Наука и удивительное

Одни химические связи прочны, другие — слабы, рыхлы. Когда образуются прочные связи, освобождается больше энергии. В общем случае связи типа «затычка и дыра» прочнее связей типа «электронные близнецы». Атом водорода труднее оторвать от молекулы воды, чем от молекулы метана.

Рассмотрим более подробно хорошо известный химический процесс, процесс горения угля. Что при этом происходит? Углерод угля и кислород воздуха образуют углекислый газ — двуокись углерода. Кусок угля — это совокупность атомов углерода, расположенных в правильном порядке, кристалл углерода. Кислород воздуха состоит не из отдельных атомов, он существует в виде молекул кислорода, состоящих из двух атомов со связью типа «электронные близнецы». Поэтому химическая реакция горения угля имеет вид C + O = CO₂.

Эта реакция должна происходить в два этапа: сначала разрывается связь в молекуле O₂, а затем два атома кислорода присоединяются к углероду. Первый этап требует затраты энергии. Он не может происходить при тех энергиях, которые имеются при обычной температуре. В конце концов, уголь может соприкасаться с воздухом без горения. При обычных температурах тепловой энергии недостаточно для расщепления молекулы кислорода на два атома. Но если мы подведем тепло извне от зажженной спички или горящей щепки, то реакция начнется. Надо подвести тепло только для возникновения реакции, так как на втором ее этапе, при образовании СO₂, выделяется больше энергии, чем требуется для расщепления O₂ (рис. 40).

Рис. 40.

Первая связь принадлежит к типу «затычка и дыра», вторая — к типу — «электронные близнецы». Поэтому энергия, необходимая для дальнейшего расщепления O₂, поставляется самим процессом горения. Таким образом, при горении угля энергия выделяется в виде тепла, хотя часть энергии, освобождаемой на втором этапе, идет на инициирование дальнейших реакций. Полезное тепло равно избытку энергии, выделяющейся во второй стадии, над энергией, потребной для первой.

Раз начавшись, образование двуокиси углерода продолжается до тех пор, пока не израсходуется весь углерод. Выделяется большое количество тепла; чистый выигрыш энергии составляет 0,67 эв на каждую молекулу образовавшейся двуокиси углерода. Нагревание столь сильно, что атомы и молекулы начинают испускать свет. Пламя, которое мы видим при горении угля, состоит из молекул СO₂ и атомов углерода, выброшенных в результате сильного нагрева и испускающих характеристическое излучение. Поэтому пламя не вид вещества, как некогда полагали; это накаленная материя, полученная в химической реакции, в которой выделяется очень много энергии.

Горение угля — это простейшая форма выделения химической энергии. Аналогичный процесс происходит и при горении метана или других углеводородов. И здесь требуется начальное тепло, чтобы расщепить не только молекулы O₂, но и молекулы угле водорода. После этого углерод соединяется с кислородом и дает двуокись углерода, а водород соединяется с кислородом и дает воду. Химическая реакция горения метана показана на рис. 41.

Рис. 41.

Так как в СН₄ и O₂ связи принадлежат к типу «электронных близнецов», а в СO₂, Н₂O — к типу «затычка и дыра», чистый выигрыш энергии в этой реакции очень велик. Поэтому метан и другие углеводороды дают сильное пламя и много тепла. Однако в отличие от горения угля, получается не только СO₂, но и вода. В пламени содержится вместе с раскаленным СO₂ водяной пар. Если подержать холодный кусок стекла в пламени свечи или горящего дерева, то мы увидим на стекле конденсированный водяной пар, которого не получится в пламени чистого угля.

Таким же образом любая молекула, состоящая из углерода, водорода и кислорода, может гореть, т. е. превращаться в углекислый газ и водяной пар, соединяясь с кислородом воздуха. Такие молекулы, как молекулы спирта или сахара, нуждаются в меньшем количестве кислорода для горения, так как в них самих содержится известное количество кислорода.

Рис. 42. Горение углерода. Слева мы видим один атом углерода (квадратик), одну молекулу кислорода (два кружка, соединенные связью типа «электронные близнецы») и три другие молекулы, символизированные крестиками. В середине тепловое движение молекулы «крестика» разорвало связь в молекуле кислорода. Справа углерод и два кислородных атома соединились в молекулу СО₂. Освободившаяся при этом энергия частично переходит в тепловую энергию молекул «крестиков», частично в энергию колебаний молекулы СО₂, что показано «ореолом».

Химические реакции, производящие энергию, всегда должны начинаться с превращения молекул со слабыми связями в молекулы с прочными связями. Разница в энергиях сильной и слабой связи высвобождается. СO₂ и вода — это молекулы, с прочными связями; то же относится и к большинству молекул, в которых атомы связаны с кислородом. Однако молекулы, содержащие углерод и водород, связаны слабо, они легко разрушаются и рекомбинируют, могут образовывать длинные цепи и способны собираться в сложные структуры. Если их слабые связи превращаются в сильные связи с кислородом в результате какого-либо сложного процесса, то выделяется энергия. Благодаря этим свойствам они играют важную роль в живой материи.

Агрегатные состояния

Химическая связь держит атомы связанными в молекулы. Существуют ли силы между молекулами? Да, они существуют на самом деле, но они слабее химической связи. Когда две молекулы сближаются, электронные конфигурации в каждой из них стремятся колебаться в унисон. Благодаря этому возникает притяжение (так называемые ван-дер-ваальсовы силы). Его сила зависит от типа движения электрона: одни молекулы притягиваются сильно, другие — очень слабо. Эта межмолекулярная сила другим характерным образом проявляет особые свойства электронных конфигураций.

Межмолекулярные силы держат молекулы близко друг от друга, и поэтому они ответственны за агрегацию молекул, наблюдаемую в жидком или твердом веществе. В этих веществах молекулы слипаются, тогда как в газах каждая движется сама по себе. Почему же молекулы иногда собираются в твердые тела, иногда в жидкости, а иногда, если вещество газообразно, совсем не собираются? Агрегатное состояние сильно зависит от температуры. При очень низких температурах почти все вещества становятся твердыми, при очень высоких все переходят в газообразное состояние, а при известных промежуточных температурах они жидки. Значения температур, при которых происходят эти превращения (точка плавления, точка кипения), зависят от силы притяжения между молекулами.

При очень низких температурах тепловое движение весьма незначительно, и поэтому молекулы выстраиваются в строго правильные ряды и удерживаются в таком виде межмолекулярными силами. Получается твердое тело. Правильное расположение молекул часто эффектно проявляется в кристаллах. В гл. IV мы видели, как ионный микроскоп показывает правильное, упорядоченное расположение атомов вольфрама. Кристаллы — это твердые тела, в которых правильное расположение атомов сохраняется в больших объемах и непосредственно проявляется в виде прямых ребер и правильно расположенных граней и вершин. Так как при этом порядок в малом увеличивается в огромное число раз, кристаллы дают нам непосредственную картину симметрии самых малых единиц. Если попытаться деформировать кристалл, изгибая или ломая его, чувствуется сопротивление — при перемене взаимного расположения атомов надо преодолеть межмолекулярные силы, которые удерживают атомы в определенных «правильных» местах.

Молекулы и атомы в твердых телах столь близки, что они часто сливаются; соседние электронные конфигурации при этом перекрываются так сильно, что все твердое вещество следует рассматривать как одну большую молекулу. Для металлов, например, характерно, что внешние электроны атомов образуют конфигурации, простирающиеся по всему куску металла. Поэтому металлы служат хорошими проводниками электричества; электроны свободно переходят от одного атома к другому.

При более высоких температурах тепловое движение усиливается и разрушает упорядоченное расположение молекул или атомов в твердом теле. Молекулярные силы все еще держат молекулы плотно упакованными, но уже не могут заставить их располагаться упорядоченным образом. Поэтому в таких телах сопротивление деформированию или изгибанию отсутствует. Однако молекулы все еще остаются друг возле друга, они образуют жидкость. Переход от твердого тела к жидкости зависит от силы межмолекулярного взаимодействия. Если оно велико, как в горной породе или в металле, то нужна высокая температура, чтобы преодолеть связи, удерживающие молекулы в правильном порядке; если же оно мало, как в воде или воздухе, переход в другое агрегатное состояние происходит при меньших температурах.

Если температура становится выше точки плавления, то тепловое движение усиливается настолько, что преодолевает не только упорядочивающее, но и связывающее действие межмолекулярных сил. Тогда молекулы отрываются друг от друга вследствие теплового движения и разлетаются по всем направлениям, сталкиваясь между собой и налетая на стенки сосуда. Они больше не упакованы плотно, а распределены по всему доступному объему. Тогда мы получаем уже газ. Температура, при которой образуется газ, также зависит от сил между молекулами. В воздухе эти силы столь малы, что не могут удерживать молекулы вместе уже при обычных температурах. В некоторых металлах и горных породах они так велики, что для перехода этих веществ в газообразные состояния нужна температура, примерно равная 2000 °C.

Увеличение температуры ослабляет характерные свойства и степень организации вещества. В твердом состоянии вещества имеют типичные формы (кристаллов), обладают специфическим строением и твердостью и их легко распознать. В жидком состоянии собственная форма и структура утеряны — вещество принимает форму сосуда, сохраняются только характерная плотность, цвет и ограничивающая поверхность. Переход в другое агрегатное состояние виден особенно четко, когда снежинка с ее сложной гексагональной структурой превращается в аморфную каплю воды. Газообразное состояние еще менее специфично. Газообразное вещество утратило свою характерную плотность и поверхность, остались только его цвет и запах. Однако во всех трех состояниях вещество построено из одних и тех же молекул или атомов; одни и те же атомы металла входят в твердый, жидкий или газообразный металл; одни и те же молекулы образуют лед, воду и пар.

ГЛАВА VII

КВАНТОВАЯ ЛЕСТНИЦА

Размер и устойчивость

В предыдущей главе мы показали, что все нас окружающее есть комбинация 92 атомных ядер и их электронов. Все вещества и формы всего существующего суть результаты взаимодействия различных электронных волновых конфигураций и их комбинаций. Электроны принимают свои характерные конфигурации, когда они. собираются вокруг ядра; таким путем образуются атомы, которые соединяются в молекулы. Эти конфигурации обусловливают специфические свойства веществ и придают каждому веществу особый характер.

Конфигурации могут деформироваться и разрушаться в результате столкновений частиц с большими энергиями или вследствие других сильных воздействий, но они обладают известной типичной устойчивостью. Мы видели, например, что при температурах, которые наблюдаются на поверхности Земли, энергия теплового движения недостаточна для разрушения атомных и большинства молекулярных волновых картин. Вот почему вещества, находящиеся в окружающей нас среде, обладают специфическими свойствами. Предел устойчивости атома или молекулы различен для разных видов атомов и молекул. Он зависит от ряда факторов, но главным образом от размера атомов и молекул. Крупные единицы менее устойчивы, чем мелкие. Большие молекулы легче расщепить, чем маленькие. Чрезвычайно крупные молекулы, входящие в состав органических веществ, например мяса и овощей, разрушаются в процессе пищеварения, происходящем при относительно низкой температуре нашего желудка. Однако, как мы видели в гл. VI, расщепление значительно меньших молекул кислорода требует температуры пламени. Удаление электрона из атома водорода, самого маленького атома, требует еще больших энергий. Оно не происходит в пламени, но наступает в сильном электрическом разряде.

Связь между размером и устойчивостью есть прямое следствие волновой природы частиц. Вспомним, что длинная струна рояля дает более низкую ноту и более низкие обертоны, чем короткая. Аналогичным образом длинноволновая конфигурация также должна соответствовать более низким частотам. Согласно фундаментальному соотношению между частотой и энергией, более низкая частота отвечает и меньшей энергии. Мы ожидаем, что волновая картина больших размеров обладает меньшей энергией и чувствительна к более слабым возмущениям. Вот почему соотношение между размером и устойчивостью носит столь универсальный характер. Чем меньше система, тем больше ее устойчивость, тем больше энергии требуется для нарушения ее характерной структуры.

Строение ядер

Как мы видели, вещество состоит из электронов и атомных ядер. Каждый элемент имеет свое собственное атомное ядро, несущее определенное число единиц заряда. Этот заряд ответствен за свойства атома, так как он определяет число электронов в атоме и принимаемую ими конфигурацию. Здесь мы считаем ядро атома неделимым целым, заряд и масса которого характерны для данного типа атомов. Атомы каждого элемента имеют свое, типичное для них ядро. Вещество состоит из множества разных «элементарных частиц»; электронов и различных характерных для каждого элемента ядер.

Но такое положение дел неудовлетворительно. Удобнее было бы допустить, что различные типы атомных ядер построены из нескольких простых компонент. Тогда все атомные ядра являлись бы структурами, состоящими из таких компонент, и именно эти последние, а не ядра естественно было бы считать элементарными частицами.

До сих пор мы рассматривали атомные ядра как массивные частицы, наделенные только положительным зарядом, но, по-видимому, лишенные какой бы то ни было структуры. Может ли быть, что их бесструктурность только кажущаяся, так же как и у атомов, находящихся ниже порога возбуждения? Из нашего соотношения между размером и устойчивостью вытекает, что малый размер ядра должен означать очень высокий порог возбуждения, значительно превышающий порог возбуждения атома. Вероятно, следует ожидать, что внутренняя структура ядра несущественна для динамики атома, и ее удается наблюдать только при более высоких энергиях, чем те, с которыми мы имели дело в атомных и молекулярных проблемах.

Одним из важнейших успехов современной физики было экспериментальное открытие квантового мира внутри маленького ядра, мира, подобного тому, который существует в значительно большем атоме. Оказалось, что атомные ядра действительно обладают структурами и что они построены из частиц двух сортов — протонов и нейтронов. Протон идентичен наиболее легкому ядру, ядру водородного атома: он несет единичный положительный заряд, и его масса в 1840 раз больше массы электрона. Нейтрон имеет почти такую же массу, как протон, но не несет никакого заряда.

Таким образом, заряд ядра равен числу содержащихся в нем протонов, так как каждый протон несет единицу заряда. Поэтому число протонов в каждом ядре совпадает с атомным номером элемента Z. Маленькая таблица значений Z на стр. 81 дает число протонов, содержащихся в ядрах элементов. Нейтроны не имеют заряда, они дают вклад только в массу ядра. В общем случае в ядре несколько больше нейтронов, чем протонов.

Должна существовать сила, которая удерживает нейтроны и протоны в столь малом объеме, как атомное ядро. Ядерная сила, действующая между нейтронами и протонами, соединяет их внутри ядра. Это очень большая сила притяжения, она не только должна превосходить электрическое отталкивание между положительно заряженными протонами, но и ограничивать движение частиц исключительно малой областью пространства.

Человеку не приходилось прямо сталкиваться с этой силой, как с другими двумя. Каждый из нас видел действие силы тяжести на тела, наблюдал результаты действия электрических или магнитных сил. Тяготение и электрические силы действуют на любом бесконечно большом расстоянии. Гравитационное и электрическое притяжение уменьшается с расстоянием в соответствии с хорошо известным законом обратных квадратов, но эти силы заметны на любом расстоянии. Обнаружить ядерные силы гораздо труднее, главным образом из-за очень короткого радиуса их действия. Они полностью исчезают на очень малом расстоянии. Найдено, что они действуют только на отрезках длиною около 10-13 см, что в 100 000 раз меньше размера атома. Поэтому, конечно, в обычном мире, мире человека, нельзя непосредственно заметить действие ядерных сил.

Однако косвенно роль ядерных сил огромна. Если бы их не было, нуклоны (ядерные частицы) разлетелись бы во все стороны. Без ядерных сил не могли бы существовать никакие атомные ядра, кроме ядра водорода (протон), следовательно, водород был бы единственным элементом. Кроме того, как мы увидим далее, солнечная энергия, дающая нам тепло, в конечном итоге возникает в результате действия ядерных сил; наконец, недавно человеку удалось воспользоваться (и даже злоупотребить) делением ядер, которое тоже происходит от действия ядерных сил.

Ядерная физика развивалась в тех же направлениях, что и атомная. В тридцатых годах, всего через 10 лет после открытия волновой природы атомных электронов, были найдены характерные квантовые состояния и у ядер.

Это легко понять на основе наших знаний о кванте. Ядерные силы заставляют протоны и нейтроны двигаться в малой области, в пределах объема ядра. Такое ограничение движения подобно ограничению движения электронов в пределах объема атома за счет притяжения атомного ядра. Ограничивающее действие ядерных сил должно создавать конфигурации протонных и нейтронных волн, подобные конфигурациям электронных волн в атоме. Известно, что волновые свойства зависят от массы движущейся частицы; чем она тяжелее, тем короче волна и тем труднее заметить волновые эффекты. Однако волновые эффекты приводят к характерным волновым картинам, как только движение частицы ограничивается.

Мы видим повторение в ядре волновых эффектов, наблюдавшихся в атоме. Квантовые состояния, пороги устойчивости, характерные конфигурации, тождество ядер одного сорта — все это наблюдается в мире значительно меньших размеров, или, учитывая соотношение между размером и энергией, в мире гораздо больших энергий.

Для того чтобы изучать строение ядер, необходимо преодолеть пороговые энергии для квантовых состояний ядра. Оказалось, что эти энергии лежат в области сотен тысяч и миллионов электроновольт. Такие энергии получить очень трудно. Первые опыты по расщеплению ядра были выполнены с альфа-частицами, которые испускаются с большими энергиями некоторыми радиоактивными веществами. Эти частицы тождественны ядрам гелия: они состоят из двух протонов и двух нейтронов, прочно связанных между собой в единое целое. Это те же частицы, при помощи которых Резерфорд в 1911 г. открыл атомные ядра. Несколькими годами позднее, в 1919 г., Резерфорд, снова применив альфа-частицы, сделал другое фундаментальное открытие. Направляя пучок альфа-частицы в газообразный азот, Резерфорд нашел, что они могут разбить ядро азота на части. Ему удалось показать, что от ядра азота отщепляется протон; тем самым он установил, что в состав ядра входят протоны.

После этой памятной даты был накоплен огромный запас данных о строении атомных ядер. После 1930 г. были изобретены и построены машины для ускорения протонов и альфа-частиц до весьма больших энергий, и больше не надо было применять радиоактивные вещества для исследования атомных ядер. Эти машины называют по-разному: циклотроны, синхротроны, электростатические ускорители и т. д.; их популярное название (в США) — «атомодробители», хотя их следовало бы назвать «дробителями ядер». Атом легко разрушается нагреванием или электрическим разрядом. При зажигании спички многие атомы вещества, покрывающего спичечную головку, теряют во время этого миниатюрного взрыва по одному из своих электронов. Именно ядро, а не атом противостоит разрушению структуры, пока не достигаются энергии порядка миллионов электроновольт.

Однако в некотором смысле название «атомодробитель» правильно. Атомное ядро — это не только центр атома, но и его основная часть. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре. Масса окружающих его электронов меньше 1/2000 всей массы атома. Больше того, электроны можно удалить и заменить. Именно заряд ядра определяет электронную волновую картину вокруг него и тем самым свойства атома. Ядро наделяет атом его специфическими свойствами. Когда Резерфорд и его сотрудники впервые превратили одно атомное ядро в другое (они бомбардировали азот альфа-частицами), альфа-частицы проникали в ядра азота и отрывали от них протоны; полный заряд ядра увеличивался на единицу, в результате чего ядро азота превращалось в ядро кислорода. Так они осуществили великую мечту алхимиков — преобразование одного элемента в другой (рис. 43).

Рис. 43. Старинный рисунок, изображающий алхимиков за работой.

Открытие ядерной силы было важным шагом в познании природы. Ранее мы узнали только о двух силах природы — силе тяжести и электромагнитной силе. Сила тяжести управляет движением очень больших единиц вещества, движением небесных тел и падением тел на Земле. По атомной шкале эта сила чрезвычайно мала и поэтому не играет никакой роли внутри атомов и молекул. Большое достижение квантовой механики заключалось в доказательстве того, что свойства вещества, строение атомов и молекул можно целиком объяснить электрическими силами между электронами и ядрами и электронными конфигурациями, обусловленными этими силами.

Теперь, изучая атомные ядра, мы натолкнулись на новую силу природы — ядерную силу, силу, которая действует между составляющими ядра и соединяет их между собой.

После этого ядерная физика приняла вид, во многом напоминающий атомную физику. Было показано, что и ядра имеют свои волновые картины, в ядрах были найдены характеристические квантовые состояния. Было установлено, что излучение, испускаемое и поглощаемое ядрами, имеет характеристические частоты, точно отвечающие разностям энергий между двумя квантовыми состояниями ядер (рис. 44).

Рис. 44. Квантовые состояния натрия (а) и ядра натрия (б). Состояния а те же, как и на рис. 23 гл. V. Отметим, что на рис. б цена деления в 100 000 раз больше.

Переходя из более высокого энергетического состояния в более низкое, ядро, так же как и атом, освобождает разность энергий в форме кванта излучения, частота которого ω отвечает разности энергий Е согласно формуле Планка E = hω. Различие с атомом — в величине освобождаемой энергии. Переходя из одного квантового состояния в другое, атом обычно испускает видимый свет; атомные ядра испускают «свет» гораздо более высокой частоты, потому что разность ядерных энергий в сотни тысяч раз больше атомных. Эти лучи подобны очень сильно проникающим рентгеновским лучам и называются «гамма-лучами».

Есть еще одно различие между квантовой механикой атома и квантовой механикой атомного ядра. В случае атома мы точно знаем природу силы, привязывающей электрон к ядру, это. сила электростатического притяжения. Можно точно рассчитать волновые картины и предсказать энергию и конфигурацию квантовых состояний. В случае атомного ядра притягивающая сила нова по природе и нам неизвестна. Мы не можем достаточно хорошо рассчитать волновые картины. Все, что мы можем в настоящее время, — это определять свойства этой новой силы, изучая наблюдаемые волновые картины. Трудность подобной задачи становится понятной, если учесть, что атомные ядра в 10 тысяч раз меньше атомов. Однако удалось накопить достаточно важные сведения о новой силе. В настоящее время мы знаем радиус ее действия, величину, а также некоторые ее более тонкие особенности; кроме того, нам известен следующий замечательный факт: почти всюду (в пределах радиуса ее действия) эта сила является притягивающей, но при слишком сильном сближении нуклонов она становится отталкивающей.

Ядерная физика преподала нам урок исключительной важности. Вся материя состоит из элементарных частиц трех типов: протонов, нейтронов и электронов. Все в природе есть комбинация этих трех единиц. Протоны и нейтроны соединяются, образуя атомные ядра, электроны в соответствии со своими волновыми картинами движутся вокруг ядер, и получаются атомы; атомы соединяются в молекулы, а молекулы — в вещества, которые мы видим вокруг себя. Это было большое достижение — свести все многообразие веществ к трем элементарным единицам, которые образуют различные комбинации под влиянием ядерных и электромагнитных сил и создают все вещества во Вселенной.

Изотопы и радиоактивность

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, удерживаемых вместе ядерными силами. Протон заряжен, а нейтрон электрически нейтрален, поэтому заряд ядра определяется числом протонов. Величина этого заряда играет очень важную роль, так как она определяет род атома, построенного вокруг ядра, и поэтому характеризует элемент, которому принадлежит данное ядро. Нейтроны служат только «клеем», они помогают удержать протоны в ядре.

Ядерные силы действуют наиболее эффективно в тех случаях, когда число нейтронов приблизительно равно или несколько больше числа протонов. Так устроено большинство ядер. Например, ядро гелия (его заряд — две единицы) состоит из 2 протонов и 2 нейтронов; ядро углерода содержит 6 протонов и 6 нейтронов, ядро азота — 7 протонов и 7 нейтронов.

Иногда определенное число протонов образует ядра с различным числом нейтронов. Эти различные ядра принадлежат одному и тому же элементу (элемент определяется числом протонов), но с различным весом. Два вида одного и того же элемента отличаются друг от друга только числом нейтронов в их ядрах и, следовательно, атомным весом; они называются изотопами. Например, существуют изотоп обычного углерода — его ядро содержит 6 протонов и 7 нейтронов — и изотоп обычного азота — его ядро содержит 7 протонов и 8 нейтронов. Изотопы углерода обозначаются символами С12 и С13, а изотопы азота — N14 и N15. Верхний индекс показывает общее число частиц (нейтронов и протонов), составляющих ядро. Изотопы С13 и N15 встречаются гораздо реже обычных С12 и N14.

Почему в ядро углерода нельзя поместить больше (например, 8) или, наоборот, меньше (например, 5) нейтронов? Тогда мы получили бы изотоп углерода с общим числом частиц, равным 14 или 11, т. е. С14 или С11. Это и на самом деле возможно, С11 и С14 можно получить в ускорителях. Однако в таких ядрах с их аномальным избытком или недостатком частиц одного рода происходит странное явление.

Это явление, наблюдаемое во всех случаях, когда между числом нейтронов и числом протонов нарушается баланс, называется радиоактивностью. Медленно, но верно протон сам собой превращается в нейтрон, если протонов слишком много, как в С11, или нейтрон превращается в протон, если есть аномальный избыток нейтронов, как в С14. Тогда из С11 получается ядро с 6 нейтронами и 5 протонами, т. е. ядро бора В11; С14 превращается в ядро с 7 протонами и 7 нейтронами, т. е. в ядро азота N14 (рис. 45).

Рис. 45. Радиоактивное превращение С14 в N14. Один нейтрон превращается в протон, испуская отрицательный электрон (е-) и нейтрино (ν). Светлые кружки — нейтроны, темные — протоны.

Этот процесс превращения имеет особый интерес. Он происходит медленно и непрерывно с определенным временем полураспада, которое составляет 20 мин для С11 и 4700 лет для С14. Мы применяем термин «полураспад», потому что после 20 мин половина ядер С11 станет ядрами В11; за следующие 20 мин превратится еще половина оставшихся ядер и т. д. Тот же закономерный процесс происходит и с С14, но для него соответствующие промежутки времени равны 4700 лет.

Каждое превращение сопровождается испусканием частиц. Прежде всего, электрический заряд не может внезапно уменьшиться с 6 до 5 единиц или возрасти с 6 до 7 без того, чтобы не изменилось что-нибудь еще. Ядро должно как-то приспособиться к изменению заряда. Испускаются две частицы, одна из них — электрон, положительный[40] или отрицательный, другая — «нейтрино». Нейтрино, незаряженный партнер электрона, очень легок, вернее, его масса просто равна нулю[41]. Так как нейтрино не несет заряда и, следовательно, на него не действуют силы электрического притяжения или отталкивания, он очень легко проникает в вещество. Испущенный электрон положителен, если протон превратился в нейтрон, как в С11, и отрицателен, если нейтрон превратился в протон, как в С14. Это компенсирует изменение заряда ядра.

Обе испущенные частицы обладают большой энергией. В превращении С11 → В14 пара электрон — нейтрино получает около миллиона электроновольт; в случае превращения C14 →N14 эта энергия равна 15 000 эв. Освобождение таких количеств энергии объясняется тем, что ядра конечных продуктов (В11 или N14) имеют меньшую энергию, чем исходные ядра. Как мы видели в предыдущей главе, переход от менее прочно связанной системы к более прочно связанной всегда дает выигрыш в энергии. У В11 и N14 отношение числа протонов к числу нейтронов сбалансировано лучше, чем у исходных ядер, и поэтому они связаны крепче.

Радиоактивные ядра имеют большое значение в медицине, потому что электроны с большой энергией действуют на живые ткани. Существует много практических приложений радиоактивности и помимо медицинских. При помощи современных ускорителей сравнительно легко получать ядра радиоактивных элементов. Для создания ядер с аномальным избытком нейтронов или протонов достаточно бомбардировать обычные ядра протонами или нейтронами. У некоторых из этих радиоактивных изотопов период полураспада составляет лишь несколько секунд, у других он равен часам или годам; у немногих изотопов он достигает миллиардов лет. Такие долгоживущие изотопы не надо производить искусственно: их находят в земной коре; в качестве хорошо известного долгоживущего изотопа назовем радий. Эти изотопы[42] образовались в то время, когда вещество Земли подвергалось естественной бомбардировке протонами и нейтронами, в далеком прошлом при взрыве каких-то звезд. Благодаря большому периоду полураспада этих веществ мы по-прежнему встречаем их на Земле.

Радиоактивность[43] — это превращение несбалансированного, неустойчивого ядра в более устойчивое, сопровождающееся испусканием электрона и нейтрино. Подобный процесс весьма загадочен. Мы не знаем ни его значения, ни его связи с другими ядерными явлениями. Идет он очень медленно. Годы, часы, даже секунды — это очень длинные промежутки времени для ядерной системы, где движение происходит исключительно быстро. Резерфорд однажды сказал, что радиоактивные превращения идут так медленно, что практически вообще не происходят! Однако они есть. Даже отдельный свободный нейтрон живет всего лишь 10 мин, если он не «встроен» в ядро. Он самопроизвольно превращается в более устойчивый протон, испуская при этом электрон и нейтрино. Но как часть нерадиоактивного ядра нейтрон столь же устойчив, как и протон.

Ядерная энергия, ядерное горение

Тепло от горения угля происходит из соединения атомов кислорода и углерода, образующих молекулу, в которой они прочно связаны друг с другом. Энергия освобождается во всех случаях соединения атомов в прочно связанную единицу. Можно ли применить тот же принцип к связям в ядре? Энергия производится при соединении нейтронов и протонов в ядра. Ядерное пламя должно существовать и быть значительно сильнее обычного пламени, так как энергии, участвующие в ядерных явлениях, в сотни тысяч раз больше энергии электронов на атомных орбитах.

Рассмотрим простой пример ядерного горения. Ядро гелия состоит из двух протонов и двух нейтрон нов, связанных ядерными силами. Ядро углерода состоит из шести протонов и шести нейтронов, которые прочно связаны друг с другом; поэтому можно представить себе, что ядро углерода — это три тесно связанных ядра гелия. Если бы можно было втиснуть три ядра гелия в такой малый объем, чтобы между ними начали действовать ядерные силы, то ядра гелия слились бы воедино, образуя ядро углерода и выделяя большую энергию. Итак, в ядерном пламени гелий сгорал бы в углерод.

Почему же гелий на Земле не горит в ядерных пламенах? В обычных условиях очень трудно заставить три ядра гелия сблизиться столь тесно. Во-первых, они окружены электронами; во-вторых, будучи заряжены положительно, они отталкивают друг друга. Только при чрезвычайно высоких температурах, порядка миллиардов градусов, электроны отрываются, а ядра получают достаточно энергии для преодоления электрического отталкивания и сталкиваются друг с другом. Такие температуры нужны, чтобы зажечь гелиевый огонь, который, однажды загоревшись, будет выделять огромные количества энергии, а его температура будет в миллионы раз выше, чем у обычного пламени. Мы полагаем в настоящее время, что в центре некоторых звезд горит такой гелиевый огонь, снабжающий звезду энергией, которую она затем излучает. Такова звезда в верхнем левом углу созвездия Ориона.

Есть и другие виды ядерного огня. Очень важно горение тяжелого водорода. Тяжелый водород — это изотоп обычного водорода. Ядро тяжелого водорода, называемое дейтроном, состоит из одного протона и одного нейтрона, связанных ядерными силами. Приведенные в тесный контакт, два дейтрона сольются, образуя плотно связанное ядро гелия[44] из двух протонов и двух нейтронов. Итак, тяжелый водород горит, а его зола — это гелий. Для того чтобы зажечь этот ядерный огонь, тоже необходима очень высокая температура, но она не столь высока, как для гелиевого огня (два дейтрона отталкиваются друг от друга слабее, чем два ядра гелия). И действительно, человеку удалось зажечь тяжелый водород, но пока только для целей разрушения в водородной бомбе[45].

Наиболее важно для нас горение обычного водорода (рис. 46).

Рис. 46. Восемь стадий сгорания водорода в гелий. а — четыре протона (ядра водорода) и четыре электрона (их движение символизируют прямые линии); б — два протона сблизились, образуя на мгновение дипротон; в — один ив протонов превращается в нейтрон (светлый кружок), испуская положительный электрон и нейтрино (положительный электрон встречает отрицательный и аннигилирует в световой вспышке, см. ниже, стр. 158); г — получается дейтрон и два протона; д — вторая пара протонов образует дипротон; е — дипротон радиоактивно превращается во второй дейтрон, как и в стадии в; ж — оба дейтрона сталкиваются; з — они образуют ядро гелия; выделившаяся энергия частично излучается (ореол), частично передается другим протонам (в последнем случае электроны не показаны).

Мы полагаем, что огонь такого рода горит в недрах Солнца и поддерживает Солнце горячим, давая ему необходимую энергию. Сразу не очевидно, каким образом может гореть водород, так как его ядра — это протоны, а для образования других ядер нужны и нейтроны.

Здесь вступает в игру таинственное явление — радиоактивность. В больших массах горячего водорода иногда случается, что два ядра — два протона— сближаются и временно образуют ядро, состоящее из двух протонов, — дипротон. Это соединение не очень устойчиво, но простые вычисления показывают, что один из двух протонов изредка испытывает радиоактивное превращение в нейтрон, и тогда в качестве конечного продукта получается дейтрон (протон плюс нейтрон), который в дальнейшем сгорает в гелий, как уже описывалось.

Итак, обычный водород в больших количествах и при высоких температурах тоже сгорает, превращаясь в гелий. Этот процесс идет очень медленно, потому что дейтроны должны образоваться до того, как начнется настоящее горение. Топливо медленно поступает по каплям. Таким образом, и этот результат мы можем считать лишь благодетельным: водородный огонь в Солнце выделяет и будет выделять тепло еще в течение миллиардов лет без опасности внезапного взрыва.

Основной процесс ядерного горения, т. е. образование больших ядер из меньших — углерода из гелия, гелия из дейтронов, называется ядерным синтезом, или слиянием. Существует еще один процесс, в котором можно получать ядерную энергию, — это деление тяжелых ядер. Он не очень важен для понимания процессов, происходящих во Вселенной, так как в природе он встречается очень редко. Однако недавно человеку удалось использовать его как для получения энергии в ядерных реакторах, так и для собственного истребления в атомных бомбах.

Ядерные силы, как мы видели, удерживают протоны и нейтроны в ядре. Но есть и разрушающая ядро сила, а именно сила электрического отталкивания между протонами. Во всех существующих ядрах эффект связывания ядерными силами больше действия разрушающей силы электрического отталкивания. В противном случае ядра не существовали бы. Но радиус действия ядерных сил очень мал; они проявляются только при очень малых расстояниях между частицами ядра, тогда как силы электрического отталкивания действуют на больших расстояниях. Если разделить ядро таким образом, чтобы две его части были разделены промежутком, хотя и малым, но превосходящим радиус действия ядерных сил, то эти части уже не будут притягиваться, а разлетятся под действием сил электрического отталкивания.

Обычно ядро «расщепить» очень трудно, но некоторые из очень тяжелых ядер, например ядро одного из изотопов урана или ядро искусственно приготовленного элемента плутония, почти готовы распасться сами по себе. Удара одного нейтрона достаточно, чтобы разбить ядро на две половинки, не соединенные друг с другом. Они разлетаются с большой энергией, нагревая всю окружающую их среду до высокой температуры. Это и есть процесс деления. Он идет так энергично, что при делении из ядра выбиваются один или два нейтрона, которые играют очень важную роль. В большом блоке материала, способного делиться, для возникновения реакции достаточно одного нейтрона.

Один нейтрон расщепляет первое ядро, выбитые нейтроны вызывают расщепление следующих ядер и т. д. до тех пор, пока не расщепится большая часть делящегося материала. Этот процесс мы называем цепной реакцией. Он может происходить только в блоке столь большого размера, чтобы выбитые вторичные нейтроны не вылетали из него, не успев расщепить другое ядро. Минимальный размер блока называется критическим; обычно это несколько килограммов материала. При ударе одного нейтрона в любом объеме делящегося материала, превышающем критический, развивается цепная реакция и возникает огромное количество энергии. Атомные реакторы — это устройства, в которых количество делящегося материала точно равно критическому (рис. 47).

Рис. 47. Схема брукхэвенского ядерного реактора.

Рис. 48. «Гриб», образующийся при взрыве атомной бомбы.

Две половинки ядра, полученные при делении, сами являются меньшими ядрами с аномальным отношением числа протонов к числу нейтронов. В большинстве случаев они содержат избыток нейтронов и поэтому радиоактивны. Вот почему ядерный реактор производит так много радиоактивных веществ.

«Квантовая лестница»

Рассмотрим теперь с более общей точки зрения то, что мы узнали о строении вещества. Поучительно взять специальный пример, в качестве которого мы выберем газ, состоящий из атомов. Большинство газов состоит из молекул, но некоторые элементы, например неон, натрий и литий, лишь с трудом образуют молекулы в газовой фазе. Эти атомарные газы известны нам по их применению в источниках света. Так называемые неоновые трубки, которые украшают наши улицы, наполнены атомами в газовой фазе: неоном, парами натрия или лития; каждая из них светится своим цветом, когда в трубке происходит электрический разряд. Все эти газы состоят из свободных атомов.

Допустим, что в трубке находятся пары натрия. При выключении тока температура газа совпадает с температурой окружающей среды. При этой температуре энергия теплового движения атомов составляет около 1/30 эв, что значительно меньше порога устойчивости атомов натрия. Поэтому, когда атомы сталкиваются друг с другом или со стенками, они отскакивают, как твердые бильярдные шары, не меняя своего квантового состояния. При этих температурах атомы ведут себя, как элементарные частицы: они не проявляют никакой внутренней структуры. Их электронные конфигурации остаются неизменными; все атомы совершенно одинаковы.

Повысим теперь температуру газа, возбудив в трубке электрический разряд. Когда энергия, переданная атомам разрядом, начинает превосходить предел устойчивости, возбуждаются другие квантовые состояния, кроме основного. Возвращаясь в наиболее низкое квантовое состояние, атомы испускают характеристическое излучение; так, атомы натрия дают желтый свет, атомы лития — красный. На этом различии характерных цветов основано разнообразие городских огней. Возбуждением атомов в высшие квантовые состояния начинается нарушение тождественности атомов. Уже не все атомы оказываются одинаковыми, одни из них находятся в основном состоянии, другие — в различных возбужденных состояниях.

Теперь повысим температуру так, чтобы энергия столкновения атомов начала значительно превышать предел их устойчивости и чтобы электроны совсем оторвались от атомов. Тогда все квантовые состояния разрушатся и электроны будут двигаться, как частицы, без характерных волновых картин. Газ переходит в состояние плазмы, где электроны и ядра движутся весьма стремительно и беспорядочно. Нельзя найти даже две одинаково движущиеся частицы; свет, испускаемый плазмой, не имеет характеристических частот — это обычное тепловое излучение. Однако атомные ядра и электроны все еще сохраняют свою индивидуальность и тождественность. Они представляют собой элементарные частицы плазмы.

Перейдем к еще более высоким температурам, значительно превышающим температуры, достигаемые в лаборатории, таким, при которых начинают разрушаться стеклянные или металлические стенки обычных сосудов. Пусть температура столь высока, что энергии частиц превосходят предел устойчивости ядер. Такие температуры существуют только в центрах звезд. При этом ядра теряют свою тождественность, некоторые из них перейдут в более высокие квантовые состояния и начнут испускать своё характеристическое излучение — гамма-лучи большой энергии. Если температура станет еще выше, то энергия частиц станет столь большой, что ядра начнут разваливаться на составные части. При этом полностью утрачивается индивидуальность ядер и вещество превращается в газ, состоящий из хаотически движущихся протонов и нейтронов, смешанных с электронами, оторванными от атомов при значительно меньших температурах. В таких условиях вещество станет смесью элементарных частиц трех сортов[46]: протонов, нейтронов и электронов, движущихся совершенно беспорядочным образом.