Атомная проблема - Филлип Рэн

Каждый элемент обозначается определенным символом, например, кислород — О, водород — Н, уран — U. У этого символа в виде индексов указываются:

а) атомный номер, обозначаемый буквой Z. Атомный номер соответствует номеру клетки, которую занимает данный элемент в таблице Менделеева. Например, водород имеет атомный номер 1, гелий — 2, литий — 3, кислород — 8, уран — 92, плутоний — 94;

б) массовое число А, представляющее собой округленный до целых единиц атомный вес того или иного элемента. Так, массовое число водорода будет равно 1, а урана — 238.

Поэтому в ядерной физике каждый элемент обозначается следующим образом: zXA.

В ядерной физике встречается также понятие грамм-атома. Грамм-атом какого-либо элемента — это число граммов этого элемента, соответствующее его атомному весу. Таким образом, 1 грамм-атом водорода равен 1,008 г, а 1 грамм-атом урана — 238,07 г. Необходимо отметить, что в грамм-атоме любого элемента содержится всегда одно и то же количество атомов. Это количество, называемое числом Авогадро, равно примерно 6 .1023 (то есть 6 с 23 нулями).

Теперь необходимо хотя бы коротко остановиться на строении атома.

II. Строение атома

Каждое химическое вещество состоит из однородных частиц, называемых молекулами. Если разложить молекулу на более элементарные составные части, мы получим атомы.

Атом принято схематически изображать в виде ядра с вращающимися вокруг него электронами. Ядро состоит из двух видов элементарных частиц (нуклонов): протонов, несущих положительный электрический заряд, и нейтронов, не имеющих никакого электрического заряда. Вокруг ядра вращается целый рой отрицательно заряженных электронов, расположенных в несколько слоев.

1. Атомный номер Z и массовое число А.

Количество протонов, содержащихся в ядре того или иного элемента, равно атомному номеру Z этого элемента. Например, в ядре водорода и его изотопов содержится всего один протон, а в ядре урана — 92 протона. Поэтому водород имеет атомный номер 1, а уран — 92.

Атом электрически нейтрален. Поскольку величина электрического заряда протона равна величине заряда электрона, который называется элементарным зарядом, можно сделать вывод, что число протонов в ядре равно числу электронов, вращающихся вокруг ядра. Следовательно, атомный номер элемента дает возможность судить как о количестве протонов, так и о количестве электронов, содержащихся в атоме этого элемента.

Массовое число А соответствует количеству нуклонов или общему числу протонов и нейтронов в ядре того или иного элемента.

В ядре легкого водорода содержится всего один протон, вокруг которого вращается один электрон. В ядре дейтерия, кроме протона, имеется 1 нейтрон, что в сумме составляет 2 частицы, а в ядре трития — 2 нейтрона, то есть всего 3 частицы. Поэтому мы обозначаем эти изотопы так: легкий водород — iH1, дейтерий — iH2, тритий — iH3.

Из 11 изотопов урана 3 изотопа (с атомным весом 234, 235 и 238) являются естественными.

Содержание урана 235 в природном уране составляет 1/140, а урана 238 — 139/140. Это означает, что на каждые 140 ядер природного урана приходится всего одно ядро урана 235, а остальную массу его составляет уран 238. Что касается урана 234, то в природном уране можно обнаружить лишь его следы.

В ядре урана 235 насчитывается 235 нуклонов. Поскольку число протонов в ядре урана равно 92, простым вычитанием можно определить количество нейтронов, которое в ядре урана 235 будет равно 143. Уран 238 отличается от урана 235 тем, что в его ядре на 3 нейтрона больше. Эти 3 естественных изотопа урана можно обозначить следующим образом: 92U234, 92U235, 92U238.

Плутоний, который в таблице Менделеева стоит в 94-й клетке, имеет массовое число 239. Это означает, что ядро плутония содержит 94 протона и 145 нейтронов.

Следовательно, количество нейтронов любого элемента равно разности А — Z.

Число нейтронов в ядрах легких элементов, как правило, примерно равно числу протонов. Что касается тяжелых элементов, то в их ядрах нейтронов больше, чем протонов.

2. Размеры атома и ядра.

Радиус атома выражается числом порядка 10-8 см, что соответствует десяти тысячным микрона (микрон равен тысячной доле миллиметра), радиус ядра равен примерно 10-13 см, или одной миллиардной доле микрона. Иными словами, атом в 100 тыс. раз больше его ядра. Из этих цифр можно сделать вывод, что между ядром и электронной оболочкой ничего нет — «вещество заполнено пустотой»[1].

