Ядерные реакторы

ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЯДЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ

Атомы. Ученые давно знают, что окружающие нас вещества построены из атомов различных «сортов», которых насчитывается сейчас сто два. В большинстве случаев атомы группируются в молекулы, образуя разные химические соединения. Лишь иногда, когда вещество содержит атомы одного сорта, мы имеем дело с так называемым химическим элементом.

Химики умеют сравнительно легко соединять и разъединять по своему желанию атомы различных сортов, превращать молекулы одних веществ в молекулы других. Но никогда, ни в каких химических реакциях не удается превратить атомы одного сорта, одного химического элемента в атомы другого.

Поэтому вплоть до конца XIX века атомы считались неделимыми частицами — «кирпичиками», из которых состоит весь окружающий нас мир. Никакие доступные в то время способы — ни нагревание до высоких температур, ни высокое давление — не могли изменить свойств атомов. Но само разнообразие атомов наводило на мысль, что их различные свойства должны быть обусловлены неодинаковым внутренним строением, то есть, что атомы делимы и состоят из других, более простых частиц.

В конце XIX и начале XX века многие ученые пытались разгадать тайну атомов, изучить их строение. Но усилия физиков заглянуть внутрь атома долгое время оставались тщетными.

Открытие радиоактивности. В 1896 году французский физик Беккерель открыл явление, положившее начало успешному изучению внутреннего строения атома. Бывает так, что к великому открытию приходят почти случайно. То, что открыл Беккерель, совсем не соответствовало его ожиданиям.

Многие вещества после облучения их солнечным светом обладают способностью люминесцировать, то есть светиться еще долгое время после облучения. Примеры такого свечения давно известны: светится морская пена, некоторые рыбы, светятся и различные химические вещества.

Вызывали свечение в некоторых веществах и открытые за год до опытов Беккереля рентгеновские лучи. Заметив сходство всех типов люминесценции, Беккерель решил исследовать, не испускают ли светящиеся люминесцирующие вещества рентгеновские лучи, проникающие через непрозрачные перегородки. Для этого он обернул фотографическую пластинку черной бумагой и положил сверху люминесцирующее вещество, содержащее уран. Лучи солнца в течение всего дня вызывали сильную люминесценцию вещества, но не могли проникнуть сквозь черную бумагу и засветить пластинку.

Опыты как будто бы подтвердили предположение Беккереля. На проявленной пластинке были видны очертания люминесцирующего предмета. Беккерель решил повторить эксперимент, но пасмурная погода помешала ему довести опыт до конца, и пластинка в черном конверте вместе с лежащим на ней люминесцирующим веществом несколько дней пробыла в темном шкафу. И вот, к удивлению Беккереля, после проявления оказалось, что эта пластинка почернела гораздо больше, чем в первом опыте.

Люминесцирующим веществом в этом опыте была сернокислая соль урана.

Беккерель исследовал большое количество различных химических соединений и обнаружил, что только вещества, содержащие уран, способны испускать лучи, проникающие через черную бумагу, покрывающую фотопластинку, причем большинство этих веществ не обладает способностью люминесцировать. Так была открыта радиоактивность.

Это явление было затем подробно изучено Марией Склодовской-Кюри и ее мужем Пьером Кюри. Они нашли, что многие элементы, преимущественно наиболее тяжелые, радиоактивны, а такие, как, например, радий и полоний, испускают невидимые лучи во много раз интенсивнее, чем уран.

Лучи, испускаемые радиоактивными веществами, по своим свойствам могут быть разделены на три вида: альфа-, бета- и гамма-лучи.

Тщательные исследования поведения радиоактивных излучений в магнитном поле и их проникающей способности дали возможность физикам определить заряд, массу и скорость частиц, составляющих альфа- и бета-лучи, и характер гамма-лучей.

Исследования показали, что альфа-лучи представляют собой поток довольно тяжелых частиц, движущихся со скоростью 15–17 тысяч километров в секунду. Каждая из этих частиц обладает двумя положительными элементарными зарядами электричества и имеет массу, приблизительно равную массе атома гелия. Бета-лучи состоят из очень легких отрицательно заряженных частиц — электронов, скорость которых достигает 300 тысяч километров в секунду. Гамма-лучи сходны по своей природе и свойствам с глубоко проникающими рентгеновскими лучами.

Очень скоро было обнаружено, что альфа-частица — это ядро атома гелия. Было установлено также, что, испуская альфа-частицы или бета-частицы, атомы одних элементов превращаются в атомы других. Например, атом радия, испуская альфа-частицу, превращается в атом благородного газа радона.

Модель атома Резерфорда. Мы уже говорили, что никакие химические реакции не могут превратить один элемент в другой. В процессе же радиоактивного излучения это превращение происходит самопроизвольно.

А раз природа сама допускает самопроизвольные превращения, то можно найти способ искусственно получать из одних элементов другие и осуществить мечты средневековых алхимиков, пытавшихся превратить свинец или ртуть в золото.

Представлению об атомах, как о неделимых кирпичиках мироздания, был нанесен сокрушительный удар.

Но радиоактивные излучения не только сигнализируют нам о превращениях атомов, о их сложном строении, они дают возможность изучить внутреннюю структуру атома. Но как проникнуть в атом?

С открытием радиоактивности у исследователей появились частицы, скорость которых достигала 17 тысяч километров в секунду. И вот известный английский физик Резерфорд решил использовать эти частицы как снаряды для исследования строения атома.

Изучая прохождение альфа-частиц через тонкие металлические листки, Резерфорд нашел, что большинство частиц проходит через листок, не изменяя заметно направления своего движения.

Отсюда можно сделать заключение, что атом — это не сплошь заполненный каким-либо тяжелым веществом объем. Лишь малая часть объема атома препятствует прохождению альфа-частицы и вызывает ее отклонение от прямолинейного пути. Этот малый объем и есть ядро атома.

На первый взгляд, исследования Резерфорда кажутся весьма неточными. Так, слепой, ощупывая палкой камень, может приблизительно определить его форму и размеры, а также, учитывая усилия, которые нужно приложить к камню, чтобы сдвинуть его с места, оценить его вес (массу).

Физик-экспериментатор, бомбардируя атомы, также не видит их, но его методы исследования точнее палки слепого. В своих опытах Резерфорд бомбардировал атомы огромным количеством альфа-частиц. Он подсчитал число частиц, испытавших большое отклонение и, зная количество атомов в тонком листке, смог определить размеры атомного ядра и доказать, что в этом малом объеме сосредоточена почти вся масса атома.

Так возникла модель атома Резерфорда.

По этой модели атом представляется в виде маленькой планетной системы. В центре находится очень малая, но весьма тяжелая частица — атомное ядро, имеющее положительный электрический заряд. В ядре сосредоточена почти вся масса атома, а размеры его значительно меньше самого атома. Так, объем, занимаемый атомными ядрами в окружающих нас телах, составляет примерно только одну тысячемиллиардную часть всего видимого нами объема тела.

Вокруг ядра на сравнительно больших расстояниях движутся легкие частицы — электроны. В целом атом нейтрален, то есть не имеет электрического заряда. Поэтому число электронов в атомах равно количеству положительных элементарных зарядов ядра. Заряд ядра численно равен номеру элемента в периодической системе Менделеева и определяет электрические силы, с которыми атом воздействует на другие атомы, то есть его химические свойства.

