ΠΩΣ ΒΡΗΚΑΜΕ
Original title: HOW DID WE FIND OUT ABOUT NUCLEAR POWER
Copyright © 1976 by Isaac Asimov "All Rights Reserved"
Copyright © 1982 για την ελληνική γλώσσα ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΟΣ ΤΥΠΟΣ
Φ. ΚΑΪΑΦΑ & ΣΙΑ Ο.Ε. Μ. Βρούζης - Δ. Καϊάφας - Φ. Καϊάφα
ΠΩΣ ΒΡΗΚΑΜΕ
ΣΥΝΕΡΓAΤΕΣ
Θανάσης Καραγιώργος Μετάφραση-Γλωσσική επιμέλεια Χημικός Μηχανικός Θυμέλη ε.π.ε. Στοιχειοθεσία Θ. Μπαλλίδης & Υιός Ο.Ε. Εκτύπωση Δημοσθένης Καϊάφας Επιμέλεια εκδόσεωςΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ
1. Ηλεκτρόνια 7 2. Πυρήνες 21 3. Πυρηνική Ενέργεια 35 4. Πυρηνικές Αντιδράσεις 45 5. Πυρηνικοί Αντιδραστήρες 57 6. Ευρετήριο 71Ηλεκτρόνια
Ακόμη και μέχρι τις αρχές του 19ου αιώνα, οι επιστήμονες
νόμιζαν ότι η ελάχιστη ποσότητα ύλης ήταν το άτομο. Το άτομο
είναι τόσο μικρό που δε φαίνεται ούτε μέσα από το ισχυρότερο
μικροσκόπιο.
Υπάρχουν περισσότερα από εκατό διαφορετικά είδη
ατό-μων. Όταν άτομα του ίδιου είδους ενώνονται μεταξύ τους
σχηματίζουν τα στοιχεία. Έτσι, το σίδερο αποτελείται από
άτομα σιδήρου, το θειάφι αποτελείται από άτομα θείου, το
οξυγόνο αποτελείται από άτομα οξυγόνου, κ.ο.κ. Ο σίδηρος, το
θείο και το οξυγόνο είναι παραδείγματα στοιχείων.
Ο ηλεκτρισμός είναι κάτι που δε φαίνεται να είναι υλικό
σώμα. Είναι κάτι που ρέει μέσα από διάφορα στερεά και υγρά.
Περνάει μέσα από σύρματα που, μάλιστα, τα κάνει και
ζεσταί-νονται, μέχρι που πυρακτώνονται πολλές φορές. Γυρίζει
κινητή-ρες και, όπως ξέρουμε αποτελεί την πιο εύχρηστη και
διαδο-μένη μορφή ενέργειας άμεσης χρησιμοποίησης. Οι
επιστήμο-νες από νωρίς διερωτήθηκαν πια ήταν, τέλος πάντων, η φύση
του ηλεκτρισμού αφού, όπως είπαμε, δε φαινόταν να είναι υλικό
σώμα κατασκευασμένο από ατόμα.
Αν θα ήταν δυνατόν να υπάρξει ελεύθερος ηλεκτρισμός
έξω από τα σύρματα, τότε η μελέτη του θα ήταν πολύ πιο
εύκολη. Βέβαια, μερικές φορές, βλέπουμε λαμπερούς
ηλεκτρι-κούς σπινθήρες στον αέρα. Όμως οι σπινθήρες είναι τόσο
βραχύβιοι που δεν προσφέρονται καθόλου για μελέτη. Από την
άλλη μεριά, ο ηλεκτρικός σπινθήρας είναι ένα φαινόμενο στο
οποίο συμμετέχουν και διάφορα άτομα του αέρα, πράγμα που
δημιουργεί σύγχυση κι οδηγεί σε παρεξηγήσεις.
Ας υποθέσουμε ότι αναγκάζουμε να περάσει ηλεκτρικό
ρεύμα μέσα από κενό, δηλαδή μέσα από ένα χώρο που δεν
περιέχει τίποτα, ούτε ακόμη κι αέρα. Κάτι τέτοιο μπορεί να
πραγματοποιηθεί αν πάρουμε ένα γυάλινο σωλήνα, που έχει
κλειστές και τις δυο άκρες του, και με μια αντλία κενού
αφαιρέσουμε από μέσα του όλο τον αέρα.
Ας υποθέσουμε, επίσης, ότι μέσα στο σωλήνα βρίσκονται
κατάλληλα τοποθετημένες, σε μικρή μεταξύ τους απόσταση,
δυο μεταλλικές πλάκες, που θα τις ονομάσουμε ηλεκτρόδια.
Αν, τώρα, συνδέσουμε το ένα ηλεκτρόδιο με το θετικό πόλο
μιας ηλεκτρικής πηγής και το άλλο ηλεκτρόδιο με τον αρνητικό
πόλο της ίδιας πηγής, τότε, αναγκαστικά, θα περάσει ηλεκτρικό
ρεύμα ανάμεσα από τις πλάκες. Το σύνολο αυτό, του κλειστού
κενού σωλήνα με τα δυο ηλεκτρόδια, λέμε ότι αποτελεί μια
λυχνία κενού.
Η πρώτη λυχνία κενού κατασκευάστηκε εδώ και πάνω από
εκατό χρόνια, στα 1855, από το Γερμανό Χάινριχ Γκάισλερ.
' Ετσι μόνο μπόρεσαν οι επιστήμονες να μελετήσουν ηλεκτρικά
ρεύματα σε κενό. Ανακάλυψαν, τότε, ότι παραγόταν κάτι που
εκπεμπόταν σε ευθεία γραμμή και που θα μπορούσε να
ονομαστεί ακτινοβολία ή ακτίνες.
