Для того чтобы несколько разобраться в этом новом цикле явлений, вернемся на время к явлениям радиоактивности и некоторым вопросам так называемой ядерной физики.
Прошло всего около 40 лет со времени открытия явлений радиоактивности. За это время данная область знаний получила исключительное развитие и оказала громадное влияние на соседние научные дисциплины — физику атома и химию.
Действительно, радиоактивность познакомила нас с реальностью существования отдельных атомов, научила их считать и делать видимым пути их движения (в камере Вильсона), она впервые позволила наблюдать самопроизвольное превращение одного химического элемента в другой.
Как было уже указано выше, при самопроизвольном распаде атомов естественных радиоактивных элементов наблюдаются три типа излучений: или при своем распаде ядро атома теряет так называемую а-частицу, представляющую не что иное, как ядро. атома газа гелия с двойным положительным зарядом, или ядро теряет α-частицу, представляющую электрон с массой, в 1840 раз меньшей, чем масса атома водорода с отрицательным зарядом, или, наконец, этот распад сопровождается γ-излучением электромагнитого характера, сходным с рентгеновскими лучами.
Теперь, в значительной мере на основании изучения радиоактивных явлений, мы представляем себе, что атом любого химического элемента состоит из трех типов элементарных частиц: из протонов, или ядер атома водорода, несущих по одному положительному заряду, из нейтронов — частиц, открытых лишь в 1932 г., обладающих массой, равной массе атома водорода, но лишенных всякого электрического заряда, и, наконец, из электронов. При этом ядра, в которых сосредоточена практически вся масса элемента, слагаются из двух простейших частиц — протонов и нейтронов, а электроны располагаются во внешней сфере, вращаясь вокруг ядра по орбитам на сравнительно больших расстояниях. Они компенсируют положительный заряд ядра, сообщенный ему протонами.
Если мы будем рассматривать последовательно элементы периодической системы Д. И. Менделеева; постепенно от легких элементов к более тяжелым, то увидим, что по мере перехода к более тяжелым атомам количество входящих в состав их ядер нейтронов начинает преобладать над количеством протонов. Наконец, при известном избытке нейтронов такие системы делаются, повидимому, уже недостаточно устойчивыми. Поэтому, начиная с 82-го порядкового номера периодической таблицы, мы встречаемся, на ряду с устойчивыми ядрами химических элементов, также с существованием в природе неустойчивых ядер, способных к самопроизвольному распаду, т. е. обладающих естественной радиоактивностью.
Однако в 1939 г. О. Ганом и Ф. Штрассманом в Германии, Ф. Жолио во Франции и Л. Мейтнер и О. Фришем в Дании было показано, что под влиянием бомбардировки ядер урана нейтронами последние способны раскалываться на две почти равные части, причем процесс этого деления протекает с большим выделением энергии. Этим самым было открыто совершенно новое явление раскалывания ядер элементов, отличное от ранее изученных процессов радиоактивного распада. Этот процесс можно себе представить следующим образом. Ядро урана является малоустойчивым. После улавливания еще одного нейтрона образовавшееся сложное ядро распадается путем деления на два новых ядра, сумма электрических зарядов и масс которых равна заряду и массе исходного ядра урана. Получившиеся новые ядра будут отвечать по своему строению более легким, чем уран, химическим элементам. Но они вместе с тем обладают огромным избытком нейтронов в ядре и, следовательно, избытком массы по сравнению с той, которая отвечает устойчивому состоянию ядра в данном месте периодической системы. Поэтому вновь начинается распад в этих ядрах и их превращение в другие химические элементы.
Надо ко всему сказанному добавить, что в настоящее время физики могут раскалывать не любой атом урана, а только атом его изотопа с (весом 235. Напомним, что уран, обладающий самыми тяжелыми атомами среди всех металлов, состоит из смеси трех разновидностей весьма сходных, атомов, или изотопов, урана с атомными весами 234, 235 и 238. Изотоп 235-находится в любом урановом препарате всего в количестве 0,7 % по отношению к сумме атомов урана, и выделить его из этой смеси чрезвычайно трудно.
Итак, только бомбардировка нейтронами и их столкновение с ядром атома 235 взорвет его, раздробляя на два новых. Эти движущиеся обломки, оказывается, обладают огромной энергией. Но их легко остановить некоторыми преградами и уловить всю их энергию в виде обыкновенного тепла.
В очень схематизированном виде атом урана и летящие в него нейтроны изображены на чертеже. Здесь ясно видно, что быстро двигающийся нейтрон может пролететь мимо цели, а медленный «снаряд» будет как бы «всосан» ядром урана. При этом ядро расщепится на два новых, которые разлетятся с катастрофической силой. Некоторые «остаточные части» в виде трех или четырех нейтронов останутся от атомного расщепления и свободно вылетят также с громадной силой. Энергия разрыва будет в несколько миллиардов раз больше энергии употребленного снаряда. Получаются такие же соотношения, как при взрыве некоторого количества динамита небольшим детонатором.
