Свет невидимого

Если меня сегодня что-нибудь и удивляет, так это лишь то, как я мог не понять тогда академика А. П. Виноградова. Сегодня высказывания этого ученого, удивившего тогда, кстати, не меня одного, стало рядовым, но тем не менее важнейшим лозунгом всех химиков, а связанных с радиоактивностью — в особенности.

В наши дни атомная энергетика — это уже будни науки. Мы гордимся тем, что в нашей стране создана первая в мире электростанция, работающая на атомной энергии. Мы любуемся красавцами ледоколами «Ленин» и «Арктика». Но не удивляемся этим достижениям. Они стали буднями, и это очень радостные будни.

Впрочем, если вы решите поговорить об энергетическом использовании ядерных реакторов с каким-либо специалистом-физиком, то увидите, как при первом же вопросе на лице вашего собеседника промелькнет сложная гамма чувств, среди которых основными будут гордость и… горечь. Гордость — за выдающиеся достижения современной физики, достижения, которые сделали эту науку лидером естествознания XX века, а горечь…

Горечь появляется тогда, когда физики подсчитывают, какая доля энергии урана, распавшегося в ядерном реакторе, используется энергетиками. Окончательный результат обычно приводит их в глубокое уныние. Да и то сказать: кого не огорчит коэффициент полезного действия, равный 0,2–0,3? Оказывается, энергетики используют примерно одну треть энергии, которая высвобождается при распаде ядер урана в реакторе.

Из всей энергии, выделяющейся в ядерном реакторе при делении ядер урана, используется лишь та ее часть, которая превращается в тепло при разлете ядерных осколков и при радиоактивном распаде этих осколков. Неудивительно, что эта часть энергии составляет лишь долю, причем достаточно скромную, от величины всей высвобождающейся энергии. Остальная энергия аккумулируется в образовавшихся продуктах деления урана — а это не что иное, как разнообразные химические элементы. Уточним, радиоактивные элементы.

Причина радиоактивности? Именно в этих осколках сосредоточена основная доля энергии, высвобождающейся при делении ядер урана. Стремясь освободиться от избыточной энергии, ядра образовавшихся элементов выбрасывают электроны либо гамма-кванты, то есть подвергаются радиоактивному распаду.

Для химиков особенно важно то, что в отходах ядерных реакторов, в урановой «золе», содержатся искусственные радиоактивные изотопы большей части элементов системы Менделеева. Вот почему, если еще лет сорок назад искусственные радиоактивные изотопы были доступны единичным лабораториям, то сегодня каждому студенту-химику при выполнении им практических работ предлагают разнообразный набор различных радиоактивных элементов.

Теперь становится понятным, что так печалило физиков. Для кручины у них имелись достаточно веские основания: они попросту не знали, что делать с таким количеством радиоактивных элементов, какие накапливаются в ядерных реакторах. А радиоактивность эта действительно громадна. Достаточно даже не очень большому реактору проработать сутки, и там накопится такое количество продуктов распада урана, какое по своей радиоактивности в десятки раз превышает радиоактивность элементов, выделенных во всех лабораториях и заводах со времени открытия радиоактивности до того времени, когда был сконструирован первый реактор (1942).

Число ядерных реакторов на земном шаре непрерывно увеличивается. И уже почти 30 лет со страниц газет не сходит выражение «радиоактивные отходы». Сотни ученых в десятках стран ломали голову над тем, что же делать с радиоактивными отходами, которые непрерывно и во все возрастающем количестве вырабатывают ядерные реакторы.

Чего только не предлагали!

Закапывать в глубокие бетонные ямы. И закапывали.

Прятать в заброшенных шахтах. И прятали.

Топить в глубоких океанских впадинах. И топили.

Запускать в ракетах в межпланетное пространство. И… Нет, пока еще не запускали. И по-видимому, не столько потому, что такой способ избавления от ядерной «золы» чрезмерно дорог, сколько из-за опасений, что при запуске ракеты может случиться какая-нибудь неприятность и опасный шлак развеется в атмосфере.

