Проф. К П. ЯКОВЛЕВ
Последний период в истории физики, физики XX в., характеризуется целым рядом крупнейших открытий, которые заставили совершенно изменить прежние, казалось бы, вполне установившиеся представления об атомах, о строении тел, об энергетических процессах и т. д. Одним из таких фундаментальных завоеваний физики последнего времени можно считать установление соотношения между массой тела и его энергией.
Наше время сумело объединить оба эти закона, доказав эквивалентность энергии и массы. Мы принимаем в настоящее время, что масса тела служит мерой его энергии и что по существу эти величины тождественны. Изменение массы тела сопровождается соответствующим изменением энергии этого тела. Коэфициент для перехода от массы к энергии оказался равным очень большому числу. Поэтому массу приходится рассматривать как колоссальное скопление энергии. Если бы мы сумели например 1 г какого-нибудь тела превратить в энергию, то получили бы приблизительно 20 млрд. больших калорий. В одной капле воды содержится энергия, достаточная для того, чтобы давать 200 л. с. в течение года.
Отсюда видно, какое глубокое изменение произошло в последнее время в наших основных представлениях о массе и энергии и какие громадные возможности оно раскрывает перед нами. Вся энергетическая проблема могла бы получить совершенно иное направление, если бы мы сумели создать те процессы, при которых хотя бы частично происходит превращение материи в энергию.
Разумеется, все эти расчеты могли бы казаться совершенно беспочвенными и фантастичными, если бы мы не встретились с другим основным завоеванием физики последних лет — с фактами распада и превращения атомов.
Физика уже давно отказалась от прежних взглядов на атомы, как на неделимые и неизменяемые элементы тел. Ряд новых открытий заставил нас создать для атома новую модель. Мы рассматриваем в настоящее время атом как сложную систему, в которой имеется, во-первых, центральная часть — ядро атома, где сосредоточена его масса (это тяжелая часть атома, с положительным электрическим зарядом), и, во-вторых, внешняя периферийная зона, в которой расположены отрицательные электрические заряды — электроны; электроны непрерывно вращаются около ядра по определенным орбитам.
Еще давно было замечено, что среди электронов внешней зоны могут происходить некоторые изменения и перегруппировки. Так, если тело нагрето до высокой температуры и испускает лучи света, то этот процесс сопровождается переходом электронов внешней зоны с одной орбиты на другую.
Вместе с тем однако было обнаружено, что при некоторых условиях могут происходить изменения не только во внешней, периферийной зоне атома между, ее электронами, но и в его центральной части, внутри ядра. Эти изменения сопровождаются частичным выделением внутриатомной энергии в виде особого излучения. Впервые такие процессы наблюдались в явлениях радиоактивности.
Радиоактивные тела — элементы с большим атомным весом (уран, радий и др.) — отличаются тем, что непрерывно выделяют особое излучение. При этом они превращаются в более легкие элементы и в конечном результате образуют нерадиоактивные тела — гелий и свинец. Энергия, выделяемая в виде этого радиоактивного излучения, представляет собой часть внутриатомной энергии радиоактивных тел. Количество выделяемой энергии оказалось колоссальным. Например один грамм радия при своем распаде выделяет приблизительно полмиллиона больших калорий.
Однако непосредственно использовать радиоактивный процесс как источник энергии пока не удается. Объясняется это двумя причинами. Во-первых, общее количество радиоактивных руд на земле очень невелико. Все количество радия например, которое удалось добыть до настоящего времени, измеряется лишь десятками грамм. Во-вторых, распад основных радиоактивных элементов, например радия, совершается крайне медленно, обнимая промежутки времени в несколько тысяч лет. Таким образом мощность имеющихся в нашем распоряжении радиоактивных препаратов, т. е. количество энергии, выделяемой ими в одну секунду, оказывается ничтожно малой.
Все попытки воздействовать на радиоактивные процессы внешними факторами — температурой, давлением — оказались совершенно безрезультатными. Ни ускорить, ни замедлить радиоактивный распад мы не можем, иными словами, радиоактивные процессы мы можем только наблюдать, но управлять ими мы еще совершенно не в состоянии.
Основное значение радиоактивных явлений заключается в том, что мы впервые здесь встретились с внутриатомными процессами и выделением внутриатомной энергии. Мы подучили прямое и непосредственное доказательство того, что атом следует рассматривать как энергетический фактор, который при некоторых процессах выделяет свою энергию. Вместе с тем мы убедились в том, что атомы тяжелых элементов построены из более легких атомов и составными частями тяжелых атомов служат атомы гелия и электроны.
