В1939 г. Альберт Эйнштейн обратился к президенту Рузвельту с предложением приложить все усилия для того, чтобы раньше нацистов овла­деть энергией атомного распа­да. К тому времени эмигриро­вавший из фашистской Италии Энрико Ферми уже работал над этой проблемой в Колумбий­ском университете.

(В камере ускорителя Европейской лабора­тории физики элементарных частиц (CERN ), крупнейшего в Европе центре такого рода. Па­радоксально, но для исследования мельчайших частиц необходимы гигантские сооружения.)

Введение

В 1854 г. немец Генрих Гейслер . (1814-79) изобрел вакуумную стеклянную трубку с электродами, названную трубкой Гейслера, и ртутный насос, позволявший полу­чать высокий вакуум. Подсоединив к электродам трубки высоковольтную индукционную катушку, он получал на стекле напротив отрицательного элек­трода зеленое свечение. В 1876 г. не­мецкий физик Евгений Гольдштейн (1850-1931) предположил, что это све­чение вызвано лучами, испускаемыми катодом, и назвал эти лучи катодными.

(Новозеландский физик Эрнест Резерфорд (1871-1937) в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, которую он возглавил в 1919 году.)

Электроны

Английский ученый Уильям Крукс (1832-1919) усовершенствовал трубку Гейслера и показал возможность от­клонения катодных лучей магнитным полем. В 1897 г. другой английский ис­следователь, Джозеф Томсон, предпо­ложил, что лучи представляют собой отрицательно заряженные частицы, и определил их массу, которая оказалась примерно в 2000 раз меньше массы атома водорода. Он назвал эти частицы электронами, взяв название, пред­ложенное несколькими годами ранее ирландским физиком Джорджем Стоуни (1826-1911), который теоретичес­ки рассчитал величину их заряда. Так стала очевидной делимость ато­ма. Томсон предложил модель, в кото­рой электроны были вкраплены в атом, как изюминки в кексе. А вскоре были обнаружены и другие входящие в со­став атома частицы. С 1895 г. в Кавен­дишской лаборатории приступил к ра­боте Эрнест Резерфорд (1871-1937), который вместе с Томсоном занялся исследованием радиоактивности урана и обнаружил два вида частиц, испускае­мых атомами этого элемента. Частицы с зарядом и массой электрона он назвал бета-частицами, а другие, положитель­но заряженные, с массой, равной массе 4 атомов водорода, - альфа-частицами. Кроме того, атомы урана были источни­ком высокочастотного электромагнит­ного излучения - гамма-лучей.

(Отто Ган и Лизе Майтнер. В 1945 году Ган был интернирован союзниками в Англию и только там узнал о присуждении ему Нобелевской премии по химии за 1944 г. «за открытие расщепления тяжелых ядер».)

Протоны

В 1886 г. Гольдштейн обнаружил еще одно излучение, распространяющее­ся в направлении, противоположном катодным лучам, и названное им катодными лучами. Позже было дока­зано, что они состоят из ионов атомов. Резерфорд предложил назвать положительный ион водорода про тоном (от греческого proton - пер­вый), т. к. считал ядро водорода составной частью ядер атомов всех остальных элементов. Таким образом, в начале XX в. было установлено существование трех суб­атомных частиц: электрона, протона и альфа-частицы. В 1907 г. Резерфорд стал профессо­ром Манчестерского университета. Здесь, пытаясь выяснить строение ато­ма, он провел свои знаменитые экспе­рименты по рассеянию альфа-частиц. Исследуя прохождение этих частиц через тонкую металлическую фольгу, он пришел к выводу, что в центре ато­ма расположено небольшое плотное ядро, способное отражать альфа-час­тицы. Помощником Резерфорда в то время был молодой датчанин физик Нильс Бор (1885-1962), который в 1913 г., в соответствии с недавно созданной квантовой теорией, пред­ложил модель строения атома, извест­ную как модель Резерфорда-Бора . В ней электроны вращались вокруг яд­ра подобно планетам вокруг Солнца.

