Владислав Кузнецов – Сокровищница XXI века (страница 1)
В. И. КУЗНЕЦОВ
М., «Знание», 1972 г.
Миллиарды лет энергия ядерных реакций, протекающих на Солнце, передается световым потоком на Землю.
Костер первобытного человека, сгорающий ныне в печах уголь, топливо современной ракеты — все это ядерная энергия солнечного вещества, запасенная в разное время растениями и животными в форме химической энергии, энергии электронных оболочек атомов и молекул.
Почти на протяжении всей истории человечества в сфере его потребления были химические источники энергии. Атомное ядро перестало быть «вещью в себе» только в XX веке. Уже первые ядерные исследования привели к открытию источников невиданной до того энергетической емкости: радия, урана, плутония...
В грядущем столетии энергия, полученная в контролируемых ядерных реакциях, станет основой нашего существования.
Но атомное ядро не только кладовая энергии. Издавна людей волновала история возникновения Земли, Солнца, Вселенной. Казалось, что эту грандиозную картину не удастся представить даже в самых общих чертах. Однако изучение свойств атомных ядер, синтез искусственных элементов и изотопов позволили приоткрыть завесу и над тайной происхождения Вселенной. Ядерными методами был точно измерен возраст горных пород и самой Земли, а процессы образования новых атомов в ядерных превращениях служили в какой-то мере моделью синтеза элементов Вселенной. На основании экспериментальных данных, полученных учеными, было создано несколько красивых гипотез о происхождении химических элементов. Ни одна из них не стала еще надежной теорией, хотя вполне вероятно, что искусственно вызванные ядерные процессы не слишком отличаются от происходивших в природе.
С развитием науки картина творения химических элементов будет непрерывно уточняться. Не исключено, что се основные фрагменты приобретут ясность и стройность благодаря возрождению и исследованию в земных экспериментах нескольких тысяч новых искусственных ядер, после изучения ядерных процессов в таких космических объектах, как пульсары или сверхновые звезды.
Искусственные атомные ядра и ядерные излучения нужны людям и для целей чисто практических; для разведки полезных ископаемых и изучения биологических процессов, протекающих в организмах растений и животных, для лечения многих болезней и разработки чувствительнейших методов анализа вещества.
К числу фундаментальных и прикладных научных исследований, предусмотренных Директивами XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1971–1975 годы, относится «развитие исследований по ядерной физике, физике твердого тела и полупроводников, квантовой электронике, физике плазмы, физике низких температур в целях создания новых материалов и эффективных методов их обработки; дальнейшее совершенствование методов преобразования энергии, промышленное освоение реакторов на быстрых нейтронах, более широкое использование ядерных и радиационных процессов в науке и практике...» («Материалы XXIV съезда КПСС». М., Политиздат, 1971, стр. 244).
Эти строки из Директив — пример подлинно гуманного решения проблемы взаимодействия науки и общества — проблемы, волнующей ныне всех, кому дороги мир и прогресс, кто озабочен судьбами человечества. Правильное решение этой проблемы не в том, чтобы отказаться от научных исследований, таящих в себе опасность для людей, а в том, чтобы достижения науки поставить на службу социальному прогрессу.
По образному выражению академика Н. Н. Семенова, можно исследовать теорию взрыва, чтобы на основе ее данных проложить тоннель в горах, но можно на той же основе взорвать город.
Вполне очевидно, что порождаемые современной наукой и техникой возможности для коренного улучшения условий жизни людей и гигантского ускорения социального прогресса могут быть осуществлены при исключении угрозы мировой войны. Отсюда вытекает одна из самых актуальных задач современного общественного развития — борьба за мир и безопасность народов, против использования империалистами колоссальных средств на милитаризацию науки, на гонку вооружений, на извращение самой сути научно-технической революции.
Ныне особенно злободневно звучат слова В. И. Ленина: «Куда ни кинь — на каждом шагу встречаешь задачи, которые человечество вполне в состоянии разрешить
ВОЗРОЖДЕНИЕ ЯДЕРНЫХ
БРОНТОЗАВРОВ
Пять миллиардов лет назад завершился великий синтез элементов Солнечной системы.
Вряд ли можно поверить, что когда-либо в лаборатории биолога удастся возродить мамонта или бронтозавра. Возрождение же плутония, «вымершего» за несколько миллиардов лет до появления первого живого организма на Земле, применение изотопов этого искусственного элемента для нужд человека осуществляется ныне в промышленных масштабах. Из 1500 атомных ядер, свойства которых известны физикам, около 1200 получено в лабораториях. По оценкам теоретиков, еще несколько тысяч нуклонных слитков можно считать атомными ядрами. Такие ядра, по-видимому, также возникали во время синтеза элементов Вселенной, но распались за время, отделяющее нашу эпоху от момента образования Земли.
