Необъятная энергия крохотного атома
Когда электрическая энергия перешла из фазы пристального изучения учеными-физиками в эпоху повседневного использования человеком для повседневных нужд, у самих физиков появились невиданные ранее возможности постановки принципиально новых экспериментов, постоянно расширяющих наши знания о природе. Одним из самых значительных достижений науки в этом плане следует отметить овладение ядерной энергетикой.
«Хороша наука — физика! Только жизнь коротка». Эти слова принадлежат ученому, сделавшему в физике удивительно много. Их однажды произнес академик Игорь Васильевич Курчатов, создатель первой в мире атомной электростанции. 27 июня 1954 года эта уникальная электростанция вступила в строй. У человечества появился еще один могучий источник электроэнергии.
Путь к овладению энергией атома был долгим и нелегким. Начался он в первые десятилетия XX века с открытия естественной радиоактивности супругами Кюри, с постулатов Бора, планетарной модели атома Резерфорда и доказательства такого, как сейчас кажется, очевидного факта — ядро любого атома состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов.
В 1934 году супруги Фредерик и Ирен Жолио-Кюри (дочь Мари Склодовской-Кюри и Пьера Кюри) обнаружили, что бомбардировкой альфа-частицами (ядрами атомов гелия) можно превратить обычные химические элементы в радиоактивные. Новое явление получило название искусственной радиоактивности.
Если такую бомбардировку вести очень быстрыми и тяжелыми частицами, то начинается каскад химических превращений. Элементы с искусственной радиоактивностью постепенно уступят свое место стабильным элементам, которые уже не будут распадаться. С помощью облучения или бомбардировки легко сделать явью мечту алхимиков — изготовить золото из других химических элементов. Только стоимость такого превращения значительно превысит цену полученного золота...
Больше пользы (и, к сожалению, тревог) принесло человечеству открытое в 1938—1939 годах группой немецких физиков и химиков деление ядер урана. При облучении нейтронами тяжелые ядра урана распадаются на более легкие химические элементы, принадлежащие к средней части периодической системы Менделеева, и выделяют несколько нейтронов. Для ядер легких элементов эти нейтроны оказываются лишними... При «раскалывании» ядер урана может начаться цепная реакция: каждый из двух-трех полученных нейтронов способен в свою очередь произвести на свет несколько нейтронов, попав в ядро соседнего атома.
Огромные физические и технические возможности, скрытые в процессе деления урана, одним из первых оценил Энрико Ферми, в те далекие тридцатые годы нашего столетия еще очень молодой, но уже признанный глава итальянской школы физиков. Задолго до второй мировой войны он с группой талантливых сотрудников исследовал поведение различных веществ при нейтронном облучении и определил, что эффективность процесса деления урана можно значительно повысить... замедлив движение нейтронов. Как это ни странно на первый взгляд, при уменьшении скорости нейтронов увеличивается вероятность их захвата ядрами урана. Эффективными «замедлителями» нейтронов служат вполне доступные вещества: парафин, углерод, вода...
Переехав в США, Ферми продолжал быть мозгом и сердцем проводимых там ядерных исследований. Два дарования, обычно исключающие друг друга, сочетались в Ферми: выдающегося теоретика и блестящего экспериментатора. «Пройдет еще очень много времени, прежде чем мы сможем увидеть равного ему человека»,— писал крупный ученый . Зинн после безвременной кончины Ферми от злокачественной опухоли в 1954 году в возрасте 53 лет. Коллектив ученых, сплотившихся вокруг Ферми в годы второй мировой войны, решил на основе цепной реакции деления урана создать оружие невиданной разрушительной силы — атомную бомбу. Ученые спешили: вдруг нацистская Германия сумеет раньше всех изготовить новое оружие и использует его в своем бесчеловечном стремлении к порабощению других народов?
Ученым удалось уже в 1942 году собрать и запустить на территории стадиона Чикагского университета первый атомный реактор. Стержни из урана в реакторе перемежались угольными «кирпичами» — замедлителями, а если цепная реакция все же становилась слишком бурной, ее можно было быстро остановить, введя в реактор пластины из кадмия, разъединявшие урановые стержни и полностью поглощавшие нейтроны.
