Πως βρήκαμε την πυρηνική ενέργεια

ΠΩΣ ΒΡΗΚΑΜΕ

ΙΣΑΑΚ ΑΣΙΜΩΦ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΟΣ ΤΥΠΟΣ

Original title:

HOW DID WE FIND OUT ABOUT NUCLEAR POWER

Copyright © 1976 by Isaac Asimov "All Rights Reserved"

Copyright © 1982 για την ελληνική γλώσσα ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΟΣ ΤΥΠΟΣ Φ. ΚΑΪΑΦΑ & ΣΙΑ Ο.Ε. Μ. Βρούζης - Δ. Καϊάφας - Φ. Καϊάφα ΑΡΑΧΩΒΗΣ 6 ΑΘΗΝΑ 144 - ΤΗΛ. 3607474, 3619121

ΠΩΣ ΒΡΗΚΑΜΕ

ΙΣΑΑΚ ΑΣΙΜΩΦ

ΣΥΝΕΡΓAΤΕΣ Θανάσης Καραγιώργος

Μετάφραση-Γλωσσική επιμέλεια

Χημικός Μηχανικός

Θυμέλη ε.π.ε.

Στοιχειοθεσία

Θ. Μπαλλίδης & Υιός Ο.Ε.

Εκτύπωση

Δημοσθένης Καϊάφας

Επιμέλεια εκδόσεως

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1.

Ηλεκτρόνια

7

2.

Πυρήνες

21

3.

Πυρηνική Ενέργεια

35

4.

Πυρηνικές Αντιδράσεις

45

5.

Πυρηνικοί Αντιδραστήρες

57

6.

Ευρετήριο

71

Ηλεκτρόνια

Ακόμη και μέχρι τις αρχές του 19ου αιώνα, οι επιστήμονες νόμιζαν ότι η ελάχιστη ποσότητα ύλης ήταν το άτομο. Το άτομο είναι τόσο μικρό που δε φαίνεται ούτε μέσα από το ισχυρότερο μικροσκόπιο. Υπάρχουν περισσότερα από εκατό διαφορετικά είδη ατόμων. Όταν άτομα του ίδιου είδους ενώνονται μεταξύ τους σχηματίζουν τα στοιχεία. Έτσι, το σίδερο αποτελείται από άτομα σιδήρου, το θειάφι αποτελείται από άτομα θείου, το οξυγόνο αποτελείται από άτομα οξυγόνου, κ.ο.κ. Ο σίδηρος, το θείο και το οξυγόνο είναι παραδείγματα στοιχείων. Ο ηλεκτρισμός είναι κάτι που δε φαίνεται να είναι υλικό σώμα. Είναι κάτι που ρέει μέσα από διάφορα στερεά και υγρά. Περνάει μέσα από σύρματα που, μάλιστα, τα κάνει και ζεσταίνονται, μέχρι που πυρακτώνονται πολλές φορές. Γυρίζει κινητήρες και, όπως ξέρουμε αποτελεί την πιο εύχρηστη και διαδομένη μορφή ενέργειας άμεσης χρησιμοποίησης. Οι επιστήμο-

νες από νωρίς διερωτήθηκαν πια ήταν, τέλος πάντων, η φύση του ηλεκτρισμού αφού, όπως είπαμε, δε φαινόταν να είναι υλικό σώμα κατασκευασμένο από ατόμα. Αν θα ήταν δυνατόν να υπάρξει ελεύθερος ηλεκτρισμός έξω από τα σύρματα, τότε η μελέτη του θα ήταν πολύ πιο εύκολη. Βέβαια, μερικές φορές, βλέπουμε λαμπερούς ηλεκτρικούς σπινθήρες στον αέρα. Όμως οι σπινθήρες είναι τόσο βραχύβιοι που δεν προσφέρονται καθόλου για μελέτη. Από την άλλη μεριά, ο ηλεκτρικός σπινθήρας είναι ένα φαινόμενο στο οποίο συμμετέχουν και διάφορα άτομα του αέρα, πράγμα που δημιουργεί σύγχυση κι οδηγεί σε παρεξηγήσεις. Ας υποθέσουμε ότι αναγκάζουμε να περάσει ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από κενό, δηλαδή μέσα από ένα χώρο που δεν περιέχει τίποτα, ούτε ακόμη κι αέρα. Κάτι τέτοιο μπορεί να πραγματοποιηθεί αν πάρουμε ένα γυάλινο σωλήνα, που έχει κλειστές και τις δυο άκρες του, και με μια αντλία κενού αφαιρέσουμε από μέσα του όλο τον αέρα. Ας υποθέσουμε, επίσης, ότι μέσα στο σωλήνα βρίσκονται κατάλληλα τοποθετημένες, σε μικρή μεταξύ τους απόσταση, δυο μεταλλικές πλάκες, που θα τις ονομάσουμε ηλεκτρόδια. Αν, τώρα, συνδέσουμε το ένα ηλεκτρόδιο με το θετικό πόλο μιας ηλεκτρικής πηγής και το άλλο ηλεκτρόδιο με τον αρνητικό πόλο της ίδιας πηγής, τότε, αναγκαστικά, θα περάσει ηλεκτρικό ρεύμα ανάμεσα από τις πλάκες. Το σύνολο αυτό, του κλειστού κενού σωλήνα με τα δυο ηλεκτρόδια, λέμε ότι αποτελεί μια

λυχνία κενού. Η πρώτη λυχνία κενού κατασκευάστηκε εδώ και πάνω από εκατό χρόνια, στα 1855, από το Γερμανό Χάινριχ Γκάισλερ. ' Ετσι μόνο μπόρεσαν οι επιστήμονες να μελετήσουν ηλεκτρικά ρεύματα σε κενό. Ανακάλυψαν, τότε, ότι παραγόταν κάτι που εκπεμπόταν σε ευθεία γραμμή και που θα μπορούσε να ονομαστεί ακτινοβολία ή ακτίνες. Μιλούσαν για «ακτινοβολία» επειδή η λυχνία έδινε μιαν

8

ασθενικιά λάμψη. Και, μάλιστα, η λάμψη γινόταν πιο έντονη όταν χτυπούσαν ελαφρά το γυαλί της λυχνίας. Στα 1876, ένας Γερμανός επιστήμονας, ο Εβγκέν Γκολντστάιν έδειξε ότι η ακτινοβολία γεννιόταν στην πλάκα που ήταν συνδεμένη με τον αρνητικό πόλο της ηλεκτρικής πηγής, δηλαδή τήν «κάθοδο». Γι' αυτό το λόγο ονόμασε την ακτινοβολία καθοδικές ακτίνες. Μερικοί νόμισαν ότι οι καθοδικές ακτίνες ήταν ένα είδος φωτός. Ό π ω ς είναι γνωστό, το φως δεν είναι παρά μια μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με ορισμένο μήκος κύματος.

Έτσι, ίσως κι οι καθοδικές ακτίνες να οφείλονταν σε όμοια ηλεκτρομαγνητικά κύματα, αλλά διαφορετικού μήκους. Ό μ ω ς , κάτι παράξενο συνέβαινε με τις καθοδικές ακτίνες. Όταν πλησίαζε μαγνήτης στη λυχνία κενού, τότε η πορεία των ακτίνων άλλαζε κι από ευθεία γινόταν καμπύλη. Και θεωρήθηκε το πράγμα παράξενο γιατί τέτοια συμπεριφορά δε δείχνει το φως, που διαδίνεται πάντα σε ευθεία γραμμή ανεξάρτητα από την παρουσία στην πορεία του κάποιου μαγνήτη. Ένας Γάλλος επιστήμονας, ο Ζαν Μπαπτίστ Περέν έδειξε, στα 1895, ότι οι καθοδικές ακτίνες μετέφεραν ηλεκτρικά φορτία, δηλαδή, μ' άλλα λόγια, ήταν ηλεκτρικά φορτισμένες. Αυτό εξηγούσε, τώρα, γιατί η πορεία τους αλλάζει όταν περνούν κοντά από ένα μαγνήτη, αφού -ήταν από τότε γνωστό

9

Τζότζεφ Τζων Τόμσον

10

ότι- ο μαγνήτης ασκεί μια καθορισμένη δύναμη στα ηλεκτρικά φορτία που κινούνται μέσα στο πεδίο του. Τα ηλεκτρικά φορτία μπορεί να μεταφέρονται από υλικά σώματα, όχι όμως κι από το φως. Έτσι ο Περέν συμπέρανε ότι οι καθοδικές ακτίνες αποτελούνται από ηλεκτρικά φορτισμένα, απειροελάχιστα σε μέγεθος, σωμάτια. Δυο χρόνια μετά την ανακάλυψη του Περέν, στα 1897, ο Άγγλος επιστήμονας Τζότζεφ Τζων Τόμσον μελέτησε προσεκτικά την καμπύλωση της πορείας των καθοδικών ακτίνων καθώς περνούσαν κοντά από ένα μαγνήτη. Από την ένταση του μαγνητικού πεδίου κι από το βαθμό καμπύλωσης της πορείας των ακτίνων, υπολόγισε το πραγματικό μέγεθος των φορτισμένων σωματίων. Έκπληκτος ανακάλυψε ότι τα σωμάτια των καθοδικών ακτίνων ήταν πολύ μικρότερα κι απ' αυτά ακόμη τα άτομα. Προσδιόρισε, μάλιστα, ότι το σωμάτιο των καθοδικών ακτίνων ήταν 1800 φορές μικρότερο από το πιο μικρό άτομο -τότε γνωστό- στη φύση! Επειδή τα σωμάτια των καθοδικών ακτίνων είναι μικρότερα σε μέγεθος από τα άτομα, γι' αυτό θεωρήθηκαν υποατομικά σωμάτια και, μάλιστα, ήταν τα πρώτα της κατηγορίας αυτής που ανακαλύφτηκαν. Ο Τόμσον τα ονόμασε, ιδιαίτερα, ηλεκτρόνια επειδή φέρουν ηλεκτρικό φορτίο. Έτσι, την εποχή αυτή, οι επιστήμονες ήξεραν δυο διαφορετικά είδη σωματίων: τα άτομα, που αποτελούν την ελάχιστη δομική μονάδα της ύλης, και τα -κατά πολύ μικρότεραηλεκτρόνια, που αποτελούν την ελάχιστη μονάδα ηλεκτρικού φορτίου. Το ερώτημα, όμως, που δε φαινόταν να έπαιρνε άμεση απάντηση, ήταν ποια σχέση υπάρχει ανάμεσα σ' αυτά τα δυο. Η απάντηση δόθηκε στα πλαίσια άλλων προχωρημένων ερευνών και πειραμάτων στην ίδια περιοχή των καθοδικών ακτίνων. Στα 1895, ένας Γερμανός επιστήμονας, ο Βίλχελμ Κόνραντ Ραίντγκεν βρήκε ότι όταν οι καθοδικές ακτίνες

11

Βίλχελμ Κόνραντ Ραίντγκεν

12

πέφτουν πάνω σε υλικό σώμα δημιουργείται ένα νέο είδος ακτινοβολίας. Αυτή η νέα ακτινοβολία προκαλεί φθορισμό ορισμένων χημικών ουσιών και μαυρίζει τη φωτογραφική πλάκα. Επίσης, είναι διεισδυτική, αφού μπορεί να προκαλέσει τα φαινόμενα αυτά ακόμη κι όταν μεσολαβεί χαρτόνι ή ξύλο, και μάλιστα διαδίνεται σε ευθεία γραμμή ακόμη και μέσα στη στερεή ύλη. Ο Ραίντγκεν μη ξέροντας τι είδους ακτινοβολία ήταν αυτή που βρήκε, την ονόμασε ακτίνες Χ, χρησιμοποιώντας το σύμβολο «Χ» που -όπως είναι γνωστό- στα μαθηματικά σημαίνει μιαν άγνωστη ποσότητα. Τελικά, μετά από αρκετό καιρό, ανακάλυψε ότι οι ακτίνες Χ δεν είναι παρά μια ακτινοβολία, όμοια με το φως, που όμως έχει πολύ μικρότερο μήκος κύματος. Από τότε που ο Ραίντγκεν ανακοίνωσε την ανακάλυψή του, οι σύγχρονοι του επιστήμονες άρχισαν να ψάχνουν για να βρουν ακτίνες Χ κι αλλού. Ένας Γάλλος επιστήμονας, ο Αντουάν Ανρί Μπεκερέλ, την εποχή αυτή πειραματιζόταν με μια χημική ουσία που περιείχε άτομα του στοιχείου που ονομάζεται ουράνιο. Επειδή η ουσία αυτή φθόριζε όταν έπεφτε πάνω της το ηλιακό φως, ο Μπεκερέλ εξέτασε αν ο φθορισμός περιείχε κι ακτίνες Χ. Να τι έκανε ο σοφός εκείνος ερευνητής Μπεκερέλ: πρώτα έβγαλε στον ήλιο την ουσία, μετά την τύλιξε μ' ένα μαύρο χαρτί και, τέλος, τοποθέτησε το δεματάκι κοντά σε μια φωτογραφική πλάκα, στο σκοτάδι. Ο συλλογισμός ήταν απλός· αν ο φθορισμός ήταν κανονικό φως, δε θα περνούσε μέσα από το μαύρο χαρτί και, φυσικά, η φωτογραφική πλάκα δε θα έδειχνε καμιά αλλοίωση. Αν, όμως, ο φθορισμός περιείχε ακτίνες Χ, τότε θα περνούσαν το μαύρο χαρτί και θα προσέβαλαν την πλάκα η οποία, μετά την εμφάνιση, θα έπρεπε να δείχνει μαυρισμένη. Πραγματικά, σ' εκείνο το πείραμα, η πλάκα μαύρισε κι ο Μπεκερέλ έκανε την πολύ βάσιμη υπόθεση ότι ο φθορισμός

13

Μαρία Κιουρί

14

περιείχε ακτίνες Χ. Συνεπής και σοβαρός επιστήμονας καθώς ήταν, ο Μπεκερέλ δεν αρκέστηκε σ' αυτή την επιτυχημένη παρατήρησή του, αλλ' αποφάσισε να συνεχίσει τους πειραματισμούς του για να βεβαιωθεί. Δυστυχώς, η επόμενη ημέρα ήταν συννεφιασμένη. Το δεματάκι με την ουρανιούχα ουσία τυλιγμένη μέσα στο μαύρο χαρτί, που είχε προετοιμάσει ο Μπεκερέλ, το είχε αφήσει δίπλα σε μιαν άλλη φωτογραφική πλάκα και περίμενε να ξαναβγεί ήλιος. Η συννεφιά, όμως, συνεχιζόταν για πολλές ημέρες κι ο Μπεκερέλ χάνοντας την υπομονή του αποφάσισε να εμφανίσει τη φωτογραφική πλάκα για να δει, από περιέργεια και μόνο, αν εξακολουθούσε η ουσία να φθορίζει λίγο, μια που είχε περάσει τόσος καιρός από την ημέρα που είχε εκτεθεί στον ήλιο. Με έκπληξη διαπίστωσε ότι η πλάκα είχε μαυρίσει σε μεγάλο βαθμό. Φάνηκε τότε καθαρά ότι η ουσία ακτινοβολούσε ακόμη και χωρίς να είναι εκτεθειμένη στον ήλιο.

