Идеальный одноатомный газ. Гелий – одноатомный газ, и для него Неон одноатомный или двухатомный

а) 2,3-дихлорбутен-2
б) 2,3 диметилбутен-1
в) 2-метил бутен-2
г) 1,1-дихлорбутен-1

2) бутен-2, в отличие от бутена -1
а) имеет п-связь между атомами углеводорода
б)образует цис-транс- изомеры
в)плохо растворяется в воде
г)способен обесвечивать водный раствор перменганата калия

3) в результате реакции гидратации бутена-1 преимущество образуется
а) бутанол-1
б)бутанол-2
в)бутадиол-1,2
г)бутаналь

4)при окислении алкенов водным раствором kmno4 образуется
а)одноатомные спирты
б)альдегиды
в)двухатомные спирты
г)карбоновые кислоты

5) против правилу Марковникова протекает реакция схема которой:
а)CH3-CH2-CH3
б)CH2=C=CH2
в)CH2=CH2
г) CH2=CH-CH3

6)в результате реакции дегидрогалогенировании 2-бромбутана в спиртовом растворе щелочи образуется преимущество
а)бутадиен-1,3
б)бутен-2
в)бутин-1
г)бутен-1

1) (2 балла). Атомные ядра были открыты:
А.Д.Менделеевым. В.Дж.Томсоном.
Б.Э.Резерфордом. Г.Д.Чедвигом.

2) (2 балла). Номер периода в Периодической системе определяется:
А). Зарядом ядра атома.
Б). Числом электронов в наружном слое атома.
В). Числом электронных слоёв в атоме.
Г). Числом электронов в атоме.

3*) (2 балла). Форму электронных орбиталей характеризует:
А). Главное квантовое число.
Б). Магнитное квантовое число.
В). Орбитальное квантовое число.
Г). Спиновое квантовое число.

4) (2балла). Пара элементов, имеющих сходное строение внешнего и предвнешнего энергитических уровней:
А). S и Cl. Б). Be и B. В). Kr и Xe. Г). Mo и Se.

5) (2 балла). p-Элементом является:
А). Скандий. Б). Барий. В). Мышьяк. Г). Гелий.

6) (2 балла). Электронная конфигурация …3d104s2 соответствует элементу:
A). Кальцию. Б). Криптону. В). Кадмию. Г). Цинку.

7) (2 балла). Амфотерным гидроксидом является вещество, формула которого:
А). Zn(OH)2. Б). Mg(OH)2. В). Ca(OH)2 . Г). Cr(OH)2.

8) (2 балла). Ряд элементов, расположенных в порядке усиления металлических свойств:
А). Mg-Ca-Zn. Б). Al-Mg-Ca. В). Sr-Rb-K. Г).Ge-Si-Sb.

9) (2 балла). Элемент Э с электронной формулой 1s22s22p63s23p63d104s24p1 образует высший оксид, соответствующий формуле:
А). Э2О. Б). Э2О3. В). ЭО2. Г). ЭО3.

10) (2 балла) Изотоп железа, в ядре которого содержится 22 нейтрона, обозначают:
А). 40/20Ca. Б). 42/20Ca. В). 44/20Ca. Г). 48/20Ca.

11) (9 баллов). Установите соответствие.
А).1s22s22p63s23p1 1). Алюминий.
Б).1s22s22p63s2 2). Калий.
В).1s22s22p63s23p63d104s24p4 3). Селен.
Г).1s22s22p63s23p64s1 4). Магний.

Формула высшего оксида.
1.Э2O 2. Э2О3 3. ЭО 4.ЭО3.

Формула высшего гидроксида
1.ЭOН 2. Э(ОН)2 3. Э(ОН)3 4.Н2ЭО4.

12) (3 балла). На основании положения в Периодической системе расположите элементы: Германий, Мышьяк, Сера, Фосфор – в порядке убывания окислительныхсвойств. Обьясните ответ.

13) (6 баллов). Как и почему в Периодической системе изменяются металлические свойства?
А). В пределах периода.
Б). В пределах главной подгруппы.

14).(7 баллов). Составьте электронную формулу элемента с порядковым номером 30 в Периодической системе. Сделайте вывод о принадлежности этого элемента к металлам или неметаллам. Запишите формулы его высшего оксида и гидроксида, укажите их характер.

15) (5 баллов). Какие химические свойства характерны для оксида элемента 3-го периода, главной подгруппы VI группы Периодической системы? Ответ подтвердите, написав уравнения реакций.

