ДЕФЕКТ МАССЫ. В 1932 г. два английских физика, Д. Кокрофт и Э. Уолтон, в который раз обстреливали пучком ускоренных протонов мишень из изотопа лития-7, надеясь обнаружить после этого что-либо новое и интересное. Это новое не заставило себя долго ждать. Снимки, сделанные в камере Виль­сона, показали, что некоторые ядра лития-7, погло­тив попавший в них протон, исчезали, выбрасывая две альфа-частицы, т. е. целиком превращались в два ядра атома гелия-4. Это событие можно записать так:
|Н + ^Li -> ^Не + |Не.
Результат, безусловно, поразительный! Но по-настоящему потрясло ученых совсем другое. Когда попробовали с карандашом в руках подсчитать ба­ланс масс и энергий всех частиц, участвовавших в этой, на первый взгляд, очень простой ядерной реакции, то обнаружили непонятные «прибыли» и «убытки». Масса всех участвовавших в этой реакции частиц равнялась 7,0182 (ядро лития-7) + 1,0081 (протон) = 8,0263 а.е.м., а масса получившихся двух отдельных альфа-частиц в сумме давала всего лишь 4,004x2 = 8,008 а.е.м. Неизвестно, куда ис­чезала масса вещества, равная 8,0263 — 8,008 = = 0,0183 а.е.м.\ Одновременно, и тоже неизвестно откуда, появлялась весьма значительная прибавка энергии движения у двух разлетающихся альфа-частиц по сравнению с энергией протона, первона­чально разбившего надвое ядро лития-7.
Крушение закона сохранения массы и энергии?
Ни то, ни другое. Что именно так и должно было происходить, теоретически предсказал еще в 1905 г. выдающийся физик нашего века Альберт Эйнштейн— творец теории относительности, одной из самых сме­лых и дальновидных научных идей современности.
Одним из важнейших выводов этой теории было то, что никакое тело не может двигаться в пустоте со скоростью, равной скорости света — 300 ООО км/сек— или превышающей ее. Это утверждение шло вразрез с господствовавшим прежде законом механики Нью­тона, по которому масса тела не зависит от скорости и, следовательно, любое дополнительное усилие, приложенное к движущемуся телу, должно пропор-* ционально, а следовательно, и беспредельно увели­чивать его скорость. Согласно же теории относи­тельности, следует различать массу покоя т0 и массу т, зависящую от скорости движения данного тела. Для малых скоростей масса т практически равна массе покоя т0, однако, если скорость движения тела становится сопоставимой со скоростью света, масса т очень быстро увеличивается, стремясь к беско­нечности. Например, при скорости 282 100 км/сек масса электрона почти утраивается; при 298 500 км/сек она увеличивается в 10,79 раза; ско­рость 299 400 км/сек утяжеляет электрон уже в 20,58 раза и т. д. Отсюда следует и другой вывод: любое тело можно разогнать до скорости, сколь угодно близкой к скорости света, но никогда нельзя достичь ее.
Основываясь на опытах русского физика П. Н. Ле­бедева, установившего факт светового давления, т. е. доказавшего наличие массы у световых волн, на экспериментально подтвержденном факте утяже­ления электрона при движении со скоростями, близ­кими к скорости света, и на других открытиях века, А. Эйнштейн вывел свое знаменитое, вызвав­шее множество споров и кривотолков, соотношение, связывающее массу (меру инерции) и энергию (фи­зическую меру движения материи)!
Е — тс2,
т. ё. энергия эквивалентна массе тела, умноженной на квадрат скорости света.
Следовательно, любое вещество обладает опреде­ленным запасом энергии, строго пропорциональным его массе и, наоборот, каждому материальному телу, обладающему энергией, соответствует строго опре­деленная масса. Чем больше масса тела, тем больше скрыто в нем энергии. Увеличивая энергию какого-либо тела, например нагревая его или разгоняя до близких к световой скоростей, мы тем самым увели­чиваем и его массу. Если возбужденный атом веще­ства излучает квант света (фотон), то вместе с энер­гией он теряет и определенную массу.
