Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек

История открытия атома хорошо известна. Примерно 3200 лет назад финикийский мудрец Мох Сидонский предположил существование мельчайших частиц, слагающих материю. В V в. до н. э. это учение возрождают греческие натурфилософы Левкипп и Демокрит, присвоившие атому его современное название, означающее «неделимый». Их точка зрения возобладала в науке. Это история изучения элементарных частиц известна многим. Однако есть и другая история, тесно связанная с открытием электрона.

Благодаря этому открытию физики пришли к выводу о делимости атома, неисчерпаемости материи, обнаружили много новых элементарных частиц, а главное — сумели описать строение атомов и, исходя из этих представлений, объяснить их свойства. Таким образом, подлинное открытие мира мельчайших частиц состоялось лишь тогда, когда было установлено существование электрона и определено его положение в атоме.

Открытие электрона

Первым понял, что электрический заряд нельзя дробить бесконечно, французский физик Ш. Кулон. А Б. Франклин выдвинул гипотезу о существовании электрических частиц. Когда в 1860-е гг. учение о молекулах и атомах (кинетическая теория) возобладало в науке, ученые задумались о том, действительно ли существуют электрические частицы. Учение об электричестве долгое время обходилось без понятия электрона.

Существенный сдвиг в теории произошел только после работ М. Фарадея. Опираясь на них, Дж. Максвелл пришел к выводу о существовании в природе электромагнитного поля. В 1881 г., следуя теории Фарадея, другой физик, англичанин Стоней вычислил величину элементарного электрического заряда. Но ученые не могли предположить, что электрон имеет меньшие размеры, чем атом, считавшийся единицей строения вещества.

Открытие электрона состоялось в 1897 г. К нему науку подвел, как ни странно, газовый разряд. Изучение электричества началось с наблюдения за молниями — типичными искровыми разрядами в атмосфере. Помимо молний существуют и другие виды электрических разрядов в газах: коронные, дуговые, тлеющие разряды. Коронные наиболее впечатляют. Они были известны с давних времен под названием огней Святого Эльма. Эти огни вспыхивали с приближением грозы на шпилях башен и мачтах кораблей. Атмосферное электричество стекало на острый предмет и ионизировало воздух, вызывая его свечение.

Молния тоже стремится попасть в какой-то предмет, но она не стекает, а проскакивает искрой, несущей колоссальный заряд. Кстати, то, что люди называют ударом молнии, представляет собой очередь из 10–20 сильнейших разрядов, движущихся по электрическому каналу (стримеру) один за другим. Для человеческого глаза они сливаются в единую вспышку. Англичанин Дж. Дж. Томсон открыл электрон, изучая особый вид разряда — катодные лучи.

Они являются сфокусированным в пучок потоком электронов в газе и образуются при самостоятельном газовом разряде. Плотность газа очень низка, его давление не должно превышать 0,01 мм рт. ст. Такой пучок электронов можно получить в катодной трубке, устроенной примерно так же, как и кинескоп телевизора. Электроны срываются с холодного катода (отрицательного электрода) трубки и попадают на экран с люминофором. Встроенные в трубку магниты и заряженные пластинки отклоняют своими полями, магнитным и электрическим, электронный луч.

Смещение луча можно измерить по изменению положения светлого пятна на экране люминофора, а отсюда уже найти энергию пучка и провести остальные замеры. Томсон догадывался, что катодные лучи представляют собой поток частиц, но отказывался в это поверить. И только после длительных замеров он был вынужден признать существование электрона. Эта элементарная частица имеет массу, в 1000 раз меньшую массы атома водорода, самого легкого из всех атомов.

Томсон создал первую модель атома, в которой маленькие заряженные шарики-электроны были погружены внутрь положительно заряженного ядра. Физики, признав существование заряженной частицы, склонялись к убеждению, что электрон есть крупица вещества, на поверхности которой находится элементарный заряд. Эксперименты, однако, не подтвердили этих догадок. Оказалось, что электрон и есть заряд, а не вещество, покрытое зарядом. Это единичный заряд, который ведет себя, как частица.

Масса электрона — это не вес вещества. В данном случае речь идет об электромагнитной массе, зависящей от скорости частицы. Само вещество оказалось совокупностью зарядов — положительных и отрицательных. В дальнейшем было установлено, что электрон, как и свет, имеет корпускулярно-волновую природу. То есть наши тела не являются чем-то твердым и плотным, а представляют собой набор электромагнитных волн и зарядов. Наука оказалась не готовой адекватно воспринять открытие необыкновенных свойств материи. Математик и физик А. Пуанкаре называл такое состояние в физике «кризисом науки».

Преодолеть этот кризис удалось во многом благодаря дальнейшим исследованиям электрона, оказавшегося поистине неисчерпаемым. Во-первых, физикам предстояло открыть истинное строение атома. Модель Томсона была неверной, взамен нее японский ученый Нагаока предложил в 1903–1904 г. планетарную модель, усовершенствованную в 1910 г. Э. Резерфордом. Она используется и сейчас в популярной литературе для описания строения атома.

