НАШЕ ЯДЕРНОЕ БУДУЩЕЕ... ФАКТЫ, ОПАСНОСТИ И ВОЗМОЖНОСТИ

Эдвард Теллер и Альберт Л. Латтер

CRITERION BOOKS • НЬЮ-ЙОРК

Copyright © 1958, Criterion Books, Inc. Номер в каталоге Библиотеки Конгресса 58-8783

Дизайн Сидни Файнберга

ИЗГОТОВЛЕНО В СОЕДИНЕННЫХ ШТАТАХ АМЕРИКИ КОМПАНИЕЙ AMERICAN BOOK-STRATFORD PRESS, INC., НЬЮ-ЙОРК

Предисловие

Эта книга написана для неспециалиста, не обладающего знаниями об атомах, бомбах и радиоактивности. Он знает, что мир состоит из атомов, что бомбы могут его уничтожить, а радиоактивность может сделать его гораздо менее пригодным для жизни.

Мы хотели бы дать несколько советов по использованию книги: каждую главу можно читать отдельно. Главы не обязательно читать в том порядке, в котором они напечатаны. Прочтение их всех даст более полное понимание — и, если у вас есть время, лучше всего читать их в том порядке, в котором они расположены. Некоторые из первых глав, возможно, перегружены фактами. В некоторых более поздних главах нам хотелось бы иметь больше фактов. Последние читатель, вероятно, поймет и запомнит довольно легко. Возможно, он не согласится со всем их содержанием. С другой стороны, более научные главы (со II по VIII) не вызовут сомнений, но их может быть труднее читать и запоминать. Полезно помнить следующее: ни одна глава не вытекает из другой, но большинство глав связаны между собой и подкрепляют другие части книги.

Наши знания о радиоактивных осадках быстро растут. На некоторые вопросы, поднятые в книге, возможно, уже получены ответы. Обладая этими дополнительными знаниями, мы могли бы быть более количественными в некоторых наших утверждениях. Но мы полагаем, что основные выводы не изменились бы.

Эта книга была завершена до появления спутников. В их нынешнем виде они имеют мало отношения к теме ядерной энергии. Однако, на наш взгляд, для неспециалиста стала еще более актуальной необходимость понимать те области науки и техники, которые могут повлиять на его безопасность и благополучие, а также на безопасность и благополучие его страны. Мы надеемся, что эта книга в какой-то мере будет способствовать такому пониманию.

Contents

  Preface 5

I. The Need to Know 13

II. Atoms 18

III. Nuclei 26

IV. The Law of Radioactive Decay 37

V. Breakup of the Nucleus 41

VI. Reactions Between Nuclei 49

VII. Fission and the Chain Reaction 58

VIII. Action of Radiation on Matter 68

IX. The Test 80

X. The Radioactive Cloud 87

XI. From the Soil to Man 104

XII. Danger to the Individual 116

XIII. Danger to the Race 127

XIV. The Cobalt Bomb 134

XV. What About Future Tests? 137

XVI. Has Something Happened to the Weather? 146

XVII. Safety of Nuclear Reactors 152

XVIII. By-products of Nuclear Reactors 160

XIX. The Nuclear Age 168

  Glossary 175

Список иллюстраций

Раздел с фотографиями находится между страницами 96 и 97.

1. A shallow underground explosion.

2. An atomic test tower.

3. A tower shot.

4. An air shot.

5. Leg bone of a rabbit after injection of Sr⁸⁹.

6. Leg bone of a woman dead of radium poisoning.

7. Capsules of cobalt⁶⁰.

8. Cobalt irradiation.

9. Smoke-ring cloud from the air-defense atomic weapon.

10. Wilful exposure—an experiment.

11. Condensation trails produced in a Wilson Cloud Chamber.

12. Closely-spaced tracks form a cloud.

13. Cutaway section of a nuclear reactor.

НАШЕ ЯДЕРНОЕ БУДУЩЕЕ

ГЛАВА I. Необходимость знать

Наш мир меняется, и изменения происходят все быстрее. Движущей силой этих изменений являются научные открытия. Все мы глубоко ощущаем последствия науки. В то же время очень немногие понимают высокотехнические основы нашей цивилизации. В этой ситуации естественно, что научно-технический прогресс должен вызывать беспокойство и тревогу.

Страх перед тем, чего мы не знаем или не понимаем, сопровождал нас во все времена. Человек, зная, что его жизнь закончится, часто становился жертвой еще более ужасного кошмара — конца всего его мира. В научный век большинство прошлых ужасов оказались бессмысленными химерами. Но одна угроза остается. Это великое и постоянное неизвестное: что мы, люди, сделаем друг с другом и с самими собой?

Беспокойство по поводу наших собственных действий будет продолжаться. Оно может расти по мере того, как увеличивается наша власть над природой. Против этого беспокойства существуют два оружия: понимание и мужество. Из этих двух мужество важнее, но понимание должно быть первым.

Нас часто пугают воображаемые опасности, в то время как мы игнорируем риски, которые гораздо более реальны. Должно существовать тесное взаимодействие между общественным мнением, с одной стороны, и техническим прогрессом — с другой. Для этого необходимо понимание современных научных разработок. Существует все более острая необходимость знать. Мало что делается для удовлетворения этой потребности. Укрепилось мнение, что эта потребность на самом деле не может быть удовлетворена.

В то же время все больше людей верят, что сами ученые и технические специалисты несут ответственность за изменения, которые принесли их идеи и изобретения. Ученый поставлен в положение, когда его голос слышен не только в узкоспециализированных областях, в которых он является экспертом, но и в гораздо более общих вопросах, на которые влияют его открытия. Настоящим источником важных решений в нашей стране является народ. Мы считаем, что это правильно, и мы считаем, что неправильно, если ученые берут на себя какую-либо существенную часть этих решений.

Ответственность технического специалиста, безусловно, включает две важные функции. Одна — исследовать природу и выяснить возможные пределы нашей власти над ней. Другая — объяснить то, что он обнаружил, ясными, простыми и понятными словами, чтобы важные решения могли принимать все люди нашей страны — те, кому по праву принадлежит власть принимать решения и на кого в конечном итоге повлияют последствия этих решений.

Объяснять научные и технические вопросы непросто, а ознакомиться со всей наукой может быть практически невозможно. В специализированной области физики в двадцатом веке произошли революционные события, такие как теория относительности, открытая Эйнштейном, и теория атома, разработанная Нильсом Бором. Эти новые открытия нелегко понять, и каждый хороший физик потратил годы своей жизни, пытаясь досконально ознакомиться с их значением. Все мы, кто сделал это, чувствуем, что хорошо вознаграждены лучшим пониманием природы, которое мы приобрели. Но здесь нет необходимости говорить об этих вопросах.

То, что мы должны обсудить в этой книге, связано с частями атомной и ядерной физики, которые гораздо более элементарны. Фактов, которые мы представим в простой форме, достаточно, чтобы дать читателю ориентацию в кажущихся запутанными областях ядерной энергии и атомных взрывов.

Мы должны начать с описания атомов и ядер. Это довольно маленькие объекты, но это обстоятельство не должно нас особенно беспокоить; и нет необходимости пугать себя мыслью, что мы говорим о «невообразимо» малых объектах. Наш разум довольно легко адаптируется к новым измерениям; и пока мы говорим о ядрах, мы можем временно забыть о существовании каких-либо более крупных объектов. Реальные трудности возникают только тогда, когда наука открывает законы, которые, по-видимому, противоречат здравому смыслу. Это случается нечасто, и нам не нужно будет останавливаться на таких темах.

Трудности объяснения науки усугубляются тем фактом, что ученые разработали свой собственный язык, который они практикуют и совершенствуют, общаясь друг с другом. Иногда создается впечатление, что они разговаривают исключительно друг с другом. Авторы чувствуют, что их «родной язык» — это научный язык; эта книга — попытка перевода.

Дальнейшая трудность связана со специальной темой: радиоактивностью. Огромное практическое значение этой темы стало очевидным для общественности в связи с взрывом в Хиросиме. Это было пугающее событие, и последующие события и перспективы не менее пугающие. Нет необходимости в том, чтобы все, что связано с ядерными взрывами, было одинаково пугающим; и важно, чтобы мы подходили к этой теме непредвзято и с как можно меньшим количеством эмоций. Эмоции имеют свое необходимое место, когда мы доходим до стадии, на которой хотим принимать решения о наших действиях. Мы предлагаем читателю отложить эту стадию до того момента, когда он закончит чтение книги.

Наибольшая трудность в обсуждении радиационных опасностей возникает из-за того, что затрагивается функционирование живых организмов. По сути, мы находимся в неведении относительно вопроса о том, как работает такой организм. Мы в равной степени находимся в неведении относительно вопроса о том, как на такой организм влияет радиация. Поэтому кажется, что мы должны сомневаться в том, опасна ли радиоактивность, за исключением тех случаев, когда был нанесен очевидный ущерб. Поскольку непосредственные эффекты радиоактивности не воспринимаются нашими органами чувств, мы сталкиваемся с мыслью о невидимой угрозе неизвестного масштаба. Некоторые из вредных последствий могут проявиться годы спустя, и поэтому даже отсутствие какого-либо наблюдаемого ущерба не успокоит людей.

К счастью, наши практические знания отнюдь не так скудны, как можно было бы предположить из этих утверждений. Радиоактивность и процессы, подобные радиоактивности, окружают нас и окружали наших предков столько, сколько жизнь существует на Земле. Мы не знаем, что такое жизнь, и не знаем, каким именно образом радиоактивность влияет на жизнь; но у нас есть обширные и достоверные знания о том, что искусственная радиоактивность будет производить эффекты, подобные тем, которые производятся естественным фоном радиоактивности. Этот фон, следовательно, предоставляет нам мерило, с которым можно сравнивать все антропогенные загрязнения.

Существует последнее препятствие для объяснения вопросов, связанных с радиоактивностью. Это секретность, которая ассоциируется с развитием ядерной энергии, и в частности с военным применением ядерной энергии. Аргументы в пользу сохранения секретности информации об оружии весомы, правильны и общеприняты. Однако нет такого веского аргумента, и на самом деле нет возможности для секретности, связанной с широко распространенной радиоактивностью, которая исходит от оружия. В признание этого факта секретность была полностью и должным образом снята с этой области. Неудивительно, что на это потребовалось некоторое время. Были задействованы административные решения, а они никогда не принимаются в большой спешке.

Хотя глобальное радиоактивное загрязнение с 1955 года открыто для широкой научной дискуссии, времени, по-видимому, было недостаточно, чтобы обеспечить широкое распространение и объяснение результатов. Могут также оставаться некоторые сомнения в том, была ли предоставлена вся соответствующая информация. На самом деле, научная информация по этой важной теме в настоящее время является полностью и свободно доступной.

Информация о мирном использовании ядерной энергии также является полностью и свободно доступной. Даже в области военного применения была опубликована большая часть важной информации.

Поэтому мы находимся в положении, позволяющем представить читателю наиболее важные факты о мирном и военном использовании ядерной энергии — о возможных опасностях и о возможных выгодах. Если у нас это не получится, мы не сможем винить ни секретность, ни сложность темы. Это правда, что тема запутанная, но только в той же степени, что и те темы повседневного опыта, с которыми всем нам приходится время от времени бороться. Не требуется больших интеллектуальных усилий, чем те, что вовлечены в понимание формы налоговой декларации или формы для скачек, чтобы упомянуть две аналогии с довольно разным эмоциональным содержанием. Многие идеи будут незнакомыми, но они не являются сложными. Более того, их влияние на нашу безопасность, благополучие и возможное улучшение нашей жизни велико. Поэтому мы надеемся, что читатель уделит этому вопросу столько же внимания, сколько он привык уделять другим предметам, связанным с его потребностями или развлечениями.

ГЛАВА II. Атомы

Вся материя состоит из атомов, которые являются очень крошечными объектами. Мы не можем видеть их, потому что волны света омывают их, как океанские волны гальку. Атом примерно так же велик по сравнению с человеческой клеткой, которую можно отчетливо увидеть под обычным микроскопом, как человеческая клетка по сравнению с бильярдным шаром. Если говорить точнее, сто миллионов атомов, положенных в ряд, составили бы около дюйма в длину.

Несмотря на свое греческое название, которое означает неделимый, атом состоит из частей. Он состоит из центрального ядра, которое несет положительный электрический заряд, вокруг которого распределен один или несколько отрицательно заряженных электронов. Часто можно услышать, что электроны вращаются по орбитам вокруг ядра, подобно тому как планеты вращаются вокруг Солнца в нашей собственной солнечной системе. Однако это не совсем правильная картина. Во-первых, электроны более неуловимы, чем планеты. Они не вращаются по определенным орбитам, как планеты. Кроме того, орбиты более хрупкие. Можно разрушить атом попыткой точно выяснить, каковы орбиты электронов.

Вот как атом не выглядит. Электроны не движутся по четко определенным путям. Труднее передать идею атома с помощью рисунка, чем сделать набросок вчерашнего сна.

Планеты не улетают от Солнца из-за гравитационного притяжения, которое оказывает Солнце. Электроны и ядро, однако, удерживаются вместе, потому что положительные и отрицательные электрические заряды притягивают друг друга. Гравитационное притяжение между электронами и ядром невероятно слабое по сравнению с электрическим притяжением.

Большая часть веса атома приходится на его ядро. Даже самое легкое из известных ядер весит примерно в 1840 раз больше, чем электрон. Несмотря на это, ядро занимает лишь крошечную часть общего объема атома. На самом деле ядро примерно так же велико по сравнению со всем атомом, как атом по сравнению с человеческой клеткой. Двадцать тысяч ядер, положенных в ряд, были бы примерно равны по длине диаметру атома. Если бы материя состояла только из ядер, плотно упакованных вместе, объект размером с пенни весил бы примерно сорок миллионов тонн.

Позже мы увидим, что размер ядра оказывает большое влияние на то, как ядра взаимодействуют друг с другом. Именно по этой причине размер ядра является четко определенной измеримой величиной. Гораздо труднее точно сказать, что имеется в виду под размером электрона. Кажется приемлемым сказать, что он несколько меньше размера среднего ядра. В любом случае несомненно, что и электроны, и ядро малы по сравнению с размером всего атома. Следовательно, атом должен состоять в основном из пустого пространства. Это означает, конечно, что когда вы смотрите на твердую материю, перед вашими глазами находится пустое пространство с небольшим добавлением реального вещества. Что придает прочность твердым телам, так это взаимодействие электрических притяжений и отталкиваний внутри атомов и между атомами.

Когда заряженная частица, такая как электрон или ядро, случайно движется через твердую материю, на нее постоянно воздействуют большие электрические силы. Для такой частицы материя не кажется очень прозрачной. Но если бы существовала такая вещь, как электрически нейтральная частица, сопоставимая по размеру с ядром, она могла бы свободно перемещаться внутри материи, не испытывая электрических сил, и лишь изредка сталкиваясь с ядром или, может быть, электроном. На самом деле такая частица существует, и она может пройти прямо через дюйм или два твердой материи, ни с чем не столкнувшись. Позже в этой книге мы будем очень заинтересованы в этой частице, которая называется нейтроном.

Хотя электроны и ядро являются заряженными частицами, атом в целом электрически нейтрален; это означает, что положительный заряд ядра должен быть равен по величине суммарному заряду всех отрицательных электронов. Все электроны имеют точно такой же заряд, который является наименьшим зарядом, когда-либо наблюдавшимся. Что особенно странно и еще не объяснено, так это тот факт, что все другие заряды либо так же велики, как заряд электрона, либо в два раза больше, либо в три раза больше, либо в миллион раз больше. Но мы никогда не находим заряд, который, выраженный в единицах заряда электрона, является дробным. Ни один объект никогда не несет три с половиной заряда электрона. Поэтому заряд электрона можно удобно использовать в качестве стандартной единицы заряда.

Каждый атом можно отличить по заряду его ядра. Самым простым атомом, который можно себе представить, был бы, очевидно, атом с одним электроном, вращающимся вокруг ядра, имеющего одну единицу положительного заряда. Такой атом существует и называется водородом. Атом с ядром заряда два и двумя электронами, вращающимися вокруг него, называется гелием; три — литий... шесть, семь, восемь; углерод, азот, кислород... 92 — уран. Атомы почти со всеми зарядами от одного до 92 встречаются в природе, и практически ни одного выше 92 не встречается. Некоторые нечетные заряды — 43, 61, 85 и 87 — отсутствуют. Причина этих отсутствующих атомов связана со свойствами ядра. Ядро вскоре станет нашим главным объектом интереса.

Самым удивительным фактом об атомах является их сходство, более того, их идентичное поведение. Если два атома имеют одинаковый вид ядра и одинаковое количество электронов, вращающихся вокруг этих ядер, то эти два атома, скорее всего, будут встречены в состоянии, которое является в точности одинаковым для обоих. Можно было бы представить, что различные составные части атома будут расположены по-разному и находиться в разных состояниях движения, в безграничном разнообразии. Откуда полное сходство? Ответ на этот вопрос не только самый удивительный, но даже находится в явном противоречии со здравым смыслом. Именно по этой причине его трудно объяснить. Самые трудные для понимания вещи — это не те, которые сложны, а те, которые неожиданны.

К счастью для нашей цели, нам не нужно углубляться в эту более сложную часть атомной физики. Достаточно сказать, что существует одно расположение или паттерн движения электронов, который является предпочтительным и который ведет к наибольшей стабильности атома. Если электроны находятся в этом конкретном состоянии движения, которое называется основным состоянием, они имеют меньше энергии, чем имели бы, если бы находились в любом другом состоянии движения. Существуют другие, менее стабильные, но не менее четко определенные состояния атомов, которые мы называем «возбужденными» состояниями. Когда атом находится в таком возбужденном состоянии, он стремится быть нестабильным и пытается как можно скорее перейти в основное состояние. Поскольку основное состояние содержит меньше энергии, чем любое другое состояние, атом должен высвободить энергию в процессе корректировки. Высвобожденная энергия проявляется в форме электромагнитного излучения — часто как маленький импульс видимого света. Цвет этого света зависит от количества высвобожденной энергии, последовательно проходя через радугу от красного к синему по мере увеличения количества энергии.

Существует очень мало состояний, в которых энергия возбуждения мала. Но сильно возбужденных состояний существует великое множество. В области этого высокого возбуждения возможны небольшие дополнительные изменения. Таким образом, мы приближаемся к ситуации, более соответствующей опыту и здравому смыслу: паттерн движения может быть изменен на любую небольшую величину.

Описание, которое мы только что дали, конечно, неполное. Мы должны избежать здесь важнейших вопросов: почему возможны только некоторые паттерны движения, почему один самый низкий уровень стабилен и почему электроны никогда не опускаются в состояния с уменьшающейся энергией, следуя притяжению ядра. В то же время следует подчеркнуть, что полное объяснение этих фактов было дано. Это объяснение делает точные предсказания о многих свойствах материи, и мы можем быть полностью уверены, что, если не считать сложной математической процедуры, все обычные свойства материалов могли бы быть точно предсказаны. Атом был объяснен так же полно, как Ньютон объяснил движение планет.

Чтобы сформировать представление о том, что такое атом или почему два атома, скажем, водорода в точности одинаковы, нет необходимости искать сложные причины или глубокие смыслы. Два атома одного и того же вида похожи, как две пешки для шахматиста, за исключением одного маленького момента: в случае с пешками нас не волнует разница; в случае с атомами разницы нет. Это простое утверждение, и оно честно описывает простую ситуацию. Красота науки заключается в том, что правильные ответы на наши самые интересные вопросы оказались удивительными своей простотой.

Чтобы понять атом, нужно рассмотреть распределение электронов вокруг одного ядра. Чтобы понять молекулу, нужно рассмотреть распределение электронов вокруг двух или более ядер. Химическое поведение атома — это то, как он взаимодействует с другими атомами, а это означает точный способ, которым электроны перестраиваются, когда два или более атомов сближаются. Взаимодействие между атомами происходит в основном между их внешними электронами. Может случиться так, что два совершенно разных атома, содержащие ядра с разными зарядами и разным количеством электронов, тем не менее могут быть похожи по структуре своих внешних электронов. В этом случае два атома проявляют схожие химические свойства. Примерами являются литий с зарядом 3 и натрий с зарядом 11; также гелий с зарядом 2 и неон с зарядом 10. Самым важным примером для нашей цели является набор из трех химически похожих атомов: кальция с зарядом 20, стронция с зарядом 38 и радия с зарядом 88.

Когда два или более атомов сближаются, независимо от того, похожи они или разные, их электроны — особенно внешние — находят новые состояния движения вместо тех, которые были доступны им, когда поблизости было только одно ядро. Теперь может случиться так, что среди этих новых состояний движения есть такие, которые даже более стабильны, чем состояние разделенных атомов. В этом случае атомы будут стремиться держаться вместе, а электроны примут любое новое состояние движения, которое теперь соответствует максимальной стабильности. Составная система атомов называется молекулой, а ее состояние максимальной стабильности — основным состоянием молекулы.

Существуют атомы особенно большой стабильности, которые не могут увеличить свою стабильность путем объединения с другими атомами. Примерами являются гелий, неон и аргон. Эти атомы склонны оставаться одиночными, сохраняют свое независимое движение в довольно «постоянном» газообразном состоянии и, как правило, необщительны. Поэтому их называют благородными газами.

Особенно простой пример образования молекулы — это соединение натрия и хлора для образования обычной поваренной соли. Атом натрия имеет довольно слабо связанный внешний электрон. Атом хлора обладает удобной нишей для дополнительного электрона. Следовательно, энергия, затраченная на отрыв внешнего электрона от атома натрия, в значительной степени окупается добавлением его к атому хлора. Оставшийся «атом» натрия, лишенный одного из своих электронов, теперь имеет чистый положительный заряд. «Атом» хлора с его дополнительным электроном имеет чистый отрицательный заряд. Поэтому два «атома» притягивают друг друга, чтобы образовать молекулу хлорида натрия. На самом деле материя будет продолжать агрегироваться. Большое количество положительных «атомов» натрия и отрицательных «атомов» хлора расположатся в красивую и регулярную решетку, которая является кристаллом хлорида натрия.

Самая простая молекула, которая не стремится вырасти в более крупный агрегат, состоит из двух атомов водорода. Вокруг двух ядер водорода может быть сформирован особенно стабильный паттерн из двух электронов. Из-за этого факта атомы водорода объединяются попарно, чтобы этот паттерн стал возможным.

Способы, которыми могут соединяться атомы, невероятно многообразны. Они могут образовывать металлы, в которых внешние электроны свободно блуждают и с величайшей легкостью переносят электрические токи. Они могут образовывать жидкости, в которых атомы или молекулы связаны вместе в свободной и беспорядочной манере. Они могут двигаться независимо, совершая случайные встречи, что происходит в газе. И они могут образовывать длинные спиралевидные молекулы, где группы атомов нанизаны вместе без видимого простого порядка, но способом, который каким-то образом связан с процессами жизни.

Расположение «атомов» натрия и хлора в кристалле поваренной соли.

Мы все знаем, в скольких формах может появляться материя и насколько изменчивы эти формы. То, что камень и брызги, воздух и насекомое, и даже человеческий мозг должны состоять из одних и тех же немногих видов атомов, и что эти атомы должны подчиняться законам, которые являются тонкими, простыми и точно описанными — это, безусловно, самый примечательный факт, который мы узнали с тех пор, как Ньютон доказал, что одна и та же наука применима к Земле и к небесам.

ГЛАВА III. Ядра

До сих пор мы рассматривали атомы как делимые на электроны и ядра. Электроны и ядра, однако, мы рассматривали как неделимые сущности. Эта точка зрения вполне адекватна для объяснения всех фактов химии и большинства фактов физики. Даже в физике не было необходимости приписывать внутреннюю структуру электрону. Электрон является поистине элементарной частицей в этом смысле. Однако, чтобы понять некоторые физические явления, а радиоактивность — одно из них, необходимо признать, что ядро не является неделимым, а состоит из частей. Части ядра называются протонами и нейтронами.

Простые утверждения предыдущей главы применимы и к этим меньшим частицам. Все электроны равны — в точности равны. Все протоны равны, и все нейтроны равны. Существуют методы, которые могли бы выявить чрезвычайно малые различия между этими частицами. Никаких таких различий обнаружено не было. Насколько нам известно, эти частицы всегда одинаковы. Мы не можем вливать в них энергию и возбуждать их, как это было в случае с атомами. Когда мы переходим к рассмотрению этих малых частиц, сложная структура мира заканчивается. Вместо этого мы находим простое.

Протон и нейтрон имеют почти точно такой же вес. Протон имеет одну единицу положительного заряда, что означает, что его заряд такой же, как у электрона, за исключением того, что он противоположен по знаку. Нейтрон, как следует из его названия, является электрически нейтральной частицей. Следовательно, заряд ядра равен количеству протонов, которые оно содержит, и не зависит от количества нейтронов. Вес ядра, однако, если взять протон (или нейтрон) в качестве единицы веса, равен количеству протонов плюс количество нейтронов.

Представьте, что у нас есть два атома, чьи ядра имеют одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Такие атомы существуют в природе и называются изотопами. Суть этих изотопов в том, что, поскольку они имеют одинаковое количество протонов, они имеют одинаковый ядерный заряд, одинаковые электронные структуры, и поэтому они имеют почти одинаковые химические свойства. Их ядра имеют несколько разные объемы. Но ядро в любом случае мало. Это почти как если бы мы пытались найти разницу между ничем и дважды ничем. Разница в весах изотопов из-за разницы в их количестве нейтронов оказывает лишь незначительное влияние на их химическое поведение. Важным следствием этого факта является то, что молекулы, которые отличаются только тем, что один изотоп был заменен другим, биологически неразличимы. Они имеют одинаковый вкус и запах. Они усваиваются нашими телами одинаковым образом, и они откладываются или выводятся одинаковым образом.

Самые простые изотопы — это изотопы водорода. Большинство атомов водорода, которые мы находим в природе, имеют ядро, которое является единственным протоном. Это обычный водород или легкий водород. Несколько атомов водорода, однако, имеют ядра, которые состоят из протона и нейтрона. Это тяжелый водород, найденный в тяжелой воде. Во всех природных источниках воды эти два вида водорода смешаны в соотношении, которое практически одинаково для каждого образца. Электрон, циркулирующий вокруг ядра, ведет себя почти точно так же, независимо от того, присутствует дополнительный нейтрон или нет. От состояния этого электрона зависят большинство свойств атома и молекул, которые его содержат. Конечно, тяжелый водород имеет вдвое больший вес, чем обычный водород, и тяжелая вода несколько более плотная, чем легкая вода. Но в остальном разница невелика.

История открытия изотопов водорода забавна. Около полувека назад — до открытия какого-либо изотопа — два ученых пытались измерить плотность воды. Они очищали воду путем кипячения и конденсации пара. Но чем больше они очищали, тем легче она становилась — слегка, но заметно. Наконец они сдались: вода, казалось, не имела плотности!

Что произошло на самом деле: легкая вода кипит немного легче, чем тяжелая вода. Сами того не осознавая, эти ученые начали разделять изотопы.

Много лет спустя Гарольд Юри — на основе некоторых ошибочных экспериментов других людей — пришел к выводу, что тяжелый водород должен существовать. Он искал его и нашел, но нашел гораздо меньше, чем ожидал. Тяжелого водорода было так мало, что на основе правильных экспериментов Юри никогда бы не догадался о его присутствии. Кажется, что необоснованная идея гораздо более плодотворна, чем отсутствие идеи.

Почти все встречающиеся в природе элементы состоят из более чем одного изотопа. Уран, например, состоит в основном из двух, один из которых имеет 143 нейтрона, а другой — 146. Поскольку оба этих изотопа имеют 92 протона, их веса составляют 92 + 143 = 235 и 92 + 146 = 238 соответственно. Принято называть эти изотопы U²³⁵ и U²³⁸. U²³⁵, который ценен в ядерных реакторах и при производстве атомных бомб, сравнительно редок, встречаясь только как одна часть на 140 природного урана. Разделение этого редкого изотопа от обычного 238 было одним из главных начинаний двухмиллиардного Манхэттенского проекта во время Второй мировой войны.

Мы подходим теперь к самому важному вопросу, который приведет нас к идее радиоактивности: что определяет, какие изотопы будет иметь данный элемент? Например, уран имеет изотопы весом 235 и 238. Небольшие количества U²³⁴ и U²³⁶ также встречаются в природе. Почему мы не находим U²³², U²³³, U²³⁷ или U²³⁹? Очевидно, только определенное количество нейтронов будет держаться вместе с 92 протонами.

Рассмотрим другой пример, на этот раз самого легкого из известных элементов, водорода. Мы уже упоминали два изотопа водорода: легкий водород весом 1 (символизируется H¹), имеющий ядро, состоящее из одного протона и без нейтронов, и тяжелый водород (также называемый дейтерием) весом 2 (H²), имеющий один протон и один нейтрон. Последний изотоп встречается только как одна часть на 5000 природного водорода. Существует также небольшой след трития (H³), имеющего один протон и два нейтрона. Но здесь последовательность заканчивается. Что случилось с H⁴, H⁵, H⁶ и т. д.?

Этот вопрос связан с более ранним: почему в природе нет атомов с зарядом 43, 61, 85 и 87, и почему нет атомов с зарядами больше 92. Чтобы ответить на эти вопросы, требуется немного знаний о законах, которые управляют движением нейтронов и протонов внутри ядра, и о природе сил, которые оказываются нейтроном на нейтрон, нейтроном на протон и протоном на протон.

Движение нейтронов и протонов внутри ядра управляется теми же законами, которые управляют движением электронов внутри атома. Как для ядра, так и для атома существует основное состояние движения, которое имеет больше стабильности (меньше энергии), чем любое другое состояние. Конечно, расположение и движение электронов в атоме зависят не только от этого общего правила, но и от специфически электрической природы сил, которые действуют между электронами и ядром. Таким же образом расположение и движение нейтронов и протонов внутри ядра зависят от природы сил, которые действуют между нейтронами и протонами.

Эти силы определенно не имеют гравитационного происхождения. Гравитационное притяжение чрезвычайно слабо по сравнению с притяжением между нейтронами и протонами и совершенно ничтожно в области ядерных явлений. Также ядерные силы не могут иметь электрическое происхождение. Нейтроны электрически нейтральны; а протоны на самом деле отталкивают друг друга в силу своего электрического заряда. Ядерные силы — это нечто совершенно новое. Это самые сильные силы, с которыми когда-либо сталкивались, и они не имеют аналогов в макроскопическом мире.

Ядерные силы еще не полностью поняты. Но чтобы понять ядерную стабильность, нам нужно знать только один специфический факт, управляющий поведением нейтронов и протонов (и, кстати, также электронов): они хотят быть разными. Каждой частице может быть присвоено состояние или паттерн движения. Когда сравниваются любые два нейтрона, их паттерн движения должен быть существенно разным. То же самое справедливо для любых двух протонов. Нейтрон и протон, однако, могут быть найдены в похожих паттернах, поскольку они все равно различаются по своему заряду.

Теперь среди возможных паттернов движения некоторые имеют более низкие, а некоторые — более высокие энергии. Отдельные нейтроны и протоны сначала займут состояния с самой низкой энергией, в соответствии с правилом наименьшей энергии для максимальной стабильности. Затем требование различия заставит последующие частицы переходить в паттерны все более высоких энергий.

Поскольку нейтрон не исключает протон из нахождения в том же паттерне, состояние с самой низкой энергией может быть занято одновременно одним нейтроном и одним протоном. Если добавляется еще один нейтрон или протон, он должен быть помещен в следующее состояние с более высокой энергией. По этой причине мы ожидали бы, что ядра наиболее стабильны, когда они содержат равное или почти равное количество нейтронов и протонов. Для ядер, которые не слишком тяжелы, это действительно так. Например, азот, который имеет семь протонов, имеет два стабильных изотопа, N¹⁴ и N¹⁵, с семью и восемью нейтронами соответственно. Для тяжелых ядер, однако, ситуация немного иная.

Ядерная сила между нейтронами и протонами действует только на очень коротком расстоянии — частицы должны почти соприкасаться друг с другом, чтобы испытать значительное притяжение. Следовательно, нейтрон или протон взаимодействует только со своими ближайшими соседями в ядре. Электрическое отталкивание между протонами, однако, действует на гораздо большем расстоянии. Протон отталкивается всеми другими протонами в ядре. Для тяжелых ядер этого отталкивания достаточно, чтобы уменьшить количество протонов относительно количества нейтронов. Свинец, например, с 82 протонами, имеет четыре стабильных изотопа, со 122, 124, 125 и 126 нейтронами.

Мы сказали, что семь протонов будут стабильно соединяться с семью или восемью нейтронами. Что произойдет, если семь протонов объединить с шестью или девятью нейтронами (чтобы сделать N¹³ или N¹⁶)? Наше правило не запрещает им держаться вместе; оно говорит только о том, что эти комбинации были бы более стабильными, если бы протон мог быть преобразован в нейтрон (в случае шести) или нейтрон в протон (в случае девяти).

На самом деле семь протонов и девять нейтронов действительно держатся вместе, но такое ядро не является стабильным и не продолжает существовать бесконечно. Причина довольно проста и немного удивительна: преобразование нейтрона в протон на самом деле является физически реализуемым процессом, и, более того, он высвобождает некоторое количество энергии. Аналогично, ядро, содержащее семь протонов и шесть нейтронов, будет иметь существование только конечной продолжительности, потому что преобразование протона в нейтрон также может произойти. Конечно, протон заряжен, а нейтрон — нет. Что происходит с зарядом во время этих преобразований? На самом деле нейтрон преобразуется не в протон, а в протон плюс электрон. Протон преобразуется аналогичным образом в нейтрон плюс что-то еще. Это что-то еще называется позитроном и идентично электрону во всех отношениях, за исключением того, что он имеет положительный, а не отрицательный заряд.

Описанные изменения происходят спонтанно. Они являются примерами радиоактивности. Более конкретно, они называются процессами «бета-распада», потому что электрон (или позитрон), когда он испускается ядром, называется бета-лучами. Такие бета-радиоактивные вещества образуются всякий раз, когда ядерная энергия используется в взрыве или на электростанции. Многие трудности и беспокойства, связанные с ядерной энергией, связаны с этими бета-активностями. Мы будем часто сталкиваться с ними как с вредными, иногда как с полезными агентами.

Когда нейтрон преобразуется в протон и электрон внутри ядра, электрон немедленно вылетает, но протон остается в ядре. Аналогично, когда протон преобразуется в нейтрон и позитрон, позитрон вылетает, а нейтрон остается в ядре. Поскольку электрон и позитрон имеют ничтожный вес по сравнению с протоном или нейтроном, процесс бета-распада оставляет вес ядра почти неизменным. Поскольку электрон и позитрон заряжены, процесс бета-распада увеличивает или уменьшает заряд ядра на одну единицу.

