Чтение онлайн

Открытие закона взаимосвязи массы и энергии в свое время послужило основанием для всякого рода идеалистических высказываний. «Материя исчезает!», «Не выполняется закон сохранения массы и энергии!» — кричали физики различных идеалистических школ. Подобные высказывания совершенно беспочвенны. Прежде всего масса и материя — разные понятия. Материя, как ее определяет В. И. Ленин, есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку в его ощущениях, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них. Таким образом, всевозможные элементарные частицы (открытые и еще не открытые), поля (электромагнитное, гравитационное и другие), свет — это разные формы материи, проявляющейся в различных движениях. Если под массой подразумевать меру инерции, одного из самых общих свойств материи, то различные формы материи всегда обладают массой, так же как и энергией.

Очень легко показать, что закон взаимосвязи массы и энергии отнюдь не опровергает законы их сохранения, а доказывает. Эти законы всегда выполняются.

Предположим, что произошла ядерная реакция деления ядра атома урана и при этом выделилась энергия. Масса получившихся «осколков» ядра уменьшилась по сравнению с массой развалившегося ядра урана. Вот эту разницу массы и составляют массы нейтронов, квантов гамма-лучей, электронов и других элементарных частиц, выделившихся при ядерной реакции[4].

Можно утверждать, и это подтверждается опытом, что энергия и масса частиц и ядер, вступивших в ядерную реакцию, будут в точности равны энергии и массе образовавшихся в результате превращения частиц и ядер. При этом надо учесть, что гамма-квант также обладает массой и, кроме того, согласно, принципу относительности масса частиц увеличивается с ростом скорости их движения:

где т0 — масса покоящейся частицы и ? — ее скорость. Таким образом, при скоростях, близких к скорости света с, масса частиц значительно возрастает.

В 1932 году физиками при исследовании космических лучей были обнаружены новые частицы. Они по своим свойствам оказались очень похожими на электроны. Но, имея равную с электронами массу, эти частицы, названные позитронами, несут положительный заряд. Позитроны в паре с электронами ведут себя довольно необычно: при соединении они исчезают, или как говорят, аннигилируют. На этом основании физики-идеалисты пытаются доказать, будто бы современная физика открыла исчезновение материи и «опровергла» материализм. Однако опыты показывают, что вместо пары противоположно заряженных частиц появляются два равных по величине гамма-кванта, энергия и масса которых равны энергии и массе электрона и позитрона.

Существует и обратное явление — «рождение» пары частиц (позитрона и электрона) при поглощении гамма-кванта каким-либо тяжелым ядром. Причем само ядро в этом «рождении» не участвует. Позитрон и электрон образуются вблизи ядра, в области действия электростатических сил его положительного заряда.

Опыты показали, что гамма-квант превращается в электрон и позитрон, сумма энергий и масс которых равна энергии и массе этого гамма-кванта.

Таким образом, при аннигиляции и «рождении» пар, так же как и во всех процессах, выполняются законы сохранения энергии и массы.

Давайте проведем воображаемый опыт. Заключим какой-нибудь объем, где находятся различные частицы и ядра, в непрозрачную для любых частиц и излучений оболочку. Тогда, что бы ни происходило внутри этого объема, общая энергия и масса всего объема останутся неизменными. Любые частицы и гамма-кванты, испускаемые при ядерных реакциях, возбуждении и ионизации атомов, останутся в том же объеме. Будет ли происходить аннигиляция пар либо их «рождение», передаст ли фотон свою энергию электрону или электрон возбудит атом с последующим излучением кванта света — в любом процессе не будут исчезать ни масса, ни энергия. Вместе с тем масса всего объема определяет его общую энергию по закону Е=тс2.

Конечно, такой идеальной оболочки, непрозрачной для любых излучений, не существует, и при любом процессе, где выделяется энергия, часть этой энергии теряется, уходит из малого объема в пространство. Законы же сохранения массы и энергии всегда выполняются.

Ядерные реакции. В средние века алхимики пытались превращать одни вещества в другие. Больше всего их интересовало искусственное получение золота, сулившее несметные богатства. Сейчас нам понятна бесплодность таких попыток. Даже в наше время химик, обладающий несравненно большими знаниями и опытом, в прекрасно оборудованной лаборатории с помощью какого-либо химического процесса не может превратить атомы одного элемента в атомы другого.

Но в начале XX века мечту алхимиков осуществили физики. Они сумели превратить одни элементы в другие.

Впервые превращение одного элемента в другой было выполнено Резерфордом в 1919 году.

Еще значительно раньше физики научились регистрировать отдельные альфа-частицы, получаемые при радиоактивном распаде, на экране, покрытом сернистым цинком.

Посмотрите внимательно в темноте на светящийся циферблат ваших часов. Если вы поднесете его ближе к глазам или воспользуетесь увеличительной линзой, то увидите, что свечение циферблата перестанет быть ровным. То в одном, то в другом месте циферблата будут возникать быстрогаснущие отдельные вспышки. Эти вспышки появляются неожиданно и через самые различные промежутки времени. Состав, покрывающий стрелки и цифры на часах, обычно состоит из сернистого цинка, к которому примешано небольшое количество радиоактивного препарата. Отдельные вспышки, или, как их обычно называют, сцинтилляции, обусловлены взаимодействием излучаемых препаратом альфа-частиц с сернистым цинком.

Этим явлением сцинтилляции и воспользовался Резерфорд в своих исследованиях. Он поместил радиоактивный препарат (рис. 6) А в сосуде, наполненном газом, в таком месте, что альфа-частицы не могли достигнуть стенки сосуда, где был расположен экран В. Достаточно толстый слой исследуемого газа поглощал все альфа-частицы, и вспышек на экране не появлялось.

Рис. 6. Схема опытов Резерфорда. Достигнуть экрана и произвести сцинтилляцию могут только протоны, выбитые альфа-частицей из ядра азота

Однако при наполнении сосуда азотом на экране появились сцинтилляции. Это не могли быть альфа-частицы. При наполнении сосуда кислородом или углекислотой вспышки на экране исчезали. Совершенно ясно, что частицы, вызывающие сцинтилляции, могли быть получены только в результате взаимодействия (реакции) альфа-частиц и атомов азота.

Тщательные исследования показали, что в азоте действительно имела место ядерная реакция, которую можно записать так:

Азот14+гелий4– >кислород17+водород1[5].

Легкие частицы слабее поглощаются газом. Поэтому частицы, пробегающие путь почти в 30 сантиметров от радиоактивного препарата до экрана, могли быть только ядрами водорода — протонами.

Таким образом, было установлено, что при бомбардировке ядер азота альфа-частицами последние как бы застревают в ядрах. Но взамен альфа-частицы из ядра вылетает протон. Получающееся при этом новое ядро является ядром изотопа кислорода с массовым числом 17.

Интересно подсчитать уже известным нам методом, каков баланс энергии в этой реакции. Написав сумму масс ядер до реакции в левой части формулы и сумму масс ядер после реакции в правой части (14,0075+4,0040->17,0045+1,0081, или 18,0115->18,0126), видим, что сумма масс частиц до реакции меньше суммы масс, получившихся после реакции частиц, на 0,0011, то есть в этой реакции энергия не выделяется, а поглощается. В данном случае превращение элементов идет за счет энергии альфа-частиц, выбрасываемых ядрами радиоактивного препарата.