Измерения, проведенные на неодноатомных газах, показали, что их молярные теплоемкости превосходят теплоемкости одноатомных газов. Это видно из табл. 6, в которой для ряда многоатомных газов приведены значения тех же величин, что и в предыдущей таблице.

Таблица 6 (см. скан) Теплоемкость многоатомных газов

Из таблицы видно, что газы, молекулы которых содержат два и более атомов, отличаются от одноатомных газов значениями величин (а значит, и Значение же выражения у всех газов одно и то же. Это значит, что независимо от числа атомов в молекуле разность молярных теплоемкостей неизменно равна т. е. моль любого идеального газа, расширяясь при повышении его температуры на 1 К в условиях постоянного давления, совершает одну и ту же работу, равную

Из таблицы видно, что перечисленные в ней газы отчетливо разделяются на две группы: газы двухатомные, у которых близко к к 1,4, и газы, молекулы которых содержат три и более атомов. У этих газов значения близки к 3, а - к 1,3.

Это значит, что для газов первой группы (двухатомных) значения молярных теплоемкостей близки друг к другу и равны

Следовательно,

Для газов, молекулы которых состоят из трех или более атомов, теплоемкости, как это видно из табл. 6, имеют следующие численные значения:

Приведенные экспериментальные данные о теплоемкости относятся к газам при сравнительно небольших давлениях (порядка атмосферы и ниже) и к температурам, близким к комнатным. В этих условиях газы мало отличаются от идеальных.

Чем же объяснить такие закономерности, относящиеся к величинам теплоемкости двух- и многоатомных газов? Ответ на этот вопрос дает так называемый закон равнораспределения.

Закон равнораспределения и теплоемкость многоатомных газов. В предыдущем параграфе, при рассмотрении теплоемкости одноатомного газа, было обращено внимание на то, что средняя кинетическая энергия молекулы, приходящаяся на одну степень свободы, равна Естественно было предположить, что если бы молекула газа обладала еще какими-нибудь степенями свободы, то и на каждую из них пришлась бы кинетическая энергия

Действительно, в классической статистической физике (классической - значит не квантовой) такая теорема доказывается (Больцман). Эту теорему можно сформулировать так: если система молекул находится в тепловом равновесии при температуре то средняя кинетическая энергия равномерно распределена между всеми степенями свободы и для каждой степени свободы молекулы она равна

(Другая формулировка этого же закона гласит: если какая-либо составляющая энергии системы пропорциональна квадрату координаты или компоненты скорости, то в состоянии теплового равновесия системы при температуре среднее значение этой части энергии равно

Эта теорема называется законом равномерного распределения кинетической энергии по степеням свободы, или, коротко, законом равнораспределения.

Этот закон позволяет ответить на поставленный выше вопрос.

В отношении своей внутренней энергии двух- и многоатомные газы отличаются от одноатомных числом степеней свободы своих молекул. Значит, для вычисления внутренней энергии газа и, следовательно, теплоемкости надо уметь определять число степеней свободы молекул газа.

Рассмотрим сначалзпростейший случай - двухатомной молекулы. Ее можно себе представить в виде системы, состоящей из двух атомов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга (рис. 34). Если расстояние между этими атомами не меняется (такие молекулы мы будем называть жесткими), то такая система, вообще говоря, имеет шесть степеней свободы.

Действительно, положение и конфигурация такой молекулы определяются: тремя координатами ее центра масс, которыми определяется поступательное движение молекулы как целого, и тремя координатами, определяющими возможные вращения молекулы около взаимно перпендикулярных осей.

Однако опыт и теория показывают, что вращение молекул около оси X (см. рис. 34), на которой лежат центры обоих атомов, может быть возбуждено лишь при очень высоких температурах. При обычных температурах вращение около оси X не происходит, так же как не вращается отдельный атом. Поэтому для описания возможных вращений нашей молекулы достаточно двух координат.

Следовательно, число степеней свободы жесткой двухатомной молекулы равно 5, из них три поступательные (как принято говорить) и две вращательные степени свободы.

Но атомы в молекуле не всегда жестко связаны друг с другом; они могут совершать колебания друг относительно друга. Тогда, очевидно, требуется еще одна координата для определения конфигурации молекулы, это - расстояние между атомами.

Следовательно, в общем случае двухатомная молекула обладает шестью степенями свободы: тремя поступательными, двумя вращательными и одной колебательной.