Атом урана 235, состоящий из 92 протонов (+) и 143 нейтронов (-) в ядре, электрически уравновешивающих 92 электрона (—) во внешних орбитах. Атомный вес 29+143=235
Первый нейтроновый снаряд должен быть пущен извне. А затем нейтрбновые осколки первого взрыва взорвут несколько новых ядер, и дальнейшее расщепление атомов будет продолжаться само собой по схеме цепной реакции (подобно тому, как поставленные кости домино падают друг за другом, если толкнуть первую кость).
Возникает вопрос: как управлять этим взрывом? Но особенности этого явления сами приходят на помощь человеку. Оказывается, что нейтроны, выброшенные атомным взрывом, двигаются слишком быстро, чтобы попадать в другие ядра и их взрывать. Их полет для этого должен быть искусственно замедлен. В качестве такого замедлителя могут служить водородные атомы. Именно это обстоятельство делает особенно ценным новое открытие физиков, создавая возможность искусственно регулировать скорость разрушения атомов урана и тем самым рационально использовать освобождающуюся при этом энергию. Надо создать замедленную цепную реакцию, подобную горению каменного угля на воздухе, что может быть достигнуто пропитыванием урановой массы водородом или водой.
После начала реакции вода в соответствующей дозировке уничтожит избыток энергии, и реакция будет протекать с желаемой скоростью.
Расчеты показали, что полная энергия, которую можно получить при расщеплении атомов, содержащихся в 1 кг урана, эквивалентна энергии 5000 т сжигаемого угля.
Вот почему ученые видят теперь в уране источник энергии будущего и увлекаются заманчивой и близкой идеей создания атомных силовых установок!
Естественно, что вновь появился большой интерес к месторождениям урана, которые рассматриваются теперь не только как источники радия, но и как сырьевые базы, обеспечивающие возможность получения изотопа урана 235.
Мировые запасы урана в недрах составляют в настоящее время приблизительно 120ЭЭ т (в пересчете на U8O8). Из них на долю Европы приходятся 600 т, на долю Бельгии (Конго) — около 3000 т, Англии принадлежит свыше 6000 т, (Канада) и США обладают примерно 2400 т.
Всего за 40 лет на всем земном шаре добыто около 1,2–1,3 кг радия, главным образом при переработке урановых руд. Лишь за последние годы у нас в СССР стали получать радий также из некоторых нефтяных вод путем очень простых и остроумных технологических приемов. Обычно содержание радия в руде находится в строго определенной зависимости от содержания в ней урана. Примерно на каждые 3 т урана (при условии радиоактивного равновесия) приходится 1 г радия.
В мировой практике известны три различных типа месторождений урана. Два из них дают первичные руды урана, представленные преимущественно тяжелым смоляно-черным минералом уранинитом (смесь закиси и окиси урана с некоторым количеством свинца) или его коллоидальней разновидностью — урановой смоляной рудой. Эти руды отлагались или в так называемых пегматитовых жилах, близких по составу к граниту, сопровождающих гранитные внедрения, или в рудных жилах, отложившихся из горячих водных растворов. Первичные урановые минералы легко изменяются вблизи дневной поверхности, переходят в растворы, из которых выпадают под действием таких кислот, как фосфорная, ванадиевая и др. В этом случае образуются вторичные урановые месторождения, представленные яркозелеными минералами — урановыми слюдками или яркожелтыми урано-ванадатами — карнотитом и тюямунитом.
Долина р. Майли-су. Справа пласт рудоносного известняка.
Фото Д. И. Щербакова
Куполовидная складка, прорезанная р. Майли-су
Фото Д. И. Щербакова
В Средней Азии, как уже указывалось выше, было найдено несколько месторождений урана. Наиболее обещающее и интересное находится в Карамазарских горах — юго-западных отрогах Тянь-шаня. Здесь горными выработками вскрыты рудные жилы, обогащенные в верхней зоне урановыми слюдками. Ниже, под зеркалом грунтовых вод, появились своеобразные землистые «урановые черни», напоминающие по составу урановую смоляную руду, и местами среди сернистых руд свинца, цинка и мышьяка встречены уже настоящие первичные урановые смоляные руды.
Месторождения совсем другого типа обнаружены в Северной Фергане, где они приурочены или к континентальным отложениям песчаников и галечников, или к морским известнякам нижнетретичной эпохи.
В местности Уйгурсай на правобережье р. Сыр-дарьи в пласте песчаника залегают яркожелтые скопления карнотита, осевшие, повидимому, на границе карбонатной нижележащей среды и сульфатных растворов, спускающихся с гор. Они очень сходны с карнотитами западных штатов США.
«А по среднему течению р. Майли-су яркожелтые фос-фаты и ванадаты урана пропитывают пласт известняка, залегающий в куполе нефтеносной складки.