Ядро хранит в миллион раз больше энергии, чем огонь. Городу хватило грамма

Мы привыкли, что энергия берётся из огня: дрова, уголь и бензин отдают тепло, когда сгорают. Зимой 1938 года обычный опыт с ураном показал, что горение лишь царапает атом снаружи. Настоящий запас спрятан в его крошечной сердцевине, и он примерно в миллион раз больше. Самое странное в этой истории — сколько вещества на самом деле нужно, чтобы стереть город.

Резерфорд назвал энергию атома вздором

Формула Эйнштейна E = mc² появилась ещё в 1905 году. Из неё следовало, что даже крупица вещества эквивалентна чудовищной энергии: масса умножается на квадрат скорости света. Но формула не подсказывала, как эту энергию достать. Физики считали её запертой навсегда.

В сентябре 1933 года Эрнест Резерфорд, открывший атомное ядро, публично назвал разговоры об энергии из атомов вздором. Венгерский физик Лео Силард прочитал об этом в газете, вышел на улицу и, дожидаясь зелёного света на лондонском перекрёстке, придумал цепную реакцию. Если ядро, поймав нейтрон, выпустит два, они расколют ещё два ядра, затем четыре, восемь, тысячу.

Идея была точной, но у Силарда не хватало главного — атома, который так себя ведёт. Его нашли через пять лет, почти случайно.

Ядро урана разорвалось, как переполненная капля

В декабре 1938 года химики Отто Ган и Фриц Штрассман облучали уран нейтронами в Берлине. Они ждали элементов чуть тяжелее урана, а нашли барий, который вдвое легче. Это выглядело ошибкой: от ядра никогда не откалывалось больше крошечного кусочка.

Ган написал о загадке Лизе Мейтнер, многолетней коллеге, бежавшей от нацистов в Швецию. На Рождество она гуляла по снегу с племянником, физиком Отто Фришем. Присев на бревно, они набросали расчёт: ядро урана похоже на дрожащую каплю воды, и, получив лишний нейтрон, оно вытягивается и рвётся надвое. Фриш взял у биологов слово «деление» — так делятся клетки.

Расчёт дал поразительную цифру: одно деление высвобождает около 200 миллионов электронвольт. Две половинки весили чуть меньше целого ядра — недостача составляла примерно пятую часть массы протона. Оставалось понять, почему энергии так много.

Химия трогает только обёртку атома

Любая химическая реакция — горение, взрыв пороха, работа батарейки — переставляет электроны во внешней оболочке атома. Одна такая перестановка даёт несколько электронвольт. Ядро же держит сильное взаимодействие: на ничтожных расстояниях оно стискивает протоны, хотя те яростно отталкиваются друг от друга. Ставки здесь в миллионы раз выше.

Представьте дом. Химия — это перестановка мебели: передвинули шкаф, немного согрелись. Ядерная физика — сжатая пружина, замурованная в фундамент. В уране пружина взведена до предела: ядро так велико, что силы едва удерживают его целым, и одного нейтрона хватает, чтобы её спустить.

Отсюда цифры, которые трудно уложить в голове. Килограмм урана-235 при полном делении даёт столько тепла, сколько примерно 2700 тонн угля, — целый товарный состав. А в бомбе над Хиросимой в энергию превратилось меньше одного грамма массы, примерно вес канцелярской скрепки. Но одно деление — ничтожная вспышка. Чтобы она стала силой, нужна лавина.

Один раскол запускает следующий

В 1939 году выяснилось, что при делении урана вылетают два-три новых нейтрона, и мечта Силарда стала физикой. Боясь, что Германия успеет первой, он уговорил Эйнштейна подписать письмо президенту Рузвельту. Так началась гонка, выросшая в Манхэттенский проект.

2 декабря 1942 года под трибунами стадиона Чикагского университета группа Энрико Ферми сложила из графитовых блоков и урана первый реактор. Когда медленно вытянули кадмиевые стержни, глотавшие нейтроны, реакция впервые поддержала сама себя. Её мощность была около половины ватта — слабее карманного фонарика.

Бомба отличается от реактора не физикой, а скоростью. В реакторе каждое деление в среднем вызывает ровно одно следующее, и процесс течёт ровно. В бомбе за миллионные доли секунды число делений удваивается десятки раз. 16 июля 1945 года в пустыне Нью-Мексико прошло испытание «Тринити», а 6 и 9 августа погибли Хиросима и Нагасаки. С тех пор вопрос звучит иначе: на что ещё хватит этой силы.

Читайте также: Горох из монастырского сада доказал: наследственность цифровая

Сегодня ядро работает в больницах и дата-центрах

В 1954 году в Обнинске дала ток в сеть первая АЭС. Сейчас атомные станции производят около десятой части электричества планеты почти без выбросов углекислого газа. Топливо в реакторе меняют раз в год-полтора, а не подвозят эшелонами, как уголь.

Продукт деления молибден-99 превращается в технеций-99m — метку, которая подсвечивает на снимках сердце, кости и опухоли. Распад плутония-238 почти полвека питает «Вояджеры» за пределами Солнечной системы. А компании, строящие дата-центры для ИИ, ищут ровный круглосуточный ток: Microsoft договорилась о перезапуске блока станции Три-Майл-Айленд.

Цена у этой силы высокая. Чернобыль в 1986 году и Фукусима в 2011-м показали, чем оборачиваются ошибки, а отработанное топливо остаётся опасным тысячи лет. Термоядерный синтез, которым горит Солнце, пока обещание: в 2022 году американская установка NIF впервые получила из реакции больше энергии, чем вложили в неё лазеры, но до розетки отсюда далеко.

Когда вы чиркаете спичкой, вы трогаете только электроны — тонкую плёнку на поверхности вещества. Под ней, в точке, которая в сто тысяч раз меньше самого атома, лежит запас, рядом с которым весь огонь человеческой истории — искра. Мейтнер и Фриш увидели его на заснеженной тропе с карандашом в руке, а мы живём в мире, который до сих пор решает, что с этим знанием делать. Больше историй о таких поворотах мысли — в наших статьях.

Ещё в «Высоких технологиях»

Шум в антенне оказался светом рождения Вселенной. И голуби ни при чёмПод наркозом мозг предугадывает слова. Сознание при этом молчитНевидимка с массой 2,8 Солнца не вписалась ни в одну модель гибели звёзд

Все материалы раздела →