( Энрико Ферми (1901-54) в 1938 г. получил Нобелевскую премию за работы по облучению вещества нейтронами. В 1942 г. впервые осуществил самоподдерживающуюся цепную реакцию распада атомных ядер.)

Модели атомов

В этой первой модели ядро состояло из положительно заряженных прото­нов и некоторого числа электронов, частично нейтрализующих их заряд; кроме того, вокруг ядра двигались до­полнительные электроны, суммарный заряд которых был равен положитель­ному заряду ядра. Альфа-частицы , как и ядра атомов гелия, должны были со­стоять из 4 протонов и 2 электронов. Прошло более 10 лет, прежде чем эта модель подверглась пересмотру. В 1930 г. немец Вальтер Боте (1891-1957) объявил об открытии нового ви­да радиоактивного излучения, возни­кающего при облучении бериллия аль­фа-частицами. Англичанин Джеймс Чедвик (1891-1974) повторил эти экс­перименты и пришел к выводу, что дан­ное излучение состоит из частиц, рав­ных по массе протонам, но не имею­щих электрического заряда. Они были названы нейтронами. Затем немец Вернер Гейзенберг (1901-76) предложил модель атома, ядро которого состояло только из протонов и нейтронов. Группа исследователей с одним из первых ускорителей субатомных частиц - циклотроном (1932). Этот прибор предназначен для ускоре­ния частиц и последующей бомбардировки ими специальных мишеней.

(Группа исследователей с одним из первых ускорителей субатомных частиц - циклотроном (1932). Этот прибор предназначен для ускоре­ния частиц и последующей бомбардировки ими специальных мишеней.)

Расщепление атома

Физики всего мира сразу же увидели в нейтронах идеальный инструмент для воздействия на атомы - эти тяжелые, не имеющие заряда частицы легко проникали в атомные ядра. В 1934-36 Италии Энрико Ферми (1901-54) их помощи получил 37 радиоактивных изотопов различных элементов. Поглощая нейтрон, атомное ядро становилось неустойчивым, и излучало энергию в виде гамма-лучей. Ферми облучал нейтронами и уран, надеясь пре вратить его в новый элемент - «уран В этом же направлении работ в Берлине немец Отто Ган (1879-1 S и австрийка Лизе Майтнер (1878 - 1968). В 1938 г. Майтнер, спасаясь от нацистов, уехала в Стокгольм, а продолжил работу вместе с Фридрихом Штрассманом (1902-80). Вскоре Ган и Майтнер, продолжая эксперимент и, сверяя результаты по переписке, обнаружили образование в облученном нейтронами уране радиоактивного бария. Майтнер предположила, что я атом урана (атомный номер 92) рас щепляется на два ядра: бария (атомный номер элемента с номером 43 позже назвали технецием ). Так была открыта возможность расщепления атомного ядра. Было установлено также, что при разрушении ядра атома урана выдаются 2-3 нейтрона, каждый из которых, в свою очередь, способен инициировать распад атомов урана, вызвать цепную реакцию с выделением огромного количества энергии...

26 ноября 1894 г . В Санкт-Петербурге состоялось бракосочетание российского царя Николая II и немецкой принцессы Алисы Гессен-Дармштадтской. После венчания супруга императора приняла православную веру и получила имя Александра Федоровна.

27 ноября 1967 г . В московском кинотеатре «Мир» прошла премьера первого советского триллера «Вий». Главные роли сыграли Леонид Куравлев и Наталия Варлей. Съемки проходили в Ивано-Франковской области и поселке Седнев на Черниговщине.

28 ноября 1942 г. Советский Союз заключил соглашение с Францией о совместной борьбе с фашистской Германией в небе. Первая французская авиационная эскадрилья «Нормандия-Неман» состояла из 14 летчиков и 17 технических работников.

29 ноября 1812 г. Разгромлена армия Наполеона при переправе через реку Березина. Наполеон потерял около 35 тысяч человек. Потери русских войск, согласно надписи на 25-й стене галереи воинской славы Храма Христа Спасителя, составили 4 тысячи солдат. Почти 10 тысяч французов было взято в плен русским генералом Петром Витгенштейном.