В центре атома находится огромное заряженное положительно ядро. Оно состоит из протонов и нейтронов. Протоны несут положительный заряд, тогда как нейтроны никак не заряжены. Положительный заряд притягивает к себе отрицательные частицы — электроны, которые под действием электромагнитного притяжения обращаются вокруг ядра по орбитам так же, как планеты движутся вокруг Солнца в космосе. Атом водорода — простейший из всех остальных, он состоит из одного протона и одного электрона.

Планетарная модель потрясла многих мыслителей и ученых. Сходство между ничтожной частицей и Вселенной было невероятным. Тогда поэт В. Брюсов, поддаваясь всеобщему настроению, написал мечтательные строки: «Быть может эти электроны — миры, где пять материков…». На самом деле внутри атома не может быть второй Вселенной и другой цивилизации. Дело в том, что количества внутриатомных сил и превращений недостаточно для того, чтобы повторить разнообразие явлений природы в настоящей Вселенной.

Возвращаясь от фантазий к реальности, заметим, что электрический заряд каждого атома в целом нейтрален, т. к. положительный заряд ядра уравновешивается отрицательным зарядом электронов. Избыток электронов превращает атом в отрицательно заряженный ион (катион), а недостаток этих частиц — в положительно заряженный ион (анион). Эта модель, однако, сильно упрощена и многого не объясняет. Противоречия удалось разрешить ученику Резерфорда, датскому физику Н. Бору, построившему квантовую модель атома. Открытие квантования электронных орбит считается одним из крупнейших достижений физики XX в. Оттого на рисунке — послании внеземной цивилизации, помещенном на борту американских автоматических станций «Пионеров», схематически отображено квантовое строение электронной оболочки атома. Модель занимает большую часть рисунка, потесняя схему Солнечной системы, строение молекулы водорода и даже изображение мужчины и женщины как двух равных представителей нашего вида — Человека разумного. Если космическое послание найдет своего адресата, то инопланетяне узнают о высоком уровне наших физических представлений.

Бор провел вычисления устойчивости электронных орбит и пришел к выводу, что у электрона во внешнем слое есть несколько дозволенных, т. е. стабильных, состояний. Во всех остальных положениях электрон утрачивает стабильность, и атом начинает терять энергию в виде излучения. Вот почему генерируют когерентный луч лазеры и тускло светят лесные гнилушки: электроны в возбужденных атомах перескакивают на недозволенные орбиты и становятся нестабильными. Состояния электрона любопытны тем, что он переходит из одного в другое скачкообразно.

Энергия электронной оболочки квантуется, т. е. делится на порции. Так происходит с энергией в любых физических процессах, но человек не замечает квантования, потому что порции энергии бесконечно малы. Нам кажется, что она расходуется плавно. Перемещения электрона из дозволенного состояния в недозволенное и наоборот не могут сопровождаться плавным изменением энергии. Ведь частица столь мала, что и энергия ее импульса ничтожна. Отсюда невероятные скачки электрона и квантование его орбит и состояний.

Разным орбитам соответствуют разные состояния и разные значения энергии электрона. От состояния электронов во внешнем электронном слое зависит способность атома вступать в химическую связь. Когда квантовую модель атома Бора объединили с представлениями о волновой природе электрона, то получилось, что никаких электронных орбит не существует. Положение электрона в заданный момент времени определить невозможно, т. к. он перемещается скачкообразно, без ускорения. В результате частица распределяется по всей своей орбите.

Орбита уже сама на себя непохожа. Поэтому было решено назвать ее электронной орбиталью — местом, где отрицательная частица пребывает с наибольшей вероятностью. Еще орбиталь именуют электронным облаком, поскольку распределенный вокруг атомного ядра, вечно пребывающий в суетном движении электрон действительно напоминает небольшое косматое облачко. Поскольку электрон обладает волновыми свойствами, то можно сказать, что вдоль всей орбитали устанавливается стоячая волна.

В 1974 г. американскими физиками Ритцем и Бартелом были с применением метода голографии впервые получены увеличенные в 500 млн раз микрофотографии атомов. Атомы принадлежали инертным газам неону и аргону. На фотографиях отчетливо выделяются размытые электронные облачки. Так ученые смогли воочию увидеть орбитали.

Изобретение устройств с рентгеновскими лучами

Однажды у писателя К. Мая, известного своими романами об индейцах, спросили его мнение касательно нашумевшего открытия В. К. Рентгена. Писатель ответил, что открытие является подлинной сенсацией, однако, как и любая сенсация, оно вскоре предастся забвению. Любопытно, что профессор Вюрцбургского университета, немецкий физик Рентген очень любил читать «ковбойские истории» К. Мая. Представлять особо великого физика не нужно, поскольку он известен всему миру как первооткрыватель рентгеновских лучей.

Рентген был выдающимся физиком-экспериментатором, причем, скорее всего, именно умение блестяще ставить опыты и добиваться однозначных результатов привело ученого к замечательному открытию. Рентген, как и Дж. Дж. Томсон, изучал электрические разряды в газах и наблюдал за катодными лучами. Собственно говоря, глубокий интерес Томсона и прочих физиков был вызван как раз открытием Рентгена. До него ученые в течение нескольких лет наблюдали катодные лучи, но так и не пришли к каким-либо серьезным выводам.

