Закон Эйнштейна носит всеобщий характер. Так, при любой химической реакции с выделением энергии уменьшается масса и, наоборот, в реакции с поглощением энергии масса продуктов, получающихся в результате реакции, возрастает. Например, в реакции соединения водорода и кислорода масса получаемой воды меньше, чем сумма масс водорода и кислорода, взятых в отдельности, но при этой реакции выделяется энергия.
Если теперь с помощью электрического тока провести электролиз какого-то количества воды, то есть разложить ее на водород и кислород, то сумма масс их будет больше, чем исходная масса воды. Однако при этом на разложение воды затрачено некоторое количество энергии. В этом примере с получением и разложением воды соотношение между изменением массы и величиной выделившейся и поглощенной энергии будет таким же, как в реакции горения углерода, а именно: изменению массы в один грамм соответствует энергия в 21,5 миллиарда килокалорий.
Эта величина очень большая. Если б можно было перевести всю массу одного грамма вещества в энергию, ее хватило бы на обеспечение жизни 5-10 человек на протяжении всего их существования. К сожалению, пока это область фантастики. Позже мы еще коснемся этой проблемы, а сейчас вернемся к приведенному ранее воображаемому опыту. В нем, как вы помните, в реакции горения использовалось 44 килограмма углерода и кислорода, из которых в энергию превратилось всего 4∙10-6 грамма, то есть только одна десятимиллиардная доля. Конечно, это очень маленькая часть. А нельзя ли ее увеличить? Нельзя ли заставить переходить в энергию большую долю взятого вещества?
Оказывается, можно, и люди уже умеют это делать.
Чтобы понять, как это у них получается и в чем секреты разных способов освобождения энергии, давайте заглянем в глубины вещества и посмотрим, из каких деталей оно устроено.
Дефект массы
Что происходит с веществом при химической реакции, скажем, при горении углерода?
Молекула кислорода, состоящая из двух атомов, соединяясь с одноатомной молекулой углерода, образует трехатомное вещество — углекислый газ. Если молекула является наименьшей частью вещества, сохраняющей присущие этому веществу свойства, то атомы — это самые крошечные «кирпичики», определяющие свойства химических элементов, например, углерода, водорода, железа. Элементы отличаются друг от друга тем, что составляющие их атомы различны.
Углекислый газ не элемент, а вещество, содержащее атомы различных-элементов. Однако вещество, получившееся в результате химической реакции, состоит только из тех атомов, которые были введены в реакцию, — в данном случае из атомов углерода и кислорода. Этот факт обязателен для любой химической реакции, следовательно, в ней никогда нельзя получить новый химический элемент, новые атомы. А этого как раз и не знали средневековые алхимики и пытались получить золото из более дешевых и менее привлекательных материалов, которые, однако, не содержали атомов, определяющих свойства цветного металла.
Энергия, которую можно получить в химических реакциях, мала. Это мы видели в нашем опыте, где при горении углерода превратилась в энергию лишь одна десятимиллиардная доля вещества, участвовавшего в химической реакции горения. В других химических реакциях эта доля может быть больше, но ненамного. Значит, во всех химических реакциях, при которых изменения претерпевают лишь молекулы вещества, а атомы не изменяются и остаются целыми, невозможно перевести в энергию большую долю вещества. Как же эту долю увеличить? Надо пойти по принципиально новому пути и попытаться осуществить такие реакции, где менялись бы сами атомы.
Продолжим путешествие и «заглянем» внутрь атома.
Атом очень мал, что-то около одной пятимиллионной доли миллиметра. Почти все вещество, составляющее атом, сконцентрировано в его центре, образуя ядро атома. Вокруг ядра на большом (по сравнению с размером ядра) расстоянии вращаются электроны, несущие отрицательный электрический заряд. Масса и размер этих элементарных частиц во много раз меньше массы ядра.
Вращаясь вокруг ядра, они как бы образуют так называемую электронную оболочку атома. Взаимодействие именно электронных оболочек определяет характер химических реакций и выделение энергии при этих реакциях.
Приведенное здесь описание атомов весьма и весьма упрощенное. В действительности он устроен гораздо сложнее, и очень многое в его устройстве до сих пор еще неизвестно. Однако и такая упрощенная модель довольно хорошо описывает результаты большого количества опытов, которые проводили физики, исследуя атом.
