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 энергетикойэ

«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.

Общая масса продуктов такой ядерной реакции оказалась, как подсчитали ученые, меньше массы ядер исходного вещест­ва - урана. По уравнению Эйнштейна, связывающему массу с энергией, можно легко определить, что при этом должна выделиться огромная энергия! Причем произойдет это за ничтожно малое время. Если, конечно, цепная реакция станет неуправляемой и пройдет до конца...

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.

Ученые определили, что существует «критическая масса» ура­на или плутония. Если атомного вещества достаточно много, цепная реакция приводит к взрыву, если мало, меньше «критиче­ской массы», то происходит просто выделение тепла.

В атомной бомбе простейшей конструкции уложены рядом два куска урана или плутония, причем масса каждого немного не «дотягивает» до критической. В нужный момент запал из обычно­го взрывчатого вещества соединяет куски, масса атомного горю­чего превышает критическое значение, — и выделение разруши­тельной энергии чудовищной силы происходит мгновенно...

Ослепительное световое излучение, ударная волна, сметающая все на своем пути, и проникающее радиоактивное излучение обрушились на жителей двух японских городов — Хиросимы и Нагасаки — после взрыва американских атомных бомб в 1945 го­ду, поселив с тех пор в сердцах людей тревогу перед страшными последствиями применения атомного оружия.

Под объединяющим научным началом И. В. Курчатова совет­ские физики разработали атомное оружие. 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...

Друзья и сотрудники звали Энрико Ферми «папой», считая, что в научных вопросах он столь же непогрешим, как папа римский — в религиозных... У Игоря Васильевича Курчатова было два прозвища — «Борода» и «Генерал». Курчатов начал но­сить бороду после болезни во время войны и поклялся, что не сбреет ее до тех пор, пока не наступят победные дни. Видимо, он имел в виду не только военную победу над фашизмом, но и достижения в науке, ибо носил бороду до конца своих дней. На­стоящему физику всегда кажется, что главная удача еще впере­ди... «Генералом» Курчатова впервые назвал Анатолий Петрович Александров, будущий президент Академии наук СССР. «Вы Генерал и должны возглавить эти работы!» — убеждал он Курча­това в 1942 году. Только физик с «генеральским» научным авто­ритетом, умной волей и умением объединять людей должен был стоять во главе коллектива советских ученых, решавших атом­ные проблемы. Именно таким физиком являлся Курчатов.

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.

Как трудно, например, привыкнуть к процессам, происходя­щим при столкновении одних элементарных частиц, таких, как электрон, протон, нейтрон, с другими частицами или ядрами: они не раскалываются на части, не разрушаются, а... превращаются друг в друга.

Какую сенсацию вызвало среди физиков открытие у электро­на двойника — позитрона! Во всем позитрон подобен электрону, кроме заряда — он у позитрона положительный.

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...

Все эти поразительные открытия были сделаны благодаря тому, что физики научились сообщать элементарным частицам большие энергии и скорости, нашли способ сильно разгонять своих «питомцев» прежде, чем произойдет их роковая, быстро­течная встреча с другими частицами.

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.