Затем сложили их вместе и, взвесив, получили общий вес не 10, а 9,9 килограмма! Невероятно? Да, конечно, но подобное явление с "исчезновением" массы проявляется ежечасно, ежесекундно и не в лабораторных условиях, а в топках, где горят нефть и уголь, в газовых плитах при сгорании газа. Известно, что горение, скажем, угля - это процесс (реакция) соединения углерода с кислородом с образованием углекислого газа. При сгорании каждых 12 килограммов углерода расходуется 32 килограмма кислорода. И мы вправе ожидать, что в результате этой реакции образуется 44 килограмма углекислого газа.
Но проведем такой воображаемый опыт. Поместим в герметическом сосуде те же 12 килограммов углерода и 32 килограмма кислорода, взвесим сосуд и убедимся, что суммарный вес составляет 44 килограмма. Теперь каким-либо способом (нам все равно, каким,опыт воображаемый) подожжем углерод и проведем полностью реакцию соединения углерода с кислородом. Поскольку сосуд герметичный и ни во время горения, ни после него не выходили никакие вещества, то взвешивание его после реакции должно дать все те же 44 килограмма, теперь уже в виде углекислого газа. Взвесив же сосуд, мы удивимся, что углекислого газа не 44 килограмма, а примерно на 4 миллионные доли (4-10^-6) грамма меньше.
Этот опыт мы назвали воображаемым потому, что при существующей технике взвешивания невозможно уловить изменение такого большого веса (44 кг) всего на 0,000004 грамма. Тем не менее ученые другим путем установили, что вес углекислого газа в данной реакции действительно снизился на 4-10^-6 грамма. В чем же тут дело? Куда делась эта недостающая часть реагирующих веществ?
Все дело в том, что при реакции горения образуется не только углекислый газ, но и выделяется энергия. Вот на нее-то и израсходованы 4-10^-6 грамма массы!
Энергия, как оказывается, самым непосредственным образом связана с массой. Этот всеобщий закон связи массы и энергии был открыт и сформулирован создателем теории относительности А. Эйнштейном. Согласно этому закону массе вещества в один грамм соответствует энергия 21,5 миллиарда килокалорий. (Одна килокалория (ккал) - это количество тепла, необходимое для нагревания одного килограмма воды на один градус.)
Эту величину можно получить и из нашего воображаемого опыта, если разделить выделившуюся энергию на уменьшение массы.
Закон Эйнштейна носит всеобщий характер. Так, при любой химической реакции с выделением энергии уменьшается масса и, наоборот, в реакции с поглощением энергии масса продуктов, получающихся в результате реакции, возрастает. Например, в реакции соединения водорода и кислорода масса получаемой воды меньше, чем сумма масс водорода и кислорода, взятых в отдельности, но при этой реакции выделяется энергия.
Если теперь с помощью электрического тока провести электролиз какого-то количества воды, то есть разложить ее на водород и кислород, то сумма масс их будет больше, чем исходная масса воды. Однако при этом на разложение воды затрачено некоторое количество энергии. В этом примере с получением и разложением воды соотношение между изменением массы и величиной выделившейся и поглощенной энергии будет таким же, как в реакции горения углерода, а именно: изменению массы в один грамм соответствует энергия в 21,5 миллиарда килокалорий.
Эта величина очень большая. Если б можно было перевести всю массу одного грамма вещества в энергию, ее хватило бы на обеспечение жизни 5-10 человек на протяжении всего их существования. К сожалению, пока это область фантастики. Позже мы еще коснемся этой проблемы, а сейчас вернемся к приведенному ранее воображаемому опыту. В нем, как вы помните, в реакции горения использовалось 44 килограмма углерода и кислорода, из которых в энергию превратилось всего 4-10^-6 грамма, то есть только одна десятимиллиардная доля. Конечно, это очень маленькая часть. А нельзя ли ее увеличить? Нельзя ли заставить переходить в энергию большую долю взятого вещества?
Оказывается, можно, и люди уже умеют это делать.
Чтобы понять, как это у них получается и в чем секреты разных способов освобождения энергии, давайте заглянем в глубины вещества и посмотрим, из каких деталей оно устроено.
Дефект массы
Что происходит с веществом при химической реакции, скажем, при горении углерода?
Молекула кислорода, состоящая из двух атомов, соединяясь с одноатомной молекулой углерода, образует трехатомное вещество - углекислый газ. Если молекула является наименьшей частью вещества, сохраняющей присущие этому веществу свойства, то атомы - это самые крошечные "кирпичики", определяющие свойства химических элементов, например, углерода, водорода, железа. Элементы отличаются друг от друга тем, что составляющие их атомы различны.
Углекислый газ не элемент, а вещество, содержащее атомы различных-элементов. Однако вещество, получившееся в результате химической реакции, состоит только из тех атомов, которые были введены в реакцию, - в данном случае из атомов углерода и кислорода. Этот факт обязателен для любой химической реакции, следовательно, в ней никогда нельзя получить новый химический элемент, новые атомы. А этого как раз и не знали средневековые алхимики и пытались получить золото из более дешевых и менее привлекательных материалов, которые, однако, не содержали атомов, определяющих свойства цветного металла.
Энергия, которую можно получить в химических реакциях, мала. Это мы видели в нашем опыте, где при горении углерода превратилась в энергию лишь одна десятимиллиардная доля вещества, участвовавшего в химической реакции горения. В других химических реакциях эта доля может быть больше, но ненамного. Значит, во всех химических реакциях, при которых изменения претерпевают лишь молекулы вещества, а атомы не изменяются и остаются целыми, невозможно перевести в энергию большую долю вещества. Как же эту долю увеличить? Надо пойти по принципиально новому пути и попытаться осуществить такие реакции, где менялись бы сами атомы.
Продолжим путешествие и "заглянем" внутрь атома.
Атом очень мал, что-то около одной пятимиллионной доли миллиметра. Почти все вещество, составляющее атом, сконцентрировано в его центре, образуя ядро атома. Вокруг ядра на большом (по сравнению с размером ядра) расстоянии вращаются электроны, несущие отридательный электрический заряд. Масса и размер этих элементарных частиц во много раз меньше массы ядра.
