Первооткрыватели. 100 научных сказок

Мощный поток нейтронов обрушивается на ядра железа и других элементов из середины таблицы Менделеева, накопившихся в звезде к концу её жизни. И вот ядро железа получает в свои внутренности один «лишний» нейтрон, второй, третий… И если «лишние» нейтроны успеют претерпеть радиоактивный распад и превратятся в протоны, ядро изменит свой заряд, химические свойства и место в таблице Менделеева. Так из железа получается тяжелое ядро из конца менделеевской таблицы, например уран. При взрыве звезды разных изотопов урана образуется примерно поровну. Когда вспышка Сверхновой прекращается, выброшенные облака разлетаются по всем уголками космоса и остывают, оседая в местах, где формируются новые небесные тела, в том числе наше Солнце с Землей и другими планетами. Так уран с других звёзд попал в Солнечную систему. Поскольку уран нестабилен, со временем его на Земле становится все меньше, причём более короткоживущего урана-235 почти совсем не осталось, только 0,720 %! И такая доля 235-го изотопа наблюдается во всех урановых рудах на Земле, а также в образцах лунного грунта и метеоритах. Данная величина зависит только от космической истории нашей Солнечной системы.

Со временем на Земле появились любознательные люди, которые по соотношению оставшихся изотопов урана и продуктов их распада смогли оценить возраст родной планеты. Они открыли, что, если стукнуть по ядру урана нейтроном, оно может развалиться на два осколка – ядра из середины таблицы Менделеева. Но такие дочерние ядра связаны крепче, чем ядро урана (по этой причине термоядерное горение в звездах не идет дальше железа), поэтому при делении урана будет выделяться излишек энергии! Крошечная доля энергии взрыва Сверхновой, запасенная когда-то в ядрах урана, может сейчас послужить нам на Земле! Тепло, выделяемое урановыми стержнями в атомном реакторе, нагревает воду, превращая её в пар, вращающий турбины электростанции (в этом смысле атомная электростанция отличается от тепловой лишь источником тепла). Когда люди овладели энергией деления ядер, они впервые смогли использовать энергию, рожденную не на Солнце, потому что все остальные источники энергии: нефть, газ, уголь и дрова – представляют собой энергию Солнца, аккумулированную в горючем материале, накопленном в течение долгой истории Земли.

Для работы атомной электростанции нужен, главным образом, 235-й изотоп урана. Его ядра более нестабильны, то есть соединены слабее, чем ядро урана-238; такое ядро можно поделить медленным нейтроном, причем с большой вероятностью. Быстрые нейтроны способны вызывать деление ядер и 235-го, и 238-го изотопов, но вероятности таких процессов малы.

Чаще всего природный уран перед загрузкой в реактор обогащают, специальным образом отсеивая часть атомов 238-го изотопа.

– Теперь вы понимаете, почему содержание 235-го изотопа в природном уране так важно?

– Понимаем! – ответил за двоих Андрей. – Но мы не понимаем другое: почему ядро урана-235 можно разделить медленным нейтроном, а 238-го нельзя? И почему вероятность поделить ядро медленным нейтроном больше, чем быстрым?

– Чтобы ответить на эти вопросы, наша сказка должна растянуться как минимум на полгода, – улыбнулся профессор Хао. – В этом случае она будет называться «Курс ядерной физики».

– Но скажите хотя бы, откуда берутся нейтроны для деления ядер урана? Ведь Сверхновая поблизости не взрывается!

– Это просто. При делении каждого ядра урана вылетает два или три новых нейтрона, и их можно использовать для того, чтобы вызвать деление соседних ядер. То есть сами ядра урана при развале порождают нейтроны, которые используются для развала других ядер. Это называется цепной ядерной реакцией.

Профессор сделал вопросительную паузу, но новых детских вопросов не последовало.