Наука и удивительное - Страница 42

Основной процесс ядерного горения, т. е. образование больших ядер из меньших — углерода из гелия, гелия из дейтронов, называется ядерным синтезом, или слиянием. Существует еще один процесс, в котором можно получать ядерную энергию, — это деление тяжелых ядер. Он не очень важен для понимания процессов, происходящих во Вселенной, так как в природе он встречается очень редко. Однако недавно человеку удалось использовать его как для получения энергии в ядерных реакторах, так и для собственного истребления в атомных бомбах.

Ядерные силы, как мы видели, удерживают протоны и нейтроны в ядре. Но есть и разрушающая ядро сила, а именно сила электрического отталкивания между протонами. Во всех существующих ядрах эффект связывания ядерными силами больше действия разрушающей силы электрического отталкивания. В противном случае ядра не существовали бы. Но радиус действия ядерных сил очень мал; они проявляются только при очень малых расстояниях между частицами ядра, тогда как силы электрического отталкивания действуют на больших расстояниях. Если разделить ядро таким образом, чтобы две его части были разделены промежутком, хотя и малым, но превосходящим радиус действия ядерных сил, то эти части уже не будут притягиваться, а разлетятся под действием сил электрического отталкивания.

Обычно ядро «расщепить» очень трудно, но некоторые из очень тяжелых ядер, например ядро одного из изотопов урана или ядро искусственно приготовленного элемента плутония, почти готовы распасться сами по себе. Удара одного нейтрона достаточно, чтобы разбить ядро на две половинки, не соединенные друг с другом. Они разлетаются с большой энергией, нагревая всю окружающую их среду до высокой температуры. Это и есть процесс деления. Он идет так энергично, что при делении из ядра выбиваются один или два нейтрона, которые играют очень важную роль. В большом блоке материала, способного делиться, для возникновения реакции достаточно одного нейтрона.

Один нейтрон расщепляет первое ядро, выбитые нейтроны вызывают расщепление следующих ядер и т. д. до тех пор, пока не расщепится большая часть делящегося материала. Этот процесс мы называем цепной реакцией. Он может происходить только в блоке столь большого размера, чтобы выбитые вторичные нейтроны не вылетали из него, не успев расщепить другое ядро. Минимальный размер блока называется критическим; обычно это несколько килограммов материала. При ударе одного нейтрона в любом объеме делящегося материала, превышающем критический, развивается цепная реакция и возникает огромное количество энергии. Атомные реакторы — это устройства, в которых количество делящегося материала точно равно критическому (рис. 47).

Рис. 47. Схема брукхэвенского ядерного реактора.

Рис. 48. «Гриб», образующийся при взрыве атомной бомбы.

Две половинки ядра, полученные при делении, сами являются меньшими ядрами с аномальным отношением числа протонов к числу нейтронов. В большинстве случаев они содержат избыток нейтронов и поэтому радиоактивны. Вот почему ядерный реактор производит так много радиоактивных веществ.

«Квантовая лестница»

Рассмотрим теперь с более общей точки зрения то, что мы узнали о строении вещества. Поучительно взять специальный пример, в качестве которого мы выберем газ, состоящий из атомов. Большинство газов состоит из молекул, но некоторые элементы, например неон, натрий и литий, лишь с трудом образуют молекулы в газовой фазе. Эти атомарные газы известны нам по их применению в источниках света. Так называемые неоновые трубки, которые украшают наши улицы, наполнены атомами в газовой фазе: неоном, парами натрия или лития; каждая из них светится своим цветом, когда в трубке происходит электрический разряд. Все эти газы состоят из свободных атомов.

Допустим, что в трубке находятся пары натрия. При выключении тока температура газа совпадает с температурой окружающей среды. При этой температуре энергия теплового движения атомов составляет около 1/30 эв, что значительно меньше порога устойчивости атомов натрия. Поэтому, когда атомы сталкиваются друг с другом или со стенками, они отскакивают, как твердые бильярдные шары, не меняя своего квантового состояния. При этих температурах атомы ведут себя, как элементарные частицы: они не проявляют никакой внутренней структуры. Их электронные конфигурации остаются неизменными; все атомы совершенно одинаковы.

Повысим теперь температуру газа, возбудив в трубке электрический разряд. Когда энергия, переданная атомам разрядом, начинает превосходить предел устойчивости, возбуждаются другие квантовые состояния, кроме основного. Возвращаясь в наиболее низкое квантовое состояние, атомы испускают характеристическое излучение; так, атомы натрия дают желтый свет, атомы лития — красный. На этом различии характерных цветов основано разнообразие городских огней. Возбуждением атомов в высшие квантовые состояния начинается нарушение тождественности атомов. Уже не все атомы оказываются одинаковыми, одни из них находятся в основном состоянии, другие — в различных возбужденных состояниях.

Теперь повысим температуру так, чтобы энергия столкновения атомов начала значительно превышать предел их устойчивости и чтобы электроны совсем оторвались от атомов. Тогда все квантовые состояния разрушатся и электроны будут двигаться, как частицы, без характерных волновых картин. Газ переходит в состояние плазмы, где электроны и ядра движутся весьма стремительно и беспорядочно. Нельзя найти даже две одинаково движущиеся частицы; свет, испускаемый плазмой, не имеет характеристических частот — это обычное тепловое излучение. Однако атомные ядра и электроны все еще сохраняют свою индивидуальность и тождественность. Они представляют собой элементарные частицы плазмы.