После бета-распада ядро азота с семью протонами и шестью нейтронами (N¹³) становится ядром с шестью протонами и семью нейтронами — углеродом весом 13 (C¹³), что является стабильной комбинацией. Аналогично, ядро азота с семью протонами и девятью нейтронами (N¹⁶) становится ядром с восемью протонами и восемью нейтронами, кислородом весом 16 (O¹⁶), который является обычным стабильным кислородом.

Иногда после бета-распада остаточное ядро оказывается с «правильным» количеством нейтронов и протонов, но с избытком энергии. То есть остаточное ядро находится не в своем основном состоянии, а в возбужденном. Это происходит примерно в двух третях известных случаев бета-распада. Это происходит, например, когда N¹⁶ распадается до O¹⁶.

В этой ситуации возбужденное ядро будет вести себя как возбужденный атом. Возбужденный атом, как помнит читатель, избавляется от своей избыточной энергии путем испускания электромагнитного излучения, обычно видимого или околовидимого света. Возбужденное ядро будет избавляться от своей избыточной энергии точно таким же образом. Единственная разница заключается в том, что количество энергии, переносимое электромагнитным излучением от ядра, примерно в миллион раз больше, чем переносимое электромагнитным излучением от атома — указание на большое количество энергии, запасенной внутри ядра. Такое энергичное электромагнитное излучение, исходящее из ядра, обычно называется гамма-лучами. Испускание гамма-лучей, или гамма-распад, подобно бета-распаду, является энерговыделяющим процессом, который превращает нестабильное ядро в стабильное, или, по крайней мере, в более стабильное. В более общем смысле любой спонтанный энерговыделяющий процесс (который стремится стабилизировать ядро) называется радиоактивностью. Бета- и гамма-распад — два примера. Позже мы рассмотрим третий пример, называемый альфа-распадом. Альфа-частица — это ядро атома гелия, состоящее из двух нейтронов и двух протонов.

Распад нейтрона и распад протона кажутся вполне аналогичными процессами. На самом деле существует важная разница между ними. Свободный нейтрон — не ограниченный внутри ядра — распадется на протон и электрон; но свободный протон не распадется на нейтрон и позитрон. Эта разница обусловлена тем фактом, что протон имеет немного меньший вес, чем нейтрон, и поэтому имеет меньше энергии. Чтобы протон распался, он должен находиться внутри ядра, где он может поглотить некоторое количество энергии от других протонов и нейтронов.

Иногда находят пары ядер, которые могли бы превратиться друг в друга путем протон-нейтронного (или нейтрон-протонного) преобразования; тем не менее ни одно из этих преобразований не может произойти так, как мы только что описали. Причина в том, что при протон-нейтронном или нейтрон-протонном преобразовании должен быть испущен дополнительный электрон или позитрон. Теперь, согласно Эйнштейну, масса электрона или позитрона соответствует некоторой энергии (E = mc²), и может случиться так, что ни нейтрон-протонное преобразование, ни протон-нейтронное преобразование не высвобождают достаточно энергии, чтобы создать электрон или позитрон.

В таких случаях один из внутренних электронов атома может объединиться с протоном, чтобы создать нейтрон. Такой процесс захвата электрона всегда будет высвобождать энергию при условии, что обратный процесс — преобразование нейтрона в протон и электрон — связан с дефицитом энергии. Таким образом, исключая возможность действительно точного совпадения двух энергий, одно из двух преобразований от нейтрона к протону или от протона к нейтрону всегда будет возможным.

Это один из самых твердо установленных законов природы, что энергия всегда сохраняется. Поэтому следовало бы ожидать, что энергия бета-лучей будет в точности равна разнице между энергией ядра до бета-распада и энергией ядра после бета-распада. На самом деле энергия бета-лучей никогда не оказывается такой большой. Часто она гораздо меньше. Часть энергии, по-видимому, исчезла, и было высказано подозрение, что энергия, возможно, не сохраняется вовсе. Оказалось, однако, что недостающая энергия выносится из ядра контрабандой, и контрабандист (который был пойман только недавно) называется нейтрино.

Нейтрино — это электрически нейтральная частица, как и нейтрон, но ее вес, как вес луча света, равен нулю. Как и такой луч, она движется со скоростью света.

Энергия, высвобождаемая ядром в процессе бета-распада, делится более или менее поровну между нейтрино и бета-лучами. Позже мы увидим, что электрон порождает ряд эффектов. Некоторые из них вредны. Нейтрино, однако, нисколько не опасно. Как идеальный контрабандист, оно проходит незамеченным и практически без следа. Оно взаимодействует с материей настолько слабо, что несколько миллиардов из них могут пройти прямо через весь земной шар, прежде чем произойдет хотя бы одно столкновение.

Совсем недавно эта странная маленькая частица опрокинула одну из наших самых незыблемых концепций о симметрии. Мы всегда верили, что природа не делает различий между своей правой и левой рукой; что для каждого существующего природного процесса существует также зеркальное отражение этого процесса. Нейтрино, однако, является исключением. Оно имеет определенную симметрию, как винт. Этот факт может оказаться наиболее важным в развитии науки. Однако он не имеет отношения к вопросам, которые будут обсуждаться в этой книге.

Нейтрино достигают нас из некоторых далеких и скрытых мест, таких как недра нашего Солнца и взрывающихся звезд. Может стать возможным использовать нейтрино в качестве посланников, чтобы раскрыть вид ядерных реакций, из которых извлекается энергия звезд.

Нейтрино также испускаются каждый раз, когда мы высвобождаем некоторое количество ядерной энергии. Среди всех примечательных практических последствий ядерной энергии нейтрино имеют уникальное отличие: они никогда не бывают полезными и никогда не бывают вредными. Их даже не подозревали в каком-либо вреде.

ГЛАВА IV. Закон радиоактивного распада

Радиоактивное ядро — это ядро, которое в конечном итоге распадется и высвободит некоторое количество энергии. Но когда?

Можно было бы представить, что радиоактивное ядро начало бы «стареть» с момента своего рождения и что по прошествии заранее определенного времени процесс распада произошел бы. Вот как радиоактивность могла бы работать в детерминированной вселенной. То, что на самом деле происходит с радиоактивным ядром, однако, гораздо интереснее.

В любой момент своей жизни радиоактивное ядро имеет некоторую вероятность распада в следующую секунду. Эта вероятность не зависит от его возраста. Независимо от того, как долго жило ядро, его шанс распада в следующую секунду всегда одинаков. Это как если бы играли в рулетку. Колесо вращается, и если выпадает его номер, ядро распадается в первую секунду. Если нет, колесо вращается снова. Каждый раз, когда колесо вращается, есть некоторая вероятность того, что выпадет его номер. Точное значение этой вероятности является характеристикой каждого конкретного радиоактивного вида. Чем выше вероятность, тем быстрее можно ожидать распада ядра. Но данное ядро не обязано делать в любое конкретное время то, что от него ожидается.

Понятие вероятности (или шанса) имеет смысл только при применении к большому количеству случаев. Сказать, что данное ядро имеет один шанс из ста распасться в следующую секунду, означает, что из некоторого большого количества (скажем, 100 миллионов) таких радиоактивных ядер один процент (один миллион) распадется в следующую секунду. Но абсолютно невозможно сказать заранее, какие ядра будут теми, которые распадутся. Конкретное ядро может распасться немедленно или только через очень долгое время. Совокупность в целом, однако, всегда будет делать ожидаемое. (Это принцип, по которому работают страховые компании.)

Ситуация лучше всего описывается в терминах промежутка времени, который называется периодом полураспада радиоактивного вида. Период полураспада определяется как количество времени, которое требуется для того, чтобы распалась одна половина большого количества идентичных радиоактивных ядер. Не имеет значения, что это за большое число, при условии только, что оно достаточно велико.

Если число ядер недостаточно велико, возникают флуктуации, и вместо 50 процентов ядер, распадающихся за период полураспада, их может оказаться 40 или 60 процентов. На самом деле пределы от 40 до 60 процентов соответствуют размеру выборки около 100 ядер. Для 10 000 ядер эти пределы составят от 49 до 51 процента. Количество радиоактивных ядер, с которым мы обычно имеем дело, составляет около 10²³ (100 000 000 000 000 000 000 000). Это число, например, радиоактивных ядер примерно в одной унции радия. Для такого огромного количества ядер отклонение от 50-процентного распада за период полураспада будет совершенно ничтожным. Таким образом, мы живем во Вселенной, которая в макроскопическом масштабе кажется упорядоченной и подчиняющейся точным законам, в то время как в основе этих законов, в микроскопическом масштабе, природа ведет азартную игру, полную случайности и неопределенности в каждом отдельном случае.

Мы можем построить график, показывающий, как N, количество оставшихся радиоактивных ядер, изменяется со временем t. График показывает, что за первый период полураспада T распадается половина исходного количества N₀ радиоактивных ядер. За второй период полураспада распадается половина оставшихся, и так далее. По прошествии времени T остается половина исходных радиоактивных ядер; после 2T остается одна четверть; и так далее.

Различные радиоактивные виды имеют разные периоды полураспада. Многие из них составляют лишь малую долю секунды; некоторые — миллиарды лет. N¹⁶ распадается до O¹⁶ (плюс электрон и нейтрино) с периодом полураспада около восьми секунд. Свободный нейтрон распадается на протон, электрон и нейтрино с периодом полураспада 13 минут. Стронций с атомной массой 90 (Sr⁹⁰) претерпевает бета-распад с периодом полураспада 28 лет. (Это изотоп, который нигде не встречается в природе, но образуется в довольно больших количествах в процессе деления ядер.) Калий с атомной массой 40 (K⁴⁰), который присутствует в количестве 0,01 процента в обычном калии, имеет период полураспада один миллиард лет. По-видимому, он остался с того времени, когда формировались первичные элементы. Периоды полураспада для гамма-распада чрезвычайно коротки по сравнению с периодами бета-распада. Обычно они составляют малую долю секунды.

Радиоактивность характеризуется типом частицы, испускаемой ядром (наши примеры до сих пор касались бета- и гамма-частиц), энергией, которой обладает эта частица, и периодом полураспада, в течение которого происходит радиоактивный распад.

Биологическая опасность радиоактивности зависит от всех трех этих характеристик. Независимо от того, образовались ли радиоактивные ядра в результате ядерного взрыва или в ядерном реакторе, обычно проходит некоторое время, прежде чем население может подвергнуться воздействию. Если это время велико по сравнению с периодом полураспада радиоактивного вида, большинство ядер успеет распасться, и опасность тем самым уменьшится. Если, с другой стороны, период полураспада велик по сравнению с этим временем, а также по сравнению с продолжительностью жизни человека, скорость распада будет низкой, и опасность снова будет снижена.

Короче говоря, опасными являются промежуточные периоды полураспада — не слишком длинные и не слишком короткие. Sr⁹⁰ — тому пример.

ГЛАВА V Распад ядра

Положительные электрические заряды внутри атомного ядра отталкиваются друг от друга. В наиболее сильно заряженных ядрах это отталкивание становится настолько великим, что ядро может расколоться на две части, одновременно высвобождая значительное количество энергии. В случае спонтанного деления ядер две части более или менее равны по размеру. В процессе альфа-распада одна из частей (альфа-частица) намного меньше другой.

Альфа-частица состоит из двух нейтронов и двух протонов и идентична ядру атома гелия. (Символ этого ядра — He⁴.) Поскольку два нейтрона и два протона могут одновременно занимать состояние с наименьшей энергией, альфа-частица является особенно стабильной ядерной единицей. В результате время от времени в тяжелых ядрах два нейтрона и два протона объединяются в альфа-частицу, которая затем может попытаться вырваться.

Однако при попытке вырваться из ядра альфа-частица сталкивается со значительным сопротивлением из-за короткодействующего ядерного притяжения других нейтронов и протонов. Это сопротивление, которое испытывает альфа-частица, пытаясь покинуть ядро, обычно называют «энергетическим барьером». Если бы альфа-частица могла получить немного дополнительной энергии, она смогла бы преодолеть барьер и вырваться из-под действия ядерного притяжения. Оказавшись за пределами ядра, сразу за пределами действия ядерного притяжения, альфа-частица была бы с силой выброшена наружу из-за мощного электрического отталкивания между ее двумя протонами и другими протонами в остаточном ядре.

Как альфа-частица вырывается из ядра. От A до B она движется «в гору», теряя скорость. В точке B ее скорость равна нулю, и она почти всегда поворачивает назад. С небольшой вероятностью она может проскользнуть через энергетический барьер из B в C. За точкой C она испытывает отталкивание и вылетает с возрастающей скоростью.

Альфа-частице нужна дополнительная энергия, чтобы вырваться. Согласно законам старой физики, нет никакой возможности получить эту дополнительную энергию, и поэтому побег невозможен. Но более недавно открытые законы, управляющие движением нейтронов и протонов (законы квантовой механики), не столь строги; они позволяют альфа-частице использовать «заемную» энергию для преодоления энергетического барьера. Конечно, альфа-частица всегда должна вернуть долг — что она легко может сделать из большого запаса электрической энергии, высвобождаемой, когда она выходит из зоны отталкивания остаточного ядра. Проценты по кредиту не взимаются.

Такие энергетические займы в природе автоматически не предоставляются. Есть два фактора, которые делают заем маловероятным: если сумма велика или если срок велик. Эти ограничения эффективно ограничивают частицы, которые могут претендовать на энергетический заем. Объекты большого размера и веса не могут претендовать на это, но мелкие частицы атомного мира часто могут.

Чем больше энергии уносит альфа-частица после альфа-распада, тем меньше энергии нужно занять для преодоления барьера и тем быстрее, как можно ожидать, произойдет распад. Распад настолько чувствителен к энергии альфа-частицы, что альфа-частица, несущая вдвое больше энергии, испускается в сто триллионов раз быстрее.

Периоды полураспада для альфа-распада варьируются от доли секунды до миллиардов лет. Но даже самый короткий период полураспада для альфа-распада удивительно велик по сравнению со временем, необходимым альфа-частице для пересечения ядра. Это означает, что альфа-частица совершает огромное количество попыток вырваться из ядра, прежде чем ей это удается. Согласно старой классической теории, альфа-процесс никогда не должен происходить, и на самом деле он происходит с очень малой вероятностью.

Одиночный альфа-распад обычно не является достаточным процессом для достижения стабильности дочернего ядра. Обычно требуется целая цепочка радиоактивных распадов, прежде чем будет достигнута стабильность. Большинство ядер, испускающих альфа-частицы, принадлежат к одной из таких цепочек радиоактивного распада.

Тяжелые ядра, для которых происходит альфа-распад, все содержат большой избыток нейтронов. Поскольку альфа-частица уносит ровно два нейтрона и два протона, отношение числа нейтронов к числу протонов в дочернем ядре увеличивается. Это оказывает дестабилизирующее влияние. (На самом деле, в более легких ядрах для стабильности требуется, чтобы отношение нейтронов к протонам было ближе к единице.) Таким образом, дочернее ядро склонно быть бета-активным, превращая нейтрон в протон (плюс электрон и нейтрино), чтобы уменьшить отношение нейтронов к протонам. Таким образом, может возникнуть цепочка радиоактивных распадов, более или менее чередующихся между альфа- и бета-излучениями, при этом иногда испускаются и гамма-лучи.

Существует четыре радиоактивные цепочки. Одна из них начинается с распространенного изотопа урана, U²³⁸. Этот изотоп претерпевает несколько альфа-распадов и пару бета-распадов, превращаясь в радий, который имеет заряд 88 и атомную массу 226. Весь радий в мире производится таким образом как дочерний продукт в пятом распаде цепочки. После ряда дальнейших распадов образуется стабильный свинец (масса 206), и цепочка завершается.

Другие цепочки похожи на цепочку U²³⁸, хотя и не такие длинные. Одна цепочка начинается с редкого изотопа урана, U²³⁵; другая начинается с изотопа тория с массой 232. Обе они заканчиваются стабильными изотопами свинца. Во всех случаях первый распад цепочки имеет очень долгий период полураспада. Период полураспада U²³⁸ составляет 4,5 миллиарда лет; U²³⁵ — 710 миллионов лет; а тория — 14 миллиардов лет.

Четвертая радиоактивная цепочка была создана в лаборатории, но не встречается в природе, потому что ее первый изотоп, нептуний с массой 237, имеет слишком короткий период полураспада. Он распадается за два миллиона лет, а все остальные члены цепочки живут еще меньше. Таким образом, нептуниевая цепочка распалась давным-давно, тогда как три другие цепочки сохранились с того времени, когда образовались элементы.

Интересно отметить, что меньшая распространенность U²³⁵ по сравнению с U²³⁸ связана с его более коротким периодом полураспада. Предполагая, что в начале существования Вселенной присутствовали сопоставимые количества обоих изотопов (и есть веские основания полагать, что это было так), можно было бы ожидать, что через несколько сотен миллионов лет U²³⁵ будет значительно меньше, чем U²³⁸. Через 710 миллионов лет (период полураспада U²³⁵) осталась бы только половина исходного количества ядер U²³⁵. Но 90 процентов исходных ядер U²³⁸ (период полураспада 4,5 миллиарда лет) сохранились бы. Исходя из наблюдаемого в настоящее время соотношения ядер U²³⁵ к U²³⁸ (1 к 139), можно рассчитать, используя закон радиоактивного распада, что 6 миллиардов лет назад природный уран состоял из равных частей U²³⁵ и U²³⁸. Возраст Вселенной является предметом жарких споров. С каждым годом Вселенная кажется на миллиард лет старше. Прямо сейчас шесть миллиардов лет не кажутся сильно завышенной цифрой.

Природная радиоактивность встречается в основном среди тяжелых элементов, но есть несколько легких элементов, которые являются природно-радиоактивными. Из них калий⁴⁰ особенно интересен, потому что он может распадаться либо путем испускания электрона, либо путем захвата электрона. Процессы таковы:

калий⁴⁰ → кальций⁴⁰ + электрон + нейтрино,

(1,1 миллиарда лет)

и

калий⁴⁰ + электрон → аргон⁴⁰ + нейтрино.

(11 миллиардов лет)

Кальций⁴⁰ и аргон⁴⁰ — оба являются стабильными ядрами. За второй реакцией немедленно следует испускание гамма-луча аргоном⁴⁰. Один процент аргона, обнаруженный в земной атмосфере, почти полностью происходит из второй реакции. Эти радиоактивные процессы также интересны тем, что заметные количества калия⁴⁰ всегда присутствуют в тканях человека.

Все ядра в конце периодической системы являются радиоактивными альфа-излучателями. Уран, например, не имеет стабильных изотопов; все они претерпевают альфа-распад. Но существует другой способ спонтанного распада урана, который встречается гораздо реже, чем альфа-распад, но имеет гораздо большее практическое значение. Это процесс деления ядер.

Процесс деления ядер похож на альфа-распад тем, что ядро распадается на два фрагмента. Главное различие между этими процессами заключается в относительных массах фрагментов. При альфа-распаде U²³⁸, например, один фрагмент имеет массу четыре, а другой 234. В процессе деления фрагменты стремятся быть более близкими по массе. Например, один может весить 90, а другой 148. Другие комбинации масс также возможны.

Объяснение спонтанного деления в сущности такое же, как и для альфа-распада. Однако спонтанное деление — менее вероятный процесс, потому что два фрагмента сильнее связаны друг с другом ядерными силами, чем в случае альфа-распада. Нужно занять больше энергии, и на более долгий срок, чтобы преодолеть энергетический барьер.

Относительную вероятность спонтанного деления и альфа-распада можно оценить по следующему факту. За один час в одном грамме U²³⁸ происходит около 45 миллионов альфа-распадов, но только около 25 спонтанных делений.

Как только энергетический барьер преодолен, энергия, высвобождаемая при альфа-распаде или спонтанном делении, пропорциональна зарядам двух фрагментов. Для альфа-распада произведение зарядов равно 2 × 90 = 180; для спонтанного деления это произведение обычно составляет около 40 × 52 = 2080. Следовательно, можно было бы ожидать, что высвобождение энергии при делении будет в 10–15 раз больше, чем при альфа-распаде. На самом деле высвобождение энергии при делении даже больше, чем указывает эта оценка, будучи примерно в 30–50 раз больше, чем при альфа-распаде. То, что высвобождается такое огромное количество энергии, является очень важной особенностью процесса деления с точки зрения практического использования атомной энергии.

Находясь в конце периодической системы, уран требует большого отношения нейтронов к протонам для своей максимальной стабильности. Фрагменты деления, однако, лежат в середине системы элементов, требуя гораздо меньшего отношения нейтронов к протонам для стабильности. Это имеет два последствия.

Одно из них заключается в том, что сами фрагменты могут оказаться нестабильными. Они будут претерпевать бета-распад (испускание электрона) несколько раз подряд, прежде чем будет достигнута стабильная комбинация нейтронов и протонов. Эта радиоактивность продуктов деления представляет собой потенциальную опасность при любом практическом применении энергии деления ядер. В последующих главах этой книги мы рассмотрим, в частности, возможную опасность от радиоактивных осадков продуктов деления, создаваемых при ядерных взрывах, а также опасность, связанную с эксплуатацией и обслуживанием ядерных реакторов.

Второе последствие избытка нейтронов заключается в том, что нейтроны могут испаряться из фрагментов сразу после того, как произошел процесс деления. Это может произойти потому, что в процессе деления внутри фрагментов генерируется много беспорядочного внутреннего движения, и эти фрагменты не особенно сильно удерживают свои нейтроны. Практическую ценность высвобожденных нейтронов мы подробно обсудим в следующей главе. Пока мы лишь упомянем, что эти нейтроны обеспечивают механизм, благодаря которому становится возможной цепная реакция.

Спонтанное деление и альфа-распад ответственны за тот факт, что элементы с зарядом более 92 не встречаются в природе. Мало сомнений в том, что эти элементы были созданы в самом начале. Но они давно распались.

Интересным случаем спонтанного деления ядер является калифорний²⁵⁴ (заряд 98) с периодом полураспада 55 дней. Этот изотоп образуется в больших количествах при определенных звездных взрывах, называемых сверхновыми. Раз в тысячелетие одна из миллиарда звезд вспыхивает с невероятной яркостью. В течение нескольких недель эта единственная звезда сияет с совокупной энергией и блеском миллиарда обычных звезд — затем она постепенно угасает. Такая «новая» звезда (нова) с величайшей силой излучения называется «сверхновой».

Мы полагаем, что в сверхновой происходит множество ядерных реакций. Было замечено, что через несколько недель после первоначальной вспышки света интенсивность света уменьшается почти ровно в два раза каждые 55 дней в течение года или около того. Это именно то, чего можно было бы ожидать, если бы энергия, генерируемая в звезде в это время, была обусловлена спонтанным делением калифорния²⁵⁴. Здесь мы видим модель того, что происходит с природными радиоактивными элементами. Из них на Земле сохранились только те, у которых самые длинные периоды полураспада, такие как уран, торий и калий.

ГЛАВА VI Реакции между ядрами

Алхимики пытались искусственно превратить один элемент в другой. Они использовали тепло, они использовали химикаты; они даже использовали колдовство. Они потерпели неудачу. Их простейший метод — нагревание вещества для его трансформации — был на самом деле верным. Проблема была в том, что их температуры были слишком низкими, более чем в 10 000 раз. Что необходимо, так это температура порядка десятков миллионов градусов.

При таких высоких температурах два ядра могут иногда сближаться, несмотря на электрическое отталкивание между ними. Иногда они могут даже подойти достаточно близко друг к другу, чтобы вступить в ядерную реакцию. Это, конечно, происходит с наименьшими трудностями, если ядерный заряд мал. Ядра водорода, которые несут заряд 1, участвуют в таких реакциях легче всего.

В недрах звезд температуры варьируются от 10 до 100 миллионов градусов, и ядерные реакции действительно происходят. Реакция, ответственная за производство энергии в звездах, такова:

4H¹ → He⁴ + энергия

Четыре протона объединяются, образуя альфа-частицу с высвобождением энергии. На самом деле эта реакция происходит не сразу, а требует нескольких этапов. То, что энергия должна высвобождаться, ожидается из того факта, что альфа-частица очень стабильна. Любой процесс, в котором легкие ядра объединяются с образованием более тяжелого ядра с высвобождением энергии, известен как «термоядерный синтез».

Конкретный процесс синтеза, который происходит в звездах, высвобождает свою энергию во многих формах: в виде позитронов, нейтрино, электромагнитного излучения и движения реагирующих частиц. Позитроны также уносят избыточный заряд реакции.

Нейтрино пролетают сквозь звезду, не взаимодействуя, унося свою энергию в космическое пространство, вероятно, никогда больше не вступая в контакт с материальной Вселенной. Остальная часть энергии синтеза откладывается внутри недр звезды, которые таким образом поддерживаются достаточно горячими, чтобы реакция синтеза могла продолжаться. Название «термоядерный» уместно применяется к этому типу реакции.

Много усилий и воображения посвящается проблеме создания управляемой термоядерной реакции. Мотивация для этого проекта исходит из того факта, что хорошие термоядерные виды топлива, такие как дейтерий (H²), обильны и дешевы. В океанах мира достаточно дейтерия, чтобы обеспечить энергетические потребности человечества на многие миллионы лет. Одна трудность, конечно, заключается в том, чтобы найти контейнер для реакции.

Даже в звездных условиях скорость реакций синтеза не очень велика. Требуется примерно миллиард лет, чтобы прореагировал только один процент ядер. Следовательно, для производства больших количеств энергии за короткое время требуются еще более высокие температуры, чем те, что встречаются в звездах. Но никакие известные материалы не могут выдержать температуры более нескольких тысяч градусов по Цельсию. Одна из идей состоит в том, чтобы удерживать «горящее» топливо вдали от стенок материала с помощью магнитных полей.

Есть ли способ заставить ядра реагировать без экстремальных температур, необходимых в термоядерных реакциях? То, что на самом деле пытаются сделать, — это привести две ядерные частицы в достаточно тесный контакт, чтобы между ними могли действовать ядерные силы. Нет причин, по которым нельзя было бы использовать холодный материал мишени, который бомбардируется снаружи энергичными ядерными снарядами, например протонами или альфа-частицами. Снаряды, если они достаточно энергичны, могут преодолеть электрическое отталкивание ядер мишени и действительно могут проникнуть внутрь. Результирующие «составные» ядра либо были бы нестабильными и мгновенно распадались, либо были бы почти стабильными (т.е. радиоактивными) и распадались через некоторое время. В любом случае в реакции, вероятно, образовались бы ядра новых элементов. Эта процедура звучит просто, но у нее есть свои трудности.

Недра Солнца. Термоядерные реакции происходят в основном в очень горячей, очень плотной центральной области (заштриховано). Эта область имеет радиус около 20 000 миль и плотность примерно в 80 раз превышающую плотность воды.

Главная трудность заключается в том, что ядро — это очень крошечная мишень. Его площадь примерно в 100 миллионов раз меньше площади атома в целом. Если кусок материи бомбардируется энергичной частицей, только случай определит, направлена ли частица к ядру. Конечно, если частица промахивается мимо ядра одного атома, у нее все еще есть возможность попасть в ядра других атомов, которые могут лежать на ее пути. Однако у нее не так много таких возможностей, потому что, будучи заряженной, она постоянно взаимодействует с атомными электронами, которые постепенно поглощают энергию, заставляя частицу замедляться.

По мере замедления частицы ее шанс попасть в ядро уменьшается, даже если она направлена прямо на него, из-за отталкивания между ее зарядом и зарядом ядра. Если частица не обладает достаточной скоростью, она не может преодолеть это отталкивание.

Заряженным частицам можно придать требуемые скорости, ускоряя их через большие электрические поля. Если единичный заряд ускоряется через разность потенциалов в один вольт, он приобретает энергию в один электрон-вольт. Энергии, необходимые для ядерной бомбардировки, составляют порядка нескольких миллионов электрон-вольт, что может быть обеспечено машинами для расщепления атомов, такими как циклотрон.

Даже при таких высоких энергиях очень немногие ядерные снаряды действительно находят путь к ядру мишени. Большинство из них замедляются электронами, тратя свою энергию на нагрев материала мишени. Возможно, одна частица из миллиона будет достаточно удачливой, чтобы вызвать ядерную реакцию.

Если бы целью машин для ускорения ядерных частиц было производство дешевой энергии, они не представляли бы большой ценности. Ядерная реакция может типично высвобождать от пяти до 20 миллионов электрон-вольт энергии. Но чтобы получить эту реакцию, миллион частиц должны были быть ускорены до энергий в несколько миллионов электрон-вольт. Восстанавливаемая и используемая энергия будет лишь ничтожной долей от общего объема вложенной.

С другой стороны, как инструмент для научных открытий, ускорители атомов имели большое значение. То одно событие из миллиона дало нам большую часть наших знаний о ядерной физике.

Достижение ядерных реакций путем бомбардировки частицами на самом деле не дожидалось изобретения искусственных ускорительных машин. Энергичные альфа-частицы доступны при радиоактивном распаде тяжелых элементов. В 1919 году Эрнест Резерфорд использовал такие радиоактивные элементы в качестве источника альфа-частиц. Альфа-частицы бомбардировали обычный азот, вызывая реакцию:

He⁴ | + | N¹⁴ | → | O¹⁷ | + proton
(2 protons) |  | (7 protons) |  | (8 protons)
(2 neutrons) |  | (7 neutrons) |  | (9 neutrons)

То есть альфа-частица плюс ядро азота¹⁴ реагируют, образуя ядро (стабильного) кислорода¹⁷ плюс протон. Кислород¹⁷ — это ядро с 8 протонами и 9 нейтронами. Обычная распространенная форма кислорода имеет 8 протонов и 8 нейтронов. Природный кислород содержит небольшое количество кислорода¹⁷.

Позже, в 1934 году, Ирен Кюри-Жолио (дочь первооткрывателя радия, мадам Кюри) и ее муж, Фредерик Жолио, использовали природные альфа-частицы, чтобы впервые создать искусственные радиоактивные ядра. Реакция была такой:

He⁴ | + | aluminum²⁷ | → | phosphorus³⁰ | + neutron
(2 protons) |  | (13 protons) |  | (15 protons)
(2 neutrons) |  | (14 neutrons) |  | (15 neutrons)

Фосфор³⁰ — это нестабильное ядро, которое испускает бета-луч (позитрон), превращаясь в кремний³⁰ (который стабилен). Период полураспада для этого распада составляет около 2,5 минут. Реакция Жолио была первым случаем, когда человек произвел радиоактивность и осознал это. На самом деле циклотроны производили радиоактивность в хорошем количестве в течение предыдущих двух лет, но физики не знали об этом факте.

Забавно, что природа также предоставила нам машину для расщепления атомов, и, более того, такую, которая производит гораздо большие энергии, чем любой аппарат, когда-либо созданный человеком. Эта машина работает по принципу флуктуирующих, турбулентных магнитных полей в межзвездном пространстве. Космические частицы — в основном протоны, но также некоторые альфа-частицы и даже более тяжелые ядра — ускоряются этими меняющимися магнитными полями и время от времени выбрасываются в атмосферу Земли. Энергии этих космических частиц огромны, варьируясь от миллиардов электрон-вольт до значений в миллион раз выше.

Когда космическая частица попадает внутрь атмосферы Земли, она не проходит далеко, прежде чем столкнуться с ядром азота или кислорода. Из этого ядерного события выходят все фундаментальные частицы, упомянутые до сих пор, и некоторые другие, известные как мезоны. Мезоны — это частицы, которые могут быть заряженными или нейтральными и которые имеют массу в несколько сотен раз больше массы электрона. Считается, что некоторые из этих частиц связаны с силами, которые удерживают ядро вместе.

Ядерные обломки от столкновения сами будут очень энергичными и будут дальше разрушать другие ядра азота и кислорода. Вскоре развивается каскад электронов, позитронов, мезонов, нейтронов, протонов и электромагнитного излучения, движущихся к поверхности Земли.

Примерно раз в секунду каждый квадратный дюйм атмосферы Земли получает такую энергичную частицу из космоса. Возникающий каскад несет проникающие излучения к поверхности Земли. Все живые организмы постоянно подвергаются этому радиационному фону. Важным фактом является то, что интенсивность этого излучения уменьшается при прохождении через воздух, и жители Денвера или Лимы получают больше космического излучения, чем жители Лос-Анджелеса или Нью-Йорка.

Некоторые нейтроны, созданные столкновениями первичных космических частиц в атмосфере, могут сталкиваться с ядрами азота. Когда это происходит, случается следующая реакция:

nitrogen¹⁴ | + neutron → | carbon¹⁴ | + proton
(7 protons) |  | (6 protons)
(7 neutrons) |  | (8 neutrons)

Углерод¹⁴ — это радиоактивный электронный излучатель с периодом полураспада 5600 лет. Этот период полураспада достаточно велик, так что большая часть углерода¹⁴ в мире сегодня, вероятно, была создана десять-двадцать тысяч лет назад. Уиллард Либби изучил этот процесс тщательным и количественным образом, проследил историю радиоактивного углерода из атмосферы в живые существа и, измеряя содержание углерода¹⁴ в исторических останках, открыл совершенно новую ветвь археологии.

Живые организмы вдыхают углерод (в форме углекислого газа) из воздуха. Большая часть этого углерода — обычный стабильный углерод¹²; крошечная доля — радиоактивный углерод¹⁴. Организм не способен различить эти два изотопа и поглощает углерод¹⁴ в том же соотношении к углероду¹², которое существует в атмосфере. Это соотношение сохраняется в течение всей жизни организма, но когда организм умирает и углерод больше не ассимилируется, соотношение начинает уменьшаться по мере того, как ядра углерода¹⁴ постепенно распадаются. Наблюдая соотношение углерода¹⁴ к углероду¹² в ископаемых останках и других археологических объектах, можно рассчитать дату, когда наступила смерть. Таким образом был найден возраст древних египетских мумий, и было показано, что некоторая древесина секвойи старше 1500 лет. Измеряя углерод¹⁴ в деревьях, которые были погублены последним наступлением оледенения, и изучая другие останки жизни последнего ледникового периода, удалось показать, что этот последний ледниковый период произошел всего 10 000 лет назад — вместо 20 000 лет, как считалось ранее. Углеродное датирование¹⁴ поэтому полностью пересмотрело наши представления о том, с какой быстротой империи, известные истории, вышли из самых примитивных условий. Решающая часть аргумента заключается в том, что изотопы одного и того же элемента химически неразличимы.

Альтернативная реакция, которая может произойти, когда нейтроны ударяют по азоту, — это

N¹⁴ | + neutron → | carbon¹² | + | H³
(7 protons) |  | (6 protons) |  | (1 proton)
(7 neutrons) |  | (6 neutrons) |  | (2 neutrons)

H³, тритон, также радиоактивен, претерпевая бета-распад, чтобы стать He³ (2 протона и 1 нейтрон) с периодом полураспада 12,25 лет. Тритоны также могут быть использованы для датировки старых объектов — например, старого вина. Вода в вине не может быть пополнена тритонами космических лучей после того, как вино было разлито по бутылкам. Таким образом, пятьдесят процентов тритонов исчезают каждые 12,25 лет.