В конце XIX в. Рентген ставил опыты с классической газоразрядной трубкой, снабженной двумя электродами — положительным (анодом) и отрицательным (катодом). Из трубки был выкачан почти весь воздух, в ней создавалось давление примерно 10 Па. В то время уже было известно, что катод испускает какие-то особые лучи. Томсон впоследствии доказал, что катодные лучи представляют собой поток электронов, срывающихся с катода. В опытах Рентгена электроны падали не на люминофорный экран, а на анод, вызывая на нем желто-зеленое свечение. В ноябре 1895 г. физик обнаружил, что трубка странным образом воздействует на соли бария.

Завернутая в черную, светонепроницаемую бумагу, она заставляла барий светиться. Едва Рентген отключал трубку, как свечение солей пропадало. Тогда физик изготовил экран, покрытый солями бария, и стал наблюдать, как засвечивает этот экран трубка. Рентген предположил, что она испускает неизвестный науке род невидимых лучей. Ученый помещал на их пути различные предметы, чтобы по изменению светимости экрана сделать вывод об общих свойствах невидимого излучения. Оказалось, что X-лучи (икс-лучи), как назвал их экспериментатор, обладают высокой проницаемостью. Они задерживаются металлами, но свободно проходят сквозь бумагу, эбонитовую пластинку и многие другие материалы.

Ради любопытства физик поместил на пути X-лучей собственную руку. Мягкие ткани оказались прозрачны для невидимого излучения, тогда как костная ткань была слишком плотной и не пропускала его. В результате кости дали тень на экран, и физик увидел четкое изображение скелета собственной кисти. Своему открытию Рентген посвятил статью «О новом роде лучей», опубликованную на всех европейских языках и знакомую ученым всего мира. К физику пришла слава. Обнаруженное им излучение назвали в его честь, он стал первым ученым, удостоенным Нобелевской премии. Однако физик боялся этой славы и до конца жизни отказывался называть X-лучи рентгеновскими.

Рентген не смог объяснить природу лучей, поскольку не знал о существовании электронов. Хуже того, ученый настойчиво отрицал сам факт их существования, когда элементарные частицы были обнаружены Томсоном спустя год после открытия Рентгена. Известно, что физик строжайше запретил помощникам и ученикам произносить само слово «электрон» в своей лаборатории. Как бы то ни было, лучи эти возникают из-за резкого торможения электронов на аноде разрядной трубки. Человек не способен видеть излучение потому, что оно имеет слишком короткую длину волны.

X-лучи позволили физикам открыть и изобрести немало интересного. В первую очередь следует упомянуть рентгеноструктурный анализ. Рентгеновское излучение обладает основными свойствами светового, а потому способно испытывать дифракцию, т. е. огибать небольшие препятствия и создавать при этом сложный теневой рисунок. Но поскольку оно коротковолновое, то, следовательно, подходящие для него препятствия являются микроскопическими, имеющими размеры молекул. Таким образом, при помощи рентгеновских лучей можно просвечивать молекулярную структуру вещества, проводя точнейший анализ, называемый рентгеноструктурным.

Другое достижение, которым физика обязана открытию Рентгена, — рождение новой науки — рентгеновской астрономии. В космосе находится множество источников этого невидимого излучения, о природе которых астрофизики могут судить благодаря специальной технике, оснащенной детекторами X-лучей. Наиболее впечатляющим открытием рентгеновской астрономии стало обнаружение звезд класса нейтронных пульсаров, периодически испускающих в пространство X-лучи. Природа этих объектов до конца не изучена, астрофизики не могут с полной уверенностью сказать, что именно заставляет эти светила вести себя столь необычным образом. Однако у ученых появилась рабочая гипотеза.

Пульсар, вещество которого давно подверглось нейтронизации, является частью двойной системы, куда входит нормальная плазменная звезда. Нейтронизация вещества означает, что все электроны пульсара под действием его же собственной гравитации были вжаты в протоны, которые в результате утратили заряд и превратились в нейтроны.

Почти все сверхплотное вещество такой звезды состоит из сильно сжатых нейтронов. Пульсары обладают большой массой и перетягивают на себя часть плазмы от своей соседки — нормального светила. Поэтому на поверхность нейтронной звезды, как на гигантский анод, обрушивается поток электронов, испускающих рентгеновские лучи, которые регистрируются астрономическими приборами.

В числе наиболее значимых изобретений, основанных на использовании невидимых лучей, следует назвать устройства, благодаря которым было сформировано одно из главных направлений в медицинской диагностике — рентгенография и ее разновидности. Первый медицинский рентгенографический снимок был выполнен первооткрывателем X-лучей. Речь идет о фотографии кисти Рентгена. Этот снимок физик сделал самостоятельно.

Первым человеком, который понял необходимость широкого применения просвечивающей рентгеновской техники в медицинской диагностике, была жена и помощница П. Кюри, одна из пионеров исследования радиоактивности М. Склодовская-Кюри. В годы Первой Мировой войны (1914–1918 гг.) она старательно убеждала врачей и правительства европейских стран применять невидимые лучи при обследовании раненых бойцов и всячески способствовала постройке и внедрению в практику рентгеновских аппаратов.

