Энергия атома
Любой предмет можно разделить пополам, затем половинку еще пополам и так много-много раз. Но в конечном итоге останется частичка, которую уже невозможно разделить. Считается, что первым, кто пришел к этой мысли, стал древнегреческий ученый Демокрит Абдерский (около460—370гг. до н.э.). Последнюю неделимую частицу вещества назвали атомом, что на древнегреческом и означало — «неделимый».
Как считал Демокрит, все тела во вселенной состоят из атомов. А разнообразие тел было обусловлено как различием слагающих их атомов, так и различием порядка сборки (подобно тому, как из одних и тех же букв складываются разные слова).
Кстати, за это и другие научные открытия в 1967 г. образ Демокрита был увековечен на греческой купюре номиналом в 100 драхм.
Строение атома
Для того чтобы осознать размеры атома, представьте себе, что даже одна капля воды состоит примерно из 6 секстиллионов (эта огромная цифра имеет 21 нуль) атомов водорода и кислорода. Несмотря на такие микроскопические размеры, каждый атом имеет строение, которое чем- то напоминает строение нашей Солнечной системы. В центре атома находится положительно заряженное ядро («солнце»), вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны («планеты»). В свою очередь ядро также состоит из частиц — протонов и нейтронов. Протон заряжен положительно, а нейтрон заряда не имеет, но зато обладает большой проницаемостью. Число электронов в атоме всегда равно количеству протонов его ядра.
Впервые такое строение атома предложил датский физик Нильс Бор (1885—1962). После этого ученые задумались над тем, как разделить атомы на составные части. В результате этих исследований в 1897 г. французские физики Пьер (1859— 1906) и его супруга Мария (1867—1934) Кюри открыли радиоактивность — свойство атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) изменять свой состав.
Один грамм урана дает столько же энергии, что и две тонны нефти
Оказалось, что из атома тоже можно извлечь энергию. Это можно сделать двумя способами: синтезом или делением. При реакции синтеза два атома сливаются вместе и образуют единый атом. При соединении атомов выделяется огромная энергия в виде тепла. Большая часть солнечной энергии получается в результате реакции синтеза, происходящей на Солнце.
Реакция деления (расщепления) протекает следующим образом. Ядро распадается на несколько осколков, среди которых есть частицы высокой энергии — нейтроны. В среднем на каждые 10 распадов приходится 25 нейтронов. Они попадают в ядра соседних атомов и разбивают их на осколки, высвобождая нейтроны и огромное количество тепла. Этот процесс повторяется многократно, поэтому реакцию деления часто называют цепной.
Атомы большинства веществ расщепить невозможно. Но оказалось, что это можно сделать с одним из видов урана — ураном-235 (его еще называют «изотоп урана»). При этом из одного грамма урана выделяется столько же тепла, сколько при сгорании 3 т каменного угля или 2 т нефти.
Это интересно!
Современные исследования показали, что атом состоит не только из трех частиц (электронов, протонов и нейтронов), как это считалось ранее. Ученые предполагают, что атом состоит из электронов, протонов, нейтронов, позитронов, нейтрино, мезонов и гиперонов. Исследователи открыли несколько десятков различных частиц в составе атома, но пока не сумели сделать полного и достоверного описания атома.
Первый атомный реактор
Для получения атомной энергии строят атомные реакторы. Пространство в реакторе, где находится ядерное топливо, называют активной зоной. Здесь происходит деление атомных ядер урана и выделяется тепловая энергия, которая идет на нагревание теплоносителя (обычно это вода). Чтобы предохранить обслуживающий персонал от вредного излучения, сопровождающего цепную реакцию, стенки реактора делают достаточно толстыми.
Скоростью цепной ядерной реакции управляют регулирующие стержни из вещества, поглощающего нейтроны (чаще всего углерод в форме графита). Чем больше такого вещества, тем больше нейтронов оно улавливает и тем меньше нейтронов участвует в реакции. Таким образом, процесс деления ядер протекает более равномерно и контролируемо.
Первый атомный реактор, из чередующихся слоев урана и графита, был спроектирован и сконструирован Энрико Ферми (1901—1954) — итальянским ученым, работавшим в США. Этот реактор начал работать 2 декабря 1942 г. на теннисном корте Чикагского университета. Его мощность составляла всего 0,5 Вт. В честь этого события на наружной стене теннисного корта установлена мемориальная доска с надписью: «Здесь 2 декабря 1942 г. человек впервые осуществил цепную реакцию и этим положил начало овладению освобожденной ядерной энергией». Кроме того, в 1956 г. в память о выдающемся ученом в США учреждена Премия Энрико Ферми, которой награждаются ученые, внесшие выдающийся вклад в области исследования, использования и производства энергии. В честь ученого также назван химический элемент—фермий, а его имя носят Чикагский институт ядерных исследований, Национальная ускорительная лаборатория и космический телескоп.
Атомная энергия: дешево, но небезопасно
Многие ученые считают, что атомной (ядерной) энергии принадлежит будущее. Преимущества получения и использования этого вида энергии заключаются в том, что она не дает выбросов газа или дыма, невелика стоимость урана. Те страны, в которых не добывают уран, могут хранить этот материал на складах, а ведь так сохранять другие виды энергии невозможно.
Однако использование ядерной энергии зависит от решения проблемы утечки радиоактивных отходов и переработки отработанного топлива. Кроме того, весь атомный реактор должен быть надежно защищен от утечки радиации (ядерного излучения), продуктов деления и теплоносителя, для чего используются сложные системы защиты. Несмотря на серьезные меры безопасности, на ядерных реакторах иногда возникают аварии, наиболее крупная произошла в 1986 г. на атомной станции в Чернобыле (Украина).
Если все эти проблемы будут решены, атомная энергия без сомнения сможет заменить все другие виды энергии.