У нас здесь два примера ядерных реакций, вызванных бомбардировкой нейтронами. Вспоминая недостатки заряженных частиц как ядерных снарядов для алхимиков, должно, безусловно, казаться, что нейтроны были бы идеальны для этой цели. Будучи незаряженными, они не отталкиваются электрически ядрами и не замедляются постоянно столкновениями с электронами, теряющими энергию. Судьба почти каждого нейтрона, движущегося в большом куске материи, — это конечное столкновение с ядром. Нейтроны — идеальные ядерные снаряды, за исключением одного: их трудно достать.

Протоны и альфа-частицы обильно встречаются в природе как ядра атомов водорода и гелия. Нейтроны, однако, не встречаются в природе и в прошлом создавались в ядерных реакциях, которые сами по себе были инициированы заряженными частицами. Например,

He⁴ | + | beryllium⁹ | → | C¹² | + neutron
(2 protons) |  | (4 protons) |  | (6 protons)
(2 neutrons) |  | (5 neutrons) |  | (6 neutrons)

Но теперь мы снова сталкиваемся с трудностью, связанной с заряженными частицами. Только одна альфа-частица из миллиона претерпевает ядерную реакцию, чтобы произвести нейтрон. Нейтрон, конечно, вызывает ядерную реакцию каждый раз. В целом, таким образом, мы получаем две ядерные реакции на миллион ядерных снарядов, вместо одной на миллион. Такими методами мы не намного лучше старых алхимиков. Дешевый и обильный источник нейтронов, однако, поставил бы алхимика в дело. Таким образом можно было бы создавать редкие элементы и радиоактивные изотопы, и, что более важно, он смог бы использовать концентрированную ядерную энергию.

ГЛАВА VII Деление и цепная реакция

Нейтроны — идеальные снаряды для ядерной бомбардировки, потому что они не несут заряда, могут легко приближаться к ядрам и сильно взаимодействовать с ними. Эти нейтральные частицы, открытые Джеймсом Чедвиком в 1932 году, были вскоре после этого использованы Энрико Ферми и его сотрудниками для бомбардировки большинства элементов периодической таблицы. Очень часто в этих экспериментах ядро захватывало нейтрон и становилось нестабильным, имея слишком большой вес для своего заряда. Стабильность затем восстанавливалась бета-распадом, оставляя ядро с одной дополнительной единицей заряда, чем оно имело изначально. В 1934 году Ферми попробовал этот эксперимент с ураном, заряд 92, самым сильно заряженным элементом, известным в то время. Он надеялся создать трансурановый элемент с зарядом 93.

На протяжении экспериментов уран наблюдался с помощью радиоактивных счетчиков и было обнаружено, что он становится гораздо более радиоактивным, чем уран обычно бывает в своем естественном состоянии. Не было способа объяснить всю эту радиоактивность, кроме как предположить, что в процессе бомбардировки нейтронами были образованы новые элементы. Химический анализ не выявил элементов с зарядами между 86 и 91. Из этого доказательства Ферми заключил, что никакие элементы с зарядом меньше 92 не были созданы, и поэтому радиоактивность должна быть обусловлена зарядами больше 92. Он заключил, что трансурановые элементы были созданы в лаборатории.

Ни Ферми, ни кто-либо другой, однако, не был доволен этим заключением. Было слишком большое разнообразие радиоактивности для комфорта. Приходилось предполагать, что создается не только элемент с зарядом 93, но также элементы с зарядами 94, 95 и многие другие. Это было очень трудно понять. Ида Ноддак, химик, опубликовала статью, предлагающую альтернативное объяснение эксперимента: что ядро урана, когда оно захватывает нейтрон, может расколоться на два фрагмента, которые могут иметь любые из различных масс и зарядов. Другими словами, она предположила, что Ферми произвел деление ядер.

Ферми, однако, полагал, что процесс деления — это невозможность. У него было убедительное доказательство, основанное на измеренных значениях масс ядер и формуле Эйнштейна E = mc². Из этой формулы Ферми рассчитал энергию, высвобождаемую, когда уран распадается на две части; затем он принял во внимание энергию электрического отталкивания между частями и обнаружил, что энергетический барьер настолько велик, что процесс деления не может произойти. Это доказательство было абсолютно верным. Единственная проблема была в том, что измеренные значения масс ядер оказались неточными в то время!

Если бы не эта случайность, деление было бы открыто в 1934 году, а не в 1938-м. Если бы это произошло, нацистская Германия могла бы легко стать первой страной, создавшей атомную бомбу. В то время некоторые немецкие ученые были активны в области военных применений. Американские физики еще не уделяли много внимания этому предмету.

Важной особенностью эксперимента Ферми является большое количество и разнообразие радиоактивности, которую он обнаружил. Причина этого разнообразия, как мы теперь знаем, заключается в том, что процесс деления не происходит уникальным образом. Два первичных фрагмента деления очень редко равны по массе и заряду. В среднем более легкий фрагмент весит около 90, а более тяжелый — около 140. Иногда более легкий фрагмент будет весить всего 75, а более тяжелый — до 160. По мере изменения массы, конечно, меняется и заряд. Заряд более легкого фрагмента в среднем равен 38, что является стронцием, а более тяжелого — 54, что является ксеноном. В общей сложности среди первичных фрагментов деления представлено более ста различных видов ядер.

Практически все эти ядра радиоактивны и претерпевают три или четыре распада, прежде чем достичь стабильности. В целом, таким образом, несколько сотен различных радиоактивных видов создаются процессом деления в уране. Элементы с зарядами 43 и 61 (которые не встречаются в природе) были идентифицированы как продукты деления в довольно заметных количествах. Большинство продуктов деления — это короткоживущие электронные и гамма-излучатели, которые могут способствовать только локальной и немедленной радиоактивной опасности. Два из долгоживущих продуктов обильны и важны. Это цезий¹³⁷ и стронций⁹⁰.

Цезий¹³⁷ имеет период полураспада 30 лет и испускает гамма-луч с энергией 0,6 миллиона электрон-вольт. Стронций⁹⁰ имеет период полураспада 28 лет и испускает электрон со средней энергией 0,22 миллиона электрон-вольт. Дочернее ядро в этом процессе — иттрий⁹⁰, который испускает еще один электрон со средней энергией один миллион электрон-вольт. Период полураспада иттрия⁹⁰ составляет 64 часа. В итоге, таким образом, стронций⁹⁰ испускает два электрона, каждый со средней энергией 0,6 миллиона электрон-вольт. Для долгосрочной радиоактивной опасности, особенно глобальных осадков, связанных с ядерными взрывами, два изотопа цезий¹³⁷ и стронций⁹⁰ являются наиболее значимыми. Стронций⁹⁰ более опасен для живых организмов, потому что он откладывается в костях и удерживается в организме в течение длительных периодов.

Помимо радиоактивности, есть еще одна особенность процесса деления, которая настолько заметна, что может показаться трудным понять, как Ферми не заметил ее — а именно большое количество высвобождаемой энергии. Деление одного ядра урана высвобождает энергию в 200 миллионов электрон-вольт, в отличие от обычных энергий радиоактивного распада в 5–10 миллионов электрон-вольт. (Энергия, высвобождаемая при сгорании одного атома угля, составляет всего 4 электрон-вольта.)

Из 200 миллионов электрон-вольт, высвобождаемых при делении, около 10 миллионов уходят в гамма-лучи и нейтроны, созданные в самом процессе деления. Эта энергия способствует немедленной и локальной радиационной опасности. Еще 24 миллиона электрон-вольт уходят в радиоактивность продуктов деления, и из этого около половины уходит в нейтрино, которые не являются ни опасными, ни полезными; другая половина переносится электронами и дает начало отложенной радиоактивной опасности. Но основная часть энергии, более 160 миллионов электрон-вольт, уходит в кинетическую энергию двух первичных фрагментов деления. Из этой суммы 100 миллионов, в среднем, достаются более легкому фрагменту.

Фрагменты деления со ста миллионами электрон-вольт, безусловно, должны были быть замечены радиоактивными счетчиками Ферми — если бы они могли достичь счетчиков. Фрагменты, однако, не смогли достичь счетчиков. Причина в том, что Ферми был осторожным работником. Он знал, что его образец урана будет испускать некоторые радиоактивные частицы даже до бомбардировки нейтронами. Эту естественную радиоактивность он не хотел смешивать с радиоактивностью, которая была бы произведена в эксперименте. Поэтому он поместил поглощающую фольгу между образцом урана и радиоактивными счетчиками. Фрагменты деления не могли пройти через фольгу.

Забавно, что вскоре после этого другой известный физик повторил эксперимент Ферми, но на этот раз без фольги. Он сообщил, что не смог получить никаких значимых результатов, потому что его счетчик, по неизвестным причинам, начал искрить.

Таким образом, деление оставалось секретом. Но в Англии Лео Силард получил патентные документы на ядерную цепную реакцию. Он указал, что в некоторых ядерных реакциях могут высвобождаться свободные нейтроны. Эти нейтроны могут затем преуспеть в производстве дальнейших реакций, которые произведут больше нейтронов. При условии, что по крайней мере один нейтрон, созданный в каждой реакции, был способен вызвать реакцию в другом ядре, произошла бы цепная реакция.

Главная проблема, конечно, заключалась в том, чтобы избежать чрезмерных потерь нейтронов. Есть два способа, которыми потери в основном происходят. Один — это расточительный, нерепродуктивный захват в ядрах; другой — утечка нейтронов с поверхности материала. Эту вторую потерю, показал Силард, можно минимизировать, используя достаточно большое количество цепно-реагирующего материала.

Суть в том, что нейтрон, рожденный в ядерной реакции, должен пройти в среднем определенное расстояние, прежде чем он сможет произвести другую реакцию. Если размер цепно-реагирующего материала намного меньше этого расстояния, практически все произведенные нейтроны смогут вырваться через поверхность материала, и никакая цепная реакция не будет возможна. Если размер материала велик по сравнению с этим расстоянием, потеря на утечку становится ничтожной, и возможность цепной реакции зависит полностью от величины первого вида потерь, расточительных захватов в ядрах. Если эта потеря не слишком велика и цепная реакция возможна, будет критический размер материала, при котором в среднем ровно один нейтрон на реакцию сможет вызвать другую реакцию. Просто критическая цепная реакция такого рода — это то, что нужно для ядерного реактора.

Если размер материала больше критического размера, в среднем более одного нейтрона на реакцию вызовет другую реакцию, и цепная реакция выйдет из-под контроля. Если, например, два нейтрона могут вызвать другую реакцию, будет два нейтрона после первого поколения, четыре после второго, восемь после третьего и так далее. Это принцип атомной бомбы.

Примерно через 80 поколений заметная доля всех ядер в материале претерпит ядерную трансформацию, и будет высвобождено так много энергии, что материал не останется вместе даже на короткое время, необходимое для производства следующего поколения. Весь материал начинает разлетаться, система становится подкритической, и цепная реакция останавливается. Весь процесс длится лишь долю микросекунды.

Таким образом, еще до того, как было открыто деление, Силард заложил основу для создания атомной бомбы и ядерного цепного реактора. В качестве материалов, в которых цепная реакция могла бы мыслимо быть создана, он назвал торий, уран и бериллий. Насчет бериллия он ошибся, потому что масса этого атома была известна неверно. Насчет тория его догадка была хорошей. Насчет урана он попал в яблочко.

Наконец, в декабре 1938 года секрет был раскрыт. Ган и Штрассман в Германии сделали химический анализ мишени из урана, которая была подвергнута воздействию нейтронов. Они были гораздо более тщательными, чем предыдущие исследователи, и они нашли барий, заряд 56, которого не было в материале мишени до эксперимента. Единственным возможным объяснением был процесс деления. В течение нескольких недель были найдены мощные толчки, вызванные продуктами деления в счетчиках, и в последующие дни этот эксперимент был повторен по всему миру.

Не было сомнений, что нейтроны могут вызвать деление в ядрах урана. Еще несколько недель, и было установлено, что процесс деления высвобождает нейтроны, которые могут привести к большему количеству делений.

Цепная реакция, однако, была все еще далека от реальности. Нильс Бор и Джон Уилер доказали, что нейтрон не может вызвать деление в U²³⁸, если его энергия не превышает примерно один миллион электрон-вольт. Когда нейтроны впервые создаются в процессе деления, многие из них действительно имеют энергии выше одного миллиона электрон-вольт. Но прежде чем они могут вызвать деление, они обычно совершают несколько столкновений без деления с ядрами урана, отдавая часть своей энергии ядрам и улетая с остатком. Ядра тогда остаются со слишком малым количеством энергии, чтобы претерпеть деление, а нейтроны — со слишком малым количеством энергии, чтобы вызвать деления при своих следующих встречах. Таким образом, слишком мало нейтронов воспроизводят себя, и никакая цепь невозможна.

Бор и Уилер предположили, однако, что редкий изотоп урана, U²³⁵, может претерпеть деление, когда любой нейтрон, даже медленный нейтрон, ударяет его. Таким образом, цепная реакция возможна в U²³⁵. Это было подтверждено экспериментально вскоре после этого Джоном Даннингом и Альфредом Дриром и их сотрудниками в Колумбийском университете.

Почему изотопы 235 и 238 ведут себя так по-разному, понять несложно. 235 более взрывоопасен и более склонен к делению, чем 238, потому что он меньше, и поэтому его протоны отталкиваются друг от друга сильнее. Еще важнее то, что когда нейтрон захватывается 235, он приобретает большую кинетическую энергию в силу короткодействующего ядерного притяжения, чем нейтрон приобретает, когда он захватывается 238. Это происходит по той простой причине, что ядра стремятся быть более стабильными, когда они имеют четное число нейтронов (или протонов), чем когда они имеют нечетное число. U²³⁵, имея нечетное число нейтронов, более охотно принимает дополнительный нейтрон, чем 238, который уже имеет четное число нейтронов. Следовательно, захват медленного нейтрона 235 почти всегда заканчивается процессом деления; в то время как в 238 избыточная энергия, внесенная нейтроном, просто выбрасывается из ядра в форме гамма-луча, и U²³⁸ становится U²³⁹.

Цепная реакция возможна в U²³⁵, но необходимо отделить этот редкий изотоп от обильного U²³⁸. Процесс разделения совсем не прост, поскольку изотопы одного и того же элемента химически неразличимы. Даже разница в весе в этом случае составляет немногим более одного процента. Бор отверг идею крупномасштабного разделения с замечанием: «Вам пришлось бы превратить всю страну в фабрику». Конечно, теперь это дело истории, что работа была на самом деле выполнена в рамках Манхэттенского проекта во время Второй мировой войны. Во время войны Бор (псевдоним Николас Бейкер) снова посетил Соединенные Штаты, и ему показали заводы по разделению. Он сказал: «Видите, я был прав. Вы действительно превратили страну в фабрику».

Природный уран содержит U²³⁵ в соотношении 1 часть к 139 частям U²³⁸. Сначала надеялись, что этой концентрации будет достаточно для создания цепной реакции и что дорогостоящих процессов обогащения можно будет избежать. Это казалось возможным, потому что при энергиях доли электрон-вольта нейтроны гораздо легче захватываются U²³⁵, чем U²³⁸, что компенсирует низкую концентрацию. На самом деле нейтроны замедляются до тех пор, пока их энергия не станет такой же низкой, как энергия всех других частиц, участвующих в общем движении, вызванном температурой. Эта энергия достаточно низка для этой цели.

Однако нейтроны образуются в процессе деления ядер с энергией около миллиона электрон-вольт. Прежде чем они достаточно замедлятся, они должны пройти стадию, на которой их энергия составляет около 7 электрон-вольт. Вблизи этого уровня энергии вероятность захвата нейтрона ядром U²³⁸ с превращением в U²³⁹ становится чрезвычайно высокой. Вблизи некоторых других уровней энергии необходимо преодолеть аналогичные, хотя и меньшие, барьеры поглощения. Поэтому природный уран сам по себе не может быть использован для осуществления цепной реакции. В 1940 году Ферми и Силард, работавшие в то время в Соединенных Штатах, нашли способ обойти эту трудность.

Их хитрость заключалась в том, чтобы смешать природный уран с материалом, ядра которого настолько легкие, что при ударе нейтроном они испытывают сильную отдачу и, таким образом, поглощают значительную часть энергии нейтрона. Нейтрон, таким образом, быстро и большими скачками замедляется до низкой энергии, так что он либо не проводит много времени при неблагоприятных энергиях, где может быть захвачен U²³⁸, либо вовсе минует эти уровни энергии. Если поместить уран в замедляющий материал в виде кусков, а не делать из них однородную смесь, поглощение можно обойти еще лучше.

Для создания управляемой цепной реакции можно использовать метод обогащения, метод замедления или оба сразу. Но для получения бурной цепной реакции, то есть атомной бомбы, сработает только метод обогащения. Причина в том, что вся энергия бомбы должна выделиться за время, которое не превышает время разлета бомбы, а это доли микросекунды. Если бы использовался природный уран, реакция была бы медленной и вялой и прекратилась бы до того, как прореагировала бы значительная часть ядер.

Интересно отметить, что вещества, способные к цепной реакции, можно было бы легко получить шесть миллиардов лет назад, до того как U²³⁸ успел распасться и стать редким изотопом. (U²³⁵ тогда был примерно так же распространен, как U²³⁸.) Химическое разделение все равно потребовалось бы, поэтому нам не нужно воображать, что смеси, способные к цепной реакции, самопроизвольно накапливались на молодой Земле.

С другой стороны, через шесть миллиардов лет U²³⁵ станет настолько редким, что запустить реактор с помощью замедления будет невозможно. В то же время разделение изотопов станет крайне дорогостоящим, поскольку содержание изотопа, подлежащего выделению, составит менее 100 частей на миллион. Тем, кто любит беспокоиться о далеком будущем, мы поспешим добавить, что другие способы получения атомной энергии останутся возможными. И в любом случае есть веские основания полагать, что некоторые звездные взрывы производят свежие запасы U²³⁵, которые космические торговцы, несомненно, смогли бы сделать доступными.

Что касается наших нынешних земных запасов: уран, как и другие тяжелые элементы, довольно редок. Но Земля разделена на слои, верхние 10 миль которых, образующие нечто вроде шлака или пены, содержат довольно много редких соединений. В частности, почти весь уран нашей планеты удобно собран прямо у нас под ногами, чтобы мы могли использовать его по своему усмотрению.

ГЛАВА VIII Действие радиации на вещество

Когда энергичная частица движется сквозь вещество (живое или неживое), происходящее является вопросом химии. Химия — это наука, которая занимается расположением и перегруппировкой электронов в атомах и молекулах. Химическая перегруппировка обычно требует энергии в районе нескольких электрон-вольт. (Как мы видели, электрон-вольт — это энергия, высвобождающаяся при перемещении электрона через потенциал в один вольт, то есть чуть меньше одного процента движущей силы в стандартной электрической розетке.) Энергичная частица, подобная той, что может испускаться при радиоактивном распаде, обычно обладает энергией в несколько миллионов электрон-вольт. Таким образом, одна такая частица обладает потенциалом для совершения около миллиона химических перегруппировок.

Энергичные частицы могут быть заряженными или нейтральными, легкими или тяжелыми, или иметь электромагнитную природу. Из-за этого разнообразия можно было бы подумать, что нет общих оснований для сравнения действия на вещество различных частиц. Можно было бы предположить, что каждая частица создает свой собственный неповторимый вид химических перегруппировок. На самом деле это не так.

В отличие от некоторых химических ядов, которые ищут специфические молекулы в нашем организме, энергичные частицы поражают любые атомы или молекулы, которые попадаются им на пути. В этом смысле они действуют как кувалда. Их воздействие можно измерить непосредственно по силе (или энергии) удара. Не имеет большого значения, какая именно частица наносит удар, при условии, что передается то же количество энергии и затрагиваются те же ткани (в случае живого вещества). Однако после удара могут произойти некоторые специфические химические эффекты. Когда вода или какая-либо другая молекула в организме разрушается радиацией, образовавшиеся фрагменты сами могут стать химическими ядами и вторично атаковать биологически важные крупные молекулы. Фактически представляется вероятным, что значительная часть радиационного повреждения, причиняемого живым системам, как в плане здоровья, так и генетически, происходит именно таким образом.

Хотя все энергичные частицы схожи по своему конечному действию на вещество, а именно в производстве массового разрушения атомов и молекул, они несколько различаются тем, как именно они вызывают это разрушение. Заряженные частицы действуют одним способом, гамма-лучи — другим, а нейтроны — еще одним. Проще всего начать наше обсуждение с заряженных частиц.

Наиболее важными заряженными частицами являются те, которые связаны с естественным фоном радиоактивности, космическими лучами и процессом деления ядер. К ним относятся альфа-частицы, бета-частицы, мезоны и осколки деления. Для справки приведена таблица весов и зарядов этих частиц, а также некоторых других. Как обычно, мы использовали вес и заряд протона в качестве единиц измерения.

Particle | Weight | Charge
proton | 1 | 1
alpha | 4 | 2
electron beta rays | 1/1840 | -1
positron ” | 1/1840 | 1
deuteron | 2 | 1
triton | 3 | 1
meson | 1/8 | 1, -1
average light fission fragment | 97 | 20
average heavy fission fragment | 138 | 22

Если бы осколки деления были полностью лишены своих орбитальных электронов, они имели бы заряды даже большие, чем значения, указанные в таблице. Читатель вспомнит, что средний заряд ядра легкого осколка деления равен 38, а тяжелого — 54. Но такие сильно положительно заряженные частицы оказывают огромное притяжение на электроны. Некоторые из них остаются присоединенными даже во время самого процесса деления. По мере того как продукты деления теряют скорость при прохождении через вещество, они захватывают больше электронов и постепенно теряют свой заряд.

Когда любая из этих энергичных заряженных частиц движется сквозь вещество, она взаимодействует с электронами в атомах. В результате этого взаимодействия электроны могут быть выбиты из своих обычных состояний движения. Если взаимодействие слабое — либо потому, что заряженная частица проходит мимо атома на значительном расстоянии, либо потому, что частица движется так быстро, что взаимодействие длится лишь короткое время, — электрон может остаться невозмущенным. Однако если взаимодействие более сильное, электрон может быть возбужден до более энергичного состояния движения, оставаясь при этом в том же атоме или молекуле; или он может быть фактически выброшен, оказавшись в другом атомном узле. В этом последнем случае исходный атом остается с остаточным положительным зарядом, и говорят, что он ионизирован. В то же время вытесненный электрон склонен соединяться с любым атомом или молекулой, которые оказываются поблизости, создавая таким образом отрицательный ион. Весь процесс можно описать как образование ионной пары. Таким образом, в следе заряженной частицы обнаруживаются ионизированные и возбужденные атомы и молекулы. Теперь последует перегруппировка атомов, которая приведет к новым химическим соединениям. Однако для нас важно то, что эти химические изменения не очень сильно зависят от типа частицы, вызвавшей ионизацию; пропорция между ионизацией, возбуждением и последующей химической реакцией остается более или менее одинаковой. Грубо говоря, чем больше ионных пар образуется в живых клетках, тем больше степень биологического повреждения.

Для образования ионной пары требуется затрата определенного количества энергии. Может показаться, что эта величина должна критически зависеть от веса, заряда и энергии частицы, а также от среды, через которую движется частица. Это не так. Конечно, некоторая зависимость есть, но лишь незначительная. Любая заряженная частица, независимо от ее энергии, движущаяся в любой среде — воздухе, воде, почве или живой ткани, — создает ионные пары со скоростью около одной на 32 электрон-вольта. Частица с энергией в один миллион электрон-вольт производит около 30 000 ионных пар, прежде чем потеряет всю свою энергию. (Когда она теряет свою энергию, если это положительно заряженная частица, она захватит достаточно электронов, чтобы стать нейтральной. Альфа-частица, например, станет обычным атомом гелия; протон станет атомом водорода.)

Мы сказали, что две заряженные частицы, имеющие одинаковую энергию, производят одинаковое общее число ионизаций. Однако существует важный аспект, в котором заряженные частицы одинаковой энергии могут различаться. Это плотность ионизации вдоль их путей. В частности, чем медленнее движется частица и чем больше ее заряд, тем больше ионизации и повреждений она произведет на заданном расстоянии. В то же время она будет терять энергию с большей скоростью. Если мы сравним две заряженные частицы одинаковой энергии, проникающие в вещество, та, которая оставляет более глубокую борозду, будет остановлена быстрее.

Легко понять, что при большем заряде электрическое взаимодействие усиливается, и, следовательно, каждый атомный электрон сильнее возмущается. Если, с другой стороны, частица движется медленнее (что обычно бывает, если она тяжелая), она проводит больше времени в окрестности атомных электронов. Таким образом, электрическое взаимодействие имеет большую продолжительность и более эффективно выбивает электрон. По этой же причине плотность ионизации вдоль пути конкретной заряженной частицы должна стремиться становиться все больше и больше по мере замедления частицы. На самом деле в случае осколка деления этой тенденции противодействует повышенная вероятность захвата частицей электронов и уменьшения ее заряда. В результате плотность ионизации для этих осколков довольно равномерна. Если сильно заряженная медленная частица движется сквозь вещество, она оставляет после себя так много возмущенных и разрушенных молекул, что теперь эти молекулы могут реагировать друг с другом. Поэтому сильная ионизация может привести к своеобразным эффектам. Тем не менее все ионизирующие частицы вызывают примерно схожие химические изменения и разрушения.

За исключением бета-лучей, все заряженные частицы очень тяжелы по сравнению с электроном. Следовательно, по мере того как они движутся сквозь вещество и взаимодействуют с атомными электронами, их пути заметно не отклоняются от первоначального направления. Бета-лучи, с другой стороны, имея тот же вес, что и атомные электроны, заметно подвержены влиянию их столкновений и часто вынуждены менять направление. Таким образом, их пути извилисты и случайны.

Поскольку бета-луч не движется по прямой линии, его способность проникать в вещество не следует измерять по общей длине пути. Как правило, пробег бета-частицы, представляющий собой расстояние, которое она проходит вдоль линии своего первоначального направления, составляет около половины общей длины ее пути. Однако для более тяжелых заряженных частиц не нужно проводить различие между пробегом и фактическим пройденным расстоянием.

Самый важный факт о пробегах заряженных частиц заключается в том, что они малы. Альфа-частица, например, с типичной радиоактивной энергией в несколько миллионов электрон-вольт, имеет пробег в воде (или живой ткани) в несколько тысячных дюйма. Такая частица не смогла бы пробить лист бумаги. Осколок деления, несмотря на свою огромную энергию, обладает еще меньшей проникающей способностью, чем альфа-частица. Протон имеет несколько больший пробег, чем альфа-частица. Но бета-луч из-за своего малого веса имеет самый большой пробег из всех заряженных частиц. Однако даже он проходит лишь долю дюйма в твердых или жидких материалах.

В следующей таблице показаны пробеги (в дюймах) некоторых заряженных частиц в воздухе и воде как функция энергии (в миллионах электрон-вольт):

Range
| Air | Water (Same as living tissue)
Energy | 5 | 1 | 2 | 5 | 5 | 1 | 2 | 5
alpha | 0.1 | 0.2 | 0.4 | 1.4 | 0.0001 | 0.0002 | 0.0004 | 0.0014
proton | 0.3 | 0.9 | 2.8 | 13.4 | 0.0005 | 0.001 | 0.003 | 0.014
beta | 49. | 130. | 300. | 770. | 0.063 | 0.16 | 0.38 | 1.0

Таблица показывает, что заряженные частицы проходят лишь короткие расстояния в веществе. По этой причине эти частицы не представляют серьезной опасности внешнего облучения. Протоны и альфа-лучи обычно останавливаются менее чем футом воздуха. Обычная одежда или даже внешний слой нашей кожи (который состоит из неживых клеток) полностью их остановит.

Бета-лучи останавливаются менее чем семьюдесятью футами воздуха или дюймом (или менее) твердого материала. (На самом деле большинство бета-лучей, образующихся в процессе деления, имеют энергию менее миллиона электрон-вольт или около того, и поэтому их пробеги еще меньше.) Радиоактивное загрязнение бета-излучателями непосредственно на одежде или теле может вызвать проблемы; но тщательное мытье вскоре после воздействия устранит эту проблему. Внутренняя часть дома или здания должна быть вполне безопасной от любого внешнего источника заряженных частиц, испускаемых радиоактивными веществами, за исключением, возможно, самых энергичных бета-лучей. Только если источник заряженных частиц находится внутри организма, так что, несмотря на их ограниченные пробеги, частицы могут найти путь к чувствительным тканям, существует опасность. В этом случае, как мы увидим в следующей главе, опасность может быть значительной.

Заряженные частицы одного типа стоят особняком. Это мезоны, обнаруженные в космических лучах. Эти частицы движутся так же быстро, как энергичные бета-лучи, и, подобно бета-лучам, несут единичный заряд. Их биологические эффекты поэтому такие же, как биологические эффекты бета-излучения, с одним важным отличием. Мезоны космических лучей несут гораздо больше энергии и поэтому имеют гораздо больший пробег. В то время как бета-лучи останавливаются в коже, мезоны могут причинить повреждения всему организму. Мезоны производят те же эффекты, что и вещество, которое равномерно испускает бета-излучение во всем организме. Этот факт важен. Он ставит нас в положение, позволяющее сравнить эффекты искусственной радиоактивности с эффектами космических лучей, которым мы постоянно подвергаемся.

Не вся энергия в космических лучах переносится мезонами. Мы также находим ливни электронов. Они почти такие же, как бета-лучи, за исключением того, что они обладают большей энергией и часто прибывают в довольно значительных количествах, двигаясь по почти параллельным траекториям. Их эффекты, однако, такие же, как эффекты мезонов.

Мы говорили сейчас о взаимодействиях между заряженными частицами и атомными электронами. Не было упомянуто о взаимодействиях между заряженными частицами и ядрами. Ядерные взаимодействия иногда происходят, но в целом они оказывают лишь пренебрежимо малое влияние на замедление заряженной частицы. Они, однако, влияют на бета-лучи.

Когда бета-луч сталкивается с сильно заряженным ядром, бета-частица сильно отклоняется. Сила этого процесса обусловлена тяжелым зарядом ядра и малой массой бета-частицы. При внезапном изменении скорости, которое происходит, часть электрического силового поля, окружающего электрон, отрывается; результатом является высокочастотное излучение, называемое рентгеновскими лучами. Важность такого электромагнитного излучения заключается в том, что оно может проникать глубже в вещество. В наших организмах для типичных энергий бета-лучей лишь малая часть энергии бета-лучей преобразуется в рентгеновские лучи. Но во многих радиоактивных процессах гамма-лучи (которые физически идентичны рентгеновским лучам) образуются довольно обильно. Эти лучи могут нести столько же или больше энергии, чем бета-лучи.

В отличие от заряженных частиц, которые постоянно взаимодействуют при движении сквозь вещество, гамма-лучи могут проходить большие расстояния, не имея ни одного столкновения. Фактическое расстояние зависит от энергии гамма-луча, среды, в которой он движется, и чистой случайности. В среднем гамма-луч с энергией в один миллион вольт проходит около шести дюймов в воде, прежде чем с ним что-либо произойдет. Гамма-луч с энергией в четыре миллиона вольт проходит около фута. В живом веществе расстояния примерно такие же. Таким образом, гамма-лучи от внешнего источника могут найти путь глубоко внутрь организма.

Конечно, живое вещество не повреждается от одного лишь присутствия гамма-луча. Существует небольшая вероятность того, что гамма-луч может пройти прямо сквозь организм, не имея ни одного столкновения. Если это так, биологического эффекта не будет. Эффект производится только тогда, когда гамма-луч взаимодействует с веществом. Существует три наиболее важных способа, которыми может произойти такое взаимодействие.

Один способ — это простое поглощение гамма-луча одним из атомных электронов. Гамма-луч исчезает в этом процессе, а электрон приобретает всю его энергию. Крошечная часть этой энергии используется электроном для разрыва своей связи с атомом. Остаток уходит на кинетическое движение электрона. Электрон теперь на свободе и может вызвать биологическое повреждение, возбуждая и ионизируя другие атомные электроны. Фактически это теперь то же самое, что мы привыкли называть бета-лучом.

Второй способ, которым гамма-луч может взаимодействовать с веществом, — это рассеяние. В этом случае гамма-луч не исчезает, а лишь теряет часть своей энергии, передавая ее атомному электрону. Опять же, электрон свободен вызывать биологическое повреждение, в то время как гамма-луч продолжает путь к своему следующему столкновению.

Третий способ требует, чтобы гамма-луч находился рядом с ядром и имел энергию более миллиона электрон-вольт. (Обычные рентгеновские лучи, используемые в медицинской практике, недостаточно энергичны для того, чтобы этот процесс произошел.) При этих условиях гамма-луч может исчезнуть с одновременным появлением электрона и позитрона. Это пример создания материи из чистой энергии. В соответствии с формулой E = mc², часть энергии гамма-луча расходуется на создание частиц с определенными массами. Это составляет около одного миллиона электрон-вольт. Остаток энергии гамма-луча уходит на кинетическое движение двух частиц. Опять же, биологическое повреждение является результатом последующей ионизации, вызванной заряженными частицами. После того как позитрон израсходует свою кинетическую энергию в процессе ионизации, он соединится с электроном в акте исчезновения. Энергия вновь появляется в форме двух или трех гамма-лучей (каждый из которых имеет меньшую энергию, чем исходный гамма-луч).

Ни в коем случае гамма-луч не несет прямой ответственности за какое-либо биологическое повреждение. Повреждение всегда наносится электронами (или позитронами), которым гамма-луч передал часть или всю свою энергию. Но это только делает гамма-лучи еще более опасными. Они могут сначала проникнуть к чувствительным тканям организма, а затем вызвать ионизацию.

Мы уже упоминали, что рентгеновские лучи — это то же самое, что и гамма-лучи. Последние образуются возбужденным ядром, первые — при столкновении электрона (или бета-луча) с ядром. Искусственные рентгеновские лучи получают путем предварительного ускорения потока электронов, а затем направления их на мишень, содержащую сильно заряженные ядра.

Полезность рентгеновских лучей, конечно, обусловлена их проникающей способностью; это то же самое свойство, которое делает рентгеновские лучи опасными. Можно использовать рентгеновские лучи, чтобы узнать, что находится внутри человеческого тела. Но это невозможно сделать без производства некоторого разрушения и перегруппировки в тканях, которые лежат на пути рентгеновских лучей. Повреждение того же рода, что и вызванное радиоактивностью или космическими лучами.

Эффекты нейтронов на вещество довольно схожи с эффектами гамма-лучей. Подобно гамма-лучам, нейтроны могут проходить большие расстояния в веществе, не взаимодействуя. В среднем нейтрон с энергией в миллион вольт проходит несколько дюймов в воде, прежде чем произойдет столкновение любого рода. Также, подобно гамма-лучам, нейтроны сами по себе не несут прямой ответственности за какое-либо биологическое повреждение. Будучи нейтральными, они взаимодействуют только с атомными ядрами, к которым они сильно притягиваются. Безусловно, наиболее важным из этих взаимодействий является взаимодействие с ядрами водорода. Их огромное количество содержится в живой ткани в форме молекул белка и воды.

