Глава 2 АТОМНАЯ НАУКА

Атом и все-все-все

Давным-давно люди начали подозревать, что окружающий мир – совсем не такой, каким кажется. Сегодня это известно точно. Отбросив в сторону совсем уж фантастические варианты наподобие сценария «Матрицы», можно с уверенностью сказать: возможности наших органов чувств весьма ограниченны. Они, бывает, обманывают своих владельцев, давая неверную информацию о вещах, – не специально, не со зла, но все-таки. Взять, хотя бы, оптические иллюзии, заставляющие зрительную систему, что называется, «сбоить». Многие, к примеру, замечают эффект большой сплюснутой Луны над горизонтом, исчезающий с ее подъемом. Конечно, с нашим спутником при этом ничего не происходит. Сплющивание объясняется чисто физическим явлением – преломлением лучей света в атмосфере, так что к глазам и мозгу в этом случае не может быть никаких претензий. А вот насчет размера они врут: ночное светило только кажется больше, когда висит прямо над горизонтом, нежели высоко в небе. Эта иллюзия улетучивается, если сравнивать Луну с монеткой, которую держат в вытянутой руке: что на восходе, что в зените – диаметр лунного диска оказывается одинаковым. Значит, виновата зрительная система, а монета – простейшее средство проверки – ее поправляет.

Не вполне доверяя своим органам чувств, человек изобрел целый арсенал инструментов для получения точных знаний о видимом мире, то есть о вещах, различимых глазом. Постепенно рассеивая дымку иллюзий, ученые познавали окружающую реальность, и, казалось, разгадали почти все ее тайны, пока однажды не натолкнулись на огромную невидимую вселенную, уютно разместившуюся у них под боком. Ключом от этого незримого мира стало увеличительное стекло, достаточно мощное, чтобы разглядеть микроорганизмы в капле воды или живые клетки на срезе листа. Потирая глаза и моргая от удивления, владельцы специальных устройств с линзами – микроскопов – поначалу решили, что им померещилось. Но поскольку все видели одно и то же, пришлось признать, что окружающий мир просто-таки переполнен микроскопическими представителями живой и неживой природы. У биологов начался непрекращающийся праздник, открытия посыпались как из рога изобилия. Каждый пытался разглядеть новый вид или ранее неизвестные подробности. Вот и шотландский ботаник Роберт Броун, напряженно вглядываясь в окуляр, старался узреть что-то новое в капле воды с цветочной пыльцой. Каково же было его удивление, когда он заметил хаотическое движение самых маленьких частиц пыльцы! Оставалось неясным, сами они двигались или их что-то толкало; и чтобы прояснить этот вопрос Броун повторил опыт с пылинками неорганических веществ, которые не относились к живой природе и самостоятельно «танцевать» не могли. Но прибор упорно показывал все те же хаотические прыжки. Значит, в воде присутствовали «толкатели», неразличимые даже в самые мощные микроскопы. Очень-очень маленькие. Решили, что это атомы и молекулы, существование которых давно предполагалось, но еще не было доказано наглядно. К слову, многие вообще считали, что их не существует: «Не поверю, пока сам не увижу», – так можно описать настороженность ученых относительно набирающей силу атомистической теории.

Сегодня уже изобретен прибор, позволяющий не только «видеть» атомы и молекулы, но и даже передвигать их! С помощью атомно-силового микроскопа можно выложить надпись или что-нибудь нарисовать мельчайшими частичками материи. Только восхититься произведением «наноискусства» сумеет лишь обладатель такого же сложного и дорогого оборудования, каким оно было создано. В обычный оптический микроскоп с линзами разглядеть ничего не удастся; более того, согласно законам природы, это просто невозможно. Необходим иной физический подход, который и был реализован в атомно-силовых микроскопах.

В общем, выяснилось, что все-все-все на свете состоит из атомов. Для простоты их можно представить в виде мельчайших шариков с размытыми границами, непрерывно движущихся в пустоте. Удивительно, но даже в твердых телах атомы колеблются, а не пребывают в покое. Поэтому внешнее постоянство монолитной материи, к примеру, камней – это лишь обманчивое впечатление, тогда как внутри них происходит безостановочное мельтешение, невидимое глазу.

Чтобы объяснить, насколько малы атомы-шарики, придется прибегнуть к сравнениям. Они будут весьма приблизительными, но зато понятными.

Например, по диаметру атом настолько же меньше человеческого волоса, насколько волос меньше крупного колеса обозрения. Или так: если каждый из атомов, входящих в состав апельсина, увеличить до размеров самого апельсина, то получится фрукт диаметром с планету Уран.

С точки зрения массы атом легче обычной кошки во столько раз, во сколько этот урчащий комок шерсти легче нашей Земли. Другой пример: если положить на левую чашку весов одно пшеничное зерно, то уравновесить его удастся таким числом атомов, что аналогичное количество зерен весило бы как довольно крупный астероид. А отсчитывать эти зерна – по одному в секунду – пришлось бы три миллиона лет.

Атомы были так малы, что дальнейшее продвижение вглубь материи, казалось, не имело никакого смысла. Но ученых это не смутило: они изобрели способ «пощупать внутренности» атома (в этой связи стоит напомнить о знаменитом опыте Резерфорда с золотой фольгой, описанном в предыдущей главе). Какой же шок испытали исследователи, обнаружив внутри шариков… пустоту!

Ядра в облаках

Атом, какой ни возьми, и вправду практически пуст – за двумя исключениями: в его центре «висит» очень маленькое и очень тяжелое ядро, окруженное электронным облаком. (Конечно, «тяжесть» в данном случае – понятие относительное).

Термин «облако» появился не от хорошей жизни. Гораздо удобнее было бы сказать, что электроны вращаются вокруг ядра, почти как планеты вокруг Солнца. Но не все так просто. Наше воображение, воспитанное картинками из обычного мира, на деле не способно воспроизвести поведение электронов в атоме. Оказывается, каждый из них занимает свою орбиталь в пустоте вокруг ядра, но… одновременно всю. Человеческие представления пасуют перед такими «размазанными» по пространству электронами. Единственный надежный способ описать их поведение в атоме – это зубодробительные уравнения квантовой механики. Но можно попытаться обойтись без формул и, попросив прощения у современной науки, вообразить электронное облако как упорядоченный рой электронов, каждый из которых движется по своей орбите.

В атоме электроны выполняют две важные функции. Во-первых, обладая отрицательным зарядом, они экранируют положительно заряженное ядро так, что в целом атом с электрической точки зрения получается нейтральным. Несложно представить, что в отсутствие электронов одноименно заряженные ядра отталкивались бы друг от друга, и никакие химические вещества не смогли бы существовать. Кстати, электроны, наиболее близкие к внешней границе атома, как раз и отвечают за образование химических связей, – и это уже во-вторых.

Впрочем, иногда – в различных химических и физических процессах – атомы теряют или приобретают лишние электроны. Заряд таких атомов уже не нулевой, да и свойства они имеют несколько иные, поэтому их принято называть ионами.

Физики затрудняются сказать, что такое электрон, и пока не могут создать его надежную модель. В видении современной науки эта частица предстает крайне легкой материальной точкой, не имеющей внутреннего строения, с неясной формой и размером. Зато у нее есть отрицательный элементарный заряд (-1). Следовательно, электрон реагирует на электрические и магнитные поля. Благодаря этому свойству, специалисты научились управлять потоками (пучками) электронов. Так появились разнообразные ускорители электронов для медицины и промышленности, электронные микроскопы и другие приборы, среди которых – телевизор!

Электроны – очень легкие частицы, поэтому почти вся масса атома приходится на крошечное ядро. Его размер настолько мал, что если атом увеличить до масштабов крупнейшего в мире футбольного стадиона, ядро достигнет диаметра… мелкой горошины, а где-то над полем и трибунами, далеко друг от друга будут летать невидимые электроны. Представив себе подобную картину, можно понять, какая зияющая пустота царит в атоме. В принципе, можно сказать, что вакуум заполняет каждого из нас и все окружающие предметы. Иными словами, космос повсюду, а вовсе не за границей земной атмосферы.

Если из тела человека убрать все пустоты, прижав электроны к ядрам, то он пролезет в игольное ушко. А наша планета при таком раскладе сожмется до шарика, диаметр которого не превзойдет высоту Останкинской телебашни.

Кстати, может быть, так и работает костюм Человека-муравья? Впрочем, это чистой воды фантастика, и человечество даже близко не подобралось к таким технологиям, – если они вообще возможны.

Но не эта пустота станет предметом дальнейшего рассказа. Самые интересные и загадочные вещи происходят в ядре: несмотря на исчезающе малые размеры последнего, у него обнаруживается богатый внутренний мир.