Μιλούσαν για «ακτινοβολία» επειδή η λυχνία έδινε μιαν
ασθενικιά λάμψη. Και, μάλιστα, η λάμψη γινόταν πιο έντονη όταν χτυπούσαν ελαφρά το γυαλί της λυχνίας. Στα 1876, ένας Γερμανός επιστήμονας, ο Εβγκέν Γκολντ-στάιν έδειξε ότι η ακτινοβολία γεννιόταν στην πλάκα που ήταν συνδεμένη με τον αρνητικό πόλο της ηλεκτρικής πηγής, δηλαδή τήν «κάθοδο». Γι' αυτό το λόγο ονόμασε την ακτινοβο-λία καθοδικές ακτίνες. Μερικοί νόμισαν ότι οι καθοδικές ακτίνες ήταν ένα είδος φωτός. Ό π ω ς είναι γνωστό, το φως δεν είναι παρά μια μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με ορισμένο μήκος κύματος. Έτσι, ίσως κι οι καθοδικές ακτίνες να οφείλονταν σε όμοια ηλεκτρομαγνητικά κύματα, αλλά διαφορετικού μήκους. Ό μ ω ς , κάτι παράξενο συνέβαινε με τις καθοδικές ακτίνες. Όταν πλησίαζε μαγνήτης στη λυχνία κενού, τότε η πορεία των ακτίνων άλλαζε κι από ευθεία γινόταν καμπύλη. Και θεωρήθηκε το πράγμα παράξενο γιατί τέτοια συμπεριφορά δε δείχνει το φως, που διαδίνεται πάντα σε ευθεία γραμμή ανεξάρτητα από την παρουσία στην πορεία του κάποιου μαγνήτη. Ένας Γάλλος επιστήμονας, ο Ζαν Μπαπτίστ Περέν έδειξε, στα 1895, ότι οι καθοδικές ακτίνες μετέφεραν ηλεκτρικά φορτία, δηλαδή, μ' άλλα λόγια, ήταν ηλεκτρικά φορτισμένες. Αυτό εξηγούσε, τώρα, γιατί η πορεία τους αλλάζει όταν περνούν κοντά από ένα μαγνήτη, αφού -ήταν από τότε γνωστό
ότι- ο μαγνήτης ασκεί μια καθορισμένη δύναμη στα ηλεκτρικά φορτία που κινούνται μέσα στο πεδίο του. Τα ηλεκτρικά φορτία μπορεί να μεταφέρονται από υλικά σώματα, όχι όμως κι από το φως. Έτσι ο Περέν συμπέρανε ότι οι καθοδικές ακτίνες αποτελούνται από ηλεκτρικά φορτισμένα, απειροελάχιστα σε μέγεθος, σωμάτια. Δυο χρόνια μετά την ανακάλυψη του Περέν, στα 1897, ο Άγγλος επιστήμονας Τζότζεφ Τζων Τόμσον μελέτησε προσε-κτικά την καμπύλωση της πορείας των καθοδικών ακτίνων καθώς περνούσαν κοντά από ένα μαγνήτη. Από την ένταση του μαγνητικού πεδίου κι από το βαθμό καμπύλωσης της πορείας των ακτίνων, υπολόγισε το πραγματικό μέγεθος των φορτισμέ-νων σωματίων. Έκπληκτος ανακάλυψε ότι τα σωμάτια των καθοδικών ακτίνων ήταν πολύ μικρότερα κι απ' αυτά ακόμη τα άτομα. Προσδιόρισε, μάλιστα, ότι το σωμάτιο των καθοδικών ακτίνων ήταν 1800 φορές μικρότερο από το πιο μικρό άτομο -τότε γνωστό- στη φύση! Επειδή τα σωμάτια των καθοδικών ακτίνων είναι μικρότερα σε μέγεθος από τα άτομα, γι' αυτό θεωρήθηκαν υποατομικά σωμάτια και, μάλιστα, ήταν τα πρώτα της κατηγορίας αυτής που ανακαλύφτηκαν. Ο Τόμσον τα ονόμασε, ιδιαίτερα, ηλεκτρόνια επειδή φέρουν ηλεκτρικό φορτίο. Έτσι, την εποχή αυτή, οι επιστήμονες ήξεραν δυο διαφορε-τικά είδη σωματίων: τα άτομα, που αποτελούν την ελάχιστη δομική μονάδα της ύλης, και τα -κατά πολύ μικρότερα-ηλεκτρόνια, που αποτελούν την ελάχιστη μονάδα ηλεκτρικού φορτίου. Το ερώτημα, όμως, που δε φαινόταν να έπαιρνε άμεση απάντηση, ήταν ποια σχέση υπάρχει ανάμεσα σ' αυτά τα δυο. Η απάντηση δόθηκε στα πλαίσια άλλων προχωρημένων ερευνών και πειραμάτων στην ίδια περιοχή των καθοδικών ακτίνων. Στα 1895, ένας Γερμανός επιστήμονας, ο Βίλχελμ Κόνραντ Ραίντγκεν βρήκε ότι όταν οι καθοδικές ακτίνες
πέφτουν πάνω σε υλικό σώμα δημιουργείται ένα νέο είδος ακτινοβολίας. Αυτή η νέα ακτινοβολία προκαλεί φθορισμό ορισμένων χημικών ουσιών και μαυρίζει τη φωτογραφική πλάκα. Επίσης, είναι διεισδυτική, αφού μπορεί να προκαλέσει τα φαινόμενα αυτά ακόμη κι όταν μεσολαβεί χαρτόνι ή ξύλο, και μάλιστα διαδίνεται σε ευθεία γραμμή ακόμη και μέσα στη στερεή ύλη. Ο Ραίντγκεν μη ξέροντας τι είδους ακτινοβολία ήταν αυτή που βρήκε, την ονόμασε ακτίνες Χ, χρησιμοποιώντας το σύμβολο «Χ» που -όπως είναι γνωστό- στα μαθηματικά σημαίνει μιαν άγνωστη ποσότητα. Τελικά, μετά από αρκετό καιρό, ανακά-λυψε ότι οι ακτίνες Χ δεν είναι παρά μια ακτινοβολία, όμοια με το φως, που όμως έχει πολύ μικρότερο μήκος κύματος. Από τότε που ο Ραίντγκεν ανακοίνωσε την ανακάλυψή του, οι σύγχρονοι του επιστήμονες άρχισαν να ψάχνουν για να βρουν ακτίνες Χ κι αλλού. Ένας Γάλλος επιστήμονας, ο Αντουάν Ανρί Μπεκερέλ, την εποχή αυτή πειραματιζόταν με μια χημική ουσία που περιείχε άτομα του στοιχείου που ονομάζεται ουράνιο. Επειδή η ουσία αυτή φθόριζε όταν έπεφτε πάνω της το ηλιακό φως, ο Μπεκερέλ εξέτασε αν ο φθορισμός περιείχε κι ακτίνες Χ. Να τι έκανε ο σοφός εκείνος ερευνητής Μπεκερέλ: πρώτα έβγαλε στον ήλιο την ουσία, μετά την τύλιξε μ' ένα μαύρο χαρτί και, τέλος, τοποθέτησε το δεματάκι κοντά σε μια φωτογραφική πλάκα, στο σκοτάδι. Ο συλλογισμός ήταν απλός· αν ο φθορισμός ήταν κανονικό φως, δε θα περνούσε μέσα από το μαύρο χαρτί και, φυσικά, η φωτογραφική πλάκα δε θα έδειχνε καμιά αλλοίωση. Αν, όμως, ο φθορισμός περιείχε ακτίνες Χ, τότε θα περνούσαν το μαύρο χαρτί και θα προσέβαλαν την πλάκα η οποία, μετά την εμφάνιση, θα έπρεπε να δείχνει μαυρισμένη. Πραγματικά, σ' εκείνο το πείραμα, η πλάκα μαύρισε κι ο Μπεκερέλ έκανε την πολύ βάσιμη υπόθεση ότι ο φθορισμός
περιείχε ακτίνες Χ. Συνεπής και σοβαρός επιστήμονας καθώς ήταν, ο Μπεκερέλ δεν αρκέστηκε σ' αυτή την επιτυχημένη παρατήρησή του, αλλ' αποφάσισε να συνεχίσει τους πειραματι-σμούς του για να βεβαιωθεί. Δυστυχώς, η επόμενη ημέρα ήταν συννεφιασμένη. Το δεματάκι με την ουρανιούχα ουσία τυλιγμέ-νη μέσα στο μαύρο χαρτί, που είχε προετοιμάσει ο Μπεκερέλ, το είχε αφήσει δίπλα σε μιαν άλλη φωτογραφική πλάκα και περίμενε να ξαναβγεί ήλιος. Η συννεφιά, όμως, συνεχιζόταν για πολλές ημέρες κι ο Μπεκερέλ χάνοντας την υπομονή του αποφάσισε να εμφανίσει τη φωτογραφική πλάκα για να δει, από περιέργεια και μόνο, αν εξακολουθούσε η ουσία να φθορίζει λίγο, μια που είχε περάσει τόσος καιρός από την ημέρα που είχε εκτεθεί στον ήλιο. Με έκπληξη διαπίστωσε ότι η πλάκα είχε μαυρίσει σε μεγάλο βαθμό. Φάνηκε τότε καθαρά ότι η ουσία ακτινοβολούσε ακόμη και χωρίς να είναι εκτεθειμένη στον ήλιο. κρύσταλλοι ουρανίου μαύρο χαρτί φωτογραφική πλάκα η φωτογραφική πλάκα αποκαλύπτει ραδιενέργεια Το πείραμα του Μπεκερέλ
