Физика для "чайников"

Задумавшийся Андрей

Значится, атом состоит из ядра и электронов. А ядро состоит, в свою очередь, из протонов и нейтронов, которые друг за другом тоже были открыты. Оба примерно в 2000 раз тяжелее электрона, но не совсем одинаково. Заряд протона - положительный и равен заряду электрона. Нейтрон электронейтрален (у него заряд - 0). Из основных параметров всё. Но всё бы хорошо, да есть несколько "но". Во-первых, почему протоны не отталкиваются друг от друга, у них же одинаковые по знаку заряды? Во-вторых, почему они вообще все держатся вместе? В-третьих, почему некоторые из них не могут держаться вместе и разваливаются, отчего человечество стало рисовать страшный знак с тремя лучами от точки - знак радиоактивности? И, в-четвёртых, каверзный вопрос: а не состоят ли они сами из чего-нибудь ещё более мелкого? Обо всём - по порядку.

Первый момент. По логике, да - протоны должны разлетаться прочь друг от друга из-за сил кулоновского отталкивания. Но почему-то этого не происходит. Думали, гадали, почему так: это явно силы не электрического происхождения. И не гравитационного - хоть и расстояние между протонами очень маленькое, массы их ещё меньше, и сила притяжения их друг к другу тоже крайне мала. Все основные виды взаимодействий исчерпали. Тогда решили,

что это дело рук третьего, ещё неизвестного, взаимодействия, которое назвали "сильным". Именно оно удерживает частички сцепленными друг с другом, причём делать это может только на небольшом расстоянии - на большом сила притяжения резко падает. Благодаря этому сильное взаимодействие получило жаргонное (да, у физиков тоже есть жаргон) прозвище "богатырь с короткими руками". Всё, в школьной физике про него больше почти ничего не известно (почему "почти", смотри самый конец).

Второй момент. Всё тот же принцип "природа стремится к равновесию" - раз все частички (протоны и нейтроны часто обзывают "нуклонами", так как "нукл" - это ядро) связаны между собой, значит, это для ядра чем-то выгодно. А именно: чтобы разорвать пучок из нуклонов, нужно снова затратить какую-то энергию. Она называется энергией связи - это энергия, которую нужно затратить, чтобы разделить атом на отдельные частички. (Есть ещё "удельная энергия связи", это энергия связи делить на количество нуклонов.) Значение этой энергии и определяется сильным взаимодействием. Эта энергия достаточно мала, чтобы мерить её в джоулях, поэтому здесь у неё специальная величина - электронвольт (эВ). Это энергия, которую приобретает 1 электрон, ускоренный напряжением в 1 В. То есть 1 эВ = 1.6*10^-19 Дж. Удельная энергия связи лёгких ядер составляет примерно 0.8 МэВ/нуклон. Да, наверное, это ни о чём не говорит. Ладно, об этом чуть позже. Здесь остаётся отметить только одну вещь, которую обычно не отмечают в таблице Менделеева, но которая при этом существует: изотопы. Это атомы, в ядрах которых поселился один или несколько "лишних" нейтронов, либо, наоборот, из которых ушли один или несколько нейтронов. Наиболее известные изотопы - это изотопы урана и водорода. У урана (атомная масса = 238 а.е.м.) есть такие изотопы: уран-234 и наиболее известный - уран-235. Массы у них соответственно: 234 и 235 а.е.м., то есть у первого "отлипли" 4 нейтрона, у второго - три. У водорода, наоборот, нейтроны прибавляются: обычный водород их вообще не содержит, на совсем сухом научном языке он называется "протий" (атомная масса - 1 а.е.м.). Если добавить один нейтрон, получится водород с массой 2 а.е.м., который называется "дейтерий", он даже обозначается своей буквой - D вместо H. Вода, в которой вместо водорода - дейтерий, называется тяжёлой, внешне мало отличается от обычной и даже несильно ядовита. Если же добавить ещё один нейтрон, то такой "водород" будет называться "тритий", у него атомная масса 3 а.е.м., и вместе он свои внутренности держать уже будет с трудом - он радиоактивен. Обозначается тоже своей буквой - T, вода T2O называется сверхтяжёлой.

Третий момент, которым прожужжал уже все уши. Радиоактивность - что это за зверь и с чем его едят? Разбираемся по порядку. Как я уже несколько раз повторял выше, есть атомы "стабильные" и "нестабильные". Стабильные существуют долгое время без изменений, а у нестабильных энергии связи не хватает на то, чтобы держать все нуклоны связанными друг с другом - их тупо слишком много, в охапке их не удержишь: одно дело, когда у тебя в руках просто пара карандашей, другое - когда нужно унести с собой в двух руках четыре набора цветных карандашей без коробок и ещё с десяток ручек впридачу. Какие-то из них могут упасть, причём упасть может как один карандашик, так и большая пачка, а то и с половину где-нибудь. Примерно так и получается при радиоактивном распаде: ядро атома периодически разваливается на составные части, выплёвывая при этом в виде того, что мы называем радиацией, всякую гадость. Эту гадость можно разделить на три части.