Вращаясь вокруг ядра, они как бы образуют так называемую электронную оболочку атома. Взаимодействие именно электронных оболочек определяет характер химических реакций и выделение энергии при этих реакциях.
Приведенное здесь описание атомов весьма и весьма упрощенное. В действительности он устроен гораздо сложнее, и очень многое в его устройстве до сих пор еще неизвестно. Однако и такая упрощенная модель довольно хорошо описывает результаты большого количества опытов, которые проводили физики, исследуя атом.
Позже нам понадобятся сведения еще о некоторых деталях атома, сейчас же дополним нарисованную модель следующим. В ядро атома входят два типа элементарных частиц: протоны и нейтроны. Последние не имеют никакого электрического заряда (отсюда и их название neutrum - ни то, ни другое латинское). Протоны же несут положительные электрические заряды, причем по величине они в точности равны заряду электрона.
Стоит сказать, сколько нейтронов, протонов и электронов содержит в себе каждый атом химических элементов.
Например, в ядре атома водорода - самого легкого элемента - содержится только один протон, вокруг которого вращается один электрон.
У углерода шесть нейтронов, шесть протонов и шесть электронов.
В атоме урана уже 143 нейтрона, 92 протона и 92 электрона.
Нельзя не обратить внимания на то, что у названных элементов число протонов равно числу электронов.
Таблица же Менделеева показывает, что это закономерно и для всех элементов. Но раз число протонов равно числу электронов, то, следовательно, положительный заряд ядра атома всегда равен отрицательному заряду всех электронов, а атом в целом, или "снаружи", электрически нейтрален.
И наконец, последний шаг путешествия в глубь атома: сколько же весят атом, протон, нейтрон? Массы этих частиц настолько малы, что для них придумана новая единица измерения, названная атомной единицей массы (а.е.м.). Одна такая единица массы равна 1,66-10^-24 грамма. Примерно столько весят и нейтрон и протон.
Вот и кончилось наше путешествие в глубь атома.
Но как все-таки извлечь из него энергию большую, чем та, которую он отдает при химических реакциях? Может быть, можно использовать метод, схожий с реакцией горения, но уже на уровне элементарных частиц, из которых состоит атом, то есть на уровне протонов и нейтронов?
При реакции горения выделение энергии происходит при соединении одних веществ и образовании других, новых. Посмотрим, что можно получить, если так же попытаться составить атом из отдельных элементарных частиц. Начнем с углерода. Какая должна быть масса у его атома, если составить его из элементарных частиц?
Проведя все вычисления, получим 12,1 а.е.м.
Вот тут-то и начинаются неожиданности! Оказывается, готовый, существующий в природе атом весит не 12,1 единицы, а только 12,0! Ну и что здесь особенного, скажете вы, стоит ли обращать внимание на такую малую разницу. Но подобное же удивление охватило нас, когда оказалось, что образовавшийся после реакции горения углекислый газ весит меньше, чем исходные продукты.
Мы выяснили тогда, что такому недостатку массы сопутствует выделение энергии. Так, может быть, и здесь то же самое? Может быть, если бы нам удалось из отдельных нейтронов, протонов и электронов составить атом углерода, то он весил бы на 0,1 атомной единицы массы меньше суммы исходных частиц? А так как материя не исчезает бесследно, то при этом пропорционально образовавшемуся недостатку массы и выделилась бы энергия?!
А умудрись мы таким образом создать 44 килограмма углерода (это вес исходных продуктов в рассмотренной выше химической реакции), то энергии получилось бы 7,8*10^12 килокалорий, что примерно в сто миллионов раз больше, чем при обычной химической реакции соединения углерода и кислорода! А это уже немало, и уже стоит обращать внимание на уменьшение массы в 0,1 а.е.м.
Все это хорошо, но у данного способа освобождения энергии есть существенный недостаток: наука еще не знает, как из отдельных элементарных частиц получать атомы углерода или других тяжелых элементов.
Ну что ж, придется искать другие способы освобождения энергии из недр атомов. Это делать уже легче, так как теперь ясно, что они должны быть основаны на использовании недостатка массы у элементов.
Недостаток массы присущ каждому элементу. Физики назвали его дефектом массы. Приведем для ясности небольшую таблицу нескольких элементов с их дефектами масс, а также их массовые числа, равные сумме протонов и нейтронов.
___________________________________________________.
_____________________________________________Дефект.
Элемент_____Число________Число____Массовое____массы.
___________нейтронов___ протонов___число____в а.е.м.
Дейтерий_____1____________1_________2_______0,0024_.
Тритий_______2____________1_________3_______0,009__.
Гелий________2____________2_________4_______0,03___.
Литий________3____________3_________6_______0,034__.
Углерод______6____________6________12_______0,1____.
Молибден____54___________42________96_______0,88___.
Лантан______82___________57_______139_______1,23___.
Уран_______143___________92_______235_______1,91___.
___________________________________________________.
Если соединить ядра таких двух элементов, чтобы у образовавшегося нового недостаток (дефект) массы был больше суммарного дефекта масс исходных элементов, то наверняка можно сказать, что при этом соединении (ядерной реакции) выделилась энергия, пропорциональная изменению дефекта массы.
Из таблицы видно, что такому условию удовлетворяет, например, реакция соединения двух ядер дейтерия с образованием гелия, при их соединении должна выделиться энергия. Такой же эффект получится, если соединить атомы дейтерия и лития и образовать два атома гелия.
Заметим, что дефект массы возрастает (а это означает больший выход энергии), если к любому элементу присоединить нейтрон. Так, с добавлением нейтрона дейтерий преобразовывается в тритий с большим дефектом массы, Значит, простое присоединение нейтрона к любому элементу сопровождается выделением энергии.
Два пути
Подобные ядерные реакции соединения легких элементов уже осуществлены. Интересно посмотреть, чего можно ожидать от реакций с тяжелыми элементами, приведенными в конце таблицы?