Прежде чем говорить о способах возрождения атомных ядер, напомним, что атомное ядро состоит из ядерных частиц — нуклонов. Нуклонов всего два вида — нейтрон и протон. Эти частицы — основные кирпичи материи. Из них построены ядра всех химических элементов. Электрический заряд нейтрона равен нулю. Нейтрон потому и нейтрон, что он нейтрален. Заряд протона положителен, и его абсолютная величина такая же, как и у отрицательного электрона. В целом атом нейтрален — отрицательный заряд электронной оболочки полностью скомпенсирован положительным зарядом ядра: в атоме ядерных протонов столько же, сколько и электронов. Таким образом, протонное число, как и число электронов в атомной оболочке, однозначно определяет химические свойства элемента и его атомный номер в таблице Менделеева. Атомное ядро характеризуется еще массовым числом — суммой протонов и нейтронов ядра. Так, если в атомных ядрах 92 протона, а число нейтронов принимает разные значения, скажем 140, 142, 143, 146, 148, то все атомы в любых химических процедурах будут вести себя одинаково, несмотря на то что их массовые числа лежат в интервале от 232 (92 + 140) до 240 (92+148). Атомные ядра одного и того же элемента, но с разными массовыми числами, или, что то же самое, с разным числом нейтронов в ядре, называют изотопами. Уран, в ядрах которого по 140 нейтронов, называется изотоп уран-232, а если нейтронов 146, то говорят об изотопе уран-238.
Нейтронная составляющая ядер на химические превращения почти не влияет. Зато велико значение нейтронных чисел для устойчивости самих атомных ядер. Все изотопы урана радиоактивны. Уран-238, в атомах которого по 146 нейтронов, распадается с малой скоростью — требуется 4,5 миллиарда лет, чтобы количество урана-238 уменьшилось в два раза. Если же в урановых ядрах 147 нейтронов, то скорость распада увеличится в 100 триллионов раз. Невелика устойчивость и других атомных ядер с нейтронным числом, отличным от 146.
В ядерном реакторе природный уран, а он на 99,27 % состоит из изотопа уран-238, захватывает нейтроны. Обогатившись добавочным нейтроном, уран-238 становится изотопом уран-239. Новое ядро испускает бета-частицу— ядерный электрон, и ядро урана становится изотопом искусственного элемента № 93 — нептуния. Происходит микрочудо — рождение нового элемента.
В нейтронных потоках реактора получают все трансураны вплоть до сотого — фермия. Предел ставит тяжелый фермий-258. Лишь после обстрела нейтронами этого изотопа мог бы образоваться элемент № 101 — менделеевий, но скорость распада тяжелого фермия слишком велика.
Представьте себе стрелка, который должен попасть в мишень, неожиданно появляющуюся каждую минуту, но всего на тысячную долю секунды. Есть ли шанс поразить мишень? Конечно. Нужно достаточно долго и непрерывно стрелять в место возможного появления мишени— какая-то пуля и поразит ее. Но если у стрелка мало времени, то вероятность попадания в мишень практически равна нулю.
Атомы фермия, так же как и наша гипотетическая мишень, появляются в зоне нейтронного обстрела на очень короткое время по сравнению со временем, необходимым для прилипания к ним нейтрона. Как правило, они разваливаются на ядра-осколки и только в исключительно редких случаях захватывают нейтроны, по и эти редкие случаи — лишь теоретическая возможность. На деле ни один химик, вооруженный самой современной аппаратурой, не обнаружит менделеевий в веществе, облученном в ядерном реакторе.
Есть другой способ синтеза атомных ядер. Новый ядерный слиток возникает при объединении двух стабильных ядер. В 1937 году итальянский физик Эмилио Сегре открыл первый искусственный элемент технеций. Сегре бомбардировал молибден ускоренными ядрами тяжелого водорода дейтерия. Число протонов в ядре молибдена увеличивалось на единицу, и рождались ядра 43-го элемента, атомы которого в свое время химики тщетно пытались выделить из минералов. Далекие трансураны: нобелий (№ 102), лоуренсий (№ 103), курчатовий (№ 104), а тем более элементы с высшими атомными номерами приходится получать, сливая воедино два сложных атомных ядра. Это не простая задача. Ядра всех элементов заряжены положительным электричеством, и при сближении между ними начинают действовать мощные силы отталкивания. Если бы две булавочные головки можно было зарядить электричеством с такой же плотностью заряда, какая существует в атомном ядре, то па расстоянии 100 километров головки отталкивались бы друг от друга с силою, равной весу Земли! Чтобы преодолеть эти силы, ядра должны сближаться с громадной скоростью, достигающей десятой доли скорости света. Разогнать сложный атом до такой скорости можно только на специальных гигантских циклотронах или мощных линейных ускорителях.