© сайт "Знания-сила".
Вице-президент АН СССР академик Е. Ве́лихов,
профессор В. Летохов. 1979 год.

Эйнштейн и прикладная физика
(продолжение, часть 2 из 3)

«ЗАВИСИТ ЛИ ИНЕРЦИЯ ТЕЛА ОТ СОДЕРЖАНИЯ В НЁМ ЭНЕРГИИ?» («Анналы физики», том 17, 1905 год, 3 страницы).

Эта статья, являющаяся логическим продолжением предыдущей, связала вместе несвязу́емые, как казалось ранее, понятия — энергию и массу тела. В конце статьи Эйнштейн сделал фундаментальный вывод: «Масса тела есть мера содержащейся в нём энергии; если энергия изменяется на величину L, то масса меняется соответственно на величину L/c² = L/(9×10²⁰), причём здесь энергия измеряется в эргах, а масса — в граммах». И продолжал: «…не исключена возможность того, что теорию удастся проверить для веществ, энергия которых меняется в большей степени (например, для солей радия)».

Согласно СТО, соотношение между массой тела и его полной энергией Е выражается простой формулой:

где m₀ — абсолютная постоянная данного тела, мера количества материи в нем, называемая массой покоя, v — скорость движения тела относительно некоторой системы отсчета. При малых скоростях движения по сравнению со скоростью света с или, как говорят, при нерелятиви́стских скоростя́х (v<<с) полная энергия тела Е определяется выражением (оно получается из приведенной выше формулы путём элементарных преобразований):

Отсюда следует, что, помимо хорошо известного классического значения кинетической энергии движущегося тела , принцип относительности указывает на существование энергии, связанной уже не с движением, а с само́й массой поко́я m₀, энергии, как бы аккумули́рованной само́й этой массой. Причем эта первая составляющая, связанная только с массой, несравненно больше кинетической энергии — это следует из условия v<<с.
Для примера укажем, что при v=30 м/сек (100 км/час) кинетическая энергия составляет всего лишь 0,5×10^-14 от полной энергии тела.

Следующим логическим выводом из СТО было признание возможности преобразования всей громадной энергии, связанной с массой покоя, например, в энергию излучения, то есть признание возможности процесса, который сейчас называем аннигиляцией вещества. Или хотя бы частичное использование этой энергии, вследствие чего должно было бы произойти частичное уменьшение массы покоя. Подобные выводы, сделанные на основании теории относительности, в то время, и ещё много лет после этого многим казались совершенно невероятными, нереальными. Казались не более чем упражнениями теоретика. Однако именно эти выводы спустя несколько десятков лет воплотились в ядерные реакторы, ядерное и термоядерное оружие, атомную энергетику и в создаваемые ныне экспериментальные термоядерные реакторы. Не следует, конечно, думать, что всё это само собой следовало из простого соотношения Е=mc². Совсем нет. Это соотношение только говорит о том, что масса эквивалентна энергии, но не говорит о том, как преобразовать массу в энергию и тем более в полезную энергию. Но логика развития науки такова, что правильно понятый фрагмент картины мира почти всегда открывает перед человеком новые интересные практические возможности. Вот так и выводы Эйнштейна о взаимосвязи массы и энергии, их приложение к проблемам ядерной физики привели к открытию конкретных путей использования энергии ядерных реакций.

Почти всё, что связано с реальным открытием для человечества нового источника энергии, почти всё это происходило в самые последние десятилетия, привлекало пристальное внимание многих наших современников, и поэтому хотелось бы несколько более подробно остановиться на данном примере преодоления трудного пути от идеи теоретика до действующих промышленных сооружений.

Начнём с напоминания о том, что ядро каждого элемента (точнее, каждого его изотопа) таблицы Менделеева имеет определенную массу покоя. Значения масс покоя найдены путем точного измерения параметров траектории движения ядра в электрическом и магнитном полях. Зная массу ядра, можно согласно уравнению Эйнштейна вычислить содержащуюся в нём энергию. Каждое ядро состоит из строго определённого числа нуклонов (протонов и нейтронов),свободные нуклоны тоже имеют строго определённую массу покоя и, следовательно, опять-таки строго определенный запас энергии: масса протона М_р= 1,6726×10^-24г = 938,26 МэВ; масса нейтрона М_n= 1,6749×10²⁴г = 939,55 МэВ. Разумеется, согласно закону сохранения энергии должен быть справедлив следующий её баланс:
масса (энергия) ядра = масса (энергия) всех нуклонов минус энергия (масса) связи нуклонов в ядре.

Энергия связи нуклонов в ядре есть как раз та энергия, которую нужно затратить, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны.

Зависимость энергии связи ядра, приходящейся на один нуклон (Е_св/нук), от массового числа ядра А. Наиболее лёгким ядрам энергетически «выгоднее» объединяться в более тяжелые (синтез), а тяжелым — расщепляться на более лёгкие (деление). В центре кривой имеется очень пологий максимум («железный максимум»).

