Вольдемар Смилга - Очевидное? Нет, еще неизведанное…

Это оказывается довольно очевидным, если только вспомнить основное соотношение: Е = mc 2. Стоит немного изменить сомножитель m (массу), чтобы значительно изменилась энергия E .

Масса значительно «дороже» энергии. Один грамм массы эквивалентен «астрономической» энергии E = 1 г · 9 · 10 20 см 2/ сек 2 = 9 · 10 20эргов. И обратно, один эрг энергии соответствует смехотворно малой массе 1/9 · 10 20грамма.

Энергия, соответствующая массе в один грамм, колоссальна. Такой кинетической энергией обладает ракета с массой примерно 1500 тонн, посланная со скоростью, достаточной для преодоления земного тяготения (11,2 км/сек ).

Часто приходится читать: «Из-за большой затраты энергии во время футбольного матча спортсмен теряет в весе 2–4 килограмма». Это так и есть на самом деле. Но, вероятно, ни один из центрфорвардов не представляет, какое количество энергии теряет он вместе с массой. Если эту массу перевести в энергию, ею можно было бы выбить за пределы земного тяготения футбольный мяч с массой в 5 миллионов тонн.

А энергии, выделяемые (или затрачиваемые) в обычных химических реакциях, связаны с такими ничтожными изменениями массы, что наши приборы не смогли бы зарегистрировать эти исчезающие малые дефекты, даже если увеличить их в тысячу раз.

Точно так же теоретически безусловное увеличение массы нагретых тел практически сказывается в настолько далеком знаке после запятой, что является только чисто умозрительным курьезом.

Положение, однако, существенно меняется, если перейти к ядерным реакциям. Еще в 1905 году Эйнштейн предполагал, что процессы радиоактивности могут служить проверкой изменения массы. Тогда это было гипотезой. Сейчас теория подтверждена при изучении тех многочисленных ядерных реакций, что известны в наши дни.

Энергия, освобождаемая или поглощаемая при ядерных реакциях, в сотни тысяч и миллионы раз превышает энергетический выход в обычных химических реакциях. Соответственно и изменения массы при ядерных реакциях в миллионы раз больше. Если, например, при реакции образования воды на каждые две грамм-молекулы водорода и одну грамм-молекулу кислорода (то есть на 18 граммов вещества) выделяется 136 тысяч малых калорий, 2H 2 + O 2 = 2H 2O + 136 000 калорий, то при ядерной реакции образования ядер гелия из лития и водорода Li 7 + H 1 = 2He 4 + Q на каждые 7 граммов ядер лития и 1 грамм ядер водорода освобождается примерно 5 · 10 9калорий (5 миллиардов). При таких выходах энергии сравнительно легко можно наблюдать изменения массы [84] .

Но и в ядерных реакциях изменение массы обычно не превышает долей процента. Подобно скупому рыцарю, природа тщательно хранит энергию, и даже при таких потрясениях, как ядерные взрывы, расходуются лишь малые доли запасов.

Для примера приведем точный энергетически-массовый баланс упомянутой реакции [85] .

Li 7 + H 1 = 2He 4 + Q.

В результате точных измерений определили, что масса одного атома равна:

лития (Li 7) = 7,01818 · 1,66 · 10 -24 г ;

водорода (H 1) = 1,00813 · 1,66 · 10 -24 г и

гелия (He 4) = 4,00389 · 1,66 · 10 -24 г .

Подсчитаем массу реагирующих веществ и продуктов реакции:

Li 7 + H 1 → 2He 4

7,01818 · 1,66 · 10 -24 + 1,00813 · 1,66 · 10 –24

2 · 4,0039 · 1,66 · 10 -24 г . Сложив, получим: 8,02631 · 1,66 · 10 -24 г → 8,00778 · 1,66 · 10 -24 г .

Слева имеется избыток массы, равный 3,08 · 10 –26 г . Освобождающаяся в реакции энергия (она в равенстве добавляется справа) должна соответствовать этой массе, и значит:

Q = Δmc 2 = 3,08 · 10 -26 г · 9 · 10 20 см / сек = 2,72 · 10 -5эрга.

При этой реакции освобождающаяся энергия проявляется в виде кинетической энергии образовавшихся ядер гелия (α-частиц).

Экспериментальные данные великолепно подтверждают теоретические расчеты как в этой, так и в сотнях других ядерных реакций. Точно измерив массы всех атомных ядер, можно предвидеть, как будет протекать данная ядерная реакция — с выделением или с поглощением энергии; предсказать, какое именно количество энергии освободится или поглотится (свяжется).

В разобранном примере мы уверенно предсказали освобождение энергии, и приведенная реакция может быть использована как исключительно мощный источник энергии. На два реагирующих ядра атомов лития и водорода освобождается огромная энергия — 2,76 · 10 -5эрга!

В словах «огромная энергия» нет ни оговорки, ни насмешки. Эта энергия действительно колоссальна. Ведь речь идет только о двух атомах. При обычных химических реакциях на один элементарный акт освобождается в миллионы раз меньше энергии: 10 -11–10 -12эрга. Чтобы осуществить ядерную реакцию, необходимо преодолеть ядерный энергетический барьер — затратить энергию. Правда, выигрыш энергии в результате реакции с лихвой возмещает затраты, но барьер существует, и его «надо брать». На графике на стр. 322 схематически представлена обычная энергетическая диаграмма для ядерных реакций.