"Соединив" молибден с лантаном, мы получим элемент с массовым числом 235. Это уран-235 (такое написание применяется и для других элементов). Оказывается, в такой реакции результирующий дефект массы не возрастает, а уменьшается, и никакой энергии не выделяется, напротив, для осуществления такой реакции необходимо затратить ее пропорционально полученному изменению дефекта массы. Если сделать подобные расчеты для всех известных элементов, то окажется, что при соединении элементов с массовым числом, большим 60, новый элемент может быть получен лишь при затрате энергии на эту реакцию.
Вернемся к нашему примеру получения урана из молибдена и лантана. Будем рассуждать так: если при соединении атомов молибдена и лантана затрачивается энергия и получается атом урана, то при проведении реакции наоборот, то есть при делении атома урана на атомы молибдена и лантана, должна выделиться энергия. Действительно, пусть теперь исходным продуктом будет уран-235. Предположим, что каким-то путем нам удалось его разделить на молибден и лантан. Оказывается, сумма масс атомов этих элементов меньше массы атома урана, то есть дефект массы при такой реакции увеличивается, а значит, реакция пойдет с выделением энергии. Так на смену синтезу элементов пришел другой путь освобождения внутриядерной энергии - деление ядер. Так учеными был преодолен еще один рубеж на пути познания природы.
Конечно, достигли они этих высот не сразу. Ими создавались новые и отбрасывались отжившие теории, проводились многочисленные эксперименты и разрабатывались новые методы исследований. Лишь одно описание путей освобождения энергии может занять несколько томов. Перелистывая страницы этого описания, можно встретить многие славные имена наших современников, чьими трудами открыта эта тайна вещества. Среди них англичане Э. Резерфорд и Д. Чэдвик, датчанин Н. Бор, итальянец Э. Ферми, физики Советского Союза Д. Иваненко, И. Гуревич, Л. Ландау, И. Померанчук, Г. Флеров, И. Курчатов, немцы О. Ган и Ф. Штрассман, французы И. и Ф. Жолио-Кюри, а также многие, многие Другие.
Но вернемся к синтезу и делению - так будем называть два рассмотренных пути освобождения внутриядерной энергии - атомных ядер. Говоря о реакции синтеза, надо заметить, что в ряде случаев наряду с образованием нового элемента происходит высвобождение злементарных частиц: протона или нейтрона. Так, в реакции соединения двух атомов дейтерия образуется тритий, или гелий-3, и высвобождается протон или нейтрон. Возможна реакция синтеза дейтерия и трития с образованием атома гелия и вылетом нейтрона. Величина выделяющейся на грамм соединившихся веществ энергии составляет около 80 миллионов килокалорий. При делении же урана на один его грамм освобождается только около 20 миллионов килокалорий.
Итак, сопоставим: при синтезе дейтерия и трития выделяется 80*10^6 килокалорий на грамм; при делении урана - 20*10^6; при сжигании углерода всего лишь 7.
Количество энергии, выделяющейся при сгорании углерода, приведено для сравнения. Ее по сравнению с энергией синтеза и деления меньше (в расчете на один грамм вещества) в несколько миллионов раз. Это цифры, за которые стоит бороться. Как же осуществить реакцию синтеза?
Обратимся опять к химическим реакциям. Попробуйте при обычной комнатной температуре провести реакцию соединения (горение) древесины с кислородом. Дерево повсюду окружает нас, но, находясь в непосредственном контакте с кислородом, оно не соединяется с ним. Для того чтобы эта реакция началась, его нужно поджечь, повысив температуру.
Еще со школьной скамьи каждому из нас известно, что при нагревании вещества изменяется характер движения его атомов и молекул. Эти частицы всегда находятся в состоянии хаотического, беспорядочного движения. Так, при минусовой температуре молекулы, скажем, воды, прочно связанные друг с другом, лишь слабо колеблются, образуя кристаллики льда.
При повышении температуры колебания их становятся все быстрее и быстрее, при ноле и выше градусов прочные связи между ними разрываются и лед превращается в жидкость, воду.
С дальнейшим увеличением температуры энергия молекул возрастает настолько, что они начинают вылетать из воды, при 100 градусах она закипает и переходит в пар.
Если продолжать нагревать пар, то начнут распадаться сами молекулы воды на отдельные молекулы водорода и кислорода. Когда температура станет еще большей, распадутся все молекулы и перейдут в свободные атомы водорода и кислорода.
Итак, вещество из твердого переходит в жидкое, а затем в газообразное состояние.
При дальнейшем повышении температуры от атомов станут отрываться электроны и образовываться смесь ядер и электронов. Говорят, вещество переходит в так называемое четвертое состояние - в плазму.
Конечно, чтобы зажечь дерево, не нужно переводить его в четвертое состояние. Уже при температуре около 400 градусов его молекулы (точнее, молекулы целлюлозы) и молекулы кислорода движутся настолько интенсивно, что при соударении соединяются друг с другом, "сцепляются" своими электронными оболочками и образуют новое вещество. Выделяющейся при этой реакции энергии с избытком хватает на то, чтобы прошла такая же реакция соединения соседних молекул. От них энергия передается к следующим и так далее. Так возникает цепная реакция горения.
Мы обратились к химическим реакциям, чтобы на их примере показать, как можно осуществить реакцию синтеза атомных ядер, то есть заставить соединиться, например, два ядра дейтерия. Оказывается, надо дейтерий также разогреть, но до такой высокой температуры, при которой движущиеся атомы лишились бы своих электронных оболочек, дейтерий перешел бы в четвертое состояние, и лишь потом его ядра при соударении будут образовывать ядро трития и свободный протон.
Не нужно забывать, что химические и ядерные реакции (в данном случае реакция синтеза) качественно различны. В первой из них соединение атомов или молекул приводит к образованию нового вещества, но не нового элемента. Для осуществления химической реакции достаточно придать атомам или молекулам относительно небольшие скорости движения. В реакции синтеза совершенно другая ситуация. Чтобы соединить ядра, их нужно разогнать до гораздо больших скоростей движения.
