Стабильность определенного нуклида зависит не только от соотношения п/р, но и, что более важно, от энергии этого нуклида по отношению к другим нуклидам с таким же количеством нуклонов.
Чтобы лучше понять это, начнем с осознания того, что, хотя массовое число изотопа обычно приводится числом целым, на самом деле оно «не совсем» целое. Говоря о кислороде–18, калии–41 и уране–235, мы подразумеваем, что их массовые числа равны соответственно 18, 41 и 235.
С помощью масс-спектрографа Астона (см. гл. 8) удалось с огромной точностью измерить массы отдельных изотопов. Мы знаем, что по отношению к углероду–12 фактическая масса кислорода–18 равна 17,99916, калия–41 — 40,96184, а урана–235 — 23,0439.
Если считать, что ядро состоит из одних лишь нейтронов и протонов, то получились весьма странные результаты. Но разве масса одного нейтрона или протона равна 1? Нет. Относительно углерода–12 масса протона составляет 1,007825, а нейтрона — 1,00865.
Но тогда возникает другой вопрос. Ядро углерода–12 состоит из 6 протонов и 6 нейтронов. Но общая масса 12 отдельно взятых нуклонов равна 12,098940, однако масса тех же самых 12 нуклонов ядра углерода–12 составляет 12,00000, то есть дефект массы равен 0,098940. Куда же делась эта масса?
Понятно, что, согласно формуле Эйнштейна (см. ч. II), избыточная масса перешла в энергию.
При образовании ядра углерода–12 менее 1% общей массы 6 протонов и 6 нейтронов переходит в энергию. Для разложения ядра углерода–12 на отдельные нуклоны требуется энергия, которую накопить достаточно сложно, и именно поэтому ядро углерода–12 не распадается. Энергия, удерживающая нуклоны внутри ядра, гораздо выше энергии, удерживающей атомы внутри молекулы и молекулы внутри твердого вещества. Она также выше энергии, удерживающей электроны внутри атома. Именно поэтому расплавка твердого вещества, разложение химического соединения или даже ионизация атома — плевое дело по сравнению с расщеплением ядра.
И хотя без применения колоссальной энергии расщепить атомное ядро невозможно, внутри его можно провести менее кардинальные изменения, и некоторые из этих изменений происходят спонтанно.
Начнем с того, что чем больше энергии на одну частицу отдается во время формирования ядра путем «упаковки» нескольких отдельных электронов вместе, тем более стабильным будет ядро (при прочих равных). Измерить эту энергию образования ядра можно, выделив массовое число (A) из фактической массы изотопа (Am). Полученное значение дефекта массы можно разделить на фактическую массу и получить дробное значение дефекта массы. Чтобы избавиться от дроби, результат умножается на 10 000, и в итоге получаем то, что Астон назвал коэффициентом уменьшения массы. Если обозначить его как Pt, то
Pt = 10000(Am – A)/Am. (Уравнение 11.1)
Чем меньше коэффициент уменьшения массы, тем больше потери массы при образовании ядра и тем выше его стабильность.
Самый высокий коэффициент уменьшения массы у водорода. Фактическая масса ядра водорода–1 (голого протона) равна 1,007825. Подставив это значение (1,007825) в формулу 11.1 вместо Am, а 1 — вместо A, коэффициент уменьшения массы получим 78,25, что неудивительно, так как единственный протон при формировании ядра никуда не «упаковывается». У отдельного нейтрона коэффициент уменьшения массы еще больше — 86,7.
Кривая коэффициента уменьшения массы Астона
С другой стороны, коэффициент уменьшения массы лития–7 равен 22.9. при Am = 7,01601, а A = 7, в то время как коэффициент уменьшения массы углерода–13 равен 2,4, при Am — 13,00335,
В целом коэффициент уменьшения массы нескольких следующих за водородом–1 элементов уменьшается. Это говорите том что с усложнением ядра отношение n/p становится более «стабильным». Проще говоря, когда два простых ядра образуют более сложное, выделяется энергия.
Коэффициент уменьшения массы азота–15 равен уже 0, однако у ядер еще более сложных элементов этот коэффициент принимает отрицательные значения. (Как следствие того, что мы приняли атомное число углерода–12 за 12. Если бы мы высчитывали атомные веса относительно того, что атомный вес железа–56 равен 56, то коэффициент уменьшения массы не имел бы отрицательных значений.)
Например, значение Am калия–41 равно 40,96184 a A = 41, значит, коэффициент уменьшения массы равен) –9,3. Минимальное значение коэффициента уменьшения массы у железа–56 равно –11,63. Затем коэффициент уменьшения массы начинает вновь увеличиваться: например, у олова–120 он равен 8,1, а у иридия–191 равен –2,0. Значения коэффициентов элементов в конце периодической таблицы вновь положительные: коэффициент уменьшения массы урана–238 равен +2,1.
Это значит, что самыми стабильными являются атомы средних размеров, например железа и никеля. Энергия выделяется не распаде более сложных атомов на более простые.
Все это отражено в общем устройстве Вселенной. В целом, согласно проведенному на основе астрономических данных анализу распространенности элементов во Вселенной, оказалось, что чем сложнее элемент, тем реже он встречается. Около 90% всех атомов во Вселенной являются атомами водорода (простейшего элемента) и еще 9% — гелия (второй простейший элемент). Вполне вероятно, что благодаря своей стабильности атомы железа также распространены гораздо больше атомов остальных элементов. На примере нашей планеты можно сказать, что это действительно так: малая масса Земли не позволила ей удержать простейшие атомы, однако по массе она на 35% состоит из атомов железа.
Очень мало значение коэффициента уменьшения массы у атомов углерода–12 и кислорода–16 (которые можно рассматривать как состоящие из альфа-частиц) и особенно мало у атома гелия–4 (который и является альфа-частицей).
Коэффициент уменьшения массы лития–6 равен 25,2, а водорода–2 — 70. Раз гелий–4 находится где-то посредине между этими элементами, то можно предположить, что и его коэффициент уменьшения массы также будет иметь среднее значение коэффициентов этих элементов. Однако коэффициент уменьшения массы гелия–4 всего лишь 6,5, что намного меньше, чем у лития–6 и водорода–2. Неудивительно, что гелий, углерод и кислород — самые распространенные элементы во Вселенной.
Стабильность определенного нуклида зависит от значения не только его собственного коэффициента уменьшения массы, но и коэффициента уменьшения массы нуклидов с таким же количеством нуклонов. Например, сам по себе атом натрия–24 (11 протонов, 13 нейтронов) должен быть стабильным. Однако у атома магния–24 (12 протонов, 12 нейтронов) коэффициент уменьшения массы ниже. Поэтому, испуская бета-частицу и меняя тем самым соотношение нуклонов с 11–13 до 12–12, атом магния–24 становится стабильным. В то время как для полного разложения ядра натрия–24 необходимы гигантские энергетические затраты, лишь небольшое количество энергии достаточно для преобразования ядра путем испускания бета-частицы. Атом натрия–24 самопроизвольно испускает бета-частицу и распадется до атома магния–24, период полураспада которого составляет 15 часов.
Сразу два соседних изотопа с равными значениями массового числа не могут быть стабильными. Изотоп с большим коэффициентом уменьшения массы самопроизвольно преобразуется в изотоп с меньшим коэффициентом. Это все равно что скатиться с «энергетической горки»: чем круче горка, тем меньше период полураспада.
Два изотопа с одинаковыми массовыми числами, но не являющиеся соседними, стабильными быть могут. Так, и цинк–64 (30 протонов, 34 нейтрона), и никель–64 (28 протонов, 36 нейтронов) являются стабильными, так как между ними стоит медь–64 (29 протонов, 35 нейтронов), коэффициент уменьшения массы которой больше, чем у никеля–64 и цинка–64. Можно представить, что цинк–64 и никель–64 находятся по обе стороны «энергетической горы», на вершине которой находится медь–64. Изотоп меди–64 нестабилен, и его распад может проходить двумя способами: либо он испускает бета-частицу и становится цинком–64, либо он испускает противоположную бета-частице микрочастицу (см. гл. 13) и становится никелем–64.
Иногда «энергетическая гора» не очень высокая, и лежащие у ее подножия изотопы почти стабильны, как в случае с калием–40 (19 протонов, 21 нейтрон). Этот изотоп находится между двумя стабильными изотопами — аргоном–40 (18 протонов, 22 нейтрона) и кальцием–40 (20 протонов, 20 нейтронов). Сам калий–40 также является слаборадиоактивным изотопом и может распадаться либо до кальция–40, либо до аргона–40.
Ядерная энергия
Как только существование ядерной энергии[138] было признано, ученые сразу начали искать возможные пути ее применения на практике. И действительно, существуют изотопы, которые стоят на вершине крайне пологого склона и медленно, по атому, скатываются с нее. Это конечно же изотопы урана–238, урана–235 и тория–223.
Например, в несколько приемов уран–238 распадается до образования свинца–206, при этом уран–238 испускает бета-частицу и гамма-лучи, массой которых можно пренебречь, а также 8 альфа-частиц, массой которых пренебрегать уже нельзя. Обозначая лишь тяжелые числа, можем записать:
U238 → Pb206 + 8He4.
Масса ядра урана–238 равна 238,0506, ядра свинца–206 — 205,9745, а альфа-частицы — 4,00260. Общая масса ядра свинца–206 и 8 альфа-частиц равна 237,9953. Это означает, что в процессе радиоактивного распада урана–238 до свинца–206 каждое ядро урана–238 теряет 238,0506–237,9953, то есть 0,0553 единиц атомной массы.
