Взрыв атома

Занимательная винтажная статья, которая, думаю, заинтересует сотрудников.
ОТ СОЛНЦА К АТОМУ

Всем как мы знаем, что мы живем за счет солнечной энергии. Мы пользуемся ею, в то время, когда сжигаем каменный уголь: так как угольные залежи – это не что иное, как остатки погребенных под почвой доисторических лесов, а они росли за счет энергии солнечных лучей. Энергия Солнца заключена в «белом угле» – энергии рек, каковые мы заставляем вращать турбины гидростанций. «светло синий уголь», другими словами энергия ветра, – это также преобразованная солнечная энергия.

Заглядывая вперед и строя замыслы могучей энергетики будущего, горячие головы грезили в основном, лишь о самоё полном освоении всех видов энергии, образующихся на Земле благодаря солнечному излучению.

Но когда исследователи разобрались в устройстве атомов, размышления об энергетике будущего приобрели новое направление. Солнце прекратило быть в глазах многих мечтателей единственным источником двигательных сил будущего.

Современная наука узнала, что атом является сложную конструкцию. В центре его расположено тяжелое положительно заряженное ядро, а около него – целый рой легких, подвижных отрицательно заряженных электронов. База строения вещества – это как раз ядро.

Добравшись до него, исследователи выяснили, что ядро, со своей стороны, имеет сложный состав. ядра атома всех элементов выстроены из несложных водородных ядер (они стали называться протонов) и нейтронов – нейтральных, другими словами электрически не заряженных частиц.

Силы, каковые скрепляют нейтроны и протоны в очень плотной упаковке ядра атома, пока что еще таинственны. Но как мы знаем, что они огромны. К этому заключению возможно было прийти, замечая хотя бы за радием, сложные ядра атомов которого являются неустойчивые совокупности.

Перестраиваясь и выбрасывая избыточные частицы, они выделяют огромное количество энергии.

Внутриатомная энергия, выделяемая радием, так громадна, что в то время, когда им пользуются для лечебных целей – к примеру, чтобы выжигать раковые опухоли, – то берут самые ничтожные количества его, небольшие доли грамма. В противном случае излучение будет чересчур сильным, и вместе с больным опухолью будут выжжены и здоровые ткани.

Избыточные частицы, вылетающие из распадающихся ядер атомов радия, выбрасываются с таковой большой силой, что скорость их достигает десятков тысяч километров в секунду. Если бы артиллерийские боеприпасы летали с таковой скоростью, то они проходили бы через самую толстую броню так же легко, как простой боеприпас через паутину!

Грандиозные запасы внутриатомной энергии находятся не только в ядрах атомов радиоактивных веществ. Они имеются в атомах любого вещества – в атомах почвы, воды, воздуха, отечественного собственного тела. Но как извлечь эту энергию оттуда?

Она выделяется самопроизвольно лишь из атомов радиоактивных веществ, подверженных постоянному распаду. А во всех остальных веществах она хранится «на замке», и открыть ей доступ вo внешний мир – не легкая задача.

ЭНЕРГИЯ НА ЗАМКЕ

Физики, изучившие явления радиоактивности, продолжительное время пребывали в таком же положении, как и созерцатели звездных миров. Как для астрологов недосягаемы светила, каковые они изучают, так и физики никак не могли влиять на ход естественной радиоактивности.

Радиоактивные вещества возможно кипятить, обжигать, охлаждать до самых низких температур, подвергать их действию самых могучих магнитных и электрических полей, а они будут продолжать, будто бы ничего не случилось, собственную внутреннюю перестройку, не замедляя и не ускоряя ее темпа. Ядро всякого атома, кроме того для того чтобы неустойчивого, как атом радия, скреплено так прочно, что действие тысячеградусной жары ила десятков тысяч воздухов давления – сущий пустяк для него. Они не смогут вынудить его распадаться на части либо перестраиваться.

Но величайший экспериментатор этого века Эрнест Резерфорд сумел подобрать для разгрома ядра подходящий боеприпас. В 1919 году он в первый раз бомбардировал атомы обычного азота теми самыми частицами, каковые с огромной силой и скоростью выбрасывают распадающиеся атомы радия. Резерфорд доказал, что ядро азота по окончании попадания в него таковой частицы, со своей стороны, расщепляется.

Эти работы открыли путь к ядру атома. Много исследователей во множестве лабораторий во всех частях света стали удачно бомбардировать ядра атомов различных элементов, стараясь их уничтожить и взглянуть, что из этого окажется.

