Физические основы получения атомной энергии

I. ATOM И АТОМНОЕ ЯДРО

Атомная, или ядерная, энергия сосредоточена (скрыта) в ядрах атомов вещества и освобождается, то есть переходит в другие виды энергии, в результате ядерных превращений.

Чтобы открыть ядерную энергию и научиться ее использовать, необходимо было изучить строение вещества, проникнуть внутрь его, познать свойства и законы взаимодействия составляющих его частиц и научиться управлять их превращениями.

Идея о том, что любое вещество, кажущееся нам сплошным, состоит на самом деле из мельчайших частиц — атомов, была высказана впервые более двух тысяч лет тому назад философами-материалистами древней Греции Демокритом и Левкиппом. Атомы предполагались неделимыми, что нашло свое отражение и в самой терминологии: слово «атом» по-гречески означает «неделимый». Это была гениальная догадка, позволявшая объяснить многие явления природы, которые ранее представлялись таинственными и божественными. Поэтому не случайно материалистическое учение древнегреческих ученых об атомах было объявлено церковниками ересью и долгое время находилось под запретом церкви.

И только в XVII и XVIII столетиях под влиянием запросов развивающегося производства и торговли это учение вновь возрождается на новой основе как научная гипотеза. Выдающийся вклад в разработку этой гипотезы и превращения ее в научно обоснованную физическую теорию принадлежит М. В. Ломоносову, Дж. Дальтону и другим ученым.

В XIX веке было уже известно, что все вещества окружающих нас предметов разделяются на простые и сложные. Такие вещества, которые невозможно химическими способами разложить на более простые, были названы химическими элементами, то есть химически простыми веществами. Таковы, например, водород, гелий, кислород, которым мы дышим, алюминий, уран и т. д.

Большинство веществ природы относится к числу сложных: они состоят из большего или меньшего числа химических элементов. Таковы, например, вода, которую можно разложить на кислород и водород, сталь, состоящая из железа, углерода и других элементов, и многие другие вещества.

Считалось, что каждый химический элемент состоит из мельчайших частиц — зерен вещества или атомов, на которые распадается элемент при химических превращениях (реакциях). Атомы — это предел делимости химического элемента, поэтому их нельзя разложить химическими способами на еще меньшие частицы. Атом является материальным носителем присущих элементу химических и физических свойств.

Атомы сравнительно небольшого числа химических элементов, существующих в природе, соединяясь в различных комбинациях, образуют все бесконечное многообразие сложных веществ природы. Частица вещества, построенная из нескольких атомов, называется молекулой. Молекула, например, воды построена из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Один атом металла натрия, соединяясь с атомом газа хлора, образует молекулу поваренной соли, которую мы употребляем в пищу. Число атомов, входящих в состав молекул более сложных веществ, исчисляется иногда сотнями и тысячами.

Как можно заключить из вышесказанного, все вещества природы (как простые, так и сложные) состоят в конечном счете из атомов. Атомы — это как бы «кирпичики», из которых построены все окружающие нас тела и мы сами.

На свете не было и нет еще такого микроскопа, который позволил бы увидеть отдельные атомы. Но наука нашла другие способы обнаружения атомов и изучения их свойств. В результате к концу XIX и началу XX столетия, когда экспериментальные методы науки достигли значительного совершенства, существование атомов было достоверно доказано.

Правда, и тут нашлись такие скептики, которые пытались поставить под сомнение существование атомов, воскрешая тем самым линию средневековых церковников. Это были Мах, Оствальд и другие представители реакционной идеалистической философии, утверждавшие, что атомы — это выдумка и что якобы скоро упоминание об атомах будут находить лишь в пыли библиотек.

История жестоко посмеялась над этими «пророками». Доказав реальность существования атомов, физики-материалисты определили их размеры, вес (массу) и проникли в их недра, открыв много новых и интересных явлений. Проникнув внутрь атомов, исследовав их строение и те сложнейшие процессы, которые там происходят, физики пришли к открытию ядерной энергии. Этим физика еще раз подтвердила незыблемость положения диалектического материализма о безграничных возможностях науки в познании окружающего нас мира.