Под ее руководством были разработаны ранние модели медицинских рентгенографических установок. Склодовская-Кюри лично обучила работе на этих аппаратах 1500 врачей, положив начало медицинской рентгенографии. В нашей стране первые аппараты рентгеновской диагностики появились в 1947 г. Это были установки под серийным номером РУМ-2, разработанные руководителем физической лаборатории Московского рентгенорадиологического института В. В. Дмоховским.

Существенным недостатком рентгена является наличие т. н. теней на снимках. Они создаются органами и тканями, изображения которых накладываются на пленку и перекрывают собой основное изображение. Поскольку и теневые проекции, и проекция нужного участка организма лежат в одной плоскости, то получается смесь из нечетких, размытых образов. Естественно, современная рентгеновская аппаратура и уровень квалификации специалистов почти не оставляют возможности неправильного прочтения снимков.

Тем не менее во многих случаях расшифровать рентгенограмму оказывается очень трудно. Нетипичные же ситуации приводят к тому, что снимки вносят путаницу. Чтобы наверняка освободиться от этого недостатка рентгеновского аппарата, английский физик Г. Хаунсфилд в 1960-х гг. решил применить для обработки информации, получаемой с помощью рентгена, компьютеры. В то время вычислительная техника оставляла желать лучшего, поэтому Хаунсфилду пришлось ждать 10 лет, пока не появятся технологии, отвечающие поставленной задаче.

В 1972 г. ученым был построен первый в мире компьютерный томограф. Изображение в этом диагностическом аппарате не отпечатывается на фотопластинке, а строится самим компьютером. Первоначально электронный мозг подбирает в соответствии с программой ширину рентгеновского луча, которая должна равняться ширине исследуемого слоя тканей. Затем рентгеновская трубка вращается вокруг человека, луч проводит сканирование выбранного участка. Компьютер измеряет плотность разных тканей и органов по интенсивности поглощения луча, после чего преобразует принятый детектором сигнал в цифровое сообщение.

На основе построенной цифровой модели исследуемого слоя воссоздается изображение. Так, послойно, можно рассмотреть любой орган. Толщина слоев такова, что никаких теней от соседних тканей не наблюдается. Качество послойных томографических снимков мало чем уступает качеству и наглядности анатомических срезов. Но если последние можно получить лишь посредством препарирования трупа, то томограф дает картинку организма живого человека.

Вводя контрастные вещества во внутренние органы, врач может наблюдать на экране аппарата даже протекание ряда физиологических процессов. Наиболее впечатляют исследования мозга, т. к. ученые благодаря томографии получили уникальную возможность наблюдать чуть ли не течение мысли.

Великий философ античности Аристотель (IV в. до н. э.) задавался вопросом о чувствах и символах. Мыслит ли человек символами (словами и числами) или же облекает в символическую форму естественные ощущения? Философ заключил, что ощущения первоначальны и главенствуют, а слова и прочие символы изобретаются позднее. С Аристотелем многие не соглашались. Томография показала, что мудрец был прав: человек изначально обрабатывает информацию через органы чувств.

Впрочем, посредством компьютерных томографов можно исследовать и мертвые тела. Это делается тогда, когда анатомическое препарирование может повлечь за собой серьезные повреждения. Например, ученые долгое время не могли исследовать знаменитые египетские мумии, поскольку снятие бинтов превратило бы тела в прах. Томограф выявляет ткани любой плотности и создает цветное изображение, на котором четко видны границы органов и пр.

Нашумевшее обследование на компьютерном томографе мумии царской певицы и танцовщицы Табес позволило открыть немало секретов бальзамирования, а также особенностей физиологии и патофизиологии людей, живших около 3000 лет назад. Так, по нарушениям костной ткани черепа удалось узнать, что 30-летняя женщина умерла от опухоли мозга.

Три тысячелетия — не предел для компьютерной томографии. Три миллиона лет назад жил «бэби из Таунга» — пятилетний малыш, череп которого был обнаружен в 1925 г. известным палеоантропологом P. Дартом в ЮАР. Тогда, в 1920-е гг., находка не вызвала ни малейшего интереса. Теперь череп ребенка тщательно исследуется на томографах. И неудивительно, ведь малыш является переходным звеном между обезьяной и человеком.

Атомное ядро является самой массивной и наиболее важной частью атома. Он обладает какими-либо постоянными химическими свойствами и остается неделимым до тех пор, пока цело его ядро. Ядерные силы, связывающие заряженные частицы, которые входят в его состав, позволяют атому не расщепляться под любым химическим воздействием и иметь валентные свойства.

Ясно, что эти силы в масштабах своего действия колоссальны. Таким образом, атомное ядро насыщено огромной энергией. Выделение ее из ядер для промышленных нужд было освоено человеком всего около 50 лет назад и стало одним из крупнейших достижений науки. Оттого прошедшее столетие называют атомным веком.

Открытие радиоактивности

Поскольку атом химически неделим, то о его расщеплении никто не мог даже думать до конца XIX в. Лишь в 1896 г. француз А. Беккерель открыл природное явление, впоследствии названное радиоактивностью. В то время ученый мир был потрясен сообщением В. Рентгена об обнаружении невидимых X-лучей, обладающих высокой проникающей способностью. Многие физики увлеченно занимались их исследованием и ставили разнообразные опыты для получения новых сведений о возможностях загадочных лучей.