Легче всего представить себе схемы строения наиболее простых атомов (рис. 1). Атом самого легкого элемента — водорода состоит из двух частиц. Вокруг ядра водорода вращается один электрон. У гелия — второго элемента периодической системы — вокруг ядра вращаются два электрона, у кислорода — восемь электронов, в атоме урана — 92 электрона. Чем тяжелее атом, тем сложнее он устроен.

Атомное ядро. После того как было открыто сложное строение атома, все внимание физиков было перенесено на атомное ядро. Так же как и атомы, их ядра обладают разнообразными свойствами, которые могут быть объяснены только различной структурой ядер. Надо было найти те «кирпичики», или более простые частицы, из которых состоят ядра всех элементов.

Исследования радиоактивных превращений показали, что ядра некоторых элементов могут самопроизвольно распадаться, выбрасывая альфа-частицы и электроны.

Но физикам было ясно, что альфа-частица (ядро атома гелия) не может быть составной частью любого ядра. Ядро водорода, например, приблизительно в четыре раза легче альфа-частицы. Кроме того, большинство атомных ядер имеет массу, не кратную массе альфа-частицы.

При помощи весьма остроумных приборов — мас-спектрографов физики сумели очень точно измерить массы разных атомов и ядер. Оказалось, что атомные веса всех ядер измеряются числами, кратными весу ядра атома водорода. Поэтому ученые вначале предположили, что ядра всех элементов состоят из разного количества ядер водорода, или, как их принято называть, протонов. Но протон имеет положительный заряд, равный по величине отрицательному заряду электрона. Поэтому ядро с атомным весом А должно, очевидно, иметь А элементарных положительных зарядов. Для того же, чтобы атом был в целом нейтрален, его электронная оболочка должна, казалось бы, содержать А электронов. Но это не соответствует действительности: число наружных электронов в атоме значительно меньше. Пришлось сделать предположение, что остальные электроны находятся внутри ядра. Это как будто бы соответствует действительности. Бета-лучи, получающиеся при радиоактивном распаде ядер, есть не что иное, как поток очень быстрых электронов.

Однако эта гипотеза о протонно-электронной структуре ядра, как показали исследования, противоречит многим экспериментальным фактам. В 1932 году был открыт нейтрон — частица, не имеющая электрического заряда, масса которой близка к массе протона. Нейтроны были обнаружены в ядрах почти всех атомов, и на этом основании советским физиком Д. Д. Иваненко была высказана идея о том, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Эта теория была подтверждена всеми дальнейшими исследованиями и является в наше время общепринятой.

Схема строения самых простых ядер показана на рис. 2. Наиболее простым является ядро водорода. Оно состоит из одной частицы — протона, которая входит в состав всех остальных ядер. Ядро гелия уже значительно сложнее и состоит из четырех частиц: двух протонов и двух нейтронов. А ядро урана имеет весьма сложное строение: в нем 238 частиц, из которых 92 протона и 146 нейтронов.

Общее число протонов и нейтронов в ядре равно массовому числу М, которое представляет собой округленный до целого числа атомный вес А.

Количество протонов в ядре равно числу наружных электронов, то есть атомному номеру Z. Зная массовое число (атомный вес) и номер химического элемента в периодической системе, очень легко определить количество нейтронов в атомном ядре. Оно равно: N=М-Z.

Заряд ядра определяется количеством протонов, и любое уменьшение или увеличение их числа вызывает изменение числа электронов в электронной оболочке атома.

Поэтому такое изменение числа протонов меняет химические свойства атома. Происходит превращение атома одного элемента в другой.

Удаление или прибавление нейтронов в ядре не приводит к образованию нового химического элемента, так как заряд и, следовательно, номер элемента в периодической системе остаются прежними. Такие атомы отличаются друг от друга массами и, обладая одними и теми же химическими свойствами, являются разновидностями одного химического элемента. Эти разновидности называются изотопами, то есть веществами, находящимися в одной клетке периодической системы Менделеева. Каждый химический элемент, встречающийся в природе, представляет собой обычно смесь разновидностей этого элемента и является природной смесью изотопов.

У водорода, например, три изотопа, схемы атомов которых приведены на рис. 3. В ядре каждого изотопа водорода есть один протон, и поэтому во всех атомах существует по одному электрону, который уравновешивает положительный заряд ядра. Дейтерий — устойчивый изотоп водорода с массовым числом 2 — содержится в природном водороде в количестве 0,02 процента. Ядро его атома состоит из одного протона и нейтрона. Ядро сверхтяжелого радиоактивного водорода — трития состоит из трех частиц: одного протона и двух нейтронов. Трития в природной смеси водорода почти нет. Но сейчас он может быть получен в довольно больших количествах искусственно в ядерных реакторах.

Число устойчивых изотопов у отдельных химических элементов, например у олова, доходит до 10.

В настоящее время физикам известно около трехсот устойчивых и примерно восемьсот радиоактивных изотопов.

Ядерные силы. Теперь мы уже знаем, что изотопов значительно больше, чем элементов. Но почему ядра одних изотопов устойчивы (и они встречаются в природе часто), а других — легко распадаются и радиоактивны?

Что удерживает частицы в атомном ядре?

Между протонами, так же как и между другими одноименно заряженными частицами, действуют отталкивающие электростатические силы, которые при малых размерах ядра должны быть достаточно велики. Конечно, эти силы не могут осуществлять связь между частицами в ядре. Для того чтобы ядро оставалось очень прочным и компактным, необходимы очень большие силы, которые притягивали бы друг к другу ядерные частицы. О природе этих сил мы пока еще знаем очень немного. Знаем, что в то время как электростатические силы (притяжения и отталкивания) действуют на довольно больших расстояниях, ядерные силы имеют существенное значение только при сближении ядерных частиц. Если радиус атома определяется электростатическими силами притяжения, действующими между отрицательно заряженным электроном и положительным ядром, и равен примерно одной стомиллионной доле сантиметра (10^-8 сантиметра), то радиус ядра определяется действием ядерных сил и приблизительно равен одной тысячемиллиардной доле сантиметра (10^-12 сантиметра)[1].

Таким образом, как ни мал атом, на его диаметре можно уложить примерно 10 тысяч ядер.

Ядерные силы, по-видимому, могут быть объяснены взаимодействием протонов и нейтронов с какой-то третьей частицей. (В дальнейшем протоны и нейтроны мы иногда будем называть нуклонами.) Эта частица появляется при преобразовании протона в нейтрон или нейтрона в протон и является общей для двух взаимодействующих нуклонов. Таким образом, ядерные силы связаны с обменом частицами. Поэтому силы подобного типа называют обменными силами. Они весьма своеобразны и недостаточно наглядны в наших обычных представлениях. Для этих сил весьма характерно то, что их действие связано с обменом, с переменой ролей между двумя участвующими в этой связи нуклонами.

Протон и нейтрон непрерывно обмениваются друг с другом частицами, которые одновременно связаны с обоими нуклонами. По всей вероятности, такими частицами являются открытые в последние годы π-мезоны (пи-мезоны). Малый радиус действия ядерных сил объясняется тем, что π-мезоны — тяжелые частицы — не могут надолго покидать протоны и нейтроны. Вылетев, они либо возвратятся обратно, либо поглотятся другими ядерными частицами. Для последнего надо, чтобы нуклоны находились близко один от другого. Так осуществляется связь между ядерными частицами.

