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.