Можем перевести эти числа в граммы. При полном распаде до свинца 238 граммов урана 55,3 миллиграмма переходят в энергию. Если каждый грамм урана распадается полностью, то 0,255 грамма его массы переходят в энергию.
Вспомним формулу Эйнштейна e = mc2, где e — энергия в эрг, m — масса в граммах, а с — скорость света в сантиметрах в секунду. Скорость света равна 3∙1010 сантиметров в секунду, а квадрат скорости света равен 9∙1020. Умножив это на 0,255 (или на 2,25∙10–4), получим, что при полном распаде 1 грамма урана высвобождается 2,5∙1020 эрг, или 5 000 000 килокалорий энергии.
При сгорании 1 грамма бензина выделяется 12 килокалорий энергии. Получается, что энергия, полученная в результате распада 1 грамма урана, в 420 000 раз больше энергии, выделяемой при сгорании 1 грамма бензина, и, более того, эквивалентна энергии, выделяемой при взрыве 5000 тонн тротила. Это хороший пример соотношения энергии химической и ядерной реакций.
Почему человек ничего не знал о выделении столь значительной энергии? (Ведь человек всегда знал о выделении относительно небольшой энергии, скажем при горении свечи.) Ответ очень прост. При распаде урана действительно выделяется огромное количество энергии, однако процесс ее выделения растянут во времени. Для выделения половины этой энергии, или 2 500 000 килокалорий, урану необходимо 4 500 000 000 лет. За одну же секунду уран выделяет намного меньше энергии, чем пламя свечи.
Существуют изотопы, радиоактивность которых интенсивнее радиоактивности урана–238. Рассмотрим полоний–212, дочерний нуклид тория–232, всегда присутствующий в его рудах. Испуская альфа-частицу, 1 грамм полония–212 распадется до свинца–208, теряя в результате 0,046 миллиграмма массы, то есть шестую часть массы, теряемой ураном. Значит, при распаде полония–212 выделяется лишь одна шестая часть энергии, выделяемой при распаде урана–238. При распаде полония–212 высвобождается менее 1 000 000 килокалорий. Столько же энергии выделяется при взрыве 1000 тонн тротила. Однако период полураспада полония–212 менее половины секунды, и вся эта энергия освобождается за один миг. Однако набрать целый грамм естественного полония–212 невозможно, даже если собрать весь полоний–212, содержащийся в земной коре.
В 1919 году необходимость поиска естественных источников высокорадиоактивных изотопов отпала, так как появилась возможность их синтезировать. Образно говоря, путем бомбардировки альфа-частицами и ускоренными протонами стало возможно заставить стабильные изотопы лезть вверх по «энергетической горке» и превращаться в радиоизотопы, после чего радиоизотопы рано или поздно съезжали обратно к подножию горы. Можно ли использовать выделяющуюся при этом энергию?
Конечно можно; она и используется каждый раз, когда счетчик фиксирует радиоизотоп или радиоизотоп выступает в роли источника бомбардирующих частиц. Однако это невыгодно: для того чтобы заставить изотопы взобраться по «энергетической горке», нужно гораздо больше энергии, чем та, что выделяется в результате его спускания вниз.
Но возможно ли сделать так, чтобы получаемая энергия была выше затрачиваемой? С одной стороны, можно уменьшить количество потребляемой энергии, если заставить образующийся радиоизотоп образовывать другие радиоизотопы самостоятельно.
Так, в случае попадания нейтрона в ядро углерода–12 при определенных условиях ядро может поглотить нейтрон и испустить два нейтрона. Реакцию можно записать следующим образом:
6C12 + 0n1 → 6C11 + 0n1 + 0n1 (Уравнение 11.2)
или
C12(n, 2n)C11.
Предположим, что каждый из двух нейтронов, выделяющихся при попадании нейтрона в ядро углерода–12, ударит еще по одному ядру углерода–12, — появятся уже 4 нейтрона и так далее. Ядерные реакции происходят менее чем за миллионную долю секунды, таким образом, если количество распадов увеличивается с 2, 4, 6, 16, 32 до нескольких миллионов за миллионную долю секунды, то весь запас углерода–12 смог бы принять участие в ядерной реакции за долю секунды. Углерод–12 очень распространен, а его энергия высвобождается так же быстро, как и энергия полония–212.
Это все равно что спалить целый лес одной спичкой. Энергии спички достаточно, чтобы поджечь один лист, под действием выделяемой при сгорании листа энергии воспламеняются близлежащие предметы и так далее. Ситуацию, когда продукт реакции необходим для продолжения реакции, химики называют цепной реакцией. С помощью (n, 2n)-распада можно было бы вызвать ядерную цепную реакцию.
Однако этот способ не работает. Во всех случаях необходимы очень быстрые нейтроны высокой энергии. Хотя в результате попадания быстрого нейтрона в ядро-мишень углерода–12 два нейтрона и высвобождаются, они по сравнению с ускоренным нейтроном слишком медленные, чтобы вызвать новую реакцию.
Это все равно что пытаться поджечь мокрый лес. Можно зажечь небольшой огонек, но его энергии не хватит для того, чтобы высушить соседние участки дерева и поджечь их; огонек погаснет. Впрочем, все это не так уж и плохо. В воздухе всегда присутствуют свободные нейтроны низкой энергии. Если бы этой энергии было достаточно для возникновения ядерной цепной реакции, то на большей части земной поверхности постоянно происходили бы ядерные взрывы и планет в современном понимании просто бы не существовало. Сам факт существования Земли говорит о том, что (n, 2n)-распад не может вызвать цепную реакцию атомов обычных элементов.
Ситуация не менялась до 1939 года. Хотя физики и знали, что во Вселенной присутствуют колоссальные запасы ядерной энергии, использовать их на практике пока не представлялось возможным. Некоторые даже считали, что способа использовать эту энергию просто не существует. Резерфорд, например, был убежден, что об источнике ядерной энергии можно лишь мечтать. Он умер всего лишь за несколько лет до того, как эту мечту удалось воплотить в жизнь.
Деление ядра
В конце 1930-х годов ситуация с использованием ядерной энергии резко изменилась. Ферми решил, что в результате бомбардировки урана тепловыми нейтронами ему удалось получить элемент 93. В какой-то мере он оказался прав, но он также вызвал и другие ядерные реакции, спутавшие результаты и оставившие ученого в замешательстве.
Другие физики, занимавшиеся этой проблемой, также пребывали в недоумении. В процессе всех изученных до этого ядерных реакций, как естественных, гак искусственных, испускались очень легкие частицы, самой тяжелой из которых была альфа-частица. Поэтому физики полагали, что различные виды радиоактивного излучения бомбардируемого урана принадлежат атомам, чьи размеры лишь ненамного уступают размерам атома урана.
В 1938 году немецкий физик Отто Ган вместе с австрийским физиком Лизе Майтнер обнаружили, что если добавить к бомбардируемому урану соединения бария, то после этого во время любых химических реакций барий проявлял определенные радиоактивные свойства. Так как с химической точки зрения барий очень похож на радий (в периодической таблице радий следует сразу за барием), Ган предположил, что они имеют дело с изотопом радия.
Однако что бы Ган ни предпринимал, он так и не смог отделить предполагаемую бариевую составляющую радия. Не помогли даже обычные способы выделения бария из радия. Постепенно Ган начал понимать, что он имеет дело не с изотопом радия, а с радиоактивным изотопом бария.
Вы только вдумайтесь в это. Атомное число изотопов бария равно 56, что на 32 единицы меньше, чем атомное число атомов урана. Для того чтобы превратиться в изотоп бария, атому урана нужно испустить целый поток из 8 альфа-частиц. Однако во время бомбардировки альфа-частиц это не было обнаружено. Видимо, во время поглощения нейтрона ядро атома урана, грубо говоря, просто-напросто раскалывается на две половинки. Этот процесс называют делением ядра урана или более общим термином — деление атомного ядра, так как делятся не только атомы урана.
В результате деления ядра изотоп съезжает с вершины «энергетической горки» еще дальше, чем в результате обычных ядерных преобразований. В обычных условиях уран распадется до свинца, коэффициент уменьшения массы которого ниже; во время деления ядра уран превращается в барий и криптон, коэффициенты уменьшения массы которых еще ниже.
Таким образом, превращаясь в результате обычных ядерных преобразований в свинец, 1 г урана теряет около ¼ мг массы, в то время как при делении ядра 1 г урана теряет около 1 мг массы. Другими словами, в результате деления каждый грамм урана выделяет в 4 раза больше энергии, чем при обычном преобразовании.
Деление ядра урана легко объясняется с точки зрения модели структуры ядра Бора. Согласно этой модели, ядро представляет собой нечто вроде капли жидкости. В отличие от модели с оболочками, согласно которой нуклоны заполняют различные оболочки и ведут себя определенным образом, по боровской модели атомного ядра они хаотично соударяются, аналогично молекулам в капле жидкости.
Если в такое ядро попадает еще один нейтрон, то ею энергия быстро распределяется между всеми нуклонами, поэтому ни у одного из них уровень энергии не повышается настолько, чтобы он мог вылететь из ядра. Ядро может испустить избыток энергии в виде гамма-луча, однако существует вероятность, что все ядро начнет колебаться, подобно тому как в аналогичных условиях начинает колебаться капля воды. В результате этого ядро может разделиться на два ядра.