Ядерные силы имеют некоторое сходство с химическими силами, которые также являются обменными. В молекулах тоже происходит обмен частицами. Для примера можно взять ион молекулы водорода (рис. 4). Здесь имеются два протона вокруг которых вращается один электрон. Такой ион является вполне устойчивым образованием, и сила, которая определяет его устойчивость, связана с взаимодействием двух протонов с одним общим электроном. По-видимому, можно считать, что электрон вращается то вокруг одного, то вокруг другого протона. Здесь, так же как и в ядерных системах, сила связана с обменом частицей, с переходом электрона от одного протона к другому.

Прочность твердых тел, как известно, определяется электростатическими силами, действующими между атомами в веществе. Но ядерные силы в миллионы раз больше электростатических. Во столько же раз ядерное вещество прочнее самой крепкой стали. Если бы удалось изготовить из ядерного вещества ткань толщиной в одну десятую долю микрона (0,0001 миллиметра), то она была бы, безусловно, прочнее самой толстой брони. Правда, трудно представить себе военное судно, одетое такой броней, квадратный метр которой весит более 600 тысяч тонн.

Ядерное вещество обладает колоссальным удельным весом (плотностью). Мы привыкли до сих пор иметь дело с веществами, удельный вес которых не превышает 23[2], то есть один кубический сантиметр такого вещества весит не больше 23 граммов. Кубический же сантиметр ядерного вещества весит больше 100 миллионов тонн, то есть удельный вес его равен 10¹⁴ г/см³.

Эти огромные прочность и плотность объясняются ядерными силами, которые стягивают нуклоны в очень плотную и маленькую частицу — ядро.

Ядра обладают различной прочностью. Наиболее слабо связаны частицы в ядрах легких элементов, находящихся в начале таблицы Менделеева. Эта связь быстро растет с увеличением числа частиц в ядре, а следовательно, растет и прочность ядер. Как уже говорилось, ядерные силы являются короткодействующими, то есть каждая частица ядра связана только с соседними частицами. Между удаленными друг от друга частицами связи нет. Поэтому, начиная с некоторого элемента таблицы Менделеева, связь между частицами в ядрах атомов этих элементов не будет увеличиваться с увеличением числа частиц в ядре атома. Этим и объясняется то, что прочность ядер средних элементов (от кадмия до церия) приблизительно одинакова, то есть нужны примерно одинаковые силы для того, чтобы оторвать один нейтрон от любого из этих ядер. Ведь и прочность обычных веществ, например бумаги или воды, также не зависит от количества вещества. Нужно затратить одинаковое усилие для того, чтобы зачерпнуть ложку воды из ведра или из стакана, оторвать полоску бумаги от целого рулона или от небольшого листа.

В ядрах атомов тяжелых элементов, стоящих в конце таблицы Менделеева, большое значение имеют электростатические силы. Если с увеличением числа протонов и нейтронов в ядре ядерные силы существенно не увеличивают прочности ядра, то электростатические силы отталкивания при этом увеличиваются. Они расталкивают все протоны ядра, даже наиболее отдаленные друг от друга. Электростатические силы как бы разрыхляют большие ядра, делают их менее плотными. Поэтому частицы в ядрах тяжелых атомов слабее связаны между собой, чем в средних.

Энергия атомного ядра. Для того чтобы разрушить атомное ядро, оторвать ядерные частицы друг от друга, надо совершить работу, затратить энергию. Но эта же энергия выделяется в ядерных реакциях, когда протоны и нейтроны соединяются в ядро под действием ядерных сил.

Из элементарной механики известно, что при движении какого-либо тела, происходящем под действием силы, всегда выделяется энергия. В гидроэлектростанциях, например, широко используется энергия воды, движущейся под действием сил земного тяготения.

Химическая энергия также получается в результате движения частиц под действием сил. Когда два атома водорода и один атом кислорода соединяются под действием электростатических сил в молекулу воды, выделяется значительная энергия и происходит взрыв гремучего газа.

Но как мы уже говорили, электростатические силы, связывающие атомы в различных химических соединениях, в миллионы раз меньше ядерных сил. Во столько же раз ядерная энергия больше химической.

Представим себе, что нам удалось каким-нибудь образом оторвать одну частицу и удалить ее на очень большое расстояние от ядра. Так как до этого частица прочно удерживалась ядерными силами, то для того, чтобы ее удалить, необходимо произвести работу, затратить энергию.

Один из основных законов природы — закон сохранения и превращения энергии — говорит о том, что энергия не уничтожается и не возникает из ничего. Поэтому энергия, затраченная на удаление частицы, будет компенсирована энергией, которая выделится тогда, когда эта или другая частица вновь присоединится к ядру.

Таким образом, каждая частица в ядре связана с вполне определенной энергией, и значение этой энергии может быть вычислено, если каким-нибудь способом удастся измерить энергию ядра до и после удаления частицы. В этом случае мы определим энергию, которая называется энергией связи частицы в ядре. Полная энергия связи ядра — это энергия, которая необходима для разделения ядра на все составные частицы.

В разных областях науки ученые пользуются различными, наиболее удобными единицами измерения энергии. В атомной физике, где исследуется электронная оболочка атома и рассматривается сравнительно медленное движение электрона, в качестве единицы измерения энергии принята такая энергия, которую приобретает электрон при прохождении в электрическом поле разности потенциалов в один вольт. Эта единица называется электронвольт (эв).

Но энергия связи частиц в ядре в миллионы раз больше, нежели энергия связи электрона в атоме. Поэтому в ядерной физике пользуются единицей энергии, равной миллиону электронвольт (мегаэлектронвольт — Мэв). Конечно, эти единицы энергии, поскольку они относятся к ничтожно малым ядрам и ядерным частицам, очень малы. При подъеме шарика весом в один грамм на высоту одного сантиметра вы затрачиваете энергию, равную примерно 10⁹ Мэв. Однако не следует забывать, что в одном грамме вещества находится огромное число атомов. Для того чтобы поднять один атом на эту же высоту, понадобилась бы энергия, равная всего 10^-12 Мэв.

На рис. 5 приведена кривая зависимости энергии связи ядер от их массового числа. На оси ординат отложены средние значения энергии связи, приходящиеся на одну ядерную частицу, то есть — , где Е — энергия связи ядра, а на оси абсцисс — массовое число М.

Так как мы условились, что энергия связи определяется затраченной на удаление частицы работой, она является по существу отрицательной величиной. Увеличение энергии связи ядра приводит к более устойчивому его состоянию, то есть к уменьшению всей энергии ядра. Переход из менее устойчивого состояния в более устойчивое всегда сопровождается выделением энергии. Вспомните, какую работу совершает падающая с высоких гор вода или какое-нибудь нагретое тело при охлаждении.

При взгляде на кривую рисунка сразу бросается в глаза, что мы можем ожидать выделения энергии только в таких ядерных превращениях, в результате которых будут образованы самые устойчивые ядра — ядра средней величины, то есть при соединении (синтезе) легких ядер или при делении тяжелых.

Если бы нам удалось узнать энергию системы до и после ядерного превращения, мы могли бы определить величину выделяющейся при этом энергии.

Около пятидесяти лет тому назад выдающийся физик А. Эйнштейн установил закон взаимосвязи массы и энергии, который играет настолько большую роль в изучении ядерной физики, что его наравне с законами сохранения энергии и массы считают одним из основных законов природы. Этот закон может быть выражен очень простой формулой Е=тс², где т — масса вещества и с — скорость света, равная 300 тысячам километров в секунду, или с=3∙10¹⁰ см/сек.

