Энергия атома - О страшных теориях

О «СТРАШНЫХ» ТЕОРИЯХ
ПОЧТИ ВСЕ СНАЧАЛА

До сих пор мы излагали лишь факты, которые, постепенно складываясь один к другому и нарастая, как снежный ком, привели ученых к пониманию многих тонких особенностей строения вещества и позволили нащупать огромные запасы энергии, скрытые внутри атома.
Ядра атомов химических элементов, казавшиеся ранее простейшими и пассивными «кирпичиками», из которых построен весь окружающий нас материальный мир, на самом деле оказались сложенными из еще более мелких, движущихся с огромными скоростями и обладающих большой энергией частиц. Многие из этих частиц, несмотря на гигантские по величине силы взаимного отталкивания, собраны и удерживаются вместе еще более чудовищными внутриядерными силами, подобными силе колоссальной пружины.
И хотя происхождение и истинная природа этих необычных, ранее неизвестных сил еще сколько-нибудь точно и достоверно не выяснены, ученые все же не только сумели войти в соприкосновение с ними, но и нащупали кое-какие способы «спустить их с цепи».
Было бы неверно думать, что все эти поиски шли слепо, без путеводной нити, без теории. Как раз наоборот. Именно глубочайшие теоретические изыскания каждый раз подсказывали ученым направление этих поисков, объясняли, почему именно так, а не иначе протекали или должны были протекать многие из обнаруживаемых в микромире удивительных и необычных процессов.
Любая теория или идея, каждое представление о природе в конечном счете основаны на экспериментальных данных, на том, что действительно происходит в природе.
В свою очередь, практика, опыт являлись той питательной средой, в которой вырастали и развивались, а иногда чахли и отмирали те или иные научные гипотезы и теории.
Естественно, что, встречаясь с непонятными, порой противоречащими здравому человеческому смыслу явлениями, теория иногда заводила и в дебри голого фантазирования, особенно когда практика ставила теорию в тупик (что случалось, кстати, не так уж редко). Но именно научная практика заставляла теорию совершенствоваться, и она же в конце концов убедительно опровергала и заставляла ученых отбрасывать в сторону отжившие или слишком скороспелые и малообоснованные теории.
И как бы нам ни хотелось продолжать дальнейшее объяснение событий, приведших человека к первым успехам в высвобождении атомной энергии, привычными понятиями, образами и сравнениями, — для правильного понимания и верного представления физических процессов, происходящих в мире атомных ядер, нам необходимо коснуться и некоторых вопросов теории, а в связи с этим и вернуться немного назад, к тому, что мы знаем о частицах, массе, волнах, электрических зарядах и свете.

ЧАСТИЦЫ-ВОЛНЫ И ВОЛНЫ-ЧАСТИЦЫ

Открытие радиоактивности знаменательно еще и тем, что дало ученым столько новых данных и фактов, что на их основе уже можно было создавать более совершенные и строгие теории строения вещества и, в частности, объяснить существование огромной энергии, скрытой в недрах ядра атома. Наличие этой энергии подтверждалось всеми без исключения опытами, но существование ее не в состоянии была объяснить старая, так называемая классическая физика.
До этого, например, считалось, что энергию можно передавать двумя совершенно отличными один от другого путями или в результате движения частиц (корпускул), или посредством волн-колебаний, возбуждаемых в определенной материальной среде.
На первых порах радиоактивное излучение, казалось бы. подтверждало подобное деление. Альфа-лучи оказались частицами — заряженными положительно ядрами атомов гелия, бета-лучи — электронами, отрицательно заряженными частицами, движущимися с очень большой скоростью. И только гамма-лучи оказались действительно лучами — электромагнитными волнами очень короткой длины, еще более короткой, чем у рентгеновых лучей.
Однако по мере развития физических исследований стало очевидно, что проводить прежнее деление излучения на частицы и волны с каждым годом становится все труднее и труднее. В одних опытах электромагнитные волны со всей очевидностью ведут себя как частицы, в других, наоборот, частицы проявляют ярко выраженные волновые свойства.
В силу этого в физике пришлось говорить о дуализме — двойственности природы частиц и волн.
По представлениям классической физики, частица — это материальное тело, ограниченное определенным пространством и обладающее инерцией — способностью как бы сопротивляться всяким попыткам привести его в движение или изменить его скорость или направление, если оно движется.
Мерой такой инерции считалась масса частиц. Единицей массы в системе физических измерений служит грамм.
Одной из наиболее обычных форм энергии является энергия движения— кинетическая энергия, служащая мерой того, какой величины силу, на протяжении какого пути надо приложить к телу, чтобы привести его, в движение или остановить. Чем быстрее движется тело, тем больше его кинетическая энергия.
По законам классической механики, любое движущееся тело обладает запасом кинетической энергии, равной половине произведения его массы на квадрат скорости, по формуле:

где т означает массу; υ — скорость движения тела или частицы.
В результате очень тонких и точных опытов ученым удалось определить заряд, а затем и массу такой легкой частицы, как электрон. Она оказалась равной 9,11 · 10-28 г. Но определить точные размеры электрона или его местоположение в атоме в любой данный момент оказалось невозможным.
Дело в том, что в мире столь крошечных, но очень быстро движущихся частиц любая попытка обнаружить или измерить их приводит к тому, что частица неминуемо вступает во взаимодействие с вторгнувшимся в этот мир измерительным прибором. Под этим термином мы подразумеваем любой физический способ внешнего воздействия: прибор, инструмент, вещество, свет, тепло, электрическое и магнитное поля и т. д.
В результате такого вторжения частица меняет свойства, порой даже очень резко: скорость, направление движения, энергию, и прибор покажет не фактические свойства таких частиц до опыта, а то, что получается в результате их взаимодействия с измерительным прибором.
В этих случаях, чтобы иметь суждение об истинных свойствах частиц, необходимо принимать во внимание и их взаимодействие с прибором каким бы сложным и многообразным оно ни было. И чем точнее удается установить и вычислить это взаимодействие, чем чаще оно повторяется, тем вернее мы познаем истинные свойства частиц. Но это очень и очень условное допущение, позволяющее избежать опасного тупика. Ведь электрический заряд, а следовательно, и его носитель — электрон до сих пор еще для физики остаются загадкой. Если представить себе электрон (это относится не только к электрону, но и к любой другой заряженной частице) в виде конечной системы, сосредоточенной в пределах сколь угодно малой области пространства, то естественно считать, что и его заряд также распределен по этой области. Но если это так, то почему различные участки заряда, составляющего частицу, взаимно не отталкиваются и не приводят к расщеплению частицы на более мелкие части, а те, в свою очередь, на еще более мелкие доли?
В физике микрочастиц ученым волей-неволей пришлось выводить какие-то средние, приближенные размеры частиц, угадывать или предсказывать их положение или свойства, основанные на большом числе внешних вторжений — попыток что-то измерить. При этом каждое вторжение застает частицу в какой-то иной фазе ее истинного положения или движения. Взятые все вместе, такие вторжения дают только приближенное представление об истинных свойствах частиц.
Поэтому в тех случаях, где это не приводит ни к каким более глубоким противоречиям, электрон условно можно считать материальной точкой, которая, как в геометрии, не имеет размера.

ПАРАДОКСЫ ВОЛНОВОГО ДВИЖЕНИЯ

Ударяясь о какое-либо препятствие, неподвижное или перемещающееся, движущаяся частица отдает ему всю или часть своей кинетической энергии. На основании повседневного опыта людей этот процесс можно понять сравнительно легко. Значительно труднее представить себе передачу энергии при волновом движении.

Зависимость между числом колебаний в секунду и длиной волны.
Самый простой вид волнового движения — волны на поверхности воды. Нам, например, кажется, что после падения камня в пруд вода с большой скоростью устремляется во все стороны от центра возмущения. Однако она не затопляет берегов и не оставляет в месте падения камня зияющей ямы. Плавающие на поверхности пруда щепки или пробки не устремляются к берегу вслед за волнами, а попросту начинают качаться на одном и том же месте—вверх и вниз, вверх и вниз. Среда, передающая волны, сама вместе с волной не перемещается, а остается на месте. Перемещается только возмущение.
Волновое движение тоже имеет свои особенности и законы. Наиболее важным является его частота, то есть число колебаний в секунду (f). Частота характеризует не среду, в которой распространяется волна, а только источник возмущения. При всех обстоятельствах частота волны, проходящей в какой-либо среде, может быть только такой, какова частота источника колебаний. Зато скорость распространения волны целиком зависит от свойств среды и ни в какой мере не зависит от источника волн. Какова среда, такова и скорость распределения в ней этого рода волн.
Если частота источника равна f и скорость распространения волн в данной среде равна ν, то длина волны

Другим характерным свойством волны является ее амплитуда (размах), от чего зависит энергия, которую несет волна при данной скорости ее распространения. Амплитудой волны называется расстояние от невозмущенного уровня среды, например от поверхности воды в пруду, до максимальной точки ее смещения, то есть высоты волны. Вспомните безобидную рябь на поверхности пруда и могучую силу штормового прибоя океанских волн.
Так как волны от источника возмущения равномерно распространяются по всем направлениям (кругами, сферами), то любая окружность или сфера, все точки которой имеют одинаковые смещения, называется фронтом волны.
С волновым движением связан целый ряд явлений, общих для всех волн.
Когда волна или луч, если имеют в виду свет, падает на гладкую поверхность, то она испытывает отражение, причем угол отражения равен углу падения волны. Следует отметить, что отражение может возникнуть не только при волновом движении. Стальной шарик, упавший на ровную плиту, отскочит под тем же углом, под каким он первоначально упал.
Если волна переходит из одной среды в другую, скорость распространения в которой иная, происходит изменение направления движения волны (преломление луча света).
Когда две волны одинаковой длины и амплитуды, но противоположные по фазе накладываются друг на друга таким образом, что гребень одной из них приходится на впадину другой, волны взаимно уничтожаются — гасятся.
Если же гребни и впадины накладывающихся волн совпадают по фазе, волны усиливаются — удваиваются по амплитуде. Такое явление называется интерференцией волн, и оно характерно только для волнового движения.
Волновой процесс таит в себе и некоторые существенные различия и тонкости. Например, волны могут отличаться тем,
в каком направлении происходит смещение частиц среды, в которой они распространяются (воздуха, воды, твердого вещества и т. д.).
В звуковых волнах колебания молекул воздуха происходят вдоль направления распространения волны. Воздух последовательно то сжимается, то разрежается. Такая волна называется продольной. При падении камня в воду возникает поперечная волна, у которой молекулы воды колеблются в направлении, перпендикулярном к движению волны.
Помимо поперечных волн, в воде могут возникать и продольные звуковые волны.