Нуклоны

Атомное ядро можно попытаться представить себе в виде прозрачной сферы, заполненной маленькими шариками – протонами и нейтронами.

Протон – довольно-таки тяжелая частица, он весит почти как две тысячи электронов. А вот их электрические заряды равны, – правда, только по модулю: у электрона – (-1), протон же может похвастаться положительным значением (+1). Если вспомнить, что атом в целом электронейтрален, то есть имеет нулевой заряд, нетрудно вывести важное правило: число протонов в ядре равно числу электронов в облаке, его окружающем. В самом деле, положительные заряды должны быть скомпенсированы аналогичным числом отрицательных, чтобы в сумме получился ноль.

Количество протонов в ядре – важнейший параметр: именно он определяет, с каким химическим элементом мы имеем дело. Например, ядро азота в любой части Вселенной всегда будет содержать семь протонов, золота – семьдесят девять, а урана – девяносто два. Но как же протонам, спрятавшимся в самом центре атома, удается управлять его химическими характеристиками? Ответ прост: посредством упомянутого равенства с электронами, которые, в свою очередь, участвуют в образовании химических связей. Понятно, что атомы с разным числом протонов (а значит и электронов) будут отличаться по свойствам: взять хотя бы железо, в чьем атоме по двадцать шесть штук тех и других, и кислород, у которого по восемь «плюсов» и «минусов». Удобный показатель для сортировки химических элементов, не так ли? Впрочем, все уже давно рассортировано, причем, нашим великим ученым: порядковый номер элемента в таблице Менделеева – это и есть число протонов в ядре, равно как и электронов в облаке.

В самом начале таблицы, в ее первой клеточке, находится водород – система из одного протона и одного электрона. Простота данного типа атомов заставляет думать, что Природа преуспела в их производстве. Так и есть: водород – самый распространенный элемент во Вселенной, из которого преимущественно состоят межзвездные облака, а также планеты-гиганты и звезды. В последних протекают термоядерные реакции, о которых будет сказано чуть позже.

Интересно, что в звездах сложно встретить целые атомы водорода: из-за крайне высоких температур они ионизируются, то есть разваливаются на отдельные протоны и электроны, исполняющие безумный хаотический танец. Небольшая доля частиц при этом ускользает в космос и с большой скоростью устремляется во все стороны от звезды. К примеру, наше светило тоже испускает такие потоки свободных протонов и электронов. Их столкновение с атмосферой Земли  иногда провоцирует магнитные бури и полярные сияния.

В земных условиях атомы водорода тоже нетрудно превратить в протоны путем сильного нагрева или пропускания электрического разряда. Только, казалось бы, зачем это делать? Ну, стоит напомнить, что «голый» протон обладает положительным электрическим зарядом. А значит его скоростью и направлением движения можно управлять – с помощью электрических и магнитных полей. Именно так работают ускорители, успешно применяемые в науке и медицине: электрическое поле разгоняет частицы, а магнитное – задает орбиту их движения. В результате получают протоны с высокой энергией, которые нужны врачам для лечения злокачественных опухолей (см. главу 8), а ученым для проверки существующих физических теорий и разработки новых. К примеру, крупнейший в мире ускоритель – Большой Адронный Коллайдер – как раз предназначен для разгона протонов до огромных скоростей и сталкивания их друг с другом. В таких, поистине адских соударениях рождаются новые, доселе неизвестные частицы. Физики радуются и потирают руки: чем сильнее разгоняются протоны, тем более интересные явления удается зарегистрировать.

Нейтроны, также входящие в состав атомных ядер, на деле являются братьями-близнецами протонов и отличаются от них только нулевым зарядом. Число нейтронов в ядре приближается к количеству протонов.

Важный вопрос заключается в том, как атомным ядрам вообще удается существовать? Положительно заряженные протоны по закону Кулона должны отталкиваться друг от друга; нейтронам тоже, вроде бы, нечем «склеиваться». Их гравитационное притяжение друг к другу исчезающе мало. Почему же ядра не разлетаются на составляющие частицы? Оказывается, что внутри них действуют особые силы, удерживающие протоны и нейтроны вместе. Они значительно мощнее электромагнитных сил, и поэтому получили совершенно справедливое название – сильное взаимодействие. Для него неважно, каким зарядом обладает частица. Как бы не отталкивались друг от друга протоны, сильное взаимодействие все равно удержит их вместе; тем более это верно для нейтронов. Более того, с точки зрения ядерных сил протон и нейтрон вообще неразличимы и выглядят как одна и та же частица! Вот почему для них придумали общее название – нуклоны (от лат. nucleus – ядро).

Ради интереса можно оценить плотность атомного ядра, ведь у него есть и размер, и масса. Результаты расчета поражают воображение. Шарик для пинг-понга, изготовленный из ядерной материи, весил бы около десяти миллиардов тонн. Это больше полутора тысяч пирамид Хеопса, сложенных вместе!

Еще удивительнее, что во Вселенной объекты с подобной чудовищной плотностью, похоже, существуют. Некоторые массивные звезды заканчивают свой век колоссальным резким сжатием, имеющим гравитационную природу. Дикое давление просто-таки «вбивает» электроны (заряд -1) в протоны (заряд +1) с образованием нейтронов (заряд 0). Появляется так называемая нейтронная звезда. Ее плотность даже выше, чем у ядерной материи: нейтронная звезда радиусом 12-13 километров весит как два наших Солнца.

Вам не тесно в одной клеточке?

Итак, число протонов в ядре однозначно указывает на химический элемент, являясь одновременно его порядковым номером в таблице Менделеева. Но вот количество нейтронов может вызвать путаницу. Для примера лучше всего взять атом водорода, в центре которого находится одиночный протон. Какой элемент получится, если добавить к нему нейтрон? Или даже два нейтрона? Нетрудно догадаться, что с химической точки зрения он так и останется водородом, поскольку число протонов, равно как и электронов, от этого не изменится. Действительно, по химическим свойствам вышеописанные атомы практически не будут отличаться друг от друга, поскольку за образование связей отвечает электрон, а он во всех вариантах один. Но физики могут справедливо заметить, что ядра-то разные! И окажутся правы. Из-за этого атом водорода с одиночным протоном (протий) наиболее распространен во Вселенной, тогда как более сложный вариант с добавленным нейтроном (дейтерий) встречается очень редко, а с двумя (тритий) – еще реже. Сверх того, «нагрузка» из двух нейтронов делает ядро трития нестабильным, радиоактивным.

Но все они, как ни крути, представляют собой водород, то есть теснятся в одной клеточке таблицы Менделеева. Подобная ситуация характерна почти для всех химических элементов! Для порядка условились называть атомы с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов в ядре изотопами. В переводе с древнегреческого это означает что-то вроде «одинакового места»: название символизирует аналогию химических свойств, благодаря которой они попадают в одну и ту же клетку Периодической таблицы.

Изотопы водорода

Протий, дейтерий и тритий – изотопы водорода – живут в клетке под номером один. У них разные имена, и это может показаться удобным, но только поначалу. Трудно себе представить, какое количество названий пришлось бы держать в голове, если бы каждый изотоп каждого элемента удостоился такой чести. Ученые придумали более простой способ их различить: «код» изотопа составляют из названия элемента, к которому он принадлежит, и общего числа нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре. Дальше – дело техники.

Пояснить хитрости «кодировки» можно на примере калия. В природе встречаются такие изотопы, как калий-39, калий-40 и калий-41. Содержание протонов в них одинаковое – 19 штук, поскольку указанный элемент находится в девятнадцатой клетке таблицы Менделеева. Но сколько там нейтронов? Чтобы разгадать тайну, придется проделать нехитрый расчет. В «коде» после дефиса указано суммарное количество нуклонов. После вычитания девятнадцати протонов должно остаться как раз искомое число. К примеру, у калия-39 ядро включает 39 – 19 = 20 нейтронов, у последующих изотопов их больше – 21 и 22 штуки, соответственно.

Аналогичным образом легко выяснить, что в ядрах природных изотопов урана (уран-234, уран-235 и уран-238), занесенного в таблицу Менделеева под номером 92, около 140 нейтронов. Если быть точным, то 142, 143 и 146.

Теперь не составит труда привести к общей схеме и изотопы водорода: протий получит имя водород-1, дейтерий – водород-2, а тритий – водород-3.

Кстати, существуют элементы, представленные в природе лишь одним изотопом: натрий, алюминий, кобальт, йод и другие. Впрочем, ученые научились получать искусственные изотопы этих элементов, обстреливая ядра заряженными частицами и нейтронами. Можно оценить грандиозную работу исследователей, если учесть, что из более чем 3100 изотопов, известных на сегодняшний день, на Земле встречаются всего лишь 339. Остальные – рукотворные!