Энергия связи нуклонов в ядре зависит от количества этих ядерных частиц, а значит, и от атомного номера А. Это иллюстрируется рисунком, где для удобства энергия связи всего ядра поделена на число нуклонов А, то есть дана зависимость от А энергии связи, приходящейся на один нуклон (Е_св/нук). Как видите, при А=60, то есть у таких элементов, как железо, кобальт, никель, наблюдается максимум — около 8,8 МэВ на нуклон.

Для получения свободной энергии можно использовать разницу энергии связи между нуклонами или, что то же самое, превращать в свободную энергию ту разницу массы, которая обусловлена взаимосвязью нуклонов в ядре. Пользуясь приведенным графиком, нетрудно прийти к выводу, что есть два возможных пути превращения энергии (массы) связи в свободную энергию,— это слияние легких («малых») ядер в более тяжелые («большие») ядра и расщепление тяжелых («больших») ядер на более легкие («малые») ядра. В первом случае (левая часть графика, до максимума, при А<60) энергия связи у получившегося ядра будет больше, чем у исходных. Поэтому, чтобы разрушить «большое» ядро, раздробить его на «малые» я́дра, нужно будет затратить значительную энергию. И наоборот, при образовании «большого» ядра из «малых» энергия выделится. Во втором случае (правая часть графика, после максимума, при А>60), наоборот, энергия связи «большого» ядра меньше, чем суммарная энергия связи его слагаемых — «малых» ядер, значит, для сборки «большого» ядра нужны затраты энергии, а его разрушение, распад на «малые» ядра, будет сопровождаться выделением энергии.

С точки зрения физика, размышля́ющего о практическом использовании ядерной энергии, у приведенного эмпирического графика есть один недостаток: из него никак не следует, что слияние или расщепление ядер действительно возможны.

Слияние (синтез) ядер было экспериментально обнаружено вскоре после открытия в 1931 году Гарольдом Юри тяжелого изотопа водорода — дейтерия. Он выделил его из обычной воды и разработал метод получения дейтерия в количествах, нужных для физических экспериментов. Затем с помощью небольших электростатических ускорителей было показано, что при столкновении двух ядер дейтерия (Д+Д реакция) действительно возможно образование более тяжелых ядер: ядра́ 3Не (плюс свободный нейтрон) или ещё более тяжелого изотопа водорода — трития (плюс свободный протон). Обе эти ядерные реакции синтеза идут с выделением значительной энергии: 3,2 и 4,0 МэВ соответственно.

Правда, практически использовать энергию при таком методе синтеза невозможно — синтез нового ядра идёт только при сильном сближении исходных ядер, а такому сближению препятствует электростатическое отталкивание. Поэтому ядра приходилось ускорять до высоких скоростей, и на это тратилось в конечном итоге больше энергии, чем получалось.

Но есть, к счастью, другой путь — ядра могут сильно сближаться при высоких температурах (десятки и сотни миллионов градусов), когда скорость их хаотического движения очень велика. Поэтому реакция синтеза легких ядер была принята в качестве основного механизма выделения энергии в звёздах. Американский физик Ганс Бете, разработавший теорию такого термоядерного горения в звёздах, был впоследствии удостоен за эту работу Нобелевской премии. Как видите, принципиальная возможность получения термоядерной энергии в больших количествах была признана раньше, чем возможность использования энергии деления ядер. Отметим, что идея термоядерного происхождения энергии звезд за счёт синтеза ядер гелия из ядер водорода была высказана английским астрофизиком А. Эддингтоном в 1920 году, задолго до экспериментального открытия реакции слияния ядер.

Прошло несколько лет после удачных экспериментов по синтезу гелия, и вот в 1939 году совершенно неожиданно немецкие физики О. Ган и Ф. Штрассман открывают явление деления тяжелого ядра — ядра́ урана — при бомбардировке его нейтронами. Для ядра урана (А=238) энергия связи на нуклон равна 7,5 МэВ, когда же оно расщепляется на два примерно одинаковых осколка, то энергия связи у каждого из них примерно равна 8,4 МэВ. Следовательно, образующиеся два осколка в сумме легче исходного ядра,— у них энергия связи на 0,9 МэВ (на нуклон) больше, чем в исходном ядре урана. Если учесть, что ядро урана состоит из 238 нуклонов, то энергия, выделяющаяся при делении каждого такого ядра, достигает 214 МэВ.

