Юрий Фиалков - Свет невидимого

• Название: Свет невидимого
• Автор: Юрий Фиалков
• Издательство: Детская литература
• Жанр: Детская образовательная литература
• Год: 1984

Книга эта о радиоактивности. Той самой радиоактивности, которая была открыта на рубеже XIX и XX веков и которая во многом определила развитие не только физики, но и всех иных разделов естествознания.

Без малого два десятилетия назад автор уже написал книгу о том, как явление радиоактивности послужило химии и геологии, медицине и археологии, биологии и космогонии («Ядро — выстрел!», издательство «Детская литература», 1966 г.). Но события в науке в наше время развиваются стремительно. Вот почему автору свою прежнюю книгу пришлось существенно переработать и дать ей другое название.

---

Любое химическое производство — это прежде всего расход тепла. Тепло необходимо для того, чтобы очистить вещества, вступающие в химическую реакцию. Тепло необходимо и для того, чтобы началась сама реакция. Тепло необходимо для выделения продукта реакции, для его очистки и еще для других процессов, из которых слагается современное химическое производство.

Вот и получается, что большая часть каменного угля, нефти и газа, добываемого в стране, идет на потребу химикам — не в качестве сырья, нет, к сожалению, — а как горючее. Досадно. Очень досадно.

* * *

В истории науки можно найти немало примеров, когда физика и химия приходили друг другу на помощь. Но то, о чем сейчас пойдет речь, — пожалуй, самый яркий из примеров их сотрудничества за всю историю дружбы этих наук.

* * *

Открывая Всесоюзное совещание по радиационной химии, которое было созвано в начале 60-х годов, виднейший советский ученый академик А. П. Виноградов сказал:

— Современная эксплуатация ядерных реакторов является варварским способом использования энергии атома. И облагородить этот способ дано лишь нам, химикам. Вот почему энергетика будущего в наших с вами руках, товарищи…

Хотя с того времени прошло немало лет, я очень хорошо помню, какой вихрь недоуменных вопросов пронесся у меня в голове:

«Ядерные реакторы — варварский способ?! Одному из самых крупных достижений современной науки академик присвоил такой малопочтенный эпитет?! И потом, почему это мы, химики, должны отвечать за энергетику будущего? До сих пор я полагал, что это дело специалистов в области электричества, турбиностроителей, физиков, наконец, но никак не химиков. Непонятно, совсем непонятно…»

Если меня сегодня что-нибудь и удивляет, так это лишь то, как я мог не понять тогда академика А. П. Виноградова. Сегодня высказывания этого ученого, удивившего тогда, кстати, не меня одного, стало рядовым, но тем не менее важнейшим лозунгом всех химиков, а связанных с радиоактивностью — в особенности.

В наши дни атомная энергетика — это уже будни науки. Мы гордимся тем, что в нашей стране создана первая в мире электростанция, работающая на атомной энергии. Мы любуемся красавцами ледоколами «Ленин» и «Арктика». Но не удивляемся этим достижениям. Они стали буднями, и это очень радостные будни.

Впрочем, если вы решите поговорить об энергетическом использовании ядерных реакторов с каким-либо специалистом-физиком, то увидите, как при первом же вопросе на лице вашего собеседника промелькнет сложная гамма чувств, среди которых основными будут гордость и… горечь. Гордость — за выдающиеся достижения современной физики, достижения, которые сделали эту науку лидером естествознания XX века, а горечь…

Горечь появляется тогда, когда физики подсчитывают, какая доля энергии урана, распавшегося в ядерном реакторе, используется энергетиками. Окончательный результат обычно приводит их в глубокое уныние. Да и то сказать: кого не огорчит коэффициент полезного действия, равный 0,2–0,3? Оказывается, энергетики используют примерно одну треть энергии, которая высвобождается при распаде ядер урана в реакторе.

Из всей энергии, выделяющейся в ядерном реакторе при делении ядер урана, используется лишь та ее часть, которая превращается в тепло при разлете ядерных осколков и при радиоактивном распаде этих осколков. Неудивительно, что эта часть энергии составляет лишь долю, причем достаточно скромную, от величины всей высвобождающейся энергии. Остальная энергия аккумулируется в образовавшихся продуктах деления урана — а это не что иное, как разнообразные химические элементы. Уточним, радиоактивные элементы.

Причина радиоактивности? Именно в этих осколках сосредоточена основная доля энергии, высвобождающейся при делении ядер урана. Стремясь освободиться от избыточной энергии, ядра образовавшихся элементов выбрасывают электроны либо гамма-кванты, то есть подвергаются радиоактивному распаду.

Для химиков особенно важно то, что в отходах ядерных реакторов, в урановой «золе», содержатся искусственные радиоактивные изотопы большей части элементов системы Менделеева. Вот почему, если еще лет сорок назад искусственные радиоактивные изотопы были доступны единичным лабораториям, то сегодня каждому студенту-химику при выполнении им практических работ предлагают разнообразный набор различных радиоактивных элементов.