Первый искусственный изотоп был получен в 1934 году французскими физиками Фредериком и Ирен Жолио-Кюри. Это был фосфор-30 – в отличие от фосфора-31, единственного встречающегося в природе. Ну а сегодня семейство изотопов этого элемента включает уже 23 члена.

Речь об изотопах зашла не случайно. Обсуждение любых ядерных технологий – промышленных, медицинских, научных – невозможно без их упоминания. Но сами по себе изотопы оказались бы бесполезными, если бы внутри их ядер не таилась загадочная сила, которую человеку удалось себе подчинить.

Малюсенькие батарейки

Как известно, в дровах, угле, нефти и газе хранятся запасы химической энергии, которую можно добыть путем сжигания. В ядрах атомов, как в микроскопических батарейках, тоже аккумулирована энергия – только в гораздо более концентрированном виде, нежели в обычном топливе. Как ей воспользоваться?

Существует два основных пути. Во-первых, некоторые ядра самостоятельно выбрасывают излишки энергии в форме радиации. Это явление известно как радиоактивность, и оно широко используется в самых разных областях человеческой деятельности (см. главу 8). Однако выход атомной энергии при радиоактивных превращениях все же сравнительно мал. Гораздо интереснее второй вариант – ядерные реакции, происходящие при столкновениях ядер или их обстреле различными частицами. Вот где можно получить, что называется, «реальный бонус»! Трудность состоит в том, что далеко не все ядерные реакции оказываются выгодными: в большинстве случаев затраты энергии на их проведение перевешивают положительный эффект. Впрочем, мокрые дрова тоже не горят, сколько не чиркай спичками. В таких случаях просто ищут сухие поленья. Неудивительно, что подобный подход сработал и тут: были обнаружены процессы с огромным энергетическим эффектом. Деление тяжелых ядер (в основном, урана-235) давно и успешно используется в реакторах разнообразного назначения – энергетических, транспортных, исследовательских… Без преувеличения можно сказать, что это главная ядерная реакция в истории человечества. Хочется надеяться, что в скором времени нам удастся овладеть еще и термоядерным синтезом – реакцией слияния легких ядер. Она тоже обладает значительным энергетическим эффектом, что легко доказать на примере Солнца – огромного термоядерного реактора.

Впрочем, обо всем по порядку.

Кстати, как правильно: атомная или ядерная энергия?

На самом деле, второй вариант ближе к истине, поскольку «добывают» ее именно из ядра, тогда как электроны в этом процессе не участвуют. Тем не менее, исторически сложилось так, что оба этих термина равноправны. Однако в случае атомной станции, ядерного реактора, атомной подводной лодки, атомного ледокола, ядерного топлива подобная вольность с перестановкой прилагательных уже недопустима. Это устоявшиеся словосочетания, и иные варианты просто будут резать слух знающему собеседнику.

Радиоактивность

Говорят, что Вселенная не знает покоя. Непостоянство присуще миру, начиная с грандиозных галактических масштабов и заканчивая микроскопическими объектами. Материя, «оседланная» энергией, просто не может находиться в неподвижности: она стремится к перемещениям и превращениям.

Непоседливая вода течет по руслам рек, а огромные массы воздуха путешествуют, создавая ветреную погоду. Это – примеры механического движения материи, при котором вода все же остается водой, а воздух – воздухом.  

Химические процессы изменяют материю на более глубоком уровне: атомы в молекулах сдвигаются со своих мест, рвутся существующие и образуются новые химические связи. К примеру, в листьях растений солнечный свет заставляет воду и углекислый газ трансформироваться до неузнаваемости, превращаясь в сложные органические вещества. Но атомы в этих процессах остаются неизменными!  

Может быть, именно они – пример стабильности? Подавляющее большинство атомов, из которых состоят окружающие нас предметы и вещества, действительно подходят под это определение. Но рядом с ними, повсюду – абсолютно везде! – можно встретить атомы-оборотни, способные внезапно превращаться в абсолютно другие. Что поделать, так было задумано Природой.

Явление внезапного, спонтанного перерождения атома одного элемента в атом другого элемента с легкой руки Марии Кюри называют радиоактивностью. Термин недвусмысленно намекает, что любое подобное превращение неизбежно сопровождается испусканием радиации. Впрочем, она – лишь вестник «революции» в атоме. Важнее понять, что происходит внутри.

В итоге ученые докопались до сути явления: в ядре атома самопроизвольно увеличивается или уменьшается число протонов. Это – единственно возможный механизм смены элемента. Убери из ядра железа один протон, и оно станет марганцем, а добавь – получится кобальт. По-другому никак. Поэтому радиоактивные превращения – исключительная прерогатива ядер, а электронным облакам остается лишь смириться с происходящим: станет протонов меньше – часть электронов «потеряет работу», станет больше – придется искать новых «сотрудников». Образно выражаясь, именно так ядро, занимающее должность директора предприятия «Атом», управляет коллективом электронов.

Радиоактивные ядра отличаются избытком энергии, рвущимся наружу. Не углубляясь в дебри физики, можно сказать, что это характерно для достаточно тяжелых ядер с большим количеством нуклонов, а также ядер, в которых наблюдается значительный численный перевес нейтронов над протонами. Как их выявить? В принципе, «кодировка» любого изотопа содержит необходимые данные, по которым можно судить о его стабильности или, напротив, нестабильности.

Вот пара простых примеров.

Когда нуклонов в ядре слишком много, им сложно удерживаться вместе. Часть протонов и нейтронов так и норовит оторваться от своих соседей и отправиться в свободное путешествие. По этой причине у химических элементов, идущих в таблице Менделеева после свинца (номер 82), вообще нет стабильных изотопов! Такие элементы принято называть радиоактивными. Среди прочих, к их числу принадлежит уран. Поэтому наличие в «коде» изотопа слова «уран» является гарантией его радиоактивности, какое бы число ни следовало после дефиса. Впрочем, это относится ко всем радиоактивным элементам.

При значительном недостатке или избытке нейтронов над протонами ядро склонно самостоятельно исправлять эту досадную оплошность путем их превращения друг в друга. К примеру, среди природных изотопов углерода – углерод-12, углерод-13 и углерод-14 – радиоактивным является только последний. Логично, ведь в его ядре целых восемь нейтронов и только шесть протонов. Проблема избытка нейтронов решается превращением одного из них в протон. Ядро образующегося изотопа азот-14 являет собой пример идеальной гармонии: семь тех и семь этих.

Приведенные правила, конечно же, не учитывают множества важных параметров, и поэтому не могут считаться точными. Но зато они позволяют понять, по какой причине некоторые атомы, а точнее их ядра, не желают оставаться сами собой. Ради этого вполне можно пойти на столь серьезное упрощение.

Важно отметить, что радиоактивность – это естественное явление, существовавшее задолго до появления человека. К примеру, вовсе не ученые заложили в недра Земли радиоактивный элемент уран – он вошел в состав нашей планеты в процессе ее формирования, миллиарды лет назад. То же самое относится к природному радиоактивному изотопу калий-40, который невозможно отделить от обычного калия, ежедневно потребляемого с пищей растительного происхождения. Говоря простыми словами, современный человек «кушает» радиоактивный калий. Да ну и что, древние люди тоже его ели!

В целом же, природные радиоактивные изотопы можно встретить в любом объекте окружающего мира. И это совершенно нормально.

Закон для всех, но не для каждого

Неудивительно, что такое фундаментальное явление, как радиоактивность, было подробнейшим образом исследовано учеными. А поскольку они привыкли оперировать показаниями приборов и выводить на основе полученных данных строгие законы, то для начала были вынуждены поломать голову над тем, что и как измерять.

Например, словосочетание «машина едет быстро» для физика ничего не значит, а вот формулировка «ее скорость составляет 10 метров в секунду» – уже кое-что. Скорость – это измеримый показатель быстроты перемещения объекта.

Нужно было изобрести что-то подобное для радиоактивности.

Не мудрствуя лукаво, исследователи ввели новую физическую величину под названием… «активность». Она показывает, какое число радиоактивных превращений происходит в интересующем нас предмете за единицу времени. Если подумать, то это не что иное, как скорость превращения.

В настоящее время единицей измерения активности является беккерель – в память о великом ученом, обнаружившем явление радиоактивности в далеком 1896 году. Если в каком-либо предмете за одну секунду происходит одно превращение, то говорят, что его активность равна одному беккерелю (1 Бк).