Ведь ядра атомов несут положительный электрический заряд, а всякие одноименно заряженные частицы отталкиваются, и чем меньше расстояние между ними, тем больше силы отталкивания. Для преодоления этих сил отталкивания и нужно придать ядрам колоссальные скорости порядка 500-800 километров в секунду! Такую большую скорость ядра дейтерия приобретут только при температуре 100-150 миллионов градусов.
Таков первый путь освобождения энергии ядра. Второй путь - деление ядер. А есть ли еще какие-либо способы высвобождения энергии ядра? Пока, к сожалению, нет, или, точнее, мы их пока не знаем.
Аннигиляция
В реакциях деления и синтеза ядер в тепло и излучение превращается от 0,1 до 0,5 процента вещества. При химических реакциях, как мы уже говорили, эта величина составляет всего лишь одну десятимиллионную (10^-7) часть. Значит, овладев энергией деления и синтеза, человечество увеличит калорийность (теплотворную способность) топлива в миллионы раз. Это очень важный и своевременно взятый рубеж. Но, овладев им, человек начинает думать о взятии нового. Это и не удивительно.
"Человек создан затем, чтобы идти вперед и выше", - говорил Максим Горький, поэтизируя это качество людей.
Если же думать о практическом значении такого "опережения событий", то, пожалуй, не скажешь лучше известного польского писателя-фантаста С. Лема: "...в предыстории практика, естественно, опережала теорию, ныне же теория обязана провидеть пути практики, ибо за всякое невежество, проявленное сейчас, человечеству придется дорого уплатить потом".
Итак, стоит вопрос, который задают и ученые-теоретики, и экспериментаторы, занимающиеся физикой ядрасуществуют ли пути превращения в энергию большего количества вещества, чем реакции деления и синтеза ядер. Возможны ли они в принципе?
В принципе такие пути возможны. Нужно только найти законы, управляющие процессами большего превращения вещества в энергию.
Один из таких возможных процессов называется аннигиляцией. Это слово образовано от латинского "nihil" - ничто. Буквальный перевод: превращение в ничто, уничтожение. Физики называют аннигиляцией превращение элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов), обладающих в неподвижном состоянии массой, в другие формы материи, например в гамма-кванты, имеющие массу покоя, равную нулю (электромагнитное излучение). Ясно, что речь не идет об уничтожении материи, а о превращении одного ее вида движения в другой. Только простоты ради мы иногда будем называть этот процесс превращением вещества в энергию.
Аннигиляция происходит при столкновении какойлибо элементарной частицы, например, протона, с ее античастицей - антипротоном. Обладая т0й же массой, что и протон, она имеет не положительный, а отрицательный заряд и отличается рядом других свойств.
Эта ядерная реакция найдена не только на бумаге, но и осуществлена 1зо многих экспериментальных установках. Если аннигиляция протона и антипротона происходит в вакууме - образуются гамма-кванты, несущие 34 процента энергии; электрон и его положительно заряженный антипод позитрон с 16 процентами энергий. Половину энергии уносят нейтрино частицы с весьма большой проникающей способностью. Удержать их невозможно: свою долю энергии они уносят в необозримые просторы вселенной. Однако другую половину удержать удается. Если аннигиляция будет происходить в плотной среде, то энергия, уносимая нейтрино, уменьшается до 9 процентов.
Казалось бы, все обстоит ладно. Но есть один неприятный факт: на Земле, да и, кажется, во всей Солнечной системе антивещества нет. В распоряжении людей есть только технические способы получения искусственного антивещества. Здесь уже есть некоторые успехи. В лабораториях получены антипротоны, антиэлектроны (позитроны), даже созданы атомы антивещества: антиводород, антигелий. Однако задача - значительное уменьшение количества энергии, необходимой для создания античастиц, - еще не решена. В существующих способах на создание антипротонов или антиэлектронов бомбардировкой ядер ускоренными электронами или протонами тратится почти столько же энергии, сколько получается потом при аннигиляции полученных античастиц с частицами. Коэффициент полезного действия в такой схеме составляет не более 0.1 процента. Следовательно, чтобы получить одну килокалорию аннигиляционной энергии, надо предварительно затратить 999 килокалорий энергии того вида, которым мы располагаем, например электроэнергии.
Может ли устроить человека процесс, когда в конце концов энергии получается меньше, чем ее затрачивается? Принципиально может. В жизни мы пользуемся такими процессами. Например, на получение одной килокалории электроэнергии затрачивается 2,5 килокалории тепла сжигаемого топлива. Зато в результате получается качественно новый вид энергии, который можно эффективно использовать в промышленности, быту.
Для чего же нужна аннигиляционная энергия антивещества с калорийностью, в 100-300 раз превышающей калорийность ядерного топлива? Возможно, в далеком будущем она понадобится только для космических аппаратов. Для земной энергетики такой процесс не подходит.
Пожалуй, стоит рассказать еще об одной идее, которая родилась на заре работ по термоядерному синтезу.
Напомним: чтобы осуществить термоядерную реакцию, нужно разогреть плазму до 100-150 миллионов градусов. Лишь такая температура может обеспечить высокие скорости ядер, достаточные для преодоления силы отталкивания их положительных зарядов. Но допустим, что удалось бы нейтрализовать заряд одной из взаимодействующих частиц. При таком условии отпала бы необходимость в высокой температуре.
В природе существует некая элементарная частица, которая называется отрицательным мю-мезоном. Егозаряд равен электронному, а масса в 212 раз больше. Если этот мю-мезон соединить, например, с дейтерием, то может образоваться новый атом, в котором электрон атома дейтерия будет заменен мю-мезоном. Поскольку масса мю-мезона в две сотни раз больше массы электрона, то вокруг ядра он будет вращаться по орбите, лежащей во столько же раз ближе к ядру, чем орбита электрона. Благодаря тому, что эта система нейтральна и очень мала, она может очень близко подойти к другому ядру дейтерия, лишенному электрона (иону), и образовать молекулярный ион дейтерия, в котором вокруг двух очень близко расположенных ядер дейтерия вместо электрона будет вращаться мю-мезон. Расчеты показывают, что в этом случае очень велика вероятность того, что даже при не очень высокой температуре ядра дейтерия вступят в реакцию синтеза и начнет выделяться энергия. При этом процессе мю-мезон будет невредимым выброшен и сможет снова вызывать реакцию другой пары, потом третьей, потом...