Даже крупные молекулы, состоящие из нескольких тысяч атомов, столь малы, что увидеть их в самый сильный оптический микроскоп не представляется возможным. При помощи такого микроскопа можно рассмотреть лишь предметы, размеры которых превышают тысячную долю миллиметра. Электронный микроскоп, изобретенный в последние десятилетия, увеличил возможность наших органов зрения, отодвинув границу невидимого до нескольких миллионных долей миллиметра. С помощью этого замечательного прибора удалось, наконец, увидеть и сфотографировать отдельные наиболее крупные молекулы. Но атомы мы пока не можем видеть; их размеры определены косвенным путем. Оказалось, что в среднем диаметр атома равен примерно одной стомиллионной доле сантиметра. Это означает, что ряд, построенный из ста миллионов атомов, расположенных вплотную один к другому, занял бы всего около одного сантиметра. Атом во столько раз меньше яблока средней величины. во сколько само яблоко меньше земного шара.

Масса или вес отдельного атома также чрезвычайно малы[2]. Это можно видеть из следующего примера. Количество атомов, содержащихся в одном грамме водорода, выражается числом, состоящим из цифры 6 с двадцатью тремя нулями:

что можно записать кратко в виде: 6∙10²³. Представить, насколько велико это число, можно из следующего примера.

Если бы все атомы, содержащиеся в одном грамме водорода, удалось распределить равномерно по всей Земле, то на каждый сантиметр ее поверхности пришлось бы около 100 тыс. атомов.

Поскольку в одном грамме водорода содержится 6∙10²³ атомов, то отсюда нетрудно сообразить, что масса одного такого атома будет равна единице, деленной на 6∙10²³, что дает 1,66∙10^-24 г. Другими словами, масса атома водорода равна 1,66 г, деленным на число из единицы с 24 нулями[3].

Отсюда видно, что массы (соответственно и веса) атомов в граммах выражаются крайне малыми числами. Поэтому в атомной физике применяют обычно специальные единицы веса и массы, более удобные на практике.

Вес атомов выражают в относительных единицах, в которых вес атома кислорода принимается равным 16 единицам. Число, равное отношению веса данного атома к весу 1/16 части атома кислорода, называется атомным весом. Атомный вес водорода, самого легкого из всех химических элементов, составляет 1,008, что приблизительно равно единице. Отсюда следует, что приближенно атомный вес можно определить как вес данного атома по отношению к весу атома водорода.

Массу атомов выражают в специальных атомных единицах массы (сокращенно а.е.м.), в которых масса атома кислорода принимается равной 16 единицам. 1 а.е.м., равна 1,66∙10^-24 г, что соответствует приблизительно массе атома водорода.

Из вышеизложенного следует, что относительный атомный вес и масса атома в атомных единицах численно равны между собой. В силу этого атомный вес, приведенный в таблице Д. И. Менделеева (рис. 1) для каждого элемента, дает нам в то же время массу атома этого элемента в атомных единицах. Если, например, атомный вес гелия равен 4,003, то это значит, что масса атома гелия равна 4,003 а.е.м.

Атом урана — самый тяжелый из всех атомов, существующих в природе, — в 238 раз тяжелее атома водорода, его атомный вес 238; масса его атома равна 238 а.е.м. Атомный вес, округленный до целых единиц, называется массовым числом.

Почти до конца прошлого столетия в науке господствовало ошибочное убеждение, что атом представляет собой неизменную, абсолютно неделимую элементарную частицу вещества.

В конце XIX и начале XX столетий, когда наука смогла проникнуть внутрь атома, выяснилось, что атом представляет собой сложное материальное образование, состоящее из нескольких более простых частиц и способное к изменениям и превращениям.