Активность тела взрослого человека массой 70 килограммов составляет от 4000 до 5000 беккерелей (Бк) и остается постоянной на протяжении всей жизни. Объясняется этот факт, в основном, присутствием в тканях радиоактивного калия-40, постоянно поступающего в организм с пищей, богатой калием: сухофруктами, орехами, крупами, бананами и зеленью. Пытаться снизить свою активность, исключив из рациона перечисленные продукты, не только глупо, но и вредно для здоровья! Это может привести к недостатку калия –  гипокалиемии, тяжесть последствий которой варьируется от быстрой утомляемости до параличей и нарушения дыхания.

Еще в 1903 году Резерфорд и Содди установили, что явление радиоактивности подчиняется точному закону (см. главу 1). Для простоты его можно сформулировать следующим образом: активность образца, в котором содержатся атомы определенного радиоактивного изотопа, за равные промежутки времени убывает в одинаковое число раз. Это правило является универсальным и работает безотказно, если только кто-нибудь не ворует радиоактивные атомы или, наоборот, не подкладывает их в образец. Что ж, за этим нужно внимательно следить.

Закономерность станет понятнее, если продемонстрировать ее с помощью чисел. Вот абстрактный пример: активность предмета, содержащего конкретный радиоактивный изотоп, за час упала с 1000 до 500 Бк, то есть в два раза. Несложно предсказать, что спустя еще шестьдесят минут она составит 250 Бк, к концу третьего часа – 125 Бк и так далее. Иными словами, каждый час активность будет снижаться двукратно.

Кстати, время, за которое активность уменьшается в два раза, носит особое название – период полураспада. Соответственно, в приведенном выше примере он равен одному часу.

Каждый изотоп имеет свой, характерный период полураспада: в случае трития он слегка превышает двенадцать лет, у углерода-14 этот показатель немногим больше пяти тысяч семисот лет, а у калия-40 – выше миллиарда лет. Спектр периодов полураспада других известных изотопов простирается от безумно малых до невообразимо больших значений.

Следует заметить, что активность прямо пропорциональна числу радиоактивных атомов. С такой точки зрения период полураспада – это промежуток времени, за который радиоактивное превращение испытает половина атомов, имевшихся в наличии к его началу. Другими словами, по завершении данного интервала времени от исходного числа радиоактивных атомов останется лишь пятьдесят процентов. Можно ли считать, что через два периода полураспада их не будет вообще? Нет, нужно еще раз посмотреть на определение. На старт второго периода выйдет в два раза меньше радиоактивных атомов, и, значит, на его финиш придет половина половины – иными словами, четверть! Итак, спустя один период полураспада «уцелеет» одна вторая от исходного числа атомов, через два – одна четвертая, к исходу третьего – одна восьмая, и так далее. Математически к концу периода полураспада под номером n число радиоактивных атомов уменьшится в 2ⁿ раз – это n двоек, умноженных друг на друга.

График радиоактивных превращений

Как известно, каждый человек уникален, и предсказать поведение конкретного индивида – задача не из легких. Вместе с тем, существуют довольно строгие социальные законы, описывающие жизнь общества, то есть большой группы людей. Забавно, но в этом радиоактивные атомы сродни людям. Если их изначально много, действует вышеописанная закономерность: за один период полураспада превращение испытывает половина атомов. Но если радиоактивный атом один, пиши пропало: он может испытать превращение сразу же, или через миллион лет, или остаться неизменным до конца Вселенной. Этот парадокс показывает, что явление радиоактивности управляется случайностью (!), которая приобретает форму закономерности лишь для очень большого числа атомов. Впрочем, обычно приходится иметь дело как раз с такими количествами, и закон хорошо выполняется.

К примеру, из двух килограммов трития через двенадцать лет сохранится только один, от этого килограмма за следующие двенадцать лет останется лишь полкило, от пятисот же граммов к концу очередной двенадцатилетки «уцелеет» всего двести пятьдесят граммов.

А сколько трития будет, например, через сто двадцать лет? Это десять периодов полураспада, то есть n = 10. Поскольку 2ⁿ = 1024, то, грубо говоря, останется в тысячу раз меньше трития, чем было – около двух граммов.

К слову, тритий никуда не исчезает, он просто превращается в нерадиоактивный изотоп гелий-3, который при расчете уже не учитывается.

Аналогичным образом ведут себя и другие радиоактивные изотопы. Хорошо это или плохо? Ну, как посмотреть. Для специалиста по обращению с радиоактивными отходами – хорошо, потому что согласно данной закономерности уровень опасности отходов будет со временем снижаться – радиоактивные атомы постепенно превратятся в стабильные. А вот ученому, пытающемуся получить новые радиоактивные изотопы, впору хвататься за голову: его «свежеприготовленные» атомы станут уменьшаться в количестве так быстро, что он с трудом успеет измерить их свойства – сейчас физики открывают короткоживущие изотопы с крайне малыми периодами полураспада.

Можно сказать пару слов и долгоживущих изотопах. Взять, к примеру, калий-40 с периодом полураспада, превышающим миллиард лет. Что же получается: с момента образования Земли для него прошло не более четырех периодов полураспада? Да, именно так. Калий-40 – свидетель формирования нашей планеты, составная часть космической пыли, из которой она слеплена. Уран-238, период полураспада которого составляет четыре с половиной миллиарда лет, – тоже. Только число атомов калия-40 за время жизни Земли уменьшилось почти в шестнадцать раз по сравнению с исходным, а урана-238 – лишь в два раза. В общем, хотелось бы еще раз обратить внимание на важный факт: радиоактивность – явление, вызванное к жизни Природой, а не человеком. Он лишь научился использовать этот естественный феномен.

В завершение следует уточнить, что закономерность, о которой зашла речь в этом разделе, принято называть законом радиоактивного распада. Однако ни в коем случае не следует считать, что радиоактивное превращение представляет собой распад ядра на составляющие протоны и нейтроны. В реальности в ядре происходят процессы превращения одних частиц в другие, от него отрываются группы частиц или оно даже разваливается на две части, но никогда – на одиночные нуклоны. Впрочем, разговор об этом пойдет дальше.

Во все стороны

Радиоактивные превращения сопровождаются испусканием различных частиц: так ядро избавляется от избытка энергии.

Для тяжелых ядер с общим переизбытком нуклонов – больше 200 – весьма характерен так называемый альфа-распад, превращение с испусканием альфа-частиц, состоящих из двух протонов и двух нейтронов. Строго говоря, альфа-частицы представляют собой ядра гелия-4, но из-за «внутриядерного» происхождения им было дано особое название.

Если эти положительно заряженные, довольно тяжелые, но быстрые частицы попадают в вещество, они резко тормозятся, проходя очень небольшое расстояние. Этот факт имеет два важных последствия. Первое – положительное: от альфа-излучения – так называют поток из множества альфа-частиц – можно защититься листком бумаги, который их полностью остановит. С этой задачей справится даже роговой омертвевший слой эпидермиса, так что кожа человека сама по себе является надежной защитой. Но вот второе последствие – негативное: если альфа-радиоактивный атом попадает внутрь организма, то испускаемые им частицы теряют энергию в очень небольшой области, окружающей его. В результате вероятность повреждения клеток становится довольно высокой. (Можно сказать, что альфа-частицы производят эффект «слона в посудной лавке»).

Менее опасны бета-частицы, испускаемые ядрами с численным недостатком или перевесом нейтронов над протонами. Здесь физика сложнее: если нейтронов не хватает, один из протонов жертвует собой для восстановления равновесия и превращается в нейтрон; бывает и наоборот. По-научному этот процесс называется бета-распадом, и сопровождается он испусканием бета-частиц. Чаще всего такими частицами являются электроны, особое название которых по традиции объясняется местом рождения – ядром.

Бета-частицы гораздо «пронырливее» альфа-собратьев. Они тоже тормозятся веществом, но значительно хуже, и поэтому пробегают более длинные дистанции. Следовательно, защититься листом бумаги от них не получится, а вот сантиметровый слой алюминия будет весьма кстати. Впрочем, по этой же причине бета-излучающий атом, «сидящий» внутри организма, не так опасен, как альфа-излучающий: бета-частицы теряют энергию в довольно широкой области вокруг него. Соответственно, и шансы повредить клетки ниже.

Если ядру в результате превращения не удалось полностью избавиться от излишней энергии, ее остаток может быть выброшен в виде гамма-излучения. Говоря о нем, следует указать на пару важных особенностей. Во-первых, такой «сброс остатков» не является типом распада; собственно, такого понятия, как гамма-распад, и не существует. Гамма-излучение всего лишь является последствием альфа-, бета- или иных, более редких типов распада. Можно представить себе ведро, из которого сначала выплескивают основную массу воды, а затем она уже стекает тонкими струйками или даже каплями. Вот эти струйки и капли как раз и являются умозрительным аналогом гамма-излучения.