КАК ВОЗНИКАЮТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

Мы знаем, что тела, заряженные разноименным электричеством, притягиваются одно к другому, а заряженные одинаковым электричеством отталкиваются.
Благодаря своей наглядности, легко проверяемой в опытах, это свойство заряженных тел стало настолько привычным и самоочевидным, что, пожалуй, никогда и ни у кого не вызывало каких-либо сомнений.

Если сдвинуть или переместить в пространстве один электрический заряд, то другой заряд отзовется на происшедшие изменения не в тот же самый момент, а лишь спустя время, которое требуется свету, чтобы пройти расстояние между этими двумя зарядами.

В результате перемещения зарядов в пространстве возникают и распространяются во все стороны со скоростью света электромагнитные волны.
Важнейшим фактом, касающимся взаимодействия электрических зарядов, является то, что если изменить расстояние между зарядами, сдвинув или переместив один из них, то другой заряд отзовется на происшедшее изменение не в тот самый момент, когда был тронут первый заряд, а лишь спустя время, которое требуется свету, чтобы пройти расстояние между этими двумя зарядами.
Известный английский ученый Джемс Максвелл сделал предположение, что вокруг движущихся зарядов возникает переменное электромагнитное поле, которое со скоростью света распространяется во все стороны в виде электромагнитных волн. Максвелл доказал, что видимый нами свет представляет собой очень узкий участок электромагнитных колебаний чрезвычайно высокой частоты, то есть связал между собой электрические и световые явления.
Такими же, как и свет, электромагнитными колебаниями являются радиоволны, невидимый ультрафиолетовый и инфракрасный свет, рентгеновы и гамма-лучи, испускаемые радиоактивными веществами.

ЧТО ТАКОЕ СВЕТ?

В 1899 году знаменитый русский физик, профессор Московского университета Π. Н. Лебедев осуществил серию блестящих опытов, которыми доказал, что свет оказывает давление на все вещества, на которые падает, и точно измерил величину этого давления.
Тонкая и очень легкая металлическая пластинка, установленная на пути распространения луча света, под действием светового давления несколько смещалась. В яркий день давление света на 1 м² поверхности достигает 0,00047 г.

Место, занимаемое радиоволнами, рентгеновыми и гамма-лучами среди электромагнитных колебаний, существующих в природе.

В результате блестящих опытов Π. Н. Лебедева было экспериментально подтверждено, что свет оказывает давление, которое может быть точно измерено. Оказывая давление, свет, следовательно, обладает и массой.
Этот эксперимент, приводя к неопровержимому выводу, что световой поток обладает массой, был еще одним блестящим подтверждением правильности материалистического воззрения на природу различных физических явлений.
Недаром реакционные философы встретили этот вывод в штыки.
Конечно, понятия «материя» и «масса» ни в коей мере не тождественны, и, следовательно, никак нельзя сводить материальность какого-либо объекта только к наличию у него свойств массы.
Поэтому эксперимент Π. Н. Лебедева дал еще одно новое, весьма важное научное доказательство неразрывности материи и движения в форме вполне осязаемой и закономерной связи между массой и энергией света.
Это позволило ученым сделать единственно правильный вывод, что свет есть одна из форм движущейся материи, то есть, что весь материальный мир — движущаяся материя — существует в двух основных взаимно связанных формах: в форме движущихся частиц вещества и в форме света.
Однако одно дело — прийти к выводу, что свет является одной из форм движущейся материи, и совсем другое — суметь это экспериментально доказать.

ЧАСТИЦЫ СВЕТА — ФОТОНЫ

Хотя поведение света, рентгеновых и гамма-лучей в обычных условиях, казалось, убедительно свидетельствовало об их волновой природе, тем не менее наблюдался целый ряд явлений, которые теорией волнового процесса никак не объяснялись. Их можно было объяснить только в том случае, если предположить, что волнам, по крайней мере при их взаимодействии с веществом, присущи свойства дискретных частиц (то есть частиц, имеющих определенную, конечную величину).

Схема, объясняющая фотоэлектрическое действие света (выбивание электронов). Фотон, обладающий определенной порцией энергии (Σ = hν), расходует всю или некоторую строго кратную часть этой энергии на работу Е по выбиванию электрона из атома. Выбитый электрон приобретает кинетическую энергию, равную разности между энергией постороннего кванта и энергией, затраченной на перемещение выбитого электрона (Σ — Е). Если же величина энергии постороннего кванта Σ меньше величины Е, то электрон не расстается с атомом и фотоэффекта наблюдаться не будет.
Одно из них связано с так называемым фотоэлектрическим эффектом. Суть его заключается в том, что, если металлическую пластинку осветить ультрафиолетовыми или рентгеновыми лучами, она начинает испускать электроны, кинетическая энергия которых зависит от частоты освещающих пластинку лучей, но не зависит от интенсивности падающего на нее света. Последняя влияет только на количество испускаемых в единицу времени электронов.
Другое явление такого же порядка—это знаменитый опыт А. Комптона. Суть его такова: тонкий пучок рентгеновых лучей направляется на кусок угля и рассеивается им во все стороны. Вокруг куска угля перемещается рентгеновский спектрограф — аппарат, обнаруживающий рентгеновы лучи, отраженные от угля. Согласно волновой теории, энергия рентгеновых лучей должна передаваться электронам атомов углерода, превращая их в новые центры возбуждения, из которых затем эти лучи исходят уже как вторичные волны. Такой процесс, очевидно, может изменить лишь направление отражения лучей, но не длину их волн. Измерения же показывают, что длина волны вторичных, рассеянных лучей совпадает с длиной волны первичных лучей только при отражении под углом 0°. Для всех же остальных направлений длина волны увеличивается.
Если бы падающее излучение на самом деле представляло собой только волны, наблюдаемое явление нельзя было бы объяснить ничем. Комптон же объяснил этот процесс взаимодействия рентгеновых лучей с электронами тем, что рентгеновы лучи ведут себя не только как волны, но и в определенном отношении как частицы, каждая из которых обладает определенной энергией и импульсом.
Сталкиваясь с электроном под разными углами, рентгеновы лучи передают ему и разное количество энергии: большее при малых углах, меньшее при больших углах.

Знаменитый опыт А. Комптона. Длина волны рентгеновых лучей, рассеиваемых атомами вещества, оказывается различной в зависимости от угла отражения этих лучей (длина волны увеличивается по мере увеличения этого угла).
Таким образом было установлено, что двойственные свойства волн и частиц можно с равным основанием приписать не только свету, но также и рентгеновым, и гамма-лучам.
В 1901 году известный немецкий физик профессор Макс Планк предложил теорию, согласно которой в процессе физических преобразований и взаимодействия атомов вещества энергия выделяется и поглощается не непрерывным, сплошным потоком, а как бы концентрируется в мелкие порции. Иными словами, Планк высказал предположение о существовании своеобразного атома энергии.
В 1905 году знаменитый немецкий физик Альберт Эйнштейн установил, что свет может поглощаться только определенными порциями и что явление, носящее название фотоэлектрического эффекта, лучше всего можно объяснить, допустив, что световые волны поглощаются только порциями определенных размеров.
Следовательно, поглощение света различными веществами, излучение света атомами возбужденного, например нагретого до свечения, вещества происходит строго определенными порциями. Эта порция энергии позднее получила название квант.
Мерой энергии кванта Планк считал величину, получаемую по формуле:
Е = hv, где Е — энергия кванта в эргах; v — частота колебаний источника излучения; h — некоторая постоянная величина, равная 6,62-10-27 эрг-сек — «постоянная Планка».
Из этого простого выражения следует, что, чем выше частота электромагнитного излучения, то есть чем короче длина его волны, тем большую энергию несет с собой каждый квант этого излучения.
Однако поглощаться и излучаться энергия будет лишь тогда, когда она достигает строго определенной, присущей только данному физическому процессу величины, соответствующей целому числу квантов. А это, в свою очередь, означает, что энергия кванта ультрафиолетового света значительно выше энергии кванта инфракрасного; энергия рентгеновых лучей выше, чем у видимых, световых; энергия гамма- лучей выше, чем у рентгеновых, и т. д.
В свое время ядерная модель атома позволила «разложить по полочкам» — объяснить и систематизировать огромное количество накопившихся достоверных экспериментальных данных и дать им вполне убедительное теоретическое толкование. Но почти тотчас же физики столкнулись, пожалуй, с первым, наиболее серьезным затруднением, грозящим опрокинуть воздвигаемое здание новой физики. Ядерная модель неожиданно оказалась в резком противоречии и с фундаментальными законами и фактами механики, и с учением об электричестве.
Электрон — частица заряженная. При вращении по замкнутой орбите вокруг ядра он непрерывно меняет направление своего движения, то есть движется не прямолинейно и не равномерно.