Если молекула состоит из атомов, нежестко связанных, то она имеет степеней свободы (каждый атом имеет три степени свободы). Из этого числа три степени свободы поступательные и три вращательные, за исключением случая, когда атомы расположены на одной прямой, - тогда вращательных степеней свободы только две (как у двух-, атомной молекулы).

Для примера на рис. 35 приведена модель трехатомной молекулы и показаны оси вдоль которых может быть разложен

вектор угловой скорости молекулы. Таким образом, нелинейная n-атомная молекула в общем случае может иметь колебательных степеней свободы, а линейная

Во многих случаях колебательное движение атомов вовсе не возбуждается. Но если колебания атомов в молекуле совершаются и если их амплитуды достаточно малы (по сравнению с расстоянием между ними), то такие колебания можно считать гармоническими; атомы в этом случае являются гармоническими осцилляторами.

Но осциллятор обладает не только кинетической, но и потенциальной энергией (последняя обусловлена силами, возвращающими атом в положение равновесия). Для гармонического осциллятора, как известно из механики, средние значения кинетической и потенциальной энергии равны между собой. Следовательно, если в молекуле возбуждены гармонические колебания атомов, то по закону равнораспределения на каждую колебательную степень свободы преходится в виде кинетической энергии и в виде потенциальной. Для ангармоничных (не гармонических) колебаний это неверно.

Другими словами: энергия, приходящаяся на каждую колебательную степень свободы, равна не

После этого нетрудно вычислить теплоемкость многоатомных газов.

Если число степеней свободы молекулы газа равно то ее средняя энергия равна

а внутренняя энергия одного моля такого газа

Соответственно этому молярные теплоемкости газа

При подсчете числа степеней свободы надо число колебательных степеней свободы удвоить. Этого можно не делать, если дать несколько другое определение числу степеней свободы именно, если это число определить как число независимых квадратичных переменных, которым и определяется энергия системы.

В самом деле, кинетическая энергия поступательного и вращательного движений молекулы пропорциональна сумме квадратов соответствующих (независимых) компонент скоростей (линейных и угловых).

Что касается энергии колебаний атомов внутри молекулы, совершаемых, например, вдоль оси X, то она равна сумме кинетической энергии, пропорциональной квадрату скорости и потенциальной, которая, как известно, пропорциональна квадрату смещения х относительно положения равновесия. Таким образом, согласно новому определению числа степеней свободы, колебательному движению атома вдоль данной оси следует приписать две степени свободы, и формула (27.1) применима без оговорок (сравните вторую формулировку закона равнораспределения).

Изложенные только что соображения о возможном числе степеней свободы молекул позволяют истолковать приведенные выше экспериментальные данные о теплоемкости многоатомных газов.

Так, например, из того факта, что теплоемкость водорода, азота, кислорода и некоторых других двухатомных газов довольно точно равна следует, что число степеней свободы молекул этих газов равно 5. Это значит, что молекулы этих газов можно считать жесткими (колебательные степени свободы - не возбуждены). То же относится и к некоторым трехатомным газам. Но здесь экспериментальные результаты обнаруживают существенные отклонения от теоретически ожидаемых. Из формулы (27.2) следует, что теплоемкость для «жестких» трехатомных молекул должна равняться

Между тем теплоемкости всех трехатомных газов, перечисленных в табл. 6, оказываются несколько больше этого значения (на величину, которую нельзя объяснить погрешностями измерения).

На трудности наталкивается и попытка объяснить с точки зрения изложенной теории найденные значения теплоемкости хлора. Приведенное в табл. 6 значение теплоемкости хлора соответствует шести степеням свободы для молекулы хлора. Но молекула хлора, как двухатомная, может иметь либо пять степеней свободы, если два его атома жестко связаны между собой (тогда либо семь степеней свободы (согласно второму определению числа если атомы внутри молекулы могут совершать колебания (тогда

Как видно, и в этом случае теория теплоемкости не может считаться удовлетворительной. Это объясняется тем, что наша теория не в состоянии должным образом учесть энергию, связанную с внутренними движениями в молекуле, к которым закон равнораспределения не всегда применим.

Особенно важным отклонением от результатов теории является тот факт, что теплоемкость оказывается зависящей от температуры, в то время как, согласно уравнению (27.2), она должна быть для данного газа с данным значением величиной постоянной. Опыт

показывает, что теплоемкость с понижением температуры уменьшается.