1 декабря 1877 г. В селе Марковка Винницкой области родился Николай Леонтович, украинский композитор, хоровой дирижер, автор песен «Дударик», «Казака несут», «Мала мати одну дочку», «Щедрик» (песня известна на Западе как рождественская колядка колокольчиков («Carol of the Bells»).

1 декабря 1991 г . Состоялся всеукраинский референдум по вопросу о государственной независимости Украины. Первым президентом страны избран Леонид Кравчук.

2 декабря 1942 г . Физик Энрико Ферми с группой американских ученых из университета Чикаго осуществил контролируемую ядерную реакцию, впервые расщепив атом.

1 декабря 1992 года в международной базе данных зарегистрирован украинский домен UA

Среди бывших советских республик Украина стала первой страной, которая 1 декабря 1992 года получила национальный домен в интернете. Россия прошла регистрацию позже: домен RU появился 7 апреля 1994 года. В том же году свои домены получили Республика Беларусь - BY, Армения - AM и Казахстан - KZ. А первым национальным доменом в истории интернета стал американский US, он был зарегистрирован в марте 1985 года. Тогда же появились домены Великобритании - UK и Израиля - IL. Создание доменной системы позволяло по названию сайта сразу понимать, где он расположен.

В январе 1993 года на конференции украинских интернет-специалистов в поселке Славское Львовской области было предложено 27 доменов, созданных по географическому принципу, выбранному по коду телефонной нумерации. Украинские города и предприятия получили возможность создавать свои сайты в интернете, например, kiev.ua, crimea.ua, dnepropetrovsk.ua. Все обязанности по их администрированию по-прежнему выполнялись физическими лицами на общественных началах. В некоторых публичных доменах такая практика сохранилась до сих пор. Сейчас у каждого национального или географического домена есть свой администратор - компания или физическое лицо, определяющее правила регистрации. Со временем интернет породил свою версию языка. Доменное имя, которое заканчивается аббревиатурой COM, NET, EDU, означает сокращение общего понятия. К примеру, COM - коммерческий, NET - сетевой, EDU - образовательный. В нашей стране самым популярным является домен COM. Весной 2001 года с целью наведения порядка наконец-то было создано юридическое лицо ООО «Хостмастер», куда вошли администраторы UA и прочих украинских доменов. Физические лица, бывшие владельцы украинского домена UA, официально передали «Хостмастеру» часть полномочий.

Создать собственный сайт и получить домен сейчас может каждый. Первый этап, на котором регистрировать домены в зоне UA могли лишь владельцы торговых марок, уже закончился. С 2010 года доступна свободная регистрация домена на срок десять лет для любого, цена использования домена на один год составляет 90 гривен. Кстати, первым предсказал интернет писатель, философ и общественный деятель XIX века Владимир Одоевский. В романе «4338-й год», изданном в 1837 году, Одоевский писал: «Между знакомыми домами устроены магнетические телеграфы, посредством которых живущие на далеком расстоянии общаются друг с другом ». Сейчас, открывая сайт в интернете, не выходя из дома, каждый из нас может купить авиа- и железнодорожный билет, совершить покупки в супермаркете электроники, опубликовать свои произведения без посредников и даже найти спутника жизни на сайте знакомств. Двадцатилетние с трудом могут представить себе эпоху, когда за книгами шли в библиотеку, письма писали от руки, а новости узнавали только из телевизионных программ или печатных изданий.

Деление ядра - это расщепление тяжелого атома на два фрагмента примерно равной массы, сопровождаемое выделением большого количества энергии.

Открытие ядерного деления начало новую эру - «атомный век». Потенциал возможного его использования и соотношение риска к пользе от его применения не только породили множество социологических, политических, экономических и научных достижений, но также и серьезные проблемы. Даже с чисто научной точки зрения процесс ядерного деления создал большое число головоломок и осложнений, и полное теоретическое его объяснение является делом будущего.

Делиться - выгодно

Энергии связи (на нуклон) у разных ядер различаются. Более тяжелые обладают меньшей энергией связи, чем расположенные в середине периодической таблицы.