Столкновения с ядрами водорода (т.е. протонами) важны, потому что в этом процессе передается большая часть энергии нейтрона. Это происходит потому, что нейтрон и протон имеют очень близкий вес. Если нейтрон ударяет тяжелое ядро, он теряет лишь малую часть своей энергии при ударе. После столкновения с водородом или более тяжелым ядром нейтрон продолжает путь к другим подобным столкновениям. Ядро, однако, будучи заряженным и энергичным, теперь вызывает возбуждение и ионизацию атомных электронов. Таким образом, подобно гамма-лучам, энергичные нейтроны чрезвычайно опасны, потому что они могут сначала проникнуть, а затем вызвать ионизацию.

Нейтроны опасны, даже когда они не энергичны. Неэнергичный нейтрон может реагировать с ядрами живого вещества несколькими способами, из которых два особенно вероятны. Либо нейтрон может быть захвачен протоном с образованием дейтрона, и в этом случае избыточная энергия будет испущена в форме гамма-луча с энергией в два миллиона вольт, который вызовет дальнейшее повреждение. Либо нейтрон может прореагировать с ядром азота¹⁴ (в изобилии присутствующим в живом веществе) с образованием ядра углерода¹⁴ и энергичного протона. Таким образом, неэнергичный нейтрон будет иметь биологический эффект, эквивалентный энергичному гамма-лучу или энергичному протону плюс энергичному иону углерода¹⁴.

В итоге, все частицы, заряженные или нет, имеют схожее действие на вещество. Прямо или косвенно они производят возбужденные атомы, молекулы и ионные пары. Эти процессы всегда происходят практически в одних и тех же пропорциях, и поэтому количество образовавшихся ионных пар можно использовать в качестве меры радиационных эффектов. Чем больше ионных пар образуется в живом веществе, тем больше степень биологического повреждения. По этой причине принято описывать радиационные эффекты в терминах количества ионных пар, созданных на грамм живой ткани в различных частях тела. Поскольку каждая ионная пара соответствует передаче энергии около 32 электрон-вольт, альтернативное описание может быть дано в терминах количества осажденной энергии. Единицей, широко используемой для этой цели, является рентген, что означает конкретно энергию, эквивалентную поднятию тела (в котором осаждается радиация) на одну двадцать пятую дюйма. Это эквивалентно примерно 60 миллионам миллионов ионных пар в каждой унции. Менее точно, но более значимо сказать, что один рентген осаждает в клетке нашего организма несколько тысяч ионных пар.

Конечно, количество ионизации внутри отдельных клеток — это величина, которую нелегко измерить. Вместо этого обычно знают дозу в рентгенах для участка ткани, который состоит из множества клеток. Если заряженные частицы, вызывающие ионизацию, являются электронами (как это бывает, когда первичное излучение представляет собой бета-луч или гамма-луч), ионизация будет распределена более или менее равномерно среди клеток в затронутой окрестности. Если заряженная частица тяжелая — протон или альфа-луч, — плотность ионизации, которую она производит, намного больше, так что некоторые клетки получают гораздо больше ионных пар, в то время как другие поблизости могут не получить ни одной. По этой причине иногда важно указать не только то, скольким рентгенам подверглась ткань, но и то, какой вид радиации был ответственен.

В следующей главе мы обсудим биологические эффекты различных количеств радиации. Мы можем упомянуть здесь, однако, что 1000 рентген рентгеновских или гамма-лучей, доставленных более или менее равномерно по всему телу человека за время менее нескольких часов или около того, приведут к почти верной смерти. И примечательный факт заключается в том, что природа не предоставила нам предупреждения. Радиация не причиняет боли. Тем больше необходимость того, чтобы мы понимали этот процесс, который влияет на наше благополучие, но не на наши чувства.

ГЛАВА IX Испытание

Испытания атомных взрывчатых веществ обычно проводятся в красивых окрестностях. Для этого есть веская причина: радиоактивные осадки.

Из-за радиоактивных осадков испытательный полигон должен быть изолирован. Присутствие человеческого населения не улучшает природу (за исключениями, которые довольно редки и тем более примечательны). Также, чтобы содержать полигон в чистоте, испытания должны проводиться в отсутствие дождя. Поэтому на полигоне обычно царят солнце и уединение.

Для участников красота природы служит фоном для подготовки экспериментов, которые сложны и захватывающи для всех вовлеченных. В конце концов, атомный взрыв всегда затмевается своим окружением. Но работа, которая завершается детонацией, вознаграждается чем-то совсем иным, нежели вспышкой и грохотом.

По-настоящему важные результаты испытания состоят в отметках на фотопластинках. Большая часть аппаратуры, которая произвела эти пластинки, была уничтожена при взрыве. Но достаточно сохраняется, чтобы можно было сделать вывод о том, что произошло за короткие доли секунды, которые проходят между нажатием кнопки и осознанием наблюдателя: это было оно. В те доли секунды был добавлен еще один камень в структуру, которую мы можем назвать астрофизической инженерией. То, что происходит и что наблюдается при ядерных взрывах, тесно связано с поведением вещества в недрах звезд.

Детали ядерного взрыва здесь описать нельзя по трем причинам. Во-первых, детали секретны. Во-вторых, объем этой книги и терпение читателя накладывают ограничения. И в-третьих, мы понимаем лишь малую часть процесса. В рамках этих ограничений происходит следующее:

Сама ядерная реакция занимает лишь долю микросекунды (одна микросекунда = одна миллионная доля секунды). Вся энергия бомбы высвобождается за этот короткий период. В конце этого периода основная масса ядерного материала разлетается с большой скоростью, и этим движением дальнейшие ядерные реакции прекращаются. В дополнение к более или менее упорядоченному движению наружу, значительные части энергии обнаруживаются в беспорядочном температурном движении, которое сорвало большинство электронов с ядер и превратило атомы в свободно и хаотично движущуюся совокупность заряженных частиц. К этому времени многие из исходных ядер превратились в ядра радиоактивных видов, частично в результате процесса деления, а частично в результате захвата нейтронов во всех видах атомов, которые изначально присутствовали в материалах бомбы.

Еще одна часть энергии присутствует в виде электромагнитного излучения. Это излучение очень похоже на свет, за исключением того, что оно имеет более короткую длину волны и поэтому фактически невидимо; но оно может поглощаться и переизлучаться всеми видами материалов и находится в бурном обмене энергией с фрагментами взорвавшейся бомбы.

Все это возмущение распространяется наружу из региона, где произошла ядерная реакция, в окружающие компоненты бомбы. Во время распространения наружу поглощается все больше атомов и пространства. Возбуждение и излучение становятся несколько менее горячими.

Этот горячий регион имеет тенденцию ограничиваться четко определенной границей, которая называется ударным фронтом и которая движется наружу со скоростью несколько сотен миль в секунду. Этот фронт наконец достигает пределов более или менее плотного материала, в который была изначально заключена вся конструкция бомбы. Затем он прорывается в окружающий воздух. Воздух нагревается в непосредственной близости, и это начало огненного шара.

С этого момента энергия распространяется из-за толчка высокотемпературного воздуха. Формируется резкий ударный фронт, который продолжает двигаться наружу со скоростью, значительно превышающей обычную скорость звука. Радиоактивный материал содержится внутри этой горячей и расширяющейся сферы.

По мере того как огненный шар расширяется и температура падает, излучается все больше видимого излучения. На самом деле поверхность становится менее яркой по мере того, как структура расширяется и остывает, но ее больший размер и большее время, доступное для испускания излучения, преодолевают этот недостаток. Наконец, при радиусе, возможно, в несколько сотен футов для маленькой бомбы и в милю для большой, расширение огненного шара прекращается. Это происходит потому, что ударный фронт больше не достаточно силен, чтобы сделать воздух светящимся. Светимость не только перестает продвигаться, но фактически частично тускнеет из-за поглощающих веществ, образованных сильно пострадавшими молекулами воздуха.

Время, которое прошло до достижения этой стадии взрыва, зависит от энергии бомбы. Если сравнить два взрыва, и больший имеет в тысячу раз большую взрывную мощность, чем меньший, то время, необходимое для достижения предельного расширения огненного шара, будет примерно в десять раз больше для более бурного события. В любом случае, достаточно близкий наблюдатель должен использовать сильно поглощающие очки в течение этого времени, если он не хочет быть ослепленным. Для маленьких бомб расширение огненного шара слишком короткое, чтобы его зарегистрировать. Для действительно больших вы можете видеть, как развивается расширение, и задаетесь вопросом, когда оно остановится. Для незащищенного глаза маленькие бомбы почти так же опасны, как большие, потому что нет достаточного времени, чтобы моргнуть.

Тем временем ударная волна, теперь отделенная от огненного шара, путешествует сквозь воздух и несет с собой значительную часть первоначальной взрывной мощности. Важная часть повреждений, которые может вызвать бомба, обусловлена этой невидимой волной давления, которая распространяется со скоростью, близкой к скорости звука, на расстояние многих миль, прежде чем она утихнет в безвредный гул.

Остальная энергия все еще находится в огненном шаре вблизи точки, где произошел взрыв, и горячий воздух теперь начинает подниматься, распадаясь на турбулентный гриб по мере движения. Горячие внутренние части временами обнажаются, и объект приобретает вид огромной пылающей массы, по крайней мере, при просмотре в кинофильме, который замедляет действие и уменьшает размер. Лучистые языки слишком велики и слишком быстры для любых обычных пламен.

На этой стадии зрелище постепенно бледнеет настолько, что его можно рассматривать невооруженным глазом. Первоначально горячие массы теперь испустили достаточно энергии в форме света и смешались с достаточно большой массой холодного воздуха, так что они больше не светятся бурно. Эта масса центрального и поднимающегося газа содержит практически всю радиоактивность, не только ту, что изначально образовалась при взрыве, но также некоторую, произведенную нейтронами, которые вытекли из бомбы и были захвачены множеством ядер в воздухе, воде или почве в окрестностях.

И теперь последствия взрыва превращаются в зрелище, растущее быстро и все же размеренным образом, так что не только глаз наблюдателя, но и его разум и чувства могут следить за событиями. Гриб, который был сформирован первым восходящим потоком, развивается в колонну со все более и более взволнованными кипящими массами, добавляемыми сверху, и с косыми юбками снежного вида, спускающимися по бокам. Что это за белая масса, которая выглядит точно так же, как облако своеобразной формы и которая выросла до высоких небес (или, как называют это метеорологи: стратосферы) за несколько минут перед нашими глазами?

Это на самом деле облако: совокупность капель воды, слишком маленьких, чтобы превратиться в дождь, но достаточно больших, чтобы отражать белый свет солнца. И оно сформировано подобным образом, как кучевые облака грозы. Действительно, это прекрасный пример многоэтажного замка из кучевых облаков, нагроможденных друг на друга. Но, как ни странно, то, что создает это облако, — не тепло бомбы. Это охлаждение воздушных масс, которые были втянуты, когда остатки огненного шара устремляются вверх, как гигантский воздушный шар. Под этим шаром воздух втягивается вверх. По мере того как этот воздух поднимается, он охлаждается, и содержащийся в нем водяной пар конденсируется в капли: точно такой же механизм, который дает начало грозовым тучам в жаркий летний день.

Белые юбки (которые присутствуют не всегда) не состоят из какого-либо материала, который выпадает из облака. Напротив, влажный слой воздуха всасывается в облако сбоку, и капли, которые образуются в этом слое, дают начало облачному слою с видом юбки.

У больших бомб вблизи вершины видна особенно гладкая и белая шапка. Это снова конденсация, не в капли, а в мелкие кристаллы льда. В некоторых взрывах присутствует более одной такой шапки.

Наконец облако достигло своей полной высоты. В зависимости от размера бомбы оно могло вырасти до 20 000 футов, до 100 000 футов или более. Затем ветер, дующий на разных уровнях в разных направлениях, разрывает структуру, сметая часть ее на восток, часть на запад. Радиоактивные обломки в облаке начали свое путешествие.

Что будет делать эта радиоактивность, как она может повлиять на живых существ, насколько она на самом деле опасна, мы обсудим в последующих главах. Но одно ясно и остается в умах всех участников атомного испытания: опасность испытания — ничто по сравнению с катастрофой, которая может произойти, если большое количество этого оружия будет использовано в неограниченной ядерной войне.

Часто утверждалось, что наши нынешние атомные взрывчатые вещества могут стереть с лица земли города и промышленность величайших стран. Зачем продолжать дальнейшую разработку и испытания?

Ответ прост: главная цель войны — не уничтожение гражданских центров врага, а скорее разгром его вооруженных сил, и для этой цели нам нужны гибкие усовершенствованные виды оружия всех видов и размеров. Нам также нужны виды оружия, с помощью которых можно защитить наши собственные города. Нам нужны виды оружия, с помощью которых можно защитить наших союзников, и, в частности, нам нужны виды оружия, которые выполнят свою работу против агрессора и нанесут наименьший возможный ущерб невинным свидетелям.

В этом последнем отношении, в частности, был достигнут заметный прогресс. Мы разрабатываем чистые виды оружия, которые эффективны благодаря своей взрывной волне и теплу, но которые производят мало радиоактивности. Конечно, взрывная волна и тепло нанесут ущерб только вблизи точки детонации. Радиоактивность может переноситься ветрами и выйти из-под контроля человека в значительной степени.

Ясно, что война есть и всегда была ужасной. Мы отказываемся верить, что войны всегда будут с нами, но мы не можем игнорировать опасность войны, пока мир наполовину свободен и наполовину в рабстве.

Атомная война, ограниченная или даже неограниченная, не обязательно должна быть связана с большими страданиями, чем прошлые войны. Однако такая война, вероятно, была бы более бурной, и она была бы короче.

Рассказывают историю, что война, которая оказалась, пожалуй, самой страшной в истории человечества, была начата с этого послания: «Ты выбрал войну. Случится то, что случится, и что будет — мы не знаем. Одному Богу известно». Возможно, единственный возможный путь для свободного народа — быть хорошо подготовленным к войне, но никогда не выбирать войну, пока выбор свободен. Но что произойдет — одному Богу известно.

ГЛАВА X Радиоактивное облако

В феврале 1954 года на атолле Бикини велась подготовка к взрыву водородной бомбы. 1 марта было датой «готовности». Не казалось вероятным, что выстрел будет фактически произведен в эту дату, потому что выстрел мог быть произведен только при весьма благоприятных ветровых условиях. От взрыва ожидалось большое количество радиоактивности, особенно продуктов деления. Выстрел мог быть произведен только в том случае, если в направлении по ветру не было населенных мест.

Бикини — это коралловый риф овальной формы, атолл. Это один из нескольких таких атоллов, принадлежащих к группе, называемой Маршалловы острова. Если вы посмотрите на карту, то увидите, что к западу от Бикини на расстоянии 200 миль лежит Эниветок, на котором наши люди вели подготовку к дальнейшим испытаниям.

К востоку от Бикини, примерно в ста милях, находится атолл Ронгелап. В то время там жили 64 человека. Они жили примитивно в пальмовых хижинах в южной части атолла. Северная часть была необитаема.

На соседнем атолле Айлингинаэ 18 маршалльских островитян были в рыболовной экспедиции, в то время как дальше на восток, на Ронгерике, были размещены 28 американских военнослужащих. Военнослужащие жили и работали в алюминиевых хижинах. Их основной задачей был сбор метеорологических данных.

Карта Маршалловых островов

Намного дальше на восток, в 300 милях от Бикини, находится Утирик. На этом атолле жили сто пятьдесят семь маршалльцев.

Рано утром 1 марта японская рыболовецкая лодка находилась где-то к северу от Ронгелапа. Ее название было Фукурю Мару, что по-английски означает «Счастливый дракон». На борту было 23 человека. На самом деле она находилась в патрулируемой зоне, но не была замечена патрульным самолетом.

Операциями по испытанию руководили с кораблей Объединенной оперативной группы 7. В течение нескольких дней до утра 1 марта метеорологи составляли карту ветров. Ветер на запад был бы плох для Эниветока. Ветер на восток мог повредить Ронгелапу и Ронгерику. Ветер на юг мог затронуть Кваджалейн. Идеальным направлением было бы строго северное, но этого, вероятно, не случилось бы в течение многих месяцев. Утром «выстрела» ветер дул на северо-восток. Метеорологи дали свое «О.К.». Это было на рассвете, первого марта 1954 года.

Команда из девяти человек во главе с человеком с большим опытом, Джеком Кларком, отвечала за окончательные приготовления. Они находились в блочном домике на южной стороне атолла в 20 милях от бомбы. Другие, более 1000 человек, наблюдали с борта корабля под руководством Эла Грейвса, который отвечал за технические фазы операции. Корабли лежали к югу и немного восточнее Бикини.

Механизм детонации был приведен в действие в блочном домике. Один за другим сигналы указывали на то, что различные эксперименты и наблюдения приведены в действие. Наконец погас красный свет и на панели появился зеленый свет. Это означало, что бомба была взорвана.

Люди на борту корабля наблюдали за огромным огненным шаром через затемненные очки. Команда, запертая в блочном домике, ничего не видела. Пара долгих секунд, и голос Грейвса объявил по их радио: «Это был хороший выстрел». Быстрая оценка указала на 15 мегатонн.

Еще несколько медленных секунд, и пришла ожидаемая ударная волна по земле. Это было похоже на сильное землетрясение. Плохой момент прошел. Блочный домик качнулся, но устоял.

Еще минута или около того, и прошла воздушная ударная волна. Можно было слышать, как стонут петли, — но это уже не было пугающим.

Зальет ли водяная волна блочный домик? Все было водонепроницаемым. Через пятнадцать минут открыли иллюминатор — вода не вошла. Люди в блочном домике вышли, чтобы посмотреть на дрейфующее атомное облако.

Пока они смотрели, радиационный прибор Джека Кларка начал показывать показания. Команду вызвали обратно в блочный домик. Там, в самом дальнем углу, защищенном значительным количеством песка, они были в безопасности. Снаружи испаряющийся и конденсирующийся коралл падал в виде гранул, несущих все больше и больше радиоактивности.

Тем временем радиоактивные осадки были и на кораблях. Ветер определенно изменился после времени выстрела. Активность быстро смыли. Никто не получил опасного облучения. Но было разумнее уплыть. В блочный домик было отправлено сообщение: «Мы вернемся за вами вечером».

Примерно через час активность вокруг блочного домика начала медленно снижаться. Команда терпеливо ждала внутри без связи, без света в течение остальной части дня.

Наконец корабли вернулись. На закате вертолет отправился на остров, используя последние остатки дневного света и давая как можно больше времени для распада активности. Кларк и его друзья выбежали из блочного домика, завернутые в простыни, чтобы остановить бета-лучи и защититься от радиоактивной пыли. Они двигались как можно быстрее, чтобы избежать ненужного облучения.

Это был тяжелый опыт, но они получили не более двух рентген — не больше причин для беспокойства, чем если бы они сделали медицинский рентген. К востоку, однако, некоторые люди были в настоящей беде.

Через шесть или семь часов после выстрела американские военнослужащие на Ронгерике заметили туманные радиоактивные осадки из высокорадиоактивной пыли. Ветер изменился достаточно, чтобы перенести атомное облако над населенными островами Айлингинаэ, Ронгелап и Ронгерик. В тревожные часы, которые последовали, никто не мог сказать, какой ущерб был нанесен.

Американцы на Ронгерике получили некоторое образование об опасностях радиоактивности. Они мылись, надевали дополнительную одежду и оставались внутри алюминиевых хижин как можно больше. Эти действия помогли защитить их от ожогов кожи бета-лучами. Маршалльцы на Ронгелапе и Айлингинаэ ничего не знали об опасности и не принимали никаких мер предосторожности. Многие из них получили довольно сильные ожоги кожи.

Все подвергшиеся воздействию лица были эвакуированы на Кваджалейн, как только средства оперативной группы позволили это сделать. Но только через неделю или около того после взрыва удалось организовать поездку людей с приборами для измерения радиации по атоллам, чтобы определить, какими были уровни облучения.

На южной оконечности Ронгерика они измерили активность и рассчитали, что американские военнослужащие получили примерно 78 рентген. Это была хорошая новость, потому что доза от 50 до 100 рентген не является смертельной и только в редких случаях приводит к какой-либо болезни. В любом случае полное выздоровление можно было ожидать в течение нескольких дней.

Прогуливаясь вокруг атолла Ронгерик, измерительная группа обнаружила места, где уровни радиации были намного выше. На северном конце человек получил бы более 200 рентген.

На Айлингинаэ измеренные значения были сопоставимы с таковыми на Ронгерике. Расчетная доза для жителей Айлингинаэ составила 69 рентген.

На Ронгелапе ситуация была намного хуже. Измерения в южной части атолла показали, что жители Ронгелапа получили дозу около 175 рентген. Такая доза не была бы смертельной, но, по крайней мере, некоторые из людей, вероятно, заболели бы.

Затем группа отправилась исследовать остальную часть атолла. По мере продвижения на север уровни доз повышались все выше и выше. В середине атолла, всего в десяти или пятнадцати милях от населенной части, человек получил бы 400 рентген радиации. При этом уровне у него был бы шанс выжить пятьдесят на пятьдесят.

На северной оконечности атолла, примерно в тридцати милях, доза составила бы более тысячи рентген. Такая доза означает верную смерть менее чем через месяц.

Следующая таблица содержит краткое изложение того, что произошло:

| Number of persons | Time of fallout after shot (hours) | Time of evacuation after shot (hours) | Dose (roentgens)
Rongelap | 64 | 4 to 6 | 51 | 175
Ailinginae | 18 | 4 to 6 | 58 | 69
Rongerik | 28 | 7 | 32 | 78
Utirik | 157 | 22 | 65 | 14
Fortunate Dragon | 23 | 4 | 200

На Кваджалейне о маршалльцах заботились, и они находились под медицинским наблюдением. Как можно скорее их кожу и волосы вымыли с мылом и водой. Кокосовое масло в их волосах затрудняло дезактивацию.

Все это время присутствие японской рыболовецкой лодки в этом районе даже не подозревалось. Только через две недели после взрыва, когда маленькая лодка вернулась в гавань Яидзу, мир узнал об этом. К этому времени 23 рыбака были довольно больны. Мы точно не знаем, какую дозу получили рыбаки, но лучшая догадка — около 200 рентген. К несчастью, один из рыбаков умер, предположительно от осложнений, связанных с воздействием радиации. Остальные 22, однако, находятся в добром здравии и вернулись к работе.

Наша медицинская информация о маршалльских островитянах полна. После трехмесячного пребывания на Кваджалейне они были перевезены на атолл Маджуро, где для них были построены дома и где они находились под постоянным наблюдением с момента инцидента. Проводились частые и тщательные медицинские осмотры, несколько затрудненные проблемой общения через переводчика.

В первые двадцать четыре часа некоторые из пострадавших жаловались на тошноту, лихорадку и боли в животе. Однако во всех случаях эти симптомы быстро проходили без какого-либо лечения. Также поступали жалобы на зуд и ощущение жжения кожи, но и эти симптомы длились всего пару дней. Затем последовала примерно неделя хорошего самочувствия, когда жалоб не было. После этого начали появляться поражения кожи и выпадение волос.

От пятидесяти до восьмидесяти процентов бета-лучей в период облучения имели среднюю энергию 0,3 миллиона электрон-вольт. Большая часть этой энергии поглощалась внешним слоем кожи толщиной в две тысячные дюйма. Остальные бета-лучи имели среднюю энергию 0,6 миллиона электрон-вольт; эти лучи могли легко проникать в более глубокие слои живой кожи. Однако самым важным фактом было то, что одежда любого типа, даже тонкая хлопчатобумажная ткань, обеспечивала защиту от всех бета-лучей. Поражения развивались только на открытых участках тела и в нескольких других местах, таких как подмышки и складки шеи, где имеет свойство скапливаться пыль. Особенно пострадали босые ноги. В острый период некоторые люди ходили на пятках.

По прошествии шести месяцев выпавшие волосы отросли вновь, не изменившись ни по текстуре, ни по цвету, а поражения кожи зажили. Все выглядели здоровыми и нормальными, без каких-либо видимых последствий.

На момент облучения среди женщин на атолле Ронгелап было четыре беременности. Один ребенок родился мертвым, но трое других были совершенно нормальными. Не было никаких доказательств того, что мертворождение было вызвано воздействием радиации. На самом деле процент мертворождений среди жителей Ронгелапа обычно высок. Статистически соотношение один к четырем не является необычным.

Сегодня, спустя более трех лет после аварии, все пострадавшие жители Маршалловых островов и американцы, по-видимому, полностью восстановились. Никаких злокачественных новообразований или лейкозов не выявлено, но медицинская группа Комиссии по атомной энергии США продолжает тщательно наблюдать за этими долгосрочными эффектами.

В целом был нанесен серьезный, но ограниченный вред. Это был опасный инцидент. Чтобы понять, насколько опасный, достаточно взглянуть на приведенную ниже карту, на которой показана доза облучения в рентгенах за 48 часов. На южной оконечности Ронгелапа, где жили люди, доза составила 175 рентген. Но на северной оконечности, менее чем в тридцати милях оттуда, доза превысила тысячу рентген. Если бы ветер отклонился еще немного к югу, вероятно, все люди на атоллах Айлингинаэ, Ронгелап и Ронгерик погибли бы.

Доза облучения в первые 48 часов после начала выпадения радиоактивных осадков

Этот взрыв доказал то, о чем спорили много лет: радиоактивность — это не просто побочный эффект ядерного взрыва. Люди на Ронгелапе находились далеко за пределами зоны опасности от ударной волны и теплового излучения. Но они получили значительную дозу радиации. На самом деле человек мог бы стоять без защиты на расстоянии тридцати миль от взрыва и остаться в полной безопасности от ударной волны и теплового излучения. Но на том же расстоянии с подветренной стороны он получил бы смертельную дозу радиации в течение нескольких минут после начала выпадения осадков.

Из-за радиоактивных осадков испытательные полигоны должны располагаться в отдаленных частях мира. Было бы желательно найти места, настолько удаленные от населенных пунктов, чтобы испытания можно было проводить без учета направления ветра. К сожалению, бомбы слишком велики, а планета слишком мала.

В результате перед каждым испытанием необходимо следить за ветром; испытания должны откладываться до тех пор, пока направление ветра не станет благоприятным. То, что произошло с жителями Маршалловых островов, было случайностью, которой можно было бы избежать, если бы во время взрыва ветер дул более прямо на север. После этого случая требования к ветру при проведении испытаний стали гораздо более строгими, наши знания об опасности расширились, а правила безопасности были во всех отношениях улучшены. С 1 марта 1954 года было испытано много оружия большой мощности, но других аварий не происходило. Мы можем быть уверены, что аварии такого рода теперь крайне маловероятны.

На испытательном полигоне США в Неваде не было ни одного случая выпадения значительных радиоактивных осадков на населенную территорию. Вероятно, самой тревожной ситуацией, возникшей там, была весна 1953 года во время серии испытаний «Апшот-Нотхол». После девятого взрыва серии облако дрейфовало на восток над городом Сент-Джордж, штат Юта, с населением около 5000 человек. Некоторое количество осадков выпало незадолго до девяти часов утра. Около девяти тридцати представители Комиссии по атомной энергии США выпустили предупреждение, советуя жителям оставаться в помещениях. К полудню предупреждение было снято, и людям разрешили вернуться к своим обычным делам. Инцидент оставил у всех неприятный осадок, но никто не получил дозу радиации более двух или трех рентген.

Мы говорили о локальных радиоактивных осадках, которые выпадают в пределах нескольких сотен миль от испытательного полигона. Не вся радиоактивность, образующаяся при взрыве, переходит в эти осадки. Часть ее перемещается на действительно большие расстояния — не на сотни, а на тысячи миль от эпицентра. Эта часть радиоактивности распространяется по всему миру и полностью выходит из-под контроля человека. Конечно, к тому времени, когда эта радиоактивность распределяется по значительной части земной поверхности, уровни доз радиации становятся очень малыми — менее десятитысячной доли рентгена для мегатонного взрыва. Нет никакой опасности, что человек умрет или даже слегка заболеет от такого количества радиации. Однако существует вероятность долгосрочных эффектов, таких как рак костей, лейкемия и генетические мутации.

Мировая опасность, конечно, в первую очередь связана с большими бомбами. Малые, подобные тем, что испытываются в Неваде, высвобождают около десяти килотонн (в тротиловом эквиваленте) энергии деления ядер. Некоторые из больших бомб в Тихом океане высвобождают несколько мегатонн энергии деления. Поскольку количество радиоактивности пропорционально высвобожденной энергии деления, одна большая бомба эквивалентна нескольким сотням или, возможно, тысяче маленьких. Всего в Неваде на сегодняшний день было проведено только шестьдесят или семьдесят взрывов. Возможно, желательно минимизировать глобальные радиоактивные осадки от больших взрывов в Тихом океане. Но для малых взрывов в Неваде, вероятно, важнее минимизировать локальные осадки. Сколько радиоактивности уходит в локальные осадки, сколько в глобальные и как можно контролировать эти относительные количества — основные темы для остальной части этой главы.

Не вся радиоактивность, образующаяся при взрыве, способствует выпадению осадков, будь то локальных или глобальных. Некоторые радиоактивные продукты деления (гамма-излучатели) имеют настолько короткие периоды полураспада, что они фактически распадаются еще до того, как бомба полностью разрушится. Многие другие распадаются в первые несколько минут, пока атомное облако поднимается. Энергичные бета- и гамма-лучи, высвобождаемые при этих ранних быстрых распадах, поглощаются на коротких расстояниях и лишь усиливают разрушения на месте взрыва.

Комиссия по атомной энергии США — Объединенное бюро информации об испытаниях. 1. Неглубокий подземный взрыв. Радиоактивные вещества и грунт тщательно перемешаны.

Комиссия по атомной энергии США — Лаборатория Лукаут-Маунтин, ВВС США. 2. Атомная испытательная башня высотой пятьсот футов.

Комиссия по атомной энергии США. 3. Башенный взрыв. Грунт поднимается вдоль ствола, но очень малое его количество фактически смешивается с огненным шаром.

Elton P. Lord—USAEC
4. An air shot—3,500 feet above ground. No dirt.

5. Бедренная кость трехмесячного кролика, убитого через десять минут после инъекции Sr⁸⁹. Затемненные области показывают, где отложился стронций. Sr⁹⁰ и обычный Sr⁸⁸ откладывались бы в тех же местах. Важным фактом является то, что отложение довольно равномерно в кальцинированных частях кости.

Из главы, написанной Воном, Таттом и Кидманом в книге «Биологические опасности атомной энергии», под редакцией Хэддоу, опубликованной издательством Оксфордского университета, 1952 г.

6. Бедренная кость женщины, умершей от отравления радием. Яркие области показывают, где отложился радий. Четко видны «горячие точки».

Из статьи «Поздние эффекты внутренне отложенных радиоактивных материалов у человека», Оби и др., в профессиональном журнале «Медицина», том 31, № 3, сентябрь 1952 г.

Комиссия по атомной энергии США — Лаборатория атомной энергетики Ноллс. 7. Капсулы с кобальтом⁶⁰, экранированные в резервуаре с водой. Потребовалось бы сто тридцать миллионов долларов в радиевом эквиваленте, что вдвое превышает нынешние мировые запасы, чтобы сравняться с лучами от этого мощного источника гамма-излучения.

Комиссия по атомной энергии США. 8. Кобальтовое облучение.

1. Металлический элемент кобальт обрабатывается в виде пластин, которые немного больше десятицентовой монеты.

2. Пластины укладываются вплотную друг к другу в алюминиевые контейнеры, а затем помещаются в атомную печь, или реактор.

3. Под бомбардировкой нейтронами ядра атомов кобальта возбуждаются и испускают излучение, или лучи.

4. После «варки» в реакторе в течение определенного времени кобальт извлекается и помещается в защищенные контейнеры для транспортировки.

5. Теперь радиоактивный кобальт отправляется с завода Саванна-Ривер в Оук-Ридж для переотправки в медицинские центры по всей стране.

6. В медицинских центрах он помещается в аппараты для телетерапии. Его мощные лучи помогают медицинским специалистам в борьбе с раком.

NTO — Фото лаборатории Лукаут-Маунтин. 9. Облако в форме дымового кольца от атомного оружия противовоздушной обороны.

Фото Wide World. 10.

Радиационная лаборатория Калифорнийского университета. 11. Полосы — это конденсационные следы, созданные заряженными частицами в камере Вильсона. Они кажутся яркими, потому что камера освещена, и конденсационные следы отражают свет точно так же, как обычное облако.

Радиационная лаборатория Калифорнийского университета. 12. Еще один снимок в камере Вильсона. Большое количество близко расположенных треков образуют облако. (Треки искривлены из-за наличия магнитного поля.)

Комиссия по атомной энергии США — Аргоннская национальная лаборатория. 13. Секция ядерного реактора в разрезе. Сердце реактора — это небольшая область в центре, где генерируется энергия деления. Большая часть веса и объема необходима для охлаждающего аппарата и экранирующего материала, чтобы удерживать ядерное излучение.

Чтобы радиоактивность повлияла на области на большом расстоянии от точки взрыва, должно пройти значительное время, пока атомное облако поднимается и дрейфует под воздействием горизонтальных ветров. В течение этого времени происходит больше распадов, в основном из-за короткоживущих ядер. Скорость, с которой они происходят, продолжает уменьшаться по мере исчезновения короткоживущих ядер. Грубо говоря, скорость уменьшается просто пропорционально времени. Точнее, скорость падает несколько быстрее, уменьшаясь в десять раз при увеличении времени в семь раз. Через минуту после взрыва активность составляет менее одного процента от того, что было через секунду. Через час она составляет менее одного процента от своего значения через минуту. Этот закон уменьшения активности продуктов деления, конечно, сильно отличается от простого закона радиоактивного распада. Последний закон применяется к одному радиоактивному виду. Продукты деления в любой момент состоят из множества различных радиоактивных видов. Каждый из них подчиняется простому закону радиоактивного распада, но совокупность следует другому закону.

Следует иметь в виду, что ядро-продукт радиоактивного распада само может быть радиоактивным с другим периодом полураспада. Например, существует стронций⁹⁰. Лишь небольшое количество этого изотопа образуется непосредственно в процессе деления. Процесс деления дает большое количество криптона⁹⁰, который распадается с периодом полураспада полминуты в рубидий⁹⁰. Последний имеет период полураспада три минуты и распадается в стронций⁹⁰. Именно так образуется практически весь стронций⁹⁰ при взрыве. Таким образом, и интенсивность, и природа радиоактивности продолжают меняться со временем.