κρύσταλλοι ουρανίου μαύρο χαρτί φωτογραφική πλάκα

η φωτογραφική πλάκα αποκαλύπτει ραδιενέργεια

Το πείραμα του Μπεκερέλ

15

Τα επόμενα πειράματα έδειξαν ότι, πραγματικά, η ουσία εξέπεμπε πάντοτε ακτινοβολία. Η, αργότερα πασίγνωστη Πωλονογαλλίδα ερευνήτρια, Μαρία Σκλοφντόφσκα Κιουρί έδειξε, στα 1898, ότι εκείνο που προκαλούσε την ακτινοβολία της ουσίας των πειραμάτων του Μπεκερέλ, δεν ήταν άλλο από τα άτομα του στοιχείου ουράνιο. Γι' αυτό αποκάλεσε την ένωση αυτή του ουρανίου -χρησιμοποιώντας για πρώτη φορά στην επιστημονική γλώσσα τον όροραδιενεργή ουσία. Η Κιουρί, επίσης, ανακάλυψε ότι τα άτομα κι ενός άλλου στοιχείου, που το ονόμασε θόριο, ήταν το ίδιο ραδιενεργά. Η επιστημονική έρευνα δεν άργησε να αποκαλύψει ότι το ουράνιο και το θόριο εκπέμπουν τριών ειδών ακτινοβολίες, με διακριτικό κριτήριο την επίδραση του μαγνητικού πεδίου στην πορεία της διάδοσής τους. Συγκεκριμένα, μέρος της ακτινοβολίας καμπυλώνεται ελαφρά κατά μια διεύθυνση, όταν περνάει μέσα από ένα μαγνητικό πεδίο. Ένα άλλο μέρος της ακτινοβολίας καμπυλώνεται κατά την αντίθετη διεύθυνση αλλά σε πολύ μεγαλύτερο βαθμό, ενώ το υπόλοιπο της ακτινοβολίας μοιάζει να παραμένει ανεπηρέαστο από το μαγνητικό πεδίο καθώς εξακολουθεί να διαδίνεται σε ευθεία γραμμή. Ο Νεοζηλανδός επιστήμονας Έρνεστ Ράδερφορντ ονόμασε τις τρεις διαφορετικές αυτές ακτινοβολίες με τα τρία πρώτα γράμματα του ελληνικού αλφάβητου. ' Ετσι, η ακτινοβολία που παρουσιάζει μικρή καμπυλότητα ονομάστηκε ακτινοβολία α (άλφα) ή ακτίνες α. Εκείνη που παρουσιάζει μεγάλη καμπυλότητα ονομάστηκε ακτινοβολία β (βήτα) ή ακτίνες β. Κι η τρίτη, που παραμένει ανεπηρέαστη, ονομάστηκε ακτινοβολία γ (γάμα) ή ακτίνες γ. Επειδή οι ακτίνες γ δεν επηρεάζονται από το μαγνητικό πεδίο φάνηκε πολύ πιθανό να θεωρηθούν ότι είναι όμοιες με το φως και τις ακτίνες Χ. Ό χ ι πολύ αργότερα αποδείχτηκε ότι,

16

Επίδραση του μαγνητικού πεδίου στα διάφορα είδη ακτινοβολιών πραγματικά, οι ακτίνες γ έχουν μήκος κύματος λίγο μικρότερο απ' αυτό που έχουν οι ακτίνες Χ. Όσο για τις ακτίνες β, το γεγονός ότι καμπυλώνεται η πορεία τους μέσα σε μαγνητικό πεδίο σημαίνει ότι πρέπει να αποτελούνται από ηλεκτρικά φορτισμένα σωμάτια β. Η μεγάλη καμπυλότητα που παρουσιάζουν δείχνει ότι πρέπει να έχουν πολύ μικρό βάρος. Τούτο ακριβώς επιβεβαιώθηκε στα 1900 από τον Μπεκερέλ που απέδειξε ότι τα σωμάτια β δεν είναι παρά ηλεκτρόνια. Και το γοητευτικό σενάριο του αινιγματικού μικρόκοσμου συνεχίζει να ξετυλίγεται. ' Οταν ανακαλύφτηκαν τα ηλεκτρόνια, θεωρήθηκαν ότι αποτελούν τα συστατικά του ηλεκτρικού ρεύματος. Τώρα φαίνονται να προέρχονται από άτομα ουρανίου και θορίου, χωρίς βέβαια να υπάρχει ηλεκτρικό ρεύμα. Τι δουλειά είχαν τα ηλεκτρόνια εκεί πέρα; Την εποχή εκείνη το ουράνιο και το θόριο ήταν οι μόνες γνωστές ουσίες που είχαν το μεγαλύτερο ατομικό βάρος. Ίσως

17

στα πολύ βαριά άτομα να υπήρχε κάτι που τους έδινε κάποια ιδιαιτερότητα και τα έκανε διαφορετικά από τ' άλλα. Κι όμως σύντομα αποδείχτηκε ότι δεν ήταν και τόσο διαφορετικά. Στα 1899 ο Τόμσον πειραματιζόταν με υπεριώδες φως, δηλαδή -μη ορατό- φως με μήκος κύματος λίγο μικρότερο απ' εκείνο του συνηθισμένου ορατού φωτός. Ο Τόμσον μελετούσε τι συμβαίνει όταν υπεριώδες φως πέφτει στην επιφάνεια μερικών μεταλλικών στοιχείων. Είναι γεγονός ότι όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος μιας ακτινοβολίας τόσο μεγαλύτερο είναι το ενεργειακό περιεχόμενο της. Έτσι, όταν η υπεριώδης ακτινοβολία πέφτει πάνω σε μια μεταλλική επιφάνεια τη «χτυπάει» πολύ σκληρότερα απ' όσο το συνηθισμένο ορατό φως. Όταν η μεταλλική επιφάνεια λάμπει στο ορατό φως, δε συμβαίνει τίποτα το ιδιαίτερο, παρά η ανάκλαση του φωτός. Ό τ α ν όμως η μεταλλική επιφάνεια βάλλεται από υπεριώδη ακτινοβολία, το χτύπημα είναι πολύ δυνατό και δε μένει χωρίς συνέπειες. Ο Τόμσον ανακάλυψε ότι τα μέταλλα όταν φωτίζονται με υπεριώδες φως χάνουν ηλεκτρόνια και ονόμασε το φαινόμενο αυτό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Καθώς η επιστημονική έρευνα πάνω στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο προχωρούσε βαθύτερα, φάνηκε ότι ηλεκτρόνια μπορούσαν να αποδεσμευτούν από οποιοδήποτε υλικό σώμα αρκεί τούτο να ακτινοβοληθει με αρκετά «σκληρή» ακτινοβολία. Τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να προέρχονται παρά από τα άτομα, αφού και το πιο μικρό κομματάκι ύλης αποτελείται αποκλειστικά και μόνο από άτομα και τίποτα άλλο. Αυτό, όμως, σημαίνει ότι οι επιστήμονες της εποχής εκείνης θα έπρεπε να καταλάβουν ότι τα άτομα δεν είναι σωστό να θεωρούνται σαν μικρές, ατόφιες μπάλες αλλά -αντίθετα- ότι κι αυτά αποτε-

18

λούνται από μικρότερα συστατικά. Εδώ συγκεκριμένα εννοούνται τα ηλεκτρόνια. Στην πραγματικότητα, η άποψη αυτή εξηγεί και το πως δημιουργείται το ηλεκτρικό ρεύμα. Ηλεκτρόνια απελευθερώνονται με κάποιο τρόπο από άτομα κι οδηγούνται να κυκλοφορήσουν μέσα από ένα υλικό σώμα. Αυτή, ακριβώς είναι η σχέση μεταξύ ηλεκτρισμού και ύλης. Ο Τόμσον ήταν ο πρώτος που επιχείρησε να απεικονίσει τη μορφή και το σχήμα των ατόμων, τώρα που είχαν ανακαλυφτεί τα ηλεκτρόνια. Φαντάστηκε, λοιπόν, ότι τα άτομα έμοιαζαν με μικρές μπάλες στην εξωτερική επιφάνεια των οποίων ήταν σκόρπια κολλημένα τα ηλεκτρόνια, σαν τις σταφίδες σ' ένα κομμάτι σταφιδόψωμο. Ήταν, πραγματικά, μια πολύ ενδιαφέρουσα ιδέα, αλλά -δυστυχώς- ήταν λαθεμένη.

19

Πυρήνες

Κάτι που δεν πήγαινε καλά με την ιδέα του Τόμσον ήταν το ότι δεν υπολόγιζε τις ακτίνες α. Η διαδρομή που ακολουθούσαν οι ακτίνες α άλλαζε καθώς περνούσαν μέσα από ένα μαγνητικό πεδίο πράγμα που σήμαινε ότι οι ακτίνες αυτές αποτελούνταν από ταχύτατα, ηλεκτρικά φορτισμένα σωμάτια. Η πορεία, όμως, των σωματίων α παρουσίαζε ελαφριά μόνο καμπύλωση. Αυτό το γεγονός θα μπορούσε -ίσως- να αποδοθεί στο ότι το ηλεκτρικό φορτίο τους ήταν πολύ μικρότερο από το φορτίο των ηλεκτρονίων ώστε η δύναμη του μαγνήτη πάνω τους να είναι ανάλογα μικρότερη; Όχι! Μετά από πολύ προσεκτική μελέτη, αποδείχτηκε ότι τα σωμάτια α έχουν ακριβώς το διπλάσιο ηλεκτρικό φορτίο σε σύγκριση με τα ηλεκτρόνια και, μάλιστα, ότι το φορτίο των σωματίων α είναι αντίθετο από το φορτίο των ηλεκτρονίων, πράγμα που εξηγείται από το γεγονός ότι οι διαδρομές τους μέσα σε μαγνητικό πεδίο καμπυλώνουν σε αντίθετες διευθύν-

21

σεις. Το ηλεκτρικό φορτίο ενός ηλεκτρονίου θεωρείται κατά σύμβαση αρνητικό και η ποσότητα του παίρνεται ως μονάδα γι' αυτό γράφεται - 1 . Σύμφωνα με τη σύμβαση αυτή, το ηλεκτρικό φορτίο ενός σωματίου α είναι θετικό και, επειδή είναι διπλάσιο του φορτίου του ηλεκτρονίου, γράφεται +2. Το ερώτημα που εδώ γεννιέται είναι, αφού τα σωμάτια α έχουν μεγαλύτερο ηλεκτρικό φορτίο από τα ηλεκτρόνια, δε θα έπρεπε να παρουσιάζουν πολύ πιο έντονη καμπύλωση της πορείας τους, μέσα σε μαγνητικό πεδίο, από την καμπύλωση που παρουσιάζουν τα ηλεκτρόνια; Η απάντηση, όμως, που θα δοθεί θα πρέπει να πάρει υπόψη της το γεγονός ότι τα σωμάτια α είναι κατά πολύ βαρύτερα και πολύ πιο ογκώδη από τα ηλεκτρόνια. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να παρουσιάζουν μεγάλη αδράνεια στην κίνηση τους και να μην είναι εύκολο να ξεφύγουν από την ευθεία πορεία τους. Πραγματικά, έχει αποδειχτεί ότι ένα σωμάτιο α είναι 7.000 φορές βαρύτερο από ένα ηλεκτρόνιο. Αν τώρα κάνουμε μερικούς απλούς υπολογισμούς θα δούμε ότι ένα σωμάτιο α είναι περίπου τέσσερις φορές πιο βαρύ από ένα άτομο υδρογόνου (που είναι το ελαφρότερο στοιχείο) και σχεδόν το ίδιο βαρύ όσο ένα άτομο του στοιχείου ήλιο. Μολονότι, λοιπόν, τα σωμάτια α είναι τόσο βαριά όσο τα άτομα των πιο απλών στοιχείων, όμως, είναι πολύ πιο μικρά σε μέγεθος, ώστε να μπορούν άνετα να διαπερνούν μέσα από την στερεή ύλη. Στα 1906, ο Ράδερφορντ καταπιάστηκε με την προσπάθεια να παγιδέψει σωμάτια α μέσα σ' ένα κλειστό δοχείο. Όταν το πείραμα ολοκληρώθηκε, ανίχνευσε μέσα στο δοχείο την παρουσία του στοιχείου ήλιο. Η διαπίστωση αυτή δημιούργησε πολλά ερωτηματικά, αφού ήταν απόλυτα βέβαιο ότι, στην αρχή του πειράματος, δεν υπήρχε ούτε ίχνος ηλίου μέσα στο δοχείο αυτό.

