Да и электричеством мы обязаны именно электрону, что очевидно из самого названия этой частицы, хотя ко времени ее открытия в 1897 г. электричество уже было известно в течение 2500 лет и использовалось человеком почти сто лет. Электрический ток, как теперь известно, представляет собой направленный поток электронов в проводнике.
Электрон и протон — заряженные частицы. Количество заряда в каждом из них совершенно одинаково, однако заряды различаются по знаку, причем протон всегда обладает положительным зарядом, а электрон — отрицательным. Этот заряд является минимально возможным электрическим зарядом в природе и поэтому называется «атомом электричества». Атом электричества — это одна из основных констант природы.
За одну секунду пятидесятиваттная лампочка потребляет количество электричества, равное заряду трех миллиардов миллиардов электронов, т. е. три миллиарда миллиардов атомов электричества!
Нейтрон — единственный компонент атомного ядра, который не несет электрического заряда. В силу своей электрической нейтральности, что, кстати, видно из его названия, нейтрон имеет наибольшую проникающую способность из всех частиц в природе. Именно эта способность нейтрона проникать сквозь плотный электрический барьер, ограждающий ядра атомов, дала человеку ключ к атомному ядру и позволила расщепить на части ядро урана-235. Как мы уже знаем, именно нейтрону мы обязаны наступлением атомного века.
Говоря о протонах и нейтронах, надо всегда помнить о двух важных моментах. Первое — это то, что нейтроны и протоны могут переходить друг в друга. При определенных условиях протон теряет свой положительный заряд, излучая положительно заряженный электрон (позитрон), и превращается, таким образом, в нейтрон. Точно так же при возбуждении нейтрон теряет отрицательно заряженный электрон и превращается в протон.
Последний процесс используется для превращения не- расщепляемого урана — урана-238 — в плутоний и тория— в расщепляемый уран — уран-233. Вековая мечта алхимиков — превращение одних элементов в другие — становится возможной благодаря способности протонов переходить в нейтроны и наоборот.
Вторым чрезвычайно важным моментом, имеющим принципиальное значение для правильного понимания природы атомной энергии, является то, что каждый протон или нейтрон, находясь в ядре атома, весит меньше, чем в свободном состоянии, вне его. Потеря в весе компенсируется количеством энергии, необходимым для связи протона или нейтрона с другими частицами ядра.
Эта потеря в весе постепенно возрастает для элементов первой половины периодической системы и достигает своего наибольшего значения для ядра серебра, 47-го элемента, после чего постепенно уменьшается.
Следовательно, соединив два элемента, порядковый номер которых меньше серебра, получим новый элемент, протоны и нейтроны которого потеряют в весе, если его ядро легче ядра серебра, и увеличатся в весе, если оно тяжелее серебра.
При соединении любого элемента тяжелее серебра с другим элементом справедливо обратное положение. Например, если криптон и барий (ядра которых имеют соответственно 36 и 56 протонов) соединить в уран (92 протона в ядре), то вес протонов и нейтронов уранового ядра увеличится.
С другой стороны, при расщеплении уранового ядра на ядра криптона и бария каждый их протон и каждый их нейтрон потеряют в весе.
Увеличение веса всегда означает потерю в энергии, а потеря в весе — соответствующее приобретение в энергии, что находится в точном соответствии с формулой Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии. Потеря в весе характеризует количество энергии, связывающее протон с протоном, нейтрон с протоном и нейтрон с нейтроном.
Таким образом, ядерная энергия может быть высвобождена двумя диаметрально противоположными способами. Первый—это деление, т. е. расщепление ядра тяжелого элемента на ядра двух более легких элементов. Второй — синтез, или соединение ядер двух легких элементов в одно ядро более тяжелого элемента. Как при расщеплении, так и при синтезе конечные элементы легче, чем исходные. А потеря массы проявляется в высвобождении громадного количества ядерной энергии.
Практически синтез в условиях Земли возможен только для двух изотопов водорода — дейтерия и трития, а расщепление — только для одного естественного элемента, урана-235, и двух искусственных элементов — урана-233 и плутония.
Итак, при синтезе двух легких атомов в один более тяжелый один плюс один дает меньше двух, а половина от двух — больше чем один.