Беккерель также проявил живой интерес к открытию Рентгена и даже выдвинул собственную гипотезу о природе X-лучей. По мнению Беккереля, невидимое излучение возникает после длительного воздействия солнечных лучей на некоторые вещества. То есть рентгеновские лучи сходны в чем-то с люминесцентным свечением. Беккерель, пытаясь найти доказательство своей теории, ставил эксперименты, в которых использовал, наряду с прочими веществами, урановую соль.

Содержание опытов сводилось к следующему. Физик освещал вещество солнечным светом, после чего прятал его в темное место, предварительно подкладывая под вещество фотопластинку, завернутую в черную бумагу. Используя урановую соль, Беккерель заметил, что фотопластинка оказывалась неоднократно засвеченной. Следовательно, уран источает рентгеновские лучи.

Ученый был уверен, что вынужденное излучение происходит под воздействием солнечного света, однако случай заставил его изменить свое мнение. Как-то раз эксперимент Беккереля был сорван пасмурной погодой. Несмотря на то что опыт был завершен раньше обычного и ученый не ожидал получить результат, он, тем не менее, решил положить урановую соль на фотопластинку. Та оказалась засвеченной точно так же, как если бы соль весь день пробыла на ярком солнце. Беккерель заключил, что испускание невидимых лучей солью нельзя увязать с люминесценцией.

Обнаруженное физиком природное явление заинтересовало многих других ученых, в т. ч. супругов Кюри. Мария Склодовская-Кюри, исследовавшая феномен вместе со своим мужем Пьером Кюри, предложила назвать вновь открытое явление радиоактивностью (от латинского «radis» — луч). В 1898 г. супруги-ученые открывают два других, помимо урана, радиоактивных элемента — радий и полоний.

Обычно радиоактивность связывают не с ядерными превращениями и распадом элементов, а с процессом испускания некоторыми веществами жесткого, проникающего излучения. В реальности разница между двумя явлениями значительна. Испускание радиации, как вид невидимого излучения, действительно всегда сопровождает радиоактивный распад всех нестабильных ядер элементов. Жесткое излучение является в данном случае формой высвобождения колоссальной атомной энергии.

Но точно такое же излучение может возникать и в ходе термоядерных реакций, т. е. реакций, связанных не с распадом, а с синтезом ядер. Поэтому заменять понятие радиоактивности термином «радиация» нельзя. Физики различают три вида активного излучения, обозначаемые первыми тремя буквами древнегреческого алфавита — альфа-, бета- и гамма-лучи. Выявить разновидности радиации удалось после того, как упоминавшийся ранее английский физик Э. Резерфорд применил магниты для изучения свойств невидимых лучей.

В магнитных полях радиоактивное излучение отчетливо распадается на три потока, поскольку некоторые слагающие лучи частицы имеют электрические заряды. Альфа-частицы представляют собой положительно заряженные ядра гелия. Они отклоняются в магнитном поле в сторону отрицательного полюса. Бета-частицы являются свободными электронами, которые несут отрицательный заряд и потому отклоняются в сторону плюсового полюса.

Гамма-лучи образованы т. н. гамма-квантами, или фотонами, с очень высокой энергией и большой частотой. Заряда эти частицы не несут, поэтому в магнитном поле не отклоняются. Таким образом, сплошной поток радиации можно разбить в магнитном поле на три самостоятельных потока — один прямой (гамма-лучи) и два отклоняющихся к противоположным полюсам (альфа- и бета-лучи).

Излучение разной природы имеет неодинаковую проникающую способность. Альфа-частицы остановить сравнительно легко, поскольку они малоактивны и слишком тяжелы. Плотный слой вещества или магнитное поле легко гасят такое излучение. Электроны гораздо более активны, они имеют сравнительно высокую проникающую способность. Большой подвижностью обладают гамма-кванты, которые остановить чрезвычайно трудно. Гамма-лучи способны вызывать у человека серьезные поражения клеток и тканей на молекулярном уровне. Именно поэтому радиация крайне опасна.

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 нестабильные атомы распадаются со строго определенной периодичностью и в постоянной доле от первичного количества.

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 колоссальное количество энергии, которая может быть использована человеком.

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.

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.

Задолго до того, как ученые столкнулись с проблемами осуществления термоядерного синтеза, английский физик А. Эддингтон выдвинул смелое предположение, что звезды горят благодаря протеканию в их недрах термоядерных реакций. До того времени ученые выдвигали самые невероятные гипотезы для объяснения причины свечения звезд.

Ближе всех к истине подошел Г. Гельмгольц. Он предположил, что разогревание недр звезды объясняется ее сильным гравитационным сжатием под действием собственного тяготения. Однако в таком случае запаса теплоты такому светилу, как Солнце, хватило бы максимум на 1,8 млн лет. Гипотеза Гельмгольца была справедлива лишь отчасти. Звезда действительно разогревалась под влиянием гравитационного сжатия до температуры в недрах около 80 млн °С, при которой в ее веществе «зажигались» термоядерные реакции, поддерживающие дальнейшее ее свечение.