Это означает, что тяжелым ядрам, у которых атомное число больше 100, выгодно делиться на два меньших фрагмента, тем самым высвобождая энергию, которая превращается в кинетическую энергию осколков. Этот процесс называется расщеплением

В соответствии с кривой стабильности, которая показывает зависимость числа протонов от числа нейтронов для стабильных нуклидов, более тяжелые ядра предпочитают большее число нейтронов (по сравнению с количеством протонов), чем более легкие. Это говорит о том, что наряду с процессом расщепления будут испускаться некоторые «запасные» нейтроны. Кроме того, они будут также принимать на себя часть выделяющейся энергии. Изучение деления ядра атома урана показало, что при этом выделяется 3-4 нейтрона: 238 U → 145 La + 90 Br + 3n.

Атомное число (и атомная масса) осколка не равна половине атомной массы родителя. Разница между массами атомов, образовавшихся в результате расщепления, обычно составляет около 50. Правда, причина этого еще не совсем понятна.

Энергии связи 238 U, 145 La и 90 Br равны 1803, 1198 и 763 МэВ соответственно. Это означает, что в результате данной реакции высвобождается энергия деления ядра урана, равная 1198 + 763-1803 = 158 МэВ.

Самопроизвольное деление

Процессы спонтанного расщепления известны в природе, но они очень редки. Среднее время жизни указанного процесса составляет около 10 17 лет, а, например, среднее время жизни альфа-распада того же радионуклида составляет около 10 11 лет.

Причина этого заключается в том, что для того, чтобы разделиться на две части, ядро должно сначала подвергнуться деформации (растянуться) в эллипсоидальную форму, а затем, перед окончательным расщеплением на два фрагмента, образовать «горлышко» посредине.

Потенциальный барьер

В деформированном состоянии на ядро действуют две силы. Одна из них - возросшая поверхностная энергия (поверхностное натяжение капли жидкости объясняет ее сферическую форму), а другая - кулоновское отталкивание между осколками деления. Вместе они производят потенциальный барьер.

Как и в случае альфа-распада, чтобы произошло спонтанное деление ядра атома урана, фрагменты должны преодолеть этот барьер с помощью квантового туннелирования. Величина барьера составляет около 6 МэВ, как и в случае с альфа-распадом, но вероятность туннелирования α-частицы значительно больше, чем гораздо более тяжелого продукта расщепления атома.

Вынужденное расщепление

Гораздо более вероятным является индуцированное деление ядра урана. В этом случае материнское ядро ​​облучается нейтронами. Если родитель его поглощает, то они связываются, высвобождая энергию связи в виде колебательной энергии, которая может превысить 6 МэВ, необходимых для преодоления потенциального барьера.

Там, где энергии дополнительного нейтрона недостаточно для преодоления потенциального барьера, падающий нейтрон должен обладать минимальной кинетической энергией для того, чтобы иметь возможность индуцировать расщепление атома. В случае 238 U энергии связи дополнительных нейтронов не хватает около 1 МэВ. Это означает, что деление ядра урана индуцируется только нейтроном с кинетической энергией больше 1 МэВ. С другой стороны, изотоп 235 U имеет один непарный нейтрон. Когда ядро ​​поглощает дополнительный, он образует с ним пару, и в результате этого спаривания появляется дополнительная энергия связи. Этого достаточно для освобождения количества энергии, необходимого для того, чтобы ядро преодолело потенциальный барьер и деление изотопа происходило при столкновении с любым нейтроном.

Бета-распад

Несмотря на то что при реакции деления испускаются три или четыре нейтрона, осколки по-прежнему содержат больше нейтронов, чем их стабильные изобары. Это означает, что фрагменты расщепления, как правило, неустойчивы по отношению к бета-распаду.

Например, когда происходит деление ядра урана 238 U, стабильным изобаром с А = 145 является неодим 145 Nd, что означает, что фрагмент лантан 145 La распадается в три этапа, каждый раз излучая электрон и антинейтрино, пока не будет образован стабильный нуклид. Стабильным изобаром с A = 90 является цирконий 90 Zr, поэтому осколок расщепления бром 90 Br распадается в пять этапов цепи β-распада.

Эти цепи β-распада выделяют дополнительную энергию, которая почти вся уносится электронами и антинейтрино.