Как раз в ходе данной работы было совершенно верно высчитано количество энергии, заключенной в ядре.

Мощь внутриядерной энергии не имеет возможности идти ни в какое сравнение с мощью простых видов энергии, каковые дам до сих пор были известны. Заберём для примера хотя бы таковой концентрированный вид энергии, как скрытая энергия пороха. При взрыве эта энергия освобождается.

Порох преобразовывается в тёплые газы, каковые выталкивают боеприпас. Работу, которую наряду с этим совершает заряд, скажем, 76-миллиметрового патрона, имели возможность бы выполнить в такой же маленький срок лишь около полумиллиона людей, да и то напрягая все собственные силы! А внутриядерная энергия, содержащаяся в таком количестве вещества, какое требуется для порохового заряда, в миллион раза больше скрытой химической энергии пороха!

Таким; образом, размышления о заманчивых запасах внутриядерной энергии постоянно имели под собой некую землю. Фантазия начиналась в том месте, где обращение заходила о практическом применении этих энергетических запасов.

НЕПРИЯТНОСТИ ДЛЯ МЕЧТАТЕЛЕЙ

Одна из наибольших проблем для тех, кто грезил об применении внутриядерной энергии, заключалась в том, что в ядро атома весьма тяжело попасть – кроме того сверхбыстрыми «боеприпасами» Резерфорда.

Чтобы выяснить, из-за чего это так, представим себе кусок самого жёсткого, самого плотного вещества, скажем, металла. В случае если поверхность излома куска металла разглядывать в весьма сильный микроскоп, то возможно рассмотреть отдельные хорошо прижатые друг к другу кристаллики, из которых состоит металл. Они кажутся совсем целыми.

Но если бы мы с вами имели возможность разглядеть строение вещества в масштабе атомов, мы заметили бы, что в действительности эти кристаллики складываются из бесчисленных последовательностей атомов – пустышек с мелкими ядрами в центре. Расстояния между ядрами в самом жёстком веществе в десятки тысяч раза больше, чем размеры самого ядрышка. А кругом – пустота.

Ясно, что попасть в такое ядро, затерянное во внутренних вакуумах атома, весьма непросто. Это все равно, что стараться из артиллерийского орудия попасть в пять случайных прохожих, рассеянных на площади в 1 квадратный километр. В случае если мы желаем, дабы сравнение было правильным, нужно еще допустить, что у артиллеристов завязаны глаза и стреляют они не целясь – куда попало.

Как-то в часы досуга мы подсчитали, что артиллеристы, хоти поразить лишь одного из этих пяти человек, должны в аналогичных условиях сделать миллион выстрелов! Приблизительно такова же меткость стрельбы экспериментатора, что обязан поразить невидимую для него цель – маленькие ядра атома, отстоящие друг от друга, относительно с их размерами, на большие расстояния.

Читатели смогут дать совет нам повысить колличество мишеней. В действительности, легко представить себе тир, в котором мишени поставлены, как фигуры на тёмных шахматных клетках: одна закрывает собой промежуток между двумя вторыми. В таком тире самый нехороший стрелок, даже если он выстрелит не целясь, куда-нибудь да попадет.

Постараемся применить это рассуждение к миру атомов. Разумеется, чтобы получить такой тир со многими последовательностями ядерных «мишеней», нужно слой вещества потолще.

Но будем помнить, что атом состоит не только из ядра, но и из электронной оболочки. Прорываясь через эти оболочку, заряженная частица растрачивает собственную энергию. Перемещение ее замедляется, и по окончании многих таких столкновений у нее уже не достаточно сил, дабы продвигаться дальше.

Проблемы Длятся

Но мало попасть в ядро атома – нужно его еще разбить.

Вторая неприятность для желающих в тот же час же воспользоваться внутриатомной энергией заключалась в том, что частицы-боеприпасы не всегда могут пробраться в ядро, даже если они с ним столкнутся.

Ядро забрано в необычную «броню». Оно заряжено положительно. А мы его также бомбардируем положительно заряженными частицами (самые популярные боеприпасы – это протоны, другими словами положительно заряженные ядра атомов водорода).

Но одноименные заряды, как мы знаем из закона Кулона, отталкиваются. Следовательно, при сближении ядро-мишень будет отталкивать ядро-боеприпас. Дабы преодолеть это сопротивление и «влезть» в бомбардируемое ядро, частица, делающая роль боеприпаса, обязана владеть большой скоростью.

