Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра

Зная атомную массу ядра, читатель без труда обнаружит следующий интересный факт. Если разделить энергию, связывающую протоны и нейтроны в ядре, на число частиц, то получится одно и то же число, а именно 8 МэВ, для всех ядер (кроме нескольких самых легких). Отсюда с несомненностью вытекает важное следствие: взаимодействуют лишь ближайшие протоны и нейтроны, т. е. ядерные силы действуют на коротких расстояниях. Они становятся практически равными нулю, если отойти от протона или нейтрона на расстояние порядка размера этих частиц (т. е. на 10^-13 см).

Величину 8 МэВ поучительно сравнить с энергиями химической связи молекул. Эти последние равны обычно нескольким электронвольтам на атом. Значит, для расщепления молекулы на атомы надо затратить энергию в несколько миллионов раз меньшую, чем для расщепления ядра.

Из приведенных примеров ясно, что ядерные силы достигают огромных значений. Очевидно также, что ядерные силы представляют собой новый класс сил, так как они способны сцеплять частицы, заряженные одноименным электричеством. Ядерные силы не сводимы к электрическим.

Закономерности, которым подчиняются эти два рода сил, весьма и весьма различны. Электромагнитные силы убывают медленно, и приборы фиксируют электромагнитные поля на огромных расстояниях от заряженных частиц. Напротив, ядерные силы убывают с расстоянием очень быстро. Практически за пределами ядра они прекращают свое действие.

Другое важное различие состоит в том, что ядерные силы (примерно так же, как химические валентные силы) обладают свойством насыщения. Каждый нуклон, т. е. протон или нейтрон, взаимодействует с ограниченным числом ближайших соседей. Для электромагнитных сил такого ограничения не существует.

Значит, существуют три рода сил: гравитационные, электромагнитные и ядерные? Пока на этот вопрос нельзя ответить с определенностью. Физикам известен и четвертый вид сил, который получил неудачное название «слабого взаимодействия». О нем мы не будем рассказывать читателю, тем более, что есть надежда свести это взаимодействие к электромагнитным силам.

ЭНЕРГИЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ

Мы выяснили два важных факта. Во-первых, между атомными ядрами могут происходить реакции по схемам, весьма схожим с теми, которые известны химикам; во-вторых, исходные ядра и возникшие новые частицы всегда будут несколько отличаться по массе (ибо сохраняется сумма массовых чисел, а не сумма масс ядер до и после реакции).

И кроме того, мы увидели, что самые ничтожные различия в массах будут сопровождаться выделением или поглощением огромных количеств энергии.

Энергии, которые выделяются или поглощаются при ядерных превращениях, не идут ни в какое сравнение с теплом химических реакций. Для образного сопоставления приведем следующие примеры. Один грамм угля при сгорании дает тепло, достаточное для того, чтобы нагреть до кипения полстакана воды. А вот какое количество тепла дает ядерное превращение: если бы удалось все ядра одного грамма бериллия разбить альфа-частицами, то выделилось бы тепло, достаточное для того, чтобы довести до кипения тысячу тонн воды.

Все это было превосходно известно Резерфорду и его сотрудникам. Но тем не менее Резерфорд считал совершенно неосуществимым использование ядерных реакций для практических целей (в то время никому из физиков не приходила в голову мысль о возможности цепных реакций). Подчеркнем, что в своем непредвидении революции, которую вызвало его открытие, он присоединился к Фарадею и Герцу, о чем уже упоминалось в 3-й книге как об интересной психологической загадке. Но так как мы знаем, что последовало за скромными опытами Резерфорда, то, разумеется, нам надо потратить немного места, дабы напомнить читателю, в чем состоит механизм выделения и поглощения энергии при реакциях.

Прежде всего мне хочется подчеркнуть не различие, а сходство химических и ядерных реакций.

Реакции такого типа, когда частицы А и В превращаются, в частицы С и D, выделяют или поглощают тепло в зависимости от того, образовались ли из медленных частиц быстрые или из быстрых медленные. Так дело обстоит в химических реакциях и точно так же в ядерных. И далее. Если из медленных частиц образовались быстрые, то, значит, кинетическая энергия системы возросла. Но закон сохранения энергии допускает это лишь в том случае, если потенциальная энергия системы уменьшилась. То есть в этом случае сумма внутренних энергий частиц А и В больше суммы внутренних энергий частиц С и D. Так обстоит дело в химических реакциях, точно так же ведут себя и внутренние энергии ядер.

Согласно закону Эйнштейна, уменьшение внутренней энергии однозначно связано с уменьшением массы. Увеличение внутренней энергии ведет к возрастанию массы. Так обстоит дело в химических реакциях, так обстоит дело и в реакциях ядерных.