В 1937 г. американскому ученому Г. Бете удалось доказать протекание термоядерных реакций на Солнце, следовательно, Эддингтон оказался совершенно прав. Звезды действительно черпают свою колоссальную энергию из протекающих в их недрах реакций термоядерного синтеза. Если бы наше Солнце состояло из угля или бензина, то выгорело бы за 1000 лет. Более калорийным и долговечным топливом, чем бензин, может служить только ядерное горючее. Все звезды горят благодаря реакциям синтеза ядер, поэтому астрофизическое изучение этих космических объектов значительно продвинуло ядерную физику вперед.

Сегодня известно, что небесное тело может зажечься и самостоятельно светиться, если оно имеет массу свыше 0,2 солнечной. Во Вселенной обнаружены огромные звездообразные тела, т. н. коричневые карлики. Их масса приближается к 0,2 солнечной, но она недостаточна для поддержания высокой температуры внутри недр. Тем не менее новорожденные звезды могут иметь самые разные размеры и массы, главное, чтобы количество вещества превышало минимальную отметку.

От размеров и массы светила зависит ход термоядерных процессов в его недрах и его дальнейшая судьба. Маленькие светила, чьи масса и размеры значительно меньше солнечных, относятся к красным карликам и эволюционируют медленно. Проходят десятки миллиардов лет (до 80 млрд), прежде чем красные карлики превратятся в новый тип звезд. За это время звезды остальных типов успевают сильно измениться. Крупные бело-голубые светила, значительно превосходящие Солнце, сжигают запас водорода стремительно, за неполные 1,5 млн лет.

После этого они начинают постепенно разрушаться, но сначала проходят стадию пульсирующих звезд. У пульсаров в недрах горит гелий, и его неравномерное горение вызывает частые колебания внешнего газового слоя и, соответственно, периодические изменения светимости. Такие звезды то увеличиваются, то уменьшаются; поток лучистой энергии из их недр то возрастает, то идет на убыль. В силу этой причины звезды такого рода названы переменными. Астрономам известны несколько классов пульсирующих переменных. Это красные гиганты, красные сверхгиганты и желтые гиганты (лириды).

Как понятно из названий светил, их линейные размеры крайне велики и часто в сотни раз превосходят солнечные. Самая большая звездная масса, точно измеренная астрономами, в 50 раз превосходит солнечную. В таких звездах протекает синтез углерода из гелия. Некоторые красные гиганты не только производят углерод, но и активно выпускают его в мировое пространство. Попадая в открытый космос, углерод быстро застывает, превращаясь в сажу. Она на время окутывает звезду сплошным покрывалом, заметно снижая блеск светила.

Постепенно, по мере выгорания гелия, пульсации переменных становятся все более аритмичными и напряженными. Процесс заканчивается грандиозным взрывом. Газовая оболочка звезды разлетается в пространстве, образуя горячую туманность. Ядро взорвавшейся звезды, которую земной наблюдатель назовет новой или сверхновой, превращается под действием сжатия в нейтронную звезду или, предположительно, в «черную дыру». Подобная нейтронная звезда обнаружена на месте сверхновой в созвездии Тельца. Сейчас там находится Крабовидная туманность, сложенная остатками взрыва.

Впрочем, конец не всегда наступает после полного выгорания гелия. Звезда может, исчерпав свои запасы гелия, перейти на синтез более тяжелых элементов, чем углерод. Известна звезда, вырабатывающая кремний и бурно извергающая его в космос. Кремниевый газ стремительно застывает, превращаясь в песчинки. Вокруг звезды возникает зона, полная настоящего песка.

Солнцеподобные светила почти не взрываются и не превращаются в нейтронные звезды или «черные дыры». Солнце после угасания начнет терять газовую оболочку. Она станет расширяться, поглощая планеты, а затем превратится в сферическую туманность. Ученые часто наблюдали такие туманности, с Земли они похожи на колечки сигарного дыма. В центре сферической туманности, называемой астрономами планетарной, останется сильно сжатое ядро звезды. Оно само станет звездой, поскольку будет светить за счет запасов тепловой энергии. Такие слабые светила называют белыми карликами.

Изучение законов термоядерного синтеза принесло астрономам множество больших и малых открытий, касающихся не только звезд. Сегодня почти все космологические представления так или иначе затрагивают ядерно-физическую эволюцию мироздания. Сама Вселенная родилась в результате чудовищной силы взрыва мельчайшей частицы с поперечником 10³¹ см. Внутри этой частицы пребывала вся мировая материя, сжатая до плотности 10⁹⁵ г/см³.

Эпоха Большого взрыва, как называют пору возникновения Вселенной, характеризуется интенсивным синтезом простейших частиц из вакуума. Впрочем, сам по себе тогдашний вакуум резко отличался от нынешнего. Это было вакуумообразное состояние материи, предельно насыщенное энергией. Запасы энергии придавали материи температуру около 10 млрд С и возбуждали в вакууме огромные силы отрицательного тяготения. Оно вызвало ускоренное расширение пространства сразу во всех точках.

Сверхгорячая расширяющаяся материя представляла собой т. н. «кипящий котел», в котором протекали бурные реакции синтеза за счет значительных энергетических запасов простейших частиц — протонов, электронов, антипротонов и позитронов. Антипротоны и позитроны являются античастицами, т. е. частицами с обратным знаком. Антипротон — это отрицательный протон, а позитрон — положительный электрон.

Частицы и античастицы активно взаимодействовали друг с другом, самоуничтожаясь при этом. Их энергия переходила в фотоны, которые со временем заполнили всю Вселенную в виде холодного реликтового излучения. Но поскольку существовал небольшой избыток протонов и электронов перед античастицами, то нормальное вещество сохранилось и сложило облака космического газа. Постепенно, в процессе их уплотнения, в них образовались сгущения, ставшие звездами. В недрах звезд начался термоядерный синтез тяжелых элементов из водорода.

Современная астрофизика и смежные с ней направления астрономической науки являются по сути дела ядерной физикой, «увеличенной» до космических масштабов. Вселенная служит гигантским термоядерным реактором и одновременно лабораторией, где происходят различные превращения вещества и рождаются невероятные лучи. Благодаря астрономическим наблюдениям с применением детекторов ядерных излучений физики могут как находить подтверждение старым гипотезам, так и совершать новые открытия.

Удивительным кажется и другое. В самом начале главы приведены доказательства того, что внутри атома нет Вселенной, заполненной разумными обитателями. И действительно, космическое пространство внутри атомного ядра существовать не может. Однако атом, подобно мировому пространству, неисчерпаем. Углубляться в него можно бесконечно. В недрах атома царят физические законы, связанные с релятивистскими эффектами. Та же теория относительности описывает свойства пространства-времени Вселенной.

Изобретена технология управляемого синтеза

Ученые сразу же обратили внимание на перспективы применения термоядерного синтеза. Естественно, физики никогда не рассчитывали получить дешевое золото из меди или свинца. Но достаточно напомнить, что благодаря такому синтезу таблица Менделеева приобрела свыше 20 новых элементов, не встречающихся в природе. Их массивные ядра крайне нестабильны и существуют доли секунды. У многих из них еще нет названия. Перечень поименованных атомов заканчивается на 102-м элементе — нобелии. Устоявшимся и общепринятым можно считать название курчатовия (104). Предположительно, 105-й элемент сохранит за собой название нильсбория. Элементы с 106 по 110 остаются пока безымянными, да и их физико-химические свойства почти не изучены.

Однако и изучение новых элементов не является главным движущим стимулом для ученых. Цели подчинения реакций синтеза гораздо более прозаичны и вместе с тем гораздо более важны. Синтез может послужить основой промышленной энергетики. Звезды расходуют свои запасы топлива в течение десятков миллиардов лет, одно наше Солнце горит уже порядка 5 млрд лет.

Термоядерное топливо обладает огромным запасом энергии. Приближенные подсчеты показывают, что синтез ядер способен давать человеку в 10 млн раз больше энергии, чем сжигание химического горючего. Достаточно обеспечить реакцию всего 1 г ядерного топлива, чтобы заменить им Ют бензина.

Обычный термоядерный синтез был осуществлен неоднократно при испытании маломощных водородных бомб. Современное ядерное водородное оружие является самым действенным средством уничтожения всего живого. Водородная бомба начинает действовать от атомного запала, вырабатывающего достаточное количество теплоты, чтобы практически мгновенно нагреть до высочайших температур горючую смесь дейтерия и трития.

Реакция синтеза дейтрона и тритона приводит к высвобождению колоссальной энергии. Происходит термоядерный взрыв, который сразу же уничтожает все живое на огромной площади, многократно превосходящей площади самых больших городов планеты. Одной-единственной бомбы средней мощности вполне достаточно для полного превращения в руины таких гигантских мегаполисов, как Нью-Йорк или Токио.

Но человечеству требуется не разрушительная, а созидательная энергия, которая будет давать электрический ток в дома и на заводы, двигать сверхскоростные поезда и космические корабли. Взрыв водородной бомбы является неуправляемой термоядерной реакцией, точно так же как взрыв обычной атомной бомбы является неуправляемой реакцией атомного деления. Человеку же требуется управляемый синтез легких ядер.

Единственным препятствием для ученых на пути осуществления контролируемой реакции синтеза остается высокая температура «зажигания» горючего. В недрах звезд температура достигает 15 млн °С. Предполагается, что космические светила зажглись при температурах свыше 50 млн °С. Оптимальная же температура для проведения термоядерных процессов с точки зрения энергетики равна 100 млн °С. Именно до такой степени требуется нагреть смесь дейтерия и трития, чтобы с высокой эффективностью извлекать из начавшейся реакции тепловую энергию. Продуктами этой реакции являются ядра гелия и свободные нейтроны. Последними можно облучать литий для возобновления запасов трития. Что касается дейтерия, то его возобновлять необязательно, т. к. в природе он встречается в достаточном количестве (например, в морской воде на 6000 атомов обычного водорода приходится 1 атом дейтерия).

Однако управляемая реакция подразумевает не только высокие температуры, но и удержание раскаленного вещества и беспрепятственное получение полезной энергии. В противном случае окажется, что установка поглощает гораздо больше энергии, чем выделяет. Любое вещество при температурах в несколько миллионов градусов переходит в плазменное состояние. Удержать его от немедленного рассеяния можно в магнитных полях. При этом необходимо изолировать плазму от внешней среды во избежание теплообмена. Физики подсчитали, что если плазма с плотностью 10¹⁴ ядер на 1 см³ заметно остудится за 1 с, то полезную энергию получить не удастся.