Необходимо сделать еще одно важное замечание: почти вся масса атома сосредоточена в ядре. Чтобы проиллюстрировать необычайную плотность ядра, скажем, что 1 см3 ядер урана весит более 100 млн. т!

Конечно, представить себе такую громадную плотность очень трудно.

3. Сложное строение атома.

Схема атома, которую мы дали выше, очень упрощена. На самом же деле, кроме тех частиц, о которых мы уже говорили, существуют еще положительно заряженные электроны, называемые позитронами, а также отрицательно заряженные протоны, или антипротоны. Сейчас ученые говорят даже об антинейтронах. Действительно, в некоторых случаях протоны передают свой заряд нейтронам. Следовательно, эти две частицы могут в определенных условиях превращаться из одной в другую. Кроме того, они связаны между собой особыми силами, носящими название ядерных сил, природа которых мало изучена. Не подлежит сомнению, что все эти понятия со временем будут уточнены и, может быть, ученым удастся обнаружить новые частицы, более элементарные, чем известные нам сегодня.

Все так называемые «классические» свойства элементов (химические, электрические, магнитные) обусловливаются числом электронов и структурой электронной оболочки. Лишь явления радиоактивности и превращения элементов связаны с изменениями внутри ядра. Электроны должны рассматриваться одновременно и как материальные частицы, и как волны; эта их двойственная природа легла в основу квантовой механики, принципы которой были сформулированы в 1924 году Луи де Бройлем.

III. Закон взаимосвязи массы и энергии

1. Формула Эйнштейна.

Мы знаем, что существует закон сохранения массы: «Ничто в природе не пропадает бесследно и не создается из ничего, все превращается». С другой стороны, известно, что есть закон сохранения энергии. Энергия проявляется в различных формах, причем тепловая энергия является самой последней из них. Это было доказано Джоулем еще лет сто тому назад.

В 1905 году Эйнштейн, который в то время служил в Федеральном бюро патентов в Берне, опубликовал три статьи, имевшие огромное значение не только для развития физики, но и для всей современной науки. Рассматривая в одной из своих статей специальную теорию относительности, Эйнштейн доказал эквивалентность массы и энергии. Масса и энергия, по Эйнштейну, являются выражением одной и той же сущности, и это дает основание говорить, что энергия = массе.

Но, чтобы получить действительное равенство, необходимо ввести поправочный коэффициент, а именно квадрат скорости света, обозначаемой буквой с. Тогда формула Эйнштейна примет следующий вид: Е = т . с2, где т — масса покоя. Эта формула, кстати, близка формуле кинетической энергии Е = т v2 (с примерно постоянным коэффициентом).

2. Объяснение формулы Эйнштейна.

При пользовании формулой Эйнштейна необходимо особенно внимательно следить за правильностью единиц измерения. В системе CGS, где длина выражается в сантиметрах, масса — в граммах, а время — в секундах, Е измеряется в эргах, иногда в джоулях (1 дж = 107 эрг), m — в граммах, а с — в сантиметрах в секунду. Тогда получится, что с — 3 . 1010 см/сек, а с2 = 9 . 1020, или с2 ≈ 1021.

Следовательно, в системе единиц CGS формула Эйнштейна принимает следующий вид: Е = 1021 т. Необходимо особо подчеркнуть громадную абсолютную величину коэффициента 1021.

Закон сохранения массы остается действительным и в том случае, если мы имеем дело не только с одной массой, а с массой и энергией в их совокупности. Можно сказать, что вся энергия ядра соответствует его массе, а высвобождение ядерной энергии, которое в основном происходит в виде излучений, выражается разностью массы.

а) Следовательно, для того чтобы «получить» некоторое количество энергии, нужно «затратить» какое-то количество массы. Иначе говоря, необходимо, чтобы реакция сопровождалась «дефектом» (убылью) массы.

Учитывая громадную абсолютную величину коэффициента с2, нетрудно видеть, что при незначительном дефекте массы достигается получение большого количества энергии.

Возьмем для примера Солнце. Ежесекундно на Солнце 570 млн. т водорода превращаются в 566 млн. т гелия. Следовательно, это превращение происходит с дефектом массы в 4 млн. т, которые выделяются в виде энергии и являются «горючим» Солнца. Такой дефект массы по нашим понятиям является огромным, но, принимая во внимание то обстоятельство, что масса Солнца равна 2 1027 т, можно сделать вывод, что запасов солнечного «горючего» хватит на несколько миллиардов лет.