В обосновании нового учения об атоме и овладении заключенной в нем энергией выдающуюся роль сыграл открытый в 1869 г. гениальным русским химиком Д. И. Менделеевым периодический закон химических элементов. Глубочайшая вера в объективность законов природы привела Менделеева, убежденного материалиста и диалектика, к открытию великого закона природы, которое Ф. Энгельс оценивал как научный подвиг.

Менделеев установил, что свойства химических элементов изменяются периодически и что между ними существует внутренняя закономерная связь. Основываясь на этом, Менделеев расположил химические элементы в ряд по их атомным весам, построив таким образом периодическую систему (таблицу) элементов, которая охватывает все существующие химические элементы (рис. 1).

В 1869 г. было известно только 64 элемента. Из них лишь 35 были изучены настолько хорошо, что их можно было уверенно расположить в системе. У остальных известных элементов даже основные свойства еще не были изучены в достаточной мере.

Однако глубоко уверенный в правильности открытого им закона. Менделеев размещал элементы в периодической системе, изменяя неверные значения атомного веса ряда элементов и предсказывая новые их свойства. В некоторых случаях ученый оставил в таблице пустые клетки для не открытых, но, по его мнению, существующих в природе элементов.

«Каждый естественный закон, — писал Менделеев, — однако, тогда только приобретает особое научное значение, когда из него есть возможность извлекать практические, если можно так выразиться, следствия, то есть такие логические заключения, которые объясняют не объясненное еще, указывают на явления, до тех пор неизвестные, и, особенно, когда он дает возможность делать такие предсказания, которые возможно подтвердить опытом. Тогда очевидна становится польза закона и получается возможность испытать его справедливость».

Опираясь на открытый им закон, Д. И. Менделеев предсказал существование новых, неизвестных еще элементов и наперед описал физико-химические свойства некоторых из них.

Дальнейшее развитие науки блестяще подтвердило замечательные предвидения великого ученого. Несколько из указанных Менделеевым элементов были открыты еще при его жизни, и свойства их полностью совпали с его предсказаниями.

Величие подвига Д. И. Менделеева стало особенно отчетливым в XX столетии, когда открытый им закон получил глубокое обоснование новыми открытиями физики.

Новейшие исследования показали, что в принятом Менделеевым порядке размещения элементов нет ни одной ошибки. Все элементы, открытые после 1869 г., разместились на оставленных для них местах, подчиняясь тому же единому для всех элементов периодическому закону.

В настоящее время в периодической системе Менделеева насчитывается 102 элемента, начиная с самого легкого водорода, находящегося на первом месте, и кончая менделевием, открытым в 1955 г. и занимающим 101 место, и нобилием, открытым в 1957 г. и занимающим 102 место. Американский физик Г. Сиборг и его сотрудники, открывшие 101 элемент, присвоили ему название менделевий в честь автора периодической системы, служащей в течение почти столетия ключом к открытию новых элементов.

Каждый химический элемент имеет в периодической системе строго определенное место с определенным порядковым номером, называемым числом Менделеева, или атомным номером. Водород, открывающий таблицу, имеет номер 1, гелий — 2, уран — 92 и т. д. Атомный номер набран в таблице (рис. 1) крупным жирным шрифтом. Там же под наименованием элементов приведены их атомные веса. С возрастанием атомного номера свойства элементов периодически изменяются. Зная место элемента в периодической таблице, можно указать его основные свойства.

Атомный номер Z и атомный вес А — это основные величины, которыми характеризуются атомы каждого элемента.

Из периодического закона следует, что атомы различных элементов внутренне связаны между собой и поэтому, отличаясь друг от друга, они должны в то же время иметь что-то общее, дающее им возможность к изменениям и превращениям друг в друга. Отсюда получается, что атомы не могут быть простыми и неизменными шариками с раз и навсегда данными свойствами, а должны иметь сложное строение.

Новый взгляд на атом, как на качественно своеобразную материальную систему, не являющуюся чем-то простым и неизменным, был сформулирован Ф. Энгельсом раньше, чем это сделали сами физики и химики, а в дальнейшем развит В. И. Лениным. Энгельс указывал, что атомы «отнюдь не являются чем-то простым, не являются вообще мельчайшими известными нам частицами вещества»[4].