Эту зависимость можно было бы объяснить тем, что с изменением температуры изменяется число «действующих» степеней свободы молекул, т. е. какие-то движения молекул, происходящие в одной области температур, прекращаются в другой. Однако такое предположение требует, чтобы теплоемкость изменялась с температурой скачками. Ведь то или иное движение может или происходить, или не происходить; в нервом случае ему соответствует энергия во втором эта энергия и связанный с ней вклад в теплоемкость отсутствуют. Возможно, конечно, не внезапное прекращение или возникновение того или иного вида движения молекулы, а постепенное изменение его интенсивности. Но закон равнораспределения не различает этого; с любой степенью свободы связана одна и та же энергия. Между тем температурная зависимость теплоемкости, как показывает опыт, имеет плавный ход - теплоемкость изменяется постепенно. Это свидетельствует о том, что закон равномерного распределения энергии по степеням свободы не может считаться вполне верным и имеет ограниченную применимость.

Теплоемкость водорода. Водород обладает той особенностью, что температурная зависимость теплоемкости у него особенно резко выражена. Если при комнатной температуре теплоемкость водорода при постоянном объеме равна то при температуре около 50 К (-223°С) она становится равной т. е. водород ведет себя как одноатомный газ, обладающий тремя степенями свободы.

Кривая зависимости теплоемкости водорода от температуры представлена на рис. 36, из которого видно, что теплоемкость с понижением температуры падает постепенно, что, вообще говоря, необъяснимо с точки зрения классической теории теплоемкости. Можно, правда, предположить, что с понижением температуры постепенно уменьшается число молекул, совершающих вращательное движение, но и в этом случае остается неясным, почему именно одна часть молекул совершает такие движения, в то время как у другой эти степени свободы «выключены».

Здесь мы встречаемся с одним из многих случаев, когда классическая физика оказывается не в состоянии объяснить опытные

факты. В нашем случае расхождение теории и опыта свидетельствует, очевидно, о том, что представление о молекулах как о твердых шариках, движения которых происходят по законам механики, не вполне соответствует действительности. Теперь хорошо известно, что молекулы состоят из взаимодействующих между собой атомов, а атомы имеют сложное строение и состоят из многих еще меньших частиц, которые также движутся сложным образом. Движение же атомных частиц не подчиняется классической механике, а управляется особым «сводом законов» - квантовой механикой. Поэтому, пока идет речь о теплоемкости одноатомных газов, на которую не влияют внутриатомные движения и связанная с ними энергия, изложенная выше теория теплоемкости оказывается в превосходном согласии с опытом. Но во многоатомных молекулах существенную роль играют уже внутренние процессы в молекулах и атомах, с которыми несомненно связаны, например, колебательные степени свободы. Естественно, что наша, теория, не учитывающая особых квантовых свойств атомных систем, в этом случае дает лишь приблизительно верные результаты. Квантовая же теория дает полное объяснение всем опытным данным о теплоемкости.

В частности, в случае атома-водорода квантовая теория показывает, что молекулы водорода могут находиться в двух разных состояниях - в состоянии параводорода и ортоводорода, теплоемкости которых должны отличаться друг от друга. Различие между этими состояниями состоит в следующем.

Из квантовой теории следует, что атомы (точнее, атомные ядра) обладают некоторым моментом количества движения (моментом импульса). Когда из двух атомов водорода образуется молекула, эти моменты ядер (они, как и всякие другие моменты, являются векторными величинами) могут расположиться либо параллельно либо антипараллельно друг другу. Как само существование ядерных моментов, так и их возможные ориентации являются следствием квантовой механики и из обычной механики не могут быть получены. Водород, молекулы которого состоят из атомов с параллельно ориентированными моментами ядер, называется ортоводородом, в отличие от водорода с антипараллельными моментами ядер атомов в молекуле, который называется параводородом.

В обычном водороде содержатся оба вида молекул, причем их относительное содержание зависит от температуры. При комнатной температуре в нормальном водороде содержится около 25% параводорода, а с понижением температуры содержание параводорода возрастает, так что при 20 К водород почти целиком состоит из параводорода (99,8%).

Орто- и парасостояиию водорода соответствуют разные значения энергии вращательного движения, чем и объясняется различное значение теплоемкости водорода в этих двух состояниях. Но при низких температурах (около 50 К) теплоемкость, зависящая от вращательного движения молекул, в обоих состояниях становится равной нулю. Этим и объясняется то, что теплоемкость водорода становится такой же, как у одноатомного газа.