Во-вторых, это излучение имеет нематериальную природу. По своей физической сути оно больше всего напоминает свет, только гамма-излучение невидимо и обладает гораздо большей энергией. Оно слабо взаимодействует с веществом, свободно проходя сквозь него, поэтому для защиты от мощного гамма-излучения необходима внушительная бетонная стена или толстая пластина из свинца или железа. Неудивительно, что его еще называют проникающим излучением.

Существуют и другие типы излучения (распада), но они встречаются гораздо реже.

Альфа-распад, бета-распад, гамма-излучение

α (альфа), β (бета), и γ (гамма) – первые буквы греческого алфавита. Основные типы излучения были закодированы с их помощью еще Эрнестом Резерфордом.

В качестве примера α-активного изотопа можно привести любой изотоп урана, к примеру, уран-238. В его ядре так много нуклонов, что группа из двух протонов и двух нейтронов изредка «смывается» оттуда в форме α-частицы. Путем вычитания несложно определить, что в результате получается торий-234.

Выше уже были приведены примеры β-активных изотопов: тритий, углерод-14, калий-40. В их ядрах один нейтрон превращается в протон с образованием гелия-3, азота-14 и аргона-40, соответственно. При этом испускается β-частица, представляющая собой очень быстрый электрон.

Кстати, закон радиоактивного распада позволяет по соотношению числа атомов калия-40 и аргона-40 в геологическом образце определить его возраст. То же самое относится к углероду-14 (см. главу 8).

Пример источника гамма-излучения в тексте еще не встречался, но вот он: цезий-137. Этот изотоп накапливается в ядерном топливе, пока оно работает в реакторе. Вообще, цезий-137 испытывает бета-распад, но при этом сбрасывает не весь избыток энергии. От ее «остатка» он избавляется как раз посредством гамма-излучения.

Разные типы излучений обладают различной проникающей способностью

Альфа-, бета- и гамма-излучение часто называют радиацией, хотя это и не совсем правильно. На самом деле, радиация – это общий термин, объединяющий радиоволны, тепло, свет, ультрафиолет и излучение, испускаемое в ходе радиоактивных превращений (как раз о нем сейчас и идет речь). Последнему пришлось придумать особое название, отражающее специфику воздействия на вещество, – «ионизирующее излучение». Почему «ионизирующее»? Потому что только радиация, являющаяся неизбежным продуктом радиоактивного распада, обладает энергией, достаточной для ионизации атомов попавшегося на пути материала.

Действительно, попадая в любую среду, ионизирующее излучение заставляет электроны отрываться от атомов – собственно на это и расходуется энергия. Образовавшиеся ионы и свободные электроны обладают высокой химической активностью, благодаря чему вещество начинает меняться: разрываются связи, перегруппировываются атомы.

Что это может означать для человеческого организма? Для начала необходимо напомнить, что наши клетки главным образом – примерно на две трети – состоят из воды. Поэтому ионизирующее излучение, «влетая» в клетку, теряет энергию на ионизацию именно молекул воды. Они, в свою очередь, трансформируются в химически активные соединения, опасные для внутриклеточной среды.  В качестве одного из примеров можно привести пероксид водорода – популярное дезинфицирующее средство, убивающее микробы. Понятно, что с живой клеткой не случится ничего хорошего, если внутри нее начнет образовываться пероксид водорода.

Итак, под действием ионизирующего излучения в клетке появляются чужеродные агрессивные вещества. Если их накапливается слишком много, клетка гибнет. Следует, однако, отметить, что клетка обладает механизмом самовосстановления, и с небольшим воздействием радиации она вполне способна справиться – ровно так же, как человек справляется с легкой простудой. Здесь нет ничего удивительного, поскольку все живые организмы на Земле появились и эволюционировали в условиях природного радиационного фона. Уже неоднократно упоминалось, что радиоактивные вещества присутствовали в составе земной коры, воды и атмосферы с самого момента образования нашей планеты. Клетки давным-давно научились защищаться от испускаемого ими ионизирующего излучения.

Впрочем, даже сейчас, несмотря на развитие ядерных и радиационных технологий, естественное облучение превалирует над искусственным. Иными словами, ионизирующее излучение природных источников оказывает на человека значительно большее влияние, нежели техногенные объекты – медицинские установки, атомные станции и другие «ядерные» производства. В этом списке медицинское оборудование не случайно стоит на первом месте: почти всю «техногенную радиацию» люди получают во время диагностических и лечебных процедур. По сравнению с этим воздействием вклад нещадно критикуемых атомных станций очень мал.

Доза

Кстати, как измерить воздействие ионизирующего излучения на организм? Нужно учесть, что радиация, «пролетая» сквозь ткани тела, передает им энергию, от которой зависит интенсивность всех последующих химических процессов. Значит, риск для здоровья, связанный с облучением, тоже определяется этой потерянной в тканях энергией. Ее-то и нужно измерять.

Специалисты учли множество факторов и предложили в качестве меры опасности облучения величину под названием «доза». Этот параметр принято измерять в зивертах (Зв) в честь Рольфа Зиверта (1896-1966) – шведского ученого, одного из основателей науки о воздействии радиации на живые организмы. Доза зависит от энергии излучения, поглощенной тканями.

Зиверт – слишком большая единица измерения, с такими дозами редко приходится сталкиваться. Гораздо чаще применяют миллизиверт (мЗв), который в тысячу раз меньше. Вот несколько примеров.

Средняя годовая доза жителя России – около 4 мЗв (вклад природных источников – 85 %). Сверх этого значения работники атомных станций могут получить не более 20 мЗв в год.

Годовая доза космонавта, связанная с естественным космическим излучением – от 100 до 300 мЗв.

Пороговая доза, ниже которой опасные для здоровья эффекты не были зарегистрированы – 100 мЗв.

Лучевая болезнь – начиная с 1000 мЗв (за короткий период).

Гарантированный летальный исход – свыше 10 000 мЗв (за короткий период).

Чем больше переданная тканям энергия, тем больше доза, и тем выше риск для здоровья облученного человека. К счастью, в обычной жизни, равно как и на производстве, людям не приходится встречаться с действительно опасными дозами. Такое возможно лишь в аварийных ситуациях.

Здоровье работников атомных станций и других «ядерных» предприятий надежно защищено. Во-первых, каждому из них выдается специальный прибор для измерения дозы – дозиметр. Во-вторых, работу организуют так, чтобы максимально уменьшить возможную дозу: секрет заключается в автоматизации труда и развитии профессиональных навыков сотрудника. В-третьих, используются материалы, ослабляющие излучение, например, свинец или бетон, а также средства индивидуальной защиты.

Современный индивидуальный дозиметр

Итак, специалисты знают, как организовать защиту от ионизирующего излучения, и какие дозы допустимы при работе с опасной радиацией. Можно с уверенностью сказать, что на сегодняшний день человечеству хорошо известны все секреты безопасного применения ионизирующего излучения. Собственно, рассказу о безопасных промышленных, научных, медицинских технологиях использования явления радиоактивности и радиации будет целиком посвящена восьмая глава.

Но энергия, выделяемая в ходе радиоактивных превращений, все же недостаточно велика для создания крупных электростанций и мощных двигателей. Для этого как раз подходит второй способ извлечения энергии из атома: ядерные реакции.

Бам!

Для ядерной реакции – проще говоря, столкновения – нужны два участника. Чаще всего это какое-нибудь ядро и ускоренная частица, в него попадающая. В результате оба участника сливаются воедино, образуя составную структуру – причем весьма неустойчивую. Она довольно быстро превращается в другое ядро, испуская при этом ионизирующее излучение. В принципе, такое поведение можно назвать «вынужденной радиоактивностью».

Первую искусственную ядерную реакцию осуществил Эрнест Резерфорд. Не углубляясь в исторические и химические тонкости, можно сказать, что он бомбардировал альфа-частицами ядра атомов азота-14. Образующиеся составные ядра существовали недолго: выбросив протон, они превращались в стабильный кислород-17.

Первая в истории искусственная ядерная реакция

В настоящее время в качестве бомбардирующих частиц используются ускоренные протоны, ядра дейтерия и трития, альфа-частицы и даже более тяжелые ядра, а также нейтроны. В принципе, обстреливать можно чем угодно, главное разогнать «снаряд» до такой скорости, чтобы он преодолел электростатическое отталкивание «мишени». В вышеприведенном примере альфа-частицы крайне редко объединялись с ядрами азота-14, потому что большей частью отталкивались от них – ведь оба участника реакции имели положительный заряд. С таким же успехом можно слабой рукой кидать мячик в натянутую полиэтиленовую пленку – он срикошетит, вернется назад. Но если размахнуться посильнее, мячик прорвет преграду. Аналогичным образом разогнанная до большой скорости заряженная частица способна преодолеть отталкивание и внедриться в ядро-«мишень». Правда, для этого нужно особое устройство – ускоритель. Ну, или можно воспользоваться нейтронами, которые проблем с отталкиванием не испытывают вовсе.

