Атомная крепость (Художник. И.Ефимов) - Иван Цацулин

Ученые обнаружили, что некоторые тяжелые элементы радиоактивны, то есть в этих элементах происходит ядерный самораспад с выделением сильного излучения. Почему же происходит самораспад некоторых элементов и какие лучи они при этом выделяют? Изучение строения ядра помогло нам ответить на эти вопросы. Известно, что заряженные частицы отталкиваются друг от друга электрическими силами. Стало быть, заряженные протоны, входящие в состав ядра атома, могли бы разорвать атом любого химического элемента, но этого не случается потому, что действие внутриядерных сил сцепления значительно больше. Чтобы добиться распада ядра такого, например, легкого элемента, как гелий, необходимо применить огромное внешнее усилие. Однако в ядрах тяжелых элементов наблюдается совсем другая картина — самораспад. Почему? Да потому, что их ядра имеют очень много частиц и содержат большое количество электрически заряженных протонов. Так, в ядре урана двести тридцать пять насчитывается девяносто два протона. Общая сила отталкивания этих девяносто двух протонов не только значительно ослабляет внутриядерные силы сцепления, но способна порой и разорвать ядро урана. Ядра радиоактивных элементов недостаточно прочны и поэтому сами, без всякого внешнего воздействия, постепенно превращаются в более простые и устойчивые ядра других элементов. Существуют целые цепочки подобных превращений элементов. Тот же уран в конце концов превращается в простой свинец. Все радиоактивные вещества, постоянно распадаясь, рано или поздно превращаются в элементы нерадиоактивные. Но этот самопроизвольный распад радиоактивных элементов — в большинстве случаев процесс весьма длительный. Достаточно сказать, что если, например, взять один грамм радия, то половина его распадется лишь через тысячу пятьсот девяносто лет, а еще через тысячу пятьсот девяносто лет радия останется четверть грамма… Для распада урана двести тридцать восемь требуется четыре с половиной миллиарда лет.

Однако ядро атома радиоактивного вещества может быть разрушено и другим путем, ну, скажем, если в очищенный от примесей уран двести тридцать пять попадет нейтрон. Нейтронов в ядре урана такой избыток, что всегда находится свободный или так называемый «блуждающий нейтрон», а проникнуть в ядро атома нейтрону легче всего — ведь он нейтрален, электрические силы отталкивания со стороны положительно заряженного ядра атома не в состоянии «оттолкнуть» его, и нейтрон вторгается в ядро. Что же затем происходит? Ядро мгновенно взрывается, раскалывается надвое, и осколки его разлетаются в противоположные стороны со страшной скоростью — до пятнадцати тысяч километров в секунду. При этом из ядра выбрасывается не менее трех новых нейтронов, которые попадают в ядра других атомов и взрывают их. Лавина распада, или как ее принято называть — цепная реакция деления, нарастает, и при наличии определенного количества урана, если ее не регулировать, она обязательно приведет к взрыву колоссальной силы.

При самопроизвольном распаде не только урана, но и радия, полония, тория из их атомов с громадной скоростью вылетают тяжелые альфа-частицы, являющиеся атомами другого вещества — гелия, и легкие — бета-частицы, которые представляют собой электроны. Напомню вам, друзья, что электрический ток есть не что иное, как поток электронов… Радиоактивный распад с выделением тяжелых и легких частиц сопровождается мощным излучением исключительно коротких электромагнитных волн, — гамма-лучей, которые обладают проникающей силой, в сотни раз превышающей лучи Рентгена. Радиоактивное излучение очень опасно для жизни человека, вот почему при исследованиях, например, в Института ядерных исследований и на нашей атомной электростанции Академии наук приняты все меры к защите человека бетоном и сталью от губительного излучения, а управление радиоактивными процессами производится дистанционно, то есть на расстоянии, иногда даже из другого помещения.

— Вот тебе «черная магия», — заметил Вадим, обращаясь к Сахно. Тот задумчиво тряхнул головой.

— Каково же полезное действие, например, от одного килограмма урана? — обратился он к ученому.

— В результате деления ядер одного грамма урана, не килограмма, а грамма, выделяется двадцать один миллион килокалорий тепла, это в три миллиона раз больше энергии, получаемой при сжигании одного грамма хорошего каменного угля, иными словами, чтобы заменить энергию одного грамма урана, потребовалось бы сжечь три тонны каменного угля. Килограмм урана обладает энергией, равной двадцати пяти миллионам киловатт-часов, и дает энергию, способную заменить труд нескольких десятков миллионов человек в течение целого рабочего дня. Для того, чтобы дать столько электроэнергии, электростанция должна предварительно сжечь много тысяч тонн угля.

— Экую силу взнуздали наши ученые! И как только справились, — сказал Сахно.

— Справились… — профессор посмотрел сквозь окно палатки в темное, покрытое мерцающими звездами небо. — Не пора ли спать?

Сахно возразил:

— Александр Иванович, вы рассказали нам о загадке атома, но хотелось бы услышать и о том, как именно из ядра добывается атомная энергия… Ведь вы сами сказали, что на распад радиоактивных веществ иногда требуются миллиарды лет.

— Хорошо, — согласился Ясный. — Так вот, первейшей задачей ученых и было заменить длящийся миллионы и миллиарды лет естественный атомный распад искусственным делением ядра, происходящим в течение ничтожнейших долей секунды. Но тут возникла другая трудность — цепная реакция в куске урана завершается взрывом в течение всего одной миллионной доли секунды… Стало быть, второй задачей являлось научиться управлять цепной реакцией, регулировать ее, не доводить до взрыва, который нужен только в бомбе.

Итак, добывается атомная руда, так называемая урановая смолка, очищается от примесей… Естественный уран представляет собой смесь трех изотопов, то есть трех разновидностей урана, единых по химическому составу, однако отличающихся по количеству нейтронов в ядре атома. Изотопов урана двести тридцать пять, в котором только и возможно возникновение цепной реакции, в этом естественном уране находится всего ноль целых семь десятых процента. Остальные девяносто девять три десятых приходится в основном на уран двести тридцать восемь и на совершенно ничтожное количество урана двести тридцать четыре.

Разновидность урана — уран двести тридцать восемь не только не вступает в цепную реакцию, но даже мешает или совершенно не дает ей возникнуть в уране двести тридцать пять. Вот почему первым делом ученым пришлось решать сложную задачу: научиться отделять уран двести тридцать пять от урана двести тридцать восемь. Это — труднейшая задача, друзья, ведь как я уже говорил вам, изотопы ничем не отличаются друг от друга по химическому составу, а раз так, то и отделить их друг от друга можно лишь физическим методом, с учетом ничтожной разности в весе ядер и атомов. Как вы понимаете, оперировать в заводском масштабе с ультрамикроскопическими величинами — занятие сложное. Но и это затруднение было преодолено.