Деление ядра урана не всегда идет одинаково. Коэффициент уменьшения массы у ядер среднего размера отличается не сильно, и в одном случае ядро может разделиться в одной точке, а в другом случае — в другой. Как результат, образуется множество различных радиоизотопов в зависимости от того, каким именно образом прошло деление ядра. Все эти изотопы называются продуктами деления. В большинстве случаев ядро делится на неравные части: массовое число большего ядра колеблется в пределах от 135 до 145, а меньшего — от 90 до 100.
В 1948 году среди продуктов деления были обнаружены изотопы элемента 64. Элемент получил название «прометий», поскольку его удалось выхватить из «ядерной топки» так же, как греческому полубогу Прометею удалось выхватить огонь из Солнца.
В результате образования относительно небольших продуктов деления уран превращается в один из элементов, соотношение n/p которых меньше. Для образования ядер продуктов деления нужно меньше нейтронов, чем есть в ядре исходного атома урана, и эти избыточные нейтроны высвобождаются. Поэтому в результате деления ядра каждый атом урана высвобождает два-три нейтрона.
Возникает вопрос. Если в результате деления ядра атом урана испускает больше энергии, чем в результате обычного распада, тогда почему вместо распада не происходит спонтанного деления ядра урана? Скорее всего, для начала деления ядро атома урана должно поглотить небольшое количество энергии, за счет которой оно взберется на «энергетическую горку» и начнет скатываться, то есть необходимо что-то вроде «ядерного зажигания», подобно тому как для возгорания спички необходимо тепло от трения.
Чем выше энергетический порог, тем меньше вероятность того, что ядро сможет набрать необходимое для его преодоления количество энергии обычным способом — в результате хаотичного распределения и перераспределения энергии между субатомными частицами. Таким образом, чем выше «энергетическая горка», тем меньше ядер распадается за отдельно взятый промежуток времени и тем дольше период полураспада.
При делении ядра урана «энергетическая горка» гораздо выше, чем при обычном распаде атомов урана, и именно поэтому, несмотря на то что в результате деления ядра атом урана обретает большую стабильность, распад происходит гораздо чаще.
И все же иногда по совершенно случайному стечению обстоятельств (а не только в результате добавления еще одного нейтрона) ядру атома урана удается преодолеть энергетический порог, и тогда начинается деление ядра урана без участия нейтронов. Самопроизвольное деление атомов урана было обнаружено в 1940 году советскими физиками Флёровым и Петржаком.
Так как энергетический порог деления выше, выше и период его полураспада. В то время как период полураспада урана–238 в результате испускания альфа-частицы около 4 500 000 000 лет, период его полураспада в результате самопроизвольного деления равен 1 000 000 000 000 лет.
Период полураспада в результате самопроизвольного деления атомов трансурановых элементов меньше. Например, период полураспада в результате самопроизвольного деления атомов кюрия–242 равен 72 000 000 лет, а калифорния–250 — всего лишь 15 000 лет.
Глава 12.
ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ
Уран–235
Когда Ган пришел к выводу, что нейтроны запускают процесс деления ядра урана, он не спешил опубликовывать свои умозаключения, так как считал их слишком далекими от истины. В это время его давней партнерше по работе Лизе Майтнер, еврейке по национальности, пришлось, скрываясь от гитлеровского режима, переехать в Стокгольм[139]. Позиция самой Майтнер была не очень ясной, что снижало риск получения «далеких от истины» выводов, и 16 января 1939 года она написала письмо в научный журнал «Нейчер», в котором рассуждала о возможности деления ядра урана.
Нильсу Бору Майтнер объяснила все лично, и тот во время своего визита в США рассказал о делении ядра урана на конференции по физике. Физикам быстро удалось проверить правильность выводов Гана, и деление атомного ядра стало главным открытием года.
Венгерского физика Лео Силарда (1898–1964) особенно заинтересовала возможность ядерной цепной реакции. Он был одним из тех, кто рассматривал эту проблему до открытия деления атомного ядра и даже запатентовал способ вызова такой реакции (оказавшийся, впрочем, нерабочим).
Оказалось, что деление ядра урана можно вызвать и другим способом: под действием тепловых нейтронов малой энергии реакция возникала чаше, чем под действием нейтронов высокой энергии. Образующиеся в процессе деления нейтроны обладали достаточной энергией для продолжения деления ядра. Во всяком случае, скорость движения нейтронов нужно было понизить, что сделать достаточно просто.
К этому моменту Вторая мировая война уже началась, и Силард, сбежав от гитлеровской тирании, понимал, какая угроза нависнет над миром, если фашисты приручат ядерную энергию и научатся использовать ее в военных целях. Вместе с еще двумя физиками, Эугеном Вигнером и Эдвардом Теллером, Силард попытался привлечь интерес правительства США к разработке методов запуска ядерной цепной реакции и управления ею.
Они пришли к выводу, что Альберт Эйнштейн был единственным ученым, кто мог бы убедить далеких от науки людей. С большим трудом, преодолев пацифизм ученого, Силарду все же удалось заставить доброго физика написать президенту Рузвельту письмо на тему разработки нового вида оружия. В 1941 году ученым удалось убедить Рузвельта, и он согласился начать крупномасштабные исследования, целью которых было создание оружия, основанного на делении ядра урана. Приказ был подписан 6 декабря, за день до разгрома Пёрл-Харбора.
Для возникновения ядерной цепной реакции необходимо создать условия, отличающиеся от условий в земной коре. Хотя в земной коре уран и присутствует, атмосферные свободные нейтроны не вызывают в нем цепных реакций и, насколько нам известно, никогда не вызывали.
Причина этого в том, что при делении ядра урана (самопроизвольного или вследствие поглощения нейтрона) высвобождающиеся нейтроны поглощаются соседними атомами. Большинство соседних атомов не являются атомами урана и не участвуют в процессе деления ядра. В результате этого выделяющиеся в результате деления ядра урана нейтроны поглощаются, новые не высвобождаются и цепной реакции не происходит.
Таким образом, в ядерной цепной реакции необходимо использовать чистый уран в форме металла или оксида. Металл состоит из одних лишь атомов урана, и в этом случае велика вероятность, что атом урана поглотит высвобождающийся нейтрон другого атома и реакция примет цепной характер.
Впрочем, это требование выполнить было достаточно сложно. До 1941 года уран особо нигде не применялся, поэтому его получали лишь в небольших количествах. Однако даже этот уран не был достаточно чистым. Как только были сделаны первые попытки получить чистый уран в большом количестве, возникли еще более строгие ограничения.
Сразу после признания возможности деления ядра урана Нильс Бор заявил, что с теоретической точки зрения вероятность ядерного деления урана–235 выше, чем урана–238. Вскоре это было подтверждено экспериментальным путем. Получалось, что заставить делиться атомы обычного, пусть даже и очень чистого, урана очень сложно, так как 993 из 1000 атомов урана были атомами урана–238, ядра которых поглощают нейтрон, не начиная при этом делиться, в результате чего цепная реакция не возникает.
Для того чтобы значительно повысить шансы возникновения ядерной цепной реакции, нужно получить уран с большим, чем в обычных условиях, содержанием урана–235. Для этого нужно произвести разделение изотопов, что в крупных масштабах сделать довольно сложно.
Химические свойства различных изотопов одного и того же элемента практически одинаковы, и единственное различие заключается в том, что атомы более тяжелого изотопа медленнее вступают в реакцию. Ярким примером этого является водород–2, масса которого ровно в два раза больше, чем у водорода–1, благодаря чему разделить их довольно легко. Разница же масс урана–238 и урана–235 составляет всего лишь 1,3%.
Лучшим методом разделения изотопов, массы которых мало отличаются, является пропускание содержащего их газа через пористый материал (рассеивание). Молекулы пройдут сквозь поры, причем молекулы, содержащие более легкие изотопы, сделают это быстрее, чем молекулы, содержащие более тяжелые изотопы.
Таким образом, часть газа, прошедшая сквозь пористый материал первой, будет «обогащенной», то есть с большим, чем обычно, содержанием легких изотопов, в то время как часть газа, вышедшая последней, будет «обедненной», так как концентрация легких изотопов в них меньше, чем обычно. Разница между частями очень невелика, однако процесс можно повторить. Части газа с меньшим содержанием легких изотопов можно объединить и снова рассеять сквозь пористый материал. Если повторять процесс достаточное количество раз, то изотопы окажутся разделенными практически полностью. Чем меньше разница в массе изотопов, тем больше необходимо циклов.
Понятно, что для этого метода рассеивания необходим газ, однако ни сам уран, ни его обычные соединения не являются газообразными. Филип-Хауге Эйблсон предложил использовать гексафторид урана (UF6), не являющийся газообразным веществом при нормальной температуре, однако превращающийся в летучую жидкость уже при 56 °С, а значит, его можно без особых сложностей превратить в газ.
Молекулярный вес гексафторида урана–238 составляет 352, а гексафторида урана–235–349. Разница молекулярных весов всего 0,85%, поэтому процесс рассеивания должен быть действительно длинным. Для этих целей в Оук-Ридж (шт. Теннесси) в начале 1940 года были построены большие сооружения (каскады рассеивания), где UF6 пропускали через огромное количество пористых преград, а части газа разделялись и объединялись автоматически. В итоге с одного конца образовывался обогащенный гексафторид, а с другого — обедненный.
Атомный котел
По мере продвижения работ по очищению и разделению изотопов стало понятно, что даже в идеальных условиях ядерная цепная реакция не возникнет в ограниченном объеме урана. Даже атомы урана–235 могут и не поглотить летящий нейтрон. Нейтрон может просто-напросто оттолкнуться от атома урана. Причем это может повторяться снова и снова и лишь сотый или даже тысячный атом урана–235 поглотит этот нейтрон.
