Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек
Шрифт:
Защитой от радиации является слой поглощающего ее вещества. Это может быть любое вещество, однако мощность слоя для разных материалов будет неодинакова. Слой металла, как правило неактивного свинца, толщиной в 6 см способен почти полностью заглушить поток радиации от солей урана. Бетонная защита должна иметь толщину около 10–15 см. Грунт (почва) в качестве препятствия для гамма-лучей подбирается средней мощностью до 60 см. Естественно, приведенные здесь цифры усреднены.
Резерфорд совершил немало других открытий, которые легли в основу ядерной физики. Кроме обнаружения ядерных реакций и видов радиоактивного излучения, весьма существенным достижением ученого следует назвать открытие закона радиоактивного распада. Резерфорд установил, что
Период распада постоянен и неизменен для каждого вида атомов. У разных видов он может насчитывать от долей секунды до миллионов лет. Скорость распада ядер и образования новых видов атомов и элементов постоянна, она не зависит ни от каких внешних сил и воздействий, за исключением ядерных. Период распада не особенно важен в физике, поскольку ученым гораздо удобнее иметь дело с т. н. периодом полураспада. Так называется временной интервал, за который распадается примерно половина всего количества ядер.
Период полураспада является постоянной величиной. В течение первого периода происходит распад 1/2 от общего количества, за последующий период — распад 1/2 от исходного или 1/4 от первичного, по прошествии еще одного периода — соответственно 1/2 и 1/8 части. Что же произойдет, когда останутся, скажем, 4 атома? Наверное, по истечении очередного периода полураспада останутся 2 атома, хотя вполне вероятно, что 3 или даже 1. Так происходит потому, что закон радиоактивного распада имеет вероятностный характер. Он справедлив, когда количество атомов чрезвычайно велико и возможность распада именно половины из них наиболее вероятна. Но в радиоактивном веществе по прошествии периода полураспада никогда не распадается ровно 50 % ядер. Однако сколь угодно приближенное к 50 % количество распавшихся атомов вполне реально. Например, если по прошествии периода полураспада распадется из 1 млрд атомов 500 000 100 ядер, то в этом не будет ничего удивительного. Напротив, такое количество распавшихся ядер наиболее вероятно и ожидаемо.
Изобретение атомных реакторов
После открытия А. Беккерелем и супругами Кюри явления радиоактивности Э. Резерфорд догадался использовать излучение, рождающееся во время этого процесса, для воздействия на атомы вещества. Наибольший интерес у физика вызвало альфа-излучение. Облучение вещества альфа-частицами вызывает в нем ядерные реакции, сопровождающиеся перерождением атомов (их распадом, превращением в новые атомы) или испусканием атомами нового излучения.
Возможность проводить ядерные реакции так, как задумано, привлекла к себе внимание ученых. В 1934 г. вслед за Резерфордом проводят опыты по бомбардировке альфа-частицами разных веществ Ирен Жолио-Кюри (дочь супругов Кюри) и ее муж Фредерик Жолио-Кюри. Они обнаруживают, что алюминий, бор и магний после облучения альфа-частицами приобретают радиоактивные свойства. Новое физическое явление называют в науке искусственной радиоактивностью. За его открытие супругам Жолио-Кюри в 1935 г. была присуждена Нобелевская премия.
В 1938 г. немецкими физиками О. Ганом и Ф. Штрасманом проводятся исследования радиоактивного деления ядер урана. Ученые наблюдают активное выделение нейтронов в ходе реакции. Тогда же Ф. Жолио-Кюри принимается за исследование деления урана. На основе открытия Гана и Штрасмана он выдвигает предположение, что в уране возможны цепные реакции. Дальнейшие работы Жолио-Кюри подтвердили справедливость этого предположения.
Рождающиеся при делении ядер урана нейтроны начинают бомбардировать соседние ядра и вызывать их деление. В результате распад атомов продолжается стихийно. Очередная группа распавшихся атомов порождает нейтроны, разрушающие еще одну группу атомов, также порождающих при распаде нейтроны. При этом выделяется
Цепные реакции не нуждаются в контроле, они протекают самопроизвольно. Однако этот стихийный процесс приводит к высвобождению такого количества энергии, что ее выделение происходит взрывообразно. На этом принципе основано устройство атомной бомбы. Ядерная энергетика деления развивает технологии контролируемого расщепления атома, при которых возможно получение не разрушительной, а созидательной энергии для нужд промышленности.
Первым ученым, который добился успеха, занимаясь такими исследованиями, был итальянский физик Э. Ферми. Он изучал особенности процесса искусственного деления ядер урана и, в частности, установил, как обойти границу величины критической массы. Под критической массой радиоактивного вещества понимается такое его количество, когда цепная реакция перестает быть управляемой.
В атомной энергетике достижение ядерным горючим критической массы очень опасно, поскольку реактор превращается в бомбу. Первый в мире реактор был запущен под руководством Э. Ферми в США в 1942 г. В нашей стране в 1946 г. был запущен первый в Европе атомный реактор. Его запуском ведал основатель отечественной ядерной физики И. В. Курчатов.
Управляемый термояд
Термояд — сокращенное, полуофициальное название термоядерного синтеза. Энергию атомного ядра можно до бывать не только путем расщепления, но и посредством синтеза тяжелых ядер, когда рождение новых продуктов сопровождается выделением радиоактивного излучения и колоссального количества тепла. Видимо, эпоха анализа (разложения) в науке и технике безвозвратно уходит в прошлое. Ее сменяет эпоха синтеза. Человек больше не разрушает, а старательно создает из простого сложное. Мы объединяем вещества в лекарства, пластмассы, волокна, сплавы и многое другое. Теперь человеку предстоит создавать новые атомы, чтобы обеспечить себе доступ к практически безграничным источникам энергии.
Открытие реакции термоядерного синтеза
Реакции синтеза атомных ядер были предсказаны рядом физиков в 1910-х гг. на основании данных изучения радиоактивного превращения элементов. Парадоксально, но термоядерный синтез был осуществлен в 1919 г., т. е. почти за 9 лет до искусственного проведения реакции радиоактивного распада. Впервые в искусственных условиях его провел Э. Резерфорд: он столкнул на большой скорости гелий с азотом и получил водород и тяжелый кислород. Спустя 5 лет ученый успешно провел в своей лаборатории синтез сверхтяжелого водорода трития из ядер тяжелого водорода дейтерия.
Ядро гелия (альфа-частица) обладает удивительной способностью воздействовать на атомы. Еще сильнее расшатывает любое атомное ядро дейтрон — ядро дейтерия. Бомбардируя этими ядрами более тяжелые изотопы, удается вызвать интенсивные реакции, приводящие к синтезу новых элементов. Средневековые алхимики мечтали превращать неблагородные металлы в золото. Наука показала, что химическим путем этого добиться невозможно, но каждый специалист по ядерной физике знает, что превратить свинец или ртуть в золото реально. Нужно воспользоваться колоссальными возможностями термоядерного синтеза.
Сегодня уже найдены формулы реакций, обеспечивающих получение золота из любого неблагородного металла. К сожалению, искусственный синтез элементов чрезвычайно труден, поэтому золото гораздо выгоднее добывать из земных недр. Чтобы сталкиваемые ядра вступили в реакцию, им нужно сообщить значительную скорость, которая напрямую зависит от энергии летящих частиц. Резерфорд осуществил лишь простейшие реакции, значительно разогнав ядра. Более сложные реакции потребуют или невероятно длительного разгона, или создания температур от 50 до 100 млн °С.