Текст книги "Удивительная физика"

Почем килограмм энергии?

Речь пойдет о столь необычных вещах, что они с первого взгляда покажутся сказкой. Что больше весит – чайник с горячей водой или с таким же количеством холодной? Неподвижный маховик или вращающийся? Вопросы эти имеют прямое отношение к теории относительности, связанной с именем А. Эйнштейна (1879—1955), важны они и для ядерной энергетики.

Да, горячий чайник весит (вернее, имеет массу) больше холодного. Да, вращающийся маховик с накопленной в нем энергией имеет массу больше неподвижного. Потому что добавочную массу дает… энергия, заключенная в горячем чайнике и вращающемся маховике! Сколько же весит энергия? Если разогнать ракету до скорости 10 км/с, то прибавка в массе будет примерно на десять порядков меньше массы самого тела в покое. Да ракету в полете и не взвесишь! Можно взвесить вращающийся маховик, но он способен иметь окружную скорость, лишь раз в 10 меньшую, чем ракета, и прибавки в его массе не заметят даже самые чувствительные весы.

Но все меняется, если тело разогнано до больших, близких к свету, скоростей. Электрон, например, можно разогнать до скорости, которая лишь на 35—40 км/с меньше скорости света; масса электрона при этом возрастает в 2 000 раз и становится даже больше массы неподвижного протона. Но до скорости света никакое тело нельзя разогнать, потому что для этого потребуется бесконечно большое количество энергии, да и само тело «вберет» в себя массу всей Вселенной, оно станет телом бесконечно большой массы! Поэтому и нельзя реально это сделать.

Только «частица света», или фотон, может мчаться со скоростью света. И то потому, что в покое фотон ничего не весит, или имеет массу покоя, равную нулю. А вот в разогнанном виде фотон имеет вполне конкретную массу. Она, правда, очень мала. Так, например, «частичка» – фотон зеленого света имеет энергию 4 х 10 – 19 Дж, и это соответствует массе всего в 4,4 х 10 – 36 кг!

В миллиграммах это, конечно, было бы побольше, но сейчас массу принято измерять в килограммах. Этот фотон имеет массу почти в 200 000 раз меньшую, чем электрон! Правда, с уменьшением длины волны масса фотона растет, и у гамма-лучей она может приблизиться к массе электрона, но все равно это очень мало!

К слову, несмотря на такую ничтожность энергии и массы, человек способен воспринимать уже несколько, всего 3 – 4 кванта, или фотона света. Трудно представить, что глаз может быть таким чувствительным прибором, даже гордость берет за наше зрение!

Ну а почем будет 1 кг энергии? Это очень легко вычислить по формуле Эйнштейна:

E = mc 2,

Где т – масса энергии, кг; с – скорость света в вакууме, или 3 · 108 м/с.

Итого получается, что 1 кг энергии эквивалентен 9 х 1016 Дж. Много это или мало?

Если 1 кг бензина, сгорая в 15 кг воздуха, выделяет 46,1 х 106 Дж, то 1 кг чистой энергии соответствует примерно 32 000 000 т бензо-воздушной смеси! Впечатляет, не правда ли? Такой энергией, если взорвать эту смесь, можно стереть с лица Земли крупный мегаполис. Вот почем кило энергии!

Как же ее выделить? Теоретически очень просто: нужно соединить соответствующее количество частиц с античастицами, например, электронов с позитронами или протонов с антипротонами. Можно даже соединить атомы вещества с атомами антивещества (например, водород с антиводородом) и получить аннигиляцию, или просто уничтожение вещества с образованием фотонов, или лучистой энергии. Желательно только не проделывать этого опыта самостоятельно, так как свет, полученный при этом, может быть очень ярок!

Шутка, конечно, потому что получить античастицы или антиматерию, хотя и можно, но очень сложно и дорого. Пока, по крайней мере. А чтобы получить более скромные количества энергии, уничтожая вещество, можно использовать атомную или термоядерную энергию. Проще всего это сделать в атомных или термоядерных бомбах.