Τα επόμενα πειράματα έδειξαν ότι, πραγματικά, η ουσία εξέπεμπε πάντοτε ακτινοβολία. Η, αργότερα πασίγνωστη Πωλονογαλλίδα ερευνήτρια, Μα-ρία Σκλοφντόφσκα Κιουρί έδειξε, στα 1898, ότι εκείνο που προκαλούσε την ακτινοβολία της ουσίας των πειραμάτων του Μπεκερέλ, δεν ήταν άλλο από τα άτομα του στοιχείου ουράνιο. Γι' αυτό αποκάλεσε την ένωση αυτή του ουρανίου -χρησιμο-ποιώντας για πρώτη φορά στην επιστημονική γλώσσα τον όρο-ραδιενεργή ουσία. Η Κιουρί, επίσης, ανακάλυψε ότι τα άτομα κι ενός άλλου στοιχείου, που το ονόμασε θόριο, ήταν το ίδιο ραδιενεργά. Η επιστημονική έρευνα δεν άργησε να αποκαλύψει ότι το ουράνιο και το θόριο εκπέμπουν τριών ειδών ακτινοβολίες, με διακριτικό κριτήριο την επίδραση του μαγνητικού πεδίου στην πορεία της διάδοσής τους. Συγκεκριμένα, μέρος της ακτινοβο-λίας καμπυλώνεται ελαφρά κατά μια διεύθυνση, όταν περνάει μέσα από ένα μαγνητικό πεδίο. Ένα άλλο μέρος της ακτινοβο-λίας καμπυλώνεται κατά την αντίθετη διεύθυνση αλλά σε πολύ μεγαλύτερο βαθμό, ενώ το υπόλοιπο της ακτινοβολίας μοιάζει να παραμένει ανεπηρέαστο από το μαγνητικό πεδίο καθώς εξακολουθεί να διαδίνεται σε ευθεία γραμμή. Ο Νεοζηλανδός επιστήμονας Έρνεστ Ράδερφορντ ονό-μασε τις τρεις διαφορετικές αυτές ακτινοβολίες με τα τρία πρώτα γράμματα του ελληνικού αλφάβητου. ' Ετσι, η ακτινοβο-λία που παρουσιάζει μικρή καμπυλότητα ονομάστηκε ακτινο-βολία α (άλφα) ή ακτίνες α. Εκείνη που παρουσιάζει μεγάλη καμπυλότητα ονομάστηκε ακτινοβολία β (βήτα) ή ακτίνες β. Κι η τρίτη, που παραμένει ανεπηρέαστη, ονομάστηκε ακτινοβολία γ (γάμα) ή ακτίνες γ. Επειδή οι ακτίνες γ δεν επηρεάζονται από το μαγνητικό πεδίο φάνηκε πολύ πιθανό να θεωρηθούν ότι είναι όμοιες με το φως και τις ακτίνες Χ. Ό χ ι πολύ αργότερα αποδείχτηκε ότι,
Επίδραση του μαγνητικού πεδίου στα διάφορα είδη ακτινοβολιών πραγματικά, οι ακτίνες γ έχουν μήκος κύματος λίγο μικρότερο απ' αυτό που έχουν οι ακτίνες Χ. Όσο για τις ακτίνες β, το γεγονός ότι καμπυλώνεται η πορεία τους μέσα σε μαγνητικό πεδίο σημαίνει ότι πρέπει να αποτελούνται από ηλεκτρικά φορτισμένα σωμάτια β. Η μεγάλη καμπυλότητα που παρουσιάζουν δείχνει ότι πρέπει να έχουν πολύ μικρό βάρος. Τούτο ακριβώς επιβεβαιώθηκε στα 1900 από τον Μπεκερέλ που απέδειξε ότι τα σωμάτια β δεν είναι παρά ηλεκτρόνια. Και το γοητευτικό σενάριο του αινιγματικού μικρόκοσμου συνεχίζει να ξετυλίγεται. ' Οταν ανακαλύφτηκαν τα ηλεκτρόνια, θεωρήθηκαν ότι αποτελούν τα συστατικά του ηλεκτρικού ρεύματος. Τώρα φαίνονται να προέρχονται από άτομα ουρανίου και θορίου, χωρίς βέβαια να υπάρχει ηλεκτρικό ρεύμα. Τι δουλειά είχαν τα ηλεκτρόνια εκεί πέρα; Την εποχή εκείνη το ουράνιο και το θόριο ήταν οι μόνες γνωστές ουσίες που είχαν το μεγαλύτερο ατομικό βάρος. Ίσως
στα πολύ βαριά άτομα να υπήρχε κάτι που τους έδινε κάποια ιδιαιτερότητα και τα έκανε διαφορετικά από τ' άλλα. Κι όμως σύντομα αποδείχτηκε ότι δεν ήταν και τόσο διαφορετικά. Στα 1899 ο Τόμσον πειραματιζόταν με υπεριώδες φως, δηλαδή -μη ορατό- φως με μήκος κύματος λίγο μικρότερο απ' εκείνο του συνηθισμένου ορατού φωτός. Ο Τόμσον μελετούσε τι συμβαίνει όταν υπεριώδες φως πέφτει στην επιφάνεια μερικών μεταλλικών στοιχείων. Είναι γεγονός ότι όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος μιας ακτινοβολίας τόσο μεγαλύτερο είναι το ενεργειακό πε-ριεχόμενο της. Έτσι, όταν η υπεριώδης ακτινοβολία πέφτει πάνω σε μια μεταλλική επιφάνεια τη «χτυπάει» πολύ σκληρότε-ρα απ' όσο το συνηθισμένο οσκληρότε-ρατό φως. Όταν η μεταλλική επιφάνεια λάμπει στο ορατό φως, δε συμβαίνει τίποτα το ιδιαίτερο, παρά η ανάκλαση του φωτός. Ό τ α ν όμως η μεταλλική επιφάνεια βάλλεται από υπεριώδη ακτινοβολία, το χτύπημα είναι πολύ δυνατό και δε μένει χωρίς συνέπειες. Ο Τόμσον ανακάλυψε ότι τα μέταλλα όταν φωτί-ζονται με υπεριώδες φως χάνουν ηλεκτρόνια και ονόμασε το φαινόμενο αυτό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Καθώς η επιστημονική έρευνα πάνω στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο προχωρούσε βαθύτερα, φάνηκε ότι ηλεκτρόνια μπορούσαν να αποδεσμευτούν από οποιοδήποτε υλικό σώμα αρκεί τούτο να ακτινοβοληθει με αρκετά «σκληρή» ακτινοβολία. Τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να προέρχονται παρά από τα άτομα, αφού και το πιο μικρό κομματάκι ύλης αποτελείται αποκλειστικά και μόνο από άτομα και τίποτα άλλο. Αυτό, όμως, σημαίνει ότι οι επιστήμονες της εποχής εκείνης θα έπρεπε να καταλάβουν ότι τα άτομα δεν είναι σωστό να θεωρούνται σαν μικρές, ατόφιες μπάλες αλλά -αντίθετα- ότι κι αυτά
αποτε-λούνται από μικρότερα συστατικά. Εδώ συγκεκριμένα εννο-ούνται τα ηλεκτρόνια. Στην πραγματικότητα, η άποψη αυτή εξηγεί και το πως δημιουργείται το ηλεκτρικό ρεύμα. Ηλεκτρόνια απελευθερώ-νονται με κάποιο τρόπο από άτομα κι οδηγούνται να κυκλοφο-ρήσουν μέσα από ένα υλικό σώμα. Αυτή, ακριβώς είναι η σχέση μεταξύ ηλεκτρισμού και ύλης. Ο Τόμσον ήταν ο πρώτος που επιχείρησε να απεικονίσει τη μορφή και το σχήμα των ατόμων, τώρα που είχαν ανακαλυφτεί τα ηλεκτρόνια. Φαντάστηκε, λοιπόν, ότι τα άτομα έμοιαζαν με μικρές μπάλες στην εξωτερική επιφάνεια των οποίων ήταν σκόρπια κολλημένα τα ηλεκτρόνια, σαν τις σταφίδες σ' ένα κομμάτι σταφιδόψωμο. Ήταν, πραγματικά, μια πολύ ενδιαφέρουσα ιδέα, αλλά -δυστυχώς- ήταν λαθεμένη.
Πυρήνες
Κάτι που δεν πήγαινε καλά με την ιδέα του Τόμσον ήταν το
ότι δεν υπολόγιζε τις ακτίνες α.