Ядерные реакции: деление ядер урана

Прямое излучение нейтрона из нуклида со слишком большим их количеством для обеспечения стабильности ядра маловероятно. Здесь дело заключается в том, что нет кулоновского отталкивания, и поэтому поверхностная энергия имеет тенденцию к удержанию нейтрона в связи с родителем. Тем не менее это иногда происходит. Например, фрагмент деления 90 Br в первой стадии бета-распада производит криптон-90, который может быть находиться в возбужденном состоянии с достаточной энергией, чтобы преодолеть поверхностную энергию. В этом случае излучение нейтронов может происходить непосредственно с образованием криптона-89. по-прежнему неустойчив по отношению к β-распаду, пока не перейдет в стабильный иттрий-89, так что криптон-89 распадается в три этапа.

Деление ядер урана: цепная реакция

Нейтроны, испускаемые в реакции расщепления, могут быть поглощены другим ядром-родителем, которое затем само подвергается индуцированному делению. В случае урана-238 три нейтрона, которые возникают, выходят с энергией менее 1 МэВ (энергия, выделяющаяся при делении ядра урана - 158 МэВ - в основном переходит в кинетическую энергию осколков расщепления), поэтому они не могут вызвать дальнейшее деление этого нуклида. Тем не менее при значительной концентрации редкого изотопа 235 U эти свободные нейтроны могут быть захвачены ядрами 235 U, что действительно может вызвать расщепление, так как в этом случае отсутствует энергетический порог, ниже которого деление не индуцируется.

Таков принцип цепной реакции.

Типы ядерных реакций

Пусть k - число нейтронов, произведенное в образце делящегося материала на стадии n этой цепи, поделенное на число нейтронов, образованных на стадии n - 1. Это число будет зависеть от того, сколько нейтронов, полученных на стадии n - 1, поглощаются ядром, которое может подвергнуться вынужденному делению.

Если k < 1, то цепная реакция просто выдохнется и процесс остановится очень быстро. Именно это и происходит в природной в которой концентрация 235 U настолько мала, что вероятность поглощения одного из нейтронов этим изотопом крайне ничтожна.

Если k > 1, то цепная реакция будет расти до тех пор, пока весь делящийся материал не будет использован Это достигается путем обогащения природной руды до получения достаточно большой концентрации урана-235. Для сферического образца величина k увеличивается с ростом вероятности поглощения нейтронов, которая зависит от радиуса сферы. Поэтому масса U должна превышать некоторую чтобы деление ядер урана (цепная реакция) могло происходить.

Если k = 1, то имеет место управляемая реакция. Это используется в Процесс контролируется распределением среди урана стержней из кадмия или бора, которые поглощают большую часть нейтронов (эти элементы обладают способностью захватывать нейтроны). Деление ядра урана контролируется автоматически путем перемещения стержней таким образом, чтобы величина k оставалась равной единице.

Как этот процесс был открыт и описан. Раскрывается его применение в качестве источника энергии и ядерного оружия.

«Неделимый» атом

Двадцать первый век изобилует такими выражениями, как «энергия атома», «ядерные технологии», «радиоактивные отходы». То и дело в газетных заголовках мелькают сообщения о возможности радиоактивного загрязнения почвы, океанов, льдов Антарктики. Однако обыкновенный человек часто не очень хорошо себе представляет, что это за область науки и как она помогает в повседневной жизни. Начать стоит, пожалуй, с истории. С самого первого вопроса, который задавал сытый и одетый человек, его интересовало, как устроен мир. Как видит глаз, почему слышит ухо, чем вода отличается от камня - вот что исстари волновало мудрецов. Еще в древней Индии и Греции некоторые пытливые умы предположили, что существует минимальная частица (её еще называли «неделимой»), обладающая свойствами материала. Средневековые химики подтвердили догадку мудрецов, и современное определение атома следующее: атом - это наименьшая частица вещества, которая является носителем его свойств.