В результате изучения радиоактивных процессов перед наукой, как видно из предыдущего, встала весьма важная задача — добиться искусственного воспроизведения атомного распада или разрушения атомных ядер обычных нерадиоактивных элементов. Возникла проблема искусственного превращения элементов. По аналогии с радиоактивными явлениями можно было предполагать, что при подобных процессах будет также выделяться часть внутриатомной энергии. На основании этих соображений необходимо было исследовать количественную сторону превращения элементов, т. е. научиться составлять уравнение энергетического баланса таких внутриатомных реакций.
Задача оказалась чрезвычайно трудной и сложной. Эта трудность объяснялась не тем, что атомы непосредственно невидимы, и не тем, что, оперируя с отдельными атомами, приходилось прибегать к очень тонким и точным методам наблюдения. Современная лабораторная техника достигла высокого совершенства и не боится самых точных экспериментов. В настоящее время выработаны методы, которые позволяют непосредственно видеть, фотографировать, а значит и изучать пути отдельных атомов, если последние очень быстро движутся. Можно также исследовать и явления взаимного столкновения атомов. Это оказалось возможным потому, что атом, быстро движущийся в воздухе, насыщенном водяными парами, оставляет за собой совершенно отчетливый след своего пути, который можно и видеть и фотографировать. Впервые это удалось осуществить при помощи особого прибора, известного в настоящее время под именем камеры Вильсона.
Сложность проблемы искусственного разрушения атомных ядер объяснялась другими причинами. Так как внутриатомные явления мы объясняем электрическими силами, то несомненно, что внутри атомного ядра создаются мощные электрические поля, напряжением в несколько десятков миллионов вольт. Для того чтобы вызвать разрушение атомного ядра, необходимо было преодолеть действие его электрических полей, т. е. необходимо было иметь в своем распоряжении электрические поля таких же сверхвысоких напряжений или же какие-нибудь другие источники энергии колоссальной мощности.
 |
| Путь протона в магнитном поле при одновременном действии на его электрического поля |
Однако применять ядра гелия для разрушения атомов оказалось очень затруднительным. Поэтому были сделаны попытки искусственного создания пучков быстро движущихся атомов, например протонов, обладающих столь же большой кинетической энергией, как и ядра гелия, вылетающие при радиоактивном распаде. Вначале казалось, что этот вопрос можно решить, применяя сверхвысокие потенциалы. Большие и чрезвычайно сложные работы, проделанные в этом направлении, показали, что получать такие сверхвысокие напряжения мы можем. Попытка использовать для этих целей грозовые явления в атмосфере привела к заключению, что этим методом возможно получить разность потенциалов до 16 млн. вольт.
Но применить эти сверхпотенциалы, освоить их даже в лабораторных условиях оказалось делом чрезвычайно трудным. Поэтому исследователи принялись за разработку иных методов получения сверхбыстрых пучков протонов без применения сверхвысоких напряжений. Поиски таких методов увенчались успехом. Теперь мы можем, применяя напряжение лишь в несколько тысяч вольт, сообщать протонам такие скорости, которые они могли бы приобрести только под действием потенциалов в несколько миллионов вольт.
При исследовании действия таких быстрых протонов на различные элементы недавно были сделаны открытия, которые составляют эпоху в истории науки. Было доказано, что при ударе протона об атом лития протон поглощается последним, но одновременно атом лития разрушается, образуя два атома гелия. Таким образом мы имеем дело несомненно с фактом искусственного превращения элементов: литий превращается в гелий. Дальнейшие работы показали, что атомы бора при ударе быстрых протонов также разрушаются.
Первые измерения показали, что кинетическая энергия, с которой атомы гелия разлетаются при разрушении атома лития протоном, во много раз больше кинетической энергии протона до удара. Это можно объяснить только выделением части внутриатомной энергии лития. Вместе с тем оказалось, что массы двух атомов гелия, на которые распадется атом лития, меньше, чем масса атомов лития и протона вместе взятых, т. е. масса продуктов распада уменьшается за счет выделившейся энергии.
Описываемые работы вызвали исключительный интерес, тем более, что одновременно были сделаны еще новые неожиданные открытия. Были обнаружены новые составные части атомов: во-первых, электрические элементарные заряды, во всем подобные электронам, но с положительным знаком заряда; их назвали позитронами; во-вторых, нейтральные частички с массой, равной приблизительно массе протона, но без свободного электрического заряда, их стали называть нейтронами.
Из всех методов, предложенных для получения пучков быстрых протонов, наиболее интересным и универсальным следует считать электромагнитный метод, разработанный впервые в Америке. Этот метод основан на применении одновременного действия на протоны магнитного и электрического полей. Описывая в магнитном поле большое число оборотов спирали, протоны получают при каждом обороте ускорение от электрического поля. Таким образом скорость протонов постепенно увеличивается и может быть доведена до колоссальной величины. Такие скорости протоны могли бы получить лишь под действием электрических полей с напряжением в несколько миллионов вольт.