Очевидно, из этого закона следует, что если какое-нибудь тело или частица приобретает или теряет энергию, то вместе с энергией приходит или уходит некоторое количество массы:

Величина знаменателя в этой формуле с²=9∙10²⁰ говорит о том, что нужно очень большое выделение энергии, чтобы мы могли заметить маленькое изменение массы, или, как его называют, дефект массы.

Например, в химической реакции образования воды выделяется довольно большая энергия, и можно утверждать, что масса молекулы воды меньше массы двух атомов водорода и одного атома кислорода. Но энергия, выделяющаяся в химических реакциях, все же недостаточно велика, чтобы мы даже очень точными приборами смогли обнаружить это различие в массах.

В ядерных же реакциях энергии выделяется в миллионы раз больше, чем в химических, и поэтому дефект массы, получающийся в различных ядерных реакциях, будет значительным. Если взвесить ядро какого-либо атома, то окажется, что его масса всегда меньше суммы масс протонов и нейтронов, составляющих это ядро.

Возьмем, например, ядро гелия. Оно состоит из двух протонов и двух нейтронов и весит 4,004[3]. Сумма же массы всех четырех частиц будет 4,034. Таким образом, дефект массы при образовании ядра гелия будет 0,03. Пользуясь формулой взаимосвязи массы и энергии, можно определить, какой энергии соответствует это уменьшение массы. И оказывается, что при образовании одного килограмма гелия дефект массы составляет 80 граммов. При этом выделяется энергия, равная примерно 4,47∙10²⁸ Мэв, или 1,7∙10¹¹ больших калорий, что равноценно теплу, получающемуся при сгорании 20 тысяч тонн угля.

Наибольшая энергия должна, очевидно, выделяться при образовании средних ядер. При образовании из протонов и нейтронов одного килограмма хрома выделяется энергия, равная 2,1∙10¹¹ больших калорий. Для подсчета энергии, выделяющейся при различных ядерных реакциях, можно также воспользоваться кривой графика рис. 5, которая вычислена из известных масс различных ядер.

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон для тяжелых ядер, примерно на 1 Мэв меньше, чем энергия связи средних.

Радиоактивный распад тяжелых элементов и определяется как раз тем обстоятельством, что ядра этих элементов менее устойчивы. Переход этих ядер в более устойчивое состояние всегда сопровождается выделением энергии. Так, при распаде одного грамма радия на ядра гелия и радона выделяется энергия, равная примерно 3,5∙10⁶ больших калорий. Но использовать эту энергию нельзя, так как радий распадается чрезвычайно медленно. За 1590 лет из одного грамма радия распадается только половина. Если бы можно было ускорить этот процесс, то энергии, выделяемой одним граммом радия, было бы достаточно, чтобы электрическая лампа мощностью 50 ватт могла гореть в течение семи лет. Однако физики пока еще практически не умеют влиять на скорость естественного радиоактивного распада радия.

Открытие закона взаимосвязи массы и энергии в свое время послужило основанием для всякого рода идеалистических высказываний. «Материя исчезает!», «Не выполняется закон сохранения массы и энергии!» — кричали физики различных идеалистических школ. Подобные высказывания совершенно беспочвенны. Прежде всего масса и материя — разные понятия. Материя, как ее определяет В. И. Ленин, есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку в его ощущениях, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них. Таким образом, всевозможные элементарные частицы (открытые и еще не открытые), поля (электромагнитное, гравитационное и другие), свет — это разные формы материи, проявляющейся в различных движениях. Если под массой подразумевать меру инерции, одного из самых общих свойств материи, то различные формы материи всегда обладают массой, так же как и энергией.

Очень легко показать, что закон взаимосвязи массы и энергии отнюдь не опровергает законы их сохранения, а доказывает. Эти законы всегда выполняются.

Предположим, что произошла ядерная реакция деления ядра атома урана и при этом выделилась энергия. Масса получившихся «осколков» ядра уменьшилась по сравнению с массой развалившегося ядра урана. Вот эту разницу массы и составляют массы нейтронов, квантов гамма-лучей, электронов и других элементарных частиц, выделившихся при ядерной реакции[4].

Можно утверждать, и это подтверждается опытом, что энергия и масса частиц и ядер, вступивших в ядерную реакцию, будут в точности равны энергии и массе образовавшихся в результате превращения частиц и ядер. При этом надо учесть, что гамма-квант также обладает массой и, кроме того, согласно, принципу относительности масса частиц увеличивается с ростом скорости их движения:

где т₀ — масса покоящейся частицы и υ — ее скорость. Таким образом, при скоростях, близких к скорости света с, масса частиц значительно возрастает.

В 1932 году физиками при исследовании космических лучей были обнаружены новые частицы. Они по своим свойствам оказались очень похожими на электроны. Но, имея равную с электронами массу, эти частицы, названные позитронами, несут положительный заряд. Позитроны в паре с электронами ведут себя довольно необычно: при соединении они исчезают, или как говорят, аннигилируют. На этом основании физики-идеалисты пытаются доказать, будто бы современная физика открыла исчезновение материи и «опровергла» материализм. Однако опыты показывают, что вместо пары противоположно заряженных частиц появляются два равных по величине гамма-кванта, энергия и масса которых равны энергии и массе электрона и позитрона.

Существует и обратное явление — «рождение» пары частиц (позитрона и электрона) при поглощении гамма-кванта каким-либо тяжелым ядром. Причем само ядро в этом «рождении» не участвует. Позитрон и электрон образуются вблизи ядра, в области действия электростатических сил его положительного заряда.

Опыты показали, что гамма-квант превращается в электрон и позитрон, сумма энергий и масс которых равна энергии и массе этого гамма-кванта.

Таким образом, при аннигиляции и «рождении» пар, так же как и во всех процессах, выполняются законы сохранения энергии и массы.

Давайте проведем воображаемый опыт. Заключим какой-нибудь объем, где находятся различные частицы и ядра, в непрозрачную для любых частиц и излучений оболочку. Тогда, что бы ни происходило внутри этого объема, общая энергия и масса всего объема останутся неизменными. Любые частицы и гамма-кванты, испускаемые при ядерных реакциях, возбуждении и ионизации атомов, останутся в том же объеме. Будет ли происходить аннигиляция пар либо их «рождение», передаст ли фотон свою энергию электрону или электрон возбудит атом с последующим излучением кванта света — в любом процессе не будут исчезать ни масса, ни энергия. Вместе с тем масса всего объема определяет его общую энергию по закону Е=тс².

Конечно, такой идеальной оболочки, непрозрачной для любых излучений, не существует, и при любом процессе, где выделяется энергия, часть этой энергии теряется, уходит из малого объема в пространство. Законы же сохранения массы и энергии всегда выполняются.

Ядерные реакции. В средние века алхимики пытались превращать одни вещества в другие. Больше всего их интересовало искусственное получение золота, сулившее несметные богатства. Сейчас нам понятна бесплодность таких попыток. Даже в наше время химик, обладающий несравненно большими знаниями и опытом, в прекрасно оборудованной лаборатории с помощью какого-либо химического процесса не может превратить атомы одного элемента в атомы другого.

Но в начале XX века мечту алхимиков осуществили физики. Они сумели превратить одни элементы в другие.

Впервые превращение одного элемента в другой было выполнено Резерфордом в 1919 году.

Еще значительно раньше физики научились регистрировать отдельные альфа-частицы, получаемые при радиоактивном распаде, на экране, покрытом сернистым цинком.