Рис. 297. Принципиальная схема атомной бомбы:

1 – отражатель нейтронов; 2 – устройство для запала с задержкой; 3 – заряд взрывателя

Атомная бомба (рис. 297) представляет собой толстостенный стальной сосуд, в котором раздельно находятся два или более куска урана-235 или плутония-239. При поджигании запала заряд обычного взрывчатого вещества взрывается и быстро сближает куски урана или плутония, так что их суммарная масса становится больше так называемой критической. Если масса меньше критической, то образовавшиеся в ней нейтроны запала с задержкой вылетают из куска металла, так и не вызвав цепной реакции деления остальных ядер. Но если масса, например, урана-235 оказывается больше критической, или равной примерно 50 кг, то нейтроны достигают своей цели, разрушают остальные атомы, и наступает цепная реакция. Эту-то реакцию мы называем атомным взрывом и хорошо представляем ее по многочисленным фотографиям и телепередачам. Из 50 кг урана-235 только 1 кг ядер испытывают деление, но и при этом выделяется 8,4 х 1013 Дж энергии, что эквивалентно взрыву 20 000 т тринитротолуола.

Сравним с энергией аннигиляции 1 кг вещества и найдем, что последняя примерно в 1 000 раз больше; следовательно, при взрыве атомной бомбы с массой урана в 50 кг, только 1 г вещества уничтожится, перейдя в энергию. А сколько бед может принести этот грамм вещества!

Не следует думать, что 50 кг урана – это очень много. Уран – достаточно тяжелый металл, немногим легче золота, и эта его масса умещается в шаре радиусом 8,5 см!

Более мощным источником энергии служит так называемый термоядерный процесс, или процесс слияния, синтеза ядер. Например, можно образовать одно ядро гелия (два протона, два нейтрона) путем слияния ядер тяжелого водорода (дейтерия) и сверхтяжелого его изотопа (трития). При таких реакциях синтеза 1 кг массы выделяет примерно в 10 раз больше энергии, чем при реакции деления, например, урана. Главное, что здесь нет критической массы, и количество дейтерия и трития может быть как угодно велико. То есть разрушительная сила термоядерной бомбы теоретически не имеет пределов.

Рис. 298. Принципиальная схема термоядерной (водородной) бомбы: 1 – атомная бомба; 2 – заряды

Схема термоядерной бомбы показана на рис. 298. Она имеет прочнейшую металлическую оболочку, в которой помещаются вещества, содержащие дейтерий и тритий. В качестве запала здесь – атомная бомба 1, состоящая, как и положено, из кусков урана или плутония, вместе составляющих критическую массу. Сближают эти куски заряды 2. При взрыве атомного запала развивается температура в миллионы градусов, при которых и происходит реакция синтеза. Прочный корпус бомбы необходим для того, чтобы активное вещество бомбы успело прореагировать, и его не раскидало вокруг в самом начале взрыва.

Ну а если энергию нужно получить не в виде взрыва, а постепенно, используя ее, например, для получения электроэнергии? С термоядерной энергией, наиболее емкой и безопасной с точки зрения радиоактивного заражения, пока дела обстоят неважно: денег и сил истрачено столько, сколько уже хватило бы, чтобы полностью освоить другие виды экологической энергии – ветра, солнечную или глубинного тепла Земли. Но пока задача людям не под силу.

Атомная же энергия давно служит для получения электроэнергии, причем в некоторых странах атомными электростанциями получают большую часть электроэнергии.

Устройство, в котором поддерживают управляемую реакцию деления ядер, называется атомным, или ядерным, реактором (рис. 299). Основными элементами атомного реактора являются: ядерное горючее, замедлитель нейтронов (вода тяжелая или обычная, графит и т. д.), теплоноситель для вывода тепла, образующегося при работе реактора (вода, жидкий натрий и др.), и устройство для регулирования скорости реакции (вводимые в рабочее пространство реактора стержни, содержащие кадмий или бор – вещества, которые являются хорошими поглотителями нейтронов).

Рис. 299. Принципиальная схема ядерного реактора:

1 – отражатель; 2 – регулирующие стержни; 3 – турбина; 4 – генератор; 5 – конденсатор; 6 – парогенератор

Уменьшение скорости нейтронов, которое происходит при столкновении их с ядрами замедлителя, выгодно потому, что вероятность захвата медленных нейтронов ураном с сотни раз больше, чем быстрых. Лучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода. Обычная же вода сама в значительном количестве захватывает нейтроны и превращается в тяжелую воду. Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов.

Возможны реакторы, работающие без замедлителя на быстрых нейтронах, что очень существенно при использовании реакторов в качестве источников энергии на судах или подводных лодках. Однако в реакторах на быстрых нейтронах не может быть использован в качестве горючего естественный уран, обогащенный изотопом 235. Реакторы же на медленных нейтронах могут работать и на естественном уране.

Управление реактором осуществляется вдвиганием и выдвиганием стержней. Вдвигая стержни реактора полностью, можно вообще приостановить цепную реакцию. Но это теоретически.