Сложная зависимость между энергией фотона, длиной электромагнитной волны, свойственной этому фотону, и массой, соответствующей этой энергии.
А раз так, то всякий движущийся ускоренно (или колеблющийся) электрический заряд должен непрерывно излучать электромагнитные (световые) волны и тем самым непрерывно терять энергию. Эта энергия в конце концов должна истощиться (и довольно быстро — за миллиардную долю секунды), а электрон упасть на ядро. Однако он никакой энергии не теряет и на ядро не падает.
Позднее (в 1913 году), учитывая это, да и некоторые другие возникшие противоречия, Нильс Бор предположил, что электрон может вращаться вокруг ядра только по строго установленным орбитам, каждая из которых соответствует вполне определенному уровню энергии атома. В этом случае никакого излучения света атомом, а следовательно, и потери им энергии не возникает. Он будет излучать свет лишь тогда, когда один из его электронов перескочит с более удаленной орбиты на более близкую к ядру. При этом энергия атома сразу уменьшится на целую, строго определенную величину, которую и уносит с собой квант света. И наоборот, когда атом получает откуда-то извне излишнее для него количество энергии (тоже не меньше строго определенной порции — кванта), один из его электронов переходит с более близкой орбиты на более удаленную.
Это может произойти при столкновении атома с посторонним быстро движущимся электроном, другим атомом или частицей. Однако, чтобы это произошло, посторонняя частица должна обладать энергией, достаточной для перебрасывания электронов атома с более близкой к ядру — нормальной для него орбиты, на последующую или даже сразу через несколько орбит. Может случиться даже так, что этой внешней энергии окажется достаточно, чтобы электрон и вовсе покинул атом. Тогда вместо нейтрального атома образуются две разноименно заряженные частицы — свободный электрон и тяжелый, положительно заряженный ион.
Например, атомы какого-либо газа под действием проходящего сквозь него электрического тока, поглотив по кванту энергии строго определенной величины, зависящей от физических свойств атомов именно этого вещества, приходят в состояние повышенной энергии (возбужденное состояние). Один из его электронов при этом перескочит с близкой к ядру орбиты на более удаленную, однако находиться в таком возбужденном состоянии сколько-нибудь длительное время атомы не могут: электрон тотчас же возвращается в нормальное состояние (перепрыгивает на прежнюю, более близкую к ядру атома орбиту). При этом атом излучает высвобождающийся вследствие этого избыток своей энергии в виде кванта света или же передает эту энергию другому электрону.
Это может быть последовательное испускание нескольких квантов энергии какой-то одной величины или сразу одного кванта, кратного энергии нескольких квантов — в два, три раза большей.
Именно от этого зависит распределение различных линий в спектре светового излучения данного газа.
Если речь идет о видимом свете, то это излучение может восприниматься нашим глазом, например, как кванты красного света (более длинные волны) или как кванты с вдвое большей энергией — фиолетового света (более короткие волны). Естественно, что кванты других «цветов» с энергией меньше красного света (инфракрасные лучи) или ультрафиолетовые, рентгеновы и гамма-лучи наш глаз не воспринимает.
Чем ближе электрон находится к ядру атома, тем сильнее он с ним связан, тем больше энергии надо затратить, чтобы вырвать электрон из состава атома или перевести его на удаленную от ядра орбиту. Зато, возвращаясь обратно на прежний уровень, электрон выделяет квант света, обладающий большей энергией, чем при возвращении на другую, более удаленную от ядра орбиту.
Поскольку свет ведет себя и как частица и как волна, частицу света позднее стали называть фотоном.
С принципиальной точки зрения разница между фотоном и другими частицами вещества не столь уже существенна. Просто частицы имеют массу (с эквивалентной ей энергией), а фотон массы не имеет. Тем не менее он вполне материален, представляя собой некий сгусток энергии.
В результате всего последующего развития теоретических, а самое главное, экспериментальных исследований в 1925 году известным французским физиком Луи де Бройлем было сформулировано буквально носившееся уже в воздухе предположение, что каждая частица, имеющая определенную скорость, а следовательно, и количество движения (импульс), характеризуется еще и волной. Более того, он вывел формулу, согласно которой эквивалентная длина волны для движущейся частицы равна

где h — та же постоянная Планка; т — масса; v — скорость частицы.
Это теоретическое предположение было затем подтверждено и лабораторными опытами. Электронный пучок, направленный на поверхность кристалла или тонкую металлическую фольгу, ведет себя так же, как рентгеновы лучи или лучи света. Аналогичные свойства наблюдались и у других частиц: атомов водорода, гелия и неона, а в самое последнее время — у нейтронов. Чем выше скорость движения частиц или больше их масса, тем короче длина соответствующей им волны, то есть законы микромира — законы волновые.
Выявилось, однако, и другое очень важное обстоятельство, свидетельствующее о безграничном разнообразии явлений природы.
Предсказанные Луи де Бройлем «волны материи», связанные с движущейся частицей, не являются электромагнитными волнами, такими, как рентгеновы или гамма-лучи, хотя они могут иметь сходные с ними свойства (преломление, дифракция, интерференция и т. п.).

ВЕЛИКИЙ ЗАКОН

Но вернемся снова назад. В том же, 1905 году Эйнштейн совершил еще более крупное открытие, коренным образом изменившее представление о природе вещества.
Это было, собственно говоря, даже не какое-то единичное открытие, а целая фундаментальная теория, вошедшая в науку под названием теории относительности.
Одним из важнейших выводов этой теории было то, что никакое тело не может двигаться в вакууме со скоростью, превышающей скорость света.
Толчком для ее разработки явились опыты, проведенные еще в 1900 году, благодаря которым было, бесспорно, установлено, что масса движущегося электрона отличается от массы электрона, находящегося в покое, и увеличивается по мере увеличения скорости движения.
Это утверждение шло вразрез с господствовавшим ранее основным законом механики Ньютона, что масса тела не зависит от скорости, и, следовательно, любое дополнительное усилие, приложенное к движущемуся телу, должно пропорционально увеличивать его скорость. Например, снаряд, вылетающий из ствола орудия со скоростью 1000 м/сек, приобретает скорость 1300 м, если пушка установлена на самолете, летящем со скоростью 300 м/сек, и стреляет вперед, а при стрельбе в обратном направлении скорость снаряда становится равной лишь 700 м/сек, то есть скорость полета снаряда складывается со скоростью движения самолета или вычитается из нее.
Классическая механика считала, что постоянная сила, действующая на массу какого-либо тела, будет непрерывно увеличивать скорость движения этого тела, которое в конце концов достигнет скорости света и может даже превзойти ее.
Теория же относительности утверждает, что это невозможно, так как следует различать две совершенно различные массы: массу покоя т0 и массу т, соответствующую скорости движения данного тела.
Для малых скоростей υ масса т практически равна массе покоя та, однако, если скорость приближается к скорости света, масса т начинает быстро расти.
Так при скорости 282 100 км/сек масса электрона почти утраивается (2,957 раза); при 299 400 км/сек масса электрона увеличивается в 20,58 раза.
Таким образом, действие силы приводит к такому увеличению массы движущегося тела, что скорость его всегда остается меньше скорости света.
Масса и энергия взаимосвязаны. Каждое материальное тело, будь то вещество или свет, обладая массой, обладает и пропорциональной этой массе энергией, и, наоборот, каждое материальное тело, обладающее энергией, обладает и пропорциональной ей массой.

Так изменяется масса электрона в зависимости от скорости его движения.
Опираясь на эти выводы, а также на работы Π. Н. Лебедева о световом давлении, Эйнштейн вывел замечательное соотношение, связывающее массу и физическую меру ее движения — энергию.
Раньше это соотношение для света вывел С. И. Вавилов.
Это положение, ставшее с тех пор важнейшим основным законом современной физики, математически выражается следующей формулой:

где Е — энергия, выраженная в эргах, то — масса покоящегося тела в граммах; с — скорость света в сантиметрах в секунду.