На атомном реакторе была получена управляемая цепная реакция, проверены теоретические расчеты и предсказания. В реакторе шла цепь химических превращений, в результате которых накапливался новый химический элемент — плутоний. Его, как и уран, можно использовать для создания атомной бомбы. Но руководитель этих работ не переставал думать и о мирном использовании атомной энергии. Ведь атомный реактор приходится интенсивно охлаждать, почему же это тепло не «отдать» паровой или газовой турбине, не применить для обогрева домов? Через атомный реактор пропустили трубки с жидким легкоплавким металлом. Разогретый металл поступал в теплообменник, где передавал свое тепло воде. Вода превращалась в перегретый пар, начинала работать турбина. Реактор окружили защитной оболочкой из бетона с металлическим наполнителем: радиоактивное излучение не должно вырываться наружу. Атомный реактор превратился в атомную электростанцию, несущую людям спокойный свет, уютное тепло, желанный мир...
Атомный реактор и атомная бомба были важными, но преходящими этапами в научной биографии обоих ученых. Ферми в последние годы жизни вернулся к сложным теоретическим вопросам ядерной физики. Курчатов, едва первая атомная электростанция вступила в строй, стал вести исследования по разработке еще более могучего источника электроэнергии. Он глубоко верил, что термоядерный синтез — слияние при высоких температурах нескольких ядер в одно — процесс, идущий с освобождением огромного количества энергии, тоже удастся «приручить», сделать управляемым, послушным воле человека. Как считают ученые, именно реакция термоядерного синтеза обеспечивает горение Солнца. В недрах Солнца очень подходящая температура для этих реакций - 15—20 миллионов градусов! Ученики Курчатова — академики Л. А. Арцимович, М. А. Леонтович, Е. П. Велихов, Б. Б. Кадомцев разработали способы, с помощью которых может зажечься на Земле искусственное солнце. Раскаленную плазму надо запереть в прочных «стенках» магнитного поля, сжать и разогреть мощными электрическими разрядами, светом, бомбардировкой электронным или ионным пучком. В качестве исходных веществ при получении плазмы выгодно (в энергетическом смысле этого слова) взять изотоп водорода — дейтерий и легкий элемент литий. Ученые уже смогли получить в эксперименте плазму с температурой больше 7 миллионов градусов, «живущую» пока, к сожалению, лишь десятые доли секунды. Но дорогу осилит идущий... Энрико Ферми много времени и сил уделял другой новой ветви ядерных исследований, получившей название физики элементарных частиц. Сейчас это, пожалуй, самая сложная и волнующая область физики, где ученые непрерывно встречаются с новыми, странными и удивительно красивыми явлениями.
Прошло пятнадцать — двадцать лет после теоретического предсказания, а затем и экспериментального обнаружения позитрона, и двойники, получившие название античастиц, нашлись у всех без исключения элементарных частиц. В настоящее время облучение различных химических веществ ведут, как правило, не альфа-частицами, испускаемыми радием в процессе естественного радиоактивного распада, а в миллионы раз более энергичными заряженными частицами, разгоняемыми с помощью огромных ускорителей. С большой скоростью вылетают из облучаемых веществ разнообразные частицы.
Для определения характеристик образующихся частиц ученые сейчас используют в своих экспериментах камеры, получившие название пузырьковых. В отличие от камеры Вильсона, заполненной газами, парами воды или спирта, в пузырьковых камерах находится под большим давлением жидкий водород. Попавшая внутрь камеры частица оставляет за собой след из пузырьков вскипевшего водорода. Мощный ускоритель размером с футбольный стадион — недалеко от города Серпухова. В кольцевом тоннеле из стали создается почти космический вакуум, внутри летит пучок частиц, а от тоннеля отходят прямые боковые рукава-отростки, куда исследователи время от времени «выводят» часть пучка. Здесь находятся измерительные приборы, облучаемые вещества, скоростные фотокамеры.
Когда сравниваешь эту грандиозную и дорогостоящую технику с простыми маленькими приборами, пользуясь которыми ученые прошлого достигали своих великих целей, то невольно закрадывается смущающая мысль: не гонятся ли физики наших дней за призраками, не руководит ли ими вполне понятное, но эгоистическое желание просто заниматься наукой ради науки? И после трудного раздумья отвечаешь себе: нет, все-таки в развитии физики, несомненно, существует какой-то скрытый, не до конца понятый механизм, заставляющий даже самые далекие от практики научные достижения, в конце концов, приносить человеку пользу.
Дата добавления: 2017-11-21; просмотров: 747;