Profesora Auziņa zinātnes sleja
Mārcis Auziņš: "Kādēļ lasīt manus tekstus? Man šķiet, ka dabaszinātnes mēs bieži mēdzam "ignorēt", sakot, ka tās ir formālas, sausas un neinteresantas. Gribētos ļaut lasītājam ieraudzīt, ka tās ir daļa no mūsu dzīves – krāsainas un interesantas."
Biogrāfijas pieturzīmes:
- Pēc profesijas fiziķis, šobrīd Latvijas Universitātes profesors, Eksperimentālās fizikas katedras un Lāzeru centra vadītājs.
- No 2007. gada līdz 2015. bijis Latvijas Universitātes rektors.
- Strādā kvantu fizikas jomā un ir vairāk nekā simts zinātnisko rakstu, kas publicēti pasaules vadošajos fizikas žurnālos, un vairāku simtu konferenču ziņojumu autors.
- Kopā ar kolēģiem no Rīgas un Bērklijas uzrakstījis divas monogrāfijas, kas izdotas "Cambridge University Press" un "Oxford University Press" izdevniecībās un abas ir piedzīvojušas atkārtotus izdevumus.
- Karjeras laikā dzīvojis un strādājis dažādās valstīs – Ķīnā un Taivānā, Amerikas Savienotajās Valstīs, Kanādā, Anglijā, Izraēlā un Vācijā.
Sākot rakstīt, intereses pēc "iegūglēju" latviski divus vārdus nominatīvā – "atomenerģija" un "kodolenerģija". Interesanti, ka interneta meklētājs man pirmo atrada apmēram 38 800 reižu, bet otro tikai sešas reizes! Nepavisam nepretendējot uz valodas lietošanas paradumu nopietnu analīzi, tomēr šis īsais vingrinājums samērā uzskatāmi parāda, ka tādi vārdi kā "atomenerģija" vai "atombumba" mūsu valodā ir labi iedzīvojušies. Līdzīgi paskatījos interneta meklētājā abu šo vārdu angļu valodas analogu lietošanas biežumu, un aina bija samērā līdzīga latviešu valodai.
Taču no fizikas skatpunkta vārdu salikumi "atomenerģija" un "atombumba" ir maldinoši. Abos gadījumos mēs runājam par to, kas notiek nevis ar pašu atomu, bet tikai ar tā kodolu.
Zīmīgi, ka arī 1957. gadā dibinātā starptautiskā institūcija, kuras statūtos formulētais mērķis ir veicināt kodolenerģijas izmantošanu miermīlīgiem mērķiem un ierobežot kodolieroču izplatīšanos, joprojām saglabā savu vēsturisko nosaukumu – Starptautiskā Atomenerģijas aģentūra. Iespējams, ka var strīdēties par to, cik lielā mērā ikdienas valodas lietošanas tradīcijas ir vai nav jālauž brīžos, kad tās nonāk zināmā pretrunā ar parādībām, ko tās mēģina nosaukt, bet šoreiz ne par to. Nedaudz par kodolfiziku, kas ir pamatā kodolenerģētikai un arī kodolieročiem, no kuriem viens veids ir atombumba, kas patiesībā no fizikas viedokļa būtu jāsauc par kodolbumbu.
Atoms, kodols un elektroni
Varbūt tas skanēs nedaudz negaidīti, bet tikai relatīvi nesen, 20. gadsimta sākumā, jaunzēlandiešu fiziķis Ernests Rezerfords ar saviem līdzstrādniekiem Hansu Geigeru un Ernestu Mārsdenu atklāja faktu, ka atoma centrā atrodas atoma kodols un ka šajā kodolā ir sakoncentrēta praktiski visa atoma masa.
Interesanti, ka šo savu pašu pazīstamāko eksperimentu Ernests Rezerfords veica Mančestrā tad, kad bija pārcēlies uz Lielbritāniju no Kanādas, kurā viņa veiktie pētījumi par ķīmisko elementu radioaktīvo sabrukšanu viņam jau bija atnesuši 1908. gada Nobela prēmiju ķīmijā.
Tātad atoma kodols ir mazs ne tikai no ikdienas pasaules skatpunkta. Tas ir ļoti mazs, salīdzinot arī ar paša atoma izmēru. Konkrēti – atoma kodols ir vairāk nekā desmit tūkstošu reižu mazāks par atomu. Tas nozīmē, ka atoms, kuru veido tā kodols un elektroni, praktiski ir tukša telpa. Starp citu, vārds "atoms" ir cēlies no sengrieķu valodas un nozīmē nedalāmais. Tātad, pateicoties Rezerforda un vēl dažu citu zinātnieku pētījumiem, kļuva skaidrs, ka atoms nemaz tik nedalāms nav, to var sadalīt kodolā un elektronos.
Lai nonāktu pie šāda atklājuma, Rezerfords apstaroja ļoti plānu, tikai dažu atomu slāņu biezu zelta foliju ar alfa daļiņām. Tagad mēs zinām, ka šīs alfa daļiņas nav nekas cits kā otrā pēc ūdeņraža vieglākā atoma – hēlija – kodoli. Pats Rezerfords savas sajūtas par šā eksperimenta rezultātiem raksturoja apmēram šādi: "Man bija sajūta, ka es šauju pa ļoti plānu zīdpapīra lapu ar piecpadsmit collu lielgabalu un šāviņi ik pa brīdim atlec no šī plānā papīra atpakaļ." Tagad zināms, ka tas notika gadījumos, kad alfa daļiņa trāpīja pa ļoti masīvu zelta atoma kodolu.
Mēs zinām pat vairāk! Arī atoma kodols nav nedalāms. Tas sastāv no protoniem, kuru elektriskais lādiņš ir pozitīvs, un neitroniem, kam lādiņš nepiemīt. Rodas dabisks jautājums, kas tad notur atoma kodolu kopā? Pozitīvi lādētie protoni kā daļiņas ar vienādas zīmes lādiņu atgrūžas. Neitroni, kuriem lādiņa nav, elektriski nemijiedarbojas. Izrādās, ka kodolu iekšienē darbojas vēl viens spēks, ar kuru ikdienā mēs nesastopamies. Tā ir stiprā mijiedarbība, kas liek gan protoniem, gan neitroniem neatkarīgi no to lādiņa vienam otru pievilkt. Šis spēks notur kodolu kopā.
Un te parādās "fiziķu" stāsta interesantā daļa. Ja ņemam atsevišķi visus atoma kodolu veidojošos protonus un neitronus un tos katru atsevišķi nosveram, bet tad ļaujam tiem apvienoties kodolā un nosveram jaunizveidoto kodolu, tad izrādās, ka kodols sver mazāk, tam ir mazāka masa nekā to veidojošajām daļiņām.
Kā tas var būt?
Ja fiziķi grib kādu eksistējošu kodolu sadalīt atpakaļ tā sastāvdaļās, tad, lai to izdarītu, ir jāpieliek spēks un jāpatērē enerģija, lai protonus un neitronus "izrautu no kodola". Kopējo enerģiju, kas jāpatērē šim procesam, sauc par kodola saites enerģiju. Jo lielāka saites enerģija, jo stabilāks kodols un jo vairāk jāpūlas, lai to sadalītu sastāvdaļās. Bet, kā Einšteins ar savu slaveno formulu, kas saka, ka enerģija ir masas un gaismas ātruma kvadrātā reizinājums, mācīja – masa un enerģija ir ekvivalenti. Jo vairāk enerģijas atbrīvojas, daļiņām veidojot kodolu, jo kodola masa vairāk atšķiras no to veidojošo daļiņu masas. Jo stabilāks kodols, jo tā masa ir mazāka nekā to veidojošo daļiņu kopējā masa.
Kurš kodols no visiem ķīmiskajiem elementiem ir visstabilākais? Izrādās, tas ir vidēji smaga ķīmiskā elementa – dzelzs – kodols ar vidēji lielu masu.
Un te nu parādās iespēja gan veidot kodolenerģētiku, gan kodolieročus. Ņemam kādu smagu ķīmisko elementu, piemēram, radioaktīvā urāna atoma kodolu. Tas ir apmēram četras reizes smagāks, masīvāks par dzelzi un tātad arī mazāk stabils. Ja tas sadalīsies daļās, radušās daļas pēc masas būs tuvāk dzelzij, tātad stabilākas, un sadalīšanās procesā izdalīsies enerģija. Taču kā piespiest smagu kodolu dalīties? Parasti tas notiek, to ierosinot, piešķirot tam papildu enerģiju, liekot absorbēt kādu papildu neitronu. Savukārt daloties daļās smagam kodolam, bez abiem kodoliem, kas rodas dalīšanās rezultātā, parasti paliek pāri vēl noteikts skaits neitronu. Tā teikt, kur malku cērt (dala kodolus), tur skaidas lec jeb izdalās daži neitroni.
Ko mēs darām, ja gribam ražot enerģiju kodolreaktoros?
Uzkonstruējam tos tādā veidā, lai pēc katras masīva kodola dalīšanās no neitroniem, kas radušies, vidēji viens izraisītu nākamā kodola dalīšanos. Un tā, visu laiku uzturot šo dalīšanās procesu, tiek ražota enerģija kodolreaktoros. Taču, ja no katras dalīšanās reakcijas vidēji mazāk par vienu neitronu izraisīs nākamo dalīšanās ķēdes reakciju, kā to sauc fiziķi, process apstāsies un enerģija vairs ražota netiks.
Vēl sliktāk, ja katra dalīšanās reakcija vidēji radīs vairāk par vienu neitronu, kas izraisa jaunu reakciju, tad katrā nākamajā solī dalīsies aizvien vairāk kodolu un izdalīsies arvien vairāk enerģijas. Ja to neizdosies kontrolēt, galu galā spēkstacija pārkarsīs, reaktors var izkust vai pat aizdegties. Tas viss var novest pie radioaktīvās vielas nonākšanas ūdenī vai gaisā. Tieši tas notika divās zināmākajās un lielākajās katastrofās, kas ir saistītas ar kodolreaktoriem – Čornobiļā un Fukušimā.
Kodolspēkstacijās izmantojamajā kodoldegvielā radioaktīvo, dalīties spējīgo kodolu koncentrācija nav ļoti liela, un uzsprāgt kā atombumba šāds reaktors principā nevar nekad. Taču, ja radioaktīvo elementu koncentrācija ir liela (to sauc par ieroču kodoldegvielu) un, katram kodolam daloties daļās, vairāki neitroni izraisa nākamās kodola dalīšanās reakcijas, tad šis process kļūst ļoti ātrs un izveidojas atombumba. Šajā gadījumā papildenerģija, kas atbrīvojas, ir dažādās formās – tā ir neitronu plūsma, elektronu plūsma (beta starojums). Vēl ir elektromagnētiskā viļņa ar ļoti mazu viļņa garumu starojums – gamma starojums, tā ir arī hēlija atomu kodolu jeb alfa daļiņu plūsma. Visi šo starojumu veidi var radīt lielus postījumus infrastruktūrai un nogalināt visu, kas dzīvs.
Taču nevajag arī aizmirst, ka šo kodolreakcijās radušos starojumu var izmantot cilvēku labā. Pietiek vien atcerēties dažādas ar radioaktīvo ķīmisko elementu kodoliem saistītas izmeklēšanas un ārstēšanas metodes medicīnā.
Bet, pat ja paliekam pie miermīlīga kodolreaktora enerģijas iegūšanai, problēmu rada radioaktīvie izdedži jeb kodoli, kas radušies, masīvajam kodolam sadaloties daļās. Arī paši šie izdedži bieži vien ir radioaktīvi, un ir jāsaprot un jāvienojas, ko ar tiem darīt tālāk.
Taču no šīs situācijas ir laba izeja.
Lai to atrastu, "jāskatās" nevis uz smagākiem par dzelzi atomu kodoliem un jāliek tiem dalīties, bet, tieši pretēji, jāizmanto vieglāki kodoli, kas ir mazāk stabili, un jāliek tiem apvienoties kodolsintēzes procesā. Piemēram, diviem ūdeņraža atomiem apvienojoties, rodas hēlijs, kura kodols ir stabilāks par ūdeņraža atoma kodolu, un atbrīvojas samērā daudz enerģijas. Tieši šādā veidā rodas tā enerģija, ko saules gaismas formā mēs saņemam uz Zemes. Šādā kodoltermiskās sintēzes reakcijā nerodas kaitīgi radioaktīvi izdedži, kuru uzglabāšana rada nopietnas problēmas.
Šādi reaktori vēl nekur komerciāli nedarbojas, tomēr fiziķi un inženieri aktīvi strādā pie to izveidošanas un ļauj mums cerēt, ka tie varētu parādīties dažu nākamo desmitgažu laikā. Te gan taisnības labad jāpiebilst, ka detaļās aina ir nedaudz sarežģītāka. Ūdeņraža atomi, kas tiks izmantoti šajos reaktoros, nav īsti parastie ūdeņraža kodoli, kādus mēs atrodam ūdeņraža atomos, piemēram, ūdens molekulā H2O. Tie ir ūdeņraža kodola izotopi, kas nozīmē, ka šajos kodolos ir viens vai pat divi papildu neitroni. Tiem pat ir īpaši nosaukumi – deitērijs un tritijs. Bet šīs detaļas lai paliek profesionāļu ziņā.
Profesora Auziņa zinātnes sleja