Таким образом, если масса покоя вещества выражена в граммах, то количество неразрывно связанной с ней энергии, выраженной в эргах, равно числу граммов, умноженному на величину квадрата скорости света в сантиметрах. Поскольку свет, а следовательно, и квант электромагнитного излучения имеет массу, он обладает и пропорциональной этой массе энергией.
Если возбужденный атом излучает квант света (фотон), то вместе с энергией он теряет и определенную массу: эту массу уносит фотон. До излучения это была масса некоторой части электромагнитного поля зарядов атома, а после излучения она стала массой фотона, который может распространяться только со скоростью света.
Следует, однако, различать энергию, взаимосвязанную с массой, и энергию движения атомных частиц. Энергию, взаимосвязанную с массой, можно представить себе как собственную энергию — энергию «бытия» материи. Вещество обладает запасом энергии уже благодаря самому своему существованию. В этом смысле материальная частица есть не что иное, как сконцентрированный и локализованный в пространстве сгусток энергии, пропорциональный массе покоящейся частицы. Если эта частица к тому же и движется, то она приобретает еще дополнительную энергию — кинетическую, но в данном случае не за счет своих внутренних ресурсов, а за счет энергии того внешнего источника, который привел эту частицу в движение. У частицы, лишенной массы, например у фотона, имеется только энергия движения, но нет собственной, связанной с массой энергии.
Здесь следует особо подчеркнуть, что никакого превращения материи в энергию и обратного превращения энергии в материю, как это пытаются представить себе некоторые буржуазные физики, делая неправильные выводы из работы Эйнштейна, никогда не происходит и не может быть.
Энергия немыслима в отрыве от материи и может существовать только там, где существует материя; следовательно, движение и энергия существуют только как движение и энергия материи.
Несколько позднее Эйнштейн высказал предположение, что явление радиоактивности, благодаря тому что оно сопровождается выделением больших количеств энергии, дает возможность, если надлежащим образом осуществить опыты, практически проверить выведенное им соотношение между массой и энергией. В частности, он писал:
«Масса тела есть мера содержания энергии в этом теле; если энергия изменяется на величину 4, то масса изменяется в том же направлении на величину, причем энергия измеряется в эргах, а масса — в граммах.  

При нагревании 1 т воды на 100° ее масса увеличивается на 5 миллионных долей грамма.
Не исключена возможность того, что проверка теории может удаться для тел, у которых содержание энергии в высшей степени изменчиво (например, у солей радия)».

ЧТО ТАКОЕ «ДЕФЕКТ МАССЫ»?

Применение формулы Эйнштейна к рассматриваемым нами вопросам окончательно проливает свет на все ранее высказывавшиеся догадки ученых об огромных запасах энергии, скрытых в недрах атома и связанных с движением составляющих его элементарных частиц.
Если в ходе какой-либо ядерной реакции происходит некоторое уменьшение массы вещества, это неминуемо сопровождается высвобождением (излучением) большого количества энергии.
Почему же тогда мы не замечаем в обычных условиях увеличения или уменьшения массы какого-либо тела, энергия которого заметно увеличивается или уменьшается, например, при его сильном нагревании или охлаждении? Секрет здесь прост.
Допустим, мы нагрели тонну воды на 100°. Тогда скорость движения молекул воды вследствие повышения температуры резко увеличится. За счет энергии, приобретенной при нагревании, жидкость станет тяжелее примерно на 5 миллионных долей грамма (точнее, на 4,65х10-6г). Обнаружить такую прибавку массы практически невозможно.
В мире атомных частиц мы имеем дело с совершенно другими скоростями движения частиц, в тысячи раз превышающими скорости движения молекул при нагревании вещества. 
Например, бета-частица (электрон), вылетающая из ядра атома при его распаде, может иметь скорость, достигающую 248 тысяч километров в секунду. При такой скорости энергия электрона увеличивается столь существенно, что этот прирост энергии будет сопровождаться увеличением массы электрона примерно в 1,78 раза.
Этот факт блестяще подтвердился, когда начали работать современные мощные ускорители заряженных частиц.
Если бы всей энергией, которую будет вырабатывать за год одна из волжских гидроэлектростанций, зарядить фантастическую аккумуляторную. батарею, то она потяжелела бы всего на 400 г!
Если взять некоторое количество вещества, например, равное 1 г, то энергия, заключенная в этом веществе и взаимосвязанная с его массой, вычисленная по формуле Эйнштейна, должна равняться массе, умноженной на квадрат скорости света, то есть

Напомним, эрг — исключительно маленькая величина и является мерой работы, затрачиваемой на перемещение тела на 1 см под воздействием силы в 1 дину.

Если бы энергию, вырабатываемую одной из волжских гидроэлектростанций за год, можно было превратить в эквивалентную ей массу, то она весила бы... 400 г\

При каких условиях энергии затрачивается меньше, чем освобождается (слева), и больше, чем получается (справа).
Она настолько мала, что единица меры обычной электрической энергии — киловатт-час равен приблизительно 3,6·1013 эрг. Тем не менее полученное нами по вышеприведенной формуле количество энергии, заключенной в 1 г вещества, если бы его масса целиком перешла в фотоны излучения, все же столь велико, что равняется ни больше ни меньше как 25 миллионам киловатт-часов! Эта энергия равна выработке большой электростанции в течение года.
1 кг вещества, все равно какого — будь то уголь, камень или пух, — мог бы теоретически высвободить энергию, равную 25 миллиардам киловатт-часов, тогда как сжигание такого же количества угля в обычной печи дает только 8,5 квт-ч. Разница весьма ощутимая — примерно в 3 миллиарда раз.
Однако из этих подсчетов отнюдь не следует, что человечеству когда-либо удастся высвободить всю энергию, скрытую в веществе.
Ведь для того, чтобы преодолеть силы, связывающие частицы ядра атома, надо сперва затратить какое-то количество энергии от внешнего источника. Только тогда распадающееся или перестраивающееся ядро атома, потеряв некоторые частицы, выделит связанное с ними количество энергии. При этом масса ядра, выделившего энергию, оказывается меньше массы первоначального (не возбужденного) ядра и потерянной частицы.
Она, естественно, тем больше, чем больше было выделено энергии при образовании нового ядра, вернее, чем ближе оказываются при этом сдвинуты один к другому оставшиеся в ядре нуклоны, говоря другими словами, чем плотнее станет их упаковка.
Наиболее плотно «упакованы» ядра атомов, расположенные в середине периодической системы элементов Д. И. Менделеева — примерно от кремния-14 до олова-50.  Получается, что не во всех случаях элементарные частицы связаны в атомах вещества так, что разница в энергии, выделяющейся при распаде ядра атома или его перестройке, больше энергии, затрачиваемой на его разрушение.
Следовательно, для получения энергии целесообразно разрушать или перестраивать ядра атомов только таких элементов, у которых затрата энергии на разрушение меньше высвобождаемой энергии.
С точки зрения ядерной физики, мы живем в мире как бы бесконечно огромного количества самых разнообразных по форме, туго закрученных в процессе своего образования пружин, каждая из которых, может быть, при известных условиях спущена и, развертываясь, совершит работу, выделяя скрытую в ней энергию. Очевидно, что, раз пружины можно раскручивать, можно попытаться их и закручивать искусственным путем. Пока что человек заинтересован раскручивать — спускать с защелок — эти пружины, предварительно найдя среди них такие, на спуск которых пришлось бы затрачивать как можно меньше энергии. А еще лучше, если бы удалось, спустив маленькую пружинку, сбить защелки с какой-то другой, очень большой пружины.
Начнем с самой большой из пока известных нам «пружин», хотя, как мы уже знаем, первой спустить человеку удалось малую «пружину». Мы уже немного касались ее происхождения, когда говорили о знаменитых опытах Кокрофта и Уолтона.
Ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов. Чтобы разделить такое ядро на отдельные элементарные частицы, надо преодолеть огромные силы притяжения, которые удерживают эти частицы в нем вместе и действуют только на расстоянии, равном примерно двум диаметрам ядра. Для этого, естественно, необходимо затратить весьма большое количество энергии. Например, попасть в ядро гелия какой-либо тяжелой, разогнанной до огромной скорости частицей. Как только частицы разбиваемого ядра гелия разойдутся на расстояние, большее двух диаметров ядра, действие внутриядерных сил прекратится и вступит в силу отталкивающее действие двух заряженных протонов, которые и разлетятся в разные стороны с не менее огромной энергией. С этого момента делящееся ядро будет уже не поглощать энергию, а выделять ее.
Логично предположить, что при соединении этих частиц обратно в ядро атома гелия сначала надо будет преодолеть очень сильное отталкивающее действие двух положительных зарядов протонов и только потом, когда частицы попадут в сферу действия ядерных сил притяжения, они будут сжаты еще больше, и их масса уменьшится, что будет сопровождаться уже выделением энергии. Конечно, эта энергия не будет выделяться в виде какого-то невесомого и нематериального вещества. Это будут вполне реальные кванты излучения чрезвычайно высокой энергии, излишние в атоме гелия электроны и позитроны, а также другие частицы и излучения.

На протоны, входящие в ядро атома, действуют двоякие силы: силы отталкивания их положительных электрических зарядов и более мощные внутриядерные силы, сжимающие и удерживающие протоны вместе. Действие первых сил начинается на далеких расстояниях, действие внутриядерных сил простирается не дальше двух диаметров ядра атома.
Такое уменьшение массы вещества при выделении энергии называется дефектом массы.
Проверим эту не во всем точную, но более или менее наглядную картину изменения массы и энергии вещества при перестройке ядерных частиц на сугубо условном примере образования ядра гелия (2Не4) из двух протонов и двух нейтронов.
Сумма масс протонов и нейтронов, из которых образуется ядро гелия, будет равняться:
2 протона х 1,0076 + 2 нейтронах 1,0089 = 4,033 атомной единицы массы.
Масса же ядра атома гелия, уже когда-то ранее сложенного из таких же частиц и измеренная современными методами очень точно равна (за вычетом массы двух электронов) всего 4,003 атомной единицы массы, то есть на 0,03 атомной единицы массы меньше. В пересчете этой величины на весовые единицы, при образовании 1 грамм-атома гелия (количества вещества, вес которого в граммах численно равен атомному весу химического элемента, то есть 4 г) дефект массы составит 0,03 г. По формуле взаимосвязи массы и энергии это уменьшение будет сопровождаться выделением энергии в количестве:
Е=тс2 = 0,03(3х1010)2=2,7·1019 эрг. или свыше 760 тысяч киловатт-часов!