Теплоемкость других многоатомных газов, так же как у водорода, падает с понижением температуры, стремясь к значению теплоемкости одноатомных газов но происходит это в области очень низких температур, когда непосредственное измерение теплоемкости газов встречает большие трудности.

Измерения теплоемкости позволяют, таким образом, сделать важные заключения о строении молекул. Поэтому такие измерения, особенно при низких температурах, имеют большое значение. Кроме того, знание величины теплоемкости и ее температурной зависимости необходимо при решении многих технических проблем.

«Основные газовые законы» - Название процесса. Газовые законы. Применение закона Бойля-Мариотта. Объем грудной клетки. Какие величины сохраняются. Изохорный процесс. Особенность газообразного состояния. Сжатие воздуха компрессором. Изопроцессы в газах. В технике используется свыше 30 различных газов. Использование свойств газов в технике.

«Движение частицы» - Квантово-механическое рассмотрение. Основы теории туннельных переходов. Собственные функции. Бесконечно высокие «стенки». Соседние уровни. Квантовая механика. Энергия гармонического осциллятора. Уравнение Шредингера. График потенциальной энергии частицы. Прохождение частицы. Функция. Отличная от нуля возможность.

«Уравнение Менделеева-Клапейрона» - Как всё начиналось. Уравнение Менделеева - Клапейрона. Уравнение состояния. Для чего это нужно. Дело продолжено. Как меняется состояние системы. Первое из замечательных обобщений в физике. Уравнение позволяет определить одну из величин. Вариант уравнения. Как протекают в системе процессы. Изменение трех параметров.

«Статистические распределения» - Свойства распределения Максвелла. Закон равномерного распределения энергии. Взаимная потенциальная энергия. Скорости газовых молекул. Наиболее вероятная скорость. Масса шарика. Экспериментальное определение. Разделение вещества в центрифуге. Средняя скорость. Идеальный газ. Распределение молекул по потенциальным энергиям.

«Уравнение состояния» - Изотерма. Уравнение. Величины, характеризующие состояние макроскопических тел. Понятие «универсальная газовая постоянная». Домино. Уравнение состояния идеального газа. Взаимосвязь. Объём. Уравнение Менделеева - Клапейрона. Газ сжат изотермически. Изобарный процесс. Изотермический процесс. Макроскопические параметры.

«Уравнение идеального газа» - Давление. Изохорный процесс. Разреженный углекислый газ. Изопроцессы в газах. Зависимость объема идеального газа. Объем. Зависимость давления. Изотермический процесс. Понятие изопроцесса. Уравнение состояния идеального газа. График изотермического расширения. Количество идеального газа. График процесса.

Всего в теме 19 презентаций

В этом месяце исполняется 50 лет с того момента, как« Волга-Атом», первый гражданский автомобиль, приводившийся в движение не сгоранием ископаемого топлива, а энергией атома, выехал за ворота сборочного цеха.

Дмитрий Мамонтов

В 1949 году Советский Союз стал второй страной в мире, сумевшей успешно построить и испытать образец атомного оружия. С одной стороны, это, безусловно, был серьезный успех советских ученых и инженеров. С другой — не менее серьезный удар по самолюбию советского руководства. Ведь в гонке двух стран второе место — это последнее. Именно тогда многие руководители страны стали задумываться над теми областями, в которых СССР мог бы вырваться вперед. В частности, над проектами мирного использования атомной энергии.

В качестве источника энергии в Ford Nucleon 1957 года предполагалось использовать компактный ядерный реактор. Кабина была вынесена за переднюю ось, а тяжелый реактор вместе с биологической защитой был установлен далеко позади. По расчетам инженеров Ford, на одной загрузке топлива Nucleon мог пройти 5000 миль (8000 км), после чего вся энергоустановка подлежала замене целиком, при этом владелец мог выбрать любую энергоустановку — более мощную или более экономичную.

Гонка за мирным атомом

В 1949 году правительство СССР, прислушавшись к доводам ученых, среди которых были академик Петр Капица, президент Академии наук Сергей Вавилов и «отец советской атомной бомбы» Игорь Курчатов, приняло решение о строительстве первого сугубо гражданского атомного объекта — атомной электростанции. В октябре 1954 года Обнинская АЭС была официально включена в сеть Мосэнерго, и обычные люди получили возможность зажечь лампочку от атомной электроэнергии. Советский Союз выиграл первый отрезок эстафеты за «мирный атом».

