Элементарно о частицах: физик Дмитрий Бузунов разложил на атомы вопросы школьников

Что такое изотопы? Как уран попадает в реактор? Где применяют радиоактивные элементы? На встрече «100 вопросов ученому», организованной Политехническим музеем, на вопросы детей и их родителей ответил сотрудник Института проблем химической физики РАН Дмитрий Бузунов. Наш корреспондент побывала на лекции в павильоне «Рабочий и колхозница» на ВДНХ и записала самое интересное.

Как устроен атом?

Атом состоит из плотного ядра положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, которое окружено облаком отрицательно заряженных электронов. В таблице Менделеева первое место занимает легкий газ водород, его порядковый номер 1. Ядро атома водорода называется «протон», что в переводе с древнегреческого означает «первый, основной». Вокруг ядра атома водорода движется один электрон. Зная порядковый номер любого химического элемента в периодической системе Менделеева, можно представить себе строение атомов. Например, порядковый номер кислорода — ​8. Следовательно, в ядре атома кислорода восемь протонов, а на электронных оболочках находится восемь электронов. Его атомная масса равна 16. Масса ядра — ​это сумма масс протонов и нейтронов. Протонов у кислорода восемь, значит, и нейтронов у него восемь.

В таблице Менделеева мы видим, что каждый элемент существует в единичном экземпляре. Может ли быть несколько вариантов кислорода или углерода?
Да, есть такое понятие, как изотопы. Например, атомная масса кислорода равна 16 — ​в этом элементе восемь протонов и восемь нейтронов. Если добавить еще один нейтрон, получим атомную массу 17. Увеличим еще на один — ​атомная масса будет равна 18. В природе такие разновидности кислорода встречаются редко, но люди научились их получать. Изотопы 17 и 18 менее стабильны, чем изотоп 16, а в таблице указаны лишь самые стабильные химические элементы. Изотопы углерода часто используют в медицине.

Где применяют радиоактивные элементы?

Их часто используют в медицине для диагностики и лечения заболеваний небольшими дозами радиоактивного излучения, которое не приносит вреда. Активно применяют в онкологии. Гамма-лучи оказывают разрушающее действие на клетки злокачественных опухолей. Лучевое лечение безболезненно и удобно для больного. С помощью искусственных радиоактивных веществ можно не только лечить, но и диагностировать ранние признаки некоторых болезней, например опухоли мозга. Для этого пациенту вводят в организм раствор радиоактивного йода, который накапливается в пораженном участке. В месте нахождения опухоли специальный аппарат отметит наибольшую интенсивность излучения.

Какой элемент чаще всего используется в атомной энергетике?

Уран. Это основное топливо для атомных реакторов. Он имеет 26 изотопов, самые распространенные — ​уран‑235, 238, 239. То есть к 92 протонам урана добавляется разное количество нейтронов. Такой большой атом нестабилен и может развалиться. Это называется радиоактивным распадом. Все элементы имеют свой период распада, но для стабильных этот период очень большой — ​несколько миллионов лет.

Как работает АЭС?

Сердце станции — ​реактор, который за счет цепной реакции выделяет тепло для нагрева жидкости. В основе этой реакции лежит деление атомов нейтронами. После расщепления одного атома появляются новые нейтроны, которые и дальше разбивают атомы. Количество нейтронов постоянно растет, атомов делится все больше, растет температура. Охлаждая реактор, вода нагревается и превращается в пар. Пар раскручивает турбину, которая вырабатывает электричество. Если не остановить процесс деления атомов, энергии будет слишком много, и произойдет взрыв. В реакторе есть стержни управления, которые поглощают нейтроны и тормозят реакцию.

Как уран попадает в реактор?

Его загружают в реактор в специальных картриджах, которые называются тепловыделяющими сборками. В одном реакторе их количество может доходить до нескольких сотен. Топливные сборки доставляют на специальных платформах и загружают краном. 1 г урана‑235 позволяет получить столько же энергии, сколько получают, сжигая топливо, произведенное из 2 т нефти.

Что произойдет, если перестать загружать уран в атомный реактор? А если не охлаждать реактор?

В какой-то момент реактор просто остановится, не будет давать достаточное количество энергии, и атомная станция перестанет работать. А если не охлаждать атомный реактор, то он перегреется и может повредиться.

В чем плюсы атомной энергетики?

Угольные и дизельные электростанции сильно загрязняют окружающую среду. Существуют чистые источники энергии, основанные на использовании ветра, воды и солнца, но не везде можно поставить солнечную батарею или ветростанцию. Атомная энергия тоже чистая, но несет определенные риски. А вот управляемый термоядерный синтез сможет обеспечить чистую, безопасную, дешевую энергию. Это наше будущее.

ВОПРОСЫ ОТ РЕДАКЦИИ

— Что физика — ​это сложно, признают даже сами физики. Но почему многие школьники считают, что это еще и скучно? И как преподавать физику нескучно?

— Все зависит от преподавателя. Важно, чтобы ребенок понимал, какие процессы стоят за формулами. Когда на физике изучают радиоактивный распад, надо объяснять, что это касается атомных станций, рассказывать об интересных разработках, которые сейчас ведутся в атомной отрасли, о рисках, с которыми люди могут столкнуться в обычной жизни.

— Нужны ли специализированные физико-математические школы? Многие считают их пережитком прошлого и уверены, что сегодня не время узких специалистов.

— Да, нужны. Сейчас есть тренд на междисциплинарные исследования, но обычно ими занимается команда специалистов узкого профиля. Специализированные школы дают не только отличную базу за счет программы и преподавателей, но и возможность понять, интересно ли направление, еще до поступления в вуз.

— А вас когда увлекла физика?

— Я окончил Курчатовскую школу. Когда перешел в специализированный 10-й класс, школьную программу нам объясняли преподаватели из Московского физико-­технического института. На уроках приводили примеры из реальных исследований, объясняли как взрослым. Становилось понятно, для чего мы учим каждую тему и как это пригодится в будущем.

— Какие книги, подкасты, передачи можете посоветовать школьникам, которые увлекаются физикой?

— Во-первых, есть «ПостНаука» — ​проект о современной фундаментальной науке и ученых, которые ее создают, о популяризации научных знаний. В том числе я слушаю их подкасты. Есть профильные журналы — ​например, уже винтажный «Квант», в архиве на сайте можно найти все выпуски. Могу посоветовать сборник лекций американского ученого Ричарда Фейнмана, а также книги о нем и его размышлениях.