При слиянии двух протонов и двух нейтронов в ядро атома гелия неожиданно исчезает масса, равная 0,03 атомной единицы массы. Такое исчезновение массы должно сопровождаться выделением значительного количества энергии.
Если бы электростанция мощностью 100 тысяч киловатт работала не на угле, а на протонах и нейтронах, складываемых вместе в ядро гелия, то в сутки она затратила бы на свою работу всего 12,8 г такого горючего, а в год около 4,5 кг. Столь большое количество энергии можно было бы получить другим путем, сжигая примерно 500 тысяч тонн каменного угля!
Таким образом, соединение нескольких отдельно взятых частиц в ядро атома с выделением столь большого количества энергии является весьма сложным процессом и существенно отличается от простого сложения протонов и нейтронов. Происходит глубокая и качественная перестройка материи.
Пересчитав таким же образом массу ядер атомов других элементов, можно убедиться, что она всегда меньше суммы масс отдельных протонов и нейтронов, из которых сложено то или иное ядро.
Дефект массы наблюдается и играет большую роль не только при соединении протонов и нейтронов в ядра атома, но и в тех случаях, когда ядро одного тяжелого элемента делится на два более легких элемента.
Энергия, необходимая для образования ядра какого-либо химического элемента из протонов и нейтронов, называется энергией связи ядра.

ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ ЯДРА АТОМА

В рассмотренном нами абстрактном случае образования ядра атома гелия из двух протонов и двух нейтронов выделяющаяся энергия, то есть энергия связи ядра в пересчете на электронвольты, равняется 28 Мэв.
А так как атомное ядро складывается из нескольких ядерных частиц (когда не надо точно указывать, какая это частица, их называют нуклонами), то на долю каждого нуклона приходится лишь часть полной энергии.
Часть энергии, приходящаяся на один нуклон, называется средней энергией связи ядра. Для ядра гелия, состоящего из четырех нуклонов, она будет равняться 28:4 = 7,0 Мэв на нуклон.
В уже упоминавшемся ранее опыте (Кокрофта и Уолтона) соединения протона с атомом лития и образования из них двух альфа-частиц выделялась энергия, равная 17,2 Мэв (приблизительно по 8,5 Мэв на каждый нуклон плюс 0,125 Мэв — энергия бомбардирующего протона).

Кривая, показывающая энергию связи, приходящуюся на один нуклон, для различных элементов периодической таблицы Д. И. Менделеева.
Таким образом можно вычислить как полную, так и среднюю энергию связи ядра любого химического элемента периодической системы Д. И. Менделеева. Данные о средней энергии связи приведены на графике на странице 133.
По горизонтальной оси показан атомный вес элемента (массовое число), а по вертикальной — средняя энергия связи ядра в миллионах электронвольт, приходящихся на один нуклон.
Этот небольшой график объясняет многое из того, что было непонятно в физике ядра атома.
Во-первых, он позволяет точно установить, в каких случаях эта энергия могла бы быть высвобождена и в каких нет.
Во-вторых, какое количество энергии может быть высвобождено при делении и какое при соединении (синтезе) ядер, то есть какие ядра надо соединять и какие делить, чтобы получить энергию.
Некоторое время после открытия способа высвобождения внутриядерной энергии, а иногда и теперь можно слышать высказывания о том, что в веществе любого камня, валяющегося на дороге, или горсти песка скрыта огромная энергия, которую со временем люди научатся высвобождать и использовать. Такие более чем оптимистические предположения исходили из неверного понимания знаменитого соотношения Эйнштейна о взаимосвязи массы и энергии: Е = тс2, согласно которому при высвобождении энергии в процессе ядерных реакций деления или синтеза уменьшается масса исходных ядер, вступающих в такие реакции.
Отсюда и делались два вывода. Первый: если бы вся масса вещества, вступающего в реакцию, превратилась в энергию, то каждый грамм вещества давал бы 25 миллионов киловатт-часов энергии; второй: раз массой обладает любое вещество, то обратить в энергию можно тоже любое вещество, в том числе и придорожный камень.
Ошибка этих утверждений заключается в том, что энергия может исчезать или уноситься только с какой-либо элементарной частицей или квантом излучения, а чтобы разлететься, эти частицы должны обладать определенной энергией.
Из графика видно, что самая большая величина средней энергии связи, равная примерно 8,6 Мэв, приходится на нуклоны ядер атомов химических элементов, находящихся почти в самой середине таблицы Д. И. Менделеева. Дели, складывай эти ядра в любой комбинации, количество энергии, затрачиваемой на подобные операции, будет равняться количеству высвобождаемой энергии. Следовательно, никакой пользы для практических целей от такой операции получить невозможно.

Энергия сначала поглощается, а затем высвобождается при условии складывания ядра атома гелия из двух ядер атомов дейтерия.
Зато элементы, находящиеся на участках кривой в самом ее начале и в самом конце, отличаются значительными колебаниями средней энергии связи, приходящейся на один нуклон. Здесь можно подобрать такие комбинации ядерных реакций, при которых можно получить значительный выигрыш энергии.
Рассмотрим три конкретных примера:
1. Что произойдет при образовании ядра атома гелия из двух ядер атомов тяжелого водорода 1Η2 (дейтерия)?
Полная энергия связи ядра гелия, состоящего из четырех нуклонов, равна 28 Мэв.
Полная энергия связи ядра дейтерия, состоящего из двух нуклонов, согласно кривой, равна 2х1,09 = 2,18 Мэв.
Таким образом, при образовании ядра гелия из двух ядер дейтерия высвобождается энергия, образующаяся от разности между энергией связи ядра гелия и энергией связи двух ядер дейтерия:
28 — (2х2,18) =23,64 Мэв.
Эта энергия является самой большой, какую возможно было бы получить при сложении легких ядер в более тяжелые.
Это и понятно. Если нуклонов мало, их трудно расположить так, чтобы они заняли выгодный, то есть наиболее плотный, объем — сферу. Образованная ими фигура, как их ни укладывай, будет или вытянутой (например, дейтрон, состоящий всего из двух нуклонов), или угловатой (тритон).

Столько энергии высвобождается при делении ядра атома тяжелого элемента — урана-235 — условно на два осколка с атомным весом 117—118 каждый.
Чтобы образовать фигуру, как можно более близкую к сфере, нужно располагать сравнительно большим числом нуклонов.
Следовательно, соединив четыре нуклона, можно получить и несколько более плотную их упаковку в ядре. Среднее расстояние между ними уменьшится, благодаря чему и выделится соответствующее количество энергии.
Посмотрим, какое количество энергии можно было бы высвободить при образовании 1кг гелия.
В грамм-атоме гелиясодержится 6,02 · 1023 атомов (число Авогадро) гелия. Следовательно, в килограмме гелия всего имеется

При сложении 1 кг гелия из ядер дейтерия высвободится энергия, равная
1,505 · 1026 · 23,64 = 35,6 · 1026 Мэв, или 1,36 · 1014 калорий.
Чтобы получить такое количество энергии другим путем, надо, например, сжечь 13 600 т бензина.

1. Что произойдет при делении ядра тяжелого элемента — урана-235 — на два осколка?

Тяжелые ядра, так же, как и самые легкие, упакованы менее плотно, чем средние по массе. Здесь сказывается действие большого числа протонов, стремящихся благодаря их одинаковому электрическому заряду оттолкнуться один от другого. Тяжелые ядра не только упакованы менее плотно, но и содержат относительно большее, по сравнению с числом протонов, количество нейтронов, чем средние. При делении тяжелого ядра нуклоны, распределившись на два средних по массе ядра, упаковываются уже плотнее, чем раньше.
Атомный вес урана-235 равен 235,118, а масса нейтрона — 1,009. Таким образом, масса участвующих в реакции частиц составляет 236,127 атомной единицы массы.
При делении ядро атома урана-235 расщепляется различными путями, но получающиеся продукты деления чаще всего имеют массовые числа 95 и 139. Сумма этих чисел вместо 236,127 дает только 234, так как в процессе деления всегда высвобождается несколько нейтронов. Атомные веса устойчивых изотопов молибдена-95 и лантана-139 равны соответственно 94,936 и 138,960. Если к этим весам прибавить 2,018 — массу двух свободных нейтронов, то получим полную массу 235,904. Масса, которая исчезает при таком делении, равна 236,127—235,904 = 0,223 атомной единицы массы. Если эту величину умножить на 931 миллион электронвольт (энергия, соответствующая 1 атомной единице массы), то в результате деления высвободится энергия, равная 0,223 · 931 = 208 миллионам электронвольт.
Приблизительно этот же результат мы можем получить, если будем исходить из средней энергии связи ядерных частиц.
Атомный вес каждого из осколков условно будем считать равным примерно 235:2=118 атомным единицам массы элементов, находящихся в средней части таблицы Д. И. Менделеева с самой высокой величиной связи на один нуклон, равной 8,6 Мэв.
Полная энергия связи ядра урана-235, в которой находится 235 нуклонов, равна 235х7,6 = 1786,0 Мэв. Энергия связи двух равных осколков, являющихся ядрами более легких элементов, равна 118.8,6+117.8,6 = 2021,0 Мэв.
Следовательно, разница в количестве энергии между ядром атома урана и двумя его осколками составит 2021,0—1786,0 = 235,0 Мэв.