Но и американцы не дремали. В 1952 году на верфях Гротона была заложена подводная лодка «Наутилус», которая должна была стать первой атомной субмариной в мире. К 1954 году, когда была построена Обнинская АЭС, «Наутилус» был спущен на воду, а в январе 1955-го вышел в море, став первым транспортным (хотя и не гражданским) средством, движимым энергией атомного распада.

Атом в упряжке

При разработке «Волга-Атом» конструкцию существующего шасси ГАЗ-21 никак не удавалось усилить. В результате идея компоновки была позаимствована у концепт-кара 1962 года Ford Seattle-ite XXI с двумя передними осями. Все четыре передних колеса «Волга-Атом» были рулевыми (из них два ведущими). Несмотря на длинный капот, места для размещения биозащиты и системы охлаждения в моторном отсеке не хватило. Пришлось использовать переднюю часть салона, а водительское место разместили сзади.

Однако в Союзе уже был готов ответный ход. В 1953 году Совет министров СССР принял решение о строительстве атомного ледокола. Судно было заложено в 1956 году на ленинградском судостроительном заводе им. Марти, через год спущено на воду, после чего начался монтаж ядерной энергетической установки, разработанной коллективом нижегородского Опытного конструкторского бюро машиностроения (ОКБМ) под руководством Игоря Африкантова. В декабре 1959 года атомный ледокол «Ленин» был официально передан Министерству морского флота СССР, и хотя к тому времени «Наутилус» уже эксплуатировался и даже успел достичь своим ходом Северного полюса, счет можно было считать как минимум равным. Важно то, что ледокол «Ленин» был чисто гражданским судном, а «Наутилус» военным кораблем, — ведь в глазах международной общественности вес гражданских атомных проектов был существенно выше. Через несколько лет еще несколько атомных гражданских судов вышли на океанский простор — американская «Саванна» (1964) и немецкий «Отто Ган» (1968) (японское судно «Муцу» сильно запоздало из-за технических проблем и было сдано в 1990 году). Но, образно говоря, они явились на старт, когда гонка уже была закончена.

Конструкция первого поколения представляет собой классическую «пушечную схему». Подкритические урановые шайбы на поршне и торце цилиндра сближаются, увеличивая критичность, и реакция деления разогревает рабочее тело (гелий) в цилиндрах. Гелий расширяется и толкает поршень, совершая работу. Распредвал выдвигает кадмиевый стержень-поглотитель, реакция затухает. Во втором поколении в качестве топлива используется газофазный гексафторид урана, который одновременно является и рабочим телом. Графитовый замедлитель сделан пористым, чтобы газ эффективнее перемешивался, и в нем шла реакция деления.

Чистый дизайн и начинка

Тем не менее идеологическую победу в атомной гонке все-таки нельзя было признать совсем чистой, и советские ученые, инженеры и руководители искали возможность закрепить успех. Требовались нестандартные идеи, и одна из них поступила по дипломатическим каналам.

В 1957 году компания Ford представила публике один из самых амбициозных концептов в своей истории — Ford Nucleon. Дизайнеры изобразили свое видение автомобиля будущего, причем даже не на полноразмерном макете, а на модели в масштабе 3:8. Nucleon выглядел крайне футуристично, но самым необычным был вовсе не его внешний вид, а предполагаемый источник энергии — очень компактный ядерный реактор. Дальше масштабной модели и ее концептуального описания дело не пошло, но принято считать, что Ford Nucleon стал своеобразным символом атомной эпохи.

Тупиковая ветвь

Столкнувшись с проблемами масштабирования, Камнев предложил создать побочный продукт — атомную машину для дорожного строительства, точнее — атомный дорожный каток. Славский озвучил идею Хрущеву, и тот пришел в восторг, узнав, что с помощью такого катка можно, используя выделяемое реактором избыточное тепло, с минимальными затратами строить прямую как стрела и ровную как зеркало дорогу даже в самых густых лесах. Один такой каток был построен к концу 1959 года, очевидец описывает его так: «Даже в самых больших карьерах я не видел таких гигантов. Махина высотой с семиэтажный дом и шириной в 20 м прокладывает в лесу прямую и ровную дорогу, просто спекая верхний слой грунта при температуре свыше 500 градусов». Испытания, проведенные в Сибири, оставили 25-километровый отрезок великолепнейшей дороги прямо сквозь тайгу примерно посередине между Томском и Новосибирском. Дорогу бы проложили до конца, но случилась неприятность: усталый оператор катка заснул за рычагами, и единственная в своем роде строительная машина утонула в болоте, на дне которого она и лежит до сих пор. А идеальная дорога одиноко начинается и заканчивается посреди тайги — как памятник атомной фантазии прошлой эпохи.