Эти факты важны, потому что они определяют масштаб и характер опасности, когда радиоактивность наконец выпадает из облака и оседает на поверхности земли. Те радиоактивные частицы, которые распадаются, находясь еще в облаке, не должны нас беспокоить, поскольку это излучение не может оказать никакого влияния на живые организмы, которые могут находиться под ним. При условии, что облако находится на высоте более нескольких сотен футов над землей, бета- и гамма-лучи, высвобождаемые при этих распадах, просто рассеивают свою энергию, ионизируя воздух.

Время, которое радиоактивные обломки проводят в облаке, наиболее критически зависит от одного фактора: близости взрыва к поверхности земли. Природа поверхности, будь то почва или вода, также играет роль. Если взрыв произошел прямо на земле, на поверхности почвы, много крупных, тяжелых частиц грязи вовлекается в огненный шар и начинает падать под действием силы тяжести еще до того, как облако перестает подниматься. Эти осадки продолжаются в течение периода от нескольких часов до, возможно, половины дня. В то же время выпадают и некоторые радиоактивные продукты деления, которые прилипли к этим частицам грязи. Это источник так называемых ближних или локальных радиоактивных осадков, которые распространяются на расстояние от нескольких миль до нескольких сотен миль от взрыва по ветру, в зависимости от мощности бомбы и силы ветров. Примерно восемьдесят процентов всех продуктов деления приходится на эти ближние осадки в случае наземного взрыва. Взрыв 1 марта 1954 года был именно такого типа.

Существует несколько возможностей повлиять на количество ближних осадков. Одна из них — взорвать бомбу над глубокой водой. В этом случае ближние осадки составляют от тридцати до пятидесяти процентов. Это происходит потому, что многие капли воды, к которым прилипли радиоактивные частицы, испаряются до того, как они достигают земли. Однако над мелководьем, если огненный шар фактически касается дна, ближние осадки напоминают случай наземного взрыва и снова составляют около восьмидесяти процентов. Ближние осадки при подземных или подводных взрывах будут даже выше, чем при наземных. На самом деле, действительно глубокий подземный или подводный взрыв был бы полностью локализован, и никакая активность не распространилась бы вокруг.

Другая возможность уменьшить ближние осадки — взорвать бомбу на башне такой высоты, чтобы огненный шар не мог коснуться поверхности. В этом случае количество ближних осадков сокращается с восьмидесяти процентов примерно до пяти процентов. Конечно, нецелесообразно строить башни для действительно больших бомб, огненные шары которых могут достигать мили в диаметре. В этом случае бомбу можно сбросить с самолета, чтобы получить тот же эффект. Взрыв в Хиросиме был примером воздушного взрыва небольшой бомбы. Ближние осадки в том случае были очень малы. Такая лучевая болезнь, которая там возникла, была вызвана прямыми гамма-лучами и нейтронами, высвобожденными при самом взрыве.

В случае околоземного взрыва, когда огненный шар почти касается земли, ближние осадки также составляют лишь около пяти процентов. Это несколько удивительный факт, поскольку в этом случае фотографии показывают, что большое количество поверхностного материала засасывается в облако, точно так же, как и при настоящем наземном взрыве.

Этот материал, безусловно, состоит из крупных, тяжелых частиц грязи, которые впоследствии выпадают из облака. И все же большинство из них каким-то образом не вступают в контакт с радиоактивными продуктами деления.

Это странное явление можно понять, если взглянуть на детали того, как поднимается огненный шар. Сначала центральная часть огненного шара намного горячее внешней части и поэтому поднимается быстрее. Однако по мере подъема она остывает и падает обратно вокруг внешней части, создавая таким образом структуру в форме пончика. Весь процесс аналогичен образованию обычного дымового кольца. На большинстве фотографий, которые мы видим, пончик скрыт облаком воды, которое образуется, но иногда, когда погода особенно сухая, он становится совершенно видимым. Во время довольно упорядоченной циркуляции воздуха через отверстие обломки бомбы и грязь, которая была засосана, остаются разделенными. (См. рисунки 1-4.)

На ближние осадки приходится лишь часть радиоактивности, варьирующаяся от менее одного процента для высотного взрыва до почти полного осаждения для некоторых наземных взрывов. Для глобальных осадков нас интересует, что происходит с остатком. Это зависит от того, как атомное облако переносится верхними ветрами на большие расстояния. В этой связи важно различать большую бомбу и маленькую бомбу. Также важно различать нижние и верхние слои атмосферы, называемые, соответственно, тропосферой и стратосферой.

Атмосфера нагревается солнцем косвенным путем. Солнечные лучи проходят сквозь воздух, не нагревая его. Вместо этого они нагревают нижнюю часть атмосферы, то есть твердую землю. Атмосфера нагревается так же, как кипящий котел на кухонной плите. Тепло поступает снизу и переносится восходящими потоками к вершине.

Только в случае с атмосферой нет четкого верхнего предела. Потоки поднимаются на высоту от тридцати до пятидесяти тысяч футов, затем поворачивают и опускаются. Эта кипящая часть атмосферы называется тропосферой, или областью тепла. Выше нее вертикальное движение меньше. Верхняя область называется стратосферой, или стратифицированной областью.

Для маленькой бомбы атомное облако перестает подниматься, не достигая стратосферы. Для большой бомбы, мощностью более мегатонны (миллион тонн в тротиловом эквиваленте), облако протыкает стратосферу и продолжает подниматься до высоты около ста тысяч футов.

Самый важный факт о стратосфере заключается в следующем: в ней почти нет погоды. Большинство погодных явлений, таких как облака, дождь, снег, туман, дымка и т. д., ограничены нижней частью атмосферы — тропосферой. В стратосфере же практически нет воды.

Теперь предположим, что маленькая бомба, облако которой останется в тропосфере, была взорвана на одном из испытательных полигонов США. Испытательный полигон в Неваде находится на широте 37° с. ш., а испытательный полигон в Тихом океане — на 12° с. ш. В этих средних широтах, в тропосфере, ветры дуют в основном с запада на восток со средней скоростью около 20 миль в час. Поверх этого будет небольшое движение на юг или север. Но в целом радиоактивное облако будет оставаться в довольно узкой полосе вокруг широты, на которой произошел взрыв.

После первых нескольких часов, когда ближние осадки уменьшаются, радиоактивные частицы, остающиеся в облаке, становятся слишком легкими и слишком мелкими, чтобы падать дальше под действием силы тяжести. В этот момент погода становится важной. Дождь, туман или дымка захватывают радиоактивные частицы и возвращают их на землю с осадками. Это приводит к так называемым тропосферным осадкам. Среднее время для выпадения этих осадков составляет примерно от двух недель до месяца. В течение этого времени, оставаясь более или менее на широте взрыва, радиоактивные частицы могут фактически облететь земной шар.

Облака больших бомб поднимаются высоко в стратосферу. Ветры в стратосфере не дуют так преимущественно в широтном направлении. Что еще более важно, они остаются в стратосфере годами, в течение которых радиоактивность распределяется по всем районам земного шара. Таким образом, осадки от больших бомб действительно являются глобальными.

Тропосферные осадки занимают около месяца. Стратосферные осадки занимают от 5 до 10 лет. Причина этого различия — погода, или, скорее, ее отсутствие. В стратосфере нет дождя или тумана, чтобы захватить радиоактивные частицы, и, следовательно, нет эффективного механизма для образования осадков. На самом деле, поскольку радиоактивные частицы слишком мелкие, чтобы падать под действием силы тяжести, они должны просто ждать, пока какие-то турбулентные движения не направят их обратно вниз в тропосферу. Этот процесс требует много времени.

То, что выпадение осадков является наиболее важным механизмом образования глобальных радиоактивных осадков, было показано путем изучения осадков в некоторых сухих регионах южной Калифорнии и Южной Америки. В каждом случае было обнаружено, что количество осадков значительно ниже нормы. В одном месте в Чили, где никогда не бывает дождя, количество осадков оказалось лишь одним процентом от того, что можно было ожидать на основе средних осадков на той же широте.

В регионах, где выпадает хотя бы несколько дюймов дождя в год, количество радиоактивных осадков в среднем имеет тенденцию быть пропорциональным количеству осадков. Однако пропорциональность количеству осадков зависит от характера погоды, так что, скажем, двадцать дюймов дождя в одной части мира могут не дать столько же радиоактивных осадков, сколько такое же количество дождя в других погодных зонах. Мы быстро узнаем об этом.

Сказав, каков возраст различных видов радиоактивных осадков, мы можем сказать, какие радиоактивные виды все еще присутствуют, когда радиоактивность оседает на землю. Ближние осадки, которым всего несколько часов, все еще включают много короткоживущих изотопов, которые распадаются до того, как возникнет возможность попадания внутрь организма при проглатывании или вдыхании. Следовательно, опасность от ближних осадков проистекает из внешнего облучения, главным образом гамма-излучением на все тело, и в меньшей степени из воздействия энергичных бета-лучей на кожу. Одежда и обычное жилье обеспечивают относительно небольшую защиту от гамма-лучей. Необходимы специальные защитные укрытия. Во время войны, если бы враг разбомбил наши города супермегатонным оружием при наземном взрыве, ближние осадки были бы гораздо более разрушительным агентом против незащищенного населения, чем ударная волна или тепловое излучение.

Однако в стратосферных глобальных осадках вся короткоживущая радиоактивность исчезла, поскольку с момента взрыва прошло много лет. Через год или около того единственным гамма-излучателем, который остается в заметном количестве, является цезий¹³⁷ с периодом полураспада 30 лет. Его гамма-лучи, однако, не очень проникающие. Несмотря на этот факт, цезий¹³⁷ считается второй по значимости опасностью для долгосрочных осадков. Первая — это стронций⁹⁰, который является бета-излучателем с периодом полураспада 28 лет. Этого достаточно, чтобы большинство этих ядер все еще присутствовало даже после долгого пребывания в стратосфере. Поскольку стронций химически похож на кальций, он загрязняет наши продукты питания и легко усваивается нашим организмом. Попав внутрь, он остается там на долгие периоды времени, откладываясь в наших костях. В следующей главе мы увидим, насколько серьезной может быть эта опасность.

Тропосферные осадки, и в меньшей степени стратосферные, включают некоторые другие радиоактивные виды, помимо цезия¹³⁷ и стронция⁹⁰, и мы обсудим их в следующей главе. Но в целом они имеют мало значения (за возможным исключением йода¹³¹), либо потому, что они нелегко поглощаются организмом, либо потому, что их излучение не очень энергично. Таким образом, глобальная опасность сужается всего до двух изотопов: внутреннего бета-излучателя и слабого гамма-излучателя.

ГЛАВА XI. От почвы к человеку

В радиоактивных осадках содержится ошеломляющее разнообразие радиоактивных продуктов. При определенных условиях все они могут быть опасны для человека. На самом деле очень немногие из них опасны.

Примером радиоактивного изотопа, который производится в больших количествах в процессе деления и по поводу которого есть некоторые причины для беспокойства, но который на самом деле не опасен для человека, является йод¹³¹. Этот изотоп в осадках не опасен, потому что у него довольно короткий период полураспада: восемь дней.

В течение первых недель после ядерного взрыва некоторое количество радиоактивного йода может выпасть из облака и загрязнить пастбища. Корова съедает сотни фунтов травы за несколько дней. Теперь йод обнаруживается в организме коровы или любого млекопитающего в основном в одном месте. Это щитовидная железа, расположенная у человека рядом с кадыком. Щитовидная железа важна, потому что она секретирует химическое вещество, которое регулирует многие функции организма. У человека они включают то, как мы сжигаем нашу пищу, и в каком настроении мы находимся. Около двадцати процентов всего йода, который усваивается, будь то радиоактивный или природный, концентрируется в этой одной довольно маленькой железе. Такая концентрация — это именно тот вид опасности, за которым мы должны следить.

Вскоре после ядерных испытаний у коров, пасущихся на пастбищах, были обнаружены аномально большие количества радиоактивного йода, хотя и не настолько большие, чтобы быть вредными. Однако у людей измеренные уровни радиоактивного йода составляют менее сотой доли того, что они составляют у коров, потому что к тому времени, когда этот радиоактивный изотоп достигает человека, он в основном распадается в стабильную, безвредную разновидность газа ксенона.

В радиоактивных обломках ядерного взрыва много потенциально опасных изотопов. Но большинство из них распадаются слишком быстро, чтобы повлиять на человека.

Изотопы, которые живут чрезвычайно долго по сравнению с продолжительностью жизни человека, также не опасны для человека. Радиоактивная частица в организме не вредна, если только она не распадается и не высвобождает свою энергию, пока человек еще жив.

Два примера долгоживущих радиоактивных изотопов, которые используются в качестве топлива в бомбах и которые могут оставаться после взрыва в больших количествах: уран²³⁵ и плутоний²³⁹. Уран²³⁵ имеет период полураспада 710 миллионов лет, что слишком долго, чтобы быть опасным. Плутоний имеет период полураспада 24 000 лет и несколько более опасен. Опасность от плутония возникает из-за того, что он испускает энергичные альфа-лучи.

Опасность от радиоактивности зависит от вида испускаемой частицы — альфа-, бета- или гамма-лучей — и от того, атакуют ли эти лучи организм изнутри или снаружи. Снаружи гамма-лучи наиболее опасны, а альфа-лучи наименее опасны. Изнутри порядок прямо противоположный.

Чтобы вызвать повреждение снаружи, излучение должно быть очень проникающим. Гамма-лучи могут пройти через все тело. Бета-лучи останавливаются в тканях кожи. Альфа-лучи не могут даже проникнуть через внешний слой неживой, защитной кожи.

Однако внутри, в чувствительных органах, малый радиус действия альфа-лучей делает их чрезвычайно опасными. Их энергия концентрируется в небольшом количестве ткани, повреждение которой является серьезным. Бета-лучи вызывают немного менее концентрированное повреждение, а гамма-лучи — наименее концентрированное из всех.

Радиоактивность может попасть в организм в виде загрязнения в пище, которую мы едим, или в воздухе, которым мы дышим. Однако, чтобы быть опасной, она должна оставаться в организме, будь то в кишечнике, легких или других жизненно важных органах, достаточно долго для того, чтобы произошли распады, которые ионизируют и повредят живые клетки.

К счастью, плутоний в нашей пище легко выводится из организма. Только несколько тысячных долей процента того, что съедается, фактически усваивается. При вдыхании крупные частицы задерживаются в носовых проходах. Мелкие частицы попадают в легкие, но быстро выдыхаются. Усваиваются только частицы среднего размера. Однако плутоний, который усваивается, обычно откладывается в костях, где он остается в течение длительного периода времени. В целом, плутоний в небольших количествах, с которыми мы обычно имеем дело, не является одной из самых больших опасностей для людей. Пожалуй, его самое неприятное свойство заключается в том, что, будучи альфа-излучателем, его не очень легко обнаружить. Поскольку альфа-частицы не проникают через поверхность большинства радиационных счетчиков, для их обнаружения требуются специальные приборы.

Два продукта деления, которые легко усваиваются при проглатывании: стронций⁹⁰ (Sr⁹⁰) и цезий¹³⁷ (Cs¹³⁷). В зависимости от их химической формы, усваивается примерно тридцать пять процентов Sr⁹⁰ и весь Cs¹³⁷. Оба этих изотопа в изобилии образуются в процессе деления. Более того, они имеют очень «опасные» периоды полураспада — около 30 лет, — что достаточно долго, чтобы распад был пренебрежимо мал между взрывом и контактом с человеком, но достаточно коротко, чтобы распад был вероятен после контакта.

Из таких аргументов можно сделать вывод, что Sr⁹⁰ и Cs¹³⁷ являются наиболее важными изотопами для внутренней опасности от глобальных радиоактивных осадков. Можно быть достаточно уверенным, что нет других важных изотопов, потому что тщательные и обширные исследования не обнаружили значительных количеств каких-либо других изотопов в наших телах. Нам не нужно бояться, что какой-то из них был упущен из виду, потому что бета-активность продуктов деления всегда легко обнаружить.

Два главных вопроса, на которые мы должны ответить: каким именно образом опасные элементы Sr⁹⁰ и Cs¹³⁷ будут распределены в организме? И после того, как они распределятся, какой ущерб они нанесут?

Мы слишком мало знаем о химии живого организма, чтобы получить полный ответ на второй вопрос. Поэтому приходится признать, что реальную опасность нельзя выразить точным образом.

К счастью, из прямого опыта известно достаточно, чтобы получить хорошее значение для наибольшего ущерба, который может быть нанесен. В настоящей главе мы опишем то, что известно о поглощении опасных элементов организмом. В следующих главах мы перейдем к вопросу о биологических последствиях.

Мы можем начать со сравнения опасности от Cs¹³⁷ с опасностью от Sr⁹⁰. Оба этих изотопа образуются в процессе деления примерно в равных количествах. (Примерно 2 или 2,5 процента всех продуктов деления — это Sr⁹⁰, и 3 процента — Cs¹³⁷.) Они имеют примерно одинаковые радиоактивные периоды полураспада. Но они различаются в важном отношении: Cs¹³⁷ распределяется более или менее равномерно по всему организму; Sr⁹⁰ концентрируется в костях.

Cs¹³⁷ испускает большую часть своей радиоактивной энергии в виде гамма-лучей, которые вызывают ионизацию равномерно по всему организму. Sr⁹⁰, с другой стороны, испускает всю свою энергию в виде двух бета-лучей, которые имеют радиус действия всего лишь малую долю дюйма в кости. Таким образом, в одном случае энергия радиоактивного распада распределяется по всему организму; в другом — энергия откладывается только в костях.

Поскольку кости составляют около десяти процентов от общего веса тела, они подвергаются в десять раз большей дозе радиации. Кости довольно чувствительны к радиации, и передозировка может вызвать рак костей и помешать производству клеток крови, которое происходит в костном мозге. Таким образом, мы приходим к выводу, что Sr⁹⁰ является гораздо большей потенциальной опасностью, чем Cs¹³⁷. Еще один момент, который ведет к тому же выводу, заключается в том, что Cs¹³⁷ после усвоения удерживается в организме менее шести месяцев, а затем выводится. Sr⁹⁰ удерживается в течение многих лет.

С другой стороны, Cs¹³⁷ может вызвать тип повреждения, который Sr⁹⁰ вызвать не может: а именно, повреждение репродуктивных клеток. Эффект Sr⁹⁰ действительно ограничен костями и прилегающим или близлежащим костным мозгом и не достигает репродуктивных органов. В более поздней главе мы затронем вопрос генетической опасности, и тогда мы будем очень заинтересованы в Cs¹³⁷. Однако на остаток этой главы мы можем сосредоточить наше внимание на Sr⁹⁰.

Поскольку большая часть Sr⁹⁰, попадающего в организм, остается там, наиболее важные вопросы, которые остаются: как он туда попадает и сколько его туда попадает. Существенный факт в этой связи заключается в том, что Sr⁹⁰ обычно встречается в осадках в химической форме, которая легко растворяется в воде. Вода поглощается растениями через листья и корни. Животные пасутся на растениях. Люди едят растения и пьют молоко от пасущихся животных и, таким образом, подвергаются воздействию Sr⁹⁰. (См. рисунки 5 и 6.)

Можно было бы беспокоиться, потому что Sr⁹⁰ не является природным изотопом, а был создан впервые человеком в процессе деления. Вот незнакомый яд, который рассеивается по земле. Можем ли мы иметь хоть какое-то представление о том, сколько его будет усвоено людьми?

Ответ зависит от факта, который мы подчеркивали на протяжении всей этой книги: изотопы одного и того же элемента химически и биологически неразличимы. Радиоактивная разновидность стронция будет вести себя точно так же, как стабильная природная разновидность. В частности, отношение Sr⁹⁰ к стабильному стронцию в организме человека должно быть таким же, как это отношение в нашей пище. Из этой предпосылки мы можем предсказать, сколько Sr⁹⁰ попадет в организм человека.

Из общего выхода энергии деления, высвобожденной во всех ядерных испытаниях на сегодняшний день, можно точно рассчитать, сколько Sr⁹⁰ было произведено. Это количество составляет около 100 фунтов.

Примерно половина этого количества осела в местах испытаний и рядом с ними в виде ближних осадков. (Большая часть радиоактивности исходит от больших бомб, и большинство из них были взорваны на земле или над мелководьем.) Небольшая часть из 100 фунтов распалась в облаке. Остальное, примерно 50 фунтов, частично все еще находится в стратосфере, а частично было рассеяно по всему миру в виде тропосферных и стратосферных осадков. В настоящее время измерения показывают, что 25 или 30 фунтов фактически вернулись на поверхность земли. Локальные значения варьируются от примерно одной трети до более чем в два раза выше среднего глобального значения.

В северной части Соединенных Штатов, в регионах с частыми дождями, измеренные значения примерно в два раза выше среднего глобального уровня. В широтах между 10° ю. ш. и 50° с. ш. среднее значение примерно на 50 процентов выше среднего глобального уровня. Для остального мира можно найти, с некоторыми вариациями, около одной трети среднего глобального уровня.

Большая часть осадков Sr⁹⁰ улавливается в верхних двух или трех дюймах почвы. Он существует там в водорастворимой форме, которая легко усваивается растениями. Также в почве, химически неотделимый от Sr⁹⁰, находится стабильный природный стронций. Растения, животные и люди не имеют возможности различить их.

Нелегко определить, сколько природного стронция находится в форме, доступной для растений. Часть природного стронция нерастворима; а часть находится ниже глубины корней. Наша лучшая оценка заключается в том, что на акр приходится около 60 фунтов, фактически доступных для усвоения растениями. Это, конечно, среднее значение.

Количество природного стронция в организме человека — это величина, которую мы знаем довольно хорошо. Она была тщательно измерена и составляет около 0,7 грамма у среднего взрослого человека, с пропорционально меньшим количеством у детей. Теперь, поскольку мы знаем, насколько сильно Sr⁹⁰ был разбавлен в почве и сколько природного стронция в наших телах, мы можем рассчитать ожидаемое количество Sr⁹⁰ в наших костях. Учитывая многие неопределенности в расчетах, не следует ожидать слишком хорошего совпадения. Примечательный факт заключается в том, что количество Sr⁹⁰, измеренное у маленьких детей, действительно совпадает с расчетным количеством. Для взрослых измеренное значение довольно сильно отличается в меньшую сторону от расчетного, потому что кости взрослых были сформированы по большей части до того, как в окружающей среде появился Sr⁹⁰.

Тот факт, что мы можем рассчитать, сколько Sr⁹⁰ в настоящее время находится в организме, наиболее важен, потому что он дает нам уверенность в том, что мы понимаем, что происходит. Для нас особенно важно понимать, что происходит, чтобы мы могли предсказать, как ядерные испытания, проводимые сегодня, повлияют на будущие уровни Sr⁹⁰ в организме.

Из таких аргументов, как те, что мы привели, плюс записи содержания Sr⁹⁰ в костях за последние несколько лет, кажется маловероятным, что уровень Sr⁹⁰ увеличится более чем в два раза из-за уже проведенных испытаний. На самом деле этот коэффициент может быть даже меньше, как из-за смешивания стронция с более глубокими слоями почвы, так и из-за того, что радиоактивный стронций, который долго остается в земле, имеет тенденцию становиться химически менее растворимым и более тщательно смешиваться с той частью природного стронция, которая химически недоступна. Этот последний процесс называется «химическим старением».

Проследить радиоактивный стронций и нормальный стронций от почвы до пищи и костей — непростое дело. Мы должны беспокоиться о вопросе глубины стронция в почве и химической форме стронция. Полная идентичность Sr⁹⁰ и нормального стронция сохраняется только в том случае, если оба находятся в одном месте и в одной химической форме. Дополнительная трудность заключается в том, что до недавнего времени мало что было известно о поведении нормального стронция, и знания накапливаются медленно.

Гораздо больше известно о кальции. Теперь кальций и стронций ведут себя не идентично, но они ведут себя схожим образом. При переходе от почвы к человеку отношение кальция к стронцию не остается прежним, но, по крайней мере, оно меняется более или менее определенным образом. На самом деле большая часть работы по усвоению Sr⁹⁰ была проделана путем сравнения Sr⁹⁰ с кальцием.

Чтобы использовать данные по кальцию, нужно выяснить, как меняется отношение кальция к стронцию при усвоении материала в организм человека. В почве в среднем приходится около 1 части стронция на 100 частей кальция. В организме человека это отношение составляет около 1 к 1400.

Таким образом, стронций дискриминируется по отношению к кальцию при переходе от почвы к человеку примерно в 14 раз. Это фактор защиты.

Хорошо перепроверить этот вывод и выяснить, как отношение кальция к стронцию меняется шаг за шагом при переходе от почвы к человеку. Можно обнаружить фактор 1,4 при переходе от почвы к растению, фактор 7 при переходе от растения к молоку и фактор около 2 при переходе от молока к человеку. На самом деле, если мы сложим все эти факторы, мы должны ожидать, что на пути от почвы к человеку отношение кальция к стронцию увеличивается в 20 раз. Это находится в разумном, но не в отличном согласии с отношением 14, приведенным выше.

Как только фактор защиты установлен, мы можем получить значение ожидаемого усвоения стронция из того, как радиоактивный материал разбавляется кальцием, а не нормальным стронцием. Это менее прямой, но на данный момент более практичный метод, чем прямое сравнение Sr⁹⁰ и нормального стронция. Это особенно важно, когда сравниваются почвы с довольно разным содержанием кальция.

Растениям и животным необходим кальций. Когда они его не получают, у них развивается кальциевый голод. Поскольку стронций химически похож на кальций, недостаток кальция в почве легко замещается доступным стронцием. Можно ожидать, что растения, выращенные на бедной кальцием почве, и животные, выращенные на такой земле, будут демонстрировать аномально высокое содержание природного стронция, а также пропорционально высокое содержание Sr⁹⁰. Высокое содержание Sr⁹⁰ было фактически подтверждено. Некоторые овцы в Уэльсе, например, по-видимому, имеют примерно в десять раз больше среднего количества Sr⁹⁰ в своих телах.

К счастью, большинство людей получают пищу из многих областей, широко удаленных друг от друга. Почва, бедная кальцием, вряд ли обеспечит более чем малую часть пропитания человека. Однако возможность большого колебания нельзя игнорировать. В этом случае потребуются корректирующие меры. Одной простой мерой было бы удобрение бедной почвы дополнительным кальцием.

То, что почву можно успешно обрабатывать таким образом, иллюстрируется нынешней ситуацией в Уэльсе. Овцы с аномально высоким содержанием Sr⁹⁰ все происходят с крутых, бедных пастбищ, которые не известкуются. Овцы с нижних пастбищ, которые известкуются (не из-за радиоактивных осадков, а по экономическим причинам), показывают активность лишь в одну треть от значения, упомянутого выше.

Мысль, которую мы пытались донести в этой главе, заключается в том, что нынешние уровни Sr⁹⁰ у людей могут быть удовлетворительно объяснены простыми аргументами, основанными на химическом сходстве элементов и идентичности изотопов. Эти аргументы дают нам уверенность в том, что мы правильно понимаем, как Sr⁹⁰ и сколько Sr⁹⁰ попадает из почвы в организм человека.

В то же время мы увидели, как много факторов влияют на конечное усвоение организмом человека: географическая широта, частота выпадения осадков, химическая форма, в которой находится стронций, содержание кальция в почве, метод ведения сельского хозяйства. Несмотря на то, что Соединенные Штаты энергично ведут это исследование с 1952 года, основная часть работы еще впереди.

Например, в Соединенных Штатах молочные продукты обеспечивают большую часть кальция и стронция в нашем рационе. В Японии, однако, ситуация несколько иная. Там основным источником кальция и стронция является рис. В результате отношение стронция к кальцию может проходить иначе от почвы к человеку. Также радиоактивный стронций из осадков может быть вымыт глубже в почву, и отношение растворимого к нерастворимому может быть другим.

Учитывая сложный характер усвоения Sr⁹⁰ человеком, важно внимательно следить за фактическими уровнями Sr⁹⁰ в почве, в нашей пище и в наших собственных телах. Следующие графики показывают, как эти уровни выросли за последние несколько лет из-за испытаний бомб:

Sr⁹⁰ в почве — измеряется в тысячных долях грамма на квадратную милю.

Среднее содержание Sr⁹⁰ в молоке в США — измеряется в триллионных долях грамма на кварту.

Средние дозы радиации от Sr⁹⁰ в костях маленьких детей (США) — измеряются в рентгенах в год.

Фактические количества Sr⁹⁰ в почве, в молоке и в костях маленьких детей известны лишь приблизительно. Но главный момент, который мы пытаемся проиллюстрировать, заключается в том, что с 1954 года накопление Sr⁹⁰ продолжалось довольно устойчивыми темпами. Как долго будет продолжаться это накопление?

В 1954 году в ходе испытаний было высвобождено больше радиоактивности, чем во все остальные годы вместе взятые. Вероятно, более половины этой активности уже осела. С тех пор энергия деления, производимая в испытаниях США, неуклонно снижалась. Более того, мы научились минимизировать глобальные радиоактивные осадки, используя наземные взрывы, которые осаждают большую часть своей активности в ближних осадках рядом с испытательным полигоном. Также можно поместить химические добавки рядом с бомбой, чтобы превратить стронций в более нерастворимую форму или в форму, которая легче выпадет в непосредственной близости от взрыва. И что самое важное — мы разрабатываем чистые ядерные устройства, которые производят ударную волну и тепло, но значительно сниженную радиоактивность. В будущем это чистое оружие может полностью устранить дополнительную радиоактивность.

Трудно делать прогнозы относительно планов всех стран. Если мы обнаружим — и другие тоже обнаружат, — что чистые виды оружия являются наиболее предпочтительными, общее загрязнение стронцием вряд ли превысит нынешние показатели более чем в два-четыре раза. Мы полагаем, что все доводы — уважение к человеческой жизни, военные соображения и элементарный здравый смысл — ведут к одному выводу. При разработке ядерных взрывных устройств мы должны стремиться сделать их чистыми. Но истинная причина этого кроется не в незначительном загрязнении вследствие испытаний. Истинная причина заключается в том, что война может превратить загрязнение в угрозу для бесчисленного множества людей.

ГЛАВА XII Угроза для личности

Какой вред наносят атомные испытания? Некоторые ученые утверждают, что только от прошлых испытаний во всем мире преждевременно погибнет около 50 000 человек. Единого мнения по этому вопросу нет. Некоторые считают, что это число должно быть меньше. Возможно, что радиоактивность оказывает некоторые эффекты, которые скорее продлевают жизнь, чем сокращают ее. Но даже если бы все биологические последствия радиации были известны, многие вопросы все равно требовали бы ответов. Можно ли оправдать испытания, если они действительно сокращают чьи-то жизни? Даже возможность угрозы здоровью должна восприниматься со всей серьезностью. С другой стороны: существуют ли какие-либо причины, делающие продолжение испытаний необходимым?

Мы вернемся к этим вопросам в следующей главе. Сначала, однако, мы попытаемся представить читателю известные факты об опасности радиоактивных осадков для отдельного человека. Мы попытаемся оценить эту опасность, сопоставив ее с другими, более привычными опасностями, которым подвергаемся все мы. В следующей главе мы обсудим, как радиоактивные осадки могут повлиять на будущие поколения.

Опасности, исходящие от больших доз радиации, хорошо известны. Облучение всего тела дозой в тысячу рентген почти наверняка приводит к смерти менее чем через тридцать дней. Четыреста или пятьсот рентген дают пятидесятипроцентную вероятность выживания. При дозе менее ста рентген опасности немедленной смерти нет. Три года назад жители Маршалловых островов получили дозу в 175 рентген. Никто не умер. По-видимому, все они здоровы.

В течение более длительных периодов времени можно перенести даже большие дозы радиации. Тысяча рентген, распределенная на всю жизнь, не вызывает видимых биологических последствий в отдельных случаях. Грубое правило (которое не слишком хорошо обосновано) гласит, что можно перенести в пять раз больше радиации, если получать ее небольшими дозами за один раз.

Сто рентген, полученные однократно, или доза, в несколько раз превышающая эту величину, полученная за длительный период времени, не вызовут болезни или смерти, которые можно было бы напрямую связать с радиацией. Однако такая доза радиации может иметь вредные биологические последствия, которые являются более тонкими. У облученного человека может развиться повышенная восприимчивость к определенным заболеваниям, в частности к раку костей и лейкемии. Лейкемия — это смертельное заболевание, при котором белые кровяные тельца размножаются слишком быстро.

Человек, получивший сто рентген, не обязательно заболеет раком костей или лейкемией. Скорее, вероятность того, что он заболеет этими болезнями в течение жизни, могла увеличиться. Знания такого рода можно получить только с помощью статистики.

Если, например, большое количество мышей получает тяжелую дозу радиации в течение длительного периода времени, обнаруживается, что частота опухолей и лейкемии среди таких облученных животных выше, чем естественная частота этих заболеваний.

Прямых доказательств на людях, к счастью, довольно мало. Существует статистика по выжившим в Хиросиме и Нагасаки, а также по радиологам. Последняя группа, вероятно, получает несколько сотен рентген в течение своей профессиональной жизни. Кроме того, существует некоторая статистика по детям, которые лечились большими дозами радиации от увеличения вилочковой железы. Люди, страдающие анкилозирующим спондилитом, болезненным заболеванием суставов позвоночника, также лечились большими дозами рентгеновского излучения. Статистика во всех этих случаях приводит к одному и тому же выводу: большие дозы радиации увеличивают вероятность того, что жизнь человека будет сокращена из-за лейкемии и, возможно, других видов рака. Более того, представляется (в основном на основе экспериментов на животных), что повышенная вероятность просто пропорциональна полученному количеству радиации, по крайней мере для доз в районе нескольких сотен рентген.

Конечно, это звучит пугающе. Но дозы радиации от глобальных радиоактивных осадков находятся в совершенно ином классе, чем те, которые мы обсуждали. Они гораздо меньше. В среднем человеческие кости получают около 0,002 рентгена в год от Sr⁹⁰ в составе радиоактивных осадков. Кроме того, все тело получает примерно такое же количество гамма-лучей, в основном от Cs¹³⁷. Эти цифры относятся к новой костной ткани у маленьких детей, выросших в среде с наличием Sr⁹⁰ в северной части Соединенных Штатов. Это регион максимальных радиоактивных осадков. Взрослые, чьи кости сформировались по большей части до начала атомных испытаний, получают около 0,0003 рентгена в год от Sr⁹⁰. Ни одна из этих цифр не кажется тревожной.

При нынешнем уровне пожизненная доза в северной части США составляет лишь малую долю рентгена. Редкий человек может получить в несколько раз больше. Если испытания продолжатся нынешними темпами, уровни радиации могут увеличиться в пять раз. Однако даже в этой ситуации трудно представить, чтобы кто-то получил пожизненную дозу более пяти или десяти рентген от глобальных радиоактивных осадков. Более разумная оценка средней пожизненной дозы составила бы несколько рентген или меньше.

Можно было бы сделать вывод из этих цифр, что от радиоактивных осадков нет никакой опасности. Этот вывод, однако, может быть неверным.