Будет ли выделяться энергия при делении ядер атомов элементов, расположенных в средней части периодической таблицы Д. И. Менделеева?
При делении ядер всех атомов 1 кг урана-235 выделяется энергия, равная примерно 1,96· 1013 кал, которую иначе можно было бы получить лишь при сжигании около 1800 т бензина.
Таким образом, при реакции соединения ядер легких элементов получается примерно в 8—10 раз больше энергии, чем при реакции деления ядер тяжелых элементов.

1. Что бы произошло, если бы мы стали делить ядра атомов элементов, находящихся в средней части таблицы Д. И. Менделеева?

Для примера возьмем условно ядро с массовым номером 118 (олово) и предположим, что оно делится пополам, образуя два ядра элемента с массовым числом 59 (кобальт или никель).
На кривой рисунка энергия связи, приходящаяся на каждый нуклон вещества с атомным номером 118, равна 8,4 Мэв, а на нуклон с массой 59 равна 7,5 Мэв. Суммарная энергия нуклонов ядра олова составляет
118х8,4 = 991,2 Мэв.
Энергия нуклонов в осколках равна

Выходит, чтобы заставить ядро атома олова разлететься на две части, надо еще дополнительно затратить 106,2 Мэв энергии, не получив взамен ничего. Следовательно, неопределенно долго, а если не будет сделано новых принципиальных открытий, то и навсегда, булыжник на дороге будет оставаться булыжником, если он волей случая не окажется куском урана или. . . гранита.

Читатель спросит: почему гранита?
Оказывается, в обычном граните скрывается вполне реальный источник внутриядерной энергии, правда иного порядка. В 100 т его может содержаться около 400 г урана и около 1 кг тория. Поэтому энергия, скрытая в 100 т гранита, соответствует химической энергии, заключенной примерно в 5000 т каменного угля. Только в таком смысле камень на дороге может действительно оказаться источником энергии.
Помимо урана и тория, в 100 т гранита содержится 8 т алюминия, 5 т железа, 2 т магния, 90 кг марганца, 35 кг хрома, 20 кг никеля, 15 кг ванадия, 10 кг меди, 5 кг вольфрама и даже 2 кг свинца.
К счастью, и уран и торий в природном граните связаны с веществами, которые составляют долю меньше 1% всей массы гранита. Поэтому со временем может оказаться экономически и технически выгодным извлекать делящиеся ядерные вещества из гранита с попутным получением остродефицитных и очень нужных для современной промышленности металлов.
Однако для этого надо раздробить, размолоть гранит, обогатить и отделить включенные в него полезные вещества — техника, достаточно хорошо известная в горном деле. Если учесть, что при этом удастся извлечь на первое время не больше 20% всего заключенного в граните урана и тория, то даже и в этом случае 100 т гранита будут эквивалентны по энергии 1000 т угля.
Затратить же на всю эту работу придется энергию, заключенную примерно в 3 т угля, или чистый выигрыш от всей этой операции будет равен энергии, заключенной в 997 т угля. Сюда входит энергия, затрачиваемая на добычу, разрезку, дробление, размол, обогащение гранита, транспортировку и тому подобные энергетические затраты.
В денежном выражении отношение стоимости извлеченного из такого необычного источника ядерного горючего к получаемой из него энергии оказывается не столь благоприятным, как при извлечении урана и тория из обычных содержащих их руд. Однако человечество, заинтересованное в первую очередь в извлечении ядерного горючего, получает новый, почти неограниченный источник ядерного сырья, поскольку гранит является самым распространенным на земле минералом.

А BCE-ТАКИ ЧТО ТАКОЕ РАДИОАКТИВНОСТЬ?

Как и должно быть, значительное количество времени и усилий ученых ушло на изучение главным образом внешних свойств радиоактивных веществ, тем более что все они были столь удивительны и необычны. Но вскоре одной из насущнейших задач стала необходимость хотя бы в общих чертах разобраться в таинственном механизме самопроизвольного распада радиоактивных элементов и в сопутствующих этому распаду излучениях альфа- и бета-частиц, гамма-лучей, а при искусственной радиоактивности — еще и позитронов. Испускание альфа-частиц было более или менее понятно: это отколовшиеся от ядра атома и выброшенные из него в результате какой-то внутренней неустойчивости или выбитые при попадании в него извне какой-либо частицы большой энергии. Но вот откуда берутся в ядре атома бета-частицы, то есть электроны? Ведь ядро, как установлено, состоит только из протонов и нейтронов.
Единственное, что можно предположить, это то, что электроны внезапно возникают в ядре в результате каких-то внутриядерных превращений и только лишь в момент радиоактивного превращения. Это и удалось позднее проследить на примере самопроизвольного радиоактивного распада атома трития, ядро которого состоит из одного протона и двух нейтронов. В результате образуется ядро изотопа гелия-3, состоящее уже из двух протонов и одного нейтрона, и одновременно испускается один свободный электрон. Куда-то исчезает один нейтрон, но зато вместо него появляются протон и электрон. Выходит, что появление и испускание электрона произошли за счет превращения одного из нейтронов в протон.
Мы уже описали одну ядерную реакцию, когда вместо электрона ядро распадающегося атома испускает позитрон — точно такую же частицу, как электрон, но не с отрицательным, а с положительным электрическим зарядом. Радиоактивный изотоп азота-13, состоящий из семи протонов и шести нейтронов, после распада превращается в ядро атома углерода-13 уже с шестью протонами и семью нейтронами, испуская при этом позитрон.
Возникла догадка, что протоны и нейтроны в процессе радиоактивного распада неустойчивых или возбужденных ядер могут превращаться друг в друга, а оказавшийся лишним положительный и отрицательный заряд уносится или электроном, или позитроном.
Этот распад идет в непрерывном слиянии бесчисленных распадов дочерних радиоактивных элементов, многие из которых, как радий, распадаются в течение тысячелетий, другие — в течение тысячных и миллионных долей секунды!
Все это, вместе взятое, позволило считать протон и нейтрон одной частицей. Их поэтому и стали называть нуклонами, которые, однако, могут пребывать в двух состояниях: протонном и нейтронном. Теперь можно попытаться разобраться и в остальных особенностях радиоактивных превращений ядра атома. Нам уже ясно, что при бета-распаде один из нейтронов ядра переходит в протон. Вот тогда-то и появляется электрон. Его заряд должен компенсировать положительный заряд вновь образовавшегося протона. Однако этот электрон в «хозяйстве» ядра оказывается лишним и в силу законов ядерных реакций бета-распада должен немедленно покинуть ядро.

При радиоактивном распаде ядра атома бета-частица (электрон) может быть выброшена только в том случае, если один из нейтронов неустойчивого (возбужденного) ядра превращается в протон (а). Получающийся в результате такой ядерной реакции атом сохраняет свою массу, но вследствие увеличения положительного заряда его ядра на единицу становится легким изотопом элемента, расположенного на одну клетку таблицы Д. И. Менделеева вправо. В том случае, когда при радиоактивном распаде ядра атома выбрасывается позитрон (это происходит при распаде искусственных радиоактивных элементов), один из протонов ядра превращается в нейтрон. Образующийся в результате этого атом также сохраняет свою массу, но вследствие уменьшения электрического заряда его ядра на единицу становится тяжелым изотопом элемента, расположенного на одну клетку таблицы Д. И. Менделеева влево (б).
Задержаться даже в пределах атома (на одной из электронных орбит) такая бета-частица не может, так как ее энергия в десятки и сотни тысяч раз превышает энергию орбитальных электронов атома. Положительный заряд ядра теперь становится на единицу больше. В результате образуется ядро атома нового, более тяжелого элемента периодической системы, например уже не трития, а гелия.
В свою очередь, и протон может превращаться в нейтрон. Но тогда куда-то должен исчезнуть его положительный заряд. Этот заряд и уносится позитроном — частицей, являющейся точной копией электрона, только с положительным зарядом. В результате появляется новый элемент периодической системы на одну единицу меньше, например, уже не азот-13, а углерод-13.
После того как все сказанное удачно «разложилось по полочкам», возникла совершенно новая неувязка. Эквивалентная масса протона и позитрона вовсе не равна энергии, эквивалентной массе нейтрона, а энергия, эквивалентная массе нейтрона и электрона, тем более не равна энергии, эквивалентной массе протона, то есть стал не сходиться баланс энергий. При каждом таком переходе ядро хотя и теряет определенную энергию, уносимую электроном и позитроном, часть энергии все же куда-то пропадает. Некоторые буржуазные ученые, стоящие на идеалистических позициях, объявили на радостях о крушении закона сохранения энергии.
Но радость их оказалась недолгой. Вскоре было доказано, что одновременно с электроном или позитроном ядро испускает еще одну частицу, не имеющую электрического заряда, обладающую ничтожно малой массой, но зато движущуюся со скоростью, близкой к скорости света. Новую частицу назвали нейтрино — маленький нейтрон. Она-то и уносит недостающую до точного баланса толику энергии.