22

Είναι φανερό ότι τα σωμάτια α κατά κάποιο τρόπο μετατράπηκαν σε ήλιο. Έπαψαν να είναι υποατομικά σωμάτια κι έγιναν ολοκληρωμένα άτομα. Και μια λεπτομέρεια που μπλέκει ακόμη περισσότερο τα πράγματα: το βάρος τους έμεινε το ίδιο αμετάβλητο. Είναι πιθανό, να προστέθηκαν ηλεκτρόνια των οποίων, όμως, η μάζα είναι τόσο μικρή ώστε τελικά να θεωρείται ότι το ολικό βάρος των ατόμων παραμένει ανεπηρέαστο. Κι ο Ράδερφορντ συνέχισε τις έρευνές του, κάνοντας το εξής πείραμα. Χρησιμοποιώντας ραδιενεργές ουσίες και μια κατάλληλη διάταξη, δημιούργησε μια δέσμη σωματίων α την οποία κατηύθυνε σ' ένα λεπτό φύλλο χρυσού. Τα σωμάτια α

Το πείραμα του Ράδερφορντ με το φύλλο χρυσού διαπέρασαν χωρίς δυσκολία το φύλλο. Πίσω από το φύλλο είχε τοποθετήσει μια φωτογραφική πλάκα. Η πλάκα μαύριε ακριβώς στο σημείο που θα έπεφτε η δέσμη πάνω της αν δεν υπήρχε μπροστά της το φύλλο χρυσού. Η ίδια, όμως, πλάκα παρουσίασε και μερικά απόμακρα μαύρα στίγματα. Η πιο λογική υπόθεση που θα μπορούσε να δικαιολογήσει την παρουσία τους είναι ότι οφείλονταν σε σωμάτια α που χτυπώντας πάνω στο φύλλο χρυσού, κατά κάποιο τρόπο, εξοστρακίστηκαν.

23

Στα 1909, ο Ράδερφορντ είχε τόσο προχωρήσει στη γνώση για την κατασκευή της ύλης ώστε έλεγε με αυτοπεποίθηση πως το μεγαλύτερο μέρος του όγκου του ατόμου δεν είναι παρά ένα «νεφέλωμα» από ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια είναι τόσο ελαφριά ώστε το βαρύ σωμάτιο α χωρίς δυσκολία ανοίγει ανάμεσα τους δρόμο για να περάσει. ΣΤΟ κέντρο, όμως, του ατόμου υπάρχει κάτι διαφορετικό, πολύ πιο πυκνό και, μάλιστα, με αισθητά μεγαλύτερη μάζα: ο πυρήνας. Ο πυρήνας είναι τόσο μικρός σε μέγεθος και πιάνει τόσο λίγο χώρο ώστε τα σωμάτια α, στα πειράματα του Ράδερφορντ, τις περισσότερες φορές περνούσαν αρκετά μακριά του. Ό τ α ν , που και που, κάποιο σωμάτιο α χτυπούσε πάνω σε πυρήνα, τότε το σωμάτιο άλλαζε τροχιά σαν να εξοστρακιζόταν. Ο αριθμός των περιστατικών αυτών ήταν τόσο μικρός, όπως τουλάχιστον αποκάλυπτε η φωτογραφική πλάκα, ώστε ο Ράδερφορντ υπέθεσε με βεβαιότητα ότι πραγματικά ο πυρήνας πρέπει να έχει εξαιρετικά μικρό μέγεθος. Υπολόγισε, ακόμη, ότι η διάμετρος ενός ατόμου είναι ίση με τις διαμέτρους 100.000 πυρήνων. Δε χρειάστηκε πολύ για νά αποδειχτεί ότι τα σωμάτια α είναι γυμνοί πυρήνες του ατόμου του ηλίου. Όταν ένα σωμάτιο α αποκτήσει ηλεκτρόνια, τότε γίνεται ένα κανονικό άτομο ηλίου. Αυτό που διαφοροποιεί μεταξύ τους τα άτομα δεν είναι παρά το μέγεθος του ηλεκτρικού φορτίου του πυρήνα τους, όπως απέδειξε, για πρώτη φορά στα 1914, ο σοφός Άγγλος επιστήμονας Χένρυ Μόσλεϋ. Για παράδειγμα, ο πυρήνας του ατόμου του υδρογόνου έχει ηλεκτρικό φορτίο + 1 . Γύρω από τον πυρήνα του υδρογόνου περιφέρεται ένα ηλεκτρόνιο με φορτίο - 1 . Τα ηλεκτρικά φορτία του πυρήνα και του ηλεκτρονίου αλληλοεξουδετερώνονται έτσι ώστε το άτομο στο σύνολο του να θεωρείται ως ηλεκτρικά ουδέτερο. Ανάλογα, ο πυρήνας του ηλίου έχει φορτίο +2 και

24

Ά τ ο μ α μερικών στοιχείων (μέσα στην παρένθεση το χημικό σύμβολό τους)

25

περιβάλλεται από δυο ηλεκτρόνια που έχουν ολικό φορτίο -2. Ο πυρήνας του άνθρακα έχει φορτίο +6 και περιβάλλεται από έξι ηλεκτρόνια (συνολικό φορτίο ηλεκτρονίων -6). Ο πυρήνας του οξυγόνου έχει φορτίο +8 κι εξωτερικά φέρει οκτώ ηλεκτρόνια (συνολικό φορτίο ηλεκτρονίων -8). Ο πυρήνας του σιδήρου είναι πολύ μεγαλύτερος, έχει φορτίο +26 και περιβάλλεται από είκοσι έξι ηλεκτρόνια (συνολικό φορτίο ηλεκτρονίων -26). Σαν τελευταίο παράδειγμα, ο πυρήνας του ουρανίου έχει φορτίο + 92 με ενενήντα δύο ηλεκτρόνια απ' έξω (συνολικό φορτίο ηλεκτρονίων -92). Ο αριθμός που χαρακτηρίζει το μέγεθος του φορτίου του πυρήνα ενός στοιχείου λέγεται ατομικός αριθμός του στοιχείου. Έτσι, λοιπόν, σύμφωνα μ' όσα προηγούμενα αναφέρθηκαν, ο ατομικός αριθμός του υδρογόνου είναι 1, του ηλίου 2, του άνθρακα 6, του οξυγόνου 8, του σιδήρου 26 και του ουρανίου 92. Μέχρι σήμερα η Χημεία γνωρίζει εκατό πέντε διαφορετικά στοιχεία το καθένα από τα οποία έχει ατομικό αριθμό από 1 μέχρι 105, χωρίς από τη σειρά αυτή να παραλείπεται ή να επαναλαμβάνεται ούτε ένας αριθμός. Για την επιστήμη της εποχής του 1914 φαινόταν αρκετά ξεκαθαρισμένο ότι το άτομο αποτελείται από έναν πολύ μικρό, σε μέγεθος, πυρήνα που περιβάλλεται από ένα ηλεκτρονιακό

νέφος. Αφού ο πυρήνας του ατόμου είναι τόσο μικρός, θα μπορούσε να είναι ένα στοιχειώδες σωμάτιο; Ακόμη και μια πρώτη, κάπως πρόχειρη, απάντηση δεν μπορεί να είναι καταφατική. Ο πυρήνας του ουρανίου εκπέμπει ένα σωμάτιο α, που -όπως έχουμε πει- δεν είναι παρά ένας πυρήνας ηλίου. Επίσης, από πυρήνες άλλων στοιχείων εκπέμπονται ακόμη μικρότερα σωμάτια. Έτσι, φαίνεται πολύ λογικό να υποθέσει κανένας ότι ο πυρήνας του ατόμου είναι κατασκευασμένος από σωμάτια πολύ πιο απλά και μικρά από τα σωμάτια α.

26

Ο μικρότερος πυρήνας ανήκει στο άτομο του υδρογόνου κι έχει ηλεκτρικό φορτίο + 1 , δηλαδή ίσο σε μέγεθος -αλλά αντίθετο- με το φορτίο ενός ηλεκτρονίου (-1). Στα 1914 ο Ράδερφορντ κατέληξε στο συμπέρασμα ότι δεν υπάρχει στη φύση ηλεκτρικό φορτίο μικρότερο από το φορτίο του ατόμου υδρογόνου. Κι ονόμασε τον (πρώτο κι απλούστερο στη σειρά των στοιχείων) πυρήνα του υδρογόνου πρωτόνιο καθιερώνοντας, έτσι, διεθνώς στην επιστημονική γλώσσα την ελληνικότατη αυτή ονομασία. Σαν μια άμεση επέκταση της ανακάλυψης αυτής του Ράδερφορντ φαίνεται η διατύπωση του κανόνα ότι κάθε ατομικός πυρήνας περιέχει πρωτόνια και, μάλιστα, ένα για κάθε μονάδα του (θετικού) ηλεκτρικού φορτίου του. Έτσι, λοιπόν, ο πυρήνας ηλίου περιέχει δύο πρωτόνια, ο πυρήνας άνθρακα έξι, ο πυρήνας οξυγόνου οκτώ, ο πυρήνας σιδήρου είκοσι έξι κι ο πυρήνας ουρανίου ενενήντα δύο πρωτόνια. Γρήγορα, όμως, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι ο κανόνας αυτός δεν ταίριαζε απόλυτα σ' όλες τις περιπτώσεις, ούτε εξηγούσε ικανοποιητικά όλα τα φαινόμενα. Ας πάρουμε την περίπτωση του ηλίου, που ο πυρήνας του έχει φορτίο + 2 . Κανονικά, και σύμφωνα με όσα παραπάνω είπαμε, θα πρέπει ο πυρήνας του να αποτελείται από δύο ηλεκτρόνια. Αν συνέβαινε μόνο αυτό, τότε η μάζα του πυρήνα ηλίου θα έπρεπε να ητάν διπλάσια από τη μάζα του πυρήνα υδρογόνου που -ξέρουμε ότι- αποτελείται από ένα πρωτόνιο και τίποτα άλλο. Κι όμως, η μάζα του πυρήνα ηλίου είναι τέσσερις φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του πυρήνα υδρογόνου. Αυτό σημαίνει ότι τα δύο πρωτόνια του πυρήνα ηλίου είναι το μισό μόνο της μάζας του. Και το ερώτημα που γεννιέται τώρα είναι, τι γίνεται με το άλλο μισό; Είναι γεγονός ότι, σ' όλα τα άτομα με φορτίο πυρήνα μεγαλύτερο από +1 παρατηρείται διαφορά μεταξύ της μάζας

27

ένα πρωτόνιο έχει βάρος όσο 1836 ηλεκτρόνια

ένα νετρόνιο έχει το ίδιο βάρος μ' ένα πρωτόνιο

Ισοδυναμία βάρους των στοιχειωδών σωματίων 28

του πυρήνα και της μάζας των πρωτονίων που περιέχει. Για παράδειγμα, ο πυρήνας ουρανίου περιέχει ενενήντα δύο πρωτόνια αλλά η μάζα του είναι 238 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του πυρήνα υδρογόνου. Οι επιστήμονες προσπάθησαν να δώσουν διάφορες ερμηνείες κι εξηγήσεις για την παραπανίσια μάζα του πυρήνα καμιά, όμως, απ' αυτές δεν άντεχε στην αυστηρή κριτική δοκιμασία. Τελικά, η σωστή απάντηση δόθηκε στα 1932 από το Βρετανό επιστήμονα Τζαίημς Τσάντγουικ. ΣΤΟ μεταξύ, η επιστήμη είχε προχωρήσει αρκετά ώστε να διαθέτει τα μέσα να ανιχνεύει, ακόμη κι ασθενικά ρεύματα όχι μόνο ηλεκτρονίων αλλά και πρωτονίων. Μια πολύ έξυπνη και χρήσιμη ειδική συσκευή, που χρησιμοποιήθηκε γι' αυτό το σκοπό, είναι ο λεγόμενος θάλαμος νέφωσης. Μέσα στο

Ί χ ν ο ς πρωτονίου με μικρή ταχύτητα

Ί χ ν ο ς πρωτονίου με μεγάλη ταχύτητα

Ίχνη στοιχειωδών σωματίων όπως φαίνονται στον «θάλαμο νέφωσης»

29

Σερ Τζαίημς Τσάντγουικ

30

θάλαμο αυτό αποκαλύπτεται η τροχιά των ηλεκτρικά φορτισμένων σωματίων από μια λεπτή, αλλά ορατή, γραμμή πολύ μικρών σταγονιδίων νερού τα οποία σχηματίζονται στο πέρασμα τους. Και μάλιστα, οι γραμμές των σταγονιδίων μπορούν να φωτογραφηθούν και να μελετηθούν. Ένα ιδιαίτερο πρόβλημα δημιουργήθηκε όταν διαπιστώθηκε ότι, καθώς σωμάτια α χτυπούσαν πάνω σε πυρήνες του στοιχείου βηρύλλιο, εκπεμπόταν μια άλλη μορφή ακτινοβολίας την οποία, όμως, ο θάλαμος νέφωσης δεν μπορούσε να ανιχνεύσει. Οι ερευνητές αντιλήφθηκαν ότι υπάρχει αυτό το νέο είδος ακτινοβολίας από το γεγονός ότι, περνώντας η άγνωστη ακτινοβολία μέσα από παραφίνη, προκαλούσε την ανάκρουση πρωτονίων που προέρχονταν από διάφορους πυρήνες μέσα στην παραφίνη. Ο Τσάντγουικ κατάλαβε ότι πρέπει να υπάρχει κάποιος λόγος για τον οποίο τα πρωτόνια ανακρούονταν σαν από έφοδο μυστηριωδών βλημάτων. Σκέφτηκε πως, αφού ένα πρωτόνιο έχει μάζα τότε, εκείνο που προκαλεί την ανάκρουση του πρέπει, επίσης κι αυτό, να έχει μάζα. Τα ηλεκτρόνια, για παράδειγμα, δε θα μπορούσαν ποτέ να προκαλέσουν ένα τέτοιο φαινόμενο εξαιτίας, και μόνο, της πολύ μικρής μάζας τους. Το άγνωστο σωμάτιο, όποιο κι αν ήταν, δε θα έπρεπε να έχει ηλεκτρικό φορτίο και γι' αυτό δεν άφηνε κανένα ίχνος από γραμμές σταγονιδίων μέσα στο θάλαμο νέφωσης. Συσχετίζοντας όλα αυτά τα στοιχεία, ο Τσάντγουικ συμπέρανε ότι η άγνωστη ακτινοβολία, που προκαλούσε αυτά τα πλήγματα, αποτελείται από «σωμάτια που είχαν μάζα ίση με τη μάζα του πρωτονίου και χωρίς συνολικό φορτίο». Τα νέα σωμάτια δεν ήταν ούτε αρνητικά ούτε θετικά φορτισμένα. Ήταν ηλεκτρικά ουδέτερα και γι' αυτό ονομάστηκαν νετρόνια. (Ο όρος αυτός είναι λατινογενής κι έτσι αναφέρεται διεθνώς στη γλώσσα μας, μερικά συγγράμματα, τον μεταφράζουν σε ουδετερόνια.)

31

Έτσι, η έρευνα του Τσάντγουικ συνέβαλε στη διαλεύκανση του μυστήριου της συγκρότησης του πυρήνα. Από τότε, είναι πια γνωστό ότι ο πυρήνας είναι κατασκευασμένος από πρωτόνια και νετρόνια. Ξαναγυρνώντας στο παράδειγμα του ηλίου, ο πυρήνας του αποτελείται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια. Στα δύο πρωτόνια οφείλεται το ηλεκτρικό φορτίο του (+2). Στα τέσσερα αυτά σωμάτια οφείλεται η μάζα του (τετραπλάσια της μάζας του πυρήνα υδρογόνου). Το ίδιο συμβαίνει και για όλους τους άλλους πυρήνες, με μοναδική εξαίρεση τον πυρήνα του υδρογόνου, που δεν είναι παρά ένα και μόνο πρωτόνιο. Έτσι, ο πυρήνας του ουρανίου αποτελείται από 92 πρωτόνια και 146 ηλεκτρόνια. Το ηλεκτρικό φορτίο του είναι, βέβαια, + 9 2 αλλά η μάζα του είναι (92+146=) 238 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του πρωτονίου. Ο πυρήνας του ατόμου κάθε στοιχείου έχει, κατά κανόνα, έναν αυστηρά ορισμένο αριθμό πρωτονίων. Ο αριθμός, όμως, των νετρονίων μπορεί να μεταβάλλεται ελαφρά από άτομο σε άτομο του ίδιου στοιχείου. Κλασικό παράδειγμα είναι το ουράνιο, του οποίου μερικοί πυρήνες αποτελούνται από 92 πρωτόνια κι από, μόνο, 143 νετρόνια (αντί για 146). Έτσι, το φορτίο τους εξακολουθεί να είναι + 92 αλλά η μάζα τους είναι (92 + 143 =)235 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του πρωτονίου. Οι πυρήνες ενός στοιχείου που έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων λέγονται ισότοπα. (Κι αυτός ο ελληνικότατος όρος έχει επικρατήσει στη διεθνή επιστημονική ορολογία.) Τα ισότοπα διακρίνονται και κατονομάζονται σύμφωνα με το συνολικό αριθμό των σωματίων του πυρήνα. Το ουράνιο με 92 πρωτόνια και 146 νετρόνια είναι το «ουράνιο-238». Το ισότοπο με 92 πρωτόνια και 143 νετρόνια είναι το «ουράνιο-235». Τα ισότοπα ενός στοιχείου δεν είναι το ίδιο διαδομένα στη φύση. Το ένα μπορεί να είναι πολύ συνηθισμένο ενώ το άλλο

32

πολύ σπάνιο. Στην περίπτωση των ισοτόπων ουρανίου, σε κάθε 100 άτομα ουρανίου τα 993 είναι ουράνιο-238 ενώ μόνον 7 είναι ουράνιο-235.

Πέτρος Κιουρί

33

Πυρηνική Ενέργεια

Οι ακτινοβολίες που προέρχονται από τα ραδιενεργά στοιχεία, όπως είναι το ουράνιο, έχουν μεγάλο ενεργειακό περιεχόμενο, μ' άλλα λόγια είναι ακτινοβολίες υψηλής ενέργειας. Για παράδειγμα, η ακτινοβολία γ έχει ενέργεια μεγαλύτερη από όση έχει το φως. Επίσης, τα σωμάτια α και β κινούνται με απίστευτες ταχύτητες δεκάδων χιλιάδων χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο, έτσι ώστε αποκτούν υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο. Ο πρώτος που ανέλαβε να προσδιορίσει ακριβώς το ποσό της ενέργειας που παράγεται από τα ραδιενεργά στοιχεία ήταν ο διάσημος Γάλλος επιστήμονας Πέτρος Κιουρί, άντρας της επίσης διάσημης Μαρίας Κιουρί, την οποία γνωρίσαμε στα προηγούμενα κεφάλαια. Στα 1901, μέτρησε το ποσό της ενέργειας που εκπέμπει το ραδιενεργό στοιχείο ράδιο, το οποίο η γυναίκα του είχε ανακαλύψει πριν τρία, μόλις, χρόνια. Εκείνη την εποχή ελάχιστες ποσότητες ραδίου ήταν

35

διαθέσιμες στα ερευνητικά επιστημονικά εργαστήρια. Οι μετρήσεις του, όμως, έδειξαν καθαρά ότι μισό κιλό από την ουσία αυτή, συγκεντρωμένο σ' ένα σημείο, ακτινοβολούσε ενέργεια περίπου 4.000 θερμίδων την ώρα. Σε πρώτη εκτίμηση, ίσως να μη θεωρείται η ενέργεια αυτή και τόσο μεγάλη. Για παράδειγμα, η ίδια ποσότητα βενζίνης όταν καίγεται αποδινει 325.000 θερμίδες, δηλαδή περίπου 80 φορές περισσότερη ενέργεια από όση το ράδιο σε μια ώρα. Υπάρχει, όμως, μια ουσιαστική διαφορά μεταξύ των δυο αυτών πηγών ενέργειας. Όταν μισό κιλό βενζίνης έχει καεί, είναι φανερό ότι έχουμε πια πάρει απ' αυτήν ό,τι είχαμε να πάρουμε ή ό,τι είχε να μας δώσει, και δεν περιμένουμε τίποτα άλλο, εφόσο μάλιστα δεν υπάρχει πια η ύλη αυτή. Με το ράδιο, όμως, δεν συμβαίνει το ίδιο πράγμα. Η παραγωγή ενέργειας συνεχίζεται αφού έχουν παραχτει οι 4.000 θερμίδες σε μια ώρα. Έτσι, την επόμενη ώρα το ίδιο μισό κιλό ραδίου παράγει άλλες 4.000 θερμίδες, την επόμενη ώρα άλλες 4.000 θερμίδες, κ.ο.κ. Μέσα σε 80 ώρες έχει παράγει ενέργεια τόση, όση παράγει μισό κιλό βενζίνης όταν καίγεται. Αλλά το ράδιο ακτινοβολεί, πρακτικά, αδιάκοπα ενέργεια. Μετά από 800 ώρες θα έχει δώσει δεκαπλάσια ενέργεια από όση δίνει η βενζίνη, μετά από 8.000 ώρες θα έχει δώσει εκατονταπλάσια ενέργεια, κ.ο.κ. Για να ακριβολογούμε, πρέπει να πούμε ότι ο ρυθμός με τον οποίο το ράδιο αποδινει την ενέργεια που περιέχει, φυσικά, ελαττώνεται, αν και εξαιρετικά αργά. Είναι βέβαιο, ότι κάποια στιγμή, ο ρυθμός αυτός θα πέσει στο μισό του αρχικού. Τούτο όμως δε θα συμβεί πριν περάσουν 1.620 χρόνια! Όταν θα έχει εξαντληθεί το ενεργειακό περιεχόμενο του και έλθει ο καιρός που θα «σβύσει», η συγκεκριμένη ποσότητα ραδίου θα έχει παράγει ενέργεια περίπου 250.000 φορές περισσότερη από όση παράγεται με την καύση της ίδιας ποσότητας βενζίνης. 36

Αλλά είναι πολύ λογικό να διερωτηθούμε, από πού προέρχεται όλη αυτή η ενέργεια; Από τα χρόνια της δεκαετίας του 1840, ακόμη, οι επιστήμονες ήταν αρκετά σίγουροι ότι η ενέργεια προερχόταν από «κάπου»* και, μάλιστα, μιλούσαν καθαρά για ραδιενέργεια. Εκείνη την εποχή, οι επιστήμονες ήξεραν πάρα πολλά σχετικά με την ενέργεια που παραγόταν από τη χημική ένωση των στοιχείων μεταξύ τους. Ήταν, από τότε, γνωστό ότι όταν το ξύλο ή το κάρβουνο ή η βενζίνη καίγεται, τα άτομα του άνθρακα και του υδρογόνου, που αποτελούν την καύσιμη ύλη, ενώνονται με το οξυγόνο του αέρα σχηματίζοντας διοξείδιο του άνθρακα και νερό, αντίστοιχα. Από την ένωση αυτή παράγεται ενέργεια. Η ένωση των στοιχείων στη χημική γλώσσα λέγεται χημική αντίδραση (τότε λέμε ότι τα στοχεία «αντιδρούν» μεταξύ τους) κι η ενέργεια που παράγεται (ή απελευθερώνεται ή «εκλύεται») κατά τις χημικές αντιδράσεις λέγεται χημική

ενέργεια. Οι χημικές αντιδράσεις, σαν την αντίδραση της καύσης, που πραγματοποιούνται με σύγχρονη παραγωγή ενέργειας χαρακτηρίζονται ως ε ξ ώ θ ε ρ μ ε ς αντιδράσεις. Βέβαια, υπάρχουν κι αντιδράσεις που για να πραγματοποιηθούν χρειάζονται να απορροφήσουν ενέργεια και χαρακτηρίζονται ως ε ν δ ό θ ε ρ μ ε ς αντιδράσεις. Από τότε που οι επιστήμονες έμαθαν πώς ήταν κατασκευασμένα τα άτομα, οι χημικές αντιδράσεις αποδίνονταν στη μεταφορά ηλεκτρονίων από το ένα άτομο στο άλλο. Ορισμένες διατάξεις ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα προσδίνουν υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο στην ατομική δομή, ενώ ορισμένες άλλες χαμηλότερο. Ό τ α ν οι ηλεκτρονιακές αυτές διατάξεις * Βλέπε, στην ίδια σειρά βιβλίων του Ισ. Ασίμωφ «Πώς βρήκαμε την ενέργεια», έκδοση Πανεπιστημιακός Τύπος, Αθήνα.

37

μετασχηματίζονται από υψηλού ενεργειακού περιεχόμενου σε χαμηλού, τι συμβαίνει με την ενέργεια που περισσεύει; Απλούστατα, απελευθερώνεται κι αποδίνεται στο περιβάλλον με τη μορφή φωτός, θερμότητας, ηλεκτρισμού, κ.λ.π. Κι όλα αυτά συμβαίνουν στο χώρο των ηλεκτρονίων. Τι γίνεται, όμως, με τα πρωτόνια και τα νετρόνια στον ατομικό πυρήνα; Όμοια, μερικές διατάξεις πρωτονίων-νετρονίων προσδίνουν υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο στη δομή του πυρήνα, ενώ μερικές άλλες χαμηλότερο. Ανάλογα, και για τον ίδιο λόγο, όταν μια υψηλής ενέργειας διάταξη μετασχηματιστεί σε χαμηλής ενέργειας, αποδίνεται στο περιβάλλον ένα ποσό ενέργειας, όση δηλαδή περισσεύει. Εδώ, όμως, η ενέργεια απελευθερώνεται με τη μορφή ακτινοβολίας πολύ μικρού μήκους κύματος ή σωματίων υψηλής ταχύτητας. Στην περίπτωση των ραδιενεργών στοιχείων, όπως το ουράνιο, το θόριο, το ράδιο κι ένα σωρό άλλα, τα πρωτόνια και νετρόνια του πυρήνα τους αλλάζουν διατάξεις με κατεύθυνση το μικρότερο ενεργειακό περιεχόμενο που άμεσα χαρακτηρίζει τη σταθερότερη φυσική κατάσταση. Οι μεταμορφώσεις κι αναδιατάξεις των σωματίων του πυρήνα λέγονται πυρηνικές αντιδράσεις. Το επιπλέον ποσό ενέργειας που απελευθερώνεται στις πυρηνικές αντιδράσεις είναι η πυρηνική ενέργεια, που πολλές φορές αναφέρεται κι ως ατομική ενέργεια. Όπως θυμόμαστε, τα πρωτόνια και τα νετρόνια του πυρήνα είναι, σε σύγκριση με τα ηλεκτρόνια, πολύ πιο ογκώδη. Επίσης, βρίσκονται πολύ πιο κοντά μεταξύ τους, μέσα στον πυρήνα, και συνδέονται με πολύ πιο δυνατούς δεσμούς, από όσο τα ηλεκτρόνια. Αυτό το γεγονός έχει σαν άμεση συνέπεια η διάταξη των πρωτονίων-ηλεκτρονίων να είναι πολύ πιο πλούσια σε ενεργειακό περιεχόμενο από τη διάταξη των ηλεκτρονίων. Γι' αυτό το λόγο η ενέργεια που απελευθερώνεται με μορφή ραδιενέργειας είναι πολύ μεγαλύτερη από εκείνη που αποδί-

38

νεται με μορφή χημικής ενέργειας, όπως είναι η καύση της βενζίνης. Όταν οι επιστήμονες μελετούσαν τους διάφορους πυρήνες αντιλήφθηκαν ότι εκείνοι που έχουν μέτριο μέγεθος έχουν και το μικρότερο ενεργειακό περιεχόμενο. Αντίθετα, οι πολύ ογκώδεις πυρήνες, όπως του ουρανίου και του θορίου, περιέχουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας. Αν αυτοί οι ογκώδεις πυρήνες μεταπέσουν σε άλλους σχετικά μικρότερου μεγέθους, και κατά συνέπεια μικρότερου ενεργειακού περιεχόμενου, τότε η διαφορά, της τελικής ενέργειας από την ενέργεια που αρχικά είχαν, αποδίνεται με μορφή ακτινοβολίας και σωματίων. Με ανάλογο τρόπο, οι πολύ ελαφριοί πυρήνες θα μπορούσαν να μεταπέσουν σε χαμηλότερη ενεργειακή στάθμη αν τα σωμάτια που τους αποτελούν αναδιατάζονταν σε κάπως μεγαλύτερους σχηματισμούς. Και σ' αυτή την περίπτωση, η επιπλέον ενέργεια θα μπορούσε να αποδοθεί με μορφή ακτινοβολίας και σωματίων. Η ανακάλυψη αυτή αποτέλεσε το κλειδί για τη λύση του προβλήματος που για, σχεδόν, εκατό χρόνια βασάνιζε τους επιστήμονες. Ο ήλιος ακτινοβολεί, εδώ κι εκατομμύρια χρόνια, τεράστιες ποσότητες ενέργειας προς κάθε κατεύθυνση. Από

Σύντηξη πυρήνων υδρογόνου και σχηματισμός πυρήνων ηλίου

39

πού, λοιπόν, προερχόταν όλη αυτή η ενέργεια; Στην αρχή δεν υπήρχε μια πραγματικά ικανοποιητική απάντηση στο... καυτό αυτό ερώτημα. Οι αστρονόμοι, όμως, είχαν βρει ότι ο ήλιος αποτελείται βασικά από υδρογόνο. Έ ν α ς Γερμανο-αμερικανός επιστήμονας, ο Χανς Άλμπρεχτ Μπέτε, απέδειξε στα 1938 ότι τέσσερις πυρήνες υδρογόνου, καθένας αποτελούμενος από ένα πρωτόνιο, θα μπορούσαν να σχηματίσουν ένα πυρήνα (του στοιχείου) ηλίου, αποτελούμενο από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια. Αποτέλεσμα αυτού του μετασχηματισμού είναι η αποδέσμευση ενέργειας. Σ' αυτό το μηχανισμό ακριβώς, οφείλεται η ικανότητα του ήλιου να λάμπει και να ζεσταίνει για τόσα πολλά χρόνια. Με άλλα λόγια, η ενέργεια του ήλιου δεν είναι παρά πυρηνική ενέργεια. Βεβαιότατα, από τότε που οι ερευνητές αποκάλυψαν την πυρηνική ενέργεια και διαπίστωσαν πόσο, τρομακτικά, μεγάλα ποσά ενέργειας είναι δεσμευμένα στον ατομικό πυρήνα, άρχισαν να εξετάζουν αν υπήρχαν δυνατότητες να χρησιμοποιηθεί η ενέργεια αυτή, από τον άνθρωπο, για την παραγωγή έργου. Ο άνθρωπος για πολλές χιλιάδες χρόνια χρησιμοποιούσε τη χημική ενέργεια, εκμεταλλευόμενος τη μεταφορά ηλεκτρονίων, καίγοντας ξύλα, κάρβουνο και πετρέλαιο. Τώρα, θα μπορούσε να ελπίζει ότι θα αξιοποιήσει την πυρηνική ενέργεια, εκμεταλλευόμενος -τη φορά αυτή- τη μεταφορά πρωτονίων και νετρονίων. Όταν η ενέργεια χρησιμοποιείται από τον άνθρωπο για την παραγωγή έργου, τότε λέγεται, στη γλώσσα της φυσικής «ισχύς». Το ερώτημα που θέτεται είναι, θα μπορούσε ο άνθρωπος να επωφεληθεί από την πυρηνική ισχύ; Ακόμη και στις περιπτώσεις στοιχείων με πολύ μεγάλο ενεργειακό περιεχόμενο, η απόδοση της ενέργειας στο περιβάλλον γίνεται με αργό ρυθμό. Τα πιο διαδομένα ραδιενεργά

40

στοιχεία, το ουράνιο και το θόριο, αποδίνουν την ενέργεια τους μέσα σε δισεκατομμύρια χρόνια. Δυστυχώς, η επιστήμη δεν μπορεί -τουλάχιστο σήμερα- να εξαναγκάσει τους πυρήνες σε γρηγορότερη αποδέσμευση αυτής της ενέργειας που περικλείνούν. Στην περίπτωση της χημικής ενέργειας τα πράγματα είναι διαφορετικά, εκεί είναι σχετικά, πολύ πιο εύκολο να επιταχυνθεί μια χημική αντίδραση. Για παράδειγμα, ένα σπίρτο δε φαίνεται να καίγεται πριν να το ανάψουμε, χωρίς αυτό να σημαίνει ότι τα χημικά συστατικά του δεν αντιδρούν πολύ σιγά με το οξυγόνο του αέρα. ' Οταν, όμως, το κεφάλι του σπίρτου θερμανθεί, καθώς τρίβεται πάνω σε μια ανώμαλη επιφάνεια, ο ρυθμός της αντίδρασής τους μεγαλώνει τόσο πολύ γρήγορα ώστε το σπίρτο ανάβει και καίγεται έντονα με φλόγα. Παρόμοιο παράδειγμα είναι η νιτρογλυκερίνη· ένα μπουκάλι με νιτρογλυκερίνη, καθόλα αθώο όταν είναι ήρεμο, κάνει τρομακτική έκρηξη στο παραμικρό χτύπημα. Ο λόγος που συμβαίνουν όλα αυτά είναι, απλούστατα, ότι επειδή τα ηλεκτρόνια βρίσκονται στο εξωτερικό των ατόμων εύκολα επηρεάζονται από τη θερμότητα, τις κρούσεις κι άλλες τέτοιες μεταβολές που έχουν σαν αποτέλεσμα να επιταχύνουν το ρυθμό με τον οποίο μεταφέρονται από άτομο σε άτομο. Από την άλλη μεριά, οι πυρήνες βρίσκονται βαθιά στο κέντρο των ατόμων. Δε φτάνονται εύκολα. Έτσι, δεν μπορούμε να επιταχύνουμε τη ραδιενέργεια του ουρανίου με θέρμανση ή χτύπημα ή με οποιοδήποτε άλλο τρόπο που θα μπορούσε να επιταχύνει μια χημική αντίδραση. Το ουράνιο θα εξακολουθεί να δίνει την ενέργεια του πολύ πολύ αργά, απογοητευτικά αργά για μια χρησιμοποιήσιμη πηγή ενέργειας. Αυτό, λοιπόν, που χρειάζεται είναι κάτι που θα μπορούσε, κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες, να διαπεράσει τον εξωτερικό χώρο του ατόμου, με όλα τα ηλεκτρόνια του, και να χτυπήσει κατευθεία τον πυρήνα.

41

Χανς Α. Μπέτε

42

Στην αρχή, ο μοναδικός τρόπος, που γνώριζαν οι επιστήμονες, για να κάνουν κάτι τέτοιο ήταν τα υποατομικά σωμάτια. Τα περισσότερο αποτελεσματικά ήταν τα σωμάτια α, που εκπέμπονται από πολλά ραδιενεργά στοιχεία. Τα σωμάτια αυτά είναι τόσο ογκώδη ώστε μπορούν να φτάσουν στον πυρήνα, χωρίς να ενοχληθούν καθόλου από την παρουσία των ηλεκτρονίων, λες και δεν υπάρχουν. Τι θα συμβεί, όμως, όταν ένα σωμάτιο α χτυπήσει έναν πυρήνα;

43

Τεχνητή μεταστοιχείωση αζώτου σε οξυγόνο

44

Πυρηνικές Αντιδράσεις

Ο πρώτος επιστήμονας στην ιστορία που επιδίωξε σκόπιμα να χτυπήσει το άτομο στην καρδιά του, δηλαδή τον πυρήνα, με σωμάτια α, ήταν ο Ράδερφορντ. Συγκεκριμένα, στα 1919, κατηύθυνε βλήματα-σωμάτια α εναντίον στόχων-ατόμων αζώτου, μέσα σέ ένα δοχείο που περιείχε αέριο άζωτο. Παρατήρησε, τότε, ότι εμφανίζονταν πρωτόνια υψηλής ταχύτητας. Το ερώτημα που άμεσα δημιουργήθηκε ήταν από πού προέρχονταν τα πρωτόνια; Εκείνο που πραγματικά συνέβαινε ήταν ότι, κάθε φορά που ένα σωμάτιο α χτυπούσε πάνω σε έναν πυρήνα αζώτου προκαλούσε την απομάκρυνση ενός πρωτονίου. Το ίδιο το σωμάτιο α, τώρα, θα μπορούσε να ενσωματωθεί σ' αυτό το άτομο δημιουργώντας, έτσι, την εξής κατάσταση: στον πυρήνα του αζώτου αρχικά περιέχονταν εφτά πρωτόνια1 με το χτύπημα φεύγει ένα, προσθέτονται, όμως, άλλα δυο -όσα, δηλαδή, περιέχονται στο σωμάτιο α- και τελικά, ο πυρήνας βρίσκεται να έχει οχτώ πρωτόνια. Ο πυρήνας, όμως, που έχει οχτώ πρωτόνια

45

Ερνεστ Ράδερφορντ

46

δεν είναι πια πυρήνας αζώτου αλλά πυρήνας οξυγόνου. Μέ άλλα λόγια, το άζωτο που «βομβαρδίστηκε» με σωμάτια α έγινε -ή μετατράπηκε σε - οξυγόνο. Αυτή ήταν η πρώτη τεχνητή πυρηνική αντίδραση. Ήταν η πρώτη φορά που το πανάρχαιο όνειρο της μετατροπής ενός στοιχείου σ' ένα άλλο έγινε πραγματικότητα. Τώρα, πια, μιλάμε για τεχνητή μεταστοιχείωση. Ο Ράδερφορντ δε σταμάτησε, βέβαια, εκεί. Δημιούργησε κι άλλες τεχνητές πυρηνικές αντιδράσεις βομβαρδίζοντας στοιχεία με σωμάτια α. Τα σωμάτια α που χρησιμοποιούσε προέρχονταν από φυσικές ραδιενεργές ουσίες και, οπωσδήποτε, είχαν περιορισμένο ενεργειακό περιεχόμενο. Αυτό είχε σαν άμεση συνέπεια να χτυπούν τους πυρήνες με ανάλογα περιορισμένη δύναμη που σημαίνει, τελικά, ότι περιορισμένος μόνο αριθμός πυρηνικών αντιδράσεων μπορούσε, έτσι, να πραγματοποιηθεί. Το αμέσως επόμενο βήμα που οι επιστήμονες προχώρησαν ήταν πώς να επιταχύνουν όλο και πιο πολύ τα υποατομικά σωμάτια ώστε να χτυπούν όλο και πιο δυνατά τους στόχους τους. Οι φυσικοί γρήγορα επινόησαν έναν έξυπνο τρόπο για να παίρνουν σωμάτια-βλήματα. Βρήκαν ότι, όταν θερμαίνεται το υδρογόνο, σε κατάλληλη θερμοκρασία, εύκολα απομακρύνεται το μοναδικό ηλεκτρόνιο που υπάρχει σε κάθε άτομο, οπότε μένει γυμνός ο πυρήνας υδρογόνου, που δεν είναι παρά ένα και μόνο πρωτόνιο. Το πρωτόνιο αυτό το έφεραν μέσα σε μαγνητικό πεδίο και με κατάλληλη διάταξη το επιτάχυναν κάνοντας το πάρα πολύ γρήγορο. Ό τ α ν το πρωτόνιο αυτό είχε αποκτήσει τεράστια κινητική ενέργεια, εκτοξευόταν από τη συσκευή επιτάχυνσης και χτυπούσε με τρομερή δύναμη τον πυρήναστόχο προκαλώντας, έτσι, ανακατατάξεις στα πρωτόνια και νετρόνια που τον αποτελούσαν.

47

Κύκλοτρον Μια τέτοια επιταχυντική συσκευή κατασκευάστηκε για πρώτη φορά στα 1929 από τον Βρετανό επιστήμονα σερ Τζων Ντάγκλας Κόκροφτ και το Ιρλανδό βοηθό του Έρνεστ Τόμας Σίντον Γουώλτον. Η συσκευή αυτή ονομάστηκε «γεννήτρια Κόκροφτ-Γουώλτον». Στα 1932 με τη συσκευή αυτή οι εφευρέτες της διέσπασαν τον πυρήνα του ατόμου του ελαφρού στοιχείου λίθιο. Με τα χρόνια, όλο και πιο ν έ ε ς και πιο τέλειες επιταχυντικές μηχανές -που σήμερα, έχει καθιερωθεί να λέγονται επιταχυντές- επινοούσαν φωτισμένοι και ταλαντούχοι επιστήμονες, πολλοί από τους οποίους υπήρξαν νομπελίστες. Η πιο επιτυχημένη μηχανή ήταν εκείνη που κατασκεύασε στα 1930 ο Αμερικανός σοφός επιστήμονας Έρνεστ Ορλάντο Λώρενς και την ονόμασε κύκλοτρον. Το κύκλοτρον δεν ήταν, βασικά, παρά ένας μεγάλος μαγνήτης με τέτοιες διαστάσεις κι έτσι διαμορφωμένος ώστε να οδηγεί τα πρωτόνια σε σπειροειδή κυκλική κίνηση, όλο και μεγαλύτερης διαμέτρου, επιταχύνοντάς τα όλο και περισσότερο. Εδώ πρέπει να υπογραμμιστεί η ελληνική προέλευση κι αυτού του όρου από τη λέξη «κύκλος». Ό τ α ν η διάμετρος της τροχιάς των πρωτονίων έφτανε να γίνει όση κι η διάμετρος του

48

μαγνήτη, τότε εκτοξεύονταν από το κύκλοτρον. Στο μεταξύ, όμως, τα πρωτόνια αυτά είχαν αποκτήσει τεράστια κινητική ενέργεια. Η δεκαετία του 1930 ήταν μια περίοδος που χαρακτηρίζεται -στο συγκεκριμένο αυτό χώρο της επιστήμης- από την πλατιά χρήση επιταχυντών για το βομβαρδισμό πυρήνων με πρωτόνια εξαιρετικά μεγάλης ενέργειας. Στην ίδια αυτή περίοδο ανακοινώθηκαν τα αποτελέσματα εκατοντάδων τεχνητών πυρηνικών αντιδράσεων και μεταστοιχειώσεων. Το πιο σημαντικό, όμως, είναι ότι οι επιστήμονες άρχισαν την ατέλειωτη πορεία για την εξερεύνηση του πυρήνα. Μολονότι, με τον καιρό, η επιστημονική γνώση σχετικά με τον πυρήνα όλο και πλήθαινε, παρέμενε ακόμη άγνωστη η επωφελής χρησιμοποίηση της πυρηνικής ενέργειας. Οι πυρηνικές αντιδράσεις που είχαν πραγματοποηθεί πρόσφεραν πολύ λίγη ενέργεια, ενώ, από την άλλη μεριά, οι επιστήμονες έπρεπε να διαθέτουν όλο και περισσότερη ενέργεια για να επιταχύνουν τα πρωτόνια. Από αυτά τα τόσο γρήγορα πρωτόνια ελάχιστα, στην πραγματικότητα, χτυπούσαν πυρήνες. Τα πιο πολλά αστοχούσαν και, φυσικά, η ενέργειά τους πήγαινε εντελώς χαμένη. Το αποτέλεσμα, λοιπόν, ήταν να καταναλώνονται τεράστια ποσά ηλεκτρικής και μαγνητικής ενέργειας, για τα πειράματα αυτά προσβολής του πυρήνα, ενώ παραγόταν δυσανάλογα μικρή πυρηνική ενέργεια. Στα 1937 η Επιστήμη έχασε το μεγάλο παιδί της, τον Ράδερφορντ. Ο Ράδερφορντ πέθανε χωρίς ποτέ να πιστέψει πως ο άνθρωπος θα μπορούσε κάποτε να χρησιμοποιήσει την πυρηνική ενέργεια, αφού δαπανούσε για να την παράγει πολύ περισσότερη. Ένα πολύ σοβαρό μειονέκτημα στη χρήση των σωματίων α και των πρωτονίων, σαν βλήματα εναντίον πυρήνων, είναι το ότι

49

Ενρίκο Φέρμι

50

έχουν θετικό ηλεκτρικό φορτίο. Ο ατομικός πυρήνας, όπως έχουμε πει, είναι κι αυτός θετικά φορτιμένος. Επίσης ξέρουμε ότι δυο θετικά φορτία απωθούνται αμοιβαία όταν βρεθούν πολύ κοντά το ένα στο άλλο. Έτσι, όταν σωμάτια α ή πρωτόνια πλησιάζουν σε πυρήνα ένα μεγάλο μέρος της ταχύτητας τους χάνεται, εξαιτίας αυτής ακριβώς της άπωσης. Αυτός είναι ο λόγος που η αποτελεσματικότητα των πυρηνικών αντιδράσεων ήταν περιορισμένη. Τι θα γινόταν αν χρησιμοποιούνταν νετρόνια; Τα νετρόνια δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο κι έτσι δεν έχουν να αντιμετωπίσουν την απωθητική δύναμη του πυρήνα. Θα μπορούσαν, όμως, τα νετρόνια να αποκτήσουν τόση μεγάλη ενέργεια ώστε να προκαλέσουν πυρηνική αντίδραση; Δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι τα πρωτόνια επιταχύνονταν μέσα σε μαγνητικό πεδίο μόνο και μόνο επειδή ήταν ηλεκτρικά φορτισμένα. Αντίθετα, εφόσον τα νετρόνια δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο δεν μπορούν να επιταχυνθούν με τον ίδιο τρόπο. Ένα νέο δρόμο άνοιξε στα 1934, ο Ιταλός επιστήμονας Ενρίκό Φέρμι. Σκέφτηκε ότι, δεν ήταν ανάγκη να επιταχύνει τα νετρόνια. Νόμισε ότι, και στην περίπτωση ακόμη που θα είχαν μικρή ταχύτητα κι ανάλογα χαμηλή ενέργεια, αν μια δέσμη νετρονίων κατευθυνόταν εναντίον ενός ατομικού πυρήνα, όλο και κάποιο νετρόνιο θα έπεφτε πάνω του και, μάλιστα, ίσως θα ενσωματωνόταν. Άλλωστε, τώρα πια, δε θα μπορούσε το θετικό φορτίο του πυρήνα στόχου να εμποδίσει το νετρόνιοβλήμα. Το νεόφερτο, τώρα, νετρόνιο θα μπορούσε να προκαλέσει μια αναστάτωση μέσα στον πυρήνα και να διαταράξει την ισορροπία πρωτονίων-ηλεκτρονίων με αποτέλεσμα να αρχίσει μόνος του ο πυρήνας να αντιδρά και να αναδιατάξει τα σωμάτια που περιέχει. Ο Φέρμι, πραγματικά, άρχισε μια μεγάλη σειρά πειραμάτων

51

στα οποία βομβάρδιζε πυρήνες με νετρόνια χαμηλής ταχύτητας. Σε πολλές περιπτώσεις διαπίστωσε, όπως είχε φανταστεί, ότι ο πυρήνας απορροφούσε ένα νετρόνιο και, αντιδρώντας από μόνος του, έκανε αναδιάταξη των σωματίων του και, μάλιστα, με τέτοιο τρόπο ώστε το νετρόνιο να γίνεται πρωτόνιο! Έτσι, στο τέλος, ο πυρήνας βρισκόταν με ένα πρωτόνιο παραπάνω από όσα είχε στην αρχή. Δηλαδή, με άλλα λόγια, δημιουργόταν ένα νέο στοιχείο, κατά έναν ατομικό αριθμό μεγαλύτερο από το παλιό. Ένα παράδειγμα των αποτελεσμάτων των πειραμάτων του Φέρμι είναι ο βομβαρδισμός πυρήνων του στοιχείου ρόδιο, με ατομικό αριθμό 45, κι η δημιουργία του στοιχείου παλλάδιο, με ατομικό αριθμό 46. Έ ν α άλλο παράδειγμα, η μεταστοιχείωση του στοιχείου ίνδιο, με ατομικό αριθμό 49, σε κασίτερο, με ατομικό αριθμό 50. Την εποχή εκείνη, το στοιχείο που είχε το μεγαλύτερο ατομικό αριθμό ήταν το ουράνιο (ατομικός αριθμός 92). Διερωτήθηκε, τότε, ο Φέρμι, αν θα μπορούσε, βομβαρδίζοντας πυρήνες ουρανίου με νετρόνια, να φτιάξει ένα νέο βαρύτερο στοιχείο με ατομικό αριθμό 93. Στοιχείο με τέτοιο ατομικό αριθμό δεν ήταν γνωστό να υπάρχει στη φύση κι ο Φέρμι θα μπορούσε με αυτό τον τρόπο να δημιουργήσει κάτι πραγματικά νέο. Έτσι, λοιπόν, ο Φέρμι προχώρησε και βομβάρδισε πυρήνες ουρανίου με νετρόνια, πάντα χαμηλής ταχύτητας. Στη συνέχεια, προσπάθησε να ελέγξει τα είδη των ακτινοβολιών που προέκυψαν. Εδώ πρέπει να ανοίξει μια μικρή παρένθεση για να πούμε ότι, οι επιστήμονες, συνήθως, αναγνωρίζουν το είδος του νέου πυρήνα από τις διάφορες ακτινοβολίες, που ο νέος αυτός πυρήνας εκπέμπει, καθώς κι από την ενέργεια που η κάθε ακτινοβολία έχει. Κλείνει η παρένθεση. Ό π ω ς είπαμε, πρόθεση του Φέρμι ήταν να φτιάξει το νέο

52

στοιχείο-93. Αλλά, όμως, η ακτινοβολία που προέκυψε δεν ήταν εκείνη που περίμενε και τα πράγματα άρχισαν να μπλέκονται και να γίνονται αβέβαια. Το ζήτημα γρήγορα πήρε διαστάσεις κι άρχισαν πολλοί άλλοι επιστήμονες να καταπιάνονται με αυτό! Ένας από αυτούς ήταν ο Γερμανός φυσικός Ό τ ο Χαν, που εργαζόταν πάνω σε παρόμοια θέματα μαζί με την Αυστριακή βοηθό του Λιζ Μάιτνερ. Ο Χαν και η Μάιτνερ συνέλαβαν το πρόβλημα κάπως διαφορετικά. Υπέθεσαν ότι θα μπορούσε ο πυρήνας ουρανίου να χάσει αντί να πάρει σωμάτια. Κι ακόμη πιο συγκεκριμένα, υπέθεσαν ότι το άτομο ουρανίου εκπέμπει δυο σωμάτια α. Αν η σκέψη αυτή ήταν σωστή τότε αυτό θα σήμαινε ότι ο πυρήνας του ουρανίου-92 θα έπρεπε να έχει διασπαστεί σε τρία κομμάτια: στα δυο σωμάτια α (δηλαδή συνολικά τέσσερα πρωτόνια) και σε αυτό που έμενε και που δεν ήταν άλλο από το στοιχείο ράδιο, με ατομικό αριθμό 88. Αλλά το ράδιο εμφανίζεται σε ελάχιστες ποσότητες. Πώς θα μπορούσε να γίνει ανίχνευση της παρουσίας του; Ένας, σχετικά εύκολος, τρόπος είναι να χρησιμοποιηθεί το στοιχείο βάριο. Το στοιχείο αυτό έχει ατομικό αριθμό 56, αλλά οι χημικές του ιδιότητες μοιάζουν πάρα πολύ με εκείνες του ραδίου. Ό,τι θα μπορούσε να συμβεί στο ράδιο θα μπορούσε να συμβεί, επίσης, και στο βάριο. Αυτό, λοιπόν, που οι Χαν και Μάιτνερ σκέφτηκαν κι έκαναν στα 1938, ήταν να προσθέσουν βάριο στο ουράνιο και μετά να το ξαναπάρουν πίσω. Η οποιαδήποτε μέθοδος εξαγωγής του βαρίου θα είχε σαν συνέπεια την παράλληλη απομάκρυνση, επίσης, και του ραδίου. Με αυτό το τέχνασμα φαντάστηκαν ότι θα μπορούσαν να απομακρύνουν την ακτινοβολία που οφειλόταν στο ράδιο. Χωρίς καμιά αμφιβολία, όταν απομακρύνεται το βάριο από

53

το ουράνιο, απομακρύνεται και το ράδιο. Έτσι, λοιπόν, οι Χαν και Μάιτνερ ένοιωθαν την ασφάλεια ότι η θεωρία τους ήταν σωστή κι ότι από το ουράνιο σχηματιζόταν, πραγματικά, ράδιο. Το επόμενο βήμα που επιχείρησαν ο Χαν και η συνεργάτριά του ήταν να προσπαθήσουν να απομονώσουν την ακτινοβολία διαχωρίζοντας με χημικές μεθόδους το ράδιο από το βάριο. Στο στάδιο, όμως, αυτό απέτυχαν. Ό,τι κι αν έκαναν, όποια τεχνική κι αν εφάρμοσαν, η ακτινοβολία έμενε με το βάριο. Τότε, όμως, μια συγκυρία ήρθε κι άλλαξε τα σχέδιά τους. Ήταν η εποχή που ο Χίτλερ στη Γερμανία άρχισε τους διωγμούς εναντίον των Ισραηλιτών. Αν και στην καταγωγή της η Λιζ Μάιτνερ ήταν Ιστραηλίτισσα, για ένα μικρό διάστημα ήταν ασφαλής, εφόσον είχε την αυστριακή υπηκοότητα. Μέχρι το Μάρτη του 1938. Τότε έγινε η κατάληψη της Αυστρίας από τα γερμανικά στρατεύματα. Από τότε η Μάιτνερ έπαψε να είναι ασφαλής κι εκινδύνευε να πιαστεί όμηρη. Μπροστά σε έναν τέτοιο κίνδυνο αναγκάστηκε να εγκαταλείψει την πατρίδα της και να καταφύγει στη Σουηδία. Όταν η Μάιτνερ τακτοποιήθηκε στη Σουηδία, άρχισε να ξανασκέφτεται το θέμα που μαζί με τον Χαν είχε δουλέψει. Προσπάθησε να δώσει απάντηση στο ερώτημα αν υπήρχε καθόλου ράδιο μέσα στο βάριο που χρησιμοποιούσαν. Ίσως να μην υπήρχε τίποτε άλλο παρά βάριο. Ίσως όταν τα νετρόνια βομβάρδιζαν το ουράνιο, να σχηματιζόταν κάποιο νέο είδος ραδιενεργού βαρίου. Αυτό το νέο βάριο απομακρυνόταν από το ουράνιο μαζί με το συνηθισμένο βάριο που είχε απ' έξω προστεθεί στο ουράνιο, οπότε, φυσικά, δεν ήταν ποτέ δυνατόν να ξεχωρίσουν τα δυο αυτά είδη βαρίου. Αυτή ήταν η υπόθεση της Μάιτνερ. Αλλά πώς θα μπορούσε να σχηματιστεί βάριο, με ατομικό αριθμό 56, από ουράνιο, με ατομικό αριθμό 92; Το μεγαλύτερο γνωστό θραύσμα πυρήνα ήταν το σωμάτιο

54

Νιλς Μπορ

55

α, που έχει ατομικό αριθμό 2. Για να σχηματιστεί, λοιπόν, βάριο θα έπρεπε -κυριολεκτικά- να διαμελιστεί ο πυρήνας σε δέκα οχτώ σωμάτια α! Δεν υπήρχε, όμως, καμιά απόλυτα ένδειξη ότι κάτι τέτοιο συνέβαινε. Η Μάιτνερ αμφέβαλε, τώρα, αν το βάριο σχηματιζόταν σε ένα μόνο βήμα. Υπέθεσε ότι το νετρόνιο διασπάει τον πυρήνα σε δυο κομμάτια, δηλαδή μικρότερους πυρήνες, που οπωσδήποτε, μεταξύ των άλλων, περιλαμβάνουν και βάριο. Μια τέτοια διάσπαση λέγεται πολλές φορές σχάση. Έτσι, λοιπόν, η Μάιτνερ εξέταζε το φαινόμενο της «σχάσης του ουρανίου». Τις ιδέες της, αυτές για τη σχάση του ουρανίου η Μάιτνερ, ανακοίνωσε, σε συνεργασία με τον ανηψιό της Ό τ ο Ρόμπερτ Φρίς, το Γενάρη του 1939. Προτού, όμως, η ανακοίνωση δημοσιευτεί, ο Φρίς είχε συζητήσει σχετικά μαζί με το Δανό επιστήμονα Νιλς Μπορ. Συναντήθηκε με τον Μπορ λίγο πριν πάει στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής για να πάρει μέρος σε ένα Συνέδριο επιστημόνων ειδικών στην έρευνα του ατομικού πυρήνα και των πυρηνικών αντιδράσεων. Εκεί, ο Μπορ, τους μίλησε για τις ιδέες της Μάιτνερ κι όλοι επιστρέφοντας, μετά το τέλος του Συνέδριου, στα εργαστήρια τους άρχισαν αμέσως να πειραματίζονται πάνω στό ίδιο θέμα. Από τη στιγμή που ο επιστημονικός κόσμος άρχισε να ψάχνει να δει τι συνέβαινε όταν νετρόνια χτυπούσαν πυρήνες ουρανίου, με βάση την υπόθεση της πιθανής σχάσης, ήταν πια σίγουρο ότι αργά ή γρήγορα η αλήθεια θα βρισκόταν. Δεν άργησε να επιβεβαιωθεί ότι, όταν ο πυρήνας του ουρανίου βομβαρδιστεί με νετρόνια τότε σχίζεται (ή, παθαίνει σχάση) σε δυο κομμάτια με σύγχρονη απελευθέρωση πολύ μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας.

56

Πυρηνικοί Αντιδραστήρες

Ένας από αυτούς που άκουσαν τα νέα για τη σχάση του ουρανίου ήταν κι ο Ούγγρος επιστήμονας Λέο Σίλαρντ. Ο Σίλαρντ παρατήρησε ότι, όταν τα άτομα ουρανίου παθαίνουν σχάση εκπέμπονται δυο ή τρία νετρόνια. Ας υποθέσουμε, τώρα, ότι ένα άτομο ουρανίου παθαίνει σχάση και δίνει δυο νετρόνια κι ότι τα δυο αυτά νετρόνια χτυπούν σε δυο άλλα αντίστοιχα άτομα ουρανίου. Αν, τα δυο τελευταία άτομα ουρανίου, πάθουν κι αυτά σχάση θα δώσουν από δυο νετρόνια το καθένα, δηλαδή το σύνολο τέσσερα νετρόνια. Τα τέσσερα νετρόνια θα μπορούσαν να προκαλέσουν σχάση σε άλλα τόσα άτομα ουρανίου, οπότε θα δημιουργόνταν οχτώ νέα νετρόνια, κ.ο.κ. Έτσι, κάθε άτομο ουρανίου που παθαίνει σχάση προκαλεί τη σχάση κι άλλων πολλών, όλο και περισσότερων, όμοιών του ατόμων. Οι πυρηνικές αντιδράσεις αυτού του είδους, δηλαδή 57

Αλυσωτή αντίδραση

που χαρακτηρίζονται με τέτοιους μηχανισμούς αυξανόμενης πολλαπλότητας, καθιερώθηκε να λέγονται αλυσωτές αντιδράσεις. Για να πάρουμε μιαν ιδέα σχετικά με την ενέργεια που απελευθερώνεται σε μιαν πυρηνική αντίδραση, ας φανταστούμε τι θα γίνει όταν ανάψουμε ένα μεγάλο κομμάτι χαρτί σε μια γωνίτσα του, με ένα σπίρτο. Η θερμότητα της καύσης του χαρτιού προκαλεί την ανάφλεξη των γειτονικών μερών μέχρι που η φωτιά θα επεκταθεί και θα κάψει ολόκληρο το χαρτί. Είναι βέβαιο, ότι, αν κανένας υπολογίσει τη θερμότητα που απέδωσε το κάψιμο του χαρτιού, θα τη βρει πολύ περισσότερη από τη θερμότητα του σπίρτου που άναψε τη φωτιά. Ανάλογα, κάθε πυρήνας ουρανίου που παθαίνει σχάση παράγει ένα πολύ μικρό ποσό ενέργειας. Η ενέργεια, όμως, αυτή μεγαλώνει, όλο και πιο πολύ, όσο περισσότερα άτομα ουρανίου μπαίνουν στο χορό της σχάσης. Τελικά, κι εδώ, η συνολική ενέργεια που θα παραχτεί, από τη σχάση του ουρανίου, θα είναι πολύ μεγαλύτερη από την ενέργεια που είχε το πρώτο νετρόνιο.

58

Έτσι, θεωρούμε πια σαν απόλυτα εξακριβωμένο γεγονός ότι, το φαινόμενο της σχάσης του ουρανίου συνοδεύεται κι από απελευθέρωση πυρηνικής ενέργειας. Το εξαιρετικής σημασίας, όμως, χαρακτηριστικό των πυρηνικών αλυσωτών αντιδράσεων σχάσης είναι ότι εξελίσσονται πολύ πιο γρήγορα από τις χημικές αλυσωτές αντιδράσεις, όπως το κάψιμο του χαρτιού. Η σχάση του ουρανίου έδωσε την ελπίδα ότι ο κόσμος θα μπορούσε, τελικά, να εκμεταλλευτεί την πυρηνική ενέργεια. Τουλάχιστο φάνηκε ότι θα μπορούσε ο άνθρωπος να πάρει περισσότερη ενέργεια από όση έδινε, κάτι που ο Ράδερφορντ ποτέ δε φαντάστηκε. Όμως, η ισχύς της σχάσης είναι κάτι το τρομερά δύσκολο αλλά κι επικίνδυνο στο χειρισμό της. Ο Σίλαρντ διατύπωσε το φόβο ότι, αν μια ποσότητα ουρανίου αφηνόταν να πάθει ανεξέλεγκτη σχάση, θα απελευθέρωνε τόσο μεγάλη ενέργεια που θα οδηγούσε σε έκρηξη. Και το πιο σοβαρό: η έκρηξη ακόμη και μιας πολύ μικρής ποσότητας ουρανίου θα μπορούσε να έχει καταστρεπτικότατα αποτελέσματα, σαν να είχαν εκραγεί χιλιάδ ε ς τόνοι συνηθισμένων εκρηκτικών υλών. Η σκέψη αυτή τον βασάνιζε και τον έκανε νευρικό κι ανήσυχο. Ο Σίλαρντ εγκατέλειψε την Ευρώπη εξαιτίας των διωγμών που ο Χίτλερ άρχισε τότε να εξαπολύει. Ήταν ολοφάνερο ότι η Γερμανία προετοιμαζόταν για μεγάλο πόλεμο. Τι θα συνέβαινε αν οι Γερμανοί επιστήμονες επινοούσαν μια «βόμβα πυρνικής σχάσης»; [Μια τέτοια βόμβα ήταν αυτή που αρκετά αργότερα, ονομάστηκε ατομική βόμβα.] Αν ο Χίτλερ αποκτούσε ποτέ ένα τόσο καταστρεπτικό όπλο, τότε θα μπορούσε να το χρησιμοποιήσει και σίγουρα θα κέρδιζε τον πόλεμο. Ο Σίλαρντ θεώρησε ότι ήταν, πια, ζήτημα ζωής και θανάτου να αποκτήσουν οι Ηνωμένες Πολιτείες πρώτες την τρομερή αυτή βόμβα. Ο μεγαλύτερος και περιφημότερος επιστήμονας του κό-

59

Λέο Σίλαρντ

60

σμου -όχι μόνο της εποχής εκείνης αλλά ίσως κι όλων των αιώνων- ήταν ο Άλμπερτ Αϊνστάιν που, επίσης, είχε διαφύγει από τη χιτλερική Γερμανία και ζούσε στις Ηνωμένες Πολιτείες. Ο Σίλαρντ κι άλλοι διανοητές και φιλόσοφοι επιστήμονες κατόρθωσαν κι έπεισαν τον Αϊνστάιν να γράψει ένα γράμμα στον τότε Πρόεδρο Φράγκλιν Ντελάνο Ρούζβελτ και να του εκθέσει την κατάσταση και τους κινδύνους που καιροφυλακτούν. Το γράμμα στάλθηκε στις 2 Αυγούστου του 1939. Μετά ένα, σχεδόν, μήνα κυρήχτηκε ο Δεύτερος Παγκόσμιος Πόλεμος. Κάπως αργοπορημένα, στις 6 Δεκέμβρη του 1941, ο Πρόεδρος Ρούζβελτ έδωσε, τελικά, την εντολή να ξεκινήσει ένα γιγάντιο πρόγραμμα για την κατασκευή της βόμβας πυρηνικής σχάσης. Λίγες ημέρες αργότερα έγινε η ιαπωνική επίθεση στο Περλ Χάρμπορ κι οι Ηνωμένες Πολιτείες μπήκαν, κι αυτές, στον Πόλεμο. Τώρα, αμερικανοί κι άλλοι επιστήμονες δούλευαν πυρετωδώς για να συγκεντρώσουν ουράνιο και να βρουν τρόπους να προκαλέσουν αλυσωτές αντιδράσεις. Φυσικά, αναζητούσαν μια τέτοια αλυσωτή αντίδραση που να είναι απόλυτα ελεγχόμενη. Το κάδμιο είναι ένα μέταλλο που απορροφά ασφαλώς τα νετρόνια. Έτσι, χρησιμοποιήθηκαν ράβδοι από κάδμιο μέσα στη μάζα του ουρανίου ώστε να εμποδίζεται η σχάση τόσων πολλών ατόμων ουρανίου από τα νετρόνια που εκπέμπονται. Μέσα σ' αυτό το κοσμογονικό για την έρευνα κλίμα, βρέθηκε ότι δεν ήταν το ουράνιο-238 εκείνο που εξέπεμπε νετρόνια αλλά το σπάνιο ισότοπο του ουράνιο-235. ΣΤΟ μεταξύ, νέα στοιχεία είχαν προκύψει από πολύ ογκώδεις πυρήνες, του είδους που ο Φέρμι είχε, μερικά χρόνια παλιότερα, προσπαθήσει να δημιουργήσει. Το στοιχείο-93 ονομάστηκε νεπτούνιο ή, εξελληνισμένα, ποσειδώνιο και το στοιχείο-94 ονομάστηκε πλουτώνιο. Την ίδια εποχή ο Φέρμι είχε φύγει από την Ιταλία και

61

Τζ. Ρόμπερτ Οπενχάιμερ

62

βρισκόταν, κι αυτός, στις Ηνωμένες Πολιτείες, επικεφαλής μιας ομάδας ερευνητών που δούλευαν πάνω στο πρόβλημα της συντήρησης μιας αλυσωτής αντίδρασης. Το κατάφεραν στις 2 Δεκέμβρη 1942, στο Σικάγο. Την ημέρα εκείνη για πρώτη φορά στην Ιστορία της Επιστήμης μια αλυσωτή πυρηνική αντίδραση απέδινε ενέργεια με ελεγχόμενο τρόπο. Ο πρώτος πυρηνικός αντιδραστήρας είχε πια γεννηθεί. Μια άλλη ομάδα επιστημόνων, με επικεφαλής τον διάσημο αλλά τραγικό Τζ. Ρόμπερτ Οπενχάιμερ πάσχιζε για καιρό να βρει και να μαζέψει αρκετή ποσότητα ουρανίου-235 και πλουτωνίου με σκοπό να κατασκευάσουν βόμβες πυρηνικής σχάσης. Τελικά, στις 16 Ιούλη 1945 έγινε η πρώτη δοκιμαστική έκρηξη βόμβας πυρηνικής σχάσης στο Λος Άλαμος του Νέου Μεξικού. Η έκρηξη ήταν κάτι το τρομακτικό. Αμέσως μετά, φτιάχτηκαν δυο, ακόμη, τέτοιες βόμβες. Βέβαια, στο μεταξύ, οι Γερμανοί είχαν παραδοθεί αλλά οι Ιάπωνες συνέχιζαν τον πόλεμο, σ' έναν αγώνα μέχρις εσχάτων. Η μια από τις βόμβες των Αμερικανών ρίχτηκε στην Ιαπωνική πόλη Χιροσίμα, στις 6 Αυγούστου 1945, ενώ η δεύτερη στην πόλη Ναγκασάκι, δυο ημέρες αργότερα, σαν μια απεγνωσμένη προσπάθεια τερματισμού του Δεύτερου Παγκόσμιου Πόλεμου. Ο Πόλεμος τέλειωσε, πραγματικά, με την άμεση παράδοση της Ιαπωνικής κυβέρνησης. Φυσικά, η χρησιμοποίηση της πυρηνικής ενέργειας δεν αποσκοπεί μόνο στην κατασκευή βομβών ή άλλων πολεμικών όπλων. Αν η σχάση γίνεται με απόλυτα ελεγχόμενο τρόπο, η ενέργεια που προκύπτει θα μπορούσε να αξιοποιηθεί, χωρίς έκρηξη, για ειρηνικούς σκοπούς. Οι επιστήμονες, στα επόμενα χρόνια, βάλθηκαν να κατασκευάσουν νέους πυρηνικούς αντιδραστήρες, μικρότερους, πιο αποδοτικούς και πιο εύχρηστους σε σύγκριση με τον πρώτο αντιδραστήρα του Σικάγου. Στα 1954, καθελκύστηκε το πρώτο πυρηνικό υποβρύχιο

63

στον κόσμο. Ήταν το «Ναυτίλος», του πολεμικού ναυτικού των Ηνωμένων Πολιτειών της Αμερικής. Ό λ η η αναγκαία για την κίνηση και λειτουργία του ισχύς προερχόταν από ένα κατάλληλο πυρηνικό αντιδραστήρα που έφερε. Τα συμβατικά υποβρύχια οφείλουν κάθε τόσο να αναδύονται στην επιφάνεια για να φορτίσουν τις μπαταρίες τους. Τα πυρηνικά υποβρύχια δεν έχουν τέτοια ανάγκη και γι' αυτό μπορούν να παραμείνουν σε κατάδυση για πολλούς μήνες. Πολλοί πυρηνικοί αντιδραστήρες άρχισαν να κατασκευάζονται και για ειρηνικούς σκοπούς. Στα 1954, στη Σοβιετική ' Ενωση εγκαινιάστηκε ένας μικρός τέτοιος αντιδραστήρας ενώ στην Αγγλία εγκαινιαζόταν ένας μεγαλύτερος. Στα 1958, οι Ηνωμένες Πολιτείες κατασκεύασαν έναν ακόμη μεγαλύτερο, στο Σίπινγκπορτ της Πενσυλβάνια.

Το Αμερικανικό πυρηνικό υποβρύχιο «Ναυτίλος»

64

' Οταν, στη δεκαετία του 1950, άρχισε η προσπάθεια για την ειρηνική χρήση της πυρηνικής ενέργειας, ήταν διάχυτη η αισιοδοξία ότι θα αποτελούσε μια νέα πελώρια κι αστείρευτη πηγή ενέργειας που θα έλυνε το ενεργειακό πρόβλημα του κόσμου. Με τον καιρό όμως φάνηκαν τεράστιες δυσκολίες που μετρίασαν όλες τις αρχικές ελπίδες. Η πιο σοβαρή κι απαισιόδοξη διαπίστωση ήταν ότι δεν υπάρχουν στον κόσμο αρκετά αποθέματα ουρανίου-235. Θα σταματούσε να παράγεται πυρηνική ενέργεια όταν θα εξαντλούνταν όλα τα διαθέσιμα σε ουράνιο-235; Την αγωνία, όμως, σύντομα διαδέχτηκε η ανακούφιση ότι ο κίνδυνος αυτός υπήρχε τρόπος να αντιμετωπιστεί αποτελεσματικά. Οι επιστήμονες έμαθαν ότι ήταν δυνατό να περιβάλλουν έναν πυρηνικό αντιδραστήρα με συνηθισμένο ουράνιο με πρόσμιξη θόριο. Μερικά από τα νετρόνια του αντιδραστήρα θα μπορούσαν να προκαλέσουν τέτοιες μεταλλαγές στους πυρήνες του ουρανίου και του θορίου ώστε να γίνουν σχάσιμοι, δηλαδή να μπορούν αυθόρμητα να πάθουν σχάση. Με αυτό τον έξυπνο τρόπο θα μπορούσε να σχηματιστεί πυρηνικό καύσιμο, περισσότερο από όσο είχε χρησιμοποιηθεί για τη λειτουργία του αντιδραστήρα. Έτσι, με έναν αναπαραγωγικό αντιδραστήρα, όπως ονομάστηκε ο τύπος αυτός πυρηνικού αντιδραστήρα, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί όλο το ουράνιο και το θόριο κι όχι μόνο το ουράνιο-235. Τώρα, λοιπόν, με τους αναπαραγωγικούς αντιδραστήρες η ανθρωπότητα θα μπορούσε να υπολογίζει στην πυρηνική ενέργεια για εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια. Κι όμως, τα βάσανα δεν τέλειωσαν εδώ. Δυστυχώς, δημιουργήθηκε ένας τεράστιος κίνδυνος. Στους αναπαραγωγικούς αντιδραστήρες χρησιμοποιούσαν πλουτώνιο. Και το πλουτώνιο είναι ίσως το πιο επικίνδυνο υλικό στον κόσμο. Παράγει ραδιενεργές ενώσεις οι οποίες είναι τρομερά επικίνδυνες και παραμένουν επικίνδυνες για χιλιάδες χρόνια. Πρακτικά, δεν υπάρχουν ασφαλείς τρόποι για τη διάθεση ραδιενεργών υπο-

Ο πυρηνικός αντιδραστήρας στο Σαν Κλεμέντε της Καλιφόρνια

66

λειμμάτων που περιέχουν ενώσεις πλουτωνίου ενώ ένα οποιοδήποτε ατύχημα στον αντιδραστήρα θα ήταν δυνατό να μολύνει το χώρο με τις ενώσεις αυτές σε εκατοντάδες τετραγωνικά χιλιόμετρα. Στη δεκαετία του 1970, ο άνθρωπος έφτασε στο σημείο να αμφισβητεί αν η πυρηνική ενέργεια είναι αρκετά ασφαλής για να χρησιμοποιηθεί. Ίσως θα έπρεπε να αρχίσει η αναζήτηση άλλων νέων μορφών ενέργειας. Αλλά η επιστήμη είναι ατέλειωτη και το ανθρώπινο μυαλό ασταμάτητα εφευρετικό. Οι επιστήμονες σκέφτηκαν πιο πρακτικά. Υπάρχει κι άλλη μορφή πυρηνικής ενέργειας, το μεγάλο παράδειγμα του φωτοδότη ήλιου. Γιατί να μη δοκίμαζαν τη λειτουργία των πυρηνικών αντιδραστήρων με άλλα ελαφρότερα στοιχεία; Γιατί να μη χρησιμοποιούσαν υδρογόνο ως πυρηνικό καύσιμο που, στο κάτω κάτω της γραφής, δίνει σαν τελικό προϊόν ήλιο; Η διαδικασία αυτή της ένωσης μερικών μικρών πυρήνων σε ένα μεγαλύτερο λέγεται, στην πυρηνική τεχνολογία, πυρηνική σύντηξη. Το αξιοπρόσεκτο είναι ότι κατά την πυρηνική σύντηξη παράγεται πολύ περισσότερη ενέργεια από όση κατά την πυρηνική σχάση, για το αυτό βάρος πυρηνικού καύσιμου. Επίσης, μετράει πάρα πολύ το γεγονός ότι το υδρογόνο, καύσιμο υλικό για σύντηξη, είναι πολύ πιο διαδομένο στη φύση από τα άλλα στοιχεία, που χρησιμοποιούνται ως καύσιμο υλικό για σχάση. Άλλωστε, η σύντηξη παράγει πολύ λιγότερη ραδιενέργεια από όση παράγει η σχάση. Με άλλα λόγια, η πυρηνική σύντηξη είναι πολύ ασφαλέστερη. Όμως, το να πάρει κανένας πυρήνες υδρογόνου και να τους συντήξει, δεν είναι και τόσο εύκολη δουλειά. Χρειάζονται θερμοκρασίες εκατοντάδων εκατομμυρίων βαθμών για να πραγματοποιηθεί μια τέτοια σύντηξη. Ένας

τρόπος για να επιτευχθούν τόσο μεγάλες θερμοκρα67

σίες ήταν να χρησιμοποιηθεί μια βόμβα σχάσης. Αν μια βόμβα σχάσης εκραγεί έτσι ώστε να προκαλέσει την έναρξη σύντηξης μιας μάζας υδρογόνου, τότε θα επακολουθήσει μια τρομερή έκρηξη, ασύγκριτα ισχυρότερη από εκείνη που μόνη της η βόμβα σχάσης μπορεί να προκαλέσει. Αυτή η ισχυρότατη βόμβα ονομάστηκε βόμβα υδρογόνου ή υδρογονοβόμβα. Λέγεται, επίσης, και «βόμβα πυρηνικής σύντηξης». Η πρώτη δοκιμή βόμβας πυρηνικής σύντηξης έγινε από τις Ηνωμένες Πολιτείες, στα 1952, πάνω από τα Νησιά Μάρσαλ στον Ειρηνικό Ωκεανό. Τελικά, κατασκευάστηκαν βόμβες πυρηνικής σύντηξης που ήταν χιλιάδες φορές πιο δυνατές από τις πρώτες βόμβες πυρηνικής σχάσης που έπεσαν στα 1945. Ευτυχώς, μέχρι σήμερα δεν έχουν χρησιμοποιηθεί σε πολεμικές επιχειρήσεις τέτοιες βόμβες σύντηξης. Καλά όλα αυτά, αλλά το καυτό ερώτημα είναι, μπορεί η πυρηνική σύντηξη να τεθεί κάτω από έλεγχο; Μπορεί το υδρογόνο να θερμανθεί σε εκατοντάδες εκατομμύρια βαθμούς και να αρχίσει να συντήκεται σε μικρές ποσότητες; Μπορεί το φαινόμενο της σύντηξης να αποδώσει ενέργεια χωρίς, φυσικά, να γίνει έκρηξη; Τα τριάντα τελευταία χρόνια, οι πυρηνικοί επιστήμονες όλου του κόσμου προσπαθούν να τιθασέψουν το φαινόμενο, χωρίς, όμως, κάποια εντυπωσιακή επιτυχία. Ακόμη και σήμερα το πρόβλημα εξετάζεται. Για να καταφέρουν οι επιστήμονες την πυρηνική σύντηξη υδρογόνου, έκαναν χρήση του σπάνιου ισοτόπου του που λέγεται δευτέριο. Ο πυρήνας του δευτερίου περιέχει ένα πρωτόνιο (όπως το κανονικό υδρογόνο) κι ένα νετρόνιο. Οι πυρήνες δευτερίου θερμαίνονται σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες και συγκρατιούνται στη θέση τους με την επίδραση ενός πολύ ισχυρού μαγνητικού πεδίου. Μέχρι σήμερα

68

η επιστήμη δεν κατόρθωσε, ακόμη, να πετύχει πάρα πολύ υψηλές θερμοκρασίες στο δευτέριο ούτε να το κρατήσει για πολύ χρόνο σ' αυτή την κατάσταση, ώστε να αρχίσει η σύντηξη. επιστήμονες, όμως, δεν έχουν άλλη επιλογή: πρέπει με κάθε τρόπο να το καταφέρουν. Ό τ α ν κάτι τέτοιο γίνει πραγματικότητα, τότε θα γεννηθεί μια ανεξάντλητη πηγή πυρηνικής ενέργειας, έτοιμης για χρήση. Θα είναι ασφαλής στη χρήση της -οπωσδήποτε πολύ πιο ασφαλής από τη σχάση- και θα διαρκεί για εκατομμύρια χρόνια. Η αλήθεια είναι ότι προχωρήσαμε πολύ, μέσα σε ένα μόνο αιώνα. Πριν, μόλις, εκατό χρόνια οι επιστήμονες με περιέργεια εξερευνούσαν τις καθοδικές ακτίνες. Τώρα πασχίζουν να φτιάξουν μια μικρογραφία του ήλιου πάνω στη γη, ένα μικρό ήλιο που θα μας προμηθεύει όλη την ενέργεια που χρειαζόμαστε.

69