Η διαδρομή που ακολουθούσαν οι ακτίνες α άλλαζε καθώς
περνούσαν μέσα από ένα μαγνητικό πεδίο πράγμα που σήμαινε
ότι οι ακτίνες αυτές αποτελούνταν από ταχύτατα, ηλεκτρικά
φορτισμένα σωμάτια. Η πορεία, όμως, των σωματίων α
παρου-σίαζε ελαφριά μόνο καμπύλωση. Αυτό το γεγονός θα μπορούσε
-ίσως- να αποδοθεί στο ότι το ηλεκτρικό φορτίο τους ήταν πολύ
μικρότερο από το φορτίο των ηλεκτρονίων ώστε η δύναμη του
μαγνήτη πάνω τους να είναι ανάλογα μικρότερη;
Όχι! Μετά από πολύ προσεκτική μελέτη, αποδείχτηκε ότι τα
σωμάτια α έχουν ακριβώς το διπλάσιο ηλεκτρικό φορτίο σε
σύγκριση με τα ηλεκτρόνια και, μάλιστα, ότι το φορτίο των
σωματίων α είναι αντίθετο από το φορτίο των ηλεκτρονίων,
πράγμα που εξηγείται από το γεγονός ότι οι διαδρομές τους
μέσα σε μαγνητικό πεδίο καμπυλώνουν σε αντίθετες
διευθύν-σεις. Το ηλεκτρικό φορτίο ενός ηλεκτρονίου θεωρείται κατά σύμβαση αρνητικό και η ποσότητα του παίρνεται ως μονάδα γι' αυτό γράφεται - 1 . Σύμφωνα με τη σύμβαση αυτή, το ηλεκτρικό φορτίο ενός σωματίου α είναι θετικό και, επειδή είναι διπλάσιο του φορτίου του ηλεκτρονίου, γράφεται +2. Το ερώτημα που εδώ γεννιέται είναι, αφού τα σωμάτια α έχουν μεγαλύτερο ηλεκτρικό φορτίο από τα ηλεκτρόνια, δε θα έπρεπε να παρουσιάζουν πολύ πιο έντονη καμπύλωση της πορείας τους, μέσα σε μαγνητικό πεδίο, από την καμπύλωση που παρουσιάζουν τα ηλεκτρόνια; Η απάντηση, όμως, που θα δοθεί θα πρέπει να πάρει υπόψη της το γεγονός ότι τα σωμάτια α είναι κατά πολύ βαρύτερα και πολύ πιο ογκώδη από τα ηλεκτρόνια. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να παρουσιάζουν μεγάλη αδράνεια στην κίνηση τους και να μην είναι εύκολο να ξεφύγουν από την ευθεία πορεία τους. Πραγματικά, έχει αποδειχτεί ότι ένα σωμάτιο α είναι 7.000 φορές βαρύτερο από ένα ηλεκτρόνιο. Αν τώρα κάνουμε μερικούς απλούς υπολογι-σμούς θα δούμε ότι ένα σωμάτιο α είναι περίπου τέσσερις φορές πιο βαρύ από ένα άτομο υδρογόνου (που είναι το ελαφρότερο στοιχείο) και σχεδόν το ίδιο βαρύ όσο ένα άτομο του στοιχείου ήλιο. Μολονότι, λοιπόν, τα σωμάτια α είναι τόσο βαριά όσο τα άτομα των πιο απλών στοιχείων, όμως, είναι πολύ πιο μικρά σε μέγεθος, ώστε να μπορούν άνετα να διαπερνούν μέσα από την στερεή ύλη. Στα 1906, ο Ράδερφορντ καταπιάστηκε με την προσπάθεια να παγιδέψει σωμάτια α μέσα σ' ένα κλειστό δοχείο. Όταν το πείραμα ολοκληρώθηκε, ανίχνευσε μέσα στο δοχείο την παρου-σία του στοιχείου ήλιο. Η διαπίστωση αυτή δημιούργησε πολλά ερωτηματικά, αφού ήταν απόλυτα βέβαιο ότι, στην αρχή του πειράματος, δεν υπήρχε ούτε ίχνος ηλίου μέσα στο δοχείο αυτό.
Είναι φανερό ότι τα σωμάτια α κατά κάποιο τρόπο μετα-τράπηκαν σε ήλιο. Έπαψαν να είναι υποατομικά σωμάτια κι έγιναν ολοκληρωμένα άτομα. Και μια λεπτομέρεια που μπλέκει ακόμη περισσότερο τα πράγματα: το βάρος τους έμεινε το ίδιο αμετάβλητο. Είναι πιθανό, να προστέθηκαν ηλεκτρόνια των οποίων, όμως, η μάζα είναι τόσο μικρή ώστε τελικά να θεωρείται ότι το ολικό βάρος των ατόμων παραμένει ανεπηρέαστο. Κι ο Ράδερφορντ συνέχισε τις έρευνές του, κάνοντας το εξής πείραμα. Χρησιμοποιώντας ραδιενεργές ουσίες και μια κατάλληλη διάταξη, δημιούργησε μια δέσμη σωματίων α την οποία κατηύθυνε σ' ένα λεπτό φύλλο χρυσού. Τα σωμάτια α Το πείραμα του Ράδερφορντ με το φύλλο χρυσού διαπέρασαν χωρίς δυσκολία το φύλλο. Πίσω από το φύλλο είχε τοποθετήσει μια φωτογραφική πλάκα. Η πλάκα μαύριε ακριβώς στο σημείο που θα έπεφτε η δέσμη πάνω της αν δεν υπήρχε μπροστά της το φύλλο χρυσού. Η ίδια, όμως, πλάκα παρουσίασε και μερικά απόμακρα μαύρα στίγματα. Η πιο λογική υπόθεση που θα μπορούσε να δικαιολογήσει την παρουσία τους είναι ότι οφείλονταν σε σωμάτια α που χτυπώντας πάνω στο φύλλο χρυσού, κατά κάποιο τρόπο, εξοστρακίστηκαν.
Στα 1909, ο Ράδερφορντ είχε τόσο προχωρήσει στη γνώση για την κατασκευή της ύλης ώστε έλεγε με αυτοπεποίθηση πως το μεγαλύτερο μέρος του όγκου του ατόμου δεν είναι παρά ένα «νεφέλωμα» από ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια είναι τόσο ελαφριά ώστε το βαρύ σωμάτιο α χωρίς δυσκολία ανοίγει ανάμεσα τους δρόμο για να περάσει. ΣΤΟ κέντρο, όμως, του ατόμου υπάρχει κάτι διαφορετικό, πολύ πιο πυκνό και, μάλιστα, με αισθητά μεγαλύτερη μάζα: ο πυρήνας. Ο πυρήνας είναι τόσο μικρός σε μέγεθος και πιάνει τόσο λίγο χώρο ώστε τα σωμάτια α, στα πειράματα του Ράδερ-φορντ, τις περισσότερες φορές περνούσαν αρκετά μακριά του. Όταν, που και που, κάποιο σωμάτιο α χτυπούσε πάνω σε πυρήνα, τότε το σωμάτιο άλλαζε τροχιά σαν να εξοστρακιζόταν. Ο αριθμός των περιστατικών αυτών ήταν τόσο μικρός, όπως τουλάχιστον αποκάλυπτε η φωτογραφική πλάκα, ώστε ο Ράδερ-φορντ υπέθεσε με βεβαιότητα ότι πραγματικά ο πυρήνας πρέπει να έχει εξαιρετικά μικρό μέγεθος. Υπολόγισε, ακόμη, ότι η διάμετρος ενός ατόμου είναι ίση με τις διαμέτρους 100.000 πυρήνων. Δε χρειάστηκε πολύ για νά αποδειχτεί ότι τα σωμάτια α είναι γυμνοί πυρήνες του ατόμου του ηλίου. Όταν ένα σωμάτιο α αποκτήσει ηλεκτρόνια, τότε γίνεται ένα κανονικό άτομο ηλίου. Αυτό που διαφοροποιεί μεταξύ τους τα άτομα δεν είναι παρά το μέγεθος του ηλεκτρικού φορτίου του πυρήνα τους, όπως απέδειξε, για πρώτη φορά στα 1914, ο σοφός Άγγλος επιστήμονας Χένρυ Μόσλεϋ. Για παράδειγμα, ο πυρήνας του ατόμου του υδρογόνου έχει ηλεκτρικό φορτίο + 1 . Γύρω από τον πυρήνα του υδρογόνου περιφέρεται ένα ηλεκτρόνιο με φορτίο - 1 . Τα ηλεκτρικά φορτία του πυρήνα και του ηλεκτρονίου αλληλοεξουδετερώνονται έτσι ώστε το άτομο στο σύνολο του να θεωρείται ως ηλεκτρικά ουδέτερο. Ανάλογα, ο πυρήνας του ηλίου έχει φορτίο +2 και
Άτομα μερικών στοιχείων
περιβάλλεται από δυο ηλεκτρόνια που έχουν ολικό φορτίο -2. Ο
πυρήνας του άνθρακα έχει φορτίο +6 και περιβάλλεται από έξι
ηλεκτρόνια (συνολικό φορτίο ηλεκτρονίων -6). Ο πυρήνας του
οξυγόνου έχει φορτίο +8 κι εξωτερικά φέρει οκτώ ηλεκτρόνια
(συνολικό φορτίο ηλεκτρονίων -8). Ο πυρήνας του σιδήρου
είναι πολύ μεγαλύτερος, έχει φορτίο +26 και περιβάλλεται από
είκοσι έξι ηλεκτρόνια (συνολικό φορτίο ηλεκτρονίων -26). Σαν
τελευταίο παράδειγμα, ο πυρήνας του ουρανίου έχει φορτίο
+ 92 με ενενήντα δύο ηλεκτρόνια απ' έξω (συνολικό φορτίο
ηλεκτρονίων -92).