Части атома

Однако развитие технологии (в частности, фотографии) привело к тому, что атом перестал считаться наименьшей возможной частицей вещества. И хотя отдельно взятый атом электронейтрален, ученые достаточно быстро поняли: он состоит из двух частей с разными зарядами. Количество положительно заряженных частей компенсирует количество отрицательных, таким образом, атом остается нейтральным. Но однозначной модели атома не существовало. Так как в тот период все еще господствовала классическая физика, то высказывались различные предположения.

Модели атома

Поначалу была предложена модель «булка с изюмом». Положительный заряд как бы заполнял собой все пространство атома, и в нем, как изюм в булке, распределялись отрицательные заряды. Знаменитый определил следующее: в центре атома расположен очень тяжелый элемент с положительным зарядом (ядро), а вокруг располагаются значительно более легкие электроны. Масса ядра в сотни раз тяжелее суммы всех электронов (оно составляет 99,9 процентов от массы всего атома). Таким образом, родилась планетарная модель атома Бора. Однако некоторые из её элементов противоречили принятой на тот момент классической физике. Поэтому была разработана новая, квантовая механика. С ее появлением начался неклассический период науки.

Атом и радиоактивность

Из всего сказанного выше становится понятно, что ядро - это тяжелая, положительно заряженная часть атома, которая составляет его основную массу. Когда и положений электронов на орбите атома были хорошо изучены, пришло время понять природу атомного ядра. На помощь пришла гениальная и неожиданно открытая радиоактивность. Она помогла раскрыть сущность тяжелой центральной части атома, так как источник радиоактивности - деление ядер. На рубеже девятнадцатого и двадцатого столетия, открытия сыпались одно за другим. Теоретическое решение одной задачи вызывало необходимость ставить новые опыты. Результаты экспериментов порождали теории и гипотезы, которые требовалось подтвердить или опровергнуть. Зачастую величайшие открытия появлялись просто потому, что именно таким образом формула становилась удобной для вычислений (как, например, квант Макса Планка). Еще в начале эры фотографии ученые знали: урановые соли засвечивают светочувствительную пленку, но они не подозревали, что в основе этого явления лежит деление ядер. Поэтому радиоактивность изучали, чтобы понять природу распада ядра. Очевидно, что излучение порождались квантовыми переходами, но было не до конца ясно, какими именно. Чета Кюри добывала чистые радий и полоний, обрабатывая практически вручную урановую руду, чтобы получить ответ на этот вопрос.

Заряд радиоактивного излучения

Резерфорд много сделал для изучения строения атома и внес вклад и в исследование того, как происходит деление ядра атома. Ученый поместил излучение, выделяющееся радиоактивным элементом, в магнитное поле и получил потрясающий результат. Оказалось, что радиация состоит из трех компонентов: одна была нейтральной, а две другие - положительно и отрицательно заряженными. Изучение деления ядра началось с определения его составляющих. Было доказано, что ядро может делиться, отдавать часть своего положительного заряда.

Строение ядра

Позже выяснилось, что атомное ядро состоит не только из положительно заряженных частиц протонов, но и нейтральных частиц нейтронов. Все вместе они называются нуклонами (от английского «nucleus», ядро). Однако, ученые вновь натолкнулись на проблему: масса ядра (то есть количество нуклонов) не всегда соответствовала его заряду. У водорода ядро имеет заряд +1, а масса может быть и три, и два, и один. У следующего за ним в периодической таблице гелия заряд ядра +2, при этом его ядро содержит от 4 до 6 нуклонов. Более сложные элементы могут иметь гораздо большее количество разных масс при одном и том же заряде. Такие вариации атомов называются изотопами. Причем некоторые изотопы оказались вполне устойчивыми, другие же быстро распадались, так как для них было характерно деление ядер. Какому принципу отвечало количество нуклонов устойчивости ядер? Почему добавление всего лишь одного нейтрона к тяжелому и вполне стабильному ядру приводило к его расколу, к выделению радиоактивности? Как ни странно, ответ на этот важный вопрос до сих пор не найден. Опытным путем выяснилось, что определенным количествам протонов и нейтронов соответствуют устойчивые конфигурации атомных ядер. Если в ядре 2, 4, 8, 50 нейтронов и/или протонов, то ядро однозначно будет устойчивым. Эти числа даже называют магическими (и назвали их так взрослые ученые, ядерные физики). Таким образом, деление ядер зависит от их массы, то есть от количества входящих в них нуклонов.