А для того чтобы получить такие стремительные частицы, нам необходимо затратить относительно много энергии. Посредством сильных электрических полей экспериментатор искусственно активизирует бег частиц-снарядов, но израсходованная наряду с этим энергия употребляется лишь в ничтожной степени: так как из всех «разогнанных» с громадной скоростью частиц лишь любая стотысячная либо любая миллионная встретится с ядром и расщепит его. Остальные растратят собственную энергию напрасно, при бесплодных столкновениях с их ядрами и атомами.

Но, возможно, при каждом успешном попадании но выделяется столько энергии, что она с лихвой перекрывает все эти огромные утраты? К сожалению, и это не верно.

До сих пор при обстреле ядра получалось добиться лишь того, что оно под действием боеприпаса только частично перестраивалось. От удара боеприпаса ядро не взрывалось, а только поглощало одну частицу-боеприпас, или выбрасывало наружу одну какую-либо частицу, появлявшуюся избыточной.

Новые ядра, каковые получались в следствии этих преобразований, весьма близко доходили по составу к прошлым. До сих пор умели превращать ядра алюминия в ядра кремния, бор – в углерод, магний – в кремний и т. д. Если вы кинете взор на периодическую таблицу элементов, вы заметите, что превращаемые приятель в приятеля элементы находятся в ней рядом. Различия в их внутриядерной энергии относительно малы, и исходя из этого ее освобождается при таком преобразовании не так уж большое количество.

Так, все было против грезивших об применении внутриядерной энергии: и неточная стрельба ядерной артиллерии, и недочёты самих снарядов – заряженных частиц, и скромный темперамент самих ядерных реакций, при которых выделялось относительно мало внутриядерной энергии. Ничтожно мало, в случае если учесть огромные энергетические затраты, каковые создавали экспериментаторы.

Все лаборатории мира, возможно, затратили уже на бомбардировку ядер атома, на ускорение собственных снарядов столько же электроэнергий, сколько дает в год наибольшая электростанция. А энергии, которую выделили на протяжении этих опытов ядра атома, пораженные боеприпасами, не хватило бы для получасового питания одной электрической лампочки.

Первый проблеск надежды принесло открытие в первой половине 30-ых годов двадцатого века нейтрона – превосходной частицы, для которой не существует таковой преграды, как электронная оболочка атома. Это прекрасное свойство снова открытой составной частицы ядра разъясняется тем, что электрически она нейтральна: она не несет на себе никакого заряда.

Дабы нагляднее представить себе, как как раз ей удается благодаря отсутствию заряда невозмутимо пронизывать электронные оболочки атомов, сравните ее с костяным шариком, что катится мимо магнита. Незаряженный костяной шарик просто не почувствует влияния магнитного поля, через которое пройдет. Но в случае если на его месте будет шарик из магнитного материала (его мы сравним с заряженной частицей), то на него магнит подействует: он отклонит его с пути.

Экспериментаторы поспешили применять и нейтроны в качестве снарядов для бомбардировки ядер атомов. Так появилась ядерная артиллерия, эффективность боя которой 100 процентов.

Действительно, нейтронам нереально искусственно придать громадную скорость, поскольку на них не действуют кроме того самые сильные электрические поля, благодаря которым удается разогнать заряженные протоны.

Но нейтронам «разгон» и не нужен. Для таких снарядов не имеет важного значения скорость полета. Электрическая «броня», в которую забрано ядро, для них недействительна.

Эти нейтральные частицы без всяких упрочнений попадают через замечательное электрическое поле ядра и поглощаются самим ядром. Эго свойство нейтронов – неизбежно быть поглощенными ядрами встречных атомов – совершает их боеприпасами «без промаха». В какую-нибудь цель они да попадут!

Не одними, так вторыми ядрами атомов они будут проглочены. Наряду с этим в ядре случится перестройка, сопровождающаяся вылетом какой-либо второй частицы и энерговыделением.

Казалось бы, нейтроны это чистый клад для тех, кто грезит об применении внутриядерной энергии. Они избавляют разом от двух проблем: снабжают ядерной артиллерии стопроцентное попадание в цель и не требуют энергии для неестественного ускорения.

К сожалению, у нас нет иного источника нейтронов, не считая самих ядер, в которых эти частицы заключены. А дабы высвободить их оттуда, нужно сперва бомбардировать вещество заряженными частицами.

Так, в конечном итоге мы снова приходим к неэффективной стрельбе миллионом снарядов по одной мишени. Ясно, что никакого выигрыша энергии тут не окажется.