Позже нам понадобятся сведения еще о некоторых деталях атома, сейчас же дополним нарисованную модель следующим. В ядро атома входят два типа элементарных частиц: протоны и нейтроны. Последние не имеют никакого электрического заряда (отсюда и их название neutrum — ни то, ни другое латинское). Протоны же несут положительные электрические заряды, причем по величине они в точности равны заряду электрона.
Стоит сказать, сколько нейтронов, протонов и электронов содержит в себе каждый атом химических элементов.
Например, в ядре атома водорода — самого легкого элемента — содержится только один протон, вокруг которого вращается один электрон.
У углерода шесть нейтронов, шесть протонов и шесть электронов.
В атоме урана уже 143 нейтрона, 92 протона и 92 электрона.
Нельзя не обратить внимания на то, что у названных элементов число протонов равно числу электронов.
Таблица же Менделеева показывает, что это закономерно и для всех элементов. Но раз число протонов равно числу электронов, то, следовательно, положительный заряд ядра атома всегда равен отрицательному заряду всех электронов, а атом в целом, или «снаружи», электрически нейтрален.
И наконец, последний шаг путешествия в глубь атома: сколько же весят атом, протон, нейтрон? Массы этих частиц настолько малы, что для них придумана новая единица измерения, названная атомной единицей массы (а.е.м.). Одна такая единица массы равна 1,66∙10-24 грамма. Примерно столько весят и нейтрон и протон.
Вот и кончилось наше путешествие в глубь атома.
Но как все-таки извлечь из него энергию большую, чем та, которую он отдает при химических реакциях? Может быть, можно использовать метод, схожий с реакцией горения, но уже на уровне элементарных частиц, из которых состоит атом, то есть на уровне протонов и нейтронов?
При реакции горения выделение энергии происходит при соединении одних веществ и образовании других, новых. Посмотрим, что можно получить, если так же попытаться составить атом из отдельных элементарных частиц. Начнем с углерода. Какая должна быть масса у его атома, если составить его из элементарных частиц?
Проведя все вычисления, получим 12,1 а.е.м.
Вот тут-то и начинаются неожиданности! Оказывается, готовый, существующий в природе атом весит не 12,1 единицы, а только 12,0! Ну и что здесь особенного, скажете вы, стоит ли обращать внимание на такую малую разницу. Но подобное же удивление охватило нас, когда оказалось, что образовавшийся после реакции горения углекислый газ весит меньше, чем исходные продукты.
Мы выяснили тогда, что такому недостатку массы сопутствует выделение энергии. Так, может быть, и здесь то же самое? Может быть, если бы нам удалось из отдельных нейтронов, протонов и электронов составить атом углерода, то он весил бы на 0,1 атомной единицы массы меньше суммы исходных частиц? А так как материя не исчезает бесследно, то при этом пропорционально образовавшемуся недостатку массы и выделилась бы энергия?!
А умудрись мы таким образом создать 44 килограмма углерода (это вес исходных продуктов в рассмотренной выше химической реакции), то энергии получилось бы 7,8∙1012 килокалорий, что примерно в сто миллионов раз больше, чем при обычной химической реакции соединения углерода и кислорода! А это уже немало, и уже стоит обращать внимание на уменьшение массы в 0,1 а.е.м.
Все это хорошо, но у данного способа освобождения энергии есть существенный недостаток: наука еще не знает, как из отдельных элементарных частиц получать атомы углерода или других тяжелых элементов.
Ну что ж, придется искать другие способы освобождения энергии из недр атомов. Это делать уже легче, так как теперь ясно, что они должны быть основаны на использовании недостатка массы у элементов.
Недостаток массы присущ каждому элементу. Физики назвали его дефектом массы. Приведем для ясности небольшую таблицу нескольких элементов с их дефектами масс, а также их массовые числа, равные сумме протонов и нейтронов.
Элемент Число нейтронов Число протонов Массовое число Дефект массы в а.е.м. Дейтерий 1 1 2 0,0024 Тритий 2 1 3 0,009 Гелий 2 2 4 0,03 Литий 3 3 6 0,034 Углерод 6 6 12 0,1 Молибден 54 42 96 0,88 Лантан 82 57 139 1,23 Уран 143 92 235 1,91
Если соединить ядра таких двух элементов, чтобы у образовавшегося нового недостаток (дефект) массы был больше суммарного дефекта масс исходных элементов, то наверняка можно сказать, что при этом соединении (ядерной реакции) выделилась энергия, пропорциональная изменению дефекта массы.