Ο αριθμός που χαρακτηρίζει το μέγεθος του φορτίου του
πυρήνα ενός στοιχείου λέγεται ατομικός αριθμός του
στοι-χείου. Έτσι, λοιπόν, σύμφωνα μ' όσα προηγούμενα
αναφέρθη-καν, ο ατομικός αριθμός του υδρογόνου είναι 1, του ηλίου 2, του
άνθρακα 6, του οξυγόνου 8, του σιδήρου 26 και του ουρανίου
92. Μέχρι σήμερα η Χημεία γνωρίζει εκατό πέντε διαφορετικά
στοιχεία το καθένα από τα οποία έχει ατομικό αριθμό από 1
μέχρι 105, χωρίς από τη σειρά αυτή να παραλείπεται ή να
επαναλαμβάνεται ούτε ένας αριθμός.
Για την επιστήμη της εποχής του 1914 φαινόταν αρκετά
ξεκαθαρισμένο ότι το άτομο αποτελείται από έναν πολύ μικρό,
σε μέγεθος, πυρήνα που περιβάλλεται από ένα ηλεκτρονιακό
νέφος.
Αφού ο πυρήνας του ατόμου είναι τόσο μικρός, θα
μπορού-σε να είναι ένα στοιχειώδες σωμάτιο;
Ακόμη και μια πρώτη, κάπως πρόχειρη, απάντηση δεν
μπορεί να είναι καταφατική. Ο πυρήνας του ουρανίου εκπέμπει
ένα σωμάτιο α, που -όπως έχουμε πει- δεν είναι παρά ένας
πυρήνας ηλίου. Επίσης, από πυρήνες άλλων στοιχείων
εκπέ-μπονται ακόμη μικρότερα σωμάτια. Έτσι, φαίνεται πολύ λογικό
να υποθέσει κανένας ότι ο πυρήνας του ατόμου είναι
κατασκευ-ασμένος από σωμάτια πολύ πιο απλά και μικρά από τα σωμάτια α.
Ο μικρότερος πυρήνας ανήκει στο άτομο του υδρογόνου κι έχει ηλεκτρικό φορτίο + 1 , δηλαδή ίσο σε μέγεθος -αλλά αντίθετο- με το φορτίο ενός ηλεκτρονίου (-1). Στα 1914 ο Ράδερφορντ κατέληξε στο συμπέρασμα ότι δεν υπάρχει στη φύση ηλεκτρικό φορτίο μικρότερο από το φορτίο του ατόμου υδρογόνου. Κι ονόμασε τον (πρώτο κι απλούστερο στη σειρά των στοιχείων) πυρήνα του υδρογόνου πρωτόνιο καθιερώ-νοντας, έτσι, διεθνώς στην επιστημονική γλώσσα την ελληνι-κότατη αυτή ονομασία. Σαν μια άμεση επέκταση της ανακάλυψης αυτής του Ράδερφορντ φαίνεται η διατύπωση του κανόνα ότι κάθε ατομικός πυρήνας περιέχει πρωτόνια και, μάλιστα, ένα για κάθε μονάδα του (θετικού) ηλεκτρικού φορτίου του. Έτσι, λοιπόν, ο πυρήνας ηλίου περιέχει δύο πρωτόνια, ο πυρήνας άνθρακα έξι, ο πυρήνας οξυγόνου οκτώ, ο πυρήνας σιδήρου είκοσι έξι κι ο πυρήνας ουρανίου ενενήντα δύο πρωτόνια. Γρήγορα, όμως, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι ο κανόνας αυτός δεν ταίριαζε απόλυτα σ' όλες τις περιπτώσεις, ούτε εξηγούσε ικανοποιητικά όλα τα φαινόμενα. Ας πάρουμε την περίπτωση του ηλίου, που ο πυρήνας του έχει φορτίο + 2 . Κανονικά, και σύμφωνα με όσα παραπάνω είπαμε, θα πρέπει ο πυρήνας του να αποτελείται από δύο ηλεκτρόνια. Αν συνέβαινε μόνο αυτό, τότε η μάζα του πυρήνα ηλίου θα έπρεπε να ητάν διπλάσια από τη μάζα του πυρήνα υδρογόνου που -ξέρουμε ότι- αποτελείται από ένα πρωτόνιο και τίποτα άλλο. Κι όμως, η μάζα του πυρήνα ηλίου είναι τέσσερις φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του πυρήνα υδρογό-νου. Αυτό σημαίνει ότι τα δύο πρωτόνια του πυρήνα ηλίου είναι το μισό μόνο της μάζας του. Και το ερώτημα που γεννιέται τώρα είναι, τι γίνεται με το άλλο μισό; Είναι γεγονός ότι, σ' όλα τα άτομα με φορτίο πυρήνα μεγαλύτερο από +1 παρατηρείται διαφορά μεταξύ της μάζας
ένα πρωτόνιο έχει βάρος όσο 1836 ηλεκτρόνια
ένα νετρόνιο έχει το ίδιο βάρος μ' ένα πρωτόνιο
του πυρήνα και της μάζας των πρωτονίων που περιέχει. Για παράδειγμα, ο πυρήνας ουρανίου περιέχει ενενήντα δύο πρωτόνια αλλά η μάζα του είναι 238 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του πυρήνα υδρογόνου. Οι επιστήμονες προσπάθησαν να δώσουν διάφορες ερμη-νείες κι εξηγήσεις για την παραπανίσια μάζα του πυρήνα καμιά, όμως, απ' αυτές δεν άντεχε στην αυστηρή κριτική δοκιμασία. Τελικά, η σωστή απάντηση δόθηκε στα 1932 από το Βρετανό επιστήμονα Τζαίημς Τσάντγουικ. ΣΤΟ μεταξύ, η επιστήμη είχε προχωρήσει αρκετά ώστε να διαθέτει τα μέσα να ανιχνεύει, ακόμη κι ασθενικά ρεύματα όχι μόνο ηλεκτρονίων αλλά και πρωτονίων. Μια πολύ έξυπνη και χρήσιμη ειδική συσκευή, που χρησιμοποιήθηκε γι' αυτό το σκοπό, είναι ο λεγόμενος θάλαμος νέφωσης. Μέσα στο Ί χ ν ο ς πρωτονίου με μικρή ταχύτητα Ίχνος πρωτονίου με μεγάλη ταχύτητα Ίχνη στοιχειωδών σωματίων όπως φαίνονται στον «θάλαμο νέφωσης»