Конечно, джинна, выпущенного из бутылки, можно было бы в данном случае загнать обратно: остановить ядерные реакторы и тогда не будет никаких отходов. Но этот выход, разумеется, никого не устраивает.

Если вам вздумается проводить реакцию водорода с хлором, то прежде всего подумайте, так ли уж вам это необходимо. Если, поразмыслив, вы все же утвердитесь в намерении соединять водород с хлором, то постарайтесь, чтобы резервуар, в котором будет идти реакция, не был стеклянным (металлическим, пластмассовым — пожалуйста). Если же по условиям опыта требуется, чтобы реакция протекала в стеклянном сосуде, то прежде тщательно покройте его темной краской либо заверните в плотную темную ткань. Если же почему-либо этого сделать нельзя, то предупредите, чтобы никто не подходил к месту эксперимента ближе, чем на … метров. Число, какое следует поставить на место многоточия, зависит от объема сосуда. Если сосуд небольшой — литров на 5–6, то стеклянные осколки от взрыва, который последует немедленно после того, как водород и хлор будут смешаны, разлетятся недалеко — метров на 10–12. Чем больше сосуд, тем на большем расстоянии будут сохранять стеклянные осколки убойную силу.

Итак, вы, конечно, поняли, что реакцию водорода с хлором можно проводить, лишь соблюдая многие предосторожности. Но самое главное, чтобы на реакционную смесь ненароком не попал луч света. В темноте же — спокойно смешивайте эти газы — реакция не пойдет.

Взаимодействие водорода с хлором — далеко не единственный пример реакций, протекающих под действием света. Каждый химик без труда вспомнит много таких реакций: разложение соединений серебра с галогенами (процесс, лежащий в основе фотографии), хлорирование многих органических соединений, наконец, важнейший из химических процессов, протекающих в природе, — процесс фотосинтеза, свершающееся в глубинах растительных клеток превращение углекислоты и воды в углеводы, процесс, на котором основано существование всего живого на нашей планете.

Ничего загадочного в действии света на эти реакции нет. Вот хотя бы та же реакция взаимодействия водорода с хлором.

Оба этих газа двухатомны — молекулы их содержат по два атома: H₂ и Cl₂. Именно поэтому взаимодействовать друг с другом они не собираются: водород прочно соединен с другим атомом водорода, и в молекуле хлора оба атома вполне довольны друг дружкой.

Но вот в смесь этих газов попал квант света. Натолкнувшись на молекулу хлора, он разбивает ее на части — два отдельных атома Cl, каждый из которых, не имея партнера, обладает большим стремлением к взаимодействию. Поэтому такие одиночные атомы хлора буквально «вгрызаются» в молекулы водорода: Cl + H₂ = HCl + H. Теперь уже бесприютным остался атом водорода, стремящийся приобрести себе партнера еще сильнее, чем одиночный атом хлора. Водород-одиночка находит приятеля в первой же молекуле хлора, которая столкнется с ним: H + Cl₂ = HCl + Cl. И снова остался без пары атом хлора, который реагирует с молекулой водорода. И так далее. И так далее. И так далее… 150 тысяч раз. Потому что один квант света, попавший в смесь водорода и хлора, может привести к образованию 150 000 молекул хлористого водорода.

Понятно теперь, почему не стоит выставлять без соблюдения всех правил предосторожности на свет смесь H₂ и Cl₂?

Как ни многообразны реакции, протекающие под действием света, число их не сопоставимо с количеством известных нам химических соединений. Это понятно, так как энергия, которую несет на себе квант видимого света, сравнительно невелика. Этот квант может воздействовать на молекулу лишь с довольно слабой химической связью. Кванты видимого света можно сравнить с теннисными мячиками, ударяющимися о каменную стенку. Повредить штукатурку они еще могут, да и то, если она плохо заделана. Но большого вреда, конечно же, не нанесут.