САМОПРОИЗВОЛЬНОЕ ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР УРАНА И ВОЗМОЖНОСТЬ ЦЕПНОГО ПРОЦЕССА
В 1934 г. итальянский физик Энрико Ферми впервые облучил уран только что открытыми нейтронами в надежде увеличить массу исходных ядер и получить элементы с бо́льшим атомным весом, чем уран. Результаты этих опытов оказались столь неожиданными и запутанными, что их удалась понять только в 1939 г., когда было выяснено, что ядра урана раскалываются нейтронами на 2–3 тяжелых осколка.
Вскоре после этого известный советский физик-теоретик Яков Ильич Френкель построил первую теорию деления атомных ядер, рассматривая ядра как капли электрически заряженной жидкости. Эта теория получила название электрокапиллярной. Она вполне удовлетворительно объясняла все основные особенности механизма деления.
Вслед за этим ученики академика Н. Н. Семенова — основателя советской школы исследователей цепных химических реакций, академики Яков Борисович Зельдович и Юлий Борисович Харитон рассчитали условия, необходимые для осуществления цепного процесса деления ядер урана. Они показали, что при небольшом увеличении доли легкого изотопа уран-235 и использовании обыкновенной воды в качестве замедлителя быстрых нейтронов деления до тепловых скоростей можно в определенном количестве урана, большем «критического», получить устойчивый цепной процесс, приводящий к высвобождению громадного количества ядерной энергии.
В 1940 г. молодые ученики академика И. В. Курчатова — Г. Н. Флеров и К. А. Петржак произвели серию очень тонких исследований, показавших наличие самопроизвольного деления ядер урана. Дело в том, что эти ядра настолько сложны, в них так много одноименно заряженных протонов, что они находятся где-то на грани устойчивости. Оказалось, что под влиянием этой неустойчивости то одно, то другое ядро урана само собою делится на осколки. При этом возникают свободные нейтроны, способные вызвать цепной процесс в надлежащих условиях. Правда, самопроизвольное деление протекает крайне медленно, с периодом полураспада порядка 1016 лет. Но и при этом в куске урана весом в 1 кг ежесекундно самопроизвольно делятся несколько ядер и возникают нейтроны, способные вызвать цепной процесс. Вот почему в конструкции атомной бомбы не предусматривают никакого постороннего источника нейтронов, возбуждающих атомный взрыв.
СОВРЕМЕННЫЕ УСКОРИТЕЛИ
В настоящее время между крупнейшими государствами происходит своеобразное соревнование, целью которого является создание все более мощных ускорителей заряженных частиц. Еще недавно самым могучим ускорителем был синхрофазотрон Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Он разгоняет протоны до энергии в 10 миллиардов электрон-вольт (Бэв). Вслед за ним в Женеве в Европейское атомном центре (ЦЕРН) вступил в строй ускоритель на 28 Бэв. Затем американцы в Калифорнии построили ускоритель на 33 Бэв. Сейчас мы завершаем строительство гигантского протонного ускорителя на 70 Бэв вблизи Серпухова. Имеются проекты ускорителей на 250 Бэв (США, Калифорния), 350 Бэв (Женева, ЦЕРН) и на 1000 Бэв (СССР).
Чем же вызвано такое соревнование? Дело в том, что ускоритель — это своеобразный ядерный микроскоп. Чем выше энергия ускоренных им частиц, тем короче длина сопряженной с ними волны и тем мельче детали, доступные исследователям. Современная физика не удовлетворяется возможностью детально исследовать атомные ядра. Исследователи намерены проникнуть внутрь элементарных частиц и изучить строение протона, нейтрона и даже электрона. А для этого нужны частицы с длиной волны порядка 10−14–10−15 см. Так как по формуле Де-Бройля
то чем больше v, тем короче длина волны λ. Стремление получить максимально короткие волны и вызывает необходимость строить мощные и дорогие ускорители. Ведь если ваш электронный микроскоп имеет разрешающую способность в 100 А[2], то в него нельзя увидеть объектов, размеры которых оказываются меньше указанной величины.
Но ускоритель способен не только выявлять детали строения исследуемых объектов. Он также способен создавать новые объекты, ранее отсутствовавшие в окружающем нас мире. Чем выше энергия ускоренных частиц, тем больше новых типов элементарных частиц они порождают при взаимодействии, тем глубже мы проникаем в тайны микромира. Продукция ускорителя — мезоны разных типов, гипероны, резонансы и другие представители мира элементарных частиц.
