Попробуем сейчас развить те же идеи применительно к ядрам и нуклонам. При этом надо иметь в виду следующее. Энергия сильного взаимодействия в миллионы раз превышает энергию электромагнитного взаимодействия, не говоря уже о гравитационном. Но если так, гипотетические частицы — переносчики сильного взаимодействия — должны обладать относительно большой энергией. Откуда она может взяться, ведь энергия нуклонов вроде бы не меняется? Нет ли здесь нарушения закона сохранения энергии?
Такого нарушения не усматривается, если вспомнить, что энергия подчиняется соотношению неопределенностей. В одной из формулировок соотношения неопределенностей утверждается, что произведение неопределенности величины энергии и неопределенности в величине времени не может быть меньше постоянной Планка. Ор& сюда следует, что если частицы — кванты сильного ваап> имодействия — живут очень недолго, иначе говоря, если произведение времени их жизни и их энергии примерно равно постоянной Планка, то они могут рождаться и исчезать, не нарушая закона сохранения энергии.
Из сказанного можно сделать еще один вывод. Если кванты сильного взаимодействия живут очень недолго, то, даже двигаясь со скоростями, близкими к скорости света, они могут перемещаться только на небольшие расстояния. Это значит, что сильное взаимодействие проявляется лишь на малых расстояниях. Подобный вывод блестяще подтверждается тем, что мы знаем о поведении нуклонов.
Примерно так рассуждал японский ученый Хидеки Юкава. В 1935 году он закончил расчеты, из которых следовало, что гипотетические частицы — кванты сильных взаимодействий — должны обладать массой (напомним, масса эквивалентна энергии), примерно в 200 рае большей массы электрона. Юкава назвал эти частицы мезонами, т. е. средними, имея в виду, что масса мезона находится где-то посередине между массой электрона и массой нуклона. Очень долго гипотеза Юкавы не получала экспериментального подтверждения и, следовательно, оставалась гипотезой. В 1947 году английский физик С. Ф. Пауэлл и его сотрудники обнаружили в космических лучах частицы массой, примерно в 270 раз большей массы электрона. Эти частицы назвали пи-мезонами, или, короче, пионами. Скоро выяснилось, что пионы представляют собой частицы, предсказанные Юкавой.
Согласно современным представлениям, атомное ядро состоит из нуклонов и пионов. Каждый раз, когда нуклон приближается к границе ядра, он испускает пион и меняет направление своего движения. Испущенный пион поглощается каким-либо другим нуклоном. Существует каждый пион в течение столь краткого промежутка времени, что рождение и исчезновение пионов не выводит баланс энергии за рамки, устанавливаемые соотношением неопределенностей.
Все сказанное служит прекрасным примером того, в какой степени понятия «движение» и «направление движения» не соответствуют реально происходящему с нуклоном. Каждый раз, когда мы произносим подобную фразу, мы делаем очередную попытку описать в привычных терминах то, что в этих терминах описано быть не может. Гораздо правильнее было бы сказать, что рождение и поглощение пиона, или обмен пионами, препятствует тому, чтобы нуклоны покидали некоторую облаеть пространства.
Атомная электростанция
Мы достаточно узнали о ядре и приступаем теперь к решению основной задачи этой главы — описанию атомной электростанции. Скажем сразу: изотоп уран-235 не годится в качестве топлива для такой электростанции. Не годится из-за сложности его выделения из смеси, а значит, высокой стоимости.
Если бы удалось построить атомную электростанцию с топливом в виде чистого урана-235, то энергия такой станции стоила бы фантастически дорого. Поступают иначе. В качестве топлива используют природный уран со всеми содержащимися в нем изотопами. А чтобы заставить участвовать в реакции все имеющиеся в топливе атомы урана-235, излучаемые при делении ядер нейтроны искусственно замедляют, пропуская их через какое-либо вещество, например через графит. Попадая в графит, нейтроны не захватываются ядрами углерода и после многократных взаимодействий снижают свою энергию. В результате резко увеличивается вероятность захвата нейтронов ядром урана-235.
Выглядит все это следующим образом. Между урановыми блоками размещают стержни замедлителя нейтронов — графита. Стержни можно поднимать и опускать. Настраиваются они так, чтобы получить требуемую скорость реакции. Если скорость реакции почему-либо увеличивается — стержни автоматически опускаются, скорость реакции уменьшается — стержни поднимаются. Автомат управления стержнями — неотъемлемая составная часть всякого атомного реактора.