Однако никакая теплоизоляция не поможет сохранять температуру плазмы приближенно постоянной. Плазма непременно прожжет изоляционное вещество и вырвется наружу. Наиболее активные частицы обязательно покинут магнитное поле. Скорость водорода внутри ионного газа плазмы при необходимой температуре равняется 1000 км/с. Следовательно, требуется удерживать плазму каким-то совершенно особым способом, создав для нее как бы магнитную ловушку. Впервые общая идея магнитной ловушки была сформулирована в конце 1940-х гг. отечественными физиками И. Е. Таммом, А. Д. Сахаровым и O. А. Лаврентьевым. Почти одновременно к сходным выводам пришел американский физик Л. Спитцер.

С 1950 г. начались активные работы по проектированию устройства, технически воплощавшего магнитную ловушку. Первоначальной моделью такого устройства был прямотрон.

Ему присвоили такое название потому, что он представлял собой прямую трубу (прямолинейную ловушку), в которой должны были разгоняться частицы. Конструкция прямотрона была несовершенной, т. к. длина такой трубы должна была равняться нескольким десяткам километров. Гораздо перспективнее оказался проект прямолинейной ловушки с магнитными «пробками» на концах. Они должны были отражать поток частиц плазмы, отбрасывая их в противоположную сторону. Длина «пробкотрона» составила бы менее 100 м.

После того как была отвергнута и конструкция «пробкотрона», физики разработали замкнутую ловушку со сведенными вместе концами. Получился ускоритель-тороид, в котором плазма могла бесконечно долго разгоняться, двигаясь по кругу. Проблема удержания быстрых частиц была решена на основе работ И. Е. Тамма по теории электромагнитного поля. Чтобы частицы не смещались в замкнутом тороидальном магнитном поле, необходимо завить его силовые линии в спираль. Для этого требуется пропустить друг через друга два тока. Первый будет создавать магнитные силовые линии в форме окружностей, тогда как второй потечет по новым силовым линиям. В результате оба тока будут генерировать общее магнитное поле с силовыми линиями, закрученными спирально. Частицы плазмы внутри тороида будут двигаться не только вдоль замкнутых линий тороидального поля, но и описывать вокруг них спираль.

В 1954 г. под руководством И. Е. Тамма была создана первая тороидальная электромагнитная ловушка для плазмы, получившая название «ТОКАМАК». Ее название представляет собой аббревиатуру, которая расшифровывается как «Тороидальная КАмера с МАгнитными Катушками». В названии подчеркнуто, что главным элементом конструкции являются катушки, создающие мощное, в несколько Тл (тесла), магнитное поле. За последующие годы ученым удалось построить еще несколько установок подобного типа, которые также были названы Токамаками.

Эти катушки напоминают гигантские трансформаторы. Рабочая камера Токамака заполняется газом, а в катушках возбуждается магнитное поле. В результате пробоя под действием вихревого поля происходит усиленная ионизация газа в камере, отчего тот превращается в плазму. Возникает плазменный шнур, движущийся вдоль тороидальной камеры и разогреваемый продольным электрическим током. Магнитные поля катушек и плазмы удерживают шнур в равновесии в вакууме и придают ему форму, которая не дает шнуру касаться стенок.

Ток используется для нагрева плазмы лишь до температуры не более 10 млн °С, для получения большей температуры необходимо применить другие методы. Кроме того, постоянно нагревать плазму током опасно, поскольку он создает собственное магнитное поле. Если оно превысит по силе поле катушек, то скорость движения плазменного шнура сильно увеличится и он, прорывая теплоизоляцию, будет касаться стенок. Поэтому дополнительный подогрев осуществляется посредством ультразвука, электромагнитных волн высокой частоты или введения (инжекции) в камеру пучков быстрых атомов.

В современных Токамаках удалось получить температуру плазменного шнура около 200 млн °С. Этого более чем достаточно для проведения термоядерных реакций. Однако Токамак нельзя считать энергетической установкой. Он не вырабатывает энергию, а служит для проведения опытов и научных исследований. Это устройство является одним из сложнейших инструментов физиков. Работа на Токамаке напоминает генеральную репетицию перед выступлением — созданием энергетики синтеза.

Ученые предполагают, что в будущем термоядерный синтез окажется гораздо более важным и нужным для человека, поскольку позволит нам зажечь искусственное Солнце, когда погаснет настоящее. Это катастрофическое событие случится спустя 5 млрд лет. Человечество должно к тому времени освоить контроль над термоядерными реакциями настолько, что бы не дать гаснущему Солнцу взорваться и погибнуть, погубив заодно жизнь на нашей планете. Следовательно, энергетика синтеза имеет одновременно гораздо более значимое будущее, чем может показаться на первый взгляд: ей суждено спасти обитателей Земли.

На этом завершается еще один раздел, посвященный великим открытиям и изобретениям. А заодно закрывается в книге и тема физики. При всем уважении к заслугам этой науки нельзя не заметить, что другие дисциплины дали человеку не меньше благ и ценных знаний. Среди этих наук биология, химия, математика, геология и другие. Некоторые из их достижений настолько ошеломительны и обладают таким влиянием на все сферы деятельности человека, что не будет преувеличением сказать: образ жизни человечества есть результат чьих-то фантастических открытий.