Для электромагнитного метода необходима весьма сложная и в то же время безукоризненно работающая аппаратура. Необходимо получить в высшей степени равномерное и постоянное магнитное поле, которое вместе с тем должно быть очень сильным. Подобные магнитные поля можно получать, применяя чрезвычайно мощные электромагниты специального типа.
Электромагнитный метод приобретает в последнее время широкую популярность. В частности в нашем Союзе при широко развернувшихся у нас работах по изучению внутриатомных явлений и искусственному превращению элементов этот метод разрабатывается в Ленинграде и в Москве (в Институте физики Московского университета).
В Московском институте физики сконструирован специальный электромагнит для получения пучков быстрых протонов. Он рассчитан на значительно большую мощность пучка протонов, чем электромагнит, применявшийся в американских работах по разложению атомного ядра. Общий вес нашего электромагнита достигает пяти тонн. Чтобы намагнитить эту массу железа до насыщения, для обмотки электромагнита требуется более тонны медного провода.
Этот мощный электромагнит и некоторые усовершенствования в электрической части установки дают возможность сообщить протонам такие скорости, которые они смогли бы приобрести под действием потенциала в четыре-пять миллионов вольт.
Эта установка предназначена для опытов по разложению атомных ядер лития и бора, а затем и других элементов. Установка будет снабжена камерой Вильсона, которая позволяет не только наблюдать процессы распада атомов, но и фиксировать их на фотографической пластинке.
Детальное количественное исследование внутриатомных процессов оказалось возможным благодаря необычайно точным измерениям атомных весов элементов, выполненным в последнее время. Это позволяет весьма точно подсчитывать энергетический баланс внутриатомных реакций, т. е. определять, сколько энергии освобождается при распаде или образовании атомных ядер.
Возьмем например атом гелия. Мы уверены, что он является сложной системой и состоит из четырех атомов водорода. Система эта оказывается очень прочной, и разрушить ее мы пока еще не в состоянии. Трудность разложения атома гелия становится вполне понятной, если принять во внимание, что по новейшим данным атомный вес гелия несколько меньше учетверенного атомного веса водорода. Объяснить это можно только тем, что при образовании атома гелия из четырех атомов водорода произошло некоторое уменьшение массы, или, как говорят, имел место дефект массы, которая очевидно выделилась в виде энергии. Подсчеты показывают, что количество энергии, выделяющееся при образовании гелия из водорода, должно быть колоссальным. Для грамма гелия эта энергия например должна измеряться миллиардами больших калорий. Таким образом если бы мы сумели осуществить процесс превращения водорода в гелий, то получили бы источник колоссальной энергии.
Эти подсчеты могут показаться совершенно фантастическими, совершенно лишенными практического значения. Можно было бы думать, что когда-то, в очень отдаленные эпохи, во вселенной произошло однажды формирование всех элементов. Эти элементы оказались затем в настолько устойчивом состоянии, что дальнейший процесс их образования или видоизменения уже невозможен. Однако явления радиоактивности и тщательное изучение космических лучей опровергают такое предположение. При радиоактивных процессах мы наблюдаем превращение одних элементов в другие (например урана и радия в свинец и гелий).
Что же касается космических лучей, то хотя они во многом остаются для нас еще не вполне понятными, однако некоторые выводы на основании их уже можно сделать. Так космические лучи имеют совершенно исключительную проницательную способность, или, как принято говорить, жесткость. Они далеко превосходят в этом отношении самые жесткие лучи радиоактивных тел. Это определенно говорит о том, что космические лучи могут возникать только при таких внутриатомных процессах, при которых происходит выделение энергии еще несравненно большей, чем при радиоактивном распаде. Подсчеты показывают, что те количества энергии, которые могли бы вызвать возникновение излучения с жесткостью космических лучей, могут образоваться только при внутриатомных реакциях, подобных образованию гелия из водорода или даже при непосредственном превращении массы протона в излучение. Поэтому необходимо допустить, что возникновение новых атомов совершается где-то во вселенной и в настоящее время, как это показывают космические лучи, только физические условия, при которых эти процессы образования новых элементов могут происходить, пока нам еще совершенно неизвестны.
Без преувеличения можно оказать, что физика атома и атомных ядер становится центральной проблемой современной физики вообще. Наше время решило вековую задачу алхимии — задачу искусственного превращения элементов. Но мы приходим к ее решению не с точки зрения средневековых алхимиков, не в погоне за искусственным получением золота. Мы видим в ней энергетическую проблему, завоевание одного из новых источников энергии, источника колоссальной мощности и колосальных возможностей. Интенсивные работы по изучению внутриатомных процессов, которые ведутся сейчас почти во всех странах, несомненно принесут в ближайшем будущем новые, совершенно непредвиденные открытия столь же изумительные, как и открытия последних лет.
Комментариев нет:
Отправить комментарий