Самое необыкновенное вещество в мире - [5]
16
му грамотным людям, в какой бы стране они ни жили и на каком бы языке ни разговаривали.
Для химиков теперь очень точно измерены массы всех изотопных атомов. Вот некоторые значения этих масс:
Это немалая энергия. В наше время, чтобы по- лучить такую энергию, приходится сжигать в топках котлов ни много ни мало 13,5 т первосортного угля. А ведь его еще нужно, добыть из шахт и доставить из-под земли к топке.
Между тем в соответствии с уравнением ядерной реакции такую энергию можно получить при затра- те всего лишь двух молей дейтерия, которые содер- жатся в одном моле тяжелой воды. Следовательно, простой воды потребуется:
17
Физики сумели установить возможность ядерных реакций между легкими атомами, в том числе возможность реакции между атомами дейтерия:
В такой реакции неприменим закон сохранения массы, каким пользуется обычная химия; в резуль- тате реакции получается недостача:
Это немалая недостача. Она означает, что если бы удалось найти условия, при которых может проте- кать реакция между двумя молями тяжелого водо- рода, то, согласно уравнению Эйнштейна
или 120 л. Значит, из одного литра обычной воды можно добыть больше энергии, чем можно получить ее из ста килограммов высококачественного угля. А запасы воды на нашей Земле неисчерпаемы.
Что же мешает получать энергию из воды? Такая возможность пока что кажется фантастической, но она вполне реальна. На пути к ее осуществлению наука уже преодолела немало трудностей. Решена сложнейшая проблема, как извлекать тяжелую во- ду из природной. Теоретически исследованы и рас- считаны условия, при которых возможны ядерные реакции между легкими атомами.
Но к сожалению, исследователи встретили много трудностей. Насколько они серьезны, может пока- зать простой расчет: чтобы два атома могли вступить в ядерную реакцию, их ядра должны столкнуться, т. е. сблизиться до расстояния примерно 10>-14м, начиная с которого межъядерные силы уже могут преодолеть электростатическое отталкивание.
Но ядра атомов защищены, как броней, своими электронными оболочками. Эти оболочки простира- ются на расстояние в десятки тысяч раз большее. А самое главное — ядра заряжены и отталкиваются друг от друга, как и все одноименно заряженные тела. Энергию, необходимую для того, чтобы пре- одолеть их взаимное отталкивание, рассчитать не- трудно. Из закона Кулона следует, что потенциаль- ная энергия двух ядер, сблизившихся на расстояние 10->14м, должна быть равна:
если между собой сталкиваются элементы с атом- ными номерами Z>l и Z.>;.
18
Конечно, мир атомных величин не очень привы- чен и нагляден, и трудно сразу представить себе, какова же эта энергия — мала или не очень мала. Но легко сообразить, с какой скоростью должны сталкиваться атомы, чтобы преодолеть потенциаль- ную энергию электростатического отталкивания. Они должны обладать не меньшей кинетической энергией или по крайней мере равной. Следовательно, можно написать:
19
массу одного атома можно найти из атомной массы, зная, сколько атомов содержится в одном моле:
Можно найти и скорость, с которой должны столк- нуться атомы, чтобы могла начаться ядерная реак- ция:
У дейтерия атомный номер Z=l. Масса изотопаА — 2, следовательно, скорость атомов должна быть равна: v=3,8 10>6 м/с, или 3800 км/с. При обычной температуре физикам известна средняя скорость теплового движения у атомов дейтерия, она равна всего лишь 1,9 км/с. При комнатной температуре, равной примерно 293 К, кинетическая энергия мо- лекул возрастает пропорционально абсолютной тем- пературе, или, что то же самое, пропорционально квадрату скорости.
Следовательно, чтобы средняя скорость молекул дейтерия была достаточной для реакции между ядрами, нужно нагреть тяжелый водород до темпе- ратуры:
Итак, сталкиваться и реагировать между собой мо- гут только ядра дейтерия, «нагретые» до темпера- туры свыше миллиарда кельвинов. Вот в этом-то и заключается довольно серьезное затруднение для подлинных героев науки — физиков, посвятивших свою жизнь труднейшей и величественнейшей из проблем — стремлению обеспечить энергией будущие поколения.
Быть может, тяжелую воду можно чем-нибудь за- менить? Ничем. Тяжелая вода как источник тяже- лого водорода для термоядерных реакций с целью получения энергии, по-видимому, незаменима. Это следует из того, что необходимая для начала реак- ции температура сильно возрастает по мере увели- чения атомного номера элемента. В самом деле, попробуйте сами подсчитать, какой температуре будет соответствовать кинетическая энергия частиц, способных преодолеть электростатическое отталки- вание ядер атомов бериллия или кремния. Часть дейтерия можно заменить на тритий, но этого изо- топа в природе почти нет.
Неужели это все-таки возможно? Очень трудно, но возможно. Во-первых, природа и физика идут навстречу исследователям: чтобы началась реакция, не нужно, чтобы весь газ был нагрет до такой не- мыслимо чудовищной температуры. Достаточно, если отдельные атомы будут обладать в нем столь высокой энергией.
Во всяком газе при любой температуре есть час- тицы с разными скоростями, от очень малых до очень больших. Благодаря этому реакция между атомами дейтерия будет идти с достаточной ско- ростью даже и при температуре, в несколько раз меньшей, чем 10° К. Это намного облегчает задачу.