Но проведем такой воображаемый опыт. Поместим в герметическом сосуде те же 12 килограммов углерода и 32 килограмма кислорода, взвесим сосуд и убедимся, что суммарный вес составляет 44 килограмма. Теперь каким-либо способом (нам все равно, каким,опыт воображаемый) подожжем углерод и проведем полностью реакцию соединения углерода с кислородом. Поскольку сосуд герметичный и ни во время горения, ни после него не выходили никакие вещества, то взвешивание его после реакции должно дать все те же 44 килограмма, теперь уже в виде углекислого газа. Взвесив же сосуд, мы удивимся, что углекислого газа не 44 килограмма, а примерно на 4 миллионные доли (4-10^-6) грамма меньше.
Этот опыт мы назвали воображаемым потому, что при существующей технике взвешивания невозможно уловить изменение такого большого веса (44 кг) всего на 0,000004 грамма. Тем не менее ученые другим путем установили, что вес углекислого газа в данной реакции действительно снизился на 4-10^-6 грамма. В чем же тут дело? Куда делась эта недостающая часть реагирующих веществ?
Все дело в том, что при реакции горения образуется не только углекислый газ, но и выделяется энергия. Вот на нее-то и израсходованы 4-10^-6 грамма массы!
Энергия, как оказывается, самым непосредственным образом связана с массой. Этот всеобщий закон связи массы и энергии был открыт и сформулирован создателем теории относительности А. Эйнштейном. Согласно этому закону массе вещества в один грамм соответствует энергия 21,5 миллиарда килокалорий. (Одна килокалория (ккал) - это количество тепла, необходимое для нагревания одного килограмма воды на один градус.)
Эту величину можно получить и из нашего воображаемого опыта, если разделить выделившуюся энергию на уменьшение массы.
Закон Эйнштейна носит всеобщий характер. Так, при любой химической реакции с выделением энергии уменьшается масса и, наоборот, в реакции с поглощением энергии масса продуктов, получающихся в результате реакции, возрастает. Например, в реакции соединения водорода и кислорода масса получаемой воды меньше, чем сумма масс водорода и кислорода, взятых в отдельности, но при этой реакции выделяется энергия.
Если теперь с помощью электрического тока провести электролиз какого-то количества воды, то есть разложить ее на водород и кислород, то сумма масс их будет больше, чем исходная масса воды. Однако при этом на разложение воды затрачено некоторое количество энергии. В этом примере с получением и разложением воды соотношение между изменением массы и величиной выделившейся и поглощенной энергии будет таким же, как в реакции горения углерода, а именно: изменению массы в один грамм соответствует энергия в 21,5 миллиарда килокалорий.
Эта величина очень большая. Если б можно было перевести всю массу одного грамма вещества в энергию, ее хватило бы на обеспечение жизни 5-10 человек на протяжении всего их существования. К сожалению, пока это область фантастики. Позже мы еще коснемся этой проблемы, а сейчас вернемся к приведенному ранее воображаемому опыту. В нем, как вы помните, в реакции горения использовалось 44 килограмма углерода и кислорода, из которых в энергию превратилось всего 4-10^-6 грамма, то есть только одна десятимиллиардная доля. Конечно, это очень маленькая часть. А нельзя ли ее увеличить? Нельзя ли заставить переходить в энергию большую долю взятого вещества?
Оказывается, можно, и люди уже умеют это делать.
Чтобы понять, как это у них получается и в чем секреты разных способов освобождения энергии, давайте заглянем в глубины вещества и посмотрим, из каких деталей оно устроено.
Дефект массы
Что происходит с веществом при химической реакции, скажем, при горении углерода?
Молекула кислорода, состоящая из двух атомов, соединяясь с одноатомной молекулой углерода, образует трехатомное вещество - углекислый газ. Если молекула является наименьшей частью вещества, сохраняющей присущие этому веществу свойства, то атомы - это самые крошечные "кирпичики", определяющие свойства химических элементов, например, углерода, водорода, железа. Элементы отличаются друг от друга тем, что составляющие их атомы различны.
Углекислый газ не элемент, а вещество, содержащее атомы различных-элементов. Однако вещество, получившееся в результате химической реакции, состоит только из тех атомов, которые были введены в реакцию, - в данном случае из атомов углерода и кислорода. Этот факт обязателен для любой химической реакции, следовательно, в ней никогда нельзя получить новый химический элемент, новые атомы. А этого как раз и не знали средневековые алхимики и пытались получить золото из более дешевых и менее привлекательных материалов, которые, однако, не содержали атомов, определяющих свойства цветного металла.
Энергия, которую можно получить в химических реакциях, мала. Это мы видели в нашем опыте, где при горении углерода превратилась в энергию лишь одна десятимиллиардная доля вещества, участвовавшего в химической реакции горения. В других химических реакциях эта доля может быть больше, но ненамного. Значит, во всех химических реакциях, при которых изменения претерпевают лишь молекулы вещества, а атомы не изменяются и остаются целыми, невозможно перевести в энергию большую долю вещества. Как же эту долю увеличить? Надо пойти по принципиально новому пути и попытаться осуществить такие реакции, где менялись бы сами атомы.
Продолжим путешествие и "заглянем" внутрь атома.
Атом очень мал, что-то около одной пятимиллионной доли миллиметра. Почти все вещество, составляющее атом, сконцентрировано в его центре, образуя ядро атома. Вокруг ядра на большом (по сравнению с размером ядра) расстоянии вращаются электроны, несущие отридательный электрический заряд. Масса и размер этих элементарных частиц во много раз меньше массы ядра.
Вращаясь вокруг ядра, они как бы образуют так называемую электронную оболочку атома. Взаимодействие именно электронных оболочек определяет характер химических реакций и выделение энергии при этих реакциях.