Первые - это "альфа-частицы". В сравнении с карандашами - это небольшая пачка (штуки 4) карандашей, падающих из рук. Альфа-частица представляет собой не что иное, как ядро атома гелия. Почему именно гелий - а пёс его знает. Скорее всего, потому, что два протона и два нейтрона, вместе связанные, обладают наибольшей энергией связи, их труднее всего разъединить. Когда такая частичка отваливается от атома, его номер уменьшается на 2, а атомная масса - на 4. То есть уран-238 при альфа-распаде превратится в торий (масса = 234, атомный номер = 90). (Торий тоже радиоактивен, поэтому и он со временем будет как-то разваливаться - и так до тех пор, пока не отвалится столько частичек, что атом не станет стабильным - например, хотя бы до свинца, у которого атомный номер = 82.) По опасности альфа-излучение можно сравнить с ползущим в дрянь пьяным толстяком: прямое столкновение с ним не принесёт практически никаких повреждений. Альфа-частицы хоть и большие (по сравнению с мелкими частицами), но слабы по энергии - защититься от них можно даже обычным листом бумаги.

Второй вид выплёвываемых частиц назвали буквой "бета" - бета-частицы. (Это можно сравнить с одним карандашом, выпадающим из рук.) Потом оказалось, что это всего лишь летящие электрончики. Отсюда вполне логичное утверждение: когда ядро испытывает бета-распад, его заряд повышается на 1, а массовое число не меняется. Строго говоря, бета-распад гораздо сложнее; выплёвывание электронов - это не единственное его проявление, можно ещё плеваться частичкой под названием "нейтрино" или даже "античастицами". (!) Но в школе обычно ограничиваются только электронами. По опасности бета-излучение можно сравнить с бегущим человеком: при столкновении можно разве что легко ушибиться. Конечно, это уже зависит от того, насколько быстро человек бежит - точно так же и опасность от бета-излучения зависит от энергии электронов, но в целом считается, что от бета-частиц можно защититься при помощи листа алюминиевой фольги.

Третий вид, уже знакомый ранее и самый опасный - это гамма-лучи. Это уже никакие не частицы, при гамма-распаде заряд и массовое число ядра не меняются. Причины его сидят ещё глубже, чем в альфа- и бета-распадах: само ядро атома может возбудиться от какого-то взаимодействия, причём возбуждённое состояние будет длиться достаточно долго (по атомным или ядерным меркам, конечно). В конце концов, оно "успокоится"

и вернётся в обычное состояние, но при этом испустит квант электромагнитной энергии - причём значение этой энергии настолько большое, что по опасности гамма-излучение можно сравнить с летящим на полном ходу высокоскоростным поездом, машиной Формулы-1 или самолётом: при наезде - мгновенная смерть. В жизни всё не настолько страшно, один гамма-квант (или десять) никого не погубит, но вот если их слишком много... Защититься от них можно только чем-нибудь ядрёным вроде слоя свинца толщиной в несколько сантиметров или даже десятков сантиметров - опять-таки, в зависимости от энергии кванта. (Вместо свинца может быть и другой материал, но он должен быть очень плотным - именно большой атомный номер позволяет затормозить гамма-лучи.)

Наконец, бывают ядерные реакции, когда одно вещество тупо распадается на два, и при этом ещё откалывается мелкий кусочек типа той же альфа- или бета-частицы: например, тот же уран-235 может развалиться на барий (масса = 139 а.е.м., заряд = 56) и криптон (масса = 95 а.е.м., заряд = 36), при этом ещё отрыгнёт два нейтрона. Это можно сравнить с разваливанием охапки карандашей на две части.

Все три типа лучей (альфа, бета, гамма) - ионизирующие, однако "альфа" и "бета" лучами как таковыми не являются, хотя уже чисто исторически повелось, что их тоже называют ионизирующим излучением. (В самом широком смысле ионизирующим излучением может быть поток любых частиц, которые вызывают ионизацию атомов.)

