Прямое преобразование тепловой энергии газа в энергию электрического тока основано на следующей схеме.
Исходная позиция — газ, нагретый до сравнительно высокой температуры, ионизированный, состоящий в некоторой (возможно большей) мере из атомов, потерявших внешние электроны, и из этих ставших свободными электронов. Иначе говоря, — это плазма. Но не высокотемпературная плазма, подобная веществу звезд, а низкотемпературная, ее температура измеряется не миллионами, а только тысячами градусов. При такой температуре ионизация газа и его электропроводность невелики. Поэтому в газ вводят пары некоторых металлов, атомы которых легко теряют внешние электроны. Таким образом, получается в большей степени ионизированная и хорошо проводящая электричество плазменная струя. Она выходит через сопло в вакуум. Далее поток проходит через магнитное поле, положительно и отрицательно заряженные компоненты плазмы отклоняются в противоположные стороны и в плазме возникает электрический ток.
Ионизированный газ заменяет обмотку ротора в обычном генераторе, в которой при вращении ротора индуцируется электрический ток. Этот ток замыкается через электроды, соединенные с внешней нагрузкой. Электроды соответствуют щеткам, снимающим ток с обмотки ротора в обычном генераторе.
Такая установка — магнитогидродинамический генератор — может работать за счет классических источников тепла, но может также использовать энергию атомного реактора. Смесь газов (например, гелий с добавкой легко ионизируемых паров цезия) служит теплоносителем, отводящим тепловую энергию реактора, а частичное превращение этой энергии в кинетическую энергию горячей струи и затем в энергию электрического тока в магнито-гидродинамическом генераторе делает реактор атомной электростанцией.
Подобное соединение реактора с магнитогидродинамическим генератором требует, чтобы реактор работал при высоких температурах: газ с недостаточно высокой температурой не будет обеспечивать высокий коэффициент полезного действия в магнитогидродинамическом генераторе. Таким образом, мы видим не только воздействие атомной энергетики на выбор путей в классической энергетике, но и обратное воздействие. Атомная энергетика дает классической энергетике экономические стимулы. Плата за вход в атомный век — снижение удельных расходов на киловатт-час, причем нормативами становятся удельные расходы на атомных станциях. Далее атомная энергетика передает классической энергетике некоторые существенные результаты исследований плазмы с соответствующим переходом от высокотемпературной плазмы к низкотемпературной (разумеется, это не относится к основным проблемам: задача магнитной ловушки и стабильности сжатой плазмы отсутствует в случае низкотемпературной плазмы).
В свою очередь классическая энергетика обещает атомным станциям более экономичную «классическую компоненту», т. е. схему использования тепла ядерного реактора, его превращения в энергию электрического тока.
Квантовая электроника
Рп(‘.смотрим научно-технические тенденции, которые заставляют несколько развить и уточнить ранее сформулированную характеристику второй половины XX в. Атомная энергетика теснейшим образом связана с теорией относительности и сама по себе может дать основание назвать новую, вырастающую на наших глазах цивилизацию релятивистской цивилизацией. Другое фундаментальное направление современной научной мысли — квантовая физика — также связана с атомной энергетикой. Процессы, приводящие к делению и синтезу ядер, могут быть поняты лишь с помощью квантовых представлений. Столь же тесная и, может быть, еще более явная связь соединяет квантовую физику с резонансами атомной энергетики. Квантовая электроника является определяющей линией перестройки промышленной технологии и связи в прогнозе на 2000 г. Как уже говорилось, эта условная дата означает существование некоторого комплекса связанных друг с другом научных, экономических и культурных проектировок. Для энергетики такая проектировка состоит в превращении атомных станций в основную составляющую энергетического баланса. Для промышленной технологии и связи общий приуроченный к 2000 г. комплекс исходит из превращения электроники в основную базу преобразования этих отраслей. Подобный прогноз опирается не только на тенденции теоретической физики. Он опирается и на возможности физического эксперимента, которые появятся в 70—80-е годы.
С этой стороны мы и подойдем к квантовой электронике.
После того как Максвелл отождествил свет с электромагнитными колебаниями, были открыты различные по частоте излучения. Излучения с наименьшей частотой применяются для передачи радиосигналов. Гораздо большей частотой (и соответственно меньшей длиной волны) отличаются тепловые, инфракрасные лучи, еще большей частотой — видимые лучи, свет в более узком смысле, занимающий диапазон от наибольшей частоты фиолетовых лучей до наименьшей в видимой части спектра частоты красных лучей. Излучение еще большей частоты, чем фиолетовый свет, уже не воспринимается глазом. Оно называется ультрафиолетовым излучением. Еще короче волны и еще больше частота рентгеновского излучения. Наиболее высокочастотное электромагнитное излучение — это гамма-лучи, испускаемые, в частности, ядрами атомов при некоторых ядерных реакциях.