θάλαμο αυτό αποκαλύπτεται η τροχιά των ηλεκτρικά φορτισμέ-νων σωματίων από μια λεπτή, αλλά ορατή, γραμμή πολύ μικρών σταγονιδίων νερού τα οποία σχηματίζονται στο πέρασμα τους. Και μάλιστα, οι γραμμές των σταγονιδίων μπορούν να φωτο-γραφηθούν και να μελετηθούν. Ένα ιδιαίτερο πρόβλημα δημιουργήθηκε όταν διαπιστώθηκε ότι, καθώς σωμάτια α χτυπούσαν πάνω σε πυρήνες του στοιχείου βηρύλλιο, εκπεμπόταν μια άλλη μορφή ακτινοβολίας την οποία, όμως, ο θάλαμος νέφωσης δεν μπορούσε να ανιχνεύσει. Οι ερευνητές αντιλήφθηκαν ότι υπάρχει αυτό το νέο είδος ακτινοβολίας από το γεγονός ότι, περνώντας η άγνωστη ακτινοβολία μέσα από παραφίνη, προκαλούσε την ανάκρουση πρωτονίων που προέρχονταν από διάφορους πυρή-νες μέσα στην παραφίνη. Ο Τσάντγουικ κατάλαβε ότι πρέπει να υπάρχει κάποιος λόγος για τον οποίο τα πρωτόνια ανακρούονταν σαν από έφοδο μυστηριωδών βλημάτων. Σκέφτηκε πως, αφού ένα πρωτόνιο έχει μάζα τότε, εκείνο που προκαλεί την ανάκρουση του πρέπει, επίσης κι αυτό, να έχει μάζα. Τα ηλεκτρόνια, για παρά-δειγμα, δε θα μπορούσαν ποτέ να προκαλέσουν ένα τέτοιο φαινόμενο εξαιτίας, και μόνο, της πολύ μικρής μάζας τους. Το άγνωστο σωμάτιο, όποιο κι αν ήταν, δε θα έπρεπε να έχει ηλεκτρικό φορτίο και γι' αυτό δεν άφηνε κανένα ίχνος από γραμμές σταγονιδίων μέσα στο θάλαμο νέφωσης. Συσχετί-ζοντας όλα αυτά τα στοιχεία, ο Τσάντγουικ συμπέρανε ότι η άγνωστη ακτινοβολία, που προκαλούσε αυτά τα πλήγματα, αποτελείται από «σωμάτια που είχαν μάζα ίση με τη μάζα του πρωτονίου και χωρίς συνολικό φορτίο». Τα νέα σωμάτια δεν ήταν ούτε αρνητικά ούτε θετικά φορτισμένα. Ήταν ηλεκτρικά ουδέτερα και γι' αυτό ονομάστηκαν νετρόνια. (Ο όρος αυτός είναι λατινογενής κι έτσι αναφέρεται διεθνώς στη γλώσσα μας, μερικά συγγράμματα, τον μεταφράζουν σε ουδετερόνια.)
Έτσι, η έρευνα του Τσάντγουικ συνέβαλε στη διαλεύκανση του μυστήριου της συγκρότησης του πυρήνα. Από τότε, είναι πια γνωστό ότι ο πυρήνας είναι κατασκευασμένος από πρωτόνια και νετρόνια. Ξαναγυρνώντας στο παράδειγμα του ηλίου, ο πυρήνας του αποτελείται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια. Στα δύο πρωτόνια οφείλεται το ηλεκτρικό φορτίο του (+2). Στα τέσσερα αυτά σωμάτια οφείλεται η μάζα του (τετραπλάσια της μάζας του πυρήνα υδρογόνου). Το ίδιο συμβαίνει και για όλους τους άλλους πυρήνες, με μοναδική εξαίρεση τον πυρήνα του υδρογόνου, που δεν είναι παρά ένα και μόνο πρωτόνιο. Έτσι, ο πυρήνας του ουρανίου αποτελείται από 92 πρωτόνια και 146 ηλεκτρόνια. Το ηλεκτρικό φορτίο του είναι, βέβαια, + 9 2 αλλά η μάζα του είναι (92+146=) 238 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του πρωτονίου. Ο πυρήνας του ατόμου κάθε στοιχείου έχει, κατά κανόνα, έναν αυστηρά ορισμένο αριθμό πρωτονίων. Ο αριθμός, όμως, των νετρονίων μπορεί να μεταβάλλεται ελαφρά από άτομο σε άτομο του ίδιου στοιχείου. Κλασικό παράδειγμα είναι το ουράνιο, του οποίου μερικοί πυρήνες αποτελούνται από 92 πρωτόνια κι από, μόνο, 143 νετρόνια (αντί για 146). Έτσι, το φορτίο τους εξακολουθεί να είναι + 92 αλλά η μάζα τους είναι (92 + 143 =)235 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του πρωτονίου. Οι πυρήνες ενός στοιχείου που έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων λέγονται ισό-τοπα. (Κι αυτός ο ελληνικότατος όρος έχει επικρατήσει στη διεθνή επιστημονική ορολογία.) Τα ισότοπα διακρίνονται και κατονομάζονται σύμφωνα με το συνολικό αριθμό των σωματίων του πυρήνα. Το ουράνιο με 92 πρωτόνια και 146 νετρόνια είναι το «ουράνιο-238». Το ισότοπο με 92 πρωτόνια και 143 νετρόνια είναι το «ουράνιο-235». Τα ισότοπα ενός στοιχείου δεν είναι το ίδιο διαδομένα στη φύση. Το ένα μπορεί να είναι πολύ συνηθισμένο ενώ το άλλο
πολύ σπάνιο. Στην περίπτωση των ισοτόπων ουρανίου, σε κάθε 100 άτομα ουρανίου τα 993 είναι ουράνιο-238 ενώ μόνον 7 είναι ουράνιο-235.
Πυρηνική
Ενέργεια
Οι ακτινοβολίες που προέρχονται από τα ραδιενεργά στοιχεία, όπως είναι το ουράνιο, έχουν μεγάλο ενεργειακό περιεχόμενο, μ' άλλα λόγια είναι ακτινοβολίες υψηλής ενέρ-γειας. Για παράδειγμα, η ακτινοβολία γ έχει ενέργεια μεγαλύ-τερη από όση έχει το φως. Επίσης, τα σωμάτια α και β κινούνται με απίστευτες ταχύτητες δεκάδων χιλιάδων χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο, έτσι ώστε αποκτούν υψηλό ενεργειακό περιεχό-μενο. Ο πρώτος που ανέλαβε να προσδιορίσει ακριβώς το ποσό της ενέργειας που παράγεται από τα ραδιενεργά στοιχεία ήταν ο διάσημος Γάλλος επιστήμονας Πέτρος Κιουρί, άντρας της επίσης διάσημης Μαρίας Κιουρί, την οποία γνωρίσαμε στα προηγούμενα κεφάλαια. Στα 1901, μέτρησε το ποσό της ενέργειας που εκπέμπει το ραδιενεργό στοιχείο ράδιο, το οποίο η γυναίκα του είχε ανακαλύψει πριν τρία, μόλις, χρόνια. Εκείνη την εποχή ελάχιστες ποσότητες ραδίου ήτανδιαθέσιμες στα ερευνητικά επιστημονικά εργαστήρια. Οι
με-τρήσεις του, όμως, έδειξαν καθαρά ότι μισό κιλό από την ουσία
αυτή, συγκεντρωμένο σ' ένα σημείο, ακτινοβολούσε ενέργεια
περίπου 4.000 θερμίδων την ώρα.
Σε πρώτη εκτίμηση, ίσως να μη θεωρείται η ενέργεια αυτή
και τόσο μεγάλη. Για παράδειγμα, η ίδια ποσότητα βενζίνης όταν
καίγεται αποδινει 325.000 θερμίδες, δηλαδή περίπου 80 φορές
περισσότερη ενέργεια από όση το ράδιο σε μια ώρα.