Капля, оболочка, кристалл

Определить фактор, который отвечает за устойчивость ядра, на данный момент не удалось. Существует множество теорий модели Три самые знаменитые и разработанные зачастую противоречат друг другу в разных вопросах. Согласно первой, ядро - это капля специальной ядерной жидкости. Как и для воды, для него характерны текучесть, поверхностное натяжение, слияние и распад. В оболочечной модели в ядре тоже существуют некие уровни энергии, которые заполняются нуклонами. Третья утверждает, что ядро - среда, которая способна преломлять особые волны (дебройлевские), при этом коэффициент преломления - это Однако ни одна модель пока не смогла в полной мере описать, почему при определенной критической массе именно этого химического элемента, начинается расщепление ядра.

Каким бывает распад

Радиоактивность, как уже было сказано выше, была обнаружена в веществах, которые можно найти в природе: уране, полонии, радии. Например, только что добытый, чистый уран радиоактивен. Процесс расщепления в данном случае будет спонтанным. Без каких-либо внешних воздействий определенное количество атомов урана испустит альфа-частицы, самопроизвольно преобразуясь в торий. Есть показатель, который называется периодом полураспада. Он показывает, за какой промежуток времени от начального числа части останется примерно половина. Для каждого радиоактивного элемента период полураспада свой - от долей секунды для калифорния до сотен тысяч лет для урана и цезия. Но существует и вынужденная радиоактивность. Если ядра атомов бомбардировать протонами или альфа-частицами (ядрами гелия) с высокой кинетической энергией, то они могут «расколоться». Механизм превращения, конечно, отличается от того, как разбивается любимая мамина ваза. Однако некая аналогия прослеживается.

Энергия атома

Пока что мы не ответили на вопрос практического характера: откуда при делении ядра берется энергия. Для начала надо пояснить, что при образовании ядра действуют особые ядерные силы, которые называются сильным взаимодействием. Так как ядро состоит из множества положительных протонов, остается вопрос, как они держатся вместе, ведь электростатические силы должны достаточно сильно отталкивать их друг от друга. Ответ одновременно и прост, и нет: ядро держится за счет очень быстрого обмена между нуклонами особыми частицами - пи-мезонами. Эта связь живет невероятно мало. Как только прекращается обмен пи-мезонами, ядро распадается. Также точно известно, что масса ядра меньше суммы всех составляющих его нуклонов. Этот феномен получил название дефекта масс. Фактически недостающая масса - это энергия, которая затрачивается на поддержание целостности ядра. Как только от ядра атома отделяется какая-то часть, эта энергия выделяется и на атомных электростанциях преобразуется в тепло. То есть энергия деления ядра - это наглядная демонстрация знаменитой формулы Эйнштейна. Напомним, формула гласит: энергия и масса могут превращаться друг в друга (E=mc 2).

Теория и практика

Теперь расскажем, как это сугубо теоретическое открытие используется в жизни для получения гигаватт электроэнергии. Во-первых, необходимо отметить, что в управляемых реакциях используется вынужденное деление ядер. Чаще всего это уран или полоний, которые бомбардируется быстрыми нейтронами. Во-вторых, нельзя не понимать, что деление ядер сопровождается созданием новых нейтронов. В результате количество нейтронов в зоне реакции способно нарастать очень быстро. Каждый нейтрон сталкивается с новыми, еще целыми ядрами, расщепляет их, что приводит к росту выделения тепла. Это и есть цепная реакция деления ядер. Неконтролируемый рост количества нейтронов в реакторе способен привести к взрыву. Именно это и произошло в 1986 году на Чернобыльской АЭС. Поэтому в зоне реакции всегда присутствует вещество, которое поглощает лишние нейтроны, предотвращая катастрофу. Это графит в форме длинных стержней. Скорость деления ядер можно замедлить, погружая стрежни в зону реакции. Уравнение составляется конкретно для каждого действующего радиоактивного вещества и бомбардирующих его частиц (электроны, протоны, альфа-частицы). Однако конечный выход энергии подсчитывается согласно закону сохранения: Е1+Е2=Е3+Е4. То есть полная энергия исходного ядра и частицы (Е1+Е2) должно быть равным энергии получившегося ядра и выделившейся в свободном виде энергии (Е3+Е4). Уравнение ядерной реакции также показывает, какое вещество получается в результате распада. Например, для урана U=Th+He, U=Pb+Ne, U=Hg+Mg. Здесь не приведены изотопы химических элементов, однако это важно. Например, существует целых три возможности деления урана, при которых образуются различные изотопы свинца и неона. Почти в ста процентах случаев реакция деления ядра дает радиоактивные изотопы. То есть при распаде урана получается радиоактивный торий. Торий способен распасться до протактиния, тот - до актиния, и так далее. Радиоактивными в этом ряду могут быть и висмут, и титан. Даже водород, содержащий в ядре два протона (при норме один протон), называется иначе - дейтерий. Вода, образованная с таким водородом, называется тяжелой и заполняет первый контур в ядерных реакторах.