Ford Nucleon был представлен на различных выставках, и в 1958 году на одном из американских автосалонов его увидел второй секретарь советского посольства Владимир Синявин. Он был большим энтузиастом технического прогресса и с восторгом описал идею автомобиля в своем отчете. Поскольку там упоминался атомный проект, на родине отчет внимательно изучили. Военных он не заинтересовал, поскольку они посчитали описанное пустой фантазией, но на всякий случай отчет переслали в Министерство среднего машиностроения СССР, которое курировало тогда все атомные проекты. Его увидел один из заместителей министра, легендарного Ефима Павловича Славского. Так началась неизвестная история удивительной машины, которая могла бы перевернуть всю мировую автомобильную промышленность.

Атомный двигатель давал очень много тепла, для рассеивания которого требовалась эффективная система охлаждения. У инженеров не было опыта работы с подобными конструкциями, поэтому в поисках решений они изучали американские концепт-кары 1950-х, такие как Buick Le-Sabre 1951 года (на фото) или Ford X 2000 1958 года. При всей вычурности у них было важное достоинство: они позволяли вписать огромные воздухозаборники системы охлаждения в общий дизайн кузова.

Добиться невозможного

Славскому идея показалась интересной, и он конфиденциально попросил нескольких физиков-атомщиков изучить возможность реализации подобного проекта. Ответ был совершенно однозначным: «Пустые фантазии!». На ближайшем совещании в Кремле Славский между делом в шутку упомянул об этом — вот, мол, какой ерундой занимаются американцы. Он ожидал, что Хрущев посмеется вместе с ним, однако реакция была совершенно другой. Никита Сергеевич выслушал министра и вдруг неожиданно серьезно сказал: «А почему бы нам не сделать такой автомобиль? Ведь с ледоколом хорошо получилось!» Попытки переубедить генсека не увенчались успехом, Хрущев отмел все возражения взмахом руки: «Если эти физики не могут, найдите других».

И такие физики были найдены. Для проектирования автомобиля, приводимого в движение атомной энергией, было создано Автомобильное конструкторское бюро (АКБ) под руководством Александра Эдуардовича Камнева. АКБ занималось разработкой ядерной силовой установки.

Ford X 2000 1958 года

По пушечной схеме

Физики АКБ, взяв за основу атомную силовую установку ледокола «Ленин», быстро убедились в том, что она не поддается масштабированию в меньшую сторону. Построить же автомобиль под существующий реактор было немыслимо — настолько огромной получалась машина. Над этой проблемой физики работали до 1960 года, но без особого успеха, пока на очередном совещании кто-то них в сердцах не воскликнул: «Не получается, хоть засовывай уран в цилиндры двигателя!» — и это навело Камнева на идею, которая оказалась весьма плодотворной.

Идея состояла в следующем. Традиционный реактор требует довольно значительного количества радиоактивного урана. При уменьшении массы топлива коэффициент размножения нейтронов падает, и реактор перестает быть критичным — «затухает». Между тем критичность реактора зависит не только от массы загруженного в него радиоактивного материала, но и от его конструкции и конфигурации. Камнев предложил использовать классическую «пушечную схему», хорошо знакомую физикам-ядерщикам по конструкции первых атомных бомб из урана (более совершенные плутониевые делались уже по другой схеме — имплозивной). Суть ее работы состоит в том, что при сближении двух кусков обогащенного урана начинается цепная реакция, растет коэффициент размножения нейтронов и реакция становится самоподдерживающейся. В бомбе она идет еще дальше — начинается нарастающая цепная реакция, и происходит взрыв. Но ведь работа обычного двигателя внутреннего сгорания — это есть серия маленьких взрывов! Нужно только остановить реакцию вовремя, чтобы замкнуть цикл работы двигателя.