Посмотрите внимательно в темноте на светящийся циферблат ваших часов. Если вы поднесете его ближе к глазам или воспользуетесь увеличительной линзой, то увидите, что свечение циферблата перестанет быть ровным. То в одном, то в другом месте циферблата будут возникать быстрогаснущие отдельные вспышки. Эти вспышки появляются неожиданно и через самые различные промежутки времени. Состав, покрывающий стрелки и цифры на часах, обычно состоит из сернистого цинка, к которому примешано небольшое количество радиоактивного препарата. Отдельные вспышки, или, как их обычно называют, сцинтилляции, обусловлены взаимодействием излучаемых препаратом альфа-частиц с сернистым цинком.

Этим явлением сцинтилляции и воспользовался Резерфорд в своих исследованиях. Он поместил радиоактивный препарат (рис. 6) А в сосуде, наполненном газом, в таком месте, что альфа-частицы не могли достигнуть стенки сосуда, где был расположен экран В. Достаточно толстый слой исследуемого газа поглощал все альфа-частицы, и вспышек на экране не появлялось.

Однако при наполнении сосуда азотом на экране появились сцинтилляции. Это не могли быть альфа-частицы. При наполнении сосуда кислородом или углекислотой вспышки на экране исчезали. Совершенно ясно, что частицы, вызывающие сцинтилляции, могли быть получены только в результате взаимодействия (реакции) альфа-частиц и атомов азота.

Тщательные исследования показали, что в азоте действительно имела место ядерная реакция, которую можно записать так:

Легкие частицы слабее поглощаются газом. Поэтому частицы, пробегающие путь почти в 30 сантиметров от радиоактивного препарата до экрана, могли быть только ядрами водорода — протонами.

Таким образом, было установлено, что при бомбардировке ядер азота альфа-частицами последние как бы застревают в ядрах. Но взамен альфа-частицы из ядра вылетает протон. Получающееся при этом новое ядро является ядром изотопа кислорода с массовым числом 17.

Интересно подсчитать уже известным нам методом, каков баланс энергии в этой реакции. Написав сумму масс ядер до реакции в левой части формулы и сумму масс ядер после реакции в правой части (14,0075+4,0040→17,0045+1,0081, или 18,0115→18,0126), видим, что сумма масс частиц до реакции меньше суммы масс, получившихся после реакции частиц, на 0,0011, то есть в этой реакции энергия не выделяется, а поглощается. В данном случае превращение элементов идет за счет энергии альфа-частиц, выбрасываемых ядрами радиоактивного препарата.

Таким образом, мы выяснили, что не при всякой ядерной реакции выделяется энергия. Так же как и в некоторых химических реакциях, значительное число ядерных превращений требует расхода энергии.

Ядро — жидкая капля. Итак, ядерные реакции можно осуществить путем бомбардировки ядер частицами. Такая частица, попав в ядро, останется в нем, удерживаемая большими ядерными силами. Но быстрая частица, попавшая в ядро, передаст свое движение всем ядерным частицам.

Закон сохранения энергии утверждает, что энергия влетевшей в ядро частицы не пропала. Она равномерно распределилась между всеми ядерными частицами. Это очень похоже на то, что происходит при нагревании жидкости. Действительно, мы знаем, что если через воду пропустить пар, то молекулы пара, сталкиваясь с молекулами холодной воды, будут передавать им свою энергию. Молекулы воды придут в более энергичное движение. Иными словами, температура воды, которая определяется скоростью движения молекул, повысится — вода нагреется.

Скорости движения частиц в ядре, так же как и скорости молекул жидкости, соответствуют определенной температуре. Но скорость ядерных частиц в десятки тысяч раз больше скорости молекул жидкости и газа при обычных температурах, и поэтому температура ядра колоссальна. Когда частица с энергией около 10 Мэв влетает в ядро, его температура достигает 10–15 миллиардов градусов. Такое ядро можно представить себе в виде сильно нагретой капли жидкой ядерной материи, способной испаряться.

Очевидно, что через некоторое время после резкого повышения температуры ядра из него вылетит (испарится) какая-нибудь частица. Энергия, необходимая для вылета этой частицы, соответствует теплоте испарения жидкости.

Аналогию ядра с жидкой каплей можно провести значительно дальше. Ядро, как уже указывалось, состоит из двух сортов частиц: протонов и нейтронов, и, следовательно, его нужно сравнивать со смесью двух жидкостей. Скорость испарений каждой из этих жидкостей зависит от температуры. Так же и в ядре при определенных условиях может быть наиболее вероятен вылет нейтрона или протона. Раскаленная жидкая капля железа излучает видимый свет. Нагретое до высокой температуры ядро также излучает гамма-лучи, обладающие способностью проникать через толстые непрозрачные слои.

Над поверхностью нагретой воды вы всегда наблюдаете туман. Это то, что в нашей практике не совсем верно называют паром. Капельки тумана состоят из большого числа молекул и образуются при конденсации паров после выхода с поверхности жидкости. Примерно то же наблюдается в ядерных реакциях. Часто вылетают не отдельные частицы, а целое ядро, состоящее из четырех ядерных частиц, — альфа-частица. Правда, аналогия здесь не совсем полная. Альфа-частица, по-видимому, образуется внутри ядра, а капли тумана — после выхода молекул с поверхности жидкости.

После вылета какой-нибудь частицы ядро охлаждается так же, как охлаждается при усиленном испарении жидкость. Как на испарение жидкости, так и на вылет частицы затрачивается энергия. В том случае, когда ядро обладает большой остаточной энергией, возможен вылет второй частицы. Но если остатка энергии не хватает для удаления второй частицы, ядро охлаждается испусканием света — гамма-излучением.

Не все частицы легко могут проникнуть в положительно заряженное ядро атома. Протону или альфа-частице, несущим положительные заряды, нелегко подойти к одноименно заряженному ядру. Сильное электростатическое поле ядра будет отталкивать такую частицу. Преодолеть электростатические силы и попасть в область действии ядерных сил может только достаточно быстрая, обладающая большой энергией заряженная частица.

Очень долго физики пользовались альфа-частицами, выбрасываемыми ядрами радиоактивных элементов при естественном их распаде. Однако для осуществления многих ядерных реакций необходимы элементарные частицы с большими энергиями, которые при радиоактивных превращениях не получаются. Чтобы получить частицы с бóльшими энергиями, надо сообщить им большие скорости движения.

Ускоренные заряженные частицы можно получать в так называемых ускорителях и этими быстрыми частицами бомбардировать ядра различных веществ. Часть заряженных частиц попадает в атомные ядра и производит ядерные реакции.

Например, быстрый протон, попадая в ядро легкого элемента лития, совершает следующую реакцию (рис. 7):

Ядро лития содержит три протона и четыре нейтрона. После его слияния с протоном мы будем иметь новое ядро, содержащее восемь частиц (четыре протона и четыре нейтрона). Это уже изотоп бериллия с массовым числом, равным восьми. Но ядро бериллия⁸ неустойчиво и очень быстро распадается на две альфа-частицы (ядра гелия). При этом освобождается большое количество энергии.

После открытия в 1932 году Жолио-Кюри и Чадвиком нейтронов исследователи получили новое мощное средство для осуществления ядерных реакций. Нейтроны — незаряженные частицы, и на них не действуют электрические силы. Поэтому подойти к ядру и произвести ядерное превращение могут даже очень медленные нейтроны. Больше того, очень часто медленные нейтроны гораздо активнее, чем быстрые, производят ядерные превращения. Такие нейтроны находятся вблизи ядра большее время и поэтому легче захватываются ядерными силами ядра.