Приведенное здесь описание атомов весьма и весьма упрощенное. В действительности он устроен гораздо сложнее, и очень многое в его устройстве до сих пор еще неизвестно. Однако и такая упрощенная модель довольно хорошо описывает результаты большого количества опытов, которые проводили физики, исследуя атом.
Позже нам понадобятся сведения еще о некоторых деталях атома, сейчас же дополним нарисованную модель следующим. В ядро атома входят два типа элементарных частиц: протоны и нейтроны. Последние не имеют никакого электрического заряда (отсюда и их название neutrum - ни то, ни другое латинское). Протоны же несут положительные электрические заряды, причем по величине они в точности равны заряду электрона.
Стоит сказать, сколько нейтронов, протонов и электронов содержит в себе каждый атом химических элементов.
Например, в ядре атома водорода - самого легкого элемента - содержится только один протон, вокруг которого вращается один электрон.
У углерода шесть нейтронов, шесть протонов и шесть электронов.
В атоме урана уже 143 нейтрона, 92 протона и 92 электрона.
Нельзя не обратить внимания на то, что у названных элементов число протонов равно числу электронов.
Таблица же Менделеева показывает, что это закономерно и для всех элементов. Но раз число протонов равно числу электронов, то, следовательно, положительный заряд ядра атома всегда равен отрицательному заряду всех электронов, а атом в целом, или "снаружи", электрически нейтрален.
И наконец, последний шаг путешествия в глубь атома: сколько же весят атом, протон, нейтрон? Массы этих частиц настолько малы, что для них придумана новая единица измерения, названная атомной единицей массы (а.е.м.). Одна такая единица массы равна 1,66-10^-24 грамма. Примерно столько весят и нейтрон и протон.
Вот и кончилось наше путешествие в глубь атома.
Но как все-таки извлечь из него энергию большую, чем та, которую он отдает при химических реакциях? Может быть, можно использовать метод, схожий с реакцией горения, но уже на уровне элементарных частиц, из которых состоит атом, то есть на уровне протонов и нейтронов?
При реакции горения выделение энергии происходит при соединении одних веществ и образовании других, новых. Посмотрим, что можно получить, если так же попытаться составить атом из отдельных элементарных частиц. Начнем с углерода. Какая должна быть масса у его атома, если составить его из элементарных частиц?
Проведя все вычисления, получим 12,1 а.е.м.
Вот тут-то и начинаются неожиданности! Оказывается, готовый, существующий в природе атом весит не 12,1 единицы, а только 12,0! Ну и что здесь особенного, скажете вы, стоит ли обращать внимание на такую малую разницу. Но подобное же удивление охватило нас, когда оказалось, что образовавшийся после реакции горения углекислый газ весит меньше, чем исходные продукты.
Мы выяснили тогда, что такому недостатку массы сопутствует выделение энергии. Так, может быть, и здесь то же самое? Может быть, если бы нам удалось из отдельных нейтронов, протонов и электронов составить атом углерода, то он весил бы на 0,1 атомной единицы массы меньше суммы исходных частиц? А так как материя не исчезает бесследно, то при этом пропорционально образовавшемуся недостатку массы и выделилась бы энергия?!
А умудрись мы таким образом создать 44 килограмма углерода (это вес исходных продуктов в рассмотренной выше химической реакции), то энергии получилось бы 7,8*10^12 килокалорий, что примерно в сто миллионов раз больше, чем при обычной химической реакции соединения углерода и кислорода! А это уже немало, и уже стоит обращать внимание на уменьшение массы в 0,1 а.е.м.
Все это хорошо, но у данного способа освобождения энергии есть существенный недостаток: наука еще не знает, как из отдельных элементарных частиц получать атомы углерода или других тяжелых элементов.
Ну что ж, придется искать другие способы освобождения энергии из недр атомов. Это делать уже легче, так как теперь ясно, что они должны быть основаны на использовании недостатка массы у элементов.
Недостаток массы присущ каждому элементу. Физики назвали его дефектом массы. Приведем для ясности небольшую таблицу нескольких элементов с их дефектами масс, а также их массовые числа, равные сумме протонов и нейтронов.
___________________________________________________.
_____________________________________________Дефект.
Элемент_____Число________Число____Массовое____массы.
___________нейтронов___ протонов___число____в а.е.м.
Дейтерий_____1____________1_________2_______0,0024_.
Тритий_______2____________1_________3_______0,009__.
Гелий________2____________2_________4_______0,03___.
Литий________3____________3_________6_______0,034__.
Углерод______6____________6________12_______0,1____.
Молибден____54___________42________96_______0,88___.
Лантан______82___________57_______139_______1,23___.
Уран_______143___________92_______235_______1,91___.
___________________________________________________.
Если соединить ядра таких двух элементов, чтобы у образовавшегося нового недостаток (дефект) массы был больше суммарного дефекта масс исходных элементов, то наверняка можно сказать, что при этом соединении (ядерной реакции) выделилась энергия, пропорциональная изменению дефекта массы.
Из таблицы видно, что такому условию удовлетворяет, например, реакция соединения двух ядер дейтерия с образованием гелия, при их соединении должна выделиться энергия. Такой же эффект получится, если соединить атомы дейтерия и лития и образовать два атома гелия.
Заметим, что дефект массы возрастает (а это означает больший выход энергии), если к любому элементу присоединить нейтрон. Так, с добавлением нейтрона дейтерий преобразовывается в тритий с большим дефектом массы, Значит, простое присоединение нейтрона к любому элементу сопровождается выделением энергии.
Два пути
Подобные ядерные реакции соединения легких элементов уже осуществлены. Интересно посмотреть, чего можно ожидать от реакций с тяжелыми элементами, приведенными в конце таблицы?
"Соединив" молибден с лантаном, мы получим элемент с массовым числом 235. Это уран-235 (такое написание применяется и для других элементов). Оказывается, в такой реакции результирующий дефект массы не возрастает, а уменьшается, и никакой энергии не выделяется, напротив, для осуществления такой реакции необходимо затратить ее пропорционально полученному изменению дефекта массы. Если сделать подобные расчеты для всех известных элементов, то окажется, что при соединении элементов с массовым числом, большим 60, новый элемент может быть получен лишь при затрате энергии на эту реакцию.
