Пожалуй, еще более странны мезо-атомы. Они обладают таким же положительно заряженным ядром, как и обычные атомы, но отличаются от них строением наружной электронной оболочки. В мезо-атомах один из электронов замещен на мезон — на тяжелую частицу с массой в 210 раз больше, чем у электрона. Мезоатомы настолько необычны, что ставят под сомнение многое из того, в чем физики, изучив размеры и строение атома, были до сих пор твердо уверены.
Чем больше заряд атома, чем больше его порядковый номер в таблице Менделеева, тем сильнее, конечно, его ядро притягивает электроны и тем меньше размеры атома — диаметр электронных орбит в его внешней электронной оболочке. Известно также, что диаметр орбиты зависит и от массы вращающейся частицы. Чем тяжелее она, тем ближе к центральному ядру орбита ее вращения. Таким образом, очень легко можно рассчитать, на каком расстоянии от ядра должна находиться орбита мезона в мезо-атоме.
Физики научились получать в своих ускорителях очень мощные потоки мезонов и точно регулировать скорость мезонов. Оказалось, что медленные мезоны, обладающие тепловой скоростью, блуждая между атомами, захватываются ими и замещают в орбите электроны. При захвате мезонов тяжелыми атомами были обнаружены загадочные, поистине удивительные явления.
Удивительна простота основного закона, к которому свелась первоначальная бесконечная сложность его строения. Вся прихотливость поведения электронов во внешней оболочке атома, управляющая всеми его свойствами, может быть выражена необычайно просто: в атоме нет и не может быть двух одинаковых электронов. Теперь смысл этого закона нам ясен. Все электроны в атоме должны иметь разный «набор» значений четырех квантовых чисел: n, l, m, s. Зная же общее число электронов в данданном атоме, которое равно его порядковому номеру в менделеевской таблице, мы можем сами «строить» атом, можем сами рассчитывать структуру его внешней электронной оболочки —определять, сколько в ней электронов и какие они в ней. Этот закон известен в науке, по имени швейцарского физика-теоретика, как принцип Паули.
Графическое искусство бессильно изобразить строение атома. Пожалуй, единственная надежда остается на собственное воображение. Пусть те из читателей, у кого оно достаточно развито, предварительно подсчитают и даже вычертят орбиты всех типов для всех возможных электронных оболочек атома. А затем попытаются представить себе для наглядности электроны в виде ярко светящихся шариков, которые кружатся каждый на своей орбите с невообразимо огромной скоростью. Тогда для глаза каждый электрон должен был бы превратиться в сверкающую кривую своей эллиптической орбиты. Но орбита его не может быть неподвижной: атом и неподвижность несовместимы. Сами электронные орбиты также меняют свое взаимное положение, в своем движении они описывают сложные и причудливые объемные фигуры, сливаясь в мерцающее фантастическое сияющее облако — в электронный вихрь.
А разве электроны могут быть разными? Быть может, электрон на Марсе отличается от электрона на Сириусе? Или электроны в атоме железа не похожи на электроны, вращающиеся в атомах водорода? Нет. Физики совершенно точно знают, что все электроны, во всем мироздании, повсюду совершенно одинаковы.
Чем же тогда они различаются в атоме? Почему от этого зависят химические свойства элементов? Как периодический закон Менделеева связан со строением атома?
Эти вопросы очень трудны. Хотя они еще не все и не полностью решены наукой, но все же очень много тайн в строении атома уже разгадано. Хотите узнать их? Тогда прочтите внимательно, лучше с карандашом в руках, чтобы самому просчитать все оболочки и орбиты, следующую главу.
Атом... Само его имя — «неделимый» отражает почтительную робость науки недавнего прошлого перед его непостижимостью. До сих пор его еще никто не видел. Никакие примеры и сравнения не могут дать правильное представление о его размерах.
Как же невообразимо сложно должен построен атом. Ведь его строение определяет бесконечное многообразие всего, что нас окружает. А ведь вокруг нас неисчерпаемый, безграничный мир, замечательный и прекрасный, полный света и красок.
И все, что мы видим на всем доступном нам протяжении безграничности мироздания, — все это состоит из немногих, аккуратно разложенных Менделеевым по клеткам его таблицы различных видов атомов.
Проникнуть в тайну того, как построен атом, помогло изучение спектров. Оказалось, что атом сам рассказывает о себе на удивительном красочном языке, на языке спектральных линий испускаемого атомом света. Но ученые долго не могли понять его загадочный шифр. И в самом деле, попробуйте представить себя в положении человека, которому необходимо разгадать устройство механизма никогда им не виданного рояля, только слушая исполняемые на нем музыкальные произведения. Перед физиками же стояла задача неизмеримо труднее, но они сумели с ней справиться. Правда, для того чтобы понять шифр спектральных линий, им пришлось создать новую науку — механику микромира, квантовую механику.
Тайна периодической системы элементов была разгадана, когда удалось понять сложнейшую структуру атома, строение его внешних электронных оболочек, законы движения электронов вокруг положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома.
Сотни и тысячи талантливых и самоотверженных ученых трудились, выясняя структуру атома. Они шли к ней разными путями и с разных сторон. Теоретики и экспериментаторы, физики и химики, открывая новые факты, отыскивая новые закономерности, всегда сопоставляли свои результаты и выводы с системой Менделеева.
Долгим и трудным путем шла наука к разгадке великой тайны периодического закона. Он воплотил в себе все необозримое многообразие бесконечного множества химических процессов и превращений в окружающем нас мире. Он внес ясность и порядок в химию, где до него царствовал хаос отрывочных и несвязанных сведений, фактов, наблюдений, накопленных многими поколениями химиков.