Опасность от таких малых доз радиации определить непросто. Даже лучшие статистические методы недостаточны. Ищутся малые эффекты, которые проявляются только после изучения миллионов случаев. Эксперименты на животных в таких условиях проводить чрезвычайно сложно. Прямой контролируемый опыт на людях, конечно, невозможен. В результате приходится делать выводы на основе эффектов при более высоких уровнях доз, где были получены экспериментальные данные.

Это можно сделать многими способами. Один из способов — предположить, что закон пропорциональности действует вплоть до самых малых доз. Это означает, что один рентген вызывает в сто раз меньше случаев рака костей и лейкемии, чем 100 рентген. Этот закон правдоподобен. Он отнюдь не доказан.

Рассуждая таким образом, можно обнаружить, что на каждую мегатонну энергии деления, которая выходит за пределы места испытаний в виде глобальных радиоактивных осадков, жизни примерно четырехсот человек будут сокращены из-за лейкемии или рака костей. При нынешних условиях испытаний примерно половина продуктов деления оседает в виде локальных радиоактивных осадков в месте испытаний и рядом с ним. Таким образом, на каждую взорванную мегатонну энергии деления, возможно, 200 человек могут заболеть лейкемией или раком костей. Эта цифра может быть на самом деле выше, возможно, даже тысяча человек или более на мегатонну. Она также может быть ниже. Она может быть равна нулю.

Возможно, что радиация интенсивностью ниже определенного уровня вообще не вызывает рак костей или лейкемию. В прошлом малые дозы радиации часто считались полезными. Это не было подтверждено никакими научными данными. Сегодня многие хорошо информированные люди считают, что радиация вредна даже в самых малых количествах. Это утверждение повторялось в авторитетной манере. На самом деле, не может быть сомнений в том, что радиация вредит отдельной клетке. Но живое существо — это сложнейшая вещь. Повреждение небольшой части клеток может быть полезным для организма в целом. Некоторые эксперименты на мышах, по-видимому, показывают, что воздействие небольшой дозы радиации увеличивает продолжительность жизни животных. Научная истина тверда — когда она полна. Данные о том, что небольшая доза радиации сделает со сложным животным, таким как человек, находятся в начальном и неопределенном состоянии.

В любом случае, количество дополнительных случаев лейкемии и рака костей из-за радиации от радиоактивных осадков, безусловно, слишком мало, чтобы быть замеченным на фоне естественной заболеваемости этими расстройствами.

В ближайшие тридцать лет около 6 000 000 человек во всем мире умрут от лейкемии и рака костей. Исходя из прошлых испытаний, которые включали взрыв около пятидесяти мегатонн энергии деления, существует вероятность того, что может произойти еще 50 × 200, то есть 10 000 случаев. Статистические методы не способны найти разницу между 6 000 000 и 6 010 000. Нет способа отличить случаи лейкемии и рака костей, вызванные радиоактивными осадками, от тех, которые возникают естественным путем.

Возможное сокращение десяти тысяч жизней может показаться довольно зловещим. Но одни лишь цифры могут вводить в заблуждение. Лучший способ оценить опасность от радиоактивных осадков — сравнить ее с другими, более привычными опасностями. Такое сравнение можно провести с естественным фоном космических лучей и радиоактивности в земле и в наших собственных телах.

Мы постоянно и неизбежно подвергаемся воздействию этого излучения. Наши предки подвергались ему. Человечество эволюционировало в такой радиоактивной среде. Более того, биологические эффекты от различных видов излучения можно осмысленно сравнивать в терминах рентген. Поэтому опасность от Sr⁹⁰ не является неизвестной во всех отношениях. В некотором смысле она очень хорошо известна, потому что мы и все живые существа проводили свои дни в столь же опасном окружении. Мы живем на земле, в породах которой есть радиоактивность, которая несет аналогичную активность в своих водах и которая подвергается со всех сторон дождю частиц, вызывающих эффекты, идентичные эффектам радиоактивных материалов.

Не все излучения, имеющие одинаковую интенсивность (одинаковое количество рентген), имеют точно такой же эффект. Ущерб также несколько зависит от расстояния между ионизированными и разрушенными молекулами. Космические лучи и Sr⁹⁰, однако, довольно похожи даже в этом отношении.

Читатель вспомнит, что расстояние между ионизациями зависит только от заряда и скорости ионизирующей частицы. Ионизирующая частица от Sr⁹⁰ — это энергичный бета-луч, который имеет заряд один и скорость, близкую к скорости света. Большая часть фонового излучения, достигающего наших костей, исходит от космических лучей. Основная часть космических лучей обусловлена мезонами. Мезон, как и бета-луч, имеет единичный заряд и скорость, близкую к скорости света. Поэтому можно ожидать, что обе частицы будут производить идентичные биологические эффекты. Единственная разница между их эффектами заключается в том, что бета-луч не обладает достаточной энергией, чтобы покинуть кости, в то время как мезон настолько энергичен, что отдает свою энергию как в наших костях, так и во всем теле. Таким образом, если мы сравним дозу Sr⁹⁰ с такой же дозой космических лучей, следует ожидать одинакового эффекта для костей. Но космические лучи вызывают дополнительные эффекты в наших телах.

Общая фоновая доза для костей составляет около 0,15 рентгена в год для среднего человека, живущего на уровне моря в Соединенных Штатах. Из этого количества около 0,035 рентгена приходится на космические лучи. На больших высотах доза космических лучей увеличивается. В Денвере, на высоте 5000 футов, космические лучи дают 0,05 рентгена в год.

Приведенные выше цифры следует сравнить с нынешним уровнем глобального радиоактивного облучения костей: около 0,003 рентгена в год (от Sr⁹⁰ и других источников). Таким образом, радиация от радиоактивных осадков составляет лишь несколько процентов от естественного космического излучения. Она мала даже по сравнению с изменением интенсивности космических лучей между уровнем моря и высотой 5000 футов.

Искалась корреляция между частотой лейкемии и рака костей и интенсивностью естественного излучения. Доступна некоторая статистика за 1947 год, до начала испытаний оружия. Она показывает количество случаев этих заболеваний, произошедших в том году на 100 000 населения.

| Bone Cancer | Leukemia
Denver | 2.4 | 6.4
New Orleans | 2.8 | 6.9
San Francisco | 2.9 | 10.3

Дополнительная радиация, которую человек получает в Денвере от космических лучей, во много раз больше, чем радиация от радиоактивных осадков. Но таблица не показывает повышенной заболеваемости раком костей или лейкемией. Напротив — заболеваемость этими болезнями в Денвере даже ниже.

Не все естественное фоновое излучение обусловлено космическими лучами. Часть фона исходит от природных радиоактивных элементов в почве и питьевой воде. К ним относятся уран, калий⁴⁰, торий и радий. Радий ведет себя как кальций и стронций и откладывается в наших костях. Все эти эффекты, насколько нам известно, по крайней мере так же интенсивны в районе Денвера, как в Сан-Франциско или Новом Орлеане.

Одно из возможных объяснений более низкой заболеваемости раком костей и лейкемией в Денвере заключается в том, что разрушительные процессы, такие как радиация, не обязательно вредны в достаточно малых дозах. Ухудшение и восстановление клеток постоянно происходят в живых существах. Незначительное ускорение этих процессов могло бы, по-видимому, быть полезным для организма. Не следует забывать, что, хотя радиация может вызывать рак, она использовалась в массивных дозах для замедления, а иногда даже для лечения рака. Причина в том, что некоторые раковые клетки сильнее повреждаются радиацией, чем нормальные клетки.

Несмотря на таблицу, однако, может существовать повышенная склонность к раку костей и лейкемии, возникающая в результате жизни в Денвере. Если это так — а это главный момент, — эффект слишком мал, чтобы его можно было заметить по сравнению с другими эффектами. Мы должны помнить, что Денвер отличается от Нового Орлеана и Сан-Франциско во многих отношениях (помимо высоты), и эти различия также могут влиять на статистику.

Более тщательное рассмотрение фонового излучения дает дополнительные доказательства того, что это излучение важнее, чем нынешние или ожидаемые эффекты Sr⁹⁰. Было замечено, что радий, откладывающийся в наших костях из питьевой воды, достигает значений до 0,55 рентгена в год. Кроме того, более тяжелые и медленные альфа-частицы, испускаемые радием, вызывают процессы ионизации, которые происходят с меньшим интервалом и поэтому более разрушительны, чем ионизация из-за Sr⁹⁰. Хуже того, радий откладывается в наших костях в виде маленьких узелков (горячих точек). Таким образом, возможность локального повреждения возрастает.

Фоновое излучение, которому мы подвергаемся, варьируется по некоторым неожиданным причинам. Недавно было отмечено, что кирпич может содержать больше естественной радиоактивности, чем дерево. Разница между жизнью в кирпичном доме и жизнью в деревянном доме может привести к десятикратному увеличению радиации по сравнению с тем, что мы получаем в настоящее время от радиоактивных осадков. (Дополнительная радиация от кирпича может составлять до 0,03 рентгена в год.)

Люди подвергаются воздействию радиации не только из природных источников, но и из искусственных. Один из них — ношение наручных часов со светящимся циферблатом. Другой — прохождение рентгена в медицинских целях. Оба этих источника дают гораздо больше радиации, чем радиоактивные осадки.

Из всего ионизирующего излучения, которому мы подвергаемся, рентгеновские лучи наиболее важны. В некоторых случаях медицинские рентгеновские лучи имеют интенсивность, которая заметно вредна. Тем не менее этот ущерб практически всегда имеет малое значение по сравнению с преимуществом от правильного распознавания любой проблемы, которую выявляет рентген.

Мы можем резюмировать следующим образом. Наши знания об эффектах радиоактивных осадков недостаточны. Мы не можем точно сказать, сколько жизней может быть подорвано или сокращено. С другой стороны, наших знаний достаточно, чтобы утверждать, что эффект радиоактивных осадков находится ниже статистически наблюдаемого предела. Он также значительно меньше эффекта, производимого переездом с уровня моря в возвышенную местность, такую как Денвер, где космическое излучение имеет большую интенсивность. Он также меньше, чем ежегодное прохождение рентгена грудной клетки. Другими словами, мы знаем достаточно, чтобы утвердительно заявить, что опасность от глобальных радиоактивных осадков меньше, чем многие другие радиационные эффекты, которые не беспокоили людей и не беспокоят их сейчас.

Мы сравнили радиацию от радиоактивных осадков с радиацией из других источников. Также возможно и полезно сравнить опасность от радиоактивных осадков с другими видами опасностей. Для этой цели удобно выразить все опасности в терминах сокращения ожидаемой продолжительности жизни. Например, выкуривание одной пачки сигарет в день, по-видимому, сокращает ожидаемую продолжительность жизни примерно на 9 лет. Это эквивалентно 15 минутам на сигарету. То, что сигареты настолько вредны, конечно, не известно с уверенностью. Это «лучшее предположение», сделанное доктором Хардином Джонсом на основе анализа статистических данных. Ряд статистических выводов доктора Джонса приведен в следующей таблице: [13]

| Reduced Life Expectancy
Being 10 per cent overweight | 1.5 years
Smoking one pack of cigarettes a day | 9 years
Living in the city instead of the country | 5 years
Remaining unmarried | 5 years
Having a sedentary job instead of one involving exercise | 5 years
Being of the male sex | 3 years
Automobile accidents | 1 year
One roentgen of radiation | 5 to 10 days
The world-wide fallout (lifetime dose at present level) | 1 to 2 days

Читатель увидит, что глобальные радиоактивные осадки так же опасны, как лишний вес в одну унцию или выкуривание одной сигареты каждые два месяца.

Как люди получают радиацию Средняя доза в рентгенах в год

Может возникнуть возражение, что радиоактивные осадки, хотя еще и не опасны, могут стать таковыми по мере того, как все больше стран разрабатывают и испытывают атомное оружие. По этому пункту мы можем только сказать, что будущее предсказать нелегко. Некоторые факторы, однако, оправдывают оптимизм. Мы учимся регулировать радиоактивные осадки, взрывая бомбы в подходящих условиях. Разработка чистых бомб значительно уменьшит производимую радиоактивность. Глубокие подземные испытания полностью устранят радиоактивные осадки. Активность, выброшенная в атмосферу в 1954 году, была значительно больше активности, выброшенной в любой другой год. Весьма вероятно, что активность, производимая испытаниями Соединенных Штатов, будет продолжать снижаться.

Наконец, мы можем заметить, что радиация неспецифична в своих эффектах. Химические вещества специфичны. Об эффектах нового ингредиента в нашем рационе, в наших лекарствах или в воздухе, которым мы дышим, мы знаем гораздо меньше, чем о радиации. Если бы мы беспокоились о своем невежестве относительно нашего химического окружения так же, как мы беспокоимся о возможных эффектах радиации, мы были бы обречены на консерватизм, который остановил бы все изменения и подавил бы весь прогресс. Такой консерватизм был бы более неподвижным, чем империя фараонов.

Утверждалось, что подвергать опасности любую человеческую жизнь неправильно. Не является ли более реалистичным и, по сути, более соответствующим идеалам гуманизма стремиться к лучшей жизни для всего человечества?

ГЛАВА XIII Угроза для человеческого рода

Радиация может навредить отдельному человеку. Она также может быть вредной для наших детей и навредить человеческому роду. Мы видели, что опасность от радиации вследствие испытаний мала по сравнению со многими рисками, которые мы привычно принимаем и почти всегда игнорируем, которые, по сути, мы вынуждены игнорировать, чтобы продолжать жить в этом цивилизованном мире. Кроме того, мы даже не совсем уверены, что угроза для личности реальна.

Однако не может быть сомнений в том, что радиация действительно вызывает некоторые вредные изменения у наших детей. Что кажется еще более пугающим, так это то, что эти изменения могут проявиться не у наших детей, а только у их детей или последующих потомков. Опасность, которая может оставаться скрытой на протяжении поколений, может казаться более ужасающей, особенно потому, что часто повторялось, что все такие радиационные эффекты вредны.

Мы передаем наши свойства грядущим поколениям самым любопытным и концентрированным образом. От матери и отца ребенок наследует ряд хромосом, по двадцать четыре от каждого. [14] Это структуры, вдоль которых нанизаны фактические носители свойств — гены.

Мы начинаем понимать кое-что о природе генов. По-видимому, это очень большие спиральные молекулы. Они несут генеральный план нашего тела и даже нашего характера в странном химическом коде.

Законы наследственности сложны из-за того, что на одно и то же свойство влияет ген от каждого родителя. Часто эти два гена диктуют разное поведение, и тогда результат представляет собой компромисс, иногда равноправный, иногда несбалансированный. Но из двух генов только один найдет путь к ребенку следующего поколения. Компромисс временный, и исходные свойства могут проявиться снова. Какая из любой пары хромосом (или из двух наборов генов) будет передана дальше — дело случая. В мире клеток, как и в мире атомов, именно случай определяет будущее, а не судьба.

Из всех этих фактов нас должен особенно интересовать один. Единицы наследственности довольно постоянны, но не совсем неизменны. Существует небольшая вероятность того, что любой ген может подвергнуться мутации. То есть он может превратиться в новое химическое вещество, несущее новый код и новые свойства.

Ген — это чрезвычайно тонко и точно устроенный объект. Он должен быть таким, чтобы нести все расовое прошлое в столь малом материале. Мутация из-за случайности почти в каждом случае испортит этот порядок. Подавляющее большинство мутаций вредны. Многие из них летальны.

Невероятный факт, что эти случайные мутации, почти всегда вредные и никогда не происходящие по какому-либо плану, должны были в конечном итоге отвечать за все многие прекрасные и совершенные живые существа, которые произвела природа (и это включает человеческий род). Нить, ведущая от одиночных клеток к клеточным колониям, червям, рыбам, позвоночным, млекопитающим и людям, конечно, не кажется делом случая. Еще меньше она кажется делом азартной игры, где один шанс на небольшое улучшение противопоставляется тысяче шансов на деформацию или смерть. Тем не менее, именно такая ужасная азартная игра произвела как человеческое тело, так и, в некотором роде, человеческий дух.

Большие числа — странные вещи, и когда каждому члену огромного собрания должно быть уделено индивидуальное внимание, тогда числа еще труднее оценить. Миллиарды современных жизней в миллиардах различных поколений привели к невероятному результату: гармонии жизни, созданной азартной игрой.

Радиация, безусловно, разрушительна. Она действительно вызывает мутации. Поскольку гены, по-видимому, являются одиночными молекулами, один процесс ионизации или возбуждения, скорее всего, приведет к изменению. Как было сказано ранее, есть сомнения, может ли рак и лейкемия быть вызваны чрезвычайно малым количеством радиации. Однако мало сомнений в том, что мутации могут быть вызваны любым малым количеством радиации. Чем меньше радиации, тем меньше шанс. Но шанс будет всегда.

Очень большое увеличение естественной частоты мутаций действительно могло бы иметь ужасающие последствия. Мы можем быть вполне уверены, однако, что радиация от атомных испытаний увеличит вероятность мутаций лишь на очень малую величину.

Аргумент по существу такой же, как и тот, что касается угрозы для личности. Испытания ответственны за 0,001 или 0,002 рентгена в год для человеческих репродуктивных клеток. Это эквивалентно примерно 0,05 рентгена на поколение. Большая часть этой радиации обусловлена гамма-лучами от Cs¹³⁷, который был осажден на землю или поглощен в организме. Количество мутаций, вызванных этой радиацией, следует сравнивать с количеством естественных мутаций.

Некоторые естественные мутации вызваны теплом и химическими веществами. Некоторые обусловлены фоновым излучением, космическими лучами или гамма- и бета-лучами, испускаемыми природными радиоактивными веществами в наших телах или рядом с ними. Наша лучшая оценка заключается в том, что 10 процентов естественных мутаций обусловлены фоновым излучением.

За период одного поколения доза фонового излучения для человеческих репродуктивных клеток составляет примерно пять рентген. Предполагая простую пропорциональность между дозой и количеством мутаций, следует, что пятьдесят рентген потребовались бы для индукции количества мутаций, равного общему количеству естественных мутаций (от фонового излучения и всех других причин). То есть пятьдесят рентген — это «удваивающая доза».

Таким образом, атомные испытания увеличивают количество мутаций примерно на 0,05 ÷ 50, что составляет 0,1 процента. Такое увеличение частоты мутаций, безусловно, не кажется серьезным поводом для беспокойства.

На самом деле количество мутаций от испытаний очень мало даже по сравнению с географическими и высотными вариациями естественной радиоактивности. Империя инков существовала на протяжении многих поколений в высокогорье Перу. Жители Тибета подвергались поколение за поколением воздействию большей интенсивности космических лучей, которые бомбардируют их через более тонкий слой атмосферы. Эти люди подвергались гораздо большему дополнительному облучению, чем что-либо, вызванное атомными испытаниями. Тем не менее генетических различий не было замечено ни в человеческом роде, ни, если уж на то пошло, в любом другом живом виде в Перу или Тибете. Мы здесь, безусловно, говорим о вопросах, которые могут сильно ударить по некоторым индивидуумам, но которые с точки зрения сообщества или расы не являются серьезными.

Часто повторялось, что все мутации из-за радиации вредны. Есть все основания полагать, что мутации из-за радиации не отличаются по своей природе от других мутаций. Должны ли мы тогда всерьез верить, что все мутации вредны? То, что большинство из них таковы, признается. Если бы все они действительно всегда были вредны, мы должны были бы отрицать простейшие факты эволюции.

Найдутся те, кто будет утверждать, что человеческий род не способен к улучшению. Такой аргумент неопровержим. Он также неразумен. То, что не может быть далее улучшено, совершенно, и не многие люди будут утверждать, что наш вид может претендовать на совершенство.

Был выдвинут другой и гораздо более правдоподобный аргумент: в диком состоянии живые виды совершенствуют себя посредством естественного отбора. Человеческое общество, заботясь о несовершенном и дефектном индивиде, устранило естественный отбор. Поэтому дальнейшие мутации не улучшат человечество.

Очень трудно обсуждать этот вопрос по той простой причине, что аргумент включает взаимодействие двух процессов, чрезвычайно различных по величине и, по сути, различных по своей природе. С одной стороны, он касается эволюции, которая протекает медленным, размеренным путем ледника. С другой стороны, он фокусирует внимание на процессе человеческой цивилизации с ее техническими и социальными изменениями, который набрал импульс, подобный лавине. Импульс все еще есть, и он все еще растет, и куда мы приземлимся, мы не знаем. Рассматривать движение ледника, будучи увлеченным лавиной, — значит полностью исказить пропорции. Задолго до того, как нынешние темпы мутаций могли бы оказать какое-либо влияние на человеческий вид, мы будем жить в совершенно другом мире, и мы начнем влиять на наше собственное поведение, включая способы отбора, естественные или иные, способами, которые сегодня мы не можем предвидеть.

Если мы обсуждаем вопрос о том, как цивилизация повлияет на естественный отбор, мы не будем делать это с надеждой прийти к твердому ответу. Мы сделаем это скорее для того, чтобы проиллюстрировать, насколько сомнительны все аргументы, касающиеся взаимодействия двух процессов, которые нельзя измерить одной и той же шкалой.

Правда, что мы можем и действительно сохраняем жизни детей, которые из-за наследственных слабостей погибли бы в естественных условиях. Правда и то, что мы делаем это по причинам и из чувств, касающихся индивидуума, и мы делаем это без учета последствий для расы. Однако в наших нынешних условиях цивилизации болезнь, которую можно исправить введением химических веществ или использованием ножа хирурга, больше не является болезнью в эффективном смысле. В наших нынешних условиях такая жизнь может быть столь же ценной для общества и для расы, как жизнь, не имеющая этих поверхностных недостатков. То, что мы можем и действительно сохраняем больше жизней таким образом, только подчеркивает, что в нынешних условиях биологические различия, которые раньше были важны, больше не имеют значения.

С другой стороны, в социальной жизни многие свойства, которые раньше были безразличны для дикого существа, приобрели большое значение. Способность общаться и ладить с нашими собратьями — не единственное, но, пожалуй, самое очевидное из таких свойств. Борьба за существование стала более мягкой, и шанс любого индивидуума продолжать жить в своих детях определяется новыми способами поведения. Тем не менее разница между индивидуумом, адаптированным к цивилизованной жизни, и тем, кто не адаптирован, имеет большое значение и будет иметь еще большее значение. Вероятно, что цивилизация не устранит эволюцию расы. Скорее, она направит ее на новые пути.

Но величайшего изменения можно ожидать с совершенно другой стороны. Мы собираемся понять в реальных деталях тонкости человеческой наследственности. Тогда мы столкнемся с проблемами и найдем возможности совершенно нового и иного рода. Интерес человека к своим детям не является поверхностным. Это одна из самых сильных и длительных сил в биологии, социологии и истории. Четкое понимание деталей наследственности может привести к некоторым серьезным трудностям, потому что новая ситуация никогда не вписывается легко в существующие модели жизни. В конце концов, большее понимание может привести к улучшениям такого рода, по сравнению с которыми все стоящие вещи, которые были достигнуты до сих пор, могут показаться неважными.

Истинное значение радиоактивности для наследственности заключается не в том, что мы можем ускорить ледник на один дюйм за тысячелетие. Истинное значение ядерного излучения скорее в том, что оно помогает нам понять странные процессы жизни и любопытные вещества, которые соединяют одно поколение с другим.

ГЛАВА XIV Кобальтовая бомба

Ядерные взрывы кажутся ужасными по многим причинам. Они были представлены неподготовленному миру как драматический сюрприз — как кульминация бойни Второй мировой войны. Их разрушительная сила фантастична. Прежде чем мы успели приспособить наше мышление к атомным бомбам, был изобретен еще более мощный инструмент войны — водородная бомба. Хуже всего: к страху разрушения добавился ужас перед неизвестным. Неудивительно, что обсуждение ядерного оружия не велось на чисто рациональном уровне.

К кошмару атомных и водородных бомб добавилась — не как реальность, а как дальнейшая угроза — кобальтовая бомба. Идея такой бомбы заключается в том, чтобы усилить самый ужасающий аспект ядерных взрывов: радиоактивность. Эта радиоактивность могла бы быть использована для отравления врага. Она могла бы выйти из-под контроля и отравить всех.

Кобальт⁶⁰ — это радиоактивный изотоп довольно распространенного металла кобальта. Его можно легко получить путем поглощения медленных нейтронов в природном и стабильном кобальте⁵⁹. Он имеет период полураспада пять лет и испускает проникающие гамма-лучи. Эти свойства делают его полезным в терапии рака.

Многие раковые новообразования более чувствительны к радиации, чем здоровая ткань. Поэтому радиация может быть использована для уменьшения — иногда даже для уничтожения — опасных опухолей. Проникающие лучи кобальта⁶⁰ могут достичь рака даже глубоко внутри человеческого тела. Время жизни кобальта⁶⁰ достаточно велико, чтобы это вещество было легко установлено в больницах.

Но те же свойства, которые делают кобальт⁶⁰ полезным, также делают его потенциально опасным. Ядерный взрыв производит много нейтронов, и они могут быть поглощены обычным кобальтом. Радиоактивность, произведенная таким образом, живет достаточно долго, чтобы стать широко распространенной. Ее луч может легко проникнуть через фут каменной кладки и несколько сотен футов воздуха. Кобальтовая бомба действительно была бы крайне неприятным объектом. (См. рисунки 7 и 8.)

Одна широко обсуждаемая возможность заключается в том, что будущие ядерные испытания будут использованы для разработки кобальтовой бомбы или других бомб для радиологической войны. На самом деле испытания имеют мало общего с кобальтовой бомбой. Как только у вас есть мощное ядерное оружие, такое как водородная бомба, относительно легко сделать радиологическую бомбу. Дальнейшие испытания не обязательно требуются. В той мере, в какой необходимо проводить какие-либо испытания, нужно лишь активировать умеренное количество вещества, чтобы выяснить, каким образом определенная бомба будет функционировать как инструмент радиологической войны. Испытания такого рода добавили бы лишь незначительное количество радиоактивности в атмосферу. Поэтому в связи с программой испытаний нам не нужно беспокоиться о кобальтовой бомбе или любом связанном с ней эксперименте. Вопрос о кобальтовой бомбе или радиологической войне в целом не в том, осуществима ли она — она осуществима, — а скорее в том, служит ли она полезной военной цели.

Не исключено, что могут возникнуть ситуации, в которых радиологическая война могла бы быть военным преимуществом. Вместо кобальта другие материалы могут быть помещены рядом с ядерными бомбами. Таким образом могут быть произведены другие радиоактивные вещества. Путем соответствующего выбора такого вещества можно получить радиоактивный материал, который при осаждении рядом с точкой взрыва будет загрязнять местность в течение времени, которое может быть скорректировано в соответствии с военными требованиями. Время жизни радиоактивного материала может быть достаточно долгим, чтобы дать возможность людям покинуть загрязненную зону. В то же время можно осадить почти всю активность рядом со взрывом, чтобы отдаленные местности не были серьезно затронуты. Поэтому вполне возможно, что радиологическая война могла бы быть использована гуманным образом. Взорвав оружие такого рода рядом с островом, можно было бы заставить эвакуироваться без потери человеческих жизней. Никакой инструмент, даже оружие, не является злом сам по себе. Все зависит от того, как он используется.

Общественное мнение почти убедило себя в том, что ядерное оружие будет использовано не для военной цели, а для того, чтобы терроризировать и убить наибольшее количество людей. Это технически осуществимо. На самом деле, для этого даже не требуется атомная бомба. Последние сто лет эта возможность была с нами. Бактериологическая война может вызвать широкомасштабное разрушение. Тем не менее никто не прибегал к этому ужасному способу ведения войны. Мы не верим, что кто-то подвергнет своего врага и в конечном итоге самого себя неизбирательному бактериологическому или радиологическому разрушению. Наша гарантия против этой опасности не в том, что это невозможно сделать. Наша гарантия — лучшая и более здравая часть человеческой природы: воля к выживанию и чувство общей порядочности.

ГЛАВА XV Что насчет будущих испытаний?

Многие люди считают, что испытания следует прекратить. Это чувство широко распространено и сильно. Вопрос об испытаниях, очевидно, важен. Он может повлиять на нашу безопасность как индивидуумов. Он, безусловно, повлияет на нашу безопасность как нации. Если в свободной, демократической стране большинство считает, что что-то должно быть сделано — это будет сделано. Суверенная власть в демократии — это «народ». Чрезвычайно важно, чтобы люди были честно и полностью информированы обо всех соответствующих фактах. Никаким другим способом нельзя принять здравое решение. Основные и соответствующие факты просты. Историю можно представить без ненужных прикрас или излишних эмоций. Когда это будет сделано, правильное решение будет принято здравым смыслом, а не исключительной хитростью.

К сожалению, большая часть дискуссий о продолжении экспериментов с ядерными взрывчатыми веществами велась в крайне эмоциональной и запутанной манере. Один аргумент относительно испытаний настолько фантастичен, что заслуживает упоминания именно по этой причине: утверждалось, что ядерные взрывы могут изменить ось Земли.

Конечно, ядерные взрывы производят такие изменения. Только изменения настолько малы, что их невозможно наблюдать и даже трудно оценить. Ища эффекты, связанные с прошлыми испытаниями, которые могли бы сместить ось Земли или положение Северного полюса, мы не смогли найти никакого эффекта, который вызвал бы изменение положения даже такое большое, как размер атома. Можно было бы разработать испытания с конкретной целью произвести такое изменение, но эти искусственные эффекты нельзя было бы даже отдаленно сравнить с силами природы. Движение Гольфстрима оказывает небольшое влияние на Северный полюс; но этот эффект несравненно больше того, чего мог бы достичь любой ядерный взрыв. Хорошо знать, что старый волчок, на котором мы живем, обладает некоторой стабильностью.

Аргумент о глобальных радиоактивных осадках более серьезен. Утверждается, что осадки опасны и что мы не знаем о степени опасности.

В узком, буквальном смысле оба этих утверждения верны. Но в предыдущих главах мы видели, что опасность ограничена. Мы не знаем точно, насколько она велика. Мы знаем, однако, что опасность значительно меньше опасности от других излучений, которым мы продолжаем подвергать себя без беспокойства. Опасность от испытаний довольно мала по сравнению с эффектами рентгеновских лучей, используемых в медицинской практике. Радиоактивные осадки производят лишь долю увеличения эффекта космических лучей, которому человек подвергает себя, когда переезжает с морского побережья в место с большей высотой, такое как Колорадо. Люди могут быть или не быть повреждены радиоактивными осадками. Но совершенно точно, что ущерб находится далеко за пределами уровня, на который мы обычно обращаем внимание.

Радиоактивные осадки вблизи мест испытаний действительно причинили ущерб. В прошлом этот ущерб не был велик, хотя в одном тихоокеанском испытании он был серьезным. Меры предосторожности были усилены, и мы можем надеяться, что будущие несчастные случаи будут полностью предотвращены. Послужной список безопасности Комиссии по атомной энергии США выгодно отличается от других предприятий аналогичного масштаба.

Представляется вероятным, что корень оппозиции дальнейшим испытаниям не связан с радиоактивными осадками. Корень глубже. Истинная причина против дальнейших испытаний связана с нашим желанием разоружения и мира.

Не может быть сомнений в том, что желание мира является самым глубоким, и это желание чувствуют все думающие и честные люди на нашей земле. Все мы, безусловно, надеемся, что катастрофы войны можно избежать. Это великое и всеобщее желание мира является движущей силой желания разоружения. В умах большинства людей важным шагом к разоружению было бы прекращение испытаний ядерного оружия всеми странами. Это убеждение широко распространено, но оно не обязательно хорошо обосновано. На самом деле, есть аргументы с другой стороны, которые следует тщательно рассмотреть.

Принято считать, что Первая мировая война была вызвана гонкой вооружений. По какой-то странной причине большинство людей забывает, что Вторая мировая война была вызвана ситуацией, которую можно было бы назвать гонкой разоружения. Миролюбивые и мощные нации лишили себя своей военной мощи. Когда нацистский режим в Германии принял программу быстрой подготовки к войне, остальной мир был застигнут врасплох. Сначала они не хотели принимать факт этой угрозы. Когда опасность стала несомненной, было уже слишком поздно предотвратить жесточайшую войну и почти слишком поздно остановить Гитлера до мирового господства. К сожалению, разоружение безопасно только тогда, когда никто не хочет навязывать свою волю силой оружия своим соседям.

В неспокойном мире, в котором мы живем сегодня, ни один разумный человек не будет выступать за одностороннее разоружение. Люди надеются, что все стороны согласятся сократить свою военную мощь и тем самым внести вклад в более мирную атмосферу. Устранение испытаний казалось возможным и правильным по двум причинам. Одна заключается в том, что испытания заметны, и поэтому считается, что мы можем проверить, было ли тестирование на самом деле остановлено всеми. Вторая причина заключается в том, что ядерные взрывчатые вещества уже представляют собой такую ужасающую мощь, что дальнейшие испытания кажутся бесполезными и иррациональными. Эти аргументы просты и почти повсеместно приняты. Они основаны на заблуждениях.

Ядерный взрыв — это насильственное событие, но на огромных просторах нашего земного шара такие испытания могут быть эффективно скрыты, если принять соответствующие меры для их сокрытия. Не может быть сомнений в том, что это возможно. Вопрос только в том, сколько стоит скрыть испытание и насколько велик взрыв, который можно осуществить в секрете за определенную сумму расходов.

Если бы было достигнуто соглашение о прекращении испытаний, Соединенные Штаты, безусловно, соблюдали бы такое соглашение. Сама социальная и политическая структура нашей страны исключает возможность того, что многие люди будут сотрудничать в нарушении международного обязательства. Будет ли Россия соблюдать такое соглашение или нет, будет зависеть от изобретательности русских, от их готовности идти на экономические жертвы и от их честности. Из этих трех факторов мы можем иметь твердое мнение о первом. Русские, безусловно, достаточно изобретательны, чтобы разработать секретные методы испытаний. Что касается других вопросов, захотят ли русские вкладывать усилия и будут ли они связаны своим словом, мы считаем, что каждый человек имеет право на собственное мнение. Согласно прошлому опыту, соглашение о прекращении испытаний вполне может сопровождаться секретными и успешными испытаниями за железным занавесом.

В более общем плане мы можем задать вопрос: мудро ли заключать соглашения, которые честность будет уважать, но нечестность может обойти? Должны ли мы поставить свободное, демократическое правительство в невыгодное положение по сравнению с абсолютной властью диктатуры? Должны ли мы ввести запрет в новой форме, только чтобы дать повод для бутлегерства в гораздо большем масштабе? Почти наверняка в соревновании между запретом и бутлегерством победит бутлегер.

Все эти аргументы, однако, стали бы неактуальными, если бы было правдой, что дальнейшие испытания не принесут никакого дальнейшего желаемого результата. Было сказано и часто повторялось, что мы теперь обладаем адекватными ядерными взрывчатыми веществами, чтобы уничтожить города любого врага. Что еще нам нужно?

Наша главная цель в дальнейших экспериментах с ядерными бомбами, конечно, не в том, чтобы сделать разрушителей городов более ужасными. Мы предпочли бы не использовать наше ядерное оружие вообще. Мы держим его как контругрозу против опасности того, что мы сами можем подвергнуться разрушительной атаке. Чтобы понять, что мы на самом деле пытаемся сделать в испытаниях, мы должны более внимательно взглянуть на некоторые военные проблемы.

Во Второй мировой войне стратегические бомбардировки использовались впервые в действительно массовом масштабе. Вполне может быть, и, по сути, вероятно, что такие стратегические бомбардировки не будут повторены в будущем.

Существуют две военные причины для бомбардировки городов. Одна заключается в том, что заводы расположены в городах, и эти заводы поддерживают военные усилия. Другая причина заключается в том, что города являются транспортными узлами, через которые проходят военные материалы. Уничтожая эти центры, можно прервать поток военных поставок.

Ядерная война, скорее всего, будет сильно отличаться от прошлых конфликтов. Большая концентрация огневой мощи, которую представляет собой ядерное оружие, позволяет атаковать врага в любом месте, в очень короткие сроки. Это верно независимо от того, какова конкретная цель, пытаетесь ли вы атаковать самолеты, корабли, танки или скопления войск врага. Большая мобильность ядерной огневой мощи делает весьма вероятным, что ядерный конфликт будет коротким. То, что завод производит во время этого конфликта, не повлияет на исход сражения. Единственное оружие, на которое кто-либо может положиться, — это оружие, которое уже находится на складах. Поэтому будет военным образом бесполезно бомбить заводы.

Тот же факт мобильности также подразумевает, что не нужно будет поддерживать большой поток военных материалов. Практически все перемещения могут быть выполнены легкими и быстрыми методами, самолетами, подводными лодками и небольшими боевыми группами. В этих условиях города потеряют свое значение как транспортные узлы.

Единственной целью бомбардировки городов будет распространение террора среди врага. Это редко делалось в прошлых войнах. На самом деле террор саморазрушителен, потому что он провоцирует ответные меры с другой стороны.

Мы считаем, что роль ядерного оружия в будущей войне отнюдь не заключается в убийстве миллионов мирных жителей. Она скорее заключается в том, чтобы остановить вооруженные силы агрессора. Это нелегко сделать, потому что это требует не только ядерного оружия, но и очень специальных видов ядерного оружия, которые трудно разработать и еще труднее усовершенствовать. Но при надлежащем экспериментировании и надлежащем планировании оборонительное использование ядерного оружия возможно.

Идея тактического ядерного оружия не нова. Возможность использования ядерных взрывчатых веществ в малых войнах часто обсуждалась. Какое оружие нам нужно, чтобы вести эти малые войны и защищать свободу людей везде, где такая защита становится необходимой? Часто предлагалось, что в малых войнах будет использоваться малое оружие, в то время как большое оружие подходит для больших войн. Такое утверждение слишком просто и не имеет отношения к реальности. В каждом случае правильный вид оружия — это тот, который выполняет работу по остановке вооруженных сил врага, не причиняя ненужных потерь невинным свидетелям. Для этой цели нам нужно большое количество оружия, которое адаптируемо к конкретным целям, которое легко транспортировать и легко доставить, и которое дает тот вид эффекта, который требует ситуация.

Например, ядерное оружие может быть доставлено истребителем и использовано для сбивания атакующего бомбардировщика. Поскольку грузоподъемность истребителя сильно ограничена, оружие для этой цели должно быть маленьким и легким. Основная цель программы испытаний — разработка такого чисто оборонительного оружия.

Столкновение между истребителем и бомбардировщиком вполне может произойти в нашей собственной стране над населенными пунктами. Эта возможность наполнила бы большинство людей тревогой, как бы население под взрывом не пострадало. К счастью, в недавнем ядерном испытании в Неваде пять хорошо информированных и мужественных офицеров ВВС продемонстрировали, что существует полная безопасность для людей на земле. Они сделали это, стоя прямо под взрывом в эпицентре.

Это важное испытание состоялось всего несколько месяцев назад — 19 июля 1957 года. Реактивный истребитель F-89, летевший на высоте 19 000 футов над уровнем моря, доставил атомную ракету класса «воздух-воздух» в заранее намеченную точку в небе. Люди в эпицентре находились на 15 000 футов прямо под ним. На них не было ни шлемов, ни темных очков, ни защитной одежды.

В момент взрыва люди посмотрели вверх, увидели огненный шар и почувствовали жар. Никакого дискомфорта не было, только легкое тепло. Затем они стали ждать прихода ударной волны — примерно десять секунд. Когда пришла ударная волна, это был, по сути, просто громкий звук. Тем не менее один из мужчин инстинктивно пригнул голову. (См. фотографии 9 и 10).

Взрыв и тепловой импульс закончились. Но люди из ВВС остались на своих местах. Оставался один вопрос: будут ли радиоактивные осадки? Они проверили свои приборы радиационного контроля и стали ждать, пока облако медленно уплывало прочь. Значительного повышения уровня радиации не произошло. Испытание прошло полностью успешно. Последствия взрыва на земле были совершенно незначительными. Но высоко в небе вражеский самолет мог быть уничтожен, даже если бы ядерный взрыв прошел на значительном расстоянии от него.

Чтобы ядерное оружие было эффективным против вооруженных захватчиков, очевидно, что требуется большое количество такого оружия. Такое большое количество оружия, часть которого должна быть наземного базирования, приведет к значительному радиоактивному загрязнению, и это загрязнение будет угрожать как друзьям, так и врагам. В частности, радиоактивность, скорее всего, убьет людей в той самой стране, свободу которой мы пытаемся защитить. По этой причине крайне важно, чтобы мы могли использовать ядерное оружие, вызывающее наименьшее возможное загрязнение. В ходе недавних ядерных испытаний все больше внимания уделяется разработке такого «чистого» оружия, и, к счастью, эти усилия уже близки к успеху.

Радиоактивные осадки от ядерных испытаний создают потенциальную опасность, масштаб которой весьма ограничен. Однако опасность от осадков в случае ядерной войны была бы реальной и огромной. Если мы прекратим испытания сейчас и если мы не сможем в полной мере разработать это «чистое» оружие, мы без необходимости убьем огромное количество мирных жителей. Не разрабатывать взрывчатые вещества с минимальными радиоактивными осадками было бы, по сути, совершенно непростительно.

Единственная альтернатива — вообще не использовать ядерное оружие. Поскольку это оружие преподносится как инструмент чистого зла, большинство людей надеются, что оно никогда не будет использовано, и, действительно, следует надеяться, что войн, а следовательно, и применения этого оружия, можно будет избежать.

Но в нашем конфликте с могущественными коммунистическими странами, стремящимися к мировому господству, было бы слишком оптимистично надеяться на непрерывный мир. Если мы откажемся от нашего легкого и мобильного оружия, мы позволим «красному блоку» захватывать одну страну за другой, расположенные вблизи их границ, по мере появления такой возможности. Свободные нации не могут содержать по всему миру огромные армии, которые потребовались бы для противостояния такой поэтапной агрессии. С другой стороны, гибкая мощь «чистых» ядерных взрывчатых веществ позволила бы нам противостоять агрессии в любой части мира практически мгновенно.

Объявленная политика нашей страны заключается в поддержании мира и стабильности во всем мире. Проявляя терпение и готовность, мы пытаемся прийти к мировому порядку, основанному на законе и справедливости для всех народов. Нет сомнений, что эту политику поддерживает подавляющее большинство американцев. Нашим вооруженным силам нужна максимально возможная гибкость, чтобы подкрепить эту политику силой. Такой гибкостью мы можем обладать только в том случае, если у нас есть самое мощное, лучше всего разработанное оружие, которое к тому же является самым «чистым», чтобы его можно было использовать для защиты, а не для беспорядочного разрушения.

Если мы откажемся от ядерного оружия, мы откроем дверь для агрессии. Если мы не сможем разработать «чистые» взрывчатые вещества, мы подвергнем людей катастрофе от радиоактивных осадков в любом серьезном военном конфликте. На наш взгляд, это веские аргументы в пользу продолжения экспериментов и разработки ядерного оружия. Но следует рассмотреть еще одну, более общую точку зрения.

Впечатляющие достижения последних столетий в науке, технике и нашей повседневной жизни основывались на одной важной предпосылке: бесстрашно исследовать любые последствия, к которым могут привести нас расширение знаний и совершенствование навыков. Когда мы говорим о ядерных испытаниях, мы имеем в виду не только военную готовность, но и проведение экспериментов, которые дадут нам больше понимания и больше возможностей контролировать силы природы. Существует много конкретных политических и военных причин, по которым от таких экспериментов не следует отказываться. Существует также и эта очень общая причина — традиция исследования неизвестного. Мы можем следовать этой традиции и в то же время проявлять все большую осторожность, чтобы радиоактивность, небрежно рассеянная, не мешала человеческой жизни.

ГЛАВА XVI. Произошло ли что-то с погодой?

Погода уже не такая непредсказуемая, как раньше. И все же мы почти никогда не можем быть уверены в ней даже на несколько часов вперед. Одна неделя — это примерно предел периода любого прогноза. Там, где лучшим специалистам не хватает знаний, разгул фантазии празднует победу. Погода до сих пор остается безопасной темой для разговоров и спекуляций.

Ядерные взрывы, конечно, обвиняют в изменениях погоды — в любой необычной погоде. Будь то дождь, засуха или тяжелый сезон ураганов — ядерные испытания приплетают везде. Бюро погоды говорит: нет. Но ведь Бюро погоды не всегда было право. Действительно, было бы чудом, если бы в народных разговорах и популярной прессе не усмотрели бы какой-то связи между атомными взрывами и своенравным поведением времен года.

В одном случае — и, насколько нам известно, только в одном — произошла цепь событий, начавшаяся с ядерного испытания и закончившаяся обильным и необычным ливнем. Весной 1955 года в Неваде был произведен испытательный взрыв умеренной мощности. В то же время в Калифорнии стихал последний шторм сезона. Согласно обычным правилам метеорологии, радиоактивное облако должно было быть унесено на восток устойчивыми западными ветрами, дующими над умеренным поясом. Но в этот раз облако было подхвачено вихрем угасающего калифорнийского шторма, и часть радиоактивности была перенесена на западное побережье.

Через несколько часов после взрыва в Калифорнии начался радиоактивный дождь. Активность была достаточно слабой и не вызывала беспокойства. Но произошло примечательное событие. Когда активное облако прибыло в Калифорнию, шторм возобновился. Он перерос в обильный дождь, что необычно для этого места и времени. Сделали ли мы — совершенно непреднамеренно — что-то с погодой?

Бюро погоды сказало: нет. Безусловно, следует признать, что этот единственный случай ничего не доказывает. Только значительно улучшенные методы наблюдения за погодой и прогнозирования погоды позволили бы решить, состоит ли такая цепь событий из прочных звеньев причины и следствия или же это простая последовательность случайных явлений.

Даже несмотря на то, что наши знания неполны, есть по крайней мере один простой факт, который следует иметь в виду. Вся энергия того взрыва в Неваде была недостаточно велика, чтобы испарить капли воды в облаке шириной в одну милю, длиной в одну милю и глубиной в одну милю. Это не очень большое дождевое облако. Такое облако дало бы около одной трети дюйма дождевой воды на одну квадратную милю — не впечатляющее количество. Даже самая большая водородная бомба дала бы лишь достаточно энергии, чтобы испарить облако размером десять на десять миль, возвышающееся до верхней части «кипящей» части нашего воздуха, которую мы называем тропосферой. Это дало бы примерно три дюйма дождя на сто квадратных миль — более впечатляющее количество, но оно исчезает в бескрайности Тихого океана.

Ядерные взрывы достаточно мощны. Но по сравнению с силами природы — даже по сравнению с ежедневным высвобождением энергии в результате не особенно штормовой погоды — все наши бомбы ничтожны. На первый взгляд можно предположить, что наши ядерные фейерверки не могут склонить чашу весов в масштабных энергетических изменениях, которые мы видим вокруг себя в обычных явлениях ветра и дождя.

Но взаимодействие облаков и солнечного света, испарение, замерзание, выпадение и таяние воды — короче говоря, капризы погоды — сложны и коварны. Малые причины могут привести к большим последствиям. Некоторые процессы движения воздушных масс над океанами и континентами непреодолимы и предсказуемы. Другие, такие как первый подъем горячего воздуха от перегретой земли, могут быть вопросом острой конкуренции и пускового механизма. Именно это делает прогнозирование погоды таким трудным.

Один из самых деликатных процессов, о которых мы должны думать, — это образование капель воды. Когда некоторые молекулы воды смешиваются с молекулами воздуха, мы получаем влажный воздух. Если такой воздух поднимается, расширяется и охлаждается, молекулы воды теряют часть своего беспорядочного движения и имеют большую тенденцию слипаться, образуя капли. Но заставить их начать это совместное предприятие непросто.

Если две или три молекулы слипаются, они вскоре разлетаются. Если же собираются два или три десятка, этого достаточно, чтобы начать рост, который заканчивается каплей воды. Если влажный воздух охлаждается, капли будут образовываться при условии наличия места встречи, с которого может начаться рост. Если такого места встречи нет, капель нет, и мы не получаем облака. Если мест встречи мало, каждое из них соберет довольно большое количество воды, мы получим крупные капли, и у нас может пойти дождь. Если мест встречи в изобилии, образуется много крошечных капель, которые останутся во взвешенном состоянии в виде облака. Нынешние попытки вызова дождя связаны с «контролем рождаемости» капель.

Ранее мы видели, что при каждом радиоактивном распаде испускаются заряженные частицы. Двигаясь по своим траекториям, они разрывают другие атомы и оставляют после себя скопление заряженных частиц. Эти заряженные частицы сильно притягивают молекулы воды. Молекулы воздуха они притягивают гораздо слабее. Причина в том, что в молекуле воды положительные и отрицательные заряды разделены в значительной степени, тогда как в молекулах азота и кислорода в воздухе заряды распределены более равномерно. В результате след каждой частицы, испущенной при радиоактивном распаде, обеспечивает множество мест встречи для образования капель воды.

На самом деле охлажденный влажный воздух уже много десятилетий используется для того, чтобы сделать видимыми следы быстрых заряженных частиц. На одной из фотографий вы можете увидеть снимок таких «паровых следов». Это фотография, сделанная с помощью прибора, называемого камерой Вильсона. Мириады радиоактивных распадов в продуктах ядерного взрыва могут дать паровые следы, которые сливаются в настоящее облако. Таким образом, можно влиять на погоду. (См. фотографии 11 и 12).

Несмотря на все это, остается весьма вероятным, что испытания ядерных взрывов, как они проводятся в настоящее время, не влияют на погоду. Радиоактивность действительно дает возможность для образования капель. Но существуют и другие обильные источники для образования капель. Пыль, дым и многие виды загрязнения воздуха справятся с этой задачей. Пена, разлетающаяся от морских волн, испаряется и оставляет после себя крупинку соли. Эта частица соли может переноситься ветрами на многие мили и в конечном итоге стать зародышем, вокруг которого сконденсируется новая капля. Космические лучи, которыми мы бомбардируемся, вызывают паровые следы, подобные тем, что производятся продуктами радиоактивного распада. Среди множества природных процессов и обычных побочных продуктов цивилизации немногие атомные испытания не играют важной роли. Это утверждение может оставаться не как уверенность, а как очень хорошее предположение.

Среди многих сюрпризов, которые готовит будущее, один может быть тесно связан с погодой. В век авиации мы получаем все больше информации о воздушных массах вокруг нас. Авиаперелеты требуют этой информации, а также предоставляют ее. Новые методы, такие как радар, могут обнаруживать образование облака и измерять размер капель на большом расстоянии. На самом деле получаемой информации так много, что можно усомниться, сможем ли мы ее правильно понять и использовать.

К счастью, нам больше не нужно полагаться исключительно на собственный мозг. Человеческая мысль — вещь замечательная, но медленная. Современные вычислительные машины, «электронные мозги», — простаки по сравнению с аппаратом, который каждый из нас носит в своем черепе. Но у электронных компьютеров есть одно преимущество: они быстры. Скоро они будут в миллион раз быстрее наших мыслительных процессов. Выражение «быстро, как мысль» устарело — оно ровесник конного экипажа.

Электронные машины могут переваривать информацию о погоде так же быстро, как она поступает. Уже достигнут некоторый прогресс. Через несколько лет все прогнозы погоды могут стать машинными.

Это не обязательно означает, что погоду можно предсказать с уверенностью или на долгое время вперед. Пусковые процессы, которые, начавшись с незначительного и незамеченного пятна турбулентности, могут вырасти до размеров циклона, установят предел любому искусству прогнозирования.

Но в той мере, в какой погоду нельзя предсказать, на нее можно повлиять. Если малые причины могут иметь большие последствия, то даже ничтожные средства, доступные человеку, могут изменить погоду — при условии, что мы знаем, как и где применить рычаг.

Сначала нам придется лучше понять науку о погоде — метеорологию. Затем нам придется искать подходящий пусковой механизм. Это может быть облако пыли нужного типа — или химическое вещество — или, возможно, большое количество радиоактивных частиц. Так или иначе, атомные взрывы могут быть использованы в качестве пускового механизма, но пусковой механизм не будет эффективным до тех пор, пока не будет понят остальной механизм.

Конечно, атомные взрывы нельзя использовать в сколько-нибудь значительных количествах, пока мы не научимся избегать тех радиоактивных побочных продуктов, которые действительно опасны. К счастью, использование термоядерного синтеза, наиболее известного по водородной бомбе, позволяет регулировать вид получаемой радиоактивности. Мы можем создавать только такие виды активности, которые распадаются до того, как они успеют попасть в человеческий организм.

Опыт доказал, что говорить о погоде не опасно. Сделать что-то с погодой будет рискованнее. Должна ли погода стать подопечной правительства? Будут ли у нас республиканские ливни и демократические засухи? Таким образом мы, безусловно, потеряем последнюю безопасную тему для разговоров.

В более узких границах Европы, где одно суверенное государство находится в нескольких часах пути от другого суверенного государства (по направлению ветра), ситуация будет гораздо серьезнее. Но даже вся планета может оказаться слишком мала для яростно конфликтующих интересов, когда все больше знающих пальцев ложатся на все более чувствительные спусковые крючки.

Управление погодой может быть очень полезным. Это могло бы обеспечить достойное существование всем людям на земле и еще многим миллиардам. Такое начинание, безусловно, благое и, казалось бы, мирное. Но в этом случае, как и во многих других, знание приведет к власти, а власть приведет к катастрофе, если она не будет смягчена мудростью.

И все же это знание или какое-то другое столь же опасное знание придет к нам при нашей жизни. Ядерные взрывы — не единственный потенциальный источник неприятностей.

ГЛАВА XVII. Безопасность ядерных реакторов

В начале научной и промышленной революции две старые амбиции оказались невозможными мечтами. Одной из них была трансмутация элементов, другой — машина вечного двигателя.

Современным ядерным физикам пришлось отказаться от одного из этих утверждений: элементы могут быть трансмутированы. Но продукт получается дорогим, на данный момент гораздо дороже золота.

Машина вечного двигателя остается невозможной в принципе, но проблему можно считать решенной на практике. Конечно, можно доказать, что машина может совершать полезную работу только в том случае, если она сжигает какое-то топливо. Но цена топлива довольно часто меньше, чем стоимость эксплуатации и обслуживания машины.

Ядерное топливо даже сегодня стоит не дороже обычного топлива во многих частях Соединенных Штатов. Ядерное топливо не является ни тяжелым, ни громоздким, поэтому его можно легко транспортировать. В тех частях мира, где обычное топливо стоит дорого, ядерная энергия скоро приобретет большое значение. Более того, мы научимся использовать большую часть энергии урана, а не только ту часть, которая содержится в его редком и ценном изотопе U²³⁵.

Нужно лишь добавить нейтрон к обычному U²³⁸, чтобы получить радиоактивный U²³⁹. Со временем он распадается в плутоний. Этот элемент можно использовать так же, как U²³⁵: он производит деление ядер, огромное количество энергии и достаточно нейтронов, чтобы поддерживать процесс. Мы также научимся извлекать энергию из других ядерных видов топлива. Торий действует как уран, в то время как дейтерий может давать энергию путем создания более крупных ядер, а не расщепления их на более мелкие части. Поэтому источник энергии будет повсеместно доступным и довольно недорогим. Это действительно означает, что мы находимся в таком же положении, как если бы у нас была машина вечного двигателя.

Но, конечно, все это не означает, что машина будет выполнять свою работу бесплатно. Даже машине вечного двигателя потребовалось бы обслуживание и уход. К сожалению, наши ядерные машины требуют много такого обслуживания, и поэтому на данный момент ядерная энергия не самая дешевая.

Основная причина, по которой источник ядерной энергии, или ядерный реактор, сложен и дорог в эксплуатации, заключается в том, что реактор через короткое время работы становится сильно радиоактивным. Поэтому к нему нельзя приближаться, и им нужно управлять с помощью дистанционного управления. Мы вряд ли можем ожидать, что энергия будет бесплатной, как воздух или вода. Но когда мы научимся недорого обслуживать наши ядерные машины, мы сможем получать энергию по разумной цене в любой точке земного шара. Рано или поздно обычное топливо станет дефицитным. Но ядерная энергия позволит промышленной революции продолжаться и распространяться в каждый уголок земли.

Мало сомнений в том, что в течение следующих десятилетий число ядерных реакторов будет значительно расти, и к началу следующего века они будут повсюду. Поэтому крайне важно, чтобы эти реакторы эксплуатировались безопасно. На первый взгляд, ядерный реактор — это инертный инструмент, который может работать сам по себе. Но легкость эксплуатации обманчива. (См. фотографию 13).

Не стоит бояться, что ядерный реактор может взорваться как атомная бомба. Ядерные взрывчатые вещества очень тщательно сконструированы так, чтобы они могли высвободить много энергии за короткое время. Ядерные реакторы, с другой стороны, собраны так, чтобы энергия высвобождалась только с умеренной скоростью. Некоторые реакторы при неправильном обращении могут взорваться, но сила взрыва не может значительно превышать силу взрыва аналогичного веса обычной взрывчатки.

Тем не менее авария на реакторе может стать чрезвычайно опасной. Реактор заряжен радиоактивными продуктами деления и некоторыми другими радиоактивными веществами, образующимися в результате поглощения нейтронов. Любая авария, которая позволит даже части этих продуктов попасть в воздух, будет угрожать людям на значительном расстоянии по направлению ветра. Одна из причин, по которой реакторы могут быть опасны, заключается в том, что при длительной работе реактора накапливаются продукты деления с более длительным периодом полураспада. Именно эти продукты с более длительным периодом полураспада более опасны, потому что у них больше шансов попасть в организм человека.

Сейчас планируются реакторы, которые будут производить 300 000 киловатт электроэнергии. Если такой реактор проработает полгода, а затем взорвется и выбросит свое радиоактивное содержимое в атмосферу, его радиоактивность будет сопоставима с радиоактивностью водородной бомбы. В одном важном отношении такая авария была бы хуже водородного взрыва. Ядерный взрыв поднимает большую часть своих радиоактивных продуктов на большую высоту, и ядовитая активность рассеивается и разбавляется, прежде чем опуститься. Активность же от реактора, с другой стороны, останется близко к земле и может поставить под угрозу жизни людей на площади в сотни квадратных миль. Она загрязнит еще большую территорию.

За время обширной эксплуатации многих реакторов в Соединенных Штатах никто еще не погиб от радиоактивности. Это произошло благодаря чрезвычайно осторожной эксплуатации, а также благодаря удаче. Мы должны быть готовы к тому, что рано или поздно аварии произойдут. С другой стороны, мы должны стараться принять достаточные меры предосторожности, чтобы избежать катастрофической аварии, о которой мы упоминали выше. При большой осторожности таких аварий действительно можно избежать.

Думая обо всех видах созданных человеком машин, мы находим некоторые, которые движутся быстро и кажутся опасными, как, например, самолеты; другие, которые неподвижны и кажутся безобидными, как ванна. И все же в ваннах происходит больше несчастных случаев, чем в авиаперелетах. Самый опасный элемент во всех операциях — это человеческий фактор. Мы сами представляем собой наибольшую угрозу безопасности. Эта ситуация ничем не отличается в ядерной технологии от любого другого вида технологии. Что нового в ядерной технологии, так это то, что реактор обычно очень безопасен, но может стать чрезвычайно опасным, когда с ним происходит что-то неожиданное. Кроме того, мы не смеем использовать метод проб и ошибок. Ошибка в реакторном бизнесе может унести гораздо больше жизней, чем ошибка при испытании водородных бомб. Мы не можем ждать, чтобы учиться на опыте; мы должны предотвращать аварии.

Особенно сложная проблема безопасности связана с использованием реакторов в небольших странах. Серьезная авария может поставить под угрозу жизни людей в соседних странах. Таким образом, современные технологии могут вынудить к сотрудничеству через национальные границы.

Есть только один способ избежать дорожно-транспортных происшествий, и это осторожность, проявляемая всеми, особенно водителями. Точно так же безопасность реактора будет зависеть от людей, которые управляют реакторами. В то же время большую помощь можно получить благодаря тщательной конструкции и проверке каждого нового реактора.

Одним из первых актов Комиссии по атомной энергии США было создание Комитета по защите реакторов. С годами этот комитет должен был взять на себя более тяжелые обязанности. Поначалу он должен был работать в условиях секретности. С более широким и публичным использованием реакторов соображения безопасности становятся все более доступными для общественности. Вопрос безопасной эксплуатации машины нельзя отделить от глубокого понимания работы машины. Мы не можем попытаться дать адекватное описание реактора или правил безопасности. Достаточно будет нескольких общих утверждений.

Работающий реактор полон нейтронов. За малую долю секунды эти нейтроны производят деление, и появляется новое поколение нейтронов. В медленных реакторах, которые содержат много легких элементов, таких как водород или углерод, нейтроны движутся со скоростями, немногим превышающими скорость звука, и поколение может длиться до миллисекунды (одна тысячная секунды). В быстрых реакторах, которые содержат почти исключительно более тяжелые элементы, такие как уран или железо, нейтроны движутся с огромной скоростью, составляющей около трех процентов от скорости света. В этом случае одно поколение сменяет другое менее чем за микросекунду (одна миллионная секунды).

К счастью, не все нейтроны воспроизводятся так быстро. Некоторые деления производят запаздывающие нейтроны, которые испускаются обычно с задержкой в несколько секунд. В стабильно работающем реакторе каждое поколение должно иметь такое же количество нейтронов, как и предыдущее. Если каждое последующее поколение имеет даже небольшой избыток, реактор станет горячим и может взорваться за малую долю секунды. Основная причина, по которой возможна безопасная эксплуатация, заключается в том, что быстрое размножение может произойти только в том случае, если каждое поколение становится более многочисленным, даже если не считать запаздывающие нейтроны. Слегка сверхактивным реактором легко управлять, но наступает момент, когда спящий дракон начинает шевелиться. Это происходит, когда производится достаточно нейтронов, чтобы размножение могло происходить без ожидания запаздывающих нейтронов. В этот момент хорошо воспитанный дракон совершит безобидное действие. Например, он может пережечь предохранитель. Но злой дракон будет плеваться радиоактивным огнем.

Нелегко предсказать, будет ли дракон всегда хорошо себя вести. Но с помощью тщательного анализа можно сделать такой прогноз. Например, нужно изучить вопрос о том, является ли реактор стабильным. Если он становится горячее, заставляет ли это реактор работать еще быстрее, так что скорость нагрева увеличивается и реактор выходит из-под контроля? В стабильном реакторе избыточное тепло должно стремиться остановить производство энергии, и таким образом реактор остывает и возвращается к своей нормальной рабочей температуре.

Но слишком большая стабильность также может быть опасной. Нагрев может быть перекомпенсирован механизмом охлаждения; после того как реактор станет слишком холодным, он может затем нагреться слишком быстро и снова выйти за пределы нормы. Мы должны остерегаться не только простого разгона, но и возрастающих колебаний.

Во многих реакторах используются необычные химические соединения. Авария на реакторе может начаться с чего-то не более серьезного, чем обычная химическая реакция между странными соединениями в странных условиях. Но если эта химическая реакция разрушит реактор настолько, что позволит некоторым продуктам деления выйти наружу, то такая химическая авария может быть такой же плохой, как и авария ядерного происхождения.

Внутри реактора материалы подвергаются воздействию необычно сильной радиации. Под этим воздействием некоторые материалы могут изменить свои химические свойства, так что то, что было инертным в качестве конструкционного материала, может стать опасным во время работы реактора.

Пожалуй, самым важным отдельным элементом является расположение механических средств управления. Реактор регулируется системой листов или стержней, изготовленных из материала, который поглощает нейтроны. Это устройство должно быть сконструировано таким образом, чтобы регулирующие стержни можно было извлекать только с очень медленной скоростью. Но должна быть возможность вернуть их обратно довольно быстро. Любой сигнал опасности должен задвигать поглотители на максимальной скорости. Технический термин для этого — «аварийная остановка».

Главное, однако, заключается в том, что все опасности и предохранительные устройства можно изучить, и после тщательного изучения ядерной аварии можно избежать. Некоторые реакторы сейчас изучены настолько досконально, что их можно безопасно использовать для обучения будущих инженеров-ядерщиков. Другие реакторы, которые более мощные или менее изученные, должны использоваться более осторожно. Некоторые реакторы должны быть, и они являются, заключены в газонепроницаемые контейнеры. Если произойдет взрыв, продукты деления будут безвредно удерживаться внутри контейнера. Конечно, нужно быть совершенно уверенным, что реактор такого типа, который не может произвести взрыв, достаточно сильный, чтобы разорвать контейнер, и, что еще важнее, нужно быть совершенно уверенным, что контейнер закрыт, за исключением случаев, когда реактор остановлен и полностью безопасен. Часто может быть лучше построить реактор под землей.

Безопасность реактора, конечно, в значительной степени зависит от того, для чего он используется. В целом, электростанция с меньшей вероятностью доставит неприятности, чем движущийся источник энергии. Маловероятно, что ядерные локомотивы когда-либо будут безопасными. На ядерных судах доступно больше места, а больше места позволяет принять больше мер безопасности. Но даже в этом случае безопасность ядерных двигателей на судах придется рассматривать особенно тщательно, потому что суда будут попадать в аварии в гаванях.

Между острой потребностью в прогрессе и абсолютной необходимостью безопасности трудно сохранить чувство равновесия, и можно легко совершить ошибку, будучи излишне осторожным. Такая излишняя осторожность, вероятно, была проявлена, когда Комитет по защите реакторов рассматривал опасность землетрясения для реактора в Брукхейвене на Лонг-Айленде. Сейсмолога, который является отцом-иезуитом, попросили рассказать комитету о возможностях и вероятностях землетрясения на Лонг-Айленде. Председатель комитета подверг эксперта долгому и детальному допросу. Через полчаса у Комитета по защите реакторов закончились вопросы. Но отец-иезуит не подавал никаких признаков того, что у него заканчиваются ответы. Когда заседание подошло к концу, эксперт, твердо глядя в глаза председателю комитета и более авторитетным голосом, чем он использовал до сих пор, сказал: «Господин председатель, я могу заверить вас с самого высокого авторитета, что в ближайшие пятьдесят лет на Лонг-Айленде не будет крупных землетрясений».

ГЛАВА XVIII. Побочные продукты ядерных реакторов

Ядерные реакторы генерируют энергию с помощью деления ядер. Каждый раз, когда происходит деление, мы остаемся с радиоактивными побочными продуктами. Крайне важно предотвратить неконтролируемый выход этих продуктов деления из реактора. К счастью, опасные продукты могут быть удержаны в реакторе — если машина была сконструирована и эксплуатировалась с разумной осторожностью.

В конце концов, однако, сгоревшую или частично сгоревшую урановую загрузку придется удалить из реактора и добавить свежую загрузку, свежее топливо. Что станет с продуктами деления в это время?

Во время длительной работы реактора большинство короткоживущих продуктов деления распадаются. Те, у которых более длительный период полураспада, накапливаются. Выгрузка из реактора сильно радиоактивна, и она будет оставаться радиоактивной в течение многих лет. Конечно, нельзя утилизировать эти радиоактивные отходы небрежным образом. Существует, однако, много способов, которыми можно хранить такие отходы с разумной безопасностью.

Можно поместить радиоактивный материал в хорошо построенные подземные резервуары. Можно сконцентрировать активность, заключить ее в бетонные блоки и поместить на дно океана. Если кто-то очень сильно беспокоится, он может даже поместить радиоактивность в ракеты и позволить ей безвредно распадаться в космическом пространстве. Эти процедуры будут стоить денег и увеличат расходы на ядерную энергию.

Было бы гораздо лучше, если бы мы могли найти способ, с помощью которого радиоактивные побочные продукты могли бы служить полезной и безопасной цели. Некоторые из побочных продуктов могут быть использованы и использовались. Эти виды использования связаны с некоторыми опасностями. Более того, только небольшая часть продуктов деления нашла хорошее применение до настоящего времени. Но важность продуктов деления растет.

Мы используем их в исследованиях. Радиоактивный изотоп имитирует поведение своего неактивного собрата во всех химических реакциях и во всех сложных процессах, в которых материя меняет свою форму внутри живого организма. Более того, радиоактивное вещество можно обнаружить с величайшей легкостью. Его можно найти в концентрации, которая меньше миллионной доли безопасной дозы радиации. Чем был микроскоп в исследовании структуры организмов, тем могут стать радиоактивные элементы в понимании химического функционирования живой материи.

С лучшим пониманием приходит возможность использования радиоактивных побочных продуктов для диагностики. Как и в случае с медицинским использованием рентгеновских лучей, возможный небольшой ущерб из-за радиационного облучения следует рассматривать как цену за помощь, которую мы можем получить от раннего и правильного распознавания болезней.

При лечении пациентов, особенно в случае лиц, пораженных раком, радиоактивное разрушение больной ткани часто предпочтительнее использования ножа хирурга. Такое радиоактивное лечение — это новое. Есть много возможностей для улучшения. Соответствующее использование радиоактивных веществ для этой цели может стать гораздо более мощным инструментом и гораздо более распространенным, чем сейчас.

Но все эти применения будут использовать лишь исчезающе малую долю продуктов деления. Более того, большинство биологически важных элементов не образуются при делении урана. Многие полезные виды активности могут быть получены путем поглощения нейтронов в реакторах. Но среди фрагментов урана, возможно, только радиойод до сих пор нашел прямое физиологическое применение.

Промышленность имеет дело с менее чувствительными объектами, чем живая ткань. Поэтому здесь можно использовать большее количество радиоактивных материалов. И действительно, радиоактивность выполняет огромное разнообразие работ. Проникающая способность рентгеновских лучей использовалась для контроля толщины листов простым и автоматическим способом. Радиоактивность была включена в поверхности, которые подвергаются механическому износу или коррозии, чтобы проверять скорость, с которой поверхность изнашивается, по появлению активности в смазочном материале или других жидкостях, которые контактировали с поверхностью.

С помощью таких методов промышленность накопила сбережения, которые быстро приближаются к отметке в миллиард долларов. Эти сбережения будут увеличиваться по мере того, как люди будут учиться использовать новые материалы. Но во всех этих случаях важно убедиться, что активность никому не навредит, пока она используется и после того, как она выполнила свою задачу.

Возможно, наибольшее количество радиоактивности потребуется при стерилизации и консервировании пищевых продуктов. Можно включить активность в стержни, которые будут безопасно удерживать материалы, но которые позволят значительной части проникающих гамма-лучей выйти наружу.

Стерилизовать пищу — значит уничтожить все микроорганизмы. Многие из них устойчивы к радиации и, возможно, должны быть подвергнуты воздействию 50 000 или более рентген — это в сто раз больше, чем доза, которая убила бы млекопитающее. Такое массивное облучение начинает влиять на сам пищевой продукт. В некоторых случаях стерилизация путем облучения меняет пищу больше, чем это было бы в случае кипячения или замораживания. В других случаях облучение дает меньше нежелательных побочных эффектов, чем любые другие методы.

Другой способ использования радиации — это консервирование сельскохозяйственной продукции. Это не обязательно делать с помощью сложной процедуры стерилизации. Достаточно контролировать вредителей и предотвращать прорастание семян, которые вы пытаетесь сохранить. Таким образом, нам здесь нужно примерно один процент от той радиации, которая потребовалась бы для стерилизации. При такой малой радиации пища не изменяется в заметной степени. Именно в таких процессах, где придется облучать большие объемы материалов, значительная часть продуктов деления может найти применение.

Во всех применениях необходимо проявлять осторожность, чтобы радиоактивные материалы не были случайно разбросаны вокруг. Там, где требуются большие количества, как при стерилизации и консервировании пищевых продуктов, осторожность должна быть удвоена. То, что могут возникнуть неприятности, было проиллюстрировано случаем в Хьюстоне, штат Техас.

Радиоактивный иридий-192, являющийся бета- и гамма-излучателем, использовался одним промышленным предприятием для рентгеновской съемки металлических деталей. Партия этого радиоактивного материала в виде порошкообразных гранул вскрывалась с помощью дистанционного управления, когда сжатый газ в контейнере взорвался и рассеял некоторое количество радиоактивных веществ. Помещение было защищено, но часть радиоактивной пыли проникла в остальную часть здания. Двое рабочих, управлявших аппаратурой дистанционного управления, подверглись загрязнению. Они помылись и очистили помещение, но не сообщили об инциденте.

Несколько недель спустя стандартная проверка радиационного фона показала, что на заводе все еще сохраняется радиоактивность. Руководство компании обеспокоилось и вызвало специалистов. На этой поздней стадии завод был тщательно дезактивирован. Дома этих двух рабочих также были обследованы и оказались слегка радиоактивными. Рабочие и их семьи были временно переселены, пока в их домах проводилась уборка. Когда они вернулись, соседи и друзья стали их избегать. Четырехлетний сын одного из рабочих лишился товарищей по играм. Люди боялись входить в эти дома. Один из домов был выставлен на продажу, но никто не хотел его покупать.

Тот факт, что дома были проверены радиационными счетчиками и признаны чистыми, а также то, что период полураспада иридия-192 составляет всего 75 дней, так что любые следы активности исчезли бы за сравнительно короткое время, не развеяли страхов людей.

Хорошо, что в этом инциденте никто серьезно не пострадал. Но мы можем извлечь из него важный урок: невежество может причинить больше вреда, чем радиоактивность. То, что дом теряет свою стоимость, несмотря на то, что радиоактивное загрязнение было удалено, то, что маленького мальчика избегают, как будто радиоактивность заразна, подобно чуме — все это примеры страданий, вызванных одним из величайших источников человеческих бед: неразумным страхом.

Величайшие возможности продуктов деления ядер для будущего, возможно, лежат в совершенно иной плоскости. Радиоактивность может вызывать мутации. В какой степени это представляет опасность, мы обсуждали в предыдущей главе. В руках селекционера, пытающегося добиться изменений у животных или растений, радиоактивность может стать чрезвычайно полезной.

Конечно, верно, что большинство мутаций вредны. Также верно, что искусственные мутации создаются уже много десятилетий. Но теперь появилась возможность дать в руки гораздо большему числу людей простые и дешевые инструменты. Поэтому возрастут шансы найти среди множества неудачных мутаций те немногие решающие изменения, которые ведут к улучшению.

Осмелимся ли мы доверить опасные материалы такому количеству людей? Мы не должны делать этого, не убедившись, что радиоактивные материалы попадут только к компетентным и ответственным лицам. Это возможно. Аптекари выдают яды; врачи и биологи разводят в своих лабораториях размножающуюся угрозу микробов. Все это делалось и делается безопасно и на благо всех людей.

Использование радиоактивности должно быть даже более безопасным, поскольку этот материал легко обнаружить. Если яды или микробы теряются, их может быть трудно найти. Радиоактивные же материалы дают безошибочное свидетельство своего присутствия. Конечно, никогда не бывает легко найти иголку в стоге сена. Но шанс найти ее гораздо выше, если это радиоактивная иголка.

Радиоактивные побочные продукты не обязательно должны оставаться тем, чем они кажутся сегодня: грязью и опасностью, которую нужно утилизировать и прятать. Но в ближайшем будущем нам придется понести некоторые расходы, чтобы хранить радиоактивные материалы в безопасном месте.

Некоторые газообразные побочные продукты, такие как долгоживущий криптон-85 (период полураспада: 10,4 года), могут продолжать создавать реальные трудности и требовать значительных расходов. Проблема, конечно, в том, что благородный газ, такой как криптон, не связывается с каким-либо материалом прочными связями. Возможно, неразумно позволять долгоживущим газам улетучиваться. С другой стороны, их адсорбция или хранение при низкой температуре или высоком давлении могут потребовать значительных денежных затрат.

Мы говорили о проблеме обращения с побочными продуктами ядерной энергетики. Эта проблема не предстанет в надлежащем масштабе, если мы также не задумаемся о побочных продуктах того вида энергии, который мы используем в настоящее время.

То, что нам не нравятся дым и смог, очевидно. В какой степени эти остатки неполного сгорания могут вызывать рак или другие повреждения, мы не знаем. Химия более коварна, чем радиация. Наше незнание о медленных биологических эффектах химических веществ гораздо больше, чем наши остающиеся сомнения относительно радиации.

Помимо очевидного раздражения и беспокойства, вызываемых продуктами неполного сгорания, существует интересный вопрос, связанный с результатом полного сгорания. Углерод, который откладывался в течение геологических эпох в виде угля и нефти, постепенно расходуется и превращается в бесцветный, не имеющий запаха, безвредный газ — углекислый газ. В нашей атмосфере всегда есть некоторое количество углекислого газа. Его содержание составляет примерно 300 частей на миллион обычного воздуха. Весь углерод, сожженный с начала промышленной революции, мог увеличить содержание углекислого газа в атмосфере на десять процентов, до значения 330 частей на миллион.

Это увеличение может быть значительным. Углекислый газ действует как одеяло или клапан для некоторых видов излучения. Днем мы получаем энергию в виде видимого света от солнца. Этот вид излучения без труда проникает сквозь углекислый газ. Однако входящее излучение уравновешивается невидимым тепловым излучением, которое исходит от Земли в космос днем и ночью. Это инфракрасное излучение по своей природе очень похоже на свет, только наши глаза к нему не чувствительны. Теперь углекислый газ действует как барьер, хотя и частично эффективный, для этого исходящего теплового излучения. Если бы содержание углекислого газа в нашей атмосфере увеличилось слишком сильно, он действовал бы как стекло в теплице, и наш климат стал бы теплее.

Десятипроцентное увеличение содержания углекислого газа в атмосфере должно было вызвать заметное повышение температуры. Такого повышения температуры, однако, не наблюдалось. Причина в том, что не весь углекислый газ, образовавшийся в процессах горения, остался в атмосфере. Большая его часть нашла путь в огромный резервуар наших океанов. Часть его откладывается в виде извести на дне океанов. Однако требуется некоторое время, чтобы углекислый газ удалился из атмосферы и достиг океанов. Поэтому можно было ожидать, что произойдет хотя бы небольшое увеличение содержания углекислого газа в атмосфере. Измерения показывают, что это так и что увеличение составляет около двух процентов — что слишком мало, чтобы изменить наш климат.

Если мы продолжим потреблять топливо с возрастающей скоростью, однако, представляется вероятным, что содержание углекислого газа в атмосфере станет достаточно высоким, чтобы поднять среднюю температуру Земли на несколько градусов. Если бы это произошло, ледяные шапки растаяли бы, и общий уровень океанов поднялся бы. Прибрежные города, такие как Нью-Йорк и Сиэтл, могли бы оказаться затопленными.

Таким образом, промышленная революция, использующая обычное химическое топливо, может быть вынуждена закончиться до того, как преимущества цивилизации распространятся по всей Земле. Однако все еще может быть возможным использование ядерного топлива. С ядерным топливом промышленная революция и ее бесчисленные блага для человека могли бы продолжаться в любой части земного шара. Побочные продукты ядерной эры менее объемны и поэтому легче поддаются обработке, чем побочные продукты нашей угольной и нефтяной экономики. Главное преимущество ядерной энергии может в конечном итоге оказаться именно в этом: при надлежащем уходе ядерная энергия может оказаться самым чистым из доступных источников энергии.

ГЛАВА XIX Ядерная эра

Будущее зависит от людей. Люди непредсказуемы. Поэтому будущее непредсказуемо. Однако некоторые общие условия жизни человечества зависят от таких вещей, как развитие технологий, контроль, завоеванный человеком над природой, и ограниченность природных ресурсов. Их можно предсказать с чуть большей уверенностью. Будущее неизвестно, но в некоторых отношениях его общие контуры можно угадать.

Такие догадки важны. Они влияют на наш текущий взгляд и наши текущие действия.

Ядерная эра еще не началась. Наши источники энергии пока не являются ядерными. Даже в военной сфере, где развитие было наиболее быстрым, структура вооруженных сил еще не приспособилась к фактам ядерной эры реалистичным образом. В политике атомное ядро вошло как обещание и как угроза — а не как факт, на котором мы можем строить и с которым мы можем считаться.

Некоторые технические прогнозы кажутся надежными:

Ядерная энергия не сделает наши старые электростанции устаревшими в ближайшем будущем. Но ядерная энергия позволит поддерживать темп — и даже ускорение — промышленной революции. Будет возможно производить всю необходимую нам энергию по умеренной цене. Более того — и это важный момент — эта энергия будет доступна в любом месте земного шара по цене, которая является довольно единообразной. Чем выше потребность в энергии, тем скорее станет возможным удовлетворить эту потребность с помощью ядерных реакторов.

Ядерная энергия может быть сделана доступной в самых отдаленных местах. Она может быть использована на Антарктическом континенте. Она может быть заставлена работать на дне океана.

Расширяющийся фронт индустриализации называют «революцией растущих ожиданий». То, что ядерная энергия должна быть вовлечена в поток и турбулентность этого расширяющегося фронта, неизбежно.

Можно сказать немного больше о влиянии научных и технологических открытий на отношения между людьми на земном шаре. С новыми открытиями сырье больше не будет требоваться с прежней срочностью. Для большинства веществ находятся заменители. Это может способствовать большей экономической независимости.

С другой стороны, появятся новые возможности. Мы научимся контролировать воздух и возделывать океаны. Это потребует сотрудничества и большей взаимозависимости.

Опасности от радиоактивных побочных продуктов будут действовать в аналогичном направлении. Радиоактивное облако, высвободившееся при аварии на реакторе, может быть опаснее ядерного взрыва. Такое облако не остановится на государственных границах. Должна быть разработана какая-то надлежащая форма международной ответственности.

Какое влияние существование ядерного оружия окажет на сосуществование наций — вопрос, менее понятый и менее изученный, чем любой другой, затрагивающий наше будущее. Большинство людей отворачиваются от него с чувством ужаса. Нелегко смотреть на этот вопрос со спокойным разумом и без лишних эмоций.

Несколько прогнозов кажутся тревожными, но весьма вероятны:

Ядерные секреты не сохранятся. Знание о ядерном оружии распространится среди наций — по крайней мере, до тех пор, пока существуют независимые государства.

Запреты не сработают. Законы или соглашения, которые начинаются со слова «нельзя», могут быть нарушены и всегда будут нарушаться. Если есть надежда, она должна лежать в направлении соглашений, которые начинаются со слова «делать». Идея «Атомы для мира» преуспела, потому что привела к конкретным действиям.

Всеобщая ядерная война между великими державами может произойти, но у нас есть веская надежда, что она не случится, если мы останемся готовыми нанести ответный удар. Никто не захочет провоцировать опустошение собственной страны.

Атомные бомбы могут быть использованы против городов. Но не будет никакого военного преимущества в разрушении городов. В короткой и высокомобильной войне ни центры снабжения и связи, ни массовые средства производства не будут иметь значения. Если города бомбят, это будет делаться прежде всего по причинам психологической войны. Мы должны быть и мы готовы к такому виду войны, но только в качестве меры возмездия. Есть веские основания полагать, что пока мы готовы к тотальной войне, наше гражданское население не пострадает от ядерного нападения.

Уверенность в ответном ударе дает реальную защиту от тотальной войны. Такой защиты не существует против войн, ограниченных по территории и целям. В истории человечества такие войны были наиболее частыми. Нет никаких признаков того, что эти ограниченные войны закончились. Мы должны быть готовы к этим конфликтам с эффективными и мобильными подразделениями, а это требует использования ядерной огневой мощи.

Ядерное оружие, безусловно, окажет глубокое влияние на такую ограниченную войну. Не все это влияние должно быть, и, более того, оно не должно быть направлено на большее опустошение.

В ядерной войне не будет смысла использовать массовые людские ресурсы. Любая такая концентрация станет слишком хорошей мишенью для атомного оружия. Использовать большие, дорогостоящие и заметные машины войны будет неразумно. Такие машины будут побеждены ядерными взрывами точно так же, как рыцарь в доспехах пал перед огнестрельным оружием.

Любое боевое подразделение в ядерной войне должно быть небольшим, мобильным, незаметным и способным к самостоятельным действиям. Такие подразделения, будь то на море, на суше или в воздухе, не могут полагаться и не будут полагаться на фиксированные линии снабжения. Не будет возможности и необходимости оккупировать территорию и сражаться на фиксированных и определенных фронтах. Если война должна вестись по военным причинам и ради военного преимущества, она будет состоять из коротких и острых локальных столкновений, требующих мастерства и передовых методов, а не вовлечения масс, которые убивают и гибнут.

Если захватчик примет крайнюю рассредоточенность, победить его атомным оружием станет невозможно. Но очень сильно рассредоточенную армию может победить решительное местное население. Поэтому главная роль ядерного оружия вполне может заключаться в том, чтобы рассредоточить любую ударную силу, чтобы сопротивление людей, защищающих свои дома, стало решающим. Ядерное оружие вполне может стать ответом на массовые армии и может вернуть власть в руки тех, кому, как мы считаем, она принадлежит: в руки народа.

На этом мы возвращаемся к главной теме этой книги: радиоактивности. В ограниченной ядерной войне радиоактивные осадки, вероятно, убьют многих невинных свидетелей. Мы видели, что программа испытаний порождает опасность, которая намного меньше многих рисков, которые мы принимаем как должное, не беспокоясь. В ядерной войне, даже в ограниченной, ситуация, вероятно, будет совсем другой. То, что некомбатанты страдают в войнах, не новость. В ядерной войне эти страдания вполне могут еще больше возрасти из-за радиоактивных ядов, которые убивают друзей и врагов, солдат и гражданских лиц одинаково.

К счастью, существует выход. Наши ранние ядерные взрывчатые вещества использовали деление ядер. В процессе деления образуется огромное множество радиоактивных продуктов, некоторые из которых чрезвычайно ядовиты. Совсем недавно мы научились получать энергию путем термоядерного синтеза. Синтез производит меньше и гораздо менее опасных радиоактивных веществ. На самом деле нейтроны, которые являются побочным продуктом реакции синтеза, могут поглощаться почти любым материалом и снова производить ассортимент радиоактивных ядер. Однако, поместив рядом с термоядерным взрывом только определенные материалы, можно получить оружие, в котором радиоактивность безвредна. Таким образом, перед нами открывается возможность чистых ядерных взрывов.

Чистое, гибкое и легко доставляемое оружие всех размеров позволило бы использовать эти бомбы так, как мы хотим их использовать: как инструменты обороны. Останавливая агрессора, мы не высвобождали бы огромные количества радиоактивных атомов, которые несли бы смерть там, где мы хотели защитить свободу. Чистое ядерное оружие было бы тем же, что и удобно упакованные взрывчатые вещества большой мощности. Они были бы не более чем этим.

Возможность чистых взрывов открывает еще одно направление развития: использование ядерных взрывчатых веществ в мирных целях. Обычные взрывчатые вещества большой мощности использовались в мирное время так же широко, как и на войне. От добычи полезных ископаемых до строительства плотин — существует огромное разнообразие важных работ, которые выполнял динамит. Ядерные взрывчатые вещества не использовались подобным образом. Причина — опасность радиоактивности. Как только мы полностью овладеем искусством чистых взрывов, последуют мирные применения, и будет сделан еще один шаг в управлении силами природы.

Все это, конечно, лишь малая часть процесса возрастания могущества человека и возрастания ответственности человека. Поскольку невозможное вчера становится свершившимся фактом сегодня, мы должны все больше осознавать наших соседей на этой сжимающейся планете. Искусство мира может привести к конфликту интересов так же легко, как и к плодотворному сотрудничеству. Если мы когда-нибудь научимся контролировать климат мира, нация может оказаться в таком же отношении к другой нации, как два фермера, которые должны использовать воды одной и той же реки.

Соперники — это люди, которые борются за контроль над рекой. Когда то же самое слово «соперники» станет означать сотрудничество для наилучшего общего использования реки или любого другого ресурса — это будет время закона и мира. Конечно, это звучит как утопия, и никто не видит пути. Но общее направление, в котором мы должны идти, — не считать атомные взрывчатые вещества и радиоактивность изобретениями дьявола. Напротив, мы должны более полно исследовать все последствия и возможности, которые заложены в природе, даже когда эти возможности поначалу кажутся пугающими. В конечном счете, это путь к лучшей жизни. Это может звучать необычно оптимистично в атомный век, но мы верим, что человеческая раса вынослива и в конечном итоге человеческая раса разумна.

ГЛОССАРИЙ

Активность: Сокращение от радиоактивности. Также сила радиоактивного источника, измеряемая в распадах в секунду.

Воздушный взрыв: Ядерный взрыв на такой высоте, что огненный шар не касается поверхности Земли. Воздушный взрыв производит очень мало локальных радиоактивных осадков.

Альфа-излучение (частица): Энергичное, но не обладающее проникающей способностью излучение, испускаемое тяжелыми радиоактивными ядрами. Альфа-частица состоит из двух нейтронов и двух протонов и идентична ядру обычного атома гелия.

Атом: Положительно заряженное ядро, окруженное отрицательно заряженными электронами.

Атомная бомба: Бомба, основанная на делении ядер.

Атомное облако: Облако, остающееся после того, как энергия взрыва была унесена ударной волной и тепловым излучением. Оно состоит из конденсированного водяного пара, материала грунта и обломков бомбы, включая радиоактивные вещества.

Атомная энергия: Энергия, высвобождаемая в ядерных реакциях, например, при делении ядер. Атомная энергия и ядерная энергия означают одно и то же, но последнее название более уместно.

Атомный реактор: То же, что и ядерный реактор.

Фоновая радиация: Естественная радиация, обусловленная космическими лучами, а также радиоактивными веществами в земле, в атмосфере и в наших собственных телах.

Бета-излучение (частица): Энергичный электрон или позитрон, испускаемый некоторыми радиоактивными ядрами. Практически все продукты деления являются бета-излучателями (электронов).

Взрывная волна: То же, что и ударная волна.

Цезий-137: Радиоактивный продукт деления. Испускает бета-частицу с энергией 0,5 миллиона вольт и гамма-квант с энергией 0,7 миллиона вольт с периодом полураспада 30 лет. Дочернее ядро — стабильный барий-137.

Цепная реакция: Самоподдерживающаяся последовательность делений. Нейтроны, высвобождаемые при делении одного ядра, используются для вызова деления в другом ядре.

Хромосома: Малое тело неправильной формы, обнаруженное в клетках. Хромосомы несут гены, которые отвечают за наследственность.

Чистая бомба: Ядерная бомба, которая производит тепло и ударную волну, но лишь незначительное количество радиоактивности. Энергия такой бомбы почти полностью получается в результате процесса термоядерного синтеза.

Кобальт-60: Радиоизотоп — распадается в никель-60 с испусканием слабой бета-частицы. Период полураспада для этого распада составляет 5,3 года. Никель-60 немедленно испускает два гамма-кванта с общей энергией 2,5 миллиона электрон-вольт.

Кобальтовая бомба: Радиологическая бомба, которая производит большое количество кобальта-60.

Регулирующий стержень: Стержень из материала, поглощающего нейтроны, используемый для управления уровнем мощности ядерного реактора.

Космические лучи: Энергичные частицы из космического пространства. Они вызывают ядерные реакции в атмосфере Земли и, таким образом, вносят вклад в фоновую радиацию. Это космическое излучение более интенсивно на больших высотах, чем на уровне моря.

Счетчик: Устройство, которое обнаруживает ядерное излучение.

Критическая масса: Количество делящегося материала, необходимое для поддержания устойчивой цепной реакции. При меньшем, чем критическое, количестве реакция прекращается, так как теряется слишком много нейтронов.

Циклотрон: Машина, которая ускоряет заряженные частицы до высокой энергии. Энергичные заряженные частицы могут быть использованы для вызова ядерных реакций.

Дочернее ядро: Ядро, которое остается после распада радиоизотопа.

Распад: Спонтанный процесс, при котором радиоактивное ядро испускает альфа-, бета- или гамма-частицу.

Запаздывающие нейтроны: Те, которые высвобождаются через долю секунды или до половины минуты продуктами деления. Они составляют менее одного процента от общего числа нейтронов, высвобождаемых в процессе деления, но полезны для целей управления в реакторах.

Дейтерий: Стабильный изотоп водорода. Его ядро (называемое дейтроном) состоит из одного протона и одного нейтрона.

Распад: То же, что и распад.

Доза: Количество радиации — обычно измеряется в рентгенах.

E = mc²: Уравнение Эйнштейна, связывающее массу (m) и энергию (E). Скорость света (c) входит как коэффициент пропорциональности. Уравнение утверждает, что один фунт массы эквивалентен десяти мегатоннам энергии. В процессе деления преобразуется только одна десятая одного процента массы. Поэтому для производства десяти мегатонн энергии путем деления потребовалось бы 1000 фунтов урана.

Электромагнитное излучение: Включает радиоволны, видимые, инфракрасные и ультрафиолетовые волны; также рентгеновские и гамма-лучи. Последние два являются энергичными, проникающими формами излучения.

Электрон: Частица, имеющая единичный отрицательный заряд и вес, равный 1/1840 веса самого легкого атома (водорода).

Электронный захват: Процесс, при котором атомный электрон соединяется с протоном в ядре, образуя нейтрон и нейтрино.

Электрон-вольт: Количество энергии, приобретаемое электроном, который ускоряется через электрический потенциал в один вольт. Как правило, энергия, необходимая для того, чтобы «выбить» электрон из атома, составляет несколько электрон-вольт; частицы, выбрасываемые из радиоактивных ядер, имеют энергию от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов электрон-вольт.

Элемент: Совокупность атомов, ядра которых имеют одинаковый заряд. Элемент может состоять из многих изотопов.

Обогащенный материал: Уран, который содержит большую долю 235-го изотопа, чем содержится в природной руде.

Возбужденное состояние: Состояние атома, молекулы или ядра, имеющее избыточную энергию. Как только возможно, эта избыточная энергия высвобождается, и система переходит в основное состояние.

Радиоактивные осадки: Радиоактивные частицы от атомного взрыва. Они могут переноситься в атомном облаке на большие расстояния от эпицентра, а затем «выпадать дождем» на поверхность Земли.

Огненный шар: Светящийся шар горячего воздуха и материала бомбы, который расширяется и остывает по мере того, как ударная волна уносится прочь.

Деление: Распад тяжелого ядра на два или более фрагмента. В этом процессе высвобождается большое количество энергии и некоторые свободные нейтроны.

Делящийся материал: Изотопы, которые подвергаются делению при бомбардировке медленными нейтронами: уран-235 и плутоний-239.

Продукты деления: Осколки деления и их дочерние ядра, включая сотни различных радиоактивных видов, среди них стронций-90 и цезий-137.

Синтез: Объединение легких ядер в более тяжелые с высвобождением энергии. Например, дейтрон + тритон → альфа + нейтрон. В этом процессе высвобождается около 18 миллионов электрон-вольт.

Гамма-излучение: Энергичное, проникающее электромагнитное излучение, испускаемое некоторыми радиоактивными ядрами, часто после бета-излучения.

Гены: Части хромосом. Это большие молекулы, которые определяют наследственность.

Основное состояние: Состояние наименьшей энергии и наибольшей стабильности атомов, молекул и ядер.

Эпицентр: Точка на поверхности Земли непосредственно над или под ядерным взрывом.

Период полураспада: Время, необходимое для распада половины большого числа идентичных радиоактивных ядер.

Водородная бомба: То же, что и водородная бомба.

Тяжелый водород: То же, что и дейтерий.

Тяжелая вода: Вода, в которой тяжелый водород заменен на обычный водород.

Водородная бомба: Термоядерная бомба большой мощности.

Иод-131: Радиоактивный продукт деления с периодом полураспада 8 дней. Испускает электрон со средней энергией 0,2 миллиона электрон-вольт и гамма-квант с энергией 0,4 миллиона электрон-вольт.

Ион: Заряженный атом или молекула. Ионы образуются в изобилии, когда энергичные заряженные частицы проходят через вещество.

Ионизация: Процесс удаления электронов из нейтральных атомов или молекул. Нейтроны и гамма-лучи, а также энергичные заряженные частицы очень эффективны в производстве ионизации.

Иридий-192: Радиоизотоп с периодом полураспада 75 дней. Испускает электрон со средней энергией 0,2 миллиона вольт и гамма-квант с энергией 0,3 миллиона вольт.

Изотопы: Атомы, ядра которых имеют одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Такие атомы имеют одинаковое химическое поведение.

Килотонна: Количество энергии, высвобождаемое тысячей тонн тротила.

Криптон-85: Радиоактивный продукт деления. Имеет десятилетний период полураспада и испускает электрон со средней энергией 0,2 миллиона вольт и гамма-квант с энергией 0,5 миллиона вольт.

Лейкемия: Обычно смертельное заболевание, при котором белые кровяные тельца вырабатываются в избытке.

Локальные радиоактивные осадки: Радиоактивные осадки в окрестностях ядерного взрыва.

Мегатонна: Количество энергии, высвобождаемое миллионом тонн тротила.

Мезон: Частица, промежуточная по весу между электроном и протоном. На самом деле существует два вида мезонов, называемых пи- и мю-мезонами. Пи-мезон весит в 276 раз больше электрона и связан с силами, которые удерживают ядро вместе. Мю-мезон весит в 212 раз больше электрона и вносит заметный вклад в космическое излучение.

Микросекунда: Одна миллионная доля секунды. Свету требуется 5 микросекунд, чтобы пройти милю.

Миллион-вольтовая частица: Сокращение от частицы с энергией в миллион электрон-вольт.

Замедлитель: Материал, используемый в ядерных реакторах для уменьшения скорости нейтронов.

Молекула: Комбинация атомов, удерживаемых вместе химически.

Мутация: Генетическое изменение, которое передается потомству и влияет на наследственные характеристики. Такие изменения в генах могут быть вызваны радиацией, а также химическими и термическими агентами.

Нейтрино: Невесомая, незаряженная частица, которая уносит энергию в процессе бета-распада.

Нейтрон: Нейтральная частица, одна из основных составляющих ядра. Нейтрон весит немного больше протона, и в свободном состоянии распадается на протон плюс электрон и нейтрино.

Благородные газы: Гелий, неон, аргон, криптон и ксенон. Они не соединяются химически ни с какими элементами, включая самих себя.

Ядерная бомба: Бомба, которая получает свою энергию от ядерного деления или синтеза.

Ядерный реактор: Машина для поддержания контролируемой цепной реакции.

Ядро: Сердцевина атома, состоящая из нейтронов и протонов. Его заряд равен количеству протонов. Его вес равен количеству протонов плюс количество нейтронов.

Периодическая система: Химические элементы, расположенные в порядке возрастания атомного заряда. Элементы с похожими химическими свойствами встречаются периодически.

Плутоний: Элемент с зарядом 94, полученный путем захвата нейтрона в уране-238 с последующими двумя бета-излучениями. Как и уран-235, плутоний ценен как атомное топливо.

Позитрон: Положительный аналог электрона.

Калий-40: Естественный радиоактивный изотоп. Имеет период полураспада один миллиард лет и испускает бета- и гамма-лучи.

Протон: Составляющая ядра. Имеет единицу положительного заряда и весит немного меньше нейтрона.

Радиация: Энергичные заряженные частицы, нейтроны и гамма-лучи, которые вызывают ионизацию в веществе. Радиация производится при ядерных взрывах, но также встречается естественно от космических лучей и от распада радиоактивных веществ в нашем окружении.

Радиоактивность: Спонтанный ядерный распад, высвобождающий альфа-, бета- или гамма-частицу.

Радиоизотоп: Сокращение от радиоактивного изотопа.

Радиологическая бомба: Бомба, предназначенная для создания радиоактивного загрязнения.

Радий: Элемент с зарядом 88. Основной изотоп имеет вес 226 и испускает альфа-частицу с периодом полураспада 1620 лет.

Пробег: Расстояние, пройденное энергичной заряженной частицей в веществе до остановки. Тяжелые заряженные частицы движутся по прямой линии внутри вещества, но электроны часто меняют свой курс. По этой причине пробег электронов составляет лишь около половины общего пройденного расстояния.

Реактор: То же, что и ядерный реактор.

Рентген: Мера дозы радиации — определяется в терминах количества энергии, поглощенной на единицу веса облученного материала. Доза в 400 000 рентген в живой ткани поглощает достаточно энергии, чтобы повысить температуру на 1°C. Доза всего в 400 рентген для человека вызывает смерть в пятидесяти процентах случаев.

Ударная волна: Расширяющийся фронт высокого давления и сильных ветров, создаваемый взрывом.

Спонтанное деление: Естественное деление, не вызванное нейтроном. Период полураспада для этого процесса в уране-238 составляет 8 × 10¹⁵ лет.

Стратосфера: Атмосфера над зоной погоды. Высота стратосферы варьируется от тридцати до пятидесяти тысяч футов в зависимости от широты и сезона.

Стратосферные радиоактивные осадки: Всемирные осадки от больших бомб, облака которых поднимаются в стратосферу. В среднем радиоактивность остается в стратосфере около десяти лет, а затем оседает более или менее равномерно по поверхности Земли.

Стронций-90: Радиоактивный продукт деления. Имеет период полураспада 28 лет и испускает два электрона со средней общей энергией 1,2 миллиона электрон-вольт. Стронций химически похож на кальций и откладывается в костях.

Тепловое излучение: Электромагнитное излучение, в основном видимое, но также ультрафиолетовое и инфракрасное, испускаемое из огненного шара ядерного взрыва и передаваемое на большие расстояния в окружающем холодном воздухе.

Термоядерная бомба: Бомба, которая получает значительную часть своей энергии от синтеза изотопов водорода.

Термоядерная реакция: Реакция синтеза, вызванная высокой температурой.

Торий: Элемент с зарядом 90. Основной изотоп имеет вес 232 и испускает альфа-частицу с периодом полураспада 14 миллиардов лет.

Триггерный процесс: Малая причина, которая приводит к большому эффекту.

Тритий: Изотоп водорода. Его ядро (называемое тритоном) состоит из одного протона и двух нейтронов. Тритоны являются радиоактивными бета-излучателями с периодом полураспада 12,25 года.

Тропосфера: Погодная часть атмосферы, от уровня моря до примерно сорока тысяч футов.

Тропосферные радиоактивные осадки: Всемирные осадки, в основном от небольших бомб (менее мегатонны), облака которых остаются в тропосфере. Эти осадки происходят в среднем через две недели — месяц после взрыва и остаются на широте, близкой к широте взрыва.

Уран: Элемент с зарядом 92. Природный уран содержит 1 часть U-235 на 139 частей U-238. U-235 является делящимся материалом, а U-238 может быть преобразован в плутоний, который является делящимся.

Рентгеновские лучи: Проникающее электромагнитное излучение, обычно создаваемое путем бомбардировки металлической мишени энергичными электронами. Рентгеновские и гамма-лучи — это, по сути, одно и то же.

СНОСКИ

[1]The word “noble” is perhaps a misnomer—these atoms do not even seek the company of each other.

[2]Quotes are put around the word atom because, having lost one of its electrons, it is no longer an ordinary neutral atom in its ground state.

[3]Yet.

[4]Actually the same state may be occupied by two neutrons and two protons. The reason is that neutrons and protons are magnetic particles with a north and a south pole. Consequently the demand for a difference can be satisfied by having one neutron (or proton) with its north pole pointing up and another with its north pole pointing down.

[5]It seems that neutrinos emitted in the company of electrons have the symmetry of a right screw; those emitted together with a positron have the symmetry of a left screw.

[6]Actually the weights rarely add up to the original 238 because, as a rule, one or more neutrons are emitted which carry off some of the original mass.

[7]Only a very few unlucky ones are overtaken by beta decay first.

[8]She and her husband were the discoverers of two elements, rhenium and masurium. One of these exists.

[9]A great portion of the energy might be lost if the neutron is quite fast. In this case the neutron can cause internal excitation of the nucleus.

[10]There seems to be a good possibility that he died from a hepatitis entirely unrelated to the initial radiation exposure.

[11]Half-lives of radioactive nuclei are uninfluenced by the extreme temperatures or pressures of the explosion, or by the state of motion of the particles or where they happen to be.

[12]A small amount may drift down to the ground in the winds. This may get deposited on leaves and grass.

[13]The last line of the table is based on our own estimates.

[14]Recent evidence suggests this number is sometimes twenty-three.

[15]Dubbed by its friends “Committee for Reactor Prevention.”

[16]One of the authors.

[17]This difference is not surprising. When we sterilize, we have to kill all germs, even those which are most resistant to radiation. Furthermore small organisms may escape the radiation effects by mere chance. On the other hand a big and complicated organism will cease to function when the most sensitive among its essential tissues have been destroyed.

Примечания транскрибера

Молчаливо исправлено несколько опечаток.

Сохранена информация о публикации из печатного издания: эта электронная книга является общественным достоянием в стране публикации.

Только в текстовых версиях текст курсивом выделен _нижними подчеркиваниями_.