Вернемся к нашему примеру получения урана из молибдена и лантана. Будем рассуждать так: если при соединении атомов молибдена и лантана затрачивается энергия и получается атом урана, то при проведении реакции наоборот, то есть при делении атома урана на атомы молибдена и лантана, должна выделиться энергия. Действительно, пусть теперь исходным продуктом будет уран-235. Предположим, что каким-то путем нам удалось его разделить на молибден и лантан. Оказывается, сумма масс атомов этих элементов меньше массы атома урана, то есть дефект массы при такой реакции увеличивается, а значит, реакция пойдет с выделением энергии. Так на смену синтезу элементов пришел другой путь освобождения внутриядерной энергии - деление ядер. Так учеными был преодолен еще один рубеж на пути познания природы.
Конечно, достигли они этих высот не сразу. Ими создавались новые и отбрасывались отжившие теории, проводились многочисленные эксперименты и разрабатывались новые методы исследований. Лишь одно описание путей освобождения энергии может занять несколько томов. Перелистывая страницы этого описания, можно встретить многие славные имена наших современников, чьими трудами открыта эта тайна вещества. Среди них англичане Э. Резерфорд и Д. Чэдвик, датчанин Н. Бор, итальянец Э. Ферми, физики Советского Союза Д. Иваненко, И. Гуревич, Л. Ландау, И. Померанчук, Г. Флеров, И. Курчатов, немцы О. Ган и Ф. Штрассман, французы И. и Ф. Жолио-Кюри, а также многие, многие Другие.
Но вернемся к синтезу и делению - так будем называть два рассмотренных пути освобождения внутриядерной энергии - атомных ядер. Говоря о реакции синтеза, надо заметить, что в ряде случаев наряду с образованием нового элемента происходит высвобождение злементарных частиц: протона или нейтрона. Так, в реакции соединения двух атомов дейтерия образуется тритий, или гелий-3, и высвобождается протон или нейтрон. Возможна реакция синтеза дейтерия и трития с образованием атома гелия и вылетом нейтрона. Величина выделяющейся на грамм соединившихся веществ энергии составляет около 80 миллионов килокалорий. При делении же урана на один его грамм освобождается только около 20 миллионов килокалорий.
Итак, сопоставим: при синтезе дейтерия и трития выделяется 80*10^6 килокалорий на грамм; при делении урана - 20*10^6; при сжигании углерода всего лишь 7.
Количество энергии, выделяющейся при сгорании углерода, приведено для сравнения. Ее по сравнению с энергией синтеза и деления меньше (в расчете на один грамм вещества) в несколько миллионов раз. Это цифры, за которые стоит бороться. Как же осуществить реакцию синтеза?
Обратимся опять к химическим реакциям. Попробуйте при обычной комнатной температуре провести реакцию соединения (горение) древесины с кислородом. Дерево повсюду окружает нас, но, находясь в непосредственном контакте с кислородом, оно не соединяется с ним. Для того чтобы эта реакция началась, его нужно поджечь, повысив температуру.
Еще со школьной скамьи каждому из нас известно, что при нагревании вещества изменяется характер движения его атомов и молекул. Эти частицы всегда находятся в состоянии хаотического, беспорядочного движения. Так, при минусовой температуре молекулы, скажем, воды, прочно связанные друг с другом, лишь слабо колеблются, образуя кристаллики льда.
При повышении температуры колебания их становятся все быстрее и быстрее, при ноле и выше градусов прочные связи между ними разрываются и лед превращается в жидкость, воду.
С дальнейшим увеличением температуры энергия молекул возрастает настолько, что они начинают вылетать из воды, при 100 градусах она закипает и переходит в пар.
Если продолжать нагревать пар, то начнут распадаться сами молекулы воды на отдельные молекулы водорода и кислорода. Когда температура станет еще большей, распадутся все молекулы и перейдут в свободные атомы водорода и кислорода.
Итак, вещество из твердого переходит в жидкое, а затем в газообразное состояние.
При дальнейшем повышении температуры от атомов станут отрываться электроны и образовываться смесь ядер и электронов. Говорят, вещество переходит в так называемое четвертое состояние - в плазму.
Конечно, чтобы зажечь дерево, не нужно переводить его в четвертое состояние. Уже при температуре около 400 градусов его молекулы (точнее, молекулы целлюлозы) и молекулы кислорода движутся настолько интенсивно, что при соударении соединяются друг с другом, "сцепляются" своими электронными оболочками и образуют новое вещество. Выделяющейся при этой реакции энергии с избытком хватает на то, чтобы прошла такая же реакция соединения соседних молекул. От них энергия передается к следующим и так далее. Так возникает цепная реакция горения.
Мы обратились к химическим реакциям, чтобы на их примере показать, как можно осуществить реакцию синтеза атомных ядер, то есть заставить соединиться, например, два ядра дейтерия. Оказывается, надо дейтерий также разогреть, но до такой высокой температуры, при которой движущиеся атомы лишились бы своих электронных оболочек, дейтерий перешел бы в четвертое состояние, и лишь потом его ядра при соударении будут образовывать ядро трития и свободный протон.
Не нужно забывать, что химические и ядерные реакции (в данном случае реакция синтеза) качественно различны. В первой из них соединение атомов или молекул приводит к образованию нового вещества, но не нового элемента. Для осуществления химической реакции достаточно придать атомам или молекулам относительно небольшие скорости движения. В реакции синтеза совершенно другая ситуация. Чтобы соединить ядра, их нужно разогнать до гораздо больших скоростей движения.
Ведь ядра атомов несут положительный электрический заряд, а всякие одноименно заряженные частицы отталкиваются, и чем меньше расстояние между ними, тем больше силы отталкивания. Для преодоления этих сил отталкивания и нужно придать ядрам колоссальные скорости порядка 500-800 километров в секунду! Такую большую скорость ядра дейтерия приобретут только при температуре 100-150 миллионов градусов.