Если в процессе отталкивания от атомов нейтрон вылетает из активной зоны, он потерян. Если вылетит достаточно большое количество нейтронов, ядерная цепная реакция прервется. Чтобы не допустить этого, нужно минимизировать шансы потерять электрон до поглощения его ядром урана с последующим делением этого ядра. Самым простым способом достичь этого является увеличение активной зоны урана, где происходит деление ядер урана. Чем больше размеры активной зоны, тем от большего количества атомов необходимо оттолкнуться нейтрону до вылета за ее пределы и тем выше шанс поглощения нейтрона.
Если активная зона достаточно большая, из нее вылетает лишь небольшое количество нейтронов, не прерывая ядерной цепной реакции, ее размер называется критическим. Меньшие, подкритические, размеры активной зоны недостаточны для возникновения самоподдерживающейся ядерной цепной реакции.
Критический размер не является абсолютной величиной. Он зависит от природы активной зоны, ее формы и т. д. Критический размер активной зоны обогащенного урана меньше, чем у активной зоны обычного урана, так как чем выше концентрация урана–235, тем меньшее количество раз нейтрон оттолкнется от атомов урана до поглощения и тем меньше шанс вылета нейтрона за пределы активной зоны (любого размера).
Опять-таки критический размер можно уменьшить, если использовать вместо нейтронов высокой энергии нейтроны низкой энергии, так как ядерное сечение урана–235 для медленных нейтронов выше, и в этом случае количество отталкиваний будет ниже. Для замедления нейтронов необходимо использовать замедлитель (см. гл. 10), и для этих целей подойдет графит высокой очистки. Графитовый модератор также может служить отражателем нейтронов. Если вокруг активной зоны урана поместить замедлитель, то вылетающие из нее нейтроны будут отражаться от графита и возвращаться обратно. В этом случае критический размер будет еще меньше.
Для управления ядерной цепной реакцией и предотвращения взрыва урановой активной зоны необходимо устройство, противоположное замедлителю по функциям. От атомов замедлителя нейтроны отталкиваются, а нам нужны атомы, которые бы улавливали нейтроны, не отталкивая и не испуская их. У некоторых изотопов кадмия ядерное сечение для нейтронов очень высоко, и из них можно изготовить «регулирующие стержни» для контроля за реакцией.
В конце 1942 года была предпринята первая попытка вызвать первую самоподдерживающуюся ядерную цепную реакцию. Это произошло под трибунами футбольного стадиона Чикагского университета, а руководил всем Ферми (в 1938 году эмигрировавший из Италии в Штаты, но не получивший еще гражданства, почему его и можно считать «врагом»).
К тому времени было налажено производство чистого урана как в форме металла, так и в форме оксида. Такой уран не был обогащенным, поэтому его критические размеры были крайне высокими и для возникновения цепной реакции был необходим очень большой «атомный котел». Название «котел» появилось из чисто визуального сходства: штабель кирпичей из урана, оксида урана и графита очень напоминал котел. Кроме того, термин «котел» был достаточно нейтральным и непонятным для непосвященных. После войны термин «атомный котел» еще какое-то время использовался, после чего был замен на гораздо более подобающий «ядерный реактор».
Размеры первого ядерного реактора составляли 9,1 м в ширину, 9,7 м в длину и 6,5 м в высоту, вес — 1400 т, 52 т которого составлял уран. Слои урана, оксида урана и графита сменяли друг друга, оставляя шел и, куда можно было поместить длинные стержни из кадмия.
Ядерный реактор в Оук-Ридж
Предположим, что во время такой реакции за определенный период делится определенное количество ядер атомов урана (n), высвобождая при этом x нейтронов. Y из этих∙нейтронов либо поглощаются атомами урана, не вызывая деления ядра, либо улавливаются другими веществами, либо вылетают из реактора. Значит, по атомам урана–235 попадает x–y электронов, вызывая деление их ядер. Соотношение (x–y)/n называется коэффициент размножения нейтронов.
Если коэффициент размножения нейтронов меньше 1, тогда во время каждой последующей реакции делится меньше ядер и высвобождается меньше нейтронов. В этом случае цепная реакция быстро прерывается.
Если же коэффициент размножения нейтронов выше 1, тогда во время каждой последующей реакции делится большее количество ядер и высвобождается больше нейтронов. За долю секунды интенсивность цепной реакции становится очень высокой, что приводит к мощнейшему взрыву.
У построенного в Чикагском университете реактора коэффициент размножения нейтронов при задвинутых регулирующих стержнях был намного ниже 1. По мере выдвижения стержней внутри реактора оставалось меньше улавливающего нейтроны кадмия, соответственно больше ядер атомов урана делилось. Коэффициент размножения нейтронов рос.
Можно предположить, что по мере выдвижения регулирующих стержней и роста коэффициента размножения ничего не происходит до тех пор, пока коэффициент не становится чуть выше 1, и тогда котел взрывается вместе с половиной города Чикаго.
К. счастью, этого можно избежать. Практически все (но не все) нейтроны, образующиеся в ходе ядерной цепной реакции, испускаются ядром урана сразу после деления. Это мгновенные нейтроны. Около 0,75% образующихся нейтронов испускаются продуктами деления через несколько минут после деления ядра. Это запаздывающие нейтроны.
Если коэффициент размножения нейтронов выше 1,0075, то количества мгновенных нейтронов вполне достаточно для увеличения интенсивности реакции, что неминуемо приводит к взрыву. Если же значение коэффициента колеблется в пределах от 1,0000 до 1,0075, то для увеличения интенсивности реакции мгновенным нейтронам необходима «помощь» со стороны запаздывающих. Это значит, что в течение очень короткого периода времени интенсивность деления ядер растет медленно. В это время необходимо задвинуть кадмиевые регулирующие стержни для уменьшения интенсивности деления. Автоматические системы управления кадмиевыми стержнями позволяют поддерживать коэффициент размножения в пределах 1,0000–1,0075, не приводя к угасанию реакции или взрыву. Если в автоматической системе управления случается сбой, то кадмиевые стержни сами задвигаются внутрь реактора, прерывая цепную реакцию. Система получается безаварийной, и 25-летний опыт подтверждает безопасность ядерных реакторов при условии, что они грамотно спроектированы.
2 декабря 1942 года в 15 ч 45 мин кадмиевые стержни атомного котла Ферми были вытащены на небольшое расстояние, достаточное для возникновения самоподдерживающейся реакции. Этот день, эту минуту принято считать началом «атомного века». (Даже если бы стержни вытащили целиком, коэффициент размножения нейтронов составил бы всего 1,0006 — вполне безопасный уровень.)
Вашингтону (имеется в виду правительство США. — Пер.) эту новость сообщили шифрованной телеграммой: «Итальянский мореплаватель добрался до Нового Света». Вашингтон задал вопрос: «Как вели себя аборигены?» — и тут же получил ответ: «Очень дружелюбно».
Атомный век
Количество атомных реакторов выросло, выросла и их производительность (по сравнению с самым первым, созданным Ферми, котлом). Сегодня ядерные реакторы есть у многих стран, применяющих их в самых различных областях.
Количество образующихся в процессе деления ядра атома урана нейтронов просто огромно. Их используют для бомбардировки различных атомов и для производства радиоизотопов в количествах, которые в других условиях получить просто невозможно. После Второй мировой войны радиоизотопы появились в достаточном количестве и по довольно низким ценам, в результате чего стали бурно развиваться технологии их применения в биохимических исследованиях, медицине и промышленности.
Ядерные реакторы также можно использовать для производства электроэнергии. Выделяемое реактором тепловое излучение может нагревать какую-либо высококипящую жидкость (например, жидкий натрий), которая, в свою очередь, будет кипятить воду, а образующийся пар — крутить турбину, генерирующую электричество.
В 1954 году США спустили на воду первую ядерную подводную лодку «Наутилус». Ее двигатели вращались за счет электроэнергии, вырабатываемой ядерным реактором, благодаря чему отпадала необходимость часто всплывать для подзарядки батарей. Так как ядерная подводная лодка может находиться под водой длительное время, врагу сложнее ее обнаружить и атаковать.
Спущенный на воду в 1959 году американский корабль «Саванна» стал первым ядерным судном. Его атомные реакторы работали на обогащенном диоксиде урана, а 21 регулирующий стержень был выполнен из поглощающего нейтроны бора.
В середине 1950-х годов были разработаны первые ядерные электростанции для мирных целей. В 1954 году Советский Союз построил небольшую ядерную электростанцию мощностью 50 000 киловатт. Англичане построили электростанцию мощностью 92 000 киловатт и назвали ее «Калдер-Холл». В 1958 году в городе Шиппингпорт (шт. Пенсильвания) начала работу первая «мирная» американская ядерная электростанция.
Главной трудностью при использовании ядерных электростанций (за исключением стоимости, которая с развитием технологии обязана снизиться) является то, что продукты деления ядра урана сами по себе являются радиоактивными.
Более того, эти продукты распада накапливаются в активной зоне урана и мешают дальнейшей работе электростанции. Некоторые из них довольно хорошо поглощают нейтроны, что приводит к прерыванию цепной реакции. Поэтому раз в три года необходимо останавливать ядерный реактор (несмотря на то, что топлива еще предостаточно) и отделять уран от отходов, образовавшихся в результате его деления.
Период полураспада некоторых продуктов деления более 20 лет, поэтому должно пройти не менее века, прежде чем уровень их радиации станет неопасным. Поэтому захоронение радиоактивных отходов нужно проводить с особой тщательностью. Концентрированные соединения заливают бетоном, помещают в стальные ящики и закапывают в землю. В настоящее время разрабатывается технология переплавки продуктов деления с силикатами для получения «стекла». В этом случае будут исключены утечки, а значит, хранить отходы в этом виде гораздо проще.
