Закон Эйнштейна

Что же такое атомная энергия? Чтобы узнать, что это такое, лучше, пожалуй, напомнить о более привычной форме энергии — химической, и от нее перейти к атомной.

Мы знаем, что в угле, нефти, газе скрыта энергия.

Это и есть химическая энергия. Каким же образом освобождается она из перечисленных выше видов топлива?

Представьте себе, что вы взяли 10 гирь по одному килограмму каждая, взвесили их по отдельности и убедились, что каждая гиря весит точно один килограмм.

Затем сложили их вместе и, взвесив, получили общий вес не 10, а 9,9 килограмма! Невероятно? Да, конечно, но подобное явление с «исчезновением» массы проявляется ежечасно, ежесекундно и не в лабораторных условиях, а в топках, где горят нефть и уголь, в газовых плитах при сгорании газа. Известно, что горение, скажем, угля — это процесс (реакция) соединения углерода с кислородом с образованием углекислого газа. При сгорании каждых 12 килограммов углерода расходуется 32 килограмма кислорода. И мы вправе ожидать, что в результате этой реакции образуется 44 килограмма углекислого газа.

Но проведем такой воображаемый опыт. Поместим в герметическом сосуде те же 12 килограммов углерода и 32 килограмма кислорода, взвесим сосуд и убедимся, что суммарный вес составляет 44 килограмма. Теперь каким-либо способом (нам все равно, каким, опыт воображаемый) подожжем углерод и проведем полностью реакцию соединения углерода с кислородом. Поскольку сосуд герметичный и ни во время горения, ни после него не выходили никакие вещества, то взвешивание его после реакции должно дать все те же 44 килограмма, теперь уже в виде углекислого газа. Взвесив же сосуд, мы удивимся, что углекислого газа не 44 килограмма, а примерно на 4 миллионные доли (4∙10^-6) грамма меньше.

Этот опыт мы назвали воображаемым потому, что при существующей технике взвешивания невозможно уловить изменение такого большого веса (44 кг) всего на 0,000004 грамма. Тем не менее ученые другим путем установили, что вес углекислого газа в данной реакции действительно снизился на 4∙10^-6 грамма. В чем же тут дело? Куда делась эта недостающая часть реагирующих веществ?

Все дело в том, что при реакции горения образуется не только углекислый газ, но и выделяется энергия. Вот на нее-то и израсходованы 4∙10^-6 грамма массы!

Энергия, как оказывается, самым непосредственным образом связана с массой. Этот всеобщий закон связи массы и энергии был открыт и сформулирован создателем теории относительности А. Эйнштейном. Согласно этому закону массе вещества в один грамм соответствует энергия 21,5 миллиарда килокалорий. (Одна килокалория (ккал) — это количество тепла, необходимое для нагревания одного килограмма воды на один градус.)

Эту величину можно получить и из нашего воображаемого опыта, если разделить выделившуюся энергию на уменьшение массы.

Закон Эйнштейна носит всеобщий характер. Так, при любой химической реакции с выделением энергии уменьшается масса и, наоборот, в реакции с поглощением энергии масса продуктов, получающихся в результате реакции, возрастает. Например, в реакции соединения водорода и кислорода масса получаемой воды меньше, чем сумма масс водорода и кислорода, взятых в отдельности, но при этой реакции выделяется энергия.

Если теперь с помощью электрического тока провести электролиз какого-то количества воды, то есть разложить ее на водород и кислород, то сумма масс их будет больше, чем исходная масса воды. Однако при этом на разложение воды затрачено некоторое количество энергии. В этом примере с получением и разложением воды соотношение между изменением массы и величиной выделившейся и поглощенной энергии будет таким же, как в реакции горения углерода, а именно: изменению массы в один грамм соответствует энергия в 21,5 миллиарда килокалорий.

Эта величина очень большая. Если б можно было перевести всю массу одного грамма вещества в энергию, ее хватило бы на обеспечение жизни 5-10 человек на протяжении всего их существования. К сожалению, пока это область фантастики. Позже мы еще коснемся этой проблемы, а сейчас вернемся к приведенному ранее воображаемому опыту. В нем, как вы помните, в реакции горения использовалось 44 килограмма углерода и кислорода, из которых в энергию превратилось всего 4∙10^-6 грамма, то есть только одна десятимиллиардная доля. Конечно, это очень маленькая часть. А нельзя ли ее увеличить? Нельзя ли заставить переходить в энергию большую долю взятого вещества?

Оказывается, можно, и люди уже умеют это делать.

Чтобы понять, как это у них получается и в чем секреты разных способов освобождения энергии, давайте заглянем в глубины вещества и посмотрим, из каких деталей оно устроено.