Υπάρχει, όμως, μια ουσιαστική διαφορά μεταξύ των δυο
αυτών πηγών ενέργειας. Όταν μισό κιλό βενζίνης έχει καεί,
είναι φανερό ότι έχουμε πια πάρει απ' αυτήν ό,τι είχαμε να
πάρουμε ή ό,τι είχε να μας δώσει, και δεν περιμένουμε τίποτα
άλλο, εφόσο μάλιστα δεν υπάρχει πια η ύλη αυτή. Με το ράδιο,
όμως, δεν συμβαίνει το ίδιο πράγμα. Η παραγωγή ενέργειας
συνεχίζεται αφού έχουν παραχτει οι 4.000 θερμίδες σε μια ώρα.
Έτσι, την επόμενη ώρα το ίδιο μισό κιλό ραδίου παράγει
άλλες 4.000 θερμίδες, την επόμενη ώρα άλλες 4.000 θερμίδες,
κ.ο.κ. Μέσα σε 80 ώρες έχει παράγει ενέργεια τόση, όση
παράγει μισό κιλό βενζίνης όταν καίγεται. Αλλά το ράδιο
ακτινο-βολεί, πρακτικά, αδιάκοπα ενέργεια. Μετά από 800 ώρες θα
έχει δώσει δεκαπλάσια ενέργεια από όση δίνει η βενζίνη, μετά
από 8.000 ώρες θα έχει δώσει εκατονταπλάσια ενέργεια, κ.ο.κ.
Για να ακριβολογούμε, πρέπει να πούμε ότι ο ρυθμός με
τον οποίο το ράδιο αποδινει την ενέργεια που περιέχει, φυσικά,
ελαττώνεται, αν και εξαιρετικά αργά. Είναι βέβαιο, ότι κάποια
στιγμή, ο ρυθμός αυτός θα πέσει στο μισό του αρχικού. Τούτο
όμως δε θα συμβεί πριν περάσουν 1.620 χρόνια! Όταν θα έχει
εξαντληθεί το ενεργειακό περιεχόμενο του και έλθει ο καιρός
που θα «σβύσει», η συγκεκριμένη ποσότητα ραδίου θα έχει
παράγει ενέργεια περίπου 250.000 φορές περισσότερη από
όση παράγεται με την καύση της ίδιας ποσότητας βενζίνης.
Αλλά είναι πολύ λογικό να διερωτηθούμε, από πού προέρ-χεται όλη αυτή η ενέργεια; Από τα χρόνια της δεκαετίας του 1840, ακόμη, οι επιστή-μονες ήταν αρκετά σίγουροι ότι η ενέργεια προερχόταν από «κάπου»* και, μάλιστα, μιλούσαν καθαρά για ραδιενέργεια. Εκείνη την εποχή, οι επιστήμονες ήξεραν πάρα πολλά σχετικά με την ενέργεια που παραγόταν από τη χημική ένωση των στοιχείων μεταξύ τους. Ήταν, από τότε, γνωστό ότι όταν το ξύλο ή το κάρβουνο ή η βενζίνη καίγεται, τα άτομα του άνθρακα και του υδρογόνου, που αποτελούν την καύσιμη ύλη, ενώνονται με το οξυγόνο του αέρα σχηματίζοντας διοξείδιο του άνθρακα και νερό, αντίστοιχα. Από την ένωση αυτή παράγεται ενέργεια. Η ένωση των στοιχείων στη χημική γλώσσα λέγεται χημική αντίδραση (τότε λέμε ότι τα στοχεία «αντιδρούν» μεταξύ τους) κι η ενέργεια που παράγεται (ή απελευθερώνεται ή «εκλύεται») κατά τις χημικές αντιδράσεις λέγεται χημική
ενέργεια.
Οι χημικές αντιδράσεις, σαν την αντίδραση της καύσης, που πραγματοποιούνται με σύγχρονη παραγωγή ενέργειας χα-ρακτηρίζονται ως εξώθερμες αντιδράσεις. Βέβαια, υπάρχουν κι αντιδράσεις που για να πραγματοποιηθούν χρειάζονται να απορροφήσουν ενέργεια και χαρακτηρίζονται ως ενδόθερμε ς αντιδράσεις. Από τότε που οι επιστήμονες έμαθαν πώς ήταν κατα-σκευασμένα τα άτομα, οι χημικές αντιδράσεις αποδίνονταν στη μεταφορά ηλεκτρονίων από το ένα άτομο στο άλλο. Ορισμένες διατάξεις ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα προσδίνουν υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο στην ατομική δομή, ενώ ορισμένες άλλες χαμηλότερο. Ό τ α ν οι ηλεκτρονιακές αυτές διατάξεις * Βλέπε, στην ίδια σειρά βιβλίων του Ισ. Ασίμωφ «Πώς βρήκαμε την ενέργεια», έκδοση Πανεπιστημιακός Τύπος, Αθήνα.μετασχηματίζονται από υψηλού ενεργειακού περιεχόμενου σε χαμηλού, τι συμβαίνει με την ενέργεια που περισσεύει; Απλού-στατα, απελευθερώνεται κι αποδίνεται στο περιβάλλον με τη μορφή φωτός, θερμότητας, ηλεκτρισμού, κ.λ.π. Κι όλα αυτά συμβαίνουν στο χώρο των ηλεκτρονίων. Τι γίνεται, όμως, με τα πρωτόνια και τα νετρόνια στον ατομικό πυρήνα; Όμοια, μερικές διατάξεις πρωτονίων-νετρονίων προσ-δίνουν υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο στη δομή του πυρήνα, ενώ μερικές άλλες χαμηλότερο. Ανάλογα, και για τον ίδιο λόγο, όταν μια υψηλής ενέργειας διάταξη μετασχηματιστεί σε χαμη-λής ενέργειας, αποδίνεται στο περιβάλλον ένα ποσό ενέργειας, όση δηλαδή περισσεύει. Εδώ, όμως, η ενέργεια απελευθερώ-νεται με τη μορφή ακτινοβολίας πολύ μικρού μήκους κύματος ή σωματίων υψηλής ταχύτητας. Στην περίπτωση των ραδιενεργών στοιχείων, όπως το ουράνιο, το θόριο, το ράδιο κι ένα σωρό άλλα, τα πρωτόνια και νετρόνια του πυρήνα τους αλλάζουν διατάξεις με κατεύθυνση το μικρότερο ενεργειακό περιεχόμενο που άμεσα χαρακτηρίζει τη σταθερότερη φυσική κατάσταση. Οι μεταμορφώσεις κι αναδιατάξεις των σωματίων του πυρήνα λέγονται πυρηνικές αντιδράσεις. Το επιπλέον ποσό ενέργειας που απελευθερώ-νεται στις πυρηνικές αντιδράσεις είναι η πυρηνική ενέργεια, που πολλές φορές αναφέρεται κι ως ατομική ενέργεια. Όπως θυμόμαστε, τα πρωτόνια και τα νετρόνια του πυρήνα είναι, σε σύγκριση με τα ηλεκτρόνια, πολύ πιο ογκώδη. Επίσης, βρίσκονται πολύ πιο κοντά μεταξύ τους, μέσα στον πυρήνα, και συνδέονται με πολύ πιο δυνατούς δεσμούς, από όσο τα ηλε-κτρόνια. Αυτό το γεγονός έχει σαν άμεση συνέπεια η διάταξη των πρωτονίων-ηλεκτρονίων να είναι πολύ πιο πλούσια σε ενεργειακό περιεχόμενο από τη διάταξη των ηλεκτρονίων. Γι' αυτό το λόγο η ενέργεια που απελευθερώνεται με μορφή ραδιενέργειας είναι πολύ μεγαλύτερη από εκείνη που