Продукты деления хранят еще какое-то количество энергии, и на их основе изготавливаются легкие атомные батареи (их еще называют системами вспомогательных ядерных источников питания, или «Снэп»). В таких батареях тепловое излучение, возникающее в результате распада радиоактивного изотопа, используется для нагревания термопары (см. ч. II) и производства электроэнергии.
Первый «Снэп» был построен в 1956 году. С тех пор появилось более десятка его разновидностей. Некоторые из них уже давно применяются для питания искусственных спутников. Батарея «Снэп» весом чуть более килограмма дает 60 Вт и работает в течение 10 лет.
Не любой радиоизотоп подходит для использования в атомной батарее. Он должен иметь период полураспада определенной длины, чтобы его тепловое излучение было не слишком интенсивным; не должен излучать опасные гамма-лучи; должен быть достаточно дешев. Всем этим требованиям удовлетворяет лишь небольшое количество радиоизотопов. Наиболее часто в атомных батареях используют стронций–90, представляющий огромную опасность для человечества (см. ниже).
Мечта о мире, где энергия деления ядер урана дополняет энергетические запасы угля и нефти, несколько омрачается тем, что уран–235 — основное ядерное топливо — встречается в природе довольно редко. Сам по себе уран не такой уж редкий элемент, однако он равномерно распределен по всей земной коре, и его залежи встречают довольно редко. Кроме того, уран–235 составляет лишь небольшой процент всех атомов урана.
К счастью, уран–235 не единственный изотоп, процесс деления ядра которого можно запустить путем бомбардировки нейтронами. Другим таким изотопом является плутоний–239. В природе он встречается редко, однако его можно получить путем нейтронной бомбардировки урана–238. В результате такой бомбардировки вначале образуется нептуний–239, а затем плутоний–239.
Работать с образовавшимся плутонием–239 легко, так как период его полураспада более 24 000 лет, то есть по человеческим меркам он существует вечно. Более того, плутоний-239 является самостоятельным элементом, а не изотопом, урана, поэтому выделить его намного проще, чем уран–235.
Во время Второй мировой войны, для того чтобы выявить возможность деления ядра плутония–239, его буквально собирали по крупицам. Для возникновения в плутоний–239 самоподдерживающейся ядерной реакции достаточно одних лишь быстрых нейтронов. Плутониевые реакторы (быстрые ядерные реакторы) не требуют применения замедлителей и поэтому более компактны по сравнению с обычными ядерными реакторами.
Плутоний–239 можно получить в качестве побочного продукта работы реактора на основе урана–235. Вылетающие из активной зоны урана–235 нейтроны можно использовать для бомбардировки оболочки из обычного урана, окружающей активную зону. Содержащийся в оболочке уран–238 преобразовывается в плутоний–239. В конце концов количество образующегося ядерного топлива превысит количество потребляемого. Такой реактор называется реактором-размножителем (бридерным реактором).
Этот реактор позволяет косвенно использовать уран–238 в качестве ядерного топлива и повышает доступные человечеству запасы ядерного топлива в сто крат.
Открытый Сиборгом и его командой в 1942 году изотоп урана–233 также можно использовать в качестве ядерного топлива. Уран–233 является дочерним изотопом нептуниевого ряда и не встречается в природе. Однако период его полураспада превышает 162 000 лет, что облегчает его использование.
Во время бомбардировки нейтронами торий–232 превращается в торий–233 с периодом полураспада в 22 минуты и, испуская бета-частицу, становится протактинием–233, период полураспада которого составляет 27 дней. Испуская бета-частицу, протактиний–233 становится ураном–233. Поэтому если вокруг ядерного реактора повесить оболочку из тория, то в ней будет образовываться способный к ядерному делению уран–233, который легко можно отделить от тория. Как видите, к общему количеству ядерного топлива на Земле можно отнести и запасы тория.
Несмотря на применение деления атомного ядра и в мирных целях, нельзя забывать, что основной целью проекта 1941 года было создание атомной бомбы. Требовался реактор с максимально возможным коэффициентом размножения нейтронов. Кроме того, бомба должна быть удобоперевозимой, значит, ее критическая масса должна быть максимально малой. Следовательно, нужно использовать либо чистый уран–235, либо плутоний–239.
Для безопасной транспортировки атомной бомбы ее следует разделить на две части, так как в этом случае каждая часть будет иметь докритические размеры. В нужный момент с помощью взрывчатки обе половины «выстреливаются» друг в друга, а содержащиеся в воздухе электроны приведут к немедленному ядерному взрыву.
К 1945 году было получено достаточное количество изотопов урана и плутония для создания трех атомных бомб. 16 июля 1945 года в 5 ч 20 мин утра в Аламогордо (шт. Нью-Мексико) одна из них была взорвана. Успех был полным и ужасающим. Мощность взрыва была эквивалентна 20 000 тоннам (20 кило-тоннам) тротила.
Вторая мировая война в Европе к тому времени уже закончилась, однако война с Японией все еще шла. Было принято решение сбросить две оставшиеся бомбы на Японию. 6 августа 1945 года одна из них упала на город Хиросима, а 8 августа вторая бомба взорвалась над городом Нагасаки. Япония сдалась, и Вторая мировая война окончилась.
Ядерный синтез
Несмотря на все плюсы, у ядерного топлива есть и свои минусы. Уран и торий составляют всего лишь 1,2/100000 часть земной коры. Из этого топлива можно получить примерно в десять раз больше энергии, чем при сгорании всего имеющегося на Земле газа, нефти и угля.
Однако с относительной легкостью можно добыть лишь малую часть этого ядерного топлива. И даже если удастся использовать все это топливо, что делать с растущим количеством опасных ядерных отходов?
Стоит лишь посмотреть в самый конец кривой изменения коэффициента уменьшения массы, как решение напрашивается само. Энергию можно получать не только в результате распада более тяжелых атомов до более легких, но и путем соединения более простых атомов в более сложные. Этот процесс называется ядерным синтезом.
Простейшим примером является преобразование водорода — простейшего элемента — в гелий, ближайший к водороду элемент. Рассмотрим следующую реакцию:
1Н2 + 1Н2 → 2Нe4.
Массовое число одного ядра водорода–2 равно 2,01410, двух — 4,02820. Массовое число обладающего необычно низким коэффициентом уменьшения массы гелия–4 равно 4,00280. Потеря массы составляет 0,0254 из общей массы 4,0282, или 0,63%, в то время как при делении ядра урана потеря массы составляет всего 0,056%. Другими словами, для одного и того же количества вещества при ядерном синтезе выделяется в 10 раз больше энергии, чем при делении ядра.
Люди узнали о ядерном синтезе благодаря небу. В XIX веке после открытия закона сохранения энергии перед физиками встал вопрос о происхождении огромной энергии Солнца. Немецкий физик Герман Гельмгольц (1821–1894) единственным возможным источником энергии Солнца видел силу гравитации и предположил, что солнечное излучение возникает в результате медленного сжатия звезды.
Однако если источником энергии излучения является гравитация, то Земля не просуществовала бы более сотни миллионов лет. Более того, для выделения энергии в результате сжатия в течение сотни миллионов лет Солнце должно было быть гораздо больше по размерам: его радиус равнялся бы орбите Земли.
Открытие радиоактивности позволило взглянуть на проблему по-новому. Гельмгольц и его современники ничего не знали о том, что атомное ядро может служить источником энергии. Со временем было сделано предположение, что солнечное излучение возникает в результате ядерных реакций.
Однако природа этих реакций оставалась неизвестной еще а течение нескольких десятилетий. Ученые уже знали о реакции распада урана и тория и делении ядра урана, однако вряд ли на Солнце происходили эти реакции, так как там мало урана и тяжелых элементов в целом. Кроме того, мощности выделяемой при делении урана энергии просто недостаточно для создания столь мощного излучения.
Действительно, 85% всех атомов Солнца составляет кислород, еще 10% — гелий. Так что если на Солнце и происходят ядерные реакции, то в них участвует водород.
Однако в условиях Земли водород не вступает в ядерные реакции. Условия на Солнце отличаются в основном температурой (температура на поверхности Солнца равна 6000 °С), но это отличие никакой роли не играет.
Дело в том, что еще самые первые эксперименты с ураном и другими естественными радиоактивными веществами показали, что, в отличие от обычных химических реакций, ядерные реакции не подвержены влиянию температуры. Период полураспада радия не меняется ни при низкой, ни ври высокой температуре, а не вступающие в ядерные реакции атомы нагреванием до высоких температур реагировать не заставишь.
Конечно же многое зависит от того, что понимать под «высокой температурой». В начале XX века ученые не умели получать температуру достаточную для того, чтобы два атомных ядра пробили электронные «бамперы» и столкнулись. Впрочем, для этого недостаточно даже температуры Солнца.
Однако английский астроном Артур Стэнли Эддингтон (1882–1944) привел ряд убедительных документов, доказывая, что если Солнце является газообразным объектом, то для того, чтобы оставаться стабильным, температура внутри светила должна быть очень высокой — миллионы градусов Цельсия.
Действительно, при настолько высокой температуре два ядра столкнутся, а немыслимые при обычной температуре реакции станут обычным делом. Ядерная реакция, происходящая при столь высокой температуре, называется термоядерном реакцией (от греч. thermo — «тепло»). Понятно, что источником солнечного излучения являются термоядерные реакции, идущие внутри звезды.
В 1938 году немецкий физик Ханс Альбрехт Бете исключил из списка возможных термоядерных реакций те из них, которые идут слишком быстро и могут привести к взрыву Солнца или же, наоборот, идут слишком медленно и не смогут поддерживать солнечное излучение. В конце концов он остановился на реакции, которая начинается с наиболее широко распространенного на Солнце водорода.
Бете предположил, что водород реагирует с углеродом, в результате сначала образует азот, а в ходе еще нескольких реакций — кислород. Атом кислорода распадается на гелий и углерод, после чего углерод вступает в очередной цикл реакции, а поскольку он не претерпевает изменений, углерод можно считать «ядерным катализатором». Результирующим эффектом этого ряда реакций является преобразование водорода–1 в гелий–4. Позднее были предложены и более короткие цепочки преобразования водорода–1 в гелий–4.[140]
Выделяемой в процессе синтеза гелия из водорода (в присутствии катализатора и без него) энергии вполне достаточно для поддержания излучения Солнца. Конечно же энергия образуется за счет уменьшения массы Солнца. Для поддержания излучения на обычном уровне Солнце теряет 4 200 000 тонн массы каждую секунду, преобразовывая 530 000 000 тонн водорода в гелий–4. Однако запасов углерода на Солнце настолько много, что, хотя оно уже и светит в течение 6 миллиардов лет, еще на несколько миллиардов лет водорода хватит.
Разрабатывая атомную бомбу, ученые научились, пускай и на очень короткий период времени, получать температуры, достаточные для начала ядерного синтеза на Земле. Новое оружие (водородная бомба) должно было обладать настолько чудовищной разрушительной силой, что многие ученые не решались его разрабатывать. Среди них был и Оппенгеймер, которому в 1954 году пришлось поплатиться за это, лишившись расположения политиков и ученых, а также доступа к секретной информации. Наиболее выдающимся среди тех, кто порицал Оппенгеймера и настаивал на продолжении работы над водородной бомбой, был Эдвард Теллер. Он сделал настолько много, что впоследствии получил весьма незавидный титул «отца водородной бомбы».
В 1952 году на Маршалловых островах США провели испытания первой водородной бомбы. Чуть позже свою водородную бомбу разработал Советский Союз, а Великобритания стала третьей ядерной державой. (Франция и Китай обладают лишь атомными бомбами.)
В то время как взрывная сила атомных бомб составляет 20 000 т тротила, успешно прошли испытания водородных бомб мощностью 50 000 000 тонн (50 мегатонн) тротила и более.
Лучевая болезнь
Водородная бомба представляет весьма «разностороннюю» опасность для человечества и жизни на Земле в целом. Мало того что взрыв водородной бомбы, пусть даже и экспериментальный, в мирное время сам по себе в несколько раз мощнее взрыва атомной бомбы, он имеет еще и долговременные и очень коварные последствия, так как образующиеся в результате взрыва продукты сильно облучают живую ткань.
Вскоре после открытия рентгеновского излучения было обнаружено, что в результате длительного воздействия лучей на коже образовывались очень медленно заживающие воспаления и ожоги. Это относится и к излучению радиоактивных веществ. Пьер Кюри специально подверг себя радиоактивному облучению, а затем описал появившиеся позднее симптомы болезни.
В случае поглощения энергии рентгеновских лучей, гамма-лучей или быстрых субатомных частиц в молекуле разрушаются химические связи и образуются молекулярные «осколки» (свободные радикалы) высокой энергии. В случае поглощения субатомной частицы атомом может измениться его природа и соответственно природа молекулы, в состав которой он входит. Если образовавшийся атом радиоактивен, он может испустить частицу, которая разорвет молекулу, даже если та не пострадала до этого.
Подобные химические изменения могут нарушить сложную систему работы клетки и клеточного взаимодействия, в результате чего, например, начнут расти отдельные клетки за счет остальных, что приведет к раку. Особенно подвержены действию радиации кожа, лимфатические узлы и костный мозг, вырабатывающий кровяные клетки. (Вероятность рака кожи увеличивается даже в результате длительного пребывания под ультрафиолетовым излучением.)
В большинстве случаев в результате длительного воздействия радиации развивается лейкемия (белокровие), неизлечимая болезнь с летальным исходом, в ходе которой вырабатывается слишком много белых кровяных телец. Мария Склодовская-Кюри и ее дочь, Ирен Жолио-Кюри, умерли от лейкемии, развившейся в результате длительного воздействия излучений радиоактивных веществ.
Сильное радиационное излучение способно полностью нарушить работу клеток чувствительных тканей, что через несколько недель или месяцев приведет к смерти. Лучевой болезнью страдали все выжившие при взрыве атомных бомб жители Хиросимы и Нагасаки.
Но еще страшнее смерти опасность, которую представляет пострадавшая от излучения клетка для будущих поколений. Может получиться так, что несколько клеток с измененными молекулами не доставят особых хлопот пострадавшему, однако у его будущих детей измененная молекула может присутствовать в каждой клетке, то есть клетки ребенка окажутся мутированными.
Мутации могут происходить самопроизвольно, как следствие естественного фонового излучения (испускаемого содержащимися в земле радиоактивными веществами), пол влиянием космического фонового излучения или же в результате произвольных дефектов при воспроизводстве ключевых молекул. Однако в случае повышения уровня фонового излучения в результате взрывов ядерных бомб количество мутаций возрастает. Большинство мутаций имеют негативные последствия, и если их количество увеличится, то среди людей будет слишком много мутантов.
Были предприняты попытки замерить безопасный для человека уровень радиации.
Единицей излучения является рентген, названный так в честь первооткрывателя рентгеновских лучей. Один рентген (р) — это количество рентгеновских или гамма-излучений, достаточное для образования ионов, равных одной единице электростатического заряда (см. ч. II) в 1 куб. см сухого воздуха при 0 °С и давлении в 1 атмосферу. (Это чуть больше 2 млрд. положительных или отрицательных ионов.)
Вначале рентген применяли только для измерения электромагнитных излучений. Однако частицы высокой энергии обладают действием схожим с обычным излучением, поэтому была сделана попытка применить эту единицу и к радиоактивным излучениям. Физический эквивалент рентгена (ФЭР) — это количество радиации, оказывающей такое же влияние на живую ткань, как и 1 р рентгеновского или гамма-излучения.
Но одно и то же количество радиации оказывает одинаковое влияние не на все живые организмы. Говоря о человеке, стоит ввести понятие «биологический эквивалент рентгена» (БЭР), то есть количество излучения частиц, обладающих тем же действием на живые ткани, что и 1 р рентгеновских или гамма-лучей.
Тяжелые частицы особенно опасны для человека. Поэтому 1 р рентгеновских лучей можно также определить как 1 бэр. Однако 1 р альфа-частиц приравнивается к 10–20 бэр. Другими словами, поглощение одной альфа-частицы для организма по крайней мере в 10 раз вреднее, нежели поглощение ионизирующего излучения (бета-частиц).
Использовать рентгены не всегда удобно, так как они определяют лишь производство ионов, а необходимое для образования ионных пар количество энергии некоторых излучений иногда определить довольно сложно. Поэтому была введена еще одна единица — рад (сокращение от «радиация»), которая определяет непосредственно количество энергии. Один рад — это количество энергии, при поглощении которой поглощающее вещество выделяет 100 эрг энергии на грамм. В большинстве случаев 1 рад равен 1 рентгену.
Фоновое излучение — это излучение, порожденное содержащимися в почве радиоактивными веществами, пришедшее из космоса и т. д. Согласно подсчетам, человек в среднем получает 0,05 бэра в год космического излучения и еще 0,05 бэра в год фонового излучения земли. Кроме того, в теле человека содержится калий–40 и углерод–14, облучающие человека еще 0,025 бэра в год. Таким образом, все мы подвержены общему фоновому излучению около 0,125 бэра в год, существовавшему всегда, в том числе и до зарождения жизни на Земле. Однако в тех частях земного шара, где уровень фонового излучения выше и где особое географическое положение усиливает космическое излучение, уровень фонового излучения достигает 12 бэр.
Конечно же выяснить, какой уровень фонового излучения является допустимым для человека экспериментальным путем, невозможно, однако ученые полагают, что человек может переносить излучение около 500 бэр в год. Среди людей, работающих с радиоактивными веществами, каждую неделю проводятся проверки с целью выяснить, не превысила ли доза поглощенного ими излучения дозволенной безопасной нормы (предположительно, в течение короткого времени, а также в случае облучения отдельных участков тела организм может выдерживать излучение в 500 бэр и более). Для контроля используются, например, специальные значки, прикрепляемые на грудь, которые состоят из полосок фотопленки, помешенной за различными фильтрами, выделяющими только «нужное» излучение. Чем большую дозу излучения получил человек, тем сильнее почернеет пленка.
Излучение в 100 рентген за несколько дней убивает практически любого млекопитающего, однако для полной стерилизации пищи от всех микроорганизмов необходимо излучение в несколько миллионов рентген. Столь мощное излучение в результате ядерных испытаний получить не удалось, а все взрывы ядерных бомб за всю историю атомного оружия подняли уровень фонового излучения на очень маленький процент.
Однако уровень фонового излучения все-таки повысился, поэтому под давлением общественного мнения ядерным державам пришлось выработать соглашение о запрете ядерных испытаний, приводящих к повышению уровня фонового излучения.
Наибольшую опасность представляет термоядерное оружие. Во время взрыва атомной бомбы осколки деления разлетаются не очень далеко и представляют опасность (пусть и страшную) лишь на относительно небольшом расстоянии от эпицентра взрыва. Водородная же бомба намного мощнее атомной, и осколки деления ее атомного взрывателя поднимаются взрывной волной высоко в атмосферу, где могут циркулировать в течение нескольких лет, медленно оседая на всей площади планеты. Наибольшую радиационную опасность для человечества представляет именно выпадение радиоактивных осадков (термин был придуман в 1945 году после взрыва первых атомных бомб).
В опасности выпадения радиоактивных осадков убедились сразу после испытания первой большой водородной бомбы на Маршалловых островах 1 марта 1954 года, когда зараженными оказались 12 500 кв. км.
Самыми опасными осколками деления являются стронций–90 и цезий–137. Период полураспада стронция–90 — 28 дней, а уровень его радиации остается опасным более 100 лет. Так как стронций по своим химическим свойствам идентичен кальцию, стронций–90 попадает в богатое кальцием молоко животных, питающихся зараженной растительностью. Кальций входит в состав костей, и у детей, употребляющих зараженное стронцием молоко, накапливается в них стронций–90. Обмен атомов в костях идет относительно медленно, поэтому у стронция–90 очень длинный период биологического полураспада (то есть даже если тело защищено от дальнейшего заражения, организму понадобится много времени для выведения и половины зараженных атомов). Кроме того, в костях стронций–90 находится в близком контакте с производящими кровь тканями, что также очень опасно.
Период полураспада цезия–137 составляет 30 лет, и он также является опасным осколком деления. Цезий–137 накапливается в мягких тканях, и, хотя период его биологического полураспада короче, атомы цезия–137 испускают внутри тела гамма-лучи, что наносит организму значительные повреждения.
Термоядерная энергия
Понятно, что интерес к процессу ядерного синтеза вызван не только его высокой разрушающей способностью. Если научиться контролировать скорость протекания реакции синтеза, то в обозримом будущем у человечества не возникнет недостатка в энергии.
Преимущество ядерного синтеза перед делением ядра заключается прежде всего в топливе. Для реакции деления ядра необходимы встречающиеся довольно редко металлы — уран и торий, в то время как топлива для ядерного синтеза — водорода — предостаточно. Для человечества было бы очень удобно, если для реакций ядерного синтеза требовался бы наиболее часто встречающийся изотоп водорода–1. К сожалению, для того чтобы реакция синтеза с участием водорода–1 шла с достаточной для полезного действия скоростью, необходимо нагреть его до неимоверно высокой температуры. Даже при температуре внутри Солнца водород вступает в реакции синтеза очень медленно. Излучение Солнца поддерживается на высоком уровне исключительно из-за огромного количества участвующего в реакции водорода. (Более того, если бы скорость реакции синтеза водорода–1 была выше, Солнце и все остальные звезды взорвались бы.)
Водород–2 (дейтерий) вступает в реакцию синтеза при более низкой температуре, а водород–3 — при еще более низкой. Однако водород–3 очень нестабилен, поэтому нужное его количество собрать сложно. Значит, в качестве топлива остается один лишь водород–2.
Реакция слияния двух атомов дейтерия может с равной вероятностью идти по двум направлениям:
H2 + H2 → He3 + n1 и
H2 + H2 → H3 + H1.
В последнем случае образующийся Н3 быстро реагирует с Н2:
Н3 + Н2 → Не4 + n1.
Поэтому реакция в конечном счете выглядит так:
5Н2 → Не3 + Не4 + Н1 + 2n1.
Энергия, образующаяся в результате слияния ядер пяти атомов дейтерия (назовем их «квинтетом дейтерия»), равна 24,8 Мэв.
А так как 1 Мэв равен 1,6∙10–6 эрг, в результате слияния квинтета дейтерия выделяется 4,0∙10”5 эрг.
В одной грамм-молекуле водорода–2 содержится 6,023∙1028 атомов. Так как грамм-молекулярный вес водорода–2 равен 2 г, в 1 г водорода–2 содержится 3,012∙1028 атомов. Разделив это число на 5, получаем 6,023∙1022 квинтетов дейтерия в 1 г водорода–2. Общая энергия, выделяемая в результате полного синтеза 1 г водорода–2, равна 2,4∙1018 эрг. В одной килокалории 4,186∙1010 эрг, значит, в результате полного синтеза 1 г водорода–2 выделяется 5,7∙107 килокалорий.
Из 7000 атомов водорода только один является атомом водорода–2. При условии, что этот единственный атом весит в два раза больше, чем остальные 6999, в 1 л воды, весящем 1000 г, содержится 125 г водорода, 43 мг которых являются атомами водорода–2. Получается, что в результате синтеза всего содержащегося в 1 л воды водорода–2 высвобождается 2,5∙106 килокалорий.
Это означает, что в результате синтеза водорода, содержащегося в 1 л воды, выделяется столько же энергии, сколько выделяется при сгорании 300 л бензина.
Учитывая огромные размеры Мирового океана (из вод которого можно легко получать водород–2), запасы водорода–2 на Земле составляют около 80 000 куб. км. Из этого количества водорода–2 можно получить столько же энергии, сколько выделяется при сгорании бензина, объем которого в 450 раз превышает объем земного шара.
Очевидно, что, если найти безопасный способ «приручить» реакцию синтеза и использовать ее на практике, человечество будет обеспечено энергией на многие миллионы лет вперед. И довершает эту картину беззаботного будущего тот факт, что продуктами реакции синтеза водорода–2 являются безопасные и стабильные водород–1, гелий–3 и гелий–4 плюс несколько легко поглощаемых нейтронов.
Единственной загвоздкой на пути к раю является то, что для начала реакции синтеза водород–2 нужно нагреть до 100 000 000 °С. Эта температура намного выше температуры внутри Солнца (15 000 000 °С), но у Солнца есть одно преимущество: водород там находится под очень высоким, недостижимым в земных условиях давлением.
На Земле любой газ, нагретый до такой температуры, просто расширится до ненасыщенного пара и тут же охладится. На Солнце этого не происходит из-за его огромной массы, вызывающей силу притяжения, достаточную для удержания газов даже при 15 000 000 °C.
На Земле столь мощной силы притяжения достичь конечно же невозможно, поэтому для удержания газа нужно использовать какие-то другие методы. Контейнер не подойдет, так как любой газ при контакте со стенками сосуда тут же охладится… или расплавит контейнер. Невозможно одновременно нагревать газ до необходимой для начала синтеза температуры и удерживать его сосудами из твердых веществ.
К счастью, существует и другой метод. С повышением температуры атомы «снимают» свои электроны и газ распадается на заряженные частицы: отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ядра. Вещество, состоящее из электрически заряженных частиц, а не из целых атомов, называется плазмой.
Физика плазмы привлекла интерес ученых в основном из-за возможности управления термоядерным синтезом. Однако сегодня становится ясно, что большая часть Вселенной состоит из плазмы. Плазмой являются, например, звезды. На Земле плазма также встречается: шаровая молния — не что иное, как плазма, на время ставшая стабильной. Плазма присутствует и в искусственных устройствах, например в неоновых лампах.
Состоящей из заряженных частиц плазме с помощью магнитного поля можно придать форму «нематериального» контейнера. Сегодня физики делают попытки создать магнитное поле, способное достаточно долго удерживать плазму в стабильном состоянии, и нагреть ее до необходимой для начала термоядерной реакции температуры. Согласно подсчетам, при использовании газа, плотность которого при нормальной температуре составляет всего лишь 1/100 плотности атмосферы, оказываемое на магнитное поле давление в критической точке в момент начала термоядерной реакции составит 100 атмосфер.
Требования довольно строги, и ученым пока не удалось добиться успехов. За минувшие десятилетия удалось получить температуру 20 000 000 °С и создать магнитное поле, способное выдержать необходимое давление. К сожалению, одновременно поддерживать нужное давление и температуру удается только в течение одной миллионной доли секунды, а для начала первой искусственно управляемой реакции термоядерного синтеза, согласно подсчетам, необходимо поддерживать температуру и давление в течение хотя бы одной десятой доли секунды.
Насколько известно, на пути к достижению не стоит никаких препятствий, нужно лишь время.
Глава 13.
АНТИЧАСТИЦЫ
Космические лучи
Итак, пока в нашем с вами атомном мире живут лишь электроны, протоны и нейтроны, однако даже с помощью лишь этих частиц мне удалось многое вам объяснить. В начале 1930-х годов эти частицы были единственными известными субатомными частицами. С помощью электронов, протонов и нейтронов очень легко было объяснить устройство Вселенной в целом, и ученые надеялись, что больше никаких субатомных частиц не существует. Однако некоторые теоретики предположили существование и других типов частиц, которые и были обнаружены в бомбардирующем Землю излучении из космоса. Об этих излучениях мы сейчас и поговорим.
В начале XX века физики занимались поисками новых видов излучений. Открытие радиоволн, рентгеновских лучей и разнообразных радиоактивных излучений заставило ученых, так сказать» повысить чувствительность к этому феномену[141].
Тем не менее самое знаменательное открытие в данной области было сделано при попытке исключить излучение, а не обнаружить его. Использующийся для обнаружения проникающего излучения электроскоп с золотыми листками (см. гл. 7) работал слишком уж хорошо. В 1900 году несколько ученых, среди которых стоит отметить Вильсона (изобретателя камеры Вильсона), обнаружили, что электроскоп медленно терял свой заряд, даже когда поблизости не было радиоактивных веществ. Наиболее вероятным объяснением этого явления казалось то, что в почве повсеместно присутствуют небольшие количества радиоактивных веществ, порождающие паразитные излучения.
Однако было обнаружено, что, даже если вывезти, электроскоп далеко в море или, еще лучше, закрыть экраном из металла, непроницаемого для известных излучений и не испускающего проникающих излучений, потеря заряда электроскопом хотя и замедлялась, но не останавливалась.
В конце концов в 1911 году австрийский физик Виктор Гесс (1883–1964) сделал решающий шаг: он поднял электроскоп на несколько километров вверх на воздушном шаре. Воздушная прослойка послужила экраном от слабых излучений земной поверхности. К его удивлению, скорость разряда электроскопа не только не понизилась, но и, наоборот, резко возросла. Последующие запуски шаров с электроскопами на борту подтвердили это, и Гесс заявил, что, какова бы ни была природа нового излучения, оно исходило из космоса, а вовсе не с Земли.
Роберт Милликен (измеривший заряд электрона) сыграл ведущую роль во время самых первых исследований этого нового излучения и в 1925 году предложил назвать их космическими лучами, так как они исходили из космоса.
Проникающая способность космических лучей выше, чем рентгеновских, и Милликен выяснил, что они являются формой электромагнитного излучения, длина волны которого короче, а частота — выше, чем даже у гамма-лучей. Физики предположили, что это излучение является потоком частиц. Так как излучение исходило из космоса, появлялся способ выяснить, является ли оно потоком частиц или же электромагнитным излучением. Если космические лучи являются электромагнитным излучением, то они будут падать равномерно на всю поверхность Земли (в том случае, если они приходят со всех сторон) и электромагнитное поле Земли не окажет на них никакого влияния.
Если же космические лучи являются потоком заряженных частиц, они будут отклоняться магнитными линиями Земли, причем частицы, энергия которых меньше, будут отклоняться сильнее. В этом случае ближе к магнитным полюсам концентрация космических лучей будет усиливаться, а на магнитной экватор они падать практически не будут.
В 1920-х годах американский физик Артур Комптон (1892–1962) занимался изучением этого широтного эффекта. В начале 1930-х годов ему удалось доказать, что широтный эффект действительно существует, а космические лучи являются потоком частиц, а не электромагнитным излучением. Поэтому можно смело говорить о космических частицах.
В 1930 году итальянский физик Бруно Росси высказал предположение, что раз космические лучи являются метельчатыми по своей природе, то магнитное поле должно отклонять их на восток, если космические частицы обладают положительным зарядом, то есть больше космических лучей будет падать с западной стороны, и наоборот, если космические частицы заряжены отрицательно.
Для подтверждения существования этого эффекта недостаточно просто обнаружить появление космической частицы, нужно определить направление, откуда она появилась. Для этого был использован разработанный немецким физиком Вальтером Боте (1891–1957) счетчик совпадений. Такой счетчик состоит из двух и более счетчиков Гейгера, установленных на одной оси. Когда вдоль этой оси движется космическая частица, она проходит сквозь все счетчики. Электрическая цепь построена таким образом, что частица будет зафиксирована и посчитана только тогда, когда она пройдет сквозь все счетчики (прочем скорость быстрой частицы настолько высока, что для прохождения сквозь все счетчики ей требуется одно мгновение). Направляя ось счетчиков в разные стороны, получим «телескоп для космических лучей».
На оси счетчиков также можно поместить камеру Вильсона и настроить электрическую цепь так, чтобы при обнулении счетчиков камера расширялась. Капли расширяющейся камеры Вильсона «поймают» недолго существующие нейтроны. А если к цепи подключить еще и фотокамеру и настроить ее так, чтобы при каждом расширении она автоматически делала снимок, то космическая частица сама себя сфотографирует.
В 1935 году американский физик Томас Джонсон с помощью счетчика совпадений доказал, что с запада приходит больше космических лучей, чем с востока. Ученые решили, что космические частицы обладают положительным зарядом.
Пониманию подлинной природы космических частиц мешал тот факт, что многие из них не долетали до поверхности земли, ударяясь о то или иное атомное ядро в атмосфере, в результате чего происходили ядерные реакции и появлялось вторичное излучение очень высокой энергии. Часть этого излучения состоит из нейтронов, которые могут в результате (n, p)-реакции с азотом–14 образовывать углерод–14 или же, выбивая из азота–14 ядра трития (Н3), образовывать углерод–12 в результате (n, t)-реакции. Эти ядра трития и являются источником небольшого количества существующего на Земле H3.
Космические лучи вызывают и другие явления, которые невозможно воспроизвести в лабораторных условиях, так как человечество пока еще не научилось ускорять частицы до скоростей космических частиц с наиболее высокой проникающей способностью. Современные ускорители способны разгонять частицы более чем до 30 млрд. электрон вольт, в то время как космические частицы обладают энергиями в миллиарды миллиардов электронвольт.
Столь высокая энергия сверхбыстрых частиц вызвана, с одной стороны, их большой массой, а с другой — высокой скоростью, которая приближается к предельной скорости, то есть скорости света в вакууме. Когда такие быстрые частицы проходят сквозь прозрачные вещества (воду, слюду, стекло), их движение практически не замедляется. Сам же свет, наоборот, тормозится этими веществами очень сильно — обратно пропорционально коэффициенту преломления (см. ч. II). Таким образом, в некоторых веществах заряженная частица перемещается быстрее, чем свет, но ее скорость никогда не превышает скорость света в вакууме.
Такая «сверхсветовая» частица отбрасывает контровое излучение, аналогично тому, как сверхзвуковая пуля отбрасывает назад конус звуковых волн. Это явление было обнаружено в 1934 году советским ученым Павлом Алексеевичем Черенковым (1904–1990) и получило название черепковское излучение.
По длине волны черенковского излучения, его яркости и направлению можно определить массу, заряд и скорость движущейся частицы. В конце 1940-х годов американский физик Иван Геттинг предложил схему черенковского счетчика, позволяющего по излучению выделять частицы высокой энергии из потока обычных частиц. Черенковские счетчики дали ученым массу сведений о быстрых частицах.
В 1940-х годах началось исследование космического излучения с помощью высотных шаров и ракет. На больших высотах удалось зафиксировать первичное излучение, то есть сами космические частицы, а не излучения, появляющиеся в результате столкновения космических частиц и атомных ядер. Оказалось, что большая часть (около 80%) космических лучей являются частицами очень высокой энергии, а большая часть остальных — альфа-частицами. Около 2,5% составляют ядра более тяжелых элементов, вплоть до железа.
Все это указывало на то, что космические частицы являются голыми ядрами основного вещества, из которого состоит все во Вселенной. Элементы космических лучей содержатся в пропорции, схожей с пропорцией элементов внутри большинства звезд, например Солнца.
В действительности Солнце является одним из источников космических частиц. Мощные солнечные вспышки приводят к образованию космических лучей, падающих на Землю. Однако Солнце — не единственный и далеко не самый мощный источник космических лучей, так как иначе они падали бы на Землю исключительно со стороны Солнца, а этого не происходит. Более того, энергия испускаемых Солнцем космических частиц сравнительно невысока.
Встает вопрос: каким образом космические частицы получают свою огромную энергию? В результате ядерных реакций не выделяется такого количества энергии. Даже при полном переходе массы в энергию энергия космических лучей все равно выше.
Предположим, что космические лучи являются протонами и ядрами других элементов пусть высокой, но не необыкновенно высокой энергии. Эти частицы разгоняются каким-либо естественным ускорителем «космического масштаба». Магнитные поля солнечных пятен могут разгонять частицы до средних скоростей. Звезды с более интенсивными магнитными полями или даже общее магнитное поле галактики способны ускорять частицы и до более высоких скоростей.
Галактику в этом отношении можно рассматривать как гигантский циклотрон, по которому вихрем проносятся протоны и атомные ядра, набирая энергию и двигаясь по расширяющейся спирали. Если они не сталкиваются с каким-либо материальным объектом, то через некоторое время уровень их энергии возрастает настолько, что они покидают галактику.
Земля прерывает разгон этих частиц. Самыми быстрыми частицами, скорее всего, являются частицы, прилетевшие к нам из других галактик. Возможно,, что некоторые галактики с необыкновенно интенсивными магнитными полями могут ускорять космические частицы до больших скоростей, чем наши, и могут являться важными источниками самых быстрых частиц. Однако обнаружить такие галактики пока не удалось.
Позитрон
Давайте вспомним, какие микрочастицы были известны в начале 1930-х годов, когда ученые впервые заговорили о природе космического излучения. Итак, были конечно же протоны, нейтроны и электроны, кроме того, была еще безмассовая «частица» фотон, формирующая электромагнитное излучение.
Фотон позволяет не утруждать себя размышлениями о действии электромагнитного излучения на расстоянии (см. ч. 11) и дает почву для обоснования еще одного действующего на большом расстоянии явления — гравитации.
Некоторые физики полагают, что гравитационное взаимодействие включает в себя испускание и поглощение частиц, которые они называют гравитонами. Гравитоны, как и фотоны, считаются безмассовыми частицами, распространяющимися, как и все безмассовые частицы, со скоростью света.
Однако гравитационная сила невероятно слабая. Например, сила электростатического притяжения между протоном и электроном в 1040 раз превосходит силу гравитационного притяжения между ними. Соответственно гравитон намного слабее среднего фотона, причем настолько, что его так и не удалось обнаружить, и вряд ли это удастся в ближайшем будущем. Тем не менее, допуская его существование, можно составить полную картину Вселенной.
В табл. 13 представлены все эти пять частиц и даны некоторые их свойства. (Свойства гравитона предсказаны, а не измерены практическим путем.)
Таблица 13.
Дата: 2019-07-24, просмотров: 237.