Почему элементы так послушно повинуются закону Менделеева? Почему существует таинственная правильная повторяемость свойств у химических элементов? Почему натрий похож на калий, а фтор сходен с хлором? Почему кислород и сера присоединяют по два атома водорода, а атомы углерода и кремния образуют соединения, в которых по четыре водородных атома? Почему химик, хорошо изучивший таблицу Менделеева, заранее скажет, какие соединения могут возникнуть при взаимодействии различных элементов?
Какова таинственная причина этих поистине удивительных закономерностей, управляющих течением всех химических реакций между всеми элементами, дающих бесчисленное множество соединений, из которых состоят все тела в окружающем нас мире, не только на нашей Земле, но и далеко за ее пределами, в безграничном космосе?
Много, очень много можно задать подобных вопросов. Ответ на них один. Все химические и физические свойства вещества определяются строением атомов. Великий закон, открытый Менделеевым, потому и есть всеобщий закон природы, что он выражает закон строения атома.
Менделеев считал, что химические свойства элементов зависят от их атомных весов. Это
оказалось не так. Место в менделеевской таблице, а следовательно, и всю химию элемента определяет не его атомный вес, а атомный номер — заряд его ядра.
Значит ли это, что атомный вес оказался науке больше ненужным и что теперь все его значение ограничивается очень полезной, но скромной ролью при расчетах состава вещества в процессе химического анализа?
Нет. Для физики значение атомного веса не только не уменьшилось, но, пожалуй, даже неизмеримо возросло, особенно с точки зрения практики. Масса атома в настоящее время стала основной величиной для всех расчетов ядерной энергетики и ядерной химии. Не зная точное значение атомной массы, абсолютно невозможно установить механизм ядерных реакций и рассчитать количество энергии.
Недоступный прямому восприятию, до сих пор еще никем не виденный атом ученые научились взвешивать с точностью в сотни и даже в тысячи раз большей, чем мы можем измерять любую другую величину в окружающем нас мире.
Мощное излучение атомного реактора не только вызывает превращения элементов, но и нарушает структуру материалов, из которых он изготовлен. Особенно сильно облучается само атомное горючее — уран. Его пронизывают осколки деления, нейтроны, -частицы и -лучи. Под действием облучения уран становится хрупким, распухает, деформируется, нержавеющая сталь также становится более хрупкой. Графит при облучении быстрыми нейтронами увеличивается в размерах, вода медленно разлагается на водород и кислород. Совершенно не выносят мощное облучение пластмассы, полупроводники, электрические кабели, поэтому все эти материалы нуждаются в толстом слое защиты. Самая сложная задача при конструировании атомного реактора — сделать его урановые тепловыделяющие элементы такими надежными, чтобы ни один из нескольких тысяч элементов не вышел из строя из-за какой-либо неполадки, связанной с облучением деталей реактора.
Атомный реактор нужно уметь выводить на заданную мощность, удерживать на ней и в нужный момент прекращать цепную реакцию (рис. 6). Чтобы мощность реактора увеличилась, достаточно сделать коэффициент размножения нейтронов чуть больше единицы. В каждом реакторе небольшая часть каналов предназначена не для урановых стержней, а для стержней регулирующих или стержней аварийной защиты. Эти стержни делают из вещества, сильно поглощающего нейтроны: в маломощных реакторах — из легкоплавкого кадмия, а в реакторах мощных, работающих на промышленность,— чаще всего из стали с добавкой бора, сильно поглощающего нейтроны. Регулирующие стержни приводятся в действие электромашинными устройствами, связанными со счетчиками нейтронов. Как только мощность реактора падает, регулирующие стержни поднимаются выше, если же мощность слишком нарастает — опускаются и поглощают избыточные нейтроны.
Стержни аварийной защиты обычно подвешены над пустыми каналами на электромагнитах. Стоит случиться какой-либо неисправности — прервется подача электроэнергии или появится активность в охлаждающей воде, как цепь питания электромагнитов разорвется и стержни почти мгновенно остановят мощный реактор.
Когда говорят об атомном реакторе, невольно представляешь себе огромное здание электростанции, тысячетонную бетонную защиту, сложнейшую автоматику и обязательно высоченную трубу для сброса слегка радиоактивных газов в атмосферу. Между
тем первые реакторы выглядели далеко не так монументально. И в современных реакторах главное не технические детали и не размеры.Первоначально в английском языке атомный реактор назывался «pile», т. е. куча, штабель. Первые атомные реакторы действительно больше походили на штабели из графитовых кубиков, чем на современные сложнейшие сооружения. Но как в первом примитивном автомобиле уже был мотор, так и в этих первых штабелях урана и графита уже тлела цепная ядерная реакция.
Резерфорда, сделавшего немало открытий в области радиоактивности, однажды спросили, какой практический интерес могут представить его открытия. И великий ученый ответил: «Ровно никакого». Но вот в 1932 г. Джемс Чэдвик открыл нейтрон. Это был ключ почти ко всем атомным ядрам. В 1935 г. Фредерик Жолио-Кюри, получая Нобелевскую премию за открытие искусственной радиоактивности, сказал: «Мы отдаем себе отчет в том, что ученые, которые могут создавать и разрушать элементы, способны также осуществлять ядерные реакции взрывного характера».
Ученые долго не замечали способность ядер урана делиться. Ведь все другие элементы, облучавшиеся нейтронами, превращались в более тяжелые ядра, поэтому предполагалось, что и уран должен себя вести так же.