Немирный атом

Такие выражения, как «гонка вооружений», «холодная война», «ядерная угроза» современному человеку могут показаться историческими и неактуальными. Но когда-то каждый выпуск новостей почти по всему миру сопровождался репортажами о том, сколько изобретено видов ядерного оружия и как надо с этим бороться. Люди строили подземные бункеры и делали запасы на случай ядерной зимы. Целые семьи работали на создание убежища. Даже мирное использование реакций деления ядер может привести к катастрофе. Казалось бы, Чернобыль научил человечество аккуратности в этой сфере, но стихия планеты оказалась сильнее: землетрясение в Японии повредило весьма надежные укрепления АЭС «Фукусима». Энергию ядерной реакции использовать для разрушения гораздо легче. Технологам необходимо лишь ограничить силу взрыва, чтобы не разрушить ненароком всю планету. Наиболее «гуманные» бомбы, если их можно так назвать, не загрязняют окрестности радиацией. В целом чаще всего они используют неконтролируемую цепную реакцию. То, чего на атомных электростанциях стремятся всеми силами избежать, в бомбах добиваются весьма примитивным способом. Для любого естественно радиоактивного элемента существует некоторая критическая масса чистого вещества, в котором цепная реакция зарождается сама собой. Для урана, например, это всего пятьдесят килограммов. Так как уран очень тяжелый, это лишь небольшой металлический шарик 12-15 сантиметров в диаметре. Первые атомные бомбы, сброшенные на Хиросиму и Нагасаки, были сделаны именно по такому принципу: две неравные части чистого урана просто соединялись и порождали ужасающий взрыв. Современное оружие, вероятно, более сложное. Однако про критическую массу не стоит забывать: между небольшими объемами чистого радиоактивного вещества при хранении должны быть преграды, не позволяющие соединиться частям.

Источники радиации

Все элементы с зарядом атомного ядра больше 82 радиоактивны. Почти все более легкие химические элементы обладают радиоактивными изотопами. Чем тяжелее ядро, тем меньше его время жизни. Некоторые элементы (типа калифорния) можно добыть только искусственным путем - сталкивая тяжелые атомы с более легкими частицами, чаще всего на ускорителях. Так как они очень нестабильны, в земной коре их нет: при формировании планеты они очень быстро распались на другие элементы. Вещества с более легкими ядрами, например уран, вполне можно добывать. Процесс этот долгий, пригодного к добыче урана даже в очень богатых рудах содержится менее одного процента. Третий путь, пожалуй, указывает на то, что новая геологическая эпоха уже началась. Это добыча радиоактивных элементов из радиоактивных отходов. После отработки топлива на электростанции, на подлодке или авианосце, получается смесь исходного урана и конечного вещества, результата деления. На данный момент это считается твердыми радиоактивными отходами и стоит острый вопрос, как их захоранивать так, чтобы они не загрязнили окружающую среду. Однако есть вероятность, что в недалеком будущем уже готовые концентрированные радиоактивные вещества (к примеру, полоний), будут добывать из этих отходов.