В 1900 г. Планк открыл, что вещество излучает электромагнитные волны дискретными минимальными порциями. Энергия излучения не может возрастать сколь угодно малыми приращениями, она всегда является кратной минимальным порциям, которые получили название квантов. Но Планк вовсе не думал, что электромагнитное поле состоит из отдельных частиц, он предположил только, что это поле излучается наименьшими, далее неделимыми порциями — квантами и такими же квантами электромагнитные волны поглощаются. Отсюда еще не следует, что само электромагнитное поле состоит из неделимых частиц. Как писал Филипп Франк: «Если пиво всегда продают в бутылках, содержащих пинту, отсюда вовсе не следует, что пиво в бочонке состоит из неделимых частей, равных пинте»!. Весьма парадоксальное предположение о дискретности самого электромагнитного поля было высказано в 1905 г. Эйнштейном. В сущности, уже в этом предположении содержалась, как в зародыше, наиболее парадоксальная идея неклассической физики: свет, который является волнами континуальной среды (это доказывается интерференцией, исчезновением света там, где гребни волн одного луча совпадают с провалами другого луча, и усилением света там, где гребни одного луча совпадают с гребнями другого), вместе с тем оказывается множеством дискретных частиц. Эти частицы Эйнштейн назвал квантами света, а впоследствии они получили название фотонов. Если перейти от корпускулярной картины фотонов к континуальной картине электромагнитных колебаний, то энергия фотона соответствует частоте колебаний, она пропорциональна частоте.
Вскоре квантовая теория света пересеклась в своем развитии с теорией атома. В 1915 г. Бор создал модель атома, в котором вокруг ядра обращаются электроны, при переходе которых с одной орбиты на другую атом излучает электромагнитные волны той или иной частоты, иначе говоря, фотоны той или иной энергии. [49]
Ближайшей к ядру орбите соответствует наименьшая энергия, более отдаленным орбитам соответствуют еще большие энергии. Когда атом поглощает свет (имеется в виду не только видимый свет, но и электромагнитное излучение других типов), электроны переходят на орбиты с большей энергией, энергия атома возрастает за счет поглощенных фотонов. Когда атом излучает фотоны, электроны переходят на орбиты с меньшей энергией, энергия атома уменьшается. По энергии излучения, иначе говоря, по его частоте можно судить о том, что происходит в атоме. Частоты излучения образуют спектр излучения.
В начале нашего столетия было накоплено очень много данных о спектрах излучения атомов различных элементов. В 1913 г. Бор охватил все это множество наблюдений единой картиной дискретного излучения атомов. Мысль о дискретных уровнях энергии и соответственно о дискретной иерархии орбит, допускающих лишь скачки от одной орбиты к другой, могла быть высказана лишь на основе гениальной интуиции. Такова оценка модели Бора в автобиографических заметках Эйнштейна. Квантование орбит, т. е. выделение дискретных «разрешенных» орбит и дискретных уровней энергии, нельзя было вывести из более общего принципа. «Мне всегда казалось чудом, — пишет Эйнштейн, — что этой колеблющейся и полной противоречий основы оказалось достаточно, чтобы позволить Бору — человеку с гениальной интуицией и тонким чутьем — найти главнейшие законы спектральных линий и электронных оболочек атомов, включая их значение для химии. Это кажется мне чудом и теперь. Это — наивысшая музыкальность в области мысли»[50].
В 20-е годы дискретность уровней энергии атома и электронных орбит получила строгое обоснование. Если Эйнштейн в 1905 г. обнаружил корпускулярные свойства электромагнитного поля, то Луи де Бройль в 1923–1924 гг. пришел к мысли о волновых свойствах частиц, прежде всего электронов. Вскоре после этого, в 1926 г., Шредингер предложил уравнение, где некоторая величина — волновая функция — непрерывно меняется при переходе от одной точки пространства к другой и от одного момента времени к другому моменту, подобно тому как от точки к точке и от мгновения к мгновению меняются уровень воды в волнующемся море, плотность воздуха при распространении звука или напряженность электромагнитного поля. Но уравнение Шредингера определяет не распространение смещений или деформаций в какой-то среде. Оно определяет движение электрона или другой частицы вещества. Что же означает континуальная величина — волновая функция, если рассматривать корпускулярную картину — картину движущихся частиц? Ответ на этот вопрос был дан Максом Борном. Он рассматривает волновую функцию как меру вероятности найти электрон в данной точке в данный момент. Эта величина колеблется, и для каждой точки и момента мы получаем с помощью уравнения Шредингера значение амплитуды колебаний. По этой амплитуде можно судить о вероятности пребывания электрона в той точке и в тот момент, для которых вычислена амплитуда.