Атомное сердце

К концу 1961 года конструкция была в основном проработана. Двигатель А21 представлял собой вполне традиционный четырехцилиндровый агрегат, в котором на торцах поршней и цилиндров были расположены шайбы из обогащенного изотопом 235 урана. В торце цилиндра была также расположена шайба из графита — замедлителя нейтронов. В качестве рабочего тела выступал гелий, закачанный в цилиндры. При ходе сжатия массы урана сближались, коэффициент размножения нейтронов начинал расти. За счет тепловыделения гелий разогревался и начинал расширяться, толкая поршень наверх, — это был рабочий ход. Контролировать обороты и останавливать работу двигателя можно было с помощью стержней-поглотителей, которые располагались на месте клапанов и выдвигались независимо вращающимся распредвалом с изменяемыми фазами кулачков. По мере расхода ядерного топлива фазы смещались, чтобы компенсировать «выгорание» топлива. В качестве аварийного «гашения» реактора при закритических авариях предусматривался впрыск раствора борной кислоты в цилиндры. Весь агрегат был помещен в полностью герметичную оболочку с биозащитой, наружу были выведены только трубопроводы второго контура охлаждения и магнитная муфта, вращавшая редуктор коробки передач.

В конструкцию концепт-кара Ford Seattle-ite XXI с атомным силовым агрегатом было заложено множество идей для автомобиля будущего: навигация, круиз-контроль, электрическое рулевое управление, панорамное остекление салона с регулируемым затемнением. Но для реального атомного автомобиля самым полезным оказалось трехосное шасси.

После полугода настроек и экспериментов двигатель, установленный на стенде, отработал три месяца совершенно штатно, при этом условный пробег составил около 70 000 км. Пора было испытать его в деле. Для проектирования шасси были привлечены инженеры специально созданной рабочей группы Горьковского автозавода (ГАЗ). Поставленная задача немало их удивила. Подвеску нужно было значительно усилить: А23 весил не 200 кг, как штатный мотор ГАЗ-21, а почти 500. При этом двигатель имел совершенно фантастические по тем временам характеристики: мощность 320 л.с. и крутящий момент более 800 Н м при низких оборотах (60 об/мин). В требованиях также оговаривались полное исключение доступа под капот, отсутствие топливной системы и навесных агрегатов, и особо — наличие производительной системы охлаждения.

«Волга-Атом»

В апреле 1965 года машина выехала на испытательный полигон под Северском. По воспоминаниям принимавшего участие в разработке двигателя Валентина Семенова, которому удалось прокатиться за рулем автомобиля (или атомобиля?), ощущения были весьма необычными: машина была очень тяжелой, но мощность двигателя компенсировала повышенную массу. Разгон был бодрым, а вот с торможением дело обстояло хуже. И еще мотор сильно грелся, и в автомобиле, несмотря на сибирскую прохладную весну, было очень жарко.

Проведенные испытания показали, что конструкция вполне рабочая, при этом реальный ресурс пробега составил более 60 000 км. Однако после этого весь силовой агрегат нужно было менять, а это очень хлопотно и расточительно для гражданской техники. Поэтому физики начали работу над второй версией двигателя — с газофазным топливом в виде гексафторида урана вместо твердого урана. Гексафторид одновременно служил и рабочим телом вместо гелия, который также доставлял в первой версии немало хлопот, улетучиваясь сквозь малейшие щели уплотнителей и даже сквозь стенки (для поддержания его уровня двигатель был оснащен баллоном с гелием и автоматической системой компенсации расхода). Правда, графитовый замедлитель пришлось сделать пористым, чтобы газ эффективнее перемешивался и в нем шла реакция деления. Новый двигатель был менее мощным (200 л.с., 600 Н м), а пробег на одной загрузке топлива уменьшился примерно до 40 000 (по результатам испытаний). Зато для «заправки» теперь не требовалось менять весь двигатель, достаточно было закачать в цилиндры новый запас гексафторида урана.

Изначально планировалось изготовить несколько опытных машин, чтобы демонстрировать их на выставках и катать почетных гостей. Однако, пока конструкторы разрабатывали двигатель и сам автомобиль, ситуация изменилась. Хрущев ушел с поста генсека, а у сменившего его Брежнева не было подобных амбиций. Так что проект без особого шума закрыли. А два опытных экземпляра автомобилей (без двигателей, которые были сняты для дезактивации и захоронения) долгое время стояли на полигоне, а потом были утилизированы. С ними ушел и безграничный и безрассудный энтузиазм той эпохи, в которой люди не боялись хватать атом за хвост.