К . ГЛАДКОВ
ЭНЕРГИЯ АТОМА
ИЗДАТЕЛЬСТВО
ДЕТСКАЯ ЛИТЕРАТУРА
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ.
ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ
Книга лауреата Государственной премии СССР К. А. Гладкова «Энергия атома» получила всеобщее признание во многих странах мира как своеобразная популярная энциклопедия знаний об атоме и его энергии. Впервые она была опубликована нашим издательством в 1958 году для школьников старшего возраста. С исключительной полнотой и наглядностью в ней рассказывается о том, что такое энергия атома, каким путем ее удалось высвободить и поставить на службу людям и что она сулит человечеству в ближайшем и более отдаленном будущем. В 1959 году эта книга была отмечена первой премией на Всесоюзном конкурсе Министерства просвещения РСФСР как лучшая научно-популярная книга для детей. А в 1965 году на Международном конкурсе в Брюсселе книге К. А. Гладкова «Энергия атома» была присуждена премия «Ружэ Вер», учрежденная ассоциацией учащихся средних учебных заведений и Королевским лицеем Бельгии, как лучшей научно-популярной книге года. При этом подчеркивалась ее «мирная направленность на благо человечества». Для настоящего издания содержание книги значительно переработано и дополнено новыми материалами.
НА ПОРОГЕ ВЕЛИКОГО ОТКРЫТИЯ
МЕЧТА О НЕВОЗМОЖНОМ
Конец XIX и начало XX веков были исключительно богаты головокружительными открытиями и изобретениями.
Этот стремительный расцвет знаний сопровождался столь же бурным потоком научно-фантастических повестей и рассказов, в которых делалась попытка предугадать дальнейшее развитие науки и техники человеческого общества или хотя бы только наметить далекие, но страстно желанные перспективы.
Здесь мы встречаем все, о чем когда-либо мечтал человек: гигантскую подводную лодку-дворец, с невиданной скоростью бороздящую моря и океаны нашей планеты и способную пройти к полюсу даже под тысячекилометровым ледовым покровом, летательные аппараты самых удивительных конструкций, способные без остановки переносить человека с континента на континент и вокруг земного шара; ракеты, несущие отважных исследователей к другим мирам Вселенной; аппараты, позволяющие вести разговор на далекие расстояния без проводов и при этом видеть своего собеседника.
Люди находят чудесные препараты, позволяющие в ничтожно короткое время выращивать безобидных кроликов в гигантов, и, наконец, таинственное химическое вещество, одна спичечная коробочка которого позволяет получать такое количество энергии, которого вполне хватило бы для того, чтобы в течение нескольких лет приводить в движение большой корабль, и многое другое.
Последующее развитие науки и техники во многом обогнало пылкую фантазию писателей, мечты и догадки самых смелых ученых.
Мы давно уже без волнения говорим об огромных многомоторных самолетах, способных облететь без посадки больше половины земного шара и поднимающих 720 человек или 80 т полезного груза, о настоящих подводных крейсерах. Гордимся и широко пользуемся радио — гениальным изобретением русского ученого А. С. Попова. В наших жилищах наряду с тысячами привычных предметов стоят телевизионные приемники, дающие возможность видеть на расстоянии.
За это время были найдены новые источники энергии, позволяющие создать совершенно иные типы двигателей, многократно удлинить радиус действия самолетов, пробег автомашин, с невиданной скоростью перебрасывать на тысячи километров многотонные ракеты и даже посылать их на Луну, Венеру, к Марсу, вокруг Солнца!
Были изобретены самые разнообразные взрывчатые вещества, при помощи которых небольшой снаряд легко пронизывает толстую броню.
И только нарисованный фантазией писателей крошечный источник почти неисчерпаемой энергии, несмотря на усилия целой армии ученых, все еще оставался недосягаемой мечтой.
В течение многих тысячелетий развития, встречаясь на каждом шагу своей повседневной жизни с самыми разнообразными веществами и их преобразованиями, человек накопил опыт извлечения из них энергии. И этот опыт однозначно говорил, что какие бы невероятные превращения вещества ни претерпевали, энергия, выделяющаяся при таких превращениях, не может быть очень большой. Даже при взрыве ее выделяется сравнительно немного.
Ценой огромного труда пробила себе дорогу основанная на множестве фактов и открытий химия — строгая и стройная наука о свойствах и превращениях веществ, увенчанная периодической системой элементов гиганта русской научной мысли Д. И. Менделеева.
Что происходит, когда взрывается порох.
Эта наука, казалось бы, с исчерпывающей полнотой, не допускающей никаких иллюзий, установила, что при всех химических преобразованиях веществ окружающей нас природы, которые сопровождаются выделением энергии, всегда и неизменно происходит превращение некоторых сложных веществ в простые и обратно.
Горение обычного черного пороха представляет собой бурную, почти мгновенную химическую реакцию между двумя молекулами калийной селитры, атомом серы и тремя атомами углерода, в результате чего получается одна молекула сернистого калия, одна молекула азота и три молекулы углекислого газа.
Подсчет энергии, выделяемой при всех этих химических реакциях даже в их самых бурных формах, показывал, что до свойств чудесной коробочки еще недосягаемо далеко и, видимо, ей так и суждено оставаться самой бесплодной из всех человеческих мечтаний.
И действительно, килограмм самого лучшего в мире топлива позволял самому маленькому локомотиву проехать несколько сот метров, автомобилю — 10—12 км; килограмм самого мощного взрывчатого вещества мог выбросить килограммовый снаряд на 10—15 км.
Чтобы двигались поезда и корабли, летали самолеты, стреляли гигантские орудия, надо было просто использовать большое количество топлива: тысячи тонн угля, сотни тонн нефти, десятки тонн бензина, сотни килограммов пороха или динамита.
Периодическая система элементов Д И. Менделеева.
За все века борьбы человека с природой он ни разу не был свидетелем такого чуда, чтобы печь в течение долгого зимнего вечера согревала его жилище одной щепкой или чтобы можно было выиграть многодневное сражение горстью простого пороха.
И все-таки идея о возможности получения неисчерпаемой энергии, заключенной в ничтожно малом количестве вещества, жила в тайниках мысли не только писателей-фантастов, но и многих ученых, издавна стремящихся проникнуть в тайны строения вещества окружающей природы.
„ПУДИНГ С ИЗЮМОМ"
Прежде чем продолжать наше повествование, попробуем бегло посмотреть, что было известно о строении вещества на пороге XX века.
С большой достоверностью было установлено, что все бесконечное разнообразие окружающей нас природы, как мертвой, так и живой, состоит из различных комбинаций относительно небольшого количества основных химических элементов, начиная от самого легкого — водорода и кончая самым тяжелым — ураном. Из известных сейчас элементов к тому времени были открыты еще не все.
Некоторые из этих элементов встречаются в природе в чистом виде, например: серебро, золото, углерод, медь и др., а подавляющее большинство остальных — в смеси или в соединениях с другими элементами.
Было установлено, что атом является мельчайшей, а следовательно, и неделимой частицей какого-либо химического элемента.
Самой маленькой частицей любого вещества, состоящего из одного или нескольких элементов, которое все еще сохраняет свойства этого вещества, считалась молекула. При делении молекулы она распадается на составляющие ее атомы, и тогда свойства первоначального вещества уже утрачиваются.
В результате любых, даже самых сложных, химических реакций и преобразований в лучшем случае можно было добиться только выделения чистых химических элементов или же создания из них новых сложных комбинаций.
Поскольку золото является одним из таких элементов, его атомы при любых химических преобразованиях остаются неизмененными. Вот почему все попытки средневековых алхимиков превратить одни элементы в другие, в частности ртуть или свинец в золото, оказались безрезультатными.
Развитие науки об электричестве привело сначала к понятию о «зернистости» электричества, а затем к революционному открытию известным английским физиком Д. Томсоном в 1897 году мельчайшей частицы отрицательного электричества — электрона, или, как его тогда называли, атома электричества.
Вскоре Р. Милликену (США) удалось определить массу (вес) электрона. Она оказалась равной 9,10904 · 10-28 г, в 1836 раз легче атома водорода — самого легкого из всех известных элементов.
Ученые предполагали, что неделимый атом состоит как бы из сферы, равномерно заряженной положительным электричеством. В эту сферу и вкраплены электроны. «Что-то вроде пудинга с изюмом», как однажды выразился Д. Томсон, предложивший в 1898 году такую модель строения атома. Сумма всех отрицательных зарядов электронов атома всегда равна величине положительного заряда всей сферы, то есть в целом атом нейтрален, и лишь потеря им одного или нескольких электронов приводит к образованию положительно заряженного атома, или, как его называют иначе, положительного иона.
Так представлял себе в 1898 году строение атома английский физик Д. Томсон.
Таково, за некоторыми исключениями, было представление о строении атома к концу XIX века, причем в нем наряду с известной стройностью многое еще было неясным. Что представляет собой, кроме электрона, остальная положительно заряженная масса атома? Нет ли в атоме положительных частиц, подобных электронам? Все эти вопросы оставались неразрешенными.
Так вот, среди этой по тому времени гармонически построенной системы вдруг было обнаружено вещество, которое вело себя совершенно по-иному, чем все остальные известные людям вещества. Оно не подчинялось, казалось бы, незыблемым законам, обязательным для всей остальной материи, и шло вразрез с общепринятым представлением о неделимости атомов.
ОШИБКА АНРИ БЕККЕРЕЛЯ
Это «вдруг» случилось в самом начале 1896 года. Всего за несколько месяцев до этого известный немецкий ученый В. Рентген сделал поразительное открытие, навеки обессмертившее его имя, — он открыл лучи, которые теперь всем известны под названием рентгеновых.
Эти лучи свободно проходили сквозь бумагу, дерево, человеческое тело и даже сквозь тонкие металлические листы. Освещенная в темноте невидимым излучением фотографическая пластинка чернела, как под лучами солнечного света.
Опыт, который привел к открытию рентгеновых лучей.
Сотни ученых во всех странах мира стали лихорадочно повторять опыт Рентгена, изучать эти новые лучи и связанные с ними явления.
В первой трубке, которой пользовался Рентген, таинственные всепроникающие лучи исходили из одного определенного ее участка. Когда трубка работала, то против этого участка на стекле появлялось маленькое пятно, светившееся холодным зеленовато-желтым светом. Объяснить причину появления этого свечения ни сам Рентген, ни другие ученые не могли.
Явление свечения некоторых веществ под действием солнечного света, так называемая флюоресценция, в науке было известно давно, и им на протяжении многих лет усиленно интересовался французский физик Анри Беккерель.
Явная флюоресценция стекла в трубке Рентгена привлекла внимание Беккереля, и он, ознакомившись детально с работой трубки, пришел к убеждению, что это свечение как раз и есть истинная причина испускания новых лучей. А раз так, то и все другие светящиеся вещества должны испускать такие же или подобные лучи — одни слабее, другие сильнее. Просто до Рентгена никто не занимался этим и связи между этими явлениями не замечал.
Рентгеновы лучи, пройдя сквозь непрозрачное тело, впервые оставили свой след на фотографической пластинке.
Желая проверить правильность своих умозаключений, Беккерель в одном из опытов положил на фотографическую пластинку, тщательно завернутую в несколько слоев черной бумаги, кусок первого попавшегося ему под руку флюоресцирующего вещества, свечение которого под действием солнечного света было особенно сильным.
Если верить предположению, что флюоресцирующее вещество, освещенное ярким солнечным светом, не только светится видимым светом, но еще и испускает невидимые глазу всепроникающие рентгеновы лучи, то эти лучи, несомненно, пройдут через слои черной бумаги и засветят фотографическую пластинку. Если же рентгеновых лучей нет, на пластинке ничего не отпечатается — от всех видимых лучей света она прекрасно защищена многослойной оберткой из черной бумаги.
Взятое наугад и выставленное на солнце флюоресцирующее вещество оказалось двойной сернокислой солью урана и калия.
Опыт удался как никогда. Проявив через несколько часов пластинку, Беккерель обнаружил на ней ясный отпечаток куска соли урана. Повторив опыт несколько раз. Беккерель уже подготовил к опубликованию статью о своем открытии. Но щепетильность и строгая недоверчивость ученого к результатам своих опытов, особенно успешных, взяла верх, и Беккерель решил, тщательно проверяя малейшие детали, повторить их снова.
Кусочек соли урана оказался способным оставлять на фотографической пластинке такие же следы, как и лучи Рентгена.
Колоссальной важности научного открытия не произошло бы еще долго, если бы торжествующий Беккерель ограничился только первой серией опытов, казалось бы, полностью и исчерпывающе подтверждающих его догадку.
Как назло, наступили пасмурные дни, солнце не появлялось из-за свинцовых туч. Приготовленный пакетик с пластинкой и кусочком соли на нем пришлось положить в стол. Через несколько дней Беккерель решил на всякий случай проявить эту пластинку. К его изумлению, изображение соли урана отпечаталось еще резче и яснее, чем в первых опытах, хотя никакой флюоресценции урана в темном ящике стола, да еще в пасмурные дни, быть не могло.
Нескольких дополнительных опытов оказалось достаточно, чтобы бесспорно установить, что двойная сернокислая соль урана и калия, независимо от того, флюоресцирует ли она под воздействием солнечных лучей или находится в темноте, испускает невидимые глазу лучи, по своему действию сходные с лучами Рентгена.
Так 26 февраля 1896 года было открыто для человечества новое физическое явление — излучение солями урана невидимых сильнопроникающих лучей, похожих на лучи Рентгена.
Этому явлению и было суждено стать отправным пунктом всей новой физики XX века.