Опыт эксплуатации атомных реакторов показал, что вопрос использования атомной энергии неоднозначен. Безусловно, атомная энергия оказывается дешевле и, при отсутствии аварий, экологичнее, например, энергии, полученной на угольных электростанциях. Но цепная реакция относится к числу тех редчайших процессов, которые никогда не реализовывались в природе, по крайней мере, на Земле. Поэтому к последствиям таких процессов живая природа пока не приспособилась, и в том их опасность.

Авария в Чернобыле 26 апреля 1986 г., вызвавшая много споров о ее причинах, привела к гибели большого количества людей и радиоактивному заражению обширных территорий. Последствия этой катастрофы будут сказываться еще десятки и сотни лет, так как некоторые из радионуклидов, разбросанных по территории (например, стронций, плутоний), имеют большие периоды полураспада. Поэтому перспективы ядерной энергетики, по-видимому, должны быть пересмотрены по сравнению с весьма оптимистическими, существовавшими до 1986 г.

Вот вам и ответ на вопрос: «Почем килограмм энергии?»

«ГРОЗОВАЯ МАТЕРИЯ» – ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Янтарь против стекла?

С древних пор существовало одно непонятное заблуждение – люди отождествляли янтарь и магнит. Казалось бы, что общего между куском окаменевшей смолы доисторических деревьев, горючей и прозрачной, материалом для украшений, и совершенно не похожим на него магнитом?

Причиной этого служила их общая способность притягивать предметы. Свойство янтаря притягивать мелкие и легкие предметы впервые было описано знаменитым греческим философом Фалесом из города Милета. Дочь философа заметила, что к ее янтарному веретенцу так и липнут всякие мелкие ниточки и легкие частички мусора. Причем, если их, счищая, отбрасывать, то они снова стремительно летят к янтарю.

Вероятно, каждый из нас тоже наблюдал, как морозной зимой в хорошо отапливаемой квартире, когда воздух особенно сух, волоски, нитки и другой легкий мусор просто невозможно очистить от одежды. Но стоит выйти на улицу – и прилипшие частички тут же отпадают сами. Сейчас все знают, что это притяжение вызвано статическим электричеством, тем самым, которое накапливается и в янтаре, натертом шерстью. Поэтому принято считать, что первые наблюдения электрических явлений стали достоянием человечества с появлением трудов Фалеса Милетского.

Но и до работ Фалеса многим народам было известно свойство натертого янтаря притягивать к себе предметы. Это следует хотя бы из названия янтаря: ведь «электрон» – «янтарь» по-гречески – означает «притягивающий к себе, увлекающий»; «кавуба» – то же по-персидски и т. д. Справедливости ради заметим, что греческое «электрон» означает также «блестящий металл», например, золото, которое, конечно же, и притягивает к себе, и увлекает… Сейчас выпускают даже сплав с названием «электрон» на основе металла магния, и не надо его путать ни с янтарем, ни с электроном-частицей. Из греческого названия янтаря и происходит слово «электричество». Английский ученый Вильям Гильберт (1544—1603), отец магнетизма, как его называли, был тем человеком, который впервые установил электрическую природу притяжения янтарем. Он же ввел в науку и само слово «электрика».

В. Гильберт всеми силами боролся с теми, кто считал янтарь и магнит близкими друг к другу; он решительно утверждал, что притяжение магнита и натертого янтаря – совершенно разные явления. Ученый ставил множество опытов, натирая самые различные материалы и испытывая их свойство притягивать.

Прежде всего было установлено, что одни вещества обладают этим свойством, другие нет. Первые из них Гильберт назвал электриками. К ним он отнес: янтарь, гагат (плотный и блестящий каменный уголь), алмаз, сапфир, карбункул, разновидности кварца, аметист, опал, берилл, камедь, стекло, серу, сургуч и несколько других веществ, действие которых слабее. А ко вторым, названия которым он не дал, причислил: жемчуг, агат, яшму, халцедон, коралл и, главное, все металлы.

При этом было обнаружено, что натертые электрики притягивают все без исключения предметы, как твердые, так и жидкие, – металлы, дерево, камни, землю, воду и растительное масло, а не только сухую мякину и соломинки (как это считалось раньше). А ведь считалось, что янтарь, например, совершенно не притягивает листьев растения базилика, и это Гильберт сурово осудил как «лживые и постыдные россказни».

Кроме того, совершенно не вязалось с магнетизмом, что янтарь не только притягивает предметы, но в некоторых случаях и отталкивает их по непонятным причинам.

Особенно ценно то, что Гильберт отнес к электрикам и стекло. Этот практичный и дешевый материал был в дальнейшем широко использован для постройки электростатических машин, которые сейчас имеются в каждой школе.

Автор часто проделывал в детстве увлекательнейший опыт по электризации стекла, который вычитал из старого, дореволюционного учебника по физике Ф. Цингера 1905 г. издания. На книги толщиной 3 – 4 см кладут стекло, а под него на стол насыпают мелкие кусочки бумаги. Иной раз эти кусочки вырезают в форме прыгунов, балерин, зверей. Стекло энергично растирают сухим кулаком или куском замши, и, если воздух в комнате достаточно сух, через пару минут бумажки-прыгуны под стеклом начинают подлетать вверх, прилипать к стеклу, падать, снова подскакивать и так до тех пор, пока натирают стекло (рис. 300). Тот, кто проведет этот опыт самостоятельно, получит большое удовольствие!

Рис. 300. Электрический «театр» бумажных прыгунов

Но тут выяснилось, что «противоречия» имеются не только между янтарем и магнитом, но и между электриками тоже.

Французский ботаник Шарль Дюфе, как и древние ученые, заметил, что некоторые предметы притягивались к натертому янтарю, но одновременно отталкивались от натертой, т. е. наэлектризованной, стеклянной палочки. Самое удивительное было то, что одни и те же тела могли отталкиваться от янтаря и притягиваться к стеклу! Не в состоянии никак объяснить это явление, Дюфе предположил, что существуют два вида электричества. Один из них, возникающий при натирании янтаря (застывшей смолы) Дюфе назвал «смоляным», а другой, связанный с натиранием стекла, – «стеклянным». Ученые повторили опыты Дюфе и вынуждены были согласиться с ним, хотя и не поняли, как это одни и те же явления вызываются разными видами электричества.

И вот знаменитый американский физик (он же известный политический деятель США – его портрет вы можете видеть на 100-долларовой банкноте) Бенджамин Франклин (1706—1790) ставит свой опыт, позволивший решить этот запутанный вопрос. Опыт состоял в следующем.

Два человека, находящиеся друг напротив друга, изолировались от пола не проводящими ток восковыми пластинками. Затем один из них получал заряд электричества, натирая стеклянную трубку, а потом эту трубку брал другой человек и снимал с нее заряд на себя. При этом оказывалось, что оба участника опыта наэлектризовались разными видами электричества, хотя стекло могло производить лишь один его вид. При прикосновении друг к другу участников между ними пробегала искра, и заряд исчезал совсем.

Франклин объяснил это явление так. Тело, содержащее «стеклянное» электричество, заряжено избытком некоторой материи (или, по определению Б. Франклина, флюида), а телу, содержащему «смоляное» электричество, этого флюида не хватает. Человек, натирая стеклянную трубку, отдавал свой флюид, а снимавший заряд – получал его. Поэтому при соприкосновении тел флюид перетекает в виде искры от одного тела к другому, выравнивая количество флюида в них.

Объяснение это было в принципе верным, только «флюид» сейчас называют электронами, избыток которых, кстати, оказался в «смоляном» электричестве, а недостаток – в «стеклянном». Перетекания электрического заряда с одного тела на другое – это переход электронов от одного тела к другому. Когда их переходит мало – это маленькая искорка, когда много – грозная молния. Недаром электричество в старину называли грозовой материей.

Смерть пришла с облаков

Предположив, что электрическая искра и молния – одно и то же, американский физик Б. Франклин подробно описал, как провести опыт, доказывающий это.

Надо было поднять повыше к грозовым облакам металлический стержень, приближенный к другому стержню, заглубленному в землю. Так и поступил, по описанию Франклина, француз Далибар. На горе города Марли он установил длинный стержень и во время грозы 10 мая 1752 г. «извлек» из грозового облака довольно большую электрическую искру. И синий цвет искры, и запах озона были такими же, что в экспериментах с электрическими искрами.

Интерес к опыту был настолько велик, что спустя лишь неделю его смотрел не кто иной, как король Франции.

Сам Франклин произвел свой опыт, доказывающий электрическое происхождение молнии, месяцем позже – в июне 1752 г. Описание этого классического опыта, чтобы избежать неточностей и искажений, приводим, цитируя знаменитого французского астронома Камилла Фламмариона по его книге «Атмосфера», изданной в 1900 г. [49].

«Франклин, действительно, возымел дерзкую мысль искать молнии в облаках, так как убедился еще предварительно, что остроконечный металлический шест, поднятый на большую высоту, привлекает электричество из грозовой тучи. Он с большим нетерпением ждал постройки высокой колокольни в Филадельфии; но, наконец, это ему надоело, и он решил попробовать другое средство, более подручное и не менее действенное. Так как дело было только в том, чтобы поднять металлическое острие на большую высоту, к самым грозовым облакам, то Франклину пришло в голову, что простой бумажный змей, которым играют дети, вполне и с выгодой может заменить собою колокольню. Взяв с собой поэтому шелковый платок, две крестообразно связанные палочки и длинную веревку, он вместе с сыном отправился за город попытать счастья. Из опасения быть осмеянным, как это всегда случается при неудачах, он хранил свое предприятие в строгой тайне. Пустили змея. Многообещавшие облака, которые в это время проходили, не произвели никакого эффекта. Все было покойно – ни искры, никаких проявлений электричества. После долговременного ожидания, однако же, волокна веревки стали то подниматься, то опускаться, как бы притягиваемые и отталкиваемые. Ободренный этим, Франклин подставил палец к концу веревки и получил искру, за которою последовали другие. Таким образом, в первый раз гений человека поймал молнию».

Мысли Франклина об электрическом происхождении молнии настолько увлекли современников, что опыты по извлечению молнии с облаков стали проводиться повсеместно.

Французский чиновник де Рома в том же июне 1752 г., ничего не зная об опыте Франклина, повторил его, причем поступил еще правильнее (но и опаснее!). Он проложил в веревку своего воздушного змея тонкую железную проволоку длиной 260 м и получил очень большие искры. Во время грозы эти искры были настоящими молниями. «Представьте себе, – писал он, – языки пламени в 9 – 10 футов длины в 1 дюйм ширины, сопровождаемые звуком, похожим на пистолетный выстрел!»

Как тут никого не убило – просто диву даешься! А ведь при опытах было много зевак. Один раз де Рома был даже опрокинут сильным разрядом, но жив остался.

Рис. 301. Смерть Рихмана

А вот российскому ученому, члену Петербургской академии наук, другу Ломоносова Г. В. Рихману не повезло – он был убит разрядом, пришедшим с облаков. Он провел в свой кабинет с крыши дома изолированный железный шест, конец которого упирался в пол, будучи вставленным в стеклянный сосуд. Рихман ежедневно измерял напряжение на этом шесте. 6 августа 1753 г. во время сильнейшей грозы он стоял неподалеку от места, избегая крупных искр и проводя измерения. Вдруг в комнату вошел его знакомый; желая оградить его от приближения к смертоносному шесту, Рихман сам приблизился к нему на недозволенное расстояние. По описанию знакомого, из шеста вырвался огненный шар синеватого цвета, который ударил ученого в лоб и убил его. Заряд вышел через ногу Рихмана, пробив туфлю. Эта ужасная сцена изображена на старинной гравюре (рис. 301). Еще в древности люди пытались отвести от себя удары молний. Жрецы Древнего Египта ставили возле храмов обитые медью высокие шесты. Храм Мединет-Абу, например, еще при Рамзесе Третьем имел громоотвод из золотого стержня на высоком шесте. Знаменитый храм в Иерусалиме еще 1 500 лет назад снабдили для той же цели кольями в крыше. Но неграмотно выполненные громоотводы только увеличивали опасность удара молнии. Металлический стержень громоотвода должен быть очень хорошо заземлен, чего древние не могли знать.

Однако к XVIII в. и эти старинные, не всегда надежные методы спасения от молнии были забыты, и Франклину пришлось изобретать громоотвод собственной конструкции, один из вариантов которого изображен на рис. 302, а.

Рис. 302. Один из громоотводов Франклина (а); Франклин «ловит» молнию (б)

«Благодарное» человечество без восторга приняло изобретение, которое спасало жизни и имущество людей. Если отбросить чисто суеверные страхи, то люди, не особенно доверяя новому устройству, боялись, что оно будет притягивать молнии.

И тут случилась трагедия, когда молния показала всю свою разрушительную силу и коварство. Утром 18 августа 1769 г. молния ударила в башню святого Назария в итальянском городе Брешиа. Под основанием этой башни находился погреб, где хранилось свыше 1 000 т (!) пороха. Порох, естественно, взорвался, уничтожив не только башню, которая была подброшена в воздух и каменным дождем упала на головы людей, но и шестую часть города. Три тысячи человек погибло.

Эта трагедия заставила людей обратиться к изобретению Франклина.