Ещё два момента, на которые здесь надо бы обратить внимание. Первый - это, конечно же, период полураспада, ставший известным благодаря сами знаете какой игре. Как я уже написал выше, ядра разваливаются на части - но как часто? За это и отвечает данное число. Период полураспада - это время, за которое распадётся половина всех ядер того или иного вещества, обозначается он буквой T (НЕ лямбда!!!). Есть только одно огорошивающее "но": за два периода полураспада абсолютно все ядра не развалятся! Потому, что распад происходит по ниспадающей: сначала разваливаются все друг за другом, потом всё меньше, меньше и меньше... В итоге за два периода полураспада останется четверть всех ядер, за три периода полураспада - одна восьмая, и так далее. Собственно, в том числе и поэтому и существует естественный радиационный фон - мимо нас регулярно пролетают всякие ионизирующие лучики, на которых мы уже не обращаем внимания, потому что мать-природа приспособила. Другое дело, если их станет слишком много - тогда ионизируются атомы, из которых состоит человеческое тело, в результате из-за отрыва электрончиков может пойти неуправляемая химическая реакция - поменяется состав клеток, или ещё хуже - при отравлении радиоактивным веществом может поменяться даже химический состав (уже на уровне молекул!) организма. Итог - от банального до крайне печального: при слабом облучении - обычная повышенная температура, организм в принципе даже может сам попробовать справиться с наступившей лучевой болезнью, при сильном - от мутаций (результат изменения состава клеток; третьих глаза или руки, конечно, не вырастет, но вот опухоль в пол-лица размером - так, что один глаз выдвинется аж на середину лба, огрести можно) до тошноты непонятной гадостью (уже вряд ли радиоактивной, но всё равно совсем не сахар) и заражения крови, при критическом уровне - мгновенная смерть. Единственное возможное спасение при всё-таки полученном облучении - это фрукты. Нет, я не шучу. Фруктоза содержит химически активную OH-группу, которая берёт на себе отколотые ионизирующей гадостью частички атомов на себя, выводя впоследствии эту дрянь из организма. На самый худой конец, если больше ничего под рукой не останется, сойдёт и спирт - всё из-за той же OH-группы. Только не стоит забывать, что, переборщив со спиртом, можно помереть от спирта, а не от радиации. Одно другого не сильно слаще...

И второй момент - это, конечно же, ядерная энергетика. За основу берётся реакция, которую я уже писал: уран = барий + криптон + 2 нейтрона. Особо умные сразу же спросят: а энергия связи? Выполняется ли закон сохранения энергии? Выполняется, куда ему деться. Разница между энергиями высвобождается, и её можно использовать для производства хоть того же электричества! Правда, на АЭС (атомных электростанциях) это делают не напрямую: высвободившаяся энергия уходит на нагрев специальной воды, которая становится тоже радиоактивной. Она остывает, передавая тепло другой воде, уже безопасной - та, в свою очередь, от этого закипает, полученный водяной пар вращает турбину, которая подрублена к генератору, который преобразовывает механическую энергию вращения в электроэнергию (а водяной пар, совершив работу, остывает, конденсируется и снова превращается в воду). Из-за такой цепочки КПД очень мал - в электричество превращается в лучшем случае несколько процентов от энергии, даваемой ураном, но даже эти процентики по количеству джоулей будут выше, чем сжигание большой кучи угля или то же течение воды. Один только вопрос: надо "подталкивать" уран, чтобы он делился постоянно и в то же время контролируемо. Первоначальный толчок делают банальным нагревом - частички приобретают энергию от тепла, и разваливание происходит уже из-за этого - а дальше в дело выступают выплёвываемые ураном 2 нейтрона. Нетрудно догадаться, что если оставить их как есть, то каждый из них вызовет ещё 2 - то есть всего станет 4, - потом 8, 16, 32, 64... и всё это с сумасшедшей скоростью. Отсюда печальный вывод - если оставить всё как есть, то получится атомная бомба - энергии выделится очень много за очень малый промежуток времени, что в жизни является взрывом. Два утешительных момента: это происходит не при любом количестве урана, и "лишние" нейтроны можно "скушать". При определённой массе вещества цепная реакция (это самое деление с нейтронами) становится возможным, такую массу называют критической, у урана она составляет что-то, чуть меньшее 50 кг. (Чтобы атомная бомба не срабатывала заранее, кусок урана разделяют на две части, а при сбросе бомбы соединяют их - как правило, при помощи обычного взрыва, уничтожающего перегородку.) А "лишние" нейтроны можно гасить специальными стержнями, которые можно впихивать в ядрёный... то есть в ядерный, реактор. Чаще всего их делают из углерода, они просто "кушают" все лишние частички. Когда размножение нейтронов поддерживается около единички "сына" на единичку "отца", всё хорошо - реакция идёт, электричество вырабатывается. Когда больше - атас, можно взлететь на воздух со страшнейшей силой. Когда меньше - тоже плохо: реакция может прекратиться вообще, её придётся начинать заново.