Три главнейших вида радиоактивного распада атомов: А — распад, при котором выбрасываются альфа-частицы; Б — при искусственной радиоактивности ядра атомов выбрасывают позитроны; В — распад, при котором выбрасываются электроны.
Таким образом, превращение нейтрона в протон сопровождается испусканием электрона и нейтрино, а превращение протона в нейтрон — испусканием позитрона и нейтрино. Более того, возможен и обратный ход этих реакций.
Но какова же исходная причина, вызывающая электронный или позитронный распад ядер атомов радиоактивных элементов и почему в одних случаях они испускают электроны, в других позитроны?
Разобраться в этом помогли некоторые закономерности, присущие только микромиру.
Мы уже знаем, что электроны, вращающиеся вокруг ядра атома, расположены не как попало, а строго организованно, по орбитам, соответствующим их энергетическим уровням, и подчиняются строго определенным, так называемым квантовым закономерностям. Поскольку не только электроны, но и все остальные атомные частицы подчиняются квантовым закономерностям, были все основания предполагать, что и в ядре атома энергетические уровни частиц (нуклонов) заставляют их располагаться в некотором порядке, то есть ядро атома, так же как и его электронная оболочка, имеет слоистый характер, хотя в ядре нет такого фиксированного центра, как в атоме. На каждом энергетическом уровне может находиться строго определенное количество нуклонов. Теоретические расчеты показали, что на самом низшем уровне должны находиться всего четыре частицы — два протона и два нейтрона. Первая такая оболочка имеется именно у ядра атома гелия. Это и объясняет, почему ядро атома гелия является одним из самых прочных образований среди всех ядер атомов легких химических элементов.
Были замечены и другие закономерности. Например, ядра с числом нуклонов, равным 2, 8, 20, 50, 82, 126, особенно устойчивы по отношению к радиоактивному распаду. Эти числа физики назвали «магическими». Именно атомов с такими ядрами больше всего имеется во Вселенной. Но среди них есть и еще более прочные. Это те ядра, у которых или число протонов, или число нейтронов, а еще лучше, когда и то и другое, соответствует одному из «магических чисел». Пример тому опять-таки гелий.
Но то, что хорошо для легких или средних по массе ядер атомов, начинает давать осечки ближе к концу таблицы Д. И. Менделеева.
Оболочечная модель строения ядра атома, казалось бы, должна приводить к равному количеству протонов и нейтронов в ядре атома. Но сложность соблюдения этого порядка заключается в том, что в нормальном, не возбужденном состоянии все нуклоны ядра должны находиться на самом низшем энергетическом уровне. А на каждом уровне, по аналогии с электронными уровнями, может располагаться лишь по две одинаковых ядерных частицы — два протона и два нейтрона. Поэтому многим из них на положенном уровне энергии просто не хватает места, и нуклоны должны располагаться на не положенном для них уровне, отчего нарушается в какой-то степени устойчивость ядра в целом.
Другая сложность заключается в том, что в ядре постоянно действуют два рода сил: электростатические силы отталкивания между положительно заряженными протонами и ядерные силы притяжения, действующие между всеми нуклонами — и протонами и нейтронами. Поэтому, чтобы построить ядра более сложных и тяжелых элементов, природе приходилось решать сложное энергетическое уравнение со многими неизвестными, а главное, чтобы при всех этих противоположно действующих факторах ядро не разваливалось само по себе. Вернее, без этого оно вообще не смогло бы сложиться с самого начала.
В большом ядре много протонов. Электрическими силами отталкивания оно в какой-то степени «разрыхляется», и, естественно, прибавлять к нему еще больше протонов нельзя, ибо это уменьшает энергию, связывающую вместе все ядро. И невольно переселяться на более высокий энергетический уровень приходится нейтральному нейтрону, так как на низшем уровне ему места уже не находится — все занято другими нуклонами. Добавление же безразличного к электрическим силам нейтрона упрочняет ядро, делает его более устойчивым, хотя нахождение части нейтронов на более высоких энергетических уровнях делает ядро в целом более возбудимым. Поэтому равное число протонов и нейтронов имеется только в самых легких ядрах. Далее эта удобная симметрия нарушается, и средние и тяжелые ядра упрочняются за счет увеличения в них числа нейтронов.
Но всему наступает конец. В тяжелых ядрах, с их очень большим количеством протонов, силы электростатического отталкивания становятся столь значительными, что даже при большом избытке нейтронов ядро постепенно теряет устойчивость и начинает распадаться, испуская альфа-частицы, электроны и гамма-лучи, стремясь при этом сложиться в какую-то наиболее прочную комбинацию, на которой этот радиоактивный распад мог бы окончательно задержаться.
Если в ядре оказывается слишком много нейтронов, оно приобретает устойчивость и прочность, выбрасывая в процессе радиоактивного распада электрон (и нейтрино). При этом один из нейтронов и превращается в протон. Если же в ядре имеется избыток протонов, то все происходит наоборот — выбрасывается позитрон (и нейтрино), а один из протонов превращается в нейтрон.
Часто случается так, что, выбрасывая электрон или позитрон (с нейтрино) и меняя протон на нейтрон, и наоборот, ядро все же должной устойчивости не приобретает. Нужной внутренней перестройки не получается. Тогда ядро вынуждено сразу выбросить альфа-частицу — два протона и два нейтрона с тем, чтобы после еще некоторого количества бета- распадов найти, наконец, успокоение в устойчивых изотопах свинца. Как мы уже знаем, существуют три цепочки таких естественных радиоактивных распадов: урана, тория и актиния. Приведем лишь один пример такого распада. Ядро урана-238, распадаясь, выбрасывает альфа-частицу и превращается в ядро тория-234. Но и это ядро оказывается неустойчивым и перегружено еще нейтронами. Поэтому один из них превращается в протон, а электрон и нейтрино покидают ядро. Получается уже ядро протактиния-234, которое точно таким же образом, с потерей позитрона и нейтрино, превращается в ядро урана-234. Но игра сил внутри ядра продолжается, и оно все еще остается возбужденным. Поэтому следует длинный ряд преобразований с испусканием альфа-частиц, а иногда и гамма-лучей. В конце концов дело доходит до свинца-214. Но он тоже оказывается неустойчивым и, испуская электрон, превращается в висмут-214, который, потеряв альфа-частицу, становится таллием-210. Но и тут не удается удержать в ядре лишние нейтроны, которые еще три раза превращаются в протоны с испусканием позитронов, пока злосчастное ядро не добирается до полония-210. Из него, наконец, вылетает спасительная альфа-частица, и претерпевшее столь большое число трансформаций ядро умиротворяется на устойчивом изотопе свинца-206.
Конечно, если бы ядро урана-238 первоначально было сложено как-то по-другому, возможно, такой длинной цепочки распадов и не потребовалось бы. Ведь существуют вполне устойчивые ядра более удачливых атомов элементов тяжелее свинца. Но, сложившись с самого начала неудачно, ядро атома урана-238 и других прародителей радиоактивных семейств, должно испить чашу распадов до конца и в поисках устойчивости дойти до свинца, не имея возможности задержаться где-то на полпути.
Естественно, что этот процесс протекает довольно долго. Нужно несколько миллиардов лет, чтобы распались и превратились в свинец все до единого ядра имеющихся в природе атомов урана-238
В ядрах искусственных радиоактивных изотопов отношение числа нейтронов к числу протонов оказывается малым. Это и является причиной возникновения позитронной активности.
В ряде случаев возникает совершенно другой вид распада. Вместо превращения протона в нейтрон с испусканием позитрона (и нейтрино) ядро атомов захватывает один из своих собственных электронов, чаще всего с одной из внутренних (ближайших к ядру) орбит, который немедленно соединяется с протоном, образуя нейтрон. Вследствие этого такое ядро превращается в ядро атома элемента на один порядковый номер меньше, но с прежним массовым числом, то есть становится изомером атома нового элемента. Например, ядро атома бериллия-7 таким образом может превращаться в ядро атома лития-7. Этот вид бета-распада называется К-захватом.
Наиболее часто К-захват наблюдается у ядер атомов тяжелых элементов, поскольку с увеличением положительного заряда ядра его радиус увеличивается, а радиусы орбит вну тренних электронов, наоборот, уменьшаются, тем самым приближаясь к ядру.
Так как при этом из электронной оболочки удаляется один из ее электронов, то такой процесс преобразования ядра одного элемента в другой сопровождается испусканием нейтрино и кванта рентгеновского излучения.
Таким образом, под общим названием бета-распад объединяются три самостоятельных вида радиоактивных превращений: собственно бета-отрицательный распад (испускание электрона), бета-положительный распад (испускание позитрона) и электронный, или К-захват (захват ядром электрона преимущественно ближайшей к ядру оболочки).
Известны и некоторые другие виды радиоактивных превращений. На некоторых из них из-за сложности или неясности самого явления мы останавливаться не будем, об одном или двух других видах распада постараемся рассказать в другом месте.
Ученые накопили огромное количество фактов и закономерностей, позволяющих оценивать неустойчивость и устойчивость различных ядер; предсказывать, каким способом будет превращаться то или иное радиоактивное ядро и какие при этом будет испускать частицы; будет ли образовавшийся изотоп короткоживущим или долгоживущим.
Однако ответить на основной вопрос: какие именно атомы распадаются в первую очередь, какие впоследствии, что является причиной, вызывающей сам распад, наука пока еще не может. По этому поводу известно лишь, что радиоактивному распаду предшествует накопление в ядре атома каких- то очень важных внутренних противоречий. Есть основания предполагать, что разгадка причины радиоактивности придет вместе с разгадкой другой, еще более сложной проблемы —  природы и механизма действия внутриядерных сил.