При всем изобилии энергии атом отдает ее крайне скупо. Чтобы преодолеть силы, связывающие час­тицы в ядре и препятствующие его перестройке, нужно сначала затратить какое-то количество энер­гии. Только тогда распадающееся или перестраиваю­щееся ядро атома выделит связанную с уменьшением его массы энергию. Однако не во всех случаях энер­гия, выделяющаяся при распаде или перестройке ядра, превышает энергию, затрачиваемую на разру­шение или перестройку. Следовательно, для получе­ния энергии выгодно разрушать или перестраивать ядра атомов только тех элементов, у которых «за­траты» меньше «прибыли». Обычно это ядра атомов или самых легких, или самых тяжелых элемен­тов.
Как известно, ядро атома гелия (альфа-частица) сложено из двух протонов и двух нейтронов. Чтобы разделить такое ядро на составляющие его элемен­тарные частицы, надо преодолеть огромные силы аритяжения, удерживающие их все вместе, которые, как выяснилось позже, действуют только на расстоя­нии, равном примерно двум диаметрам ядра. Сделать это можно, попав в ядро атома гелия какой-либо тяжелой частицей, разогнанной до большой скорос­ти. В опыте английских ученых с литием-7 это был протон. Следовательно, на данной фазе происходит поглощение энергии. Но как только частицы разби­ваемого ядра разойдутся на расстояние больше двух диаметров ядра, действие внутриядерных сил пре­кращается и вступают в действие исключительно ог­ромные силы отталкивания одинаково заряженных протонов.
Разлетающиеся в стороны с колоссальной ско­ростью частицы обладают энергией, значительно больше той, которая была затрачена на разрушение этого атома.
Ну а что произойдет при попытке соединить вместе четыре отдельных ядра атомов водорода (протона), чтобы получить ядро атома гелия?
Логично предположить, что сначала нужно затра­тить значительную энергию, чтобы преодолеть не­прерывно нарастающее отталкивающее действие че­тырех положительных зарядов протонов. Но еще большее, поистине чудовищное количество энергии выделится после того, как, сблизившись и войдя в сферу действия ядерных сил притяжения, протоны затем как бы сольются в новое ядро («защелкнут­ся»). При этом два протона превратятся в нейтроны, выбросив два позитрона и два нейтрино. И в качест­ве конечного результата появится избыточное ко­личество энергии, сопровождающееся уменьшением некоторого количества массы. Разность между мас­сой частиц до реакции слияния их в ядро атома более тяжелого элемента и массой образовавшегося в ре­зультате этой реакции ядра называют дефектом массы.
Теперь можно заняться подсчетами.
Сумма масс нуклонов, принимающих участие в реакции, равна: 2 протона X 1,0072 + 2 нейтро­на X 1,0086 = 4,0316 а.е.м. Масса же ядра атома гелия, когда-то ранее сложившегося из таких час­тиц, составляет 4,0028 а.е.м. Разница 0,0288 а.е.м. Тем не менее даже такое, казалось бы, ничтожно малое уменьшение массы эквивалентно энергии 25,9 Мэв\
Дефект массы наблюдается не только при соеди­нении протонов и нейтронов в ядре атома, но и в тех случаях, когда ядро атома тяжелого элемента де­лится на два более легких ядра.
Но ... не у всех элементов при сложении или де-| лении ядер атомов «выделяющаяся» энергия превос­ходит затрачиваемую. Это относится к очень огра­ниченному числу атомов: к самым легким — водо­роду, дейтерию, тритию, гелию, литию, и самым тяжелым — урану, плутонию. Все элементы сере­дины таблицы Д. И. Менделеева никаких выгод в этой части не представляют. По этой причине булыжник при дороге, кусок железа, серебро, золото, ртуть и другие вещества до скончания веков останутся тем, чем они есть сейчас. Вот почему взрыв атомной или водородной бомбы не вызывает детонации и взрыва всех окружающих нас веществ: воды, воз­духа, почвы, всей планеты.
Избыточная энергия при слиянии легких элемен­тов будет выделяться только в том случае, если в соответствующую ядерную реакцию удастся вовлечь все наличные атомы или их значительную часть. А даже при самой мощной бомбардировке, пользуясь имеющимися в распоряжении ученых источника­ми тяжелых снарядов: ускоренных альфа-частиц, дейтронов и протонов — в цель попадает едва одна десятимиллионная их часть. Все же остальные пролетают мимо. Вот почему тысячи ученых во всех странах мира изыскивают способы и средства вмеши­ваться в происходящие в недрах атомов физические процессы, с тем чтобы, управляя некоторыми из них, высвобождать скрытую в них энергию (см. Термо­ядерная реакция).