Что случится, если попытаться ударить по отдельному атому урана? Ответ кроется в выборе «инструмента» — и здесь начинается ядерная физика.
Первым делом нужно выбрать «молоток». Обычный молоток бесполезен: это всё равно что стрелять из пушки по воробьям, если сама пушка размером с Солнечную систему. Поэтому возможны два подхода: увеличить мишень или уменьшить ударник.
Предположим, мы изготовили молоток из урана. Благодаря высокой плотности урана он будет очень тяжелым. При ударе такой молоток может искрить даже по дереву — уран пирофорен, то есть склонен к самовоспламенению на воздухе. Если же разогнать урановый снаряд до высокой скорости, как в противотанковых боеприпасах, он при ударе воспламенится.
Второй путь — использовать «молотки» размером с частицу. Природа предоставляет выбор: электроны, протоны, нейтроны, другие ядра или даже гамма-кванты. Но не все эффективны. Легкий электрон для массивного ядра урана — как дробинка для слона: он может выбить один из электронов атома, но ядро останется нетронутым.
Природная урановая руда
С заряженными частицами, такими как протоны, возникает другая проблема: они отталкиваются от положительно заряженного ядра урана. Столкновение будет упругим, подобно тому, как бильярдный шар отскакивает от шара для боулинга.
Можно применить грубую силу, разогнав частицу до околосветовой скорости, чтобы увеличить вероятность взаимодействия. Но есть более изящный способ — использовать нейтрон. У него нет заряда, поэтому он не испытывает кулоновского отталкивания и может беспрепятственно приблизиться к ядру.
Если нейтрон попадает в ядро урана-235, даже медленный (со скоростью в сотни метров в секунду), он поглощается. Ядро становится неустойчивым и через короткое время раскалывается на два осколка, выделяя энергию и рождая несколько новых нейтронов. Эти нейтроны могут, в свою очередь, вызвать деление соседних ядер, запуская цепную реакцию.
Энергия деления в основном уносится осколками, которые тормозятся в среде и нагревают её. В ядерном реакторе этот процесс тщательно контролируют: поддерживают баланс, чтобы цепная реакция не затухала и не становилась лавинообразной. Тепло затем преобразуют в электричество — так работают атомные электростанции.
Добыча урана в Германии в конце XX века
Откуда берутся первые, затравочные нейтроны? Тяжёлые ядра урана могут распадаться спонтанно. В ядре идёт борьба между кулоновскими силами, расталкивающими протоны, и ядерными силами, удерживающими ядро вместе.
С классической точки зрения ядерные силы создают непреодолимый барьер. Но в квантовом мире частицы способны «просачиваться» через барьер благодаря туннельному эффекту. Для целого осколка ядра вероятность туннелирования мала, но не нулева — этого достаточно для спонтанного деления, которое и рождает нейтроны.
Уран, один из самых тяжёлых природных элементов, продолжает оставаться в центре внимания ядерной физики и энергетики, демонстрируя удивительную связь между своими макроскопическими и микроскопическими свойствами.