Теперь становится понятным, что так печалило физиков. Для кручины у них имелись достаточно веские основания: они попросту не знали, что делать с таким количеством радиоактивных элементов, какие накапливаются в ядерных реакторах. А радиоактивность эта действительно громадна. Достаточно даже не очень большому реактору проработать сутки, и там накопится такое количество продуктов распада урана, какое по своей радиоактивности в десятки раз превышает радиоактивность элементов, выделенных во всех лабораториях и заводах со времени открытия радиоактивности до того времени, когда был сконструирован первый реактор (1942).

Число ядерных реакторов на земном шаре непрерывно увеличивается. И уже почти 30 лет со страниц газет не сходит выражение «радиоактивные отходы». Сотни ученых в десятках стран ломали голову над тем, что же делать с радиоактивными отходами, которые непрерывно и во все возрастающем количестве вырабатывают ядерные реакторы.

Чего только не предлагали!

Закапывать в глубокие бетонные ямы. И закапывали.

Прятать в заброшенных шахтах. И прятали.

Топить в глубоких океанских впадинах. И топили.

Запускать в ракетах в межпланетное пространство. И… Нет, пока еще не запускали. И по-видимому, не столько потому, что такой способ избавления от ядерной «золы» чрезмерно дорог, сколько из-за опасений, что при запуске ракеты может случиться какая-нибудь неприятность и опасный шлак развеется в атмосфере.

Конечно, джинна, выпущенного из бутылки, можно было бы в данном случае загнать обратно: остановить ядерные реакторы и тогда не будет никаких отходов. Но этот выход, разумеется, никого не устраивает.

* * *

Плохо физикам — в ядерных реакторах пропадает зря много энергии. Печалятся и химики — арсенал имеющихся в их распоряжении средств для проведения реакций скуден и, главное, не всегда удовлетворителен. Но когда плохо ученым, и особенно если эти ученые физики и химики, вывод, как правило, находится. Вот и здесь…

* * *

Если вам вздумается проводить реакцию водорода с хлором, то прежде всего подумайте, так ли уж вам это необходимо. Если, поразмыслив, вы все же утвердитесь в намерении соединять водород с хлором, то постарайтесь, чтобы резервуар, в котором будет идти реакция, не был стеклянным (металлическим, пластмассовым — пожалуйста). Если же по условиям опыта требуется, чтобы реакция протекала в стеклянном сосуде, то прежде тщательно покройте его темной краской либо заверните в плотную темную ткань. Если же почему-либо этого сделать нельзя, то предупредите, чтобы никто не подходил к месту эксперимента ближе, чем на … метров. Число, какое следует поставить на место многоточия, зависит от объема сосуда. Если сосуд небольшой — литров на 5–6, то стеклянные осколки от взрыва, который последует немедленно после того, как водород и хлор будут смешаны, разлетятся недалеко — метров на 10–12. Чем больше сосуд, тем на большем расстоянии будут сохранять стеклянные осколки убойную силу.

Итак, вы, конечно, поняли, что реакцию водорода с хлором можно проводить, лишь соблюдая многие предосторожности. Но самое главное, чтобы на реакционную смесь ненароком не попал луч света. В темноте же — спокойно смешивайте эти газы — реакция не пойдет.

Взаимодействие водорода с хлором — далеко не единственный пример реакций, протекающих под действием света. Каждый химик без труда вспомнит много таких реакций: разложение соединений серебра с галогенами (процесс, лежащий в основе фотографии), хлорирование многих органических соединений, наконец, важнейший из химических процессов, протекающих в природе, — процесс фотосинтеза, свершающееся в глубинах растительных клеток превращение углекислоты и воды в углеводы, процесс, на котором основано существование всего живого на нашей планете.

Ничего загадочного в действии света на эти реакции нет. Вот хотя бы та же реакция взаимодействия водорода с хлором.

Оба этих газа двухатомны — молекулы их содержат по два атома: H2 и Cl2. Именно поэтому взаимодействовать друг с другом они не собираются: водород прочно соединен с другим атомом водорода, и в молекуле хлора оба атома вполне довольны друг дружкой.

Но вот в смесь этих газов попал квант света. Натолкнувшись на молекулу хлора, он разбивает ее на части — два отдельных атома Cl, каждый из которых, не имея партнера, обладает большим стремлением к взаимодействию. Поэтому такие одиночные атомы хлора буквально «вгрызаются» в молекулы водорода: Cl + H2 = HCl + H. Теперь уже бесприютным остался атом водорода, стремящийся приобрести себе партнера еще сильнее, чем одиночный атом хлора. Водород-одиночка находит приятеля в первой же молекуле хлора, которая столкнется с ним: H + Cl2 = HCl + Cl. И снова остался без пары атом хлора, который реагирует с молекулой водорода. И так далее. И так далее. И так далее… 150 тысяч раз. Потому что один квант света, попавший в смесь водорода и хлора, может привести к образованию 150 000 молекул хлористого водорода.