При захвате ядром нейтрона получается новое ядро, и так как нейтрон не имеет заряда, оно остается ядром изотопа первоначального химического элемента.

Даже самый медленный нейтрон, «упавший» под действием ядерных сил в ядро, приносит с собой значительную энергию. В результате захвата нейтрона ядро «нагревается». Охлаждение полученного ядра может, как мы уже говорили, проходить несколькими способами: из него выбрасывается одна или две частицы или испускаются гамма-лучи.

Например, целый ряд реакций с нейтроном дает ядро азота. На быстрых нейтронах может идти реакция с испусканием альфа-частицы:

Может идти также реакция, где из ядра азота¹⁵ вылетают две частицы. Происходит как бы размножение нейтронов:

На медленных нейтронах очень часто происходит такая реакция:

Эта реакция интересна тем, что дает нам искусственное радиоактивное вещество — углерод¹⁴ с периодом полураспада 5100 лет:

В результате обоих ядерных превращений мы опять получим ядро азота¹⁴. Но вместо захваченного нейтрона из ядра вылетели протон (водород¹) и электрон.

Типичной нейтронной реакцией с испусканием гамма-лучей является захват протоном нейтрона и образование изотопа водорода — дейтерия:

Используя современные мощные источники нейтронов, можно получать значительные количества различных элементов, редко встречающихся в природе. Например, сверхтяжелый водород — тритий — можно получить в ядерной реакции:

Тритий — радиоактивный изотоп водорода, и за время около 12 лет половина его атомов распадается. При этом тритий превращается в устойчивый изотоп гелия с массовым числом 3, одновременно испуская электрон:

В настоящее время физики умеют даже превращать ртуть в золото. При этом может быть использована следующая ядерная реакция:

Правда, это золото обходится дороже самородного. Кроме того, оно неустойчиво и быстро распадается, излучая электрон (период полураспада 2,7 дня):

Тем не менее не исключена возможность получения дешевого золота из ртути или из других элементов. Но сейчас перед наукой стоят другие, более важные задачи.

Когда физик намеревается исследовать ту или иную ядерную реакцию, перед ним сразу встают вопросы: как велика вероятность осуществления этой реакции? Сколькими частицами надо обстрелять данное ядро, чтобы произошло ядерное превращение? Мы не будем входить в подробности этого вопроса: он достаточно сложен. Следует указать только, что не каждая заряженная частица, попадая в ядро, совершает ядерную реакцию. Огромное большинство частиц под действием электрических или ядерных сил рассеивается вблизи ядра и не производит ядерной реакции. Исключение составляют так называемые резонансные реакции, когда частицы, обладающие определенной скоростью (энергией), легко проникают в ядро.

Современная физика учит нас, что движение элементарных частиц можно рассматривать как распространение волны. Каждой скорости (энергии) частицы соответствует определенная длина волны. Несомненно, что движение частиц в самом ядре имеет также волновой характер. А если это так, то здесь действительно можно говорить о резонансе: совпадении длин волн частицы и ядра. В этом случае их взаимодействие усиливается. В школе нам показывали опыты с резонансом двух настроенных в унисон камертонов. Звучание одного камертона вызывает звучание другого.

Ядро является очень сложной системой, и поэтому у него может быть несколько уровней энергии, то есть несколько частот или несколько длин волн. Частица, обладающая одним из значений энергии, соответствующих уровням ядра, всегда активнее вступает в ядерную реакцию, чем другие частицы.

Вспомните одну из любимых детских игр — китайский бильярд. Хороший игрок знает, что для того, чтобы попасть в нужную лунку, надо шарик выпустить с точно определенной скоростью. Очень быстрый шарик проскочит далеко и выбьет мало очков. Шарик с малой скоростью не дойдет до лунки с большим числом очков.

Конечно, ядро сложнее китайского бильярда, но там тоже можно представить себе такие уровни (лунки), в которые может попасть заряженная частица, обладающая только определенной скоростью. При этом происходит либо захват частицы с испусканием гамма-кванта с определенной длиной волны (энергией), либо последующий распад ядра с выбрасыванием одной или нескольких частиц.

В качестве примера резонансной реакции можно привести такую:

Эта реакция отличается от описанной ранее тем, что вначале получается гамма-квант, а лишь затем ядро бериллия распадается на две альфа-частицы. Она происходит лишь при определенной энергии ядра водорода (протона), равной приблизительно 0,440 Мэв.

Незаряженному нейтрону проникнуть в ядро легче, чем заряженной частице, так как он не взаимодействует с электрическим зарядом ядра. Иногда нейтрону достаточно пройти вблизи ядра, и он будет как бы втянут ядерными силами внутрь ядра и вызовет ядерную реакцию. Тогда вероятность осуществления ядерной реакции с нейтроном в десятки тысяч раз больше, нежели с заряженной частицей.

Но и нейтроны, так же как заряженные частицы, вступают в резонансные реакции. Например, происходит резонансный захват ядром урана²³⁸ всех нейтронов, обладающих определенной энергией, соответствующей какой-то средней скорости. С этой важной реакцией мы познакомимся позже.

Электронный распад ядра. Мы видели, что многие ядерные превращения сопровождаются вылетом электронов.

Возникает законный вопрос: откуда же берутся электроны в ядре? Ведь ядро состоит только из протонов и нейтронов.

Остается предположить, что электрон рождается в ядре в момент его превращения. При распаде, например, трития, в ядре которого один протон и два нейтрона, получается электрон и ядро изотопа гелия³, содержащее два протона и один нейтрон. Выходит, что при излучении электрона из ядра один из нейтронов превратился в протон.

«Ну что же здесь странного? — скажете вы. — Очевидно, нейтрон — сложная частица и состоит из протона и электрона».

Но факты опровергают это предположение.

Есть много ядер, которые излучают при распаде не электроны, а положительно заряженные частицы — позитроны. Так, например, азот¹³, о котором упоминалось раньше, является радиоактивным изотопом. Его ядро, излучая позитрон, переходит в ядро углерода¹³:

то есть вместо семи протонов и шести нейтронов в новом ядре будет уже шесть протонов и семь нейтронов. Здесь мы имеем превращение протона в нейтрон и позитрон. Становится ясным, что представление о том, что нейтрон состоит из протона и электрона, несовместимо с существованием радиоактивности, с образованием позитрона.

Современная теория утверждает, что протоны и нейтроны в процессе их взаимодействия в ядре могут превращаться друг в друга с испусканием электрона или позитрона. Эти частицы и излучаются ядром при радиоактивном распаде.

Что же происходит с ядром после этого?

Излучение электрона связано с тем, что один из нейтронов превращается в протон, что, естественно, приводит к увеличению положительного заряда ядра. Мы получаем ядро следующего элемента периодической системы. Например, при распаде трития (изотопа водорода) образуется изотоп гелия.

В случае позитронной радиоактивности, наоборот, протон превращается в нейтрон, ядро теряет положительный заряд, равный заряду протона, и номер элемента становится на единицу меньше. Это происходит, например, при превращении азота¹³ в углерод¹³.

Однако в поведении радиоактивного ядра при испускании электрона и позитрона есть что-то странное. В каждом подобном акте ядро теряет вполне определенную энергию. Можно ожидать, что энергия (или скорость) всех электронов (или позитронов), испускаемых ядрами этого сорта, будет одинакова. Физики сумели измерить эту энергию, и неожиданно оказалось, что излучаемые электроны обладают самыми различными энергиями — от очень малой до максимальной энергии, теряемой радиоактивным ядром.

