Уильям Лоуренс - Люди и атомы

«Планеты», вращающиеся по определенным орбитам вокруг «солнца» — ядра,— это электроны, частицы настолько сверхмикроскопические, что если бы на одну чашу весов положить один протон или один нейтрон, то на другую пришлось бы положить 2000 электронов. Но именно эта, по своим размерам приближающаяся к нулю, частица, самая малая единица массы во Вселенной, сделала возможным появление радио, телевидения, звукового кино, электронного микроскопа, гигантских вычислительных машин — машин, за несколько секунд решающих сложнейшие математические задачи, которые потребовали бы годы труда самых блестящих математиков,— а также еще тысячи и одного автоматического устройства, ставших обыденными в нашей повседневной жизни.

Да и электричеством мы обязаны именно электрону, что очевидно из самого названия этой частицы, хотя ко времени ее открытия в 1897 г. электричество уже было известно в течение 2500 лет и использовалось человеком почти сто лет. Электрический ток, как теперь известно, представляет собой направленный поток электронов в проводнике.

Электрон и протон — заряженные частицы. Количество заряда в каждом из них совершенно одинаково, однако заряды различаются по знаку, причем протон всегда обладает положительным зарядом, а электрон — отрицательным. Этот заряд является минимально возможным электрическим зарядом в природе и поэтому называется «атомом электричества». Атом электричества — это одна из основных констант природы.

За одну секунду пятидесятиваттная лампочка потребляет количество электричества, равное заряду трех миллиардов миллиардов электронов, т. е. три миллиарда миллиардов атомов электричества!

Нейтрон — единственный компонент атомного ядра, который не несет электрического заряда. В силу своей электрической нейтральности, что, кстати, видно из его названия, нейтрон имеет наибольшую проникающую способность из всех частиц в природе. Именно эта способность нейтрона проникать сквозь плотный электрический барьер, ограждающий ядра атомов, дала человеку ключ к атомному ядру и позволила расщепить на части ядро урана-235. Как мы уже знаем, именно нейтрону мы обязаны наступлением атомного века.

Говоря о протонах и нейтронах, надо всегда помнить о двух важных моментах. Первое — это то, что нейтроны и протоны могут переходить друг в друга. При определенных условиях протон теряет свой положительный заряд, излучая положительно заряженный электрон (позитрон), и превращается, таким образом, в нейтрон. Точно так же при возбуждении нейтрон теряет отрицательно заряженный электрон и превращается в протон.

Последний процесс используется для превращения не- расщепляемого урана — урана-238 — в плутоний и тория— в расщепляемый уран — уран-233. Вековая мечта алхимиков — превращение одних элементов в другие — становится возможной благодаря способности протонов переходить в нейтроны и наоборот.

Вторым чрезвычайно важным моментом, имеющим принципиальное значение для правильного понимания природы атомной энергии, является то, что каждый протон или нейтрон, находясь в ядре атома, весит меньше, чем в свободном состоянии, вне его. Потеря в весе компенсируется количеством энергии, необходимым для связи протона или нейтрона с другими частицами ядра.

Эта потеря в весе постепенно возрастает для элементов первой половины периодической системы и достигает своего наибольшего значения для ядра серебра, 47-го элемента, после чего постепенно уменьшается.

Следовательно, соединив два элемента, порядковый номер которых меньше серебра, получим новый элемент, протоны и нейтроны которого потеряют в весе, если его ядро легче ядра серебра, и увеличатся в весе, если оно тяжелее серебра.

При соединении любого элемента тяжелее серебра с другим элементом справедливо обратное положение. Например, если криптон и барий (ядра которых имеют соответственно 36 и 56 протонов) соединить в уран (92 протона в ядре), то вес протонов и нейтронов уранового ядра увеличится.

С другой стороны, при расщеплении уранового ядра на ядра криптона и бария каждый их протон и каждый их нейтрон потеряют в весе.

Увеличение веса всегда означает потерю в энергии, а потеря в весе — соответствующее приобретение в энергии, что находится в точном соответствии с формулой Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии. Потеря в весе характеризует количество энергии, связывающее протон с протоном, нейтрон с протоном и нейтрон с нейтроном.