Таков первый путь освобождения энергии ядра. Второй путь - деление ядер. А есть ли еще какие-либо способы высвобождения энергии ядра? Пока, к сожалению, нет, или, точнее, мы их пока не знаем.
Аннигиляция
В реакциях деления и синтеза ядер в тепло и излучение превращается от 0,1 до 0,5 процента вещества. При химических реакциях, как мы уже говорили, эта величина составляет всего лишь одну десятимиллионную (10^-7) часть. Значит, овладев энергией деления и синтеза, человечество увеличит калорийность (теплотворную способность) топлива в миллионы раз. Это очень важный и своевременно взятый рубеж. Но, овладев им, человек начинает думать о взятии нового. Это и не удивительно.
"Человек создан затем, чтобы идти вперед и выше", - говорил Максим Горький, поэтизируя это качество людей.
Если же думать о практическом значении такого "опережения событий", то, пожалуй, не скажешь лучше известного польского писателя-фантаста С. Лема: "...в предыстории практика, естественно, опережала теорию, ныне же теория обязана провидеть пути практики, ибо за всякое невежество, проявленное сейчас, человечеству придется дорого уплатить потом".
Итак, стоит вопрос, который задают и ученые-теоретики, и экспериментаторы, занимающиеся физикой ядрасуществуют ли пути превращения в энергию большего количества вещества, чем реакции деления и синтеза ядер. Возможны ли они в принципе?
В принципе такие пути возможны. Нужно только найти законы, управляющие процессами большего превращения вещества в энергию.
Один из таких возможных процессов называется аннигиляцией. Это слово образовано от латинского "nihil" - ничто. Буквальный перевод: превращение в ничто, уничтожение. Физики называют аннигиляцией превращение элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов), обладающих в неподвижном состоянии массой, в другие формы материи, например в гамма-кванты, имеющие массу покоя, равную нулю (электромагнитное излучение). Ясно, что речь не идет об уничтожении материи, а о превращении одного ее вида движения в другой. Только простоты ради мы иногда будем называть этот процесс превращением вещества в энергию.
Аннигиляция происходит при столкновении какойлибо элементарной частицы, например, протона, с ее античастицей - антипротоном. Обладая т0й же массой, что и протон, она имеет не положительный, а отрицательный заряд и отличается рядом других свойств.
Эта ядерная реакция найдена не только на бумаге, но и осуществлена 1зо многих экспериментальных установках. Если аннигиляция протона и антипротона происходит в вакууме - образуются гамма-кванты, несущие 34 процента энергии; электрон и его положительно заряженный антипод позитрон с 16 процентами энергий. Половину энергии уносят нейтрино частицы с весьма большой проникающей способностью. Удержать их невозможно: свою долю энергии они уносят в необозримые просторы вселенной. Однако другую половину удержать удается. Если аннигиляция будет происходить в плотной среде, то энергия, уносимая нейтрино, уменьшается до 9 процентов.
Казалось бы, все обстоит ладно. Но есть один неприятный факт: на Земле, да и, кажется, во всей Солнечной системе антивещества нет. В распоряжении людей есть только технические способы получения искусственного антивещества. Здесь уже есть некоторые успехи. В лабораториях получены антипротоны, антиэлектроны (позитроны), даже созданы атомы антивещества: антиводород, антигелий. Однако задача - значительное уменьшение количества энергии, необходимой для создания античастиц, - еще не решена. В существующих способах на создание антипротонов или антиэлектронов бомбардировкой ядер ускоренными электронами или протонами тратится почти столько же энергии, сколько получается потом при аннигиляции полученных античастиц с частицами. Коэффициент полезного действия в такой схеме составляет не более 0.1 процента. Следовательно, чтобы получить одну килокалорию аннигиляционной энергии, надо предварительно затратить 999 килокалорий энергии того вида, которым мы располагаем, например электроэнергии.
Может ли устроить человека процесс, когда в конце концов энергии получается меньше, чем ее затрачивается? Принципиально может. В жизни мы пользуемся такими процессами. Например, на получение одной килокалории электроэнергии затрачивается 2,5 килокалории тепла сжигаемого топлива. Зато в результате получается качественно новый вид энергии, который можно эффективно использовать в промышленности, быту.
Для чего же нужна аннигиляционная энергия антивещества с калорийностью, в 100-300 раз превышающей калорийность ядерного топлива? Возможно, в далеком будущем она понадобится только для космических аппаратов. Для земной энергетики такой процесс не подходит.
Пожалуй, стоит рассказать еще об одной идее, которая родилась на заре работ по термоядерному синтезу.
Напомним: чтобы осуществить термоядерную реакцию, нужно разогреть плазму до 100-150 миллионов градусов. Лишь такая температура может обеспечить высокие скорости ядер, достаточные для преодоления силы отталкивания их положительных зарядов. Но допустим, что удалось бы нейтрализовать заряд одной из взаимодействующих частиц. При таком условии отпала бы необходимость в высокой температуре.
В природе существует некая элементарная частица, которая называется отрицательным мю-мезоном. Егозаряд равен электронному, а масса в 212 раз больше. Если этот мю-мезон соединить, например, с дейтерием, то может образоваться новый атом, в котором электрон атома дейтерия будет заменен мю-мезоном. Поскольку масса мю-мезона в две сотни раз больше массы электрона, то вокруг ядра он будет вращаться по орбите, лежащей во столько же раз ближе к ядру, чем орбита электрона. Благодаря тому, что эта система нейтральна и очень мала, она может очень близко подойти к другому ядру дейтерия, лишенному электрона (иону), и образовать молекулярный ион дейтерия, в котором вокруг двух очень близко расположенных ядер дейтерия вместо электрона будет вращаться мю-мезон. Расчеты показывают, что в этом случае очень велика вероятность того, что даже при не очень высокой температуре ядра дейтерия вступят в реакцию синтеза и начнет выделяться энергия. При этом процессе мю-мезон будет невредимым выброшен и сможет снова вызывать реакцию другой пары, потом третьей, потом...