Почему светит солнце?
В МИРЕ АТОМНЫХ ЯДЕР
Поговорив о строении атомов, мы совершенно не касались структуры атомных ядер, представляя их некоторыми малыми шариками, окруженными слоями электронов. Теперь нам придется немного остановиться и на строении ядра. Оно, как известно, состоит ИЗ протонов и нейтронов, причем число первых в точности равно числу электронов в оболочке нейтрального атома, а число нейтронов может значительно (в тяжелых ядрах) превосходить число протонов.
Казалось бы, все достаточно ясно и просто. Но зададим себе вопрос: а как вообще могут существовать атомные ядра? В самом деле, протоны, обладая одинаковым по знаку (положительным) зарядом, должны, отталкиваясь друг от друга, мгновенно разлететься, а нейтроны, не имея никакого электрического заряда, в этой игре сил не могут принимать никакого участия. Между тем атомные ядра существуют и не только не разлетаются на части, но довольно прочны.
Возникла мысль приписать нейтронам свойства «цемента», сплачивающего протоны в ядре. Но как это может совершаться? Поскольку нейтроны не заряжены, электрически воздействовать на отталкивающиеся друг от друга протоны они не в состоянии. Значит, здесь надо было искать какие-то новые, еще неведомые силы иной природы. И очень скоро эти силы были найдены. Они получили название ядерных. Эти силы можно описать следующим образом: любые две ядерные частицы взаимодействуют друг с другом, обмениваясь третьей частицей, отличающейся от них.
Чем же обмениваются протон и нейтрон или два протона и два нейтрона? Какой-нибудь частицей, которую еще не открыли, заявляли физики, когда встал вопрос о природе ядерных сил, и не открыли именно потому, что в свободном состоянии она может появляться только тогда, когда связь между ядерными частицами рвется. В прочих же условиях эта частица делает свою полезную работу в глубинах атомных ядер. Эту частицу назвали пи-мезоном. Существуют положительные, отрицательные и нейтральные пи-мезоны. Впервые заряженные пи-мезоны были обнаружены в космических лучах в середине 20 века, и вскоре их удалось получить искусственно в лабораторных условиях, в специальных машинах-ускорителях.
Пи-мезонами и обмениваются протон и нейтрон. В атомных ядрах много протонов и нейтронов: в ядре урана их почти две с половиной сотни. Поэтому в ядрах существуют целые облака пи-мезонов, которые играют роль цемента, сплачивающего воедино враждующие друг с другом протоны. Этим и объясняется существование устойчивых атомных ядер.
Все рассказанное здесь — только, как говорят физики, модель. Ядерные силы в основном есть силы притяжения, действующие лишь на очень малых расстояниях. При образовании сложных ядер протоны и нейтроны в ядре отдают часть своей массы на взаимную связь, то есть ядерные частицы становятся легче, зато связаны крепче. Таким образом, для того чтобы разрушить ядро на составные части — протоны и нейтроны, нужно затратить энергию. Наоборот, при синтезе атомных ядер из протонов и нейтронов энергия выделяется.
Зависимость между степенью «похудания» ядерных частиц и энергией их связи в ядре дается знаменитым соотношением Эйнштейна,гласящим, что энергия связи равна произведению доли маесы пошедшей на связь, на квадрат скорости света. Последняя величина огромна, и поэтому даже ничтожное изменение массы соответствует относительно большой энергии.
Насколько же «худеют» ядерные частицы? Опыты показывают, что протон и нейтрон теряют при соединении в ядро тяжелого водорода очень небольшую часть массы — около 0,5 процента. Соответствующая этой доле их массы энергия для одного ядра невелика, но в привычных нам объемах вещества количество протонов и нейтронов колоссально (в грамме вещества содержится триллион триллионов ядерных частиц), так что суммарная энергия связи для всех этих ядер оказывается огромной. Например, энергия, соответствующая «похуданию» протона и нейтрона при их соединении в ядро, в расчете на грамм вещества составляет более 100 тысяч киловатт-часов, — эта энергия вырабатывается за целый день работы небольшой электростанции! Вот эта-то энергия связи протонов и нейтронов в ядрах и есть то, что мы называем атомной, или правильнее, ядерной энергией. Чтобы извлечь ее из ядер, нужно эти ядра создать — синтезировать.
Задача освобождения внутриядерной энергии, однако, оказалась исключительно трудной. Как известно, на первом этапе ученые, вместо того чтобы заниматься получением ядерной энергии при синтезе, научились получать энергию при расщеплении (делении) тяжелых ядер на более крепкие, более устойчивые осколки.
Но мы отвлеклись. Немного разобравшись с энергией ядра, вернемся к нашему вопросу, почему светит солнце.