Ядро атома приховує багато загадок, які людство намагається розгадати і досі…
У атомному ядрі прихована енергія, здатна живити великі міста або за лічені секунди перетворити їх на руїни. Але ще трохи більше ста років тому ніхто навіть не підозрював, що ця енергія взагалі існує. Наприкінці XIX століття вчені були впевнені, що атом — це майже незмінна, неподільна частинка. Так, уже було відкрито електрон, але сам атом здавався простою й спокійною «цеглинкою» матерії. Усе змінила одна випадковість.
Анрі Беккерель
У 1896 році французький фізик Анрі Беккерель досліджував солі урану. Незадовго до цього були відкриті рентгенівські промені, і багато вчених намагалися з’ясувати, чи можуть інші речовини теж випромінювати невидимі промені. Беккерель поклав кристали урану поруч із фотопластинкою, загорнутою в чорний папір, щоб світло не могло її засвітити.
Та погода несподівано зіпсувалася, експеримент довелося відкласти, і пластинка кілька днів пролежала в шухляді разом із кристалами. Коли вчений проявив її, він був приголомшений. На пластинці чітко відобразилися кристали урану, хоча світло туди взагалі не потрапляло. Виявилося, що уран сам по собі випускає невидиме випромінювання.
Це було справжньою сенсацією. На той час вважалося, що будь-яке випромінювання виникає лише після нагрівання або освітлення. Але тут енергія ніби з’являлася сама собою. Так людство вперше зіткнулося з явищем, яке згодом назвуть радіоактивністю — самовільним випромінюванням енергії нестійкими атомними ядрами. Але найголовніше запитання залишалося без відповіді: звідки ця енергія береться?
Марія та П’єр Кюрі
Шукати відповідь взялося подружжя Марія та П’єр Кюрі. Саме Марія Кюрі ввела в науку термін «радіоактивність». Вони з’ясували, що випромінює не лише уран. Після років виснажливої праці вчені відкрили два нові елементи — полоній і радій, які виявилися ще більш радіоактивними.
Щоб отримати лише крихітну кількість радію, їм доводилося переробляти тони гірської породи. Вони працювали в холодному напівзруйнованому сараї, власноруч перемішуючи величезні казани з розчинами. Увечері Марія із захопленням спостерігала за слабким блакитним світінням пробірок із радієм. Вона ще не знала, що це красиве світіння є ознакою смертельно небезпечного випромінювання. Через багато років саме постійна дія радіації серйозно підірве її здоров’я.
Проте навіть Кюрі ще не знали головного. Де саме всередині атома народжується це загадкове випромінювання?
Ернест Резерфорд
Відповідь знайшов Ернест Резерфорд. Спочатку він довів, що радіоактивне випромінювання буває трьох типів. Одні частинки затримує навіть аркуш паперу. Інші проходять крізь алюміній. А треті проникають навіть через товсті шари металу. Сьогодні ми називаємо їх альфа-, бета- та гамма-випромінюванням.
Та справжній прорив стався під час знаменитого досліду із золотою фольгою. Резерфорд встановив, що майже вся маса атома зосереджена в неймовірно маленькому й дуже щільному ядрі. Якщо збільшити атом до розмірів футбольного стадіону, то ядро було б приблизно як футбольний м’яч в його центрі. Усе інше — майже порожній простір.
Після цього стало зрозуміло: саме ядро є джерелом радіоактивності. Воно не є незмінним, а може самостійно перетворюватися на інші ядра, випускаючи величезну кількість енергії. Виявилося, що атом зовсім не є спокійною «цеглинкою» матерії. Усередині нього постійно відбуваються складні процеси, про існування яких раніше ніхто навіть не здогадувався.
Та виникло нове запитання. Якщо ядро може змінюватися саме по собі, то чи можна змусити його зробити це навмисно?
Отто Ган та Фріц Штрассман
Відповідь прийшла у 1938 році. Отто Ган та Фріц Штрассман опромінювали ядра урану нейтронами. Вони сподівалися отримати нові, ще важчі елементи. Але сталося те, чого ніхто не очікував.