Тут обнаружилось какое-то неблагополучие. Ядро передает электрону совершенно определенную энергию. Но в процессе этой передачи часть энергии где-то пропадает.

Явное несоответствие с законом сохранения энергии, который утверждает, что энергия никогда не возникает и не пропадает!

Но, может быть, часть энергии уносят с собой гамма-кванты, часто сопровождающие испускание электрона или позитрона?

Однако измерения показали, что гамма-квант уносит с собой всегда определенную часть энергии и испускается позже электрона. Кроме того, энергия, теряемая ядром, всегда равна сумме энергии гамма-кванта и максимальной энергии электрона.

А если вылетевший электрон не обладает максимальной энергией, то куда же девается ее часть, недостающая до максимальной?

Может быть, можно объяснить странное поведение радиоактивного ядра, если предположить, что из него одновременно вылетают два электрона?

Действительно, в этом случае у каждого из электронов может быть самая различная энергия. Сумма этих энергий должна быть равна энергии, теряемой ядром. Однако такое предположение сразу же опровергается тем обстоятельством, что ядро при электронном или позитронном распаде всегда теряет или приобретает заряд, соответствующий одному элементарному заряду.

Такое положение привело к тому, что реакционно настроенная часть зарубежных физиков снова стала утверждать, что закон сохранения энергии — один из самых фундаментальных законов природы — не выполняется в атомных и ядерных процессах.

Очень скоро было показано, что для того чтобы устранить все сомнения, достаточно предположить, что одновременно с электроном (позитроном) вылетает еще одна нейтральная частица — нейтрино, которая и уносит с собой недостающую часть энергии. Таким образом, взаимопревращение нейтрона и протона можно записать следующим образом:

Стрелки разных направлений указывают, что может быть и обратный процесс: протон, электрон и нейтрино превращаются в один нейтрон.

Существование нейтрино доказывается не только радиоактивным распадом. Оно подтверждается также рядом других экспериментальных фактов, полученных за последние годы физиками.

Благодаря отсутствию электрического заряда и очень малой массе нейтрино слабо взаимодействует с окружающими атомами и ядрами; в лучшем случае эта частица ионизирует один атом на пути 500 километров. Чтобы обнаружить такую частицу, нужны очень тонкие и сложные эксперименты.

Долгое время усилия физиков в этом направлении оставались безуспешными. Только совсем недавно, в конце 1953 года, исследования с достаточной достоверностью доказали, что нейтрино действительно существует.

Так потерпела окончательный крах реакционная идеалистическая концепция, отрицающая применимость закона сохранения энергии в микромире атома и ядра.

У читателя могут возникнуть вопросы: почему происходит электронный или позитронный распад? Почему при распаде одни ядра испускают электроны, а другие позитроны?

Современная физика дает ответ и на эти вопросы.

Исследования показали, что для того, чтобы атомные ядра были более прочными, протоны и нейтроны должны находиться в ядре в определенном соотношении. Это соотношение меняется для различных ядер. Так, легкие ядра более прочны, если они состоят из равного количества протонов и нейтронов. Средние и тяжелые ядра становятся прочнее, если в них несколько преобладает число нейтронов.

В тяжелых ядрах электростатические силы, расталкивающие протоны, настолько велики, что эти ядра становятся неустойчивыми даже при большом избытке нейтронов. Поэтому находящиеся в конце периодической системы элементы являются радиоактивными и их ядра могут стать более прочными, только излучая различные частицы.

Если в ядре слишком много нейтронов, оно неустойчиво и становится более прочным, выбрасывая в радиоактивном распаде электрон и нейтрино. При этом один из нейтронов превращается в протон. Наоборот, если в ядре находится избыток протонов, то наиболее вероятен позитронный радиоактивный распад.

Переход ядра в устойчивое состояние происходит не обязательно при одном распаде. Очень часто только в результате целого ряда радиоактивных превращений с вылетом альфа- и бета-частиц, сопровождаемых гамма-излучением, радиоактивное ядро переходит в ядро устойчивого элемента. Так, ядро урана²³⁸, претерпевая ряд превращений, постепенно переходит в ядро свинца²⁰⁶.

Схему этого ряда превращений можно проследить по рис. 8. Мы видим, как ядро урана²³⁸ выбрасывает альфа-частицу и превращается в ядро тория²³⁴. Но это ядро также неустойчиво. Оно перегружено нейтронами. Происходит превращение одного из нейтронов в протон с вылетом электрона и нейтрино. Получается ядро протактиния²³⁴, которое тем же способом переходит в ядро урана²³⁴. Вылет электрона недостаточно «охлаждает» ядро, и поэтому этот распад сопровождается гамма-излучением.

Далее следует длинный ряд преобразований с испусканием альфа-частиц, а иногда и гамма-лучей. В результате этих превращений образуется изотоп свинца — свинец²¹⁴. Но этот свинец неустойчив. Он также перегружен нейтронами, его ядро, испуская электрон, образует ядро висмута²¹⁴, которое, теряя альфа-частицу, переходит в ядро таллия²¹⁰. В этом неустойчивом ядре все еще есть излишки нейтронов. Лишние нейтроны превращаются в протоны, и ядро, три раза испуская электрон, переходит в ядро полония²¹⁰, из которого вылетает альфа-частица, и, наконец, образуется вполне устойчивое ядро свинца²⁰⁶.

Интересно, что получающееся при промежуточных превращениях ядро висмута²¹⁰ может распадаться двумя способами: излучая электрон или альфа-частицу. В обоих случаях конечным ядром является ядро свинца²⁰⁶.

Не следует думать, что все эти процессы протекают очень быстро. В среднем проходит много миллиардов лет, прежде чем из ядра урана²³⁸ получится ядро свинца²⁰⁶. Отдельные превращения происходят очень быстро, другие требуют тысяч, миллионов и даже миллиардов лет. Например, среднее время «жизни» ядер урана²³⁴ около 380 тысяч лет, тория²³⁴ — 35 дней, а свинца²¹⁴ — 38 минут.

Было бы неправильным сравнивать среднее время «жизни» радиоактивного ядра со средним временем жизни, например, человека. Вполне закономерно то, что человек умирает не в юношеском, а в престарелом возрасте, так как изношенный организм старого человека сильнее подвержен различного рода заболеваниям.

Но нельзя говорить об «износе» радиоактивных ядер. Эти ядра «умирают» независимо от внешних обстоятельств. Законы радиоактивных превращений таковы, что с одинаковой вероятностью распадаются как старые, давно образовавшиеся ядра, так и молодые, только что получившиеся из другого радиоактивного ядра.

Новые элементарные частицы. Для того чтобы объяснить плотность и огромную прочность ядра, в 1935 году японский физик Юкава предположил, что ядерные силы вызываются особыми частицами, в 200–300 раз тяжелее электрона. Один из нуклонов испускает эту частицу, другой ее поглощает. Таким образом, частица связана с каждым из нуклонов и обусловливает ядерные силы между ними. Эта на первый взгляд странная теория Юкавы, как мы знаем, позволила объяснить величину ядерных сил и обстоятельство, благодаря которому эти силы действуют на весьма малом расстоянии.