НЕМНОГО О ТЕПЛЕ

Самым замечательным свойством энергии является ее способность к превращениям. Одной из наиболее распространенных в природе форм энергии является энергия движения — кинетическая энергия, а тепловая энергия представляет собой запас кинетической энергии, беспрестанно и хаотически движущихся молекул или атомов. Количество тепловой энергии, какой обладает то или иное тело, измеряется сугубо условной величиной, называемой температурой. При высоком уровне энергии частицы вещества движутся быстрее, а встречая другие частицы, ударяются о них чаще и энергичнее. Следовательно, высокая температура соответствует и высокому уровню тепловой энергии. При низком уровне энергии скорость движения частиц и количество столкновений меньше; следовательно, низкая температура соответствует и низкому уровню энергии.
При этом температура тела или вещества определяется средней энергией всей совокупности движущихся частиц, составляющих данное тело или вещество. Действительно, там, где господствует хаотическое, беспорядочное движение частиц, там можно найти частицы различной энергии, то есть движущиеся с самой различной скоростью. Если бы каким-то чудом можно было рассортировать частицы любого вещества, находящегося, например, при комнатной температуре, по уровням их энергии, то, к нашему удивлению, мы нашли бы в нем и частицы, движущиеся со скоростями и энергиями, какие соответствуют температурам, близким к абсолютному нулю (—273,16°), и с энергиями, соответствующими температурам в тысячи и десятки тысяч градусов.
Откуда такая разница? Первые в результате столкновений замедлили свою скорость и отдали свою энергию другим частицам, вторые, наоборот, в результате более благоприятных столкновений ускорились еще больше.
Например, температура поверхности Солнца, так называемой фотосферы, равна 6000° — здесь и частиц больше, и сталкиваются они чаще, и в результате движутся они сравнительно медленно. Зато температура солнечной короны равна примерно миллиону градусов — плотность ее значительно меньше, чем у фотосферы, и сталкиваются частицы реже, но зато движутся они со скоростью, соответствующей столь высокой температуре.
Существует совершенно определенное количественное соотношение между температурой и энергией во всех встречающихся в природе случаях.

Зависимость между энергией вольтах и соответствующей движения частицы с электронной температурой в градусах.
На рисунке приведены значения абсолютной температуры (Т°), встречающиеся или могущие встретиться в природе, и соответствующие этой температуре некоторые физические процессы. Энергия Е движения частиц, принимающих участие в этих процессах, а также длина волн λ электромагнитного излучения, которые соответствуют движению частиц с приведенными величинами энергии, охватывают все формы электромагнитных колебаний, начиная от самых длинных радиоволн и кончая самыми жесткими рентгеновыми лучами.
Рассматривая первые две колонки рисунка, мы находим в них несколько примеров различных явлений, при которых определенной величине энергии соответствует та или иная температура.
При обычной комнатной температуре, равной 18—20°, атом водорода, например, движется со скоростью около 2,2 км/сек, что соответствует энергии этой частицы около 0,025—0,030 эв. При увеличении энергии атомов водорода до 10 тысяч электронвольт скорость их движения возрастет до 500 км/сек, что соответствует температуре уже 15 миллионов градусов.
Однако необходимо сделать одно весьма важное замечание. Главной характеристикой энергии тепла является то, что это энергия беспорядочного движения частиц.
Например, в обычном газе молекулы беспорядочно движутся во все стороны. В результате многочисленных столкновений молекул возникает некоторое естественное распределение скоростей движения частиц.
Только в этом случае естественного беспорядочного распределения направлений движения и скоростей частиц мы имеем право отождествлять это движение с температурой газообразной системы частиц.
Совсем другую физическую картину мы будем наблюдать в случае движения потока ядерных частиц в вакууме, разгоняемых современным ускорителем, скажем до 1000 Мэв.
При таких энергиях мы, казалось бы, должны получить температуру состоящего из этих частиц газа, равную 10 тысячам миллиардов градусов.
Однако мы этого не наблюдаем, так как движение этих частиц носит организованный характер: все они движутся по одному и тому же направлению, мало сталкиваясь одна с другой, что резко отличается от беспорядочного теплового движения частиц, какое фактически происходило бы в газе при такой температуре.
Вот почему в ядерной физике ученые сравнительно редко оперируют понятиями и величинами температуры, предпочитая пользоваться понятием уровня энергии.

ТЕРМОЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ

Таким образом, непрерывное нагревание вещества приводит его частицы во все более и более энергичное движение.
Большая часть всех молекул вещества будет распадаться на атомы (диссоциировать) при 10 тысячах градусов. Атомы лишатся части или большинства своих электронов при 100 тысячах градусов, и, наконец, ядро атома распадется на протоны и нейтроны при температурах, превышающих тысячи и десятки тысяч миллиардов градусов, так как при всех этих процессах поглощается энергия, идущая на преодоление сил притяжения, удерживающих вместе частицы, из которых складываются сначала молекулы, потом атомы и, наконец, ядра атомов.
Естественно, что все эти процессы связаны с расходованием большого количества энергии.
Однако повышение температуры может привести не только к нарушению существующих связей частиц между собой, но при некоторых условиях и к созданию новых связей.
Мы помним, что при бомбардировке ядер различных элементов (например, протонами) преодолеть отталкивающее действие суммарного положительного заряда ядра протон мог только в том случае, если обладал весьма большой энергией, превышающей сотни тысяч электронвольт, или, что одно и то же, огромной скоростью, соответствующей этой энергии.
Но такую же энергию можно было бы придать протону, скажем, нагрев водород до исключительно высокой температуры, измеряемой десятками и сотнями миллионов градусов.
Только в этом случае бешено мятущийся протон мог бы приблизиться к другому протону или ядру атома легкого элемента (например, лития) настолько близко, что силы отталкивания его положительного заряда ядра оказались бы преодоленными и протон вошел бы в сферу действия внутриядерных сил, которые и втянут его в центр ядра атома.
Вместо протона для этих же целей можно использовать дейтрон, альфа-частицу, несколько протонов и т. д.
Короче говоря, речь идет о процессах, конечной целью которых могло бы быть соединение ядер атомов более легких элементов в более тяжелые. Например, ядер атомов водорода в ядра атомов гелия.
Такие процессы могут осуществляться только при исключительно высоких температурах.
Если проследить, что происходит в это время с энергией, мы увидим весьма интересную и поучительную картину. Сначала, чтобы сблизить частицы вместе, то есть придать им надлежащие скорости, надо затратить определенное количество энергии, и притом весьма большое. В данном случае надо нагревать содержащее их вещество до немыслимо высокой температуры. Но этот процесс будет продолжаться только до определенного момента. Как только частицы сблизятся на расстояние действия внутриядерных сил, дальше их подогревать уже не нужно. Теперь движение частиц без всякого внешнего вмешательства будет продолжаться еще быстрее, в результате чего вместо поглощения энергии начинается ее выделение.
Для того чтобы выкопать глубоко зарытый очень богатый клад, нужна хоть какая-нибудь лопата и затрата относительно небольшой энергии на его выкапывание.

Как следует понимать возбужденное состояние ядра атома и какое это имеет отношение к температуре. Для наглядности в ядро помешен термометр, на котором справа обозначена энергия движения частиц, составляющих ядро, в миллионах электронвольт, а слева — температура в миллиардах градусов, соответствующая движению ядерных частиц с такой энергией: 1 — нейтрон приближается к бомбардируемому ядру атома; 2 — при попадании нейтрона в ядро последнее возбуждается — составляющие его частицы приходят в бурное движение, соответствующее энергии 10 Мэв. Температура внутри ядра, эквивалентная такому движению, достигает 80 миллиардов градусов; 3 — сильно возбужденное ядро вынуждено выбросить (испарить) лишнюю для него частицу (нуклон). Энергия движения его частиц, а следовательно, и температура понизилась; 4 — все еще возбужденное ядро испускает квант гамма-лучей, после чего все наконец приходит в нормальное состояние.
Однако откуда взять такие температуры, при которых могли бы складываться ядерные частицы или ядра легких элементов в более тяжелые? Существуют ли такие температуры в природе?
Положительный ответ на этот вопрос дает астрономия. Да, такие температуры существуют в центре Солнца и других звезд. Основным источником бесконечно длительного излучения огромных количеств энергии Солнцем и звездами является процесс соединения (синтеза) ядер легких элементов в более тяжелые — так называемая термоядерная реакция. И совсем недавно человеку удалось, взорвав водородную бомбу, воспроизвести такую реакцию на Земле.
На основании изучения ближайшей к нам звезды — Солнца — и работ по созданию водородной бомбы можно считать, что более или менее изученной в настоящее время реакцией синтеза ядер, легких элементов является реакция с образованием ядер атома гелия. Для этого теоретически существует несколько различных комбинаций.
Важным отличием термоядерной реакции синтеза ядер атомов легких элементов от реакции деления ядер тяжелых элементов является то, что последняя не требует для своего начала ни высоких температур, ни давлений. Термоядерная же реакция может начинаться и протекать лишь при исключительно высоких температурах — сотнях миллионов градусов.
Только при таких температурах движение участвующих в реакции частиц приобретает огромные скорости, необходимые для преодоления сил отталкивания сближающихся ядер.
Поэтому теплота и имеет такое важное и решающее значение в реакциях этого типа. От слова «теплота», по-гречески «термос», и происходит название этих реакций — термоядерные.
На этом мы, пожалуй, и закончим главу о «страшных» теориях с тем, чтобы вернуться к основной линии повествования — каким путем пришли ученые сначала к теории, а затем и к осуществлению идеи о высвобождении энергии, скрытой в ядре атома. Однако к некоторым положениям «страшных» теорий нам придется обращаться еще не один раз.