Обнаруженное деление я́дер открывало второй путь высвобождения внутриядерной энергии, но получение нейтронов этих снарядов, необходимых для расщепления ядра урана, представлялось чрезвычайно сложным делом. Трудно сказать, как решилась бы эта задача, если бы не одно чрезвычайно существенное обстоятельство. При делении ядра легкого изотопа урана ²³⁵U, которого в природе в сто сорок раз меньше, чем тяжелого изотопа ²³⁸U, в среднем испускается два-три нейтрона, которые могут стать причиной продолжения процесса. То есть каждое распавшееся ядро ²³⁵U в среднем может разрушить более одного такого же ядра, а отсюда возможность того самого лавинообразного процесса, который получил название цепной реакции. Этот решающий факт установили французские физики Жолио-Кюри с сотрудниками и американские — Л. Сциллард, Э. Ферми с сотрудниками. Отметим, что Л. Сциллард ещё раньше искал цепную ядерную реакцию, которая сделала бы возможной лавинообразное высвобождение внутриядерной энергии. Теперь же возможность осуществления цепной самоподдерживающейся ядерной реакции стала совершенно ясной. Сразу же советские учёные Я.Б. Зельдович и Ю.Б. Харитон количественно рассмотрели цепной процесс деления я́дер урана и сделали важный вывод о возможности управления цепным процессом, то есть создания стационарного устойчивого ядерного реактора.

Открытие деления ядер урана было последним ключевым звеном в цепи блестящих теоретических и экспериментальных работ, начавшихся с фундаментальной работы Эйнштейна 1905 года об эквивалентности массы и энергии. (Кстати, спустя 34 года Эйнштейн возвращается к своей идее, точнее, к её практическим следствиям, когда в знаменитом письме от 2 августа 1939 года сообщает Рузвельту, что уран может служить источником создания «исключительно мощных бомб».) Далее эстафету принимает прикладная физика, которая в конце концов привела к становлению новых областей техники и промышленности, в частности крупной атомной энергетики, эра которой началась с первой атомной электростанции, построенной в Советском Союзе в Обнинске в 1954 году.

Что же касается других областей физики, начало которым было дано этой эйнштейновской работой, то их главное внимание сейчас обращено на то, чтобы открыть перед человечеством энергетическое Эльдорадо. Речь идёт об управляемом термоядерном синтезе.

Уже в начале 50-х годов в СССР и в США удалось осуществить слияние лёгких ядер дейтерия и трития при разогреве вещества (десятки миллионов градусов) в условиях ядерного взрыва. Так была экспериментально дока́зана возможность получения огромной энергии в реакции слияния ядер; это доказательство, к счастью, остается единственным практическим результатом создания водородной бомбы. Примерно в то же время в СССР начались работы по получению управляемой термоядерной реакции, нацеленные на мирное использование, то есть на высвобождение энергии термоядерного синтеза в спокойном, невзрывно́м режиме.

С са́мого начала исследований наша страна занимает в этой области лидирующее положение. Так, например, работы по удержанию высокотемпературной плазмы в установках типа «токамак» начались и успешно развиваются в Институте атомной энергии имени И.В. Курчатова (сейчас в мире действует уже более 50 токамаков). В то же время ведутся серьёзные исследования и на других направлениях, которые представляются реалистичными. В частности, исследования по импульсному разогреву плазмы с помощью мощных электронных пучков и импульсов лазерного излучения в режиме так называемого инерционного удержания плазмы. Несколько стран планируют в ближайшие 4—5 лет на строящихся сейчас крупных токамаках продемонстрировать физическую осуществимость управляемого термоядерного синтеза. Это направление физики ставит целью решить благороднейшую задачу — навсегда освободить человечество от истощения энергетических ресурсов.

Нужно сказать, что для фундаментальной физики проблема управляемого термоядерного синтеза оставляет немало интересных поисковых задач. Одна из них предполагает связать два легких ядра вместе с помощью посредника — какой-либо элементарной частицы. Сначала обсуждалась возможность катализировать реакцию ядерного синтеза с помощью мезонов, имеющих отрицательный заряд. Они могут войти в атом, подобно электрону вращаясь вокруг ядра, однако на очень близком расстоянии. Таким образом, мезоны могут в сильной степени скомпенсировать положительный заряд ядра, а это позволит ядрам сравнительно легко сблизиться до таких расстояний, при которых эффективно идет реакция их слияния. К сожалению, мезонный катализ в практических масштабах пока представляется энергетически неоправданным.

Совсем недавно появилась идея при синтезе ядер воспользоваться помощью кварков, из которых, как предполагается, состоят почти все известные элементарные частицы. Конечно, кварковый катализ — это пока ещё, «мягко говоря, гипотетическая возможность: достаточно вспомнить, что свободные кварки пока не обнаружены и есть основания полагать, что в свободном состоянии кварков вообще не бывает.

И в то же время никак нельзя исключать того, что прогресс в физике элементарных частиц, особенно стремительный в последние несколько лет, приведёт к принципиально новым возможностям использования внутриядерной энергии.

Но вернемся, однако, к нашим коротким рассказам о некоторых фундаментальных работах Эйнштейна, давших начало новым направлениям прикладной физики, а затем техники и индустрии. Настал момент вспомнить про работу несколько более позднюю (она появилась в печати через 11 лет после ранних научных публикаций), однако же опирающуюся на самую первую из опубликованных работ — «Об одной эвристической точке зрения на возникновение и поглощение света», к которой, кстати, Эйнштейн возвращался неоднократно.