НОВЫЕ СОБЫТИЯ

Меняют ли это печальное положение новые события, сведения о которых будоражат умы физиков в течение последних лет?

Не будем до тех пор пока делать поспешных заключений. Познакомимся в первую очередь с фактами.

До сих пор, как мы уже говорили, ядерные превращения сводились только к перестройке ядра атома, причем в большинстве случаев наружу выбрасывалась какая-либо появлявшаяся избыточной частица.

Но на данный момент физики с увлечением изучают совсем новые ядерные превращения, при которых внутриядерной энергии выделяется в пара десятков раза больше того, что наблюдалось до сих пор.

Такие превращения найдены у ядер тяжелого металла урана, в то время, когда его обстреливают нейтронами. Поглощая нейтрон, ядро урана не просто перестраивается, а разрывается надвое. Из для того чтобы тяжелого ядра атома урана получается два более легких ядра – ядра атомов вторых химических элементов, к примеру бария и криптона.

Отчего же при данной реакции выделяется относительно много внутриядерной энергии?

Ядро урана тяжелое, сложное, «рыхлое». Дабы удержать совместно бессчётные частицы, из которых состоит это рыхлое ядро, нужна громадная энергия. Но вот ядро урана распалось на две части, каковые обе начали новую независимую судьбу. Появились новые, компактно сложенные ядра относительно легких элементов. В данной новой упаковке частицы теснее и крепче связаны между собой, чем в «рыхлом» ядре урана.

Эти новые, компактно связанные совокупности энергетически «экономнее», и исходя из этого при распаде ядра урана на два ядра легких элементов наружу выделяется относительно громадный избыток энергии.

И вот что еще крайне важно: распадаясь под действием боеприпаса-нейтрона на два новых ядра, урановое ядро одновременно с этим само выбрасывает из себя нейтроны.

В полной мере вероятно представить себе, что эти снова появившиеся нейтроны кроме этого будут поглощены ближайшими ядрами урана и, со своей стороны, приведут к ряду новых распадов; наряду с этим опять покажутся нейтроны и т. д. и т. д. Одно звено процесса будет цепляться за второе: случится то, что именуется цепной реакцией. Обычный пример цепной реакции – взрыв пороха. Вспыхивает одна частица пороха; распадаясь, она выделяет большое количество тепла; при появившейся большой температуре начинают распадаться другие частицы, и процесс разрастается, как лавина.

Не имеет возможности ли случиться что-то подобное с ураном? В случае если начальное нейтральное облучение развалит пара первых атомов урана, не будет ли дальше данный процесс развиваться уже самопроизвольно и неудержимо? Иными словами, не подействует ли первая порция нейтронов, направленная на уран как спуск курка, за которым последует взрыв, выстрел?

Дабы нейтроны не рассеивались зря в пространстве, где нет урана, а целиком и полностью были бы использованы в данной цепной реакции, нужно забрать большой, массивный кусок урана. Французские физики подсчитали, что таковой лавинный, самопроизвольно развивающийся взрыв удастся уже в том случае, если будет облучена целая масса урана весом около 50 тысячь киллограм.

Пятьдесят тысячь киллограм – это груз, помещающийся в трех ЖД вагонах. В это же время при распаде таковой порции вещества выделится столько энергии, что ею возможно было бы вскипятить пара миллиардов тысячь киллограм воды!

Отправится ли, но, взрыв атомов урана по обрисованному нами пути? Это должно быть узнано опытом.

Очевидно, в этих опытах требуется громадная осторожность, в противном случае может разразиться неслыханная трагедия. До сих пор взрыв атомов наблюдался лишь при опытах с ничтожными количествами урана. В будущем для опытов будут брать все более и более толстые слои урана и наряду с этим измерять, сколько нейтронов выделяется из его взрывающихся атомов.

В случае если предположения физиков подтвердятся, мы окажемся перед наибольшими событиями не только в науке, но и в технике. Возможно, неприятность, столько лет считавшаяся фантастической, возьмёт, наконец, хотя бы частично, практическое ответ.

источник: академик А. АЛИХАНОВ; Картинки Н. СМОЛЬЯНИНОВА «Взрыв атома» // «Техника-молодежи» 10-11/1944, c. 18–20

Взрыв атомной бомбы АН602 (она же «Царь-бомба»)

Увлекательные записи:

Похожие статьи, которые вам, наверника будут интересны: