В первой части этой книги, в очерке «Начальные условия» уже шла речь о ноозонах, о тех областях, где законы одного ряда явлений переходят в иные законы, специфические для другого ряда, несводимые к первым. Теперь мы можем проиллюстрировать подобные переходы и вместе с тем показать, что именно здесь — наиболее пластичные зоны, где целесообразная деятельность человека создает начальные условия, упорядочивает мир, создает исходную негэнтропию, предопределяющую в той или иной мере ход объективных процессов. В современной науке и технике ноозонами становятся такие звенья иерархии дискретных частей вещества, которые раньше не могли испытать упорядочивающее воздействие человека. Сейчас речь пойдет об атомном ядре и ядерных реакциях. Здесь создается зона перехода от законов и соотношений, определяющих существование стабильных ядер, к законам деления и синтеза ядер, их превращения в иные ядра. Для реакций ядерного деления существенно наличие некоторой критической массы, при которой деление ядер приобретает характер цепной реакции. Получение делящегося вещества в блоках критической массы — пример создания начальных условий, предопределяющих ход используемого процесса. В случае синтеза ядер начальные условия включают очень высокую температуру. В обоих случаях речь идет о такой перекомпоновке исходных, начальных условий, при которой начинается заранее представимый (и поэтому могущий играть роль цели человеческой деятельности) процесс. Создание блоков делящегося урана или плутония в сущности аналогично созданию концентрированного перепада потенциала воды в верхнем и нижнем бьефах у плотины или перепаду температуры между котлом и конденсатором паровой машины. Только в ядерной энергетике мы сталкиваемся с несравненно большими концентрациями энергии, с несравненно большими перепадами, с пластичной, допускающей целесообразное вмешательство структурой в очень малых пространственно-временных областях. Однако здесь лучше остановиться и вспомнить о читателях, которые ожидают пояснений, чтобы понять, о чем идет речь, о каких ядрах, о каких процессах деления и синтеза. Таких читателей, вероятно, меньшинство: представления о ядерных процессах, освобождающих 2,2 тыс. квтч из каждого грамма делящегося вещества, сейчас широко распространены. Но интересы меньшинства должны учитываться, и краткие пояснения здесь уместны.

Теория относительности связала энергию тела с его массой соотношением Е = mс². Это соотношение впоследствии позволило объяснить один важный результат ядерной физики. Масса ядра немного меньше, чем сумма масс ядерных частиц — протонов и нейтронов, из которых состоит ядро. Разность (ее назвали «дефектом массы») у одних элементов больше, у других меньше. С точки зрения теории относительности эту разность можно связать с энергией связи частиц в ядре, объяснить разностью энергии ядерных частиц, взятых порознь (т. е. суммарной энергией распавшегося ядра, суммарной энергией еще не соединенных воедино частиц, из которых состоит ядро), и полной энергией ядра. Энергия ядра меньше суммы энергий составляющих его частиц, поэтому и масса его меньше суммы масс частиц. Когда частицы соединяются в ядро, освобождается энергия и соответственно уменьшается масса. В одних ядрах частицы упакованы более компактно, разность между энергией ядра и суммарной энергией частиц, составляющих это ядро, здесь относительно больше и соответственно дефект массы больше. В ядрах других элементов частицы упакованы не так компактно и дефект массы меньше. Разумеется, речь идет не о различии, зависящем от сравнительной величины ядер (они могут состоять из нескольких частиц, из нескольких десятков частиц, вплоть до самых тяжелых элементов, где в ядрах сгруппировано больше двухсот частиц), а о дефекте массы, приходящемся на одну частицу, об удельном дефекте массы.

Предположим, что мы перегруппировали частицы и уложили их в ядре так, что дефект массы возрос. Тогда за счет подобной более компактной, более экономной упаковки часть энергии освободится. Каким переходам от одного элемента к другому соответствует такое освобождение энергии?

Таблица Менделеева начинается водородом, атомное ядро которого состоит из одного протона. Здесь дефект массы, конечно, отсутствует. У следующего элемента, гелия, ядро состоит из двух протонов и двух нейтронов, здесь есть значительный дефект массы, и синтез ядер гелия из ядер водорода (т. е. протонов) и нейтронов освободил бы относительно большое количество энергии. В середине таблицы Менделеева находятся элементы с большим удельным дефектом массы, чем в начале таблицы, у легких элементов, и большим, чем в конце таблицы, у тяжелых элементов. Поэтому, разделив ядро урана (238 ядерных частиц) на два ядра по 115–120 ядерных частиц, мы перешли бы к более экономной упаковке частиц и соответственно большему удельному дефекту массы. Энергия при этом выделилась бы. Такое выделение энергии освободило бы только небольшую часть энергии, соответствующей всей массе вещества. Здесь еще не используется энергия, близкая к массе частиц, умноженной на квадрат скорости света. Но освобождающаяся при таком делении энергия в миллионы раз больше, чем энергия, получаемая из того же количества вещества при перегруппировке атомов в молекулах, например при сгорании топлива. В атомной физике энергия обычно измеряется электронвольтами (эв). Электронвольт — это энергия одного электрона, которую он приобретает, пройдя разность потенциалов в один вольт. При делении одного ядра урана выделяется 200 млн. эв энергии — в несколько миллионов раз больше, чем. приходится на один атом при выделяющих энергию химических реакциях, например при горении топлива. Один грамм урана дает больше тепла, чем три тонны сгорающего угля.

Практическая возможность перегруппировки ядерных частиц в ядра с большим дефектом массы и использования разницы в дефекте массы стала вырисовываться в 30-е воды. В начале 30-х годов были открыты уже упоминавшиеся частицы, не имеющие электрического заряда, — нейтроны. Лишенные заряда, они не испытывают кулоновского отталкивания со стороны ядер и могут легко проникать в ядра и вызывать ядерные реакции. До конца 30-х годов были известны лишь ядерные реакции радиоактивного распада, при которых из ядра вылетают одна или несколько ядерных частиц и элемент переходит в соседнюю или близкую клетку таблицы Менделеева. В 1939 г. выяснилось, что при бомбардировке урана нейтронами ядро урана раскалывается на две почти равные половины — атомные ядра элементов, стоящих в середине таблицы Менделеева. Разница в дефекте массы уже указана — 200 млн. эв, так что на каждую ядерную частицу приходится около миллиона электрон-вольт «экономии». Освобождение этой энергии (соответствующее уменьшению массы ядра урана при его расщеплении) в виде кинетической энергии осколков урановых ядер и в виде излучений сопровождается вылетом из делящихся ядер новых нейтронов, которые попадают в другие ядра, и таким образом при известных условиях возникает цепная реакция, иначе говоря, первый же нейтрон (а они могут возникать в уране спонтанно либо под действием космических лучей) вызовет деление всей массы урана.

Цепная реакция не прекращается, если при делении ядра выделится число нейтронов, в среднем большее единицы, т. е. на каждый затраченный нейтрон выделится больше одного нового нейтрона. Развитию цепной реакции мешает захват нейтронов ядрами, которые при захвате не делятся. Если из каждой группы выделившихся новых нейтронов слишком много нейтронов будет захвачено ядрами без деления этих ядер, цепной реакции не произойдет. Обычный природный уран состоит в основном из двух изотопов: урана-238 с 238 ядерными частицами и урана-235 с 235 частицами (есть еще третий изотоп — уран-233 с 233 частицами; его в природном уране совсем мало). Урана-238 в 140 раз больше, чем урана-235. Ядра этих изотопов по-разному реагируют на попадание медленного (с энергией не больше 2 млн. эв) нейтрона. В уране-238 ядра, захватывая такой нейтрон, превращаются в ядра нового изотопа — урана-239. Таким образом, они не распадаются. Каждый новый нейтроне имеет во много раз больше шансов быть захваченный ядром урана-238, чем вызвать деление и участвовать 9 цепной реакции.