В конце 40-х годов ученым казалось, что ускорители имеют очень жесткие пределы энергии, которую они способны сообщать разгоняемым частицам.
У циклотрона этот предел связан с релятивистским эффектом увеличения массы со скоростью. Так, уже при 100 млн. эв масса ядра тяжелого водорода на 5 % больше его массы покоя. Как известно, условием синхронизма для частиц, ускоряемых в циклотроне, является соотношение
При возрастании массы m частица начинает отставать по фазе от фазы напряжения генератора. В конце концов частица начинает приходить в ускоряющий промежуток между дуантами в момент, когда электрическое поле оказывает не ускоряющее, а тормозящее воздействие.
Казалось бы, что у бетатрона, где релятивистское возрастание массы не влияет на режим ускорения, так как масса не входит в условие стабильности орбиты ускоряемых электронов, нет никакого принципиального предела энергиям ускоряемых частиц. Но как показали советские физики, такой предел имеет и бетатрон. Ведь по законам электродинамики электрон, двигаясь по окружности, находится под действием ускорения и потому обязан излучать энергию. Это «лучистое трение» чрезвычайно возрастает с ростом энергии выше некоторого предела. Оно заставляет электроны быстро сбрасывать всю избыточную энергию. По подсчетам этот предел лежит вблизи 500 Мэв, но уже при энергии порядка 30 Мэв электроны создают яркое голубовато-белое свечение, уносящее значительную долю их энергии.
Выходило так, что нечего и мечтать об ускорителях на энергии в миллиарды электрон-вольт. Но ведь они уже действуют!
Создание современных ускорителей на десятки и сотни миллиардов электрон-вольт стало возможным благодаря работам советского физика академика Владимира Иосифовича Векслера. В 1944 г. он предложил знаменитый принцип «автофазировки» ускоряемых частиц, открывший новые горизонты перед ядерной физикой и физикой элементарных частиц. Им было показано, что при достаточно медленном изменении частоты ускоряющего электрического поля или напряженности удерживающего магнитного поля частицы как бы переходят с одной устойчивой орбиты на другую без нарушения основного синхронизма. Этот принцип позволил создать новые типы ускорителей: фазотроны (с изменением частоты электрического поля), синхротроны (с изменением напряженности магнитного поля) и синхрофазотроны (комбинация обоих принципов).
Другой крупный и важный вклад в создание новых типов ускорителей заряженных частиц был сделан недавно академиком Гершем Ицковичем Будкером.
Во всех ускорителях поток ускоренных частиц направляется на неподвижную мишень. При этом значительная доля энергии бомбардирующих частиц расходуется не на взаимодействие, а на ускорение частиц мишени. Ударяя по камню молотком, мы неизбежно расходуем часть энергии на движение камня. Если массы молотка и камня равны, только половина энергии может быть, использована на разрушение камня. Чем тяжелее молоток и чем легче камень, тем меньше и доля энергии, затрачиваемой на разрушение. Эти потери энергии особенно велики при релятивистских скоростях, когда масса частицы резко возрастает. Протоны, ускоренные до энергии в 1 Бэв, могут использовать на взаимодействие с частицами неподвижной мишени только 0,43 Бэв, а при 100 Бэв эта доля составит лишь 10,5 Бэв. Таким образом, стократное увеличение энергии ускоренных частиц приводит лишь к двадцатикратному увеличению полезной (эффективной) энергии взаимодействия. Так как увеличение энергии частиц резко увеличивает стоимость ускорителя, этот эффект оказывается крайне неприятным обстоятельством. В ускорителях на встречных пучках, впервые построенных под руководством академика Г. И. Будкера в Новосибирске, мишень состоит из встречного потока частиц, движущихся с такой же скоростью, что и бомбардирующие частицы. При этом даже скромные энергии частиц каждого пучка приводят к огромным эффективным энергиям столкновения. Например, в установке на встречных электрон-электронных пучках с энергией всего лишь в 160 Мэв суммарная энергия взаимодействия оказалась равной 100 Бэв. А в ускорителе на встречных электрон-позитронных пучках эффективная энергия соