Текст книги "Его сиятельство атом"

Ирина Разумовская
Его сиятельство атом

Издание книги посвящается 75-летию атомной промышленности

© Текст, иллюстрации, оформление. АО «Издательство «Детская литература», 2020

Атомы и их строение

Представь себе разнообразие мира: множество животных и растений, вода и воздух, горные породы и снежинки, далекие звезды и наша звезда – Солнце. Все это состоит из крошечных частиц – атомов, которые притягиваются друг к другу.

Самое удивительное, что существует меньше ста видов атомов. В разных сочетаниях они создают весь наш мир. Выяснилось, что мельчайшей частицей любого вещества является молекула – объединение двух, нескольких, иногда тысяч атомов. Именно молекула определяет свойства вещества. Например, два атома хлора, соединившись в молекулу, создают ядовитый тяжелый газ желтовато-зеленого цвета. Атомы натрия образуют кусок серебристого металла. Но если один атом хлора соединится с одним атомом натрия, получится та соль, которая лежит в вашей солонке на кухне (рис. 1).

Рис. 1

Представление о неделимых частицах вещества – атомах – высказывал еще великий древнегреческий философ Демокрит примерно за 500 лет до нашей эры. Атом, на древнегреческом ἄτομος, и означает «неделимый».

Мир все время обновляется, и атомы меняют своего «хозяина». Из далекого космоса прилетел железный метеорит и упал на Землю. Часть его атомов железа попала в воду ручья. Ты напился этой воды, и вот уже атомы железа вошли в состав твоей крови. Можно сказать, ты теперь кровный брат метеорита.

На основе атомной теории вещества химики и физики успешно объяснили многие явления, разработали основы современных технологий, создали новые материалы.

И вдруг в конце XIX века выяснилось, что атомы некоторых элементов (урана, радия и др.) самопроизвольно разрушаются. При этом образуются атомы другого элемента (например, свинца), и выделяется энергия в виде излучения. Это явление распада атомов назвали естественной радиоактивностью. Стало ясно, что атом не является неделимой частицей, что он имеет какую-то сложную структуру.

В 1897 г. английский ученый Джозеф Джон Томсон (1856–1940) открыл отрицательно заряженную частицу, входящую в состав атома, и назвал ее электроном. Открытие электрона позволило сформулировать первую модель атома, т. е. попытаться представить себе его структуру.

Томсон, получивший за свои исследования Нобелевскую премию и звание рыцаря, предложил простейшую модель строения атома, которую назвали «пудинг с изюмом». В модели Томсона атом представляет собой сферу, в которой электроны более или менее равномерно располагаются среди положительного заряда, как изюминки в кексе (рис. 2).

Рис. 2. Модель атома Томсона

К этому времени ученые сумели выделить три типа излучения при радиоактивном распаде атома. Положительно заряженные α-лучи состоят из частиц, летящих со скоростью примерно 10 000 000 метров в секунду. Чтобы не писать так много нулей, договорились их число записывать наверху цифры «десять»: 10 000 000 = 10 7. Мы будем так поступать и дальше. Второй тип излучения, β-лучи, это поток открытых Томсоном отрицательно заряженных электронов. Наконец, γ-излучение похоже на рентгеновские лучи.

В 1906 г. ученик Томсона Эрнест Резерфорд (1871–1937) «обстрелял» α-частицами тонкую золотую фольгу, чтобы выяснить, как на это среагируют атомы металла. После столкновения с фольгой α-частицы разлетались под разными углами, и их фиксировали по вспышкам на специальном люминесцирующем экране. Результат эксперимента оказался удивительным. Большинство частиц пролетало сквозь фольгу не отклоняясь, как сквозь пустоту. Но присутствовало очень небольшое число частиц, которые сильно отклонялись, даже отлетали назад. «Это было почти столь же невероятно, как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес удар», – написал Резерфорд.

На основании эксперимента Резерфорд сделал вывод, что положительный заряд атома сосредоточен в крошечной (по сравнению с общим объемом) области – ядре. Размер ядра в 10 тысяч раз меньше размера всего атома. Вместе с тем в ядре сосредоточена почти вся масса атома, примерно 99,9 процента. Поэтому если в опыте Резерфорда α-частица изредка все же «натыкалась» на массивное ядро, тоже заряженное положительно, она отлетала от него как от стенки.

Рис. 3. Планетарная модель атома (модель Резерфорда). Ядро для наглядности изображено сильно увеличенным

В итоге Резерфорд сформулировал планетарную модель атома (рис. 3). В центре атома находится массивное ядро, его положительный заряд по величине равен суммарному заряду всех электронов. Электроны вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Разные атомы отличаются числом электронов (и зарядом ядра), и это определяет их химические свойства и возможности объединяться с другими атомами.

За множество важнейших экспериментальных результатов нобелевского лауреата Эрнеста Резерфорда называют «отцом ядерной физики».

Строение ядра атома. Изотопы

Ядра атомов тоже оказались сложными, состоящими из двух видов частиц.

Первые из них – протоны – обозначаются латинской буквой p. Их заряд по величине такой же, как у электронов, но положительный. Масса протона почти в две тысячи раз больше массы электрона. Поэтому практически вся масса атома сосредоточена в ядре (вспомните опыт Резерфорда). Число протонов в ядре равно числу электронов в атоме. Поэтому атом в целом заряда не имеет. Протон открыл Резерфорд в 1919 г.

Но ведь положительно заряженные протоны отталкиваются друг от друга, ядро должно «развалиться». Дело в том, что, кроме протонов, в ядре содержатся нейтральные частицы примерно той же массы – нейтроны (обозначение – n). Их в ядре примерно столько же, сколько и протонов. В целом ядро оказывается очень устойчивым за счет особых ядерных сил, действующих между его частицами. Протон и нейтрон объединяются термином нуклон, от латинского nucleus – ядро.

Нейтрон открыл Джеймс Чедвик (1891–1974) в 1932 г. (за что получил Нобелевскую премию).

Вы знаете газ гелий: им наполняют воздушные шарики, если хотят, чтобы они летали. Ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов (рис. 4); α-частицы – это ядра атома гелия, имеющие двойной положительный электрический заряд.

Рис. 4. Ядро атома гелия

Иногда в ядрах атомов содержится одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. Такие элементы называются изотопами. Их химические свойства одинаковы, но по физическим свойствам они могут сильно отличаться, особенно по склонности к радиоактивному распаду. Например, в ядре урана-238 (U-238) содержится 238 нуклонов, из них 92 протона и 146 нейтронов, а в изотопе U-235 – такое же количество протонов, но 143 нейтрона. В природе еще встречается (очень редко) изотоп U-234. Радиоактивные свойства изотопов урана очень различаются, мы познакомимся с этим позже.

У водорода ядро самого распространенного изотопа состоит лишь из одного протона (рис. 5). Но существуют еще изотопы водорода дейтерий и тритий (рис. 5).

Рис. 5. Изотопы водорода

Ядра водорода возникли раньше ядер других элементов, сразу после рождения нашей Вселенной. Водород и сейчас составляет основную часть ее вещества (звезд, туманностей) – 88,6 процента. На втором месте по распространенности во Вселенной стоит гелий – 11,3 процента.

Ядерные реакции. Линейные ускорители и циклотроны

В 1902–1903 годах Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди (1877–1956) показали, что в результате естественной радиоактивности получаются другие химические элементы, т. е. изменяются ядра атомов. До этого были известны разнообразные химические реакции, затрагивающие не ядра реагирующих атомов, а только их электроны. Идею о ядерных реакциях не сразу приняли, т. к. представление о неизменности атомов слишком укоренилось.

Но можно ли искусственно вызвать ядерные реакции? Чтобы получить другой элемент, надо изменить число протонов в ядре. А уж ядро подберет себе из окружающей среды нужное число электронов.

Силы, удерживающие нуклоны в ядре, очень велики. Воздействовать на ядро, чтобы выбить из него часть нуклонов, можно, только если ядро «бомбардировать» частицами с большой энергией.

Первоначально в распоряжении физиков в качестве таких частиц были только α-частицы от природных радиоактивных веществ: радия или полония. Именно α-частицы использовал Резерфорд в своем классическом эксперименте с золотой фольгой (глава 1). Но в этом эксперименте α-частицы не проникали в ядра атомов металла, а просто рассеивались ими, т. к. у них был одинаковый электрический заряд, а такие заряды отталкиваются. Однако можно взять в качестве мишени вещество, в ядре которого протонов меньше и поэтому оно не так сильно отталкивает α-частицы и может их «впустить».

В 1919 г. Резерфорд облучил α-частицами азот, в ядро которого входят 7 протонов и 7 нейтронов. Это была первая в истории искусственная ядерная реакция, в итоге которой получили ядро одного из изотопов кислорода с 8 протонами и 9 нейтронами и 1 ядро водорода (т. е. протон). Именно анализ этого эксперимента привел Резерфорда к открытию протона.

По образному выражению Э. Резерфорда, возникла современная алхимия. Ведь алхимики стремились найти секрет превращения одного вещества (например, свинца) в другое (например, золото).

В 1934 г. множество ядерных реакций осуществили известные французские ученые, супруги Ирен (1897–1956) и Фредерик (1900–1958) Жолио-Кюри. При облучении α-частицами атомов легких металлов (бора, алюминия, магния) они вначале получали не просто другие элементы, а неизвестные ранее радиоактивные изотопы. Некоторые элементы имеют изотопы, распадающиеся очень быстро – за часы, минуты, даже секунды. Поэтому в природе такие «короткоживущие» изотопы не наблюдаются. В опытах супругов Жолио-Кюри новые изотопы быстро распадались, после чего возникало устойчивое ядро одного из химических элементов.

В результате этих экспериментов было получено более 50 ранее не известных радиоактивных изотопов. Чтобы характеризовать скорость их естественного распада, ввели понятие «период полураспада». Это время, за которое распадается половина количества данного радиоактивного вещества. За такое же время распадается половина оставшегося, затем за то же время еще половина оставшегося и т. д. Этот закон открыл Резерфорд.

На Первой Всесоюзной конференции по атомному ядру, организованной Ленинградским физико-техническим институтом в 1933 г. в Москве, кроме известных советских физиков присутствовали Фредерик Жолио-Кюри, Поль Дирак и другие иностранные специалисты в области ядерной физики. Председателем организационного комитета и фактическим инициатором конференции был Игорь Васильевич Курчатов (1903–1960) – советский физик, академик, основатель Института атомной энергии. Доклады советских ученых показали, что в области изучения атомного ядра они уже вышли на международный уровень.

В наше время одним из основных центров по ядерным реакциям является международный межправительственный Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна Московской области). Учредители ОИЯИ – 18 стран, специалисты которых работают на базе института. Всего в Дубне российские физики синтезировали 6 не существующих в природе трансурановых элементов, т. е. элементов с ядрами тяжелее элемента урана. Еще несколько трансурановых ядер получены совместно или пока не утверждены международным сообществом. У всех у них период полураспада существенно меньше возраста Земли, поэтому в природе они не обнаружены.

Среди торжественно утвержденных (прошедших инаугурацию) элементов 114-й получил имя «флеровий» в честь академика Георгия Николаевича Флерова (1913–1990), одного из организаторов ОИЯИ, ученика и соратника Курчатова.

Физики всего мира принялись подбирать наиболее эффективные частицы для осуществления ядерных реакций и создавать установки для их «разгона», увеличения их скорости. В СССР этой проблемой занималась группа Курчатова и связанные с ним лаборатории.

Чем меньше положительный заряд частицы, тем у нее больше шансов «внедриться» в отталкивающее ее положительное ядро. Для ядерной бомбардировки начали использовать протоны и дейтоны (ядра дейтерия), имеющие единичный положительный заряд. И приступили к исследованию влияния пучка быстрых электронов.

Разгонялись заряженные частицы в электрическом поле.

Весной 1932 г. была получена первая ядерная реакция на искусственно ускоренных частицах. Джон Кокрофт (1897–1967) и Эрнест Уолтон (1903-1995) в Кембридже (Великобритания) создали генератор постоянного напряжения в 700 киловольт. Пучок ускоренных в генераторе протонов направили на мишень из лития-7. Ядро лития захватывало протон и затем разваливалось на две α-частицы. Осенью этого же года эксперимент повторили сотрудники Украинского физико-технического института (г. Харьков).

Ускорители легких заряженных частиц (электронов, протонов) делятся на линейные и циклические (циклотроны).

В линейных ускорителях частицы проходят ускорение однократно, двигаясь в электрическом поле, которое постепенно разгоняет их все сильнее. Чаще всего линейные ускорители используются для легких частиц – электронов и протонов. В наше время они применяются не только в ядерной физике, но и в медицине, материаловедении, даже в стерилизации продуктов.

В конце 2020-х гг. планируется создать Международный линейный коллайдер (ускоритель со встречными пучками сталкивающихся частиц) на территории Японии. Это фантастическое сооружение будет иметь общую длину 31 км и состоять из двух частей. В одной станут ускоряться электроны, в другой – получаться встречный пучок таких же легких, но положительно заряженных частиц – позитронов. Ускоряющее поле первоначально будет измеряться в гигавольтах (10⁹ вольт – посмотри такие обозначения в главе 1), потом возрастет до теравольт (10¹² вольт).

Создать гигантскую электрическую разность потенциалов очень непросто, к тому же линейный ускоритель имеет достаточно большую длину. Этих недостатков лишены циклотроны.

Представьте себе два варианта раскачивания качелей. В первом вы с большим усилием заставляете качели сразу взлететь на максимальную высоту. Во втором варианте вы «в такт», небольшими толчками качелей, добиваетесь такого же результата. По второму принципу разгоняются заряженные частицы в циклотроне.

В циклотроне частица с некоторой начальной скоростью начинает вращаться по окружности вокруг оси 1 (рис. 6), по которой направлено магнитное поле. В соответствии с законами физики, чем больше ее скорость, тем больше радиус окружности. Но главное – время обращения по окружности (период вращения) не зависит от скорости и радиуса. Значит, можно где-то в одном и том же месте добавлять частице еще немного скорости за счет сравнительно небольшого электрического поля («подталкивать качели в такт», не сходя с места). Частица каждый раз будет переходить на движение по окружности с большим радиусом. В целом она станет двигаться по раскручивающейся спирали (рис. 6), причем в ограниченном пространстве. Размеры ускорителя таким образом сокращаются.

Рис. 6. Схема циклотрона

Циклотрон состоит из двух полых половинок диска 3 («дуанты») (рис. 6), внутри которых и вращаются частицы. Переменное электрическое поле 4 (рис. 6) подается на края зазора между дуантами. Частота поля точно совпадает с частотой вращения частиц. Поэтому, когда частицы пролетают сквозь зазор в одну сторону (например, точка А рис. 6), электрическое поле их ускоряет. Когда они, пройдя половину окружности, пересекают зазор в обратную сторону (точка В рис. 6), переменное электрическое поле как раз успевает сменить знак и снова их ускоряет, а не тормозит. Частицы вращаются по спирали 2 (рис. 6), пока не достигнут нужной скорости.

Цепная ядерная реакция. Сырье для реактора

Нуклоны в ядре атома связаны очень сильным взаимодействием. Физики во всем мире пытались вызвать ядерные реакции, используя максимально быстрые α-частицы и протоны, создавая для этого все более мощные ускорители. Но оказалось, что в положительно заряженное ядро значительно легче проникает нейтральная частица – нейтрон, – как незаметный шпион в мощную крепость.

Источник нейтронов первыми получили в лаборатории известного итальянского физика Энрико Ферми (1901–1954) при облучении α-частицами порошка бериллия. Нейтроны вылетали из бериллия со скоростью 30 тысяч километров в секунду. Такие нейтроны называют быстрыми. В лаборатории Ферми провели эксперимент по замедлению нейтронов: пропускали их через слой воды или парафина. В обоих случаях замедлитель нейтронов содержал ядра водорода (протоны). Многократно сталкиваясь с ними, нейтроны замедлялись до скорости в несколько километров в секунду – скорости молекул. Такие нейтроны назвали медленными.

В разных лабораториях мира, в том числе курчатовской, начали изучать влияние потока нейтронов на кремний, алюминий, фосфор и другие вещества. При их облучении образовывались искусственные радиоактивные элементы, ядра которых мало отличались от исходного ядра по числу протонов и нейтронов. Например, в лаборатории И. В. Курчатова при облучении алюминия (в ядре 13 протонов и 14 нейтронов) получали радиоактивный изотоп алюминия, а также радиоактивные изотопы магния (в ядре 12 протонов) и натрия (11 протонов).

Но самое интересное и важное было впереди – деление урана. Предполагалось, что облучение нейтронами урана может привести только к получению элементов с близким числом протонов, как это происходило в экспериментах с другими элементами. Но в 1938 г. Отто Ган (1879–1968) и Фриц Штрассман (1902–1980) показали: ядро урана при взаимодействии с нейтроном делится («расщепляется») на два «легких» ядра (например, бария и криптона). При этом выделяется два нейтрона и очень большое количество энергии. Некоторые физики, в том числе И. В. Курчатов, сразу поняли значение этого открытия и охарактеризовали его как начало новой эпохи в истории человечества. Появился принципиально новый, невиданно мощный источник энергии, практически неисчерпаемый.

При делении ядра выделяется 2–3 нейтрона. Каждый нейтрон может быть либо захвачен другим ядром урана и вызвать его расщепление, либо поглотиться окружающим веществом. Кроме того, если объем вещества невелик, нейтрон способен уйти за его пределы. Очевидно, что, если из выделяющихся нейтронов в среднем один вызывает следующее деление ядра, реакция будет идти с постоянной скоростью. Если среднее число «эффективных» нейтронов больше единицы – будет разрушаться все больше ядер, реакция пойдет ускоренно. В таком случае ее называют цепной ядерной реакцией. Произойдет бурное выделение энергии, возможно атомный взрыв. Среднее число эффективных нейтронов называют коэффициентом размножения и обозначают латинской буквой k. При k меньше 1 ядерная реакция затухает. Значение k определяет границу между атомным взрывом и спокойно работающим атомным реактором. Управлять величиной k можно за счет объема вещества, введения специальных «поглотителей» нейтронов (бор, кадмий и др.), отражателей нейтронов от границ рабочего объема вещества.

В ядерных реакторах в основном используется изотоп U-235, который делится медленными нейтронами. Но в природном уране его мало, 0,7 процента. На специальных обогатительных заводах содержание в уране этого изотопа увеличивают. U-238 делится быстрыми нейтронами и после захвата нейтрона может превратиться в радиоактивный трансурановый элемент плутоний Pu-239, в ядре которого 93 протона. Плутоний тоже может служить ядерным топливом. Так как запасов U-235 на Земле, по современным данным, мало, а U-238 для атомных реакторов должно хватить примерно на 2 500 лет, то для будущего энергетики важно накопление плутония, вторичного ядерного горючего. В области реакторов на быстрых нейтронах Россия имеет наибольший опыт.

Атомная электростанция. Преимущества атомной энергии

27 июня 1954 г. в подмосковном городе Обнинске была запущена первая в мире атомная электростанция (АЭС). Она имела мощность 5 МВт. Станция проработала в безаварийном режиме до 29 апреля 2002 г.

Посмотри на стандартную схему АЭС. Тепло от реактора через теплоноситель (обычно воду) нагревает воду во втором контуре, вода в нем становится паром, который вращает турбину. Энергия вращения турбины в генераторе преобразуется в электрическую энергию и через трансформатор поступает в энергетическую систему. Иногда часть теплоты нагревает теплосистему (отопление) города. Излучения, возникающие на атомных реакторах, могут использоваться для решения разнообразных задач химической промышленности (например, получение водорода из воды). Управляющие стержни состоят из поглотителей нейтронов.

Конструкция блока АЭС варьируется. В реакторе используют разные замедлители нейтронов: обычную воду, тяжелую воду, графит. Тепло от реактора переносит или вода, или расплав легкоплавкого металла, солей, или газ. Ядерное топливо в виде таблеток размером в сантиметры собирают в герметично закрытые элементы, которые в свою очередь объединяют по несколько сотен в тепловыделяющие сборки.

Освоив энергию атома, человек получил невиданно мощный источник энергии, который требует особенно внимательного отношения. Атомные реакторы на электростанциях, подводных лодках, ледоколах – это совокупность разнообразных, самых современных технологий. Специальные материалы, новая электроника, современная компьютерная техника. Блочные щиты управления АЭС похожи на центры управления космическими полетами. Атомные электростанции пока не заменяют традиционные, работающие на нефти и газе. Но такая замена в будущем необходима из экологических соображений: из-за загрязнения воздуха при сжигании углеродного топлива и нарушений озонового слоя. Сейчас мировой энергетический сектор выбрасывает в атмосферу примерно 40 процентов углекислого газа. Пока же АЭС не конкурируют с традиционными электростанциями, а дополняют их. АЭС в основном строят там, где другие типы электростанций возвести невозможно, часто из-за географических особенностей. В России это прежде всего Сибирь и Дальний Восток.

В декабре 2019 г. подала электроэнергию в сеть города Певек (Чукотка) и символически зажгла новогоднюю елку первая в мире плавучая атомная теплоэлектростанция.