Надо было найти такую частицу. И вот в 1937 году появилось сообщение, что в космических лучах были действительно найдены частицы, обладающие подходящей массой. Но ликование физиков было преждевременным. Вновь открытая частица — мю-мезон очень слабо взаимодействовала с ядрами и поэтому, естественно, не могла играть роли связующего звена между протоном и нейтроном.

Десять долгих лет физики усиленно искали другую частицу. Наконец ее след был обнаружен в эмульсии фотопластинки, облученной космическими лучами высоко в горах. Она оказалась несколько тяжелее своей предшественницы и была названа пи-мезоном. Пи-мезон живет очень недолго — несколько миллиардных долей секунды и затем превращается в знакомый нам мю-мезон, излучая при этом нейтрино. Пи-мезон живет примерно в 100 раз меньше мю-мезона. Вот поэтому физики так долго и не могли обнаружить пи-мезоны. Ведь 99 процентов времени своей жизни они проводят в виде мю-мезонов.

Как мы уже с вами знаем, пи-мезоны и оказались частицами, о существовании которых предполагал Юкава. По-видимому, они и обусловливают ядерные силы, действующие между протонами и нейтронами. Пи- и мю-мезоны могут быть отрицательными и положительными, в зависимости от знака электрического заряда, который всегда равен по величине заряду электрона. Найден был также пи-мезон, не имеющий электрического заряда.

Последние годы оказались для физиков весьма продуктивными. Было найдено больше десятка новых элементарных частиц: ка-мезоны с массой около 1000 электронных масс и гипероны — частицы тяжелее протонов. Большинство этих частиц было найдено в космических лучах. Сейчас, когда ученые обладают весьма мощными ускорителями заряженных частиц, различные мезоны получаются искусственно.

Среди других элементарных частиц антипротон занимает несколько особое место. Дело в том, что история этой частицы начинается не с момента ее открытия, то есть с 1955 года, а значительно раньше.

Еще в 1928 году, когда известный физик Дирак создал уточненную теорию электрона, он с удивлением увидел, что из написанных им на бумаге уравнений вытекают не только свойства самого электрона. Эти уравнения указывали на существование еще и другой частицы, по своим свойствам противоположной электрону. Тут не могло быть математической ошибки, так как это уравнение очень точно предсказывало наблюдаемое в опыте поведение электрона. Но, может быть, Дираку следовало поступить так же, как школьнику, решающему задачу с квадратным уравнением: выбрать решение, имеющее физический смысл, а другое отбросить! Нет, уравнение Дирака говорит об одновременном существовании двух частиц: электрона и какого-то антиэлектрона. Дирак с большим сомнением рассказывал своим коллегам, что по совершенно непонятной ему причине его уравнение для электрона описывает частицу с массой электрона, но имеющую положительный заряд.

Сейчас мы знаем, что антиэлектроном оказался позитрон. Он был предсказан за несколько лет до своего открытия и обнаружен сначала в космических лучах, а затем уже получен искусственно. Позитрон — это удивительное, как бы зеркальное отображение своего собрата электрона.

Теория Дирака дает нечто большее, чем предсказание существования позитрона. Она говорит о существовании античастиц у тяжелых ядерных частиц: антипротона и антинейтрона, и дает возможность также предсказать основные свойства этих частиц. В частности, антипротон должен обладать массой, равной массе протона, и в противоположность ему иметь отрицательный заряд. При встрече с протоном такая пара, протон-антипротон, исчезает. Эта атомная катастрофа по своим масштабам значительно больше, чем аннигиляция электрона и позитрона, и сопровождается выделением энергии, равной двум миллиардам электронвольт.

Получить антипротон значительно труднее, нежели позитрон. Для рождения пары электрон-позитрон нужен гамма-квант с энергией около одного миллиона электронвольт. Рождение же антипротона может произойти только при столкновении двух нуклонов. При этом должна затратиться энергия, равная двум миллиардам электронвольт.

Вполне естественно, что ученые пытались вначале найти антипротоны в космических лучах, где происходит столкновение ядерных частиц с колоссальной энергией. Однако найти следы антипротона в фотоэмульсии среди миллионов следов других частиц различной массы и энергии, конечно, очень трудно. Были найдены следы, которые, судя по многим признакам, должны принадлежать антипротонам. Но здесь могла быть и ошибка. Поэтому ученые обратились к мощным ускорителям, на которых получается очень много заряженных частиц с энергией в несколько миллиардов электронвольт.

Трудности получения антипротона усугубляются тем обстоятельством, что при столкновении нуклонов не вся энергия расходуется на рождение пары протон-антипротон. Большая часть энергии удерживается сталкивающимися нуклонами. Поэтому для рождения антипротона нужна энергия не менее четырех миллиардов электронвольт, если столкновение происходит между свободными протонами (или нейтронами), и больше пяти миллиардов электронвольт, если столкновение нуклонов происходит внутри ядра.

Протоны с такой энергией были получены в 1955 году на большом ускорителе — космотроне в Беркли (Калифорния), и это дало возможность группе американских физиков под руководством Сегре, Чемберлена и других в 1955 году получить антипротоны при бомбардировке быстрыми протонами медной мишени.

Физики уже не сомневались, что раз существует антипротон, то должен существовать антинейтрон. Его труднее обнаружить, потому что, как и нейтрон, он не регистрируется обычными счетчиками и не оставляет следа в фотоэмульсии. Но, помимо других отличий от обычного нейтрона, эта частица обладает еще способностью к аннигиляции. Это обстоятельство позволило ученым в 1956 году обнаружить и антинейтрон.

Открытие антипротона и антинейтрона, по-видимому, не сулит нам новых возможностей в получении атомной энергии. Но изучение новых элементарных частиц позволяет глубже познать само ядро, характер и свойства ядерных сил, а это очень важно для развития ядерной физики, техники и ядерной энергетики.

Сейчас, когда доказана возможность рождения антипротонов и антинейтронов, можно поставить вопрос о возможности существования различных антивеществ. Действительно, пока не найдено никаких фактов, которые противоречили бы этому. Антиводород в этом случае состоял бы из ядра — антипротона, вокруг которого движется один позитрон. Ядро атома антигелия должно быть построено из двух антипротонов и двух антинейтронов; вокруг этого ядра вращаются два позитрона и т. д.

Надо иметь в виду, что существовать одновременно в одном месте вещество и антивещество не могут. Произойдет аннигиляция протонов и антипротонов, нейтронов и антинейтронов, электронов и позитронов. «Выживет» только то вещество, которого в данном месте находится больше. Поэтому на земле, конечно, нет ни тяжелых античастиц, ни антивеществ. По-видимому, если современное представление о происхождении солнечной системы правильно, то Солнце и все планеты также состоят из обычного вещества. Относительно других звезд и звездных систем мы это утверждать не можем. Спектральные исследования света, приходящего от звезд, не могут пока дать ответа на вопрос, какое там находится вещество.

Обсуждается также возможность падения на Землю метеоритов из антивещества и его аннигиляции с земным веществом. Авторы предполагают, что это было в тех случаях, когда осколки метеоритов не удается отыскать, как, например, в случае с Тунгусским метеоритом. Такому предположению сейчас не противоречат никакие факты. Взрыв, который произошел на месте падения Тунгусского метеорита, можно, конечно, рассматривать как ядерный взрыв. Но хорошо известно, что это явление находит себе и другое вполне удовлетворительное объяснение.

Такие рассуждения сейчас, конечно, преждевременны. Возможно, что дальнейшее исследование свойств антипротонов и антинейтронов покажет нам, что устойчивые антивещества не могут существовать.