αποδί-νεται με μορφή χημικής ενέργειας, όπως είναι η καύση της βενζίνης. Όταν οι επιστήμονες μελετούσαν τους διάφορους πυρή-νες αντιλήφθηκαν ότι εκείνοι που έχουν μέτριο μέγεθος έχουν και το μικρότερο ενεργειακό περιεχόμενο. Αντίθετα, οι πολύ ογκώδεις πυρήνες, όπως του ουρανίου και του θορίου, περιέ-χουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας. Αν αυτοί οι ογκώδεις πυρήνες μεταπέσουν σε άλλους σχετικά μικρότερου μεγέθους, και κατά συνέπεια μικρότερου ενεργειακού περιεχόμενου, τότε η διαφορά, της τελικής ενέργειας από την ενέργεια που αρχικά είχαν, αποδίνεται με μορφή ακτινοβολίας και σωματίων. Με ανάλογο τρόπο, οι πολύ ελαφριοί πυρήνες θα μπορού-σαν να μεταπέσουν σε χαμηλότερη ενεργειακή στάθμη αν τα σωμάτια που τους αποτελούν αναδιατάζονταν σε κάπως μεγα-λύτερους σχηματισμούς. Και σ' αυτή την περίπτωση, η επι-πλέον ενέργεια θα μπορούσε να αποδοθεί με μορφή ακτινοβο-λίας και σωματίων. Η ανακάλυψη αυτή αποτέλεσε το κλειδί για τη λύση του προβλήματος που για, σχεδόν, εκατό χρόνια βασάνιζε τους επιστήμονες. Ο ήλιος ακτινοβολεί, εδώ κι εκατομμύρια χρόνια, τεράστιες ποσότητες ενέργειας προς κάθε κατεύθυνση. Από Σύντηξη πυρήνων υδρογόνου και σχηματισμός πυρήνων ηλίου
πού, λοιπόν, προερχόταν όλη αυτή η ενέργεια; Στην αρχή δεν υπήρχε μια πραγματικά ικανοποιητική απάντηση στο... καυτό αυτό ερώτημα. Οι αστρονόμοι, όμως, είχαν βρει ότι ο ήλιος αποτελείται βασικά από υδρογόνο. Έ ν α ς Γερμανο-αμερικανός επιστή-μονας, ο Χανς Άλμπρεχτ Μπέτε, απέδειξε στα 1938 ότι τέσσερις πυρήνες υδρογόνου, καθένας αποτελούμενος από ένα πρωτόνιο, θα μπορούσαν να σχηματίσουν ένα πυρήνα (του στοιχείου) ηλίου, αποτελούμενο από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια. Αποτέλεσμα αυτού του μετασχηματισμού είναι η αποδέσμευση ενέργειας. Σ' αυτό το μηχανισμό ακριβώς, οφείλεται η ικανότητα του ήλιου να λάμπει και να ζεσταίνει για τόσα πολλά χρόνια. Με άλλα λόγια, η ενέργεια του ήλιου δεν είναι παρά πυρηνική ενέργεια. Βεβαιότατα, από τότε που οι ερευνητές αποκάλυψαν την πυρηνική ενέργεια και διαπίστωσαν πόσο, τρομακτικά, μεγάλα ποσά ενέργειας είναι δεσμευμένα στον ατομικό πυρήνα, άρχισαν να εξετάζουν αν υπήρχαν δυνατότητες να χρησιμο-ποιηθεί η ενέργεια αυτή, από τον άνθρωπο, για την παραγωγή έργου. Ο άνθρωπος για πολλές χιλιάδες χρόνια χρησιμοποιούσε τη χημική ενέργεια, εκμεταλλευόμενος τη μεταφορά ηλεκτρο-νίων, καίγοντας ξύλα, κάρβουνο και πετρέλαιο. Τώρα, θα μπορούσε να ελπίζει ότι θα αξιοποιήσει την πυρηνική ενέργεια, εκμεταλλευόμενος -τη φορά αυτή- τη μεταφορά πρωτονίων και νετρονίων. Όταν η ενέργεια χρησιμοποιείται από τον άνθρωπο για την παραγωγή έργου, τότε λέγεται, στη γλώσσα της φυσικής «ισχύς». Το ερώτημα που θέτεται είναι, θα μπορούσε ο άνθρωπος να επωφεληθεί από την πυρηνική ισχύ; Ακόμη και στις περιπτώσεις στοιχείων με πολύ μεγάλο ενεργειακό περιεχόμενο, η απόδοση της ενέργειας στο περι-βάλλον γίνεται με αργό ρυθμό. Τα πιο διαδομένα ραδιενεργά
στοιχεία, το ουράνιο και το θόριο, αποδίνουν την ενέργεια τους μέσα σε δισεκατομμύρια χρόνια. Δυστυχώς, η επιστήμη δεν μπορεί -τουλάχιστο σήμερα- να εξαναγκάσει τους πυρήνες σε γρηγορότερη αποδέσμευση αυτής της ενέργειας που περικλείνούν. Στην περίπτωση της χημικής ενέργειας τα πράγματα είναι διαφορετικά, εκεί είναι σχετικά, πολύ πιο εύκολο να επιταχυνθεί μια χημική αντίδραση. Για παράδειγμα, ένα σπίρτο δε φαίνεται να καίγεται πριν να το ανάψουμε, χωρίς αυτό να σημαίνει ότι τα χημικά συστατικά του δεν αντιδρούν πολύ σιγά με το οξυγόνο του αέρα. ' Οταν, όμως, το κεφάλι του σπίρτου θερμανθεί, καθώς τρίβεται πάνω σε μια ανώμαλη επιφάνεια, ο ρυθμός της αντίδρασής τους μεγαλώνει τόσο πολύ γρήγορα ώστε το σπίρτο ανάβει και καίγεται έντονα με φλόγα. Παρόμοιο παράδειγμα είναι η νιτρογλυκερίνη· ένα μπουκάλι με νιτρογλυκερίνη, καθόλα αθώο όταν είναι ήρεμο, κάνει τρομακτική έκρηξη στο παραμικρό χτύπημα. Ο λόγος που συμβαίνουν όλα αυτά είναι, απλούστατα, ότι επειδή τα ηλεκτρόνια βρίσκονται στο εξωτερικό των ατόμων εύκολα επηρεάζονται από τη θερμότητα, τις κρούσεις κι άλλες τέτοιες μεταβολές που έχουν σαν αποτέλεσμα να επιταχύνουν το ρυθμό με τον οποίο μεταφέρονται από άτομο σε άτομο. Από την άλλη μεριά, οι πυρήνες βρίσκονται βαθιά στο κέντρο των ατόμων. Δε φτάνονται εύκολα. Έτσι, δεν μπορούμε να επιταχύνουμε τη ραδιενέργεια του ουρανίου με θέρμανση ή χτύπημα ή με οποιοδήποτε άλλο τρόπο που θα μπορούσε να επιταχύνει μια χημική αντίδραση. Το ουράνιο θα εξακολουθεί να δίνει την ενέργεια του πολύ πολύ αργά, απογοητευτικά αργά για μια χρησιμοποιήσιμη πηγή ενέργειας. Αυτό, λοιπόν, που χρειάζεται είναι κάτι που θα μπορούσε, κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες, να διαπεράσει τον εξωτερικό χώρο του ατόμου, με όλα τα ηλεκτρόνια του, και να χτυπήσει κατευθεία τον πυρήνα.
Στην αρχή, ο μοναδικός τρόπος, που γνώριζαν οι επιστή-μονες, για να κάνουν κάτι τέτοιο ήταν τα υποατομικά σωμάτια. Τα περισσότερο αποτελεσματικά ήταν τα σωμάτια α, που εκπέμπονται από πολλά ραδιενεργά στοιχεία. Τα σωμάτια αυτά είναι τόσο ογκώδη ώστε μπορούν να φτάσουν στον πυρήνα, χωρίς να ενοχληθούν καθόλου από την παρουσία των ηλεκτρο-νίων, λες και δεν υπάρχουν. Τι θα συμβεί, όμως, όταν ένα σωμάτιο α χτυπήσει έναν πυρήνα;