Одне з найбільших атомних ядер буквально розкололося на дві частини. Утворилися значно легші елементи, а разом із ними виділилася величезна кількість енергії.
Ліза Майтнер
Спочатку ніхто не міг пояснити, що саме сталося. Відповідь знайшла Ліза Майтнер, яка через переслідування нацистів була змушена втекти до Швеції. Разом зі своїм племінником, фізиком Отто Фріш, вона зрозуміла, що ядро урану справді розділилося на дві приблизно рівні частини. Саме вони дали цьому процесу назву — поділ атомного ядра.
Але звідки взялася така величезна енергія? Під час поділу сумарна маса уламків ядра виявляється зовсім трохи меншою, ніж маса початкового ядра. Ця майже непомітна різниця перетворюється на енергію відповідно до знаменитої формули Альберта Ейнштейна E = mc². Саме тому навіть крихітна втрата маси може дати колосальну кількість енергії.
Ядро атома: ланцюгова реакція
Невдовзі фізики зрозуміли ще одну надзвичайно важливу річ. Під час поділу одного ядра вилітають нові нейтрони. Вони можуть влучати в сусідні ядра й теж розщеплювати їх. А ті — наступні. Так виникає ланцюгова реакція.
Уявіть ряд доміно. Варто штовхнути лише одну кісточку — і незабаром падає весь ряд. Приблизно так само працює й ядерна ланцюгова реакція. Для одного ядра це триває лише крихітну частку секунди. Але коли одночасно діляться трильйони ядер, вивільняється неймовірна кількість енергії.
Це відкриття повністю змінило світ.
Якщо контролювати ланцюгову реакцію, можна поступово отримувати величезну кількість тепла. Саме так працюють сучасні атомні електростанції. Поділ ядер нагріває воду, вода перетворюється на пару, а пара обертає турбіни, які виробляють електроенергію. По суті, атомна електростанція працює майже так само, як звичайна теплова електростанція. Різниця лише в джерелі тепла: замість вугілля чи газу використовується енергія атомного ядра.
Але якщо ланцюгова реакція відбувається миттєво й некеровано, майже вся енергія вивільняється за частки секунди. Саме цей принцип ліг в основу атомної бомби.
Мангеттенський проєкт
Під час Другої світової війни багато вчених побоювалися, що нацистська Німеччина створить таку зброю першою. У США розпочався надсекретний Мангеттенський проєкт. У ньому працювали десятки тисяч людей, серед яких були найвидатніші фізики світу, зокрема Роберт Оппенгеймер, Енріко Фермі та Нільс Бор. Цікаво, що більшість учасників навіть не знали, над якою саме метою працюють.
Ядро атома – як зброя
У 1945 році були створені перші атомні бомби. Після бомбардувань Хіросіми та Нагасакі людство вперше побачило, до яких катастрофічних наслідків може призвести енергія атомного ядра. Світ зрозумів, що вперше в історії люди створили зброю, здатну поставити під загрозу існування всієї цивілізації.
Ядро атома – дві протилежності використання
Відтоді атом став символом одразу двох протилежностей. З одного боку — це електростанції, що забезпечують міста електроенергією, виробництво медичних ізотопів для лікування онкологічних захворювань, дослідження космосу та нові технології. З іншого — найруйнівніша зброя, яку будь-коли створювала людина.
Історія атомного ядра — це історія одного з найдивовижніших відкриттів людства. Випадково засвічена фотопластинка привела вчених до розуміння того, що всередині кожного атома прихована неймовірна сила. Ця сила існувала мільярди років до появи людини й існуватиме після нас. Ми лише навчилися відкривати її. І те, чи стане вона джерелом світла, нових відкриттів і розвитку людства чи причиною нових трагедій, залежить уже не від законів природи, а від наших власних рішень.
Додаткову інформацію дивись на сторінці “Наш Всесвіт“.