Важнейшими открытиями, доказавшими сложность атома и тем самым подтвердившими взгляды Ф. Энгельса и подготовившими создание современной теории атома, явились открытия электрона (1897 г.) и радиоактивности (1896–1898 гг.).

Обобщая результаты науки начала XX столетия и критикуя старое метафизическое понимание атома как неизменной и неделимой частицы вещества, Ленин говорил, что диалектический материализм признает неисчерпаемость атома и утверждает, что «электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна…»[5] Ленинское учение о неисчерпаемости материи во всех ее частях и проявлениях, полностью подтвержденное последующим развитием науки, имеет важное значение для прогресса современной атомной физики.

По современным представлениям, в формировании которых большую роль сыграли работы великого английского физика Э. Резерфорда, атом состоит из тяжелого положительно заряженного ядра, обладающего очень малыми размерами, и легких электронов, движущихся вокруг ядра в обширной области, получившей название электронной оболочки (рис. 2).

Диаметр ядра в несколько десятков тысяч раз меньше диаметра атома. Если представить себе атом увеличенным до размеров высотного здания Московского университета на Ленинских горах, то ядро представится тогда в виде вишни средней величины.

Электрон — мельчайшая частица вещества, обладающая зарядом отрицательного электричества. Вес (масса) электрона очень мал; он примерно в 1840 раз меньше веса легчайшего из всех атомов — атома водорода. Электрический заряд, меньший чем у электрона, никогда не наблюдался. Поэтому в атомной физике принято все заряды измерять в зарядах электрона.

Число электронов в электронной оболочке атома равно числу положительных зарядов в его ядре. Благодаря одинаковому числу положительных и отрицательных зарядов атом в целом нейтрален, то есть электрически не заряжен.

Положительный заряд ядер атомов различных химических элементов не одинаков: заряд ядра, а следовательно, и число обращающихся вокруг него электронов равны порядковому номеру элемента Z в периодической системе Менделеева. Так, например, атом водорода состоит из ядра, имеющего один заряд положительного электричества и движущегося вокруг него одного электрона. Соответственно этому водород стоит на первом месте в периодической системе. Атом гелия состоит из ядра, имеющего двойной положительный заряд, и движущихся вокруг него двух электронов. Гелий расположен в периодической системе на втором месте. В атоме кислорода имеется 8 положительных зарядов в ядре и 8 электронов в оболочке. Соответственно этому кислород занимает в системе Менделеева восьмое место.

Открытие того, что порядковый номер (положение) элемента в периодической системе, от которого зависят химические свойства элемента, равен как раз числу положительных зарядов в ядре данного атома, вскрыло глубокий смысл системы Менделеева. Нельзя не удивляться гениальной прозорливости великого русского химика, сумевшего за сорок лет до открытия самого существования атомных ядер правильно определить место каждого элемента в открытой им периодической системе.

Строя свою систему, Менделеев располагал элементы в порядке возрастания их атомных весов, так как атомный вес был в то время главным отличительным признаком разных элементов. Но, учитывая все другие свойства аргона, калия, кобальта, никеля, иода и теллура, Менделеев разместил эти элементы с нарушением постепенного возрастания их атомных весов. Так, например, элемент теллур (атомный вес 127,6) Менделеев поставил на 52 место, а иод (атомный вес 126,9) — на 53-е, хотя их следовало бы расположить в обратном порядке, если руководствоваться атомным весом. Многочисленные измерения электрического заряда ядер атомов аргона, калия, кобальта, никеля, иода, теллура и всех других элементов показали, что число «элементарных» зарядов в ядрах атомов элементов точно совпадает с тем порядковым номером, который им дал Менделеев в своей периодической системе.

Таким образом, место элементов в периодической системе объективно обусловлено положительным зарядом их атомных ядер. Тем самым было установлено, что число «элементарных» зарядов в ядре (число Менделеева Z) является самой главной и существенной характеристикой атома, полностью определяющей его химические свойства.