Ядерные реакции часто используют для получения изотопов, не встречающихся в природе, в том числе радиоактивных. Эти изотопы нашли широкое применение в науке, технике и медицине (см. главу 8). В то же время большинство ядерных реакций, как и радиоактивные превращения, протекает с весьма скромным выделением энергии или вообще без него. В свое время этот факт заставил великого Резерфорда произнести такие слова: «Энергия, высвобождаемая при распаде атома, – сущая мелочь. Всякий, кто рассчитывает на преобразование атомов как на источник энергии, несет вздор».

Ученый просто еще не знал о существовании двух весьма необычных типов ядерных реакций, протекающих с огромным выходом энергии. Речь идет о делении и синтезе.

Почти напополам

Альфа-распад – не единственное средство, которым тяжелые ядра пользуются для «похудения», то есть сброса излишка нуклонов. Иногда, хотя и значительно реже, они совершают совсем уж решительный поступок – разваливаются на два сравнительно легких осколка. Такой самопроизвольный процесс называют спонтанным делением. Однако ученые выяснили, что аналогичного результата можно добиться с помощью ядерных реакций. Вынужденное деление тяжелых ядер провоцируют путем их бомбардировки частицами или гамма-облучением. Впрочем, большинство таких реакций представляют чисто научный интерес, поскольку выделяющаяся энергия совершенно не оправдывает затраты. Бомбардирующие частицы приходится разгонять до очень больших скоростей и постоянно обстреливать ими ядра, иначе процесс прекращается.

В тяжелых ядрах слишком много нуклонов, и им сложно «уживаться» вместе

Секрет успеха состоит в устранении этих недостатков. Во-первых, нужны частицы, которые и безо всякого ускорения поражали бы ядра, внедряясь в них. Уже говорилось, что на эту роль прекрасно подходят нейтроны из-за своего нулевого заряда; причем медленные, неускоренные нейтроны захватываются ядрами даже лучше быстрых.

Во-вторых, необходимы ядра, с готовностью делящиеся на осколки после захвата медленных нейтронов. Ученые нашли несколько таких изотопов – их еще называют делящимися, – но в природе встречается только один: уран-235.

Известно несколько делящихся изотопов, но практическое значение имеют лишь три из них: уран-235, уран-233 и плутоний-239. Два последних в природе не встречаются и могут быть получены только искусственным путем.

Реакция деления урана-235 протекает следующим образом. После захвата нейтрона возникает составное ядро уран-236, которое из-за избытка энергии начинает колебаться, приобретая форму то футбольного мяча, то мяча для регби. Это похоже на поведение в невесомости капли воды, в которую кто-то ткнул пальцем: она будет колыхаться, многократно переходя от шара к эллипсоиду и обратно, пока не успокоится. Образовавшееся ядро урана-236 тоже может «затихнуть», и в одном из пяти случаев это действительно происходит. Но значительно чаще эллипсоид растягивается так лихо, что приобретает форму гантели, а затем разрывается на две неравные части – осколки деления. Это два «голых» ядра, без электронных облаков, причем одно в среднем в полтора раза тяжелее другого – так уж распорядилась Природа.

 Они тут же разлетаются в противоположные стороны с огромной скоростью, около десяти тысяч километров в секунду. Своей «прытью» осколки обязаны колоссальной энергии, выброс которой происходит в момент деления. Чтобы показать, насколько она велика, можно привести следующий пример: сжигание одного атома углерода дает в пятьдесят миллионов раз меньше энергии, чем деление одного ядра урана-235. С этой же точки зрения один килограмм урана-235 эквивалентен двум с половиной тысячам тонн качественного угля. Просто-таки «концентрат энергии» получается!

Осколки движутся не в вакууме, а сквозь окружающую материю, взаимодействуя со слагающими ее атомами, и поэтому теряют скорость – тормозятся. Их кинетическая энергия убывает, переходя в тепло; очень отдаленно этот процесс можно сравнить с разогревом автомобильных шин при торможении.

Когда осколки теряют почти всю свою скорость, к ним начинают «липнуть» электроны, и образуются полноценные атомы, чаще всего радиоактивные. Их называют продуктами деления.

Все это, конечно, интересно, но… какой смысл в реакции деления урана, если его придется постоянно облучать нейтронами, заставляя разваливаться все новые и новые ядра, а иначе выброс энергии прекратится? Оказывается, смысл есть, потому что кроме осколков составное ядро урана-236 при делении выпускает еще и 2-3 свободных нейтрона. Выходит, потратили один нейтрон – получили несколько. Профит!

Вынужденное деление ядра

Передай дальше

Благодаря этому постоянное облучение перестает быть обязательным условием протекания процесса. Внешние нейтроны оказываются необходимыми лишь на первом этапе. Грубо говоря, их задача – инициировать деление хотя бы одного ядра урана-235, в результате развала которого появится несколько «самопальных» нейтронов. Если они попадут в соседние ядра, то смогут вызвать их деление с выбросом еще большего количества нейтронов, которые поразят очередные ядра, и так далее. Довольно быстро процесс приобретет лавинообразный характер.

Забавно сравнить вышеописанное явление с тем, что может произойти в зарослях бешеного огурца, богато увешанных созревшими плодами. Их «фишкой» является реактивный разброс семян на большие расстояния при малейшем прикосновении. Подобный взрыв может случиться даже самопроизвольно. Несложно догадаться, что будет, если в гуще растений, где висит уйма поспевших огурцов, один из них взорвется. Его семена полетят с большой скоростью, ударят по соседним плодам, они лопнут, летящих семян станет еще больше, будут новые взрывы плодов… И так далее, и так далее. Все закончится, когда разлетится последний бешеный огурец.

В ролике одной известной компании-производителя напитков подобный процесс был наглядно продемонстрирован с помощью множества взведенных мышеловок и аккуратно размещенных на них шариков для пинг-понга. Бросок всего одного шарика вызывал срабатывание друг за другом все большего числа пружин мышеловок, и все больше шариков поднималось в воздух.

Это довольно красивое зрелище одновременно знакомило наблюдателя с интересным процессом – цепной реакцией, примерами которой изобилует наука химия. Оказалось, что и ядерной физике есть чем похвастаться в этом отношении. Упомянутая особенность деления урана-235, заключающаяся в выбросе нескольких нейтронов против одного поглощенного говорит о том, что этот процесс способен протекать в форме цепной реакции.

Цепная ядерная реакция

Выгодный вариант, не так ли? Потратив нейтроны на начальном этапе, дальше можно не волноваться – все пойдет само собой. И еще будет выделяться энергия, много энергии! Это можно использовать.

Но вот о чем следует помнить: химикам известно, что при определенных условиях цепные реакции протекают со взрывом. Взять, к примеру, гремучий газ – смесь водорода и кислорода, взаимодействие которых представляет собой пресловутый цепной процесс. Гремучий газ может сдетонировать от самого слабого источника зажигания, поэтому при работе с водородом или в условиях его образования следует быть особенно осторожным. Но это ведь только химическая реакция! В случае с ураном-235 выделяется в миллионы раз больше энергии, и его взрыв должен быть просто колоссальным по мощности. Получается, любой кусок урана таит в себе опасность?

Нет, все далеко не так. В природной смеси изотопов урана основное место занимает уран-238, который чрезвычайно неохотно делится – можно для простоты считать, что не делится совсем. Он со значительно большим удовольствием захватывает нейтроны, «ворует» их, прекращая цепную реакцию. Понятно, что с таким «нерадивым» участником каши не сваришь. Значит, нужно искусственным образом повысить содержание урана-235, которого в природе мало, а мешающий изотоп – по максимуму удалить. Такой процесс называют разделением изотопов или обогащением – кому как больше нравится. (Речь о технологиях обогащения пойдет в третьей главе).

Но даже если получить стопроцентный уран-235, полностью очистив его от «ленивого» конкурента, взорвать этот слиток не удастся. Во-первых, его масса может быть недостаточной для запуска цепной реакции: большинство образовавшихся нейтронов будут просто-напросто улетать за пределы слитка, не вызывая делений. В этом и состоит феномен «критической массы», ниже которой самоподдерживающаяся цепная реакция не возникает из-за утечки нейтронов.

Термин «критическая масса» имеет чисто научное происхождение, но иногда его используют журналисты и писатели, чтобы обозначить некий предел, при преодолении которого случается важное, резонансное событие. Критическая масса недовольства людей государством может привести к революции; а критическая масса новых научных знаний – к научной революции, коренной смене представлений о мире, как это случилось во времена Ньютона и Эйнштейна. Можно привести пример попроще: наливая воду в воздушный шарик – из хулиганских побуждений, как же еще! – стоит помнить, что в определенный момент он лопнет.

Во-вторых, даже собрав больше урана-235, чем нужно, вряд ли получится изготовить слиток такого размера. При попытке объединить необходимое количество делящегося изотопа в его массе начнется самоподдерживающаяся цепная реакция. При этом процесс может пойти равномерно, а может и не пойти – в таком случае материал, образно выражаясь, разбросает по помещению. Взрыв? Да, самый настоящий, но не тот, который нужен, – не ядерный. Но в любом случае возникновение цепной реакции, обусловленное достижением критической массы, таит опасность для людей. К сожалению, история знает случаи, когда в лабораториях и на производствах из-за различных ошибок и нарушений происходили подобные «вспышки» цепных реакций. Неоднократно их виновники гибли из-за переоблучения.

С одной стороны, хорошо, что атомную бомбу так трудно взорвать. Но с другой стороны – как же трудно ее сделать!

Бах!

Значит, чтобы вызвать ядерный взрыв, необходимо каким-то образом моментально собрать в одной точке столько урана-235, чтобы его количество превысило критическую массу. Задача не из легких.

Значение критической массы зависит от множества факторов – формы, плотности, температуры, чистоты, окружения куска урана. Естественно, что ценный материал стараются экономить, максимально снижая его количество, необходимое для взрыва. Что для этого можно предпринять? Во-первых, использовать абсолютно чистый уран-235. Однако это не всегда возможно, как с технической, так и с экономической точки зрения. Приходится смириться с небольшой примесью урана-238 – не более двадцати процентов, а лучше – еще меньше.

Во-вторых, нужно создать в куске урана максимальную концентрацию нейтронов, вернув «утекающие» через его поверхность частицы обратно. Для этого уран можно окружить слоем отражателя – материала, ударяясь о который нейтроны будут возвращаться назад. С подобной задачей хорошо справляются вещества, содержащие легкие атомы – водорода, углерода, бериллия. К примеру, подойдет карбид вольфрама – соединение вольфрама с углеродом – очень прочное вещество, что важно для такого ответственного устройства, как атомная бомба; можно использовать в отражателе и «недееспособный» металлический уран-238 – нужно ж его куда-то девать.

Кроме того, в бомбу должен быть встроен собственный источник нейтронов – так называемый инициатор взрыва, который «вбросит» первые нейтроны.

Ну и, в-третьих: ядра урана-235 должны располагаться как можно ближе друг к другу. Нейтронам так проще попасть в цель: фигурально выражаясь, стукнуться лбом о дерево легче, блуждая в густом лесу, нежели в перелеске. Спрессовать уран до необходимых кондиций можно только с помощью обычной взрывчатки. Лишь она достаточно быстра для того, чтобы моментально достичь и превысить критическую массу и обеспечить «нормальный» ядерный взрыв, а не вышеописанную «вспышку», которая разве что разрушит бомбу.

Перечисленные рекомендации были учтены в различных конструкциях атомных зарядов. Для урана-235 подошла схема подрыва, известная как «пушечная» или «баллистическая». В ней два отдельных блока делящегося материала, каждый из которых имеет массу немного меньше критической, обычным взрывом сбиваются воедино. Вокруг них находится отражатель нейтронов. В итоге, слипшейся и обжатой массы урана-235 уже достаточно для ядерного взрыва.

Бомба «Малыш», сброшенная американцами на Хиросиму 6 августа 1945 года, имела как раз такой «дизайн». Основным ее элементом был пушечный ствол, на одном конце которого находился цельный цилиндр из урана-235 массой 25,6 кг и источник нейтронов, окруженные отражателем. В противоположном конце располагался заряд из пороха-кордита, толкавший при взрыве снаряд, на котором была закреплена труба (полый цилиндр) из урана-235 массой 38,5 кг. Сливаясь, два блока урана порождали ядерный взрыв.

Принцип пушечной схемы подрыва ядерного боеприпаса (максимальное упрощение)

Как уже упоминалось, плутоний-239 тоже подходит для организации цепной ядерной реакции; значит, возможна и плутониевая бомба. Правда, по ряду причин, пушечная схема подрыва в этом случае неприменима. Пришлось изобрести кое-что посложнее и, кстати, поэффективнее.

Имплозивная схема, предложенная для плутония-239, подразумевает его обжатие сфокусированной ударной волной. Это чрезвычайно сложная задача, потому что окружающую ядерный заряд обычную взрывчатку нужно одновременно – с точностью до одной микросекунды – подорвать во многих точках.

Первая наша бомба, РДС-1, была плутониевой. В центре двух полых полусфер из плутония-239 общей массой около шести с половиной килограммов размещался источник нейтронов. Сами же полусферы были окружены – последовательно – отражателем из металлического урана-238, алюминиевой оболочкой и более чем двумя тоннами обычной взрывчатки с тридцатью двумя специальными электродетонаторами. Конечно же, все элементы имели строгую сферическую форму: неравномерное обжатие просто уничтожило бы плутониевый заряд безо всякого ядерного взрыва. Так в результате полый шарик из плутония-239 диаметром всего девять сантиметров превратился в бомбу массой более четырех с половиной тонн, максимальный диаметр которой достиг полутора метров.

Принцип имплозивной схемы подрыва ядерного боеприпаса (максимальное упрощение)

Как известно, шар – это такое геометрическое тело, которое по сравнению с другими телами равного объема имеет наименьшую поверхность. А поскольку нейтроны «удирают» как раз через поверхность, то критическая масса делящегося изотопа будет минимальной, если он находится в форме шара. Для сравнения: критическая масса урана-235 при обычной плотности и без отражателя нейтронов составляет около пятидесяти килограммов (диаметр шара – семнадцать сантиметров), плутония-239 – десять килограммов (это почти десятисантиметровая сфера), а урана-233 – пятнадцать килограммов (шар в одиннадцать сантиметров). Разумеется, при взрывном обжатии и наличии отражателя критическая масса окажется меньше.

Дальнейшая работа шла в направлении упрощения конструкции, снижения массы и повышения мощности ядерного оружия. Первую задачу удалось решить в схеме «эллиптической имплозии», когда взрывчатку в форме эллипсоида подрывают лишь в двух точках, но она все же обеспечивает равномерное обжатие. При этом взрывчатки требуется меньше, следовательно, масса и диаметр бомбы снижаются в несколько раз.

Ну а сверхмощное оружие удалось изобрести, задействовав второй важный тип ядерных реакций – синтез. Хотя, рассмотрение этой темы стоит немного отложить. Потому что бомба – это, конечно, хорошо; но что насчет мирного атома?

Спокойно, спокойно...

Процесс в бомбе развивается столь быстро, что управлять им просто невозможно. Кроме того, в цепной реакции участвуют лишь «свежеиспущенные», то есть быстрые нейтроны. Им, в общем, некогда замедляться, хотя, как уже говорилось, медленные нейтроны гораздо эффективнее вызывают деление ядер урана-235.

Вопрос в том, как «обуздать зверя», как заставить цепную реакцию протекать спокойно. Иными словами – как построить ядерный реактор? Для начала стоит вспомнить, что деление, вызванное одним нейтроном, порождает их же в количестве двух-трех штук. Если что-нибудь не предпринять, то число нейтронов будет возрастать в геометрической прогрессии. О таких «вспышках» уже упоминалось: они опасны и неуправляемы. На крупном реакторе это может привести к аварии, последствия которой окажутся плачевными (но не к ядерному взрыву!). Для того чтобы процесс протекал мирно, нужно постоянно «забирать» избыток нейтронов, из двух-трех образовавшихся оставляя лишь один. Тогда цепная реакция пойдет ровно и гладко, по условной схеме «нейтрон – деление – нейтрон – деление – и так далее». Как же убрать лишние частицы? Оказывается, существуют  элементы, с жадностью поглощающие нейтроны, особенно замедленные: бор, кадмий и ряд других. Их так и называют – поглотители. Из поглотителей изготавливают стержни, которые вдвигают в реактор или извлекают из него, изменяя концентрацию нейтронов, соответственно, меняется и мощность – именно так реактором управляют. (К слову, при необходимости реактор можно остановить, погрузив все поглощающие стержни в реактор).

Конечно, заботятся и об эффективности процесса. Уже неоднократно отмечалось, что медленные нейтроны, которые еще называют тепловыми, значительно чаще вызывают деление ядер урана-235, чем быстрые. Но вот беда – при делении испускаются именно быстрые нейтроны. Как помочь им замедлиться, причем поскорее? В принципе, нейтроны теряют скорость, сталкиваясь с ядрами атомов. Причем, чем легче ядра, тем больше потеря скорости. Значит, для быстрого торможения нейтронов уран в реакторе должен быть окружен замедлителем – веществом, состоящим из легких атомов. С практической точки зрения для этих целей лучше всего подходит графит или обыкновенная вода. Еще более качественным замедлителем является тяжелая вода, в которой «стандартный» изотоп водорода – протий – заменен на дейтерий, но ее цена слишком высока – десятки тысяч рублей за литр. Поэтому в подавляющем числе современных реакторов можно встретить либо графитовый, либо водный замедлитель.

Кстати, для возврата «убегающих» нейтронов вокруг активной зоны реактора, как и в бомбе, устанавливают отражатель. Обычно это тот же материал, что и замедлитель, – графит или вода.

Еще одно отличие реактора от бомбы – небольшое содержание урана-235, что объясняется экономическими соображениями: обогащение – довольно-таки дорогой и весьма сложный процесс. Иными словами, преобладающим изотопом в ядерном топливе является «бесполезный» уран-238. Конечно, он «опасен» для нейтронов, потому что захватывает их без последующего деления, но все же уран-238 неспособен помешать протеканию процесса.

Интересно, что с захватом нейтрона ядро урана-238 превращается в уран-239, который после двух бета-распадов становится плутонием-239. То есть, облучая уран-238 нейтронами, можно нарабатывать делящийся изотоп. Собственно, таким образом и получали плутоний-239 для плутониевых бомб. Но можно ли использовать данную реакцию для получения «мирного» ядерного топлива на основе плутония? Принципиально можно, но технически эту идею оказалось не так просто реализовать. Впрочем, ядерные реакторы под нее уже созданы и опробованы промышленностью – это реакторы на быстрых нейтронах (см. главу 4).

Кстати, уран с повышенным содержанием урана-235 называют обогащенным. Но если в бомбе его доля может превышать девяносто процентов, то в энергетических реакторах она гораздо ниже. Обогащенный уран, переведенный в специальную химически, термически и радиационно-стойкую форму, называют ядерным топливом (см. главу 3). Именно внутри него протекает управляемая цепная ядерная реакция, в результате которой выделяется тепло. Чтобы топливо не перегрелось и не расплавилось, его постоянно охлаждают теплоносителем – в основном, водой. Теплоноситель, полностью оправдывая свое название, забирает «жар» у топлива и переносит его «куда надо» – к турбине.

В радиационном отношении свежее ядерное топливо практически безопасно, но по мере нахождения в реакторе в нем накапливаются продукты деления. Оно становится чрезвычайно радиоактивным и требует особого обращения (см. главу 7). Интересно, что даже при остановленной цепной реакции продукты деления разогревают ядерное топливо изнутри, и без охлаждения оно может расплавиться. Поэтому во избежание аварии заглушенный реактор и выгруженное из него топливо необходимо непрерывно охлаждать.

Итак, ядерный реактор представляет собой конструкцию, в которой гармонично сочетается ядерное топливо, теплоноситель, замедлитель и отражатель. Безопасно и эффективно объединить все эти разнородные элементы оказалось непростой задачей, с которой, впрочем, справились наши ученые и инженеры. Об этом будет рассказано подробнее в последующих главах, с третьей по шестую.

Многих беспокоит такой вопрос: «Может ли ядерный реактор взорваться как бомба»? Наверное, выше было дано достаточно разъяснений, чтобы самостоятельно прийти к отрицательному выводу. Для взрыва необходимо сильное равномерное обжатие критической массы практически чистого урана-235 при отсутствии поглотителей нейтронов. В реакторе подобные условия просто не могут реализоваться.

Ух, как горячо!

Цепная реакция деления, протекающая с участием делящихся изотопов и – чаще всего – медленных нейтронов, уже хорошо освоена человечеством. Ее положительные и отрицательные черты, в целом, ясны. Но людям свойственно искать новые возможности, что в полной мере относится и к технологиям получения энергии. Этим вызван интерес ко второй важнейшей группе ядерных реакций – синтезу.

В отличие от деления, то есть развала тяжелых ядер на осколки, синтез подразумевает столкновение и слияние легких ядер с образованием более массивных. Понятно, что положительные заряды соударяющихся ядер требуют их сильного разгона; в противном случае произойдет отталкивание. «Шустрыми» ядра можно сделать с помощью ускорителей, но это не совсем выгодно с энергетической точки зрения: коэффициент полезного действия получается очень низким. Поэтому придумали множество других вариантов осуществления реакции синтеза – технически очень разных, но с единым «зерном»: сталкивающиеся ядра нужно предварительно нагреть до очень высоких температур в  сотни миллионов градусов. Чем «жарче», тем выше скорость ядер. Вопрос в том, как удержать такую «горячую» материю, – ведь ни одно вещество на Земле не выдержит столь яростного воздействия. На помощь снова пришли законы Природы. Оказывается, при таких условиях электронам трудно удерживаться внутри атома, и они частично или полностью покидают его. Иными словами, атомы ионизируются, и вещество переходит в свое четвертое состояние – плазменное. Плазма состоит из свободных электронов и ионов, управлять которыми можно с помощью электрических и магнитных полей. К примеру, их можно загнать в замкнутую ловушку, созданную с помощью таких полей. Есть и другие варианты запуска реакции, но все они требуют достижения крайне высоких температур. Отсюда и название – термоядерные реакции.

Преимущества таких процессов очевидны. Во-первых, Солнце – это огромный термоядерный реактор, внутри которого ядра обычного водорода сливаются с образованием гелия-4. То есть этот процесс принципиально возможен и протекает в природе – во всех звездах нашей Вселенной. Во-вторых, в термоядерных реакциях используются легкие ядра, к примеру, изотопы водорода – дейтерий и тритий. Они очевидно безопаснее ядерного топлива, изготовленного из обогащенного урана или плутония-239. В-третьих, из килограмма термоядерного горючего можно получить раз в десять больше энергии, чем из такой же массы уранового топлива.

На сегодняшний день наиболее доступной термоядерной реакцией является слияние ядер дейтерия и трития. Этот процесс требует минимального разогрева плазмы по сравнению с другими вариантами, хотя и здесь требуется достичь непомерной температуры порядка сотни миллионов градусов. Конечно, возникает вопрос, насколько опасно столь «горячее» вещество; иными словами, не может ли случиться взрыв. Ответ – нет. Плазма, прочно удерживаемая магнитным полем и разогреваемая электрическим током, сильно разрежена: ее плотность в миллионы раз ниже, чем у воздуха. При любой неполадке плазма мгновенно потухнет. Таким образом, для взрыва или серьезной аварии просто нет подходящих условий. Термоядерные энергетические реакторы, если они будут запущены, окажутся гораздо безопаснее и экологичнее обычных – ядерных.

Синтез гелия-4 из изотопов водорода

Хотелось бы обратить внимание, что реакция синтеза принципиально отличается от реакции деления тем, что требует разгона сталкивающихся частиц и не протекает в цепной форме. Однако если уж она запустится в плазме, то за счет выделяющейся энергии будет поддерживать ее температуру на необходимом уровне. Следовательно, термоядерную реакцию можно сделать самоподдерживающейся – только это очень трудно. Пока все созданные установки – самых разных типов – потребляют энергии больше, чем производят. Так что, пока перспективы термоядерной энергетики весьма туманны.

В то же время неуправляемые термоядерные реакции уже давно реализованы в оружейном варианте. Задача нагрева термоядерной взрывчатки была решена путем предварительного подрыва небольшой плутониевой бомбы. В ряде случаев сферу с легкими изотопами встраивали непосредственно в нее. Таким образом, получается две бомбы в одной: сначала происходит «обычный» ядерный взрыв, который обеспечивает разогрев смеси легких изотопов до сверхвысоких температур – и она взрывается с гораздо большей силой.

Советский Союз поставил два рекорда в сфере создания термоядерных устройств. Во-первых, по проекту Андрея Дмитриевича Сахарова и Виталия Лазаревича Гинзбурга в 1953 году была испытана первая в мире компактная термоядерная бомба, помещавшаяся в бомбардировщик Ту-16. Во-вторых, самое мощное в истории человечества взрывное устройство – «Царь-бомба», – тротиловый эквивалент которой превысил пятьдесят миллионов тонн (!) тоже была испытана у нас на Новой Земле в 1961 году. Этот взрыв позволил продемонстрировать вероятному противнику возможности СССР по созданию термоядерного оружия практически неограниченной мощности.

Главное - практика

Итак, существует множество способов использования энергии, сокрытой в атомных ядрах. Радиоактивные превращения и ядерные реакции были заложены в основу высоких технологий, проникших практически во все сферы человеческой деятельности. О том, как научные идеи нашли воплощение «в железе» и какие преимущества они дают нашей цивилизации, будет рассказано в следующих главах.