух искусственных элементов — урана-233 и плутония.

Итак, при синтезе двух легких атомов в один более тяжелый один плюс один дает меньше двух, а половина от двух — больше чем один.

Напротив, при расщеплении тяжелых элементов один плюс один дает больше двух, а половина от двух — меньше чем один. Такой сумасшедшей арифметикой приходится пользоваться, чтобы понять фантастический мир атомного ядра.

Формула Эйнштейна показала, что и массу, и энергию можно создавать и разрушать, но только в том смысле, что масса может превращаться в энергию и энергия в массу.

При горении угля в тепловую энергию превращается микроскопическое количество — треть миллионной части грамма на килограмм, т. е. треть миллиардной части всей сжигаемой массы. При этом не уничтожается ни одного атома, но каждый атом в процессе горения теряет треть одной миллиардной части своей первоначальной массы, которая и превращается в тепло.

При расщеплении урана в энергию превращается до тысячной части всей расщепляемой массы, что в три миллиона раз больше массы, превращаемой в энергию при сгорании угля. И в этом случае не уничтожается ни одного протона или нейтрона, но каждый из 92 протонов и 143 нейтронов теряет одну тысячную часть массы, которой он обладал до расщепления.