Между положительно заряженным ядром атома и его электронами, как и между всякими разноименно заряженными телами, действуют силы электрического притяжения, удерживающие электроны в обширной оболочке атома. Электроны обращаются в атоме на разных расстояниях от ядра, располагаясь несколькими слоями. В каждом слое может находиться лишь вполне определенное количество электронов. Первый слой, ближайший к ядру, получил название K-слоя; в нем может находиться не более двух электронов. Далее следует второй слой (L-слой), имеющий не более 8 электронов, третий слой (M-слой), содержащий не более 18 электронов, и т. д. Под действием сил притяжения со стороны ядра электроны стремятся расположиться в ближайших к ядру слоях. Поэтому при построении электронной оболочки атома сперва заполняется слой K, затем L, М и т. д. Если число электронов в атоме, равное, как мы знаем, Z, меньше того их количества, которое необходимо для заполнения слоев, то последний (верхний) слой остается незаполненным. Строение электронной оболочки некоторых атомов схематически дано на рис. 3. Каждый слой условно изображен окружностью, на которых точками показаны электроны.

В каждой клетке таблицы Менделеева (см. рис. 1), помимо атомного номера и атомного веса, приведены колонки цифр, указывающих распределение электронов по слоям. Для алюминия, например, найдем следующие цифры (снизу вверх): 2, 8, 3, дающие число электронов соответственно в слоях K, L и М; для меди — 2, 8, 18, 1 и т. д.

Первоначально ученые считали, что электроны в атоме вращаются вокруг ядра совершенно так же, как планеты, в том числе и наша Земля, обращаются вокруг Солнца. Атом рассматривали как солнечную систему в миниатюре.

Однако развитие науки показало, что наряду с некоторым сходством между атомом и солнечной системой существует громадное качественное различие. Движение электронов в атоме значительно сложнее, и поэтому, строго говоря, уподоблять атом солнечной системе нельзя.

Наиболее удаленный от ядра внешний слой электронов удерживается ядром с наименьшей силой. Поэтому атомы могут терять один или несколько электронов именно из внешнего слоя. Чем дальше от ядра находятся внешние электроны, способные отрываться от атома, тем легче объединяются они с электронами других атомов при химических взаимодействиях. Химическая активность элементов, их способность участвовать в различных химических процессах определяется именно внешними электронами.

Если из нейтрального атома удалить (выбить) один из его электронов, то, лишенный электрона, атом окажется положительно заряженным. Такой заряженный атом называется положительным ионом. Электрон, выбитый из атома и существующий либо свободно, либо присоединившись к какому-либо атому, образует отрицательный ион. Процесс удаления электрона из атома, в результате которого образуется пара ионов, называется ионизацией.

Простейшим примером иона является ионизированный атом водорода, называемый протоном. Так как в нейтральном атоме водорода имеется всего один электрон, то нетрудно понять, что протон, получающийся при удалении этого единственного электрона, представляет собой попросту ядро атома водорода.

Дважды ионизированный атом гелия, называемый альфа-частицей, есть не что иное, как ядро атома гелия.

Чтобы ионизировать атом, необходимо произвести работу по преодолению сил электрического притяжения, удерживающих электрон вблизи от ядра, и, следовательно, затратить некоторую энергию. Для атомов различных элементов требуются различные затраты энергии. В атмосферном воздухе, состоящем главным образом из азота и кислорода, необходимая для образования одной пары ионов энергия составляет в среднем 32,5 электрон-вольта.

Электрон-вольт (эв) — единица энергии, принятая в атомной физике. Электрон-вольт — такое количество энергии, которое приобретает электрон, пробежавший в ускоряющем электрическом поле путь с напряжением (разностью потенциалов) в 1 в.

Часто употребляется более крупная единица — мегаэлектрон-вольт (Мэв), равный миллиону электрон-вольт:

Можно показать, что мегаэлектрон-вольт равен шестнадцати десятимиллионным долям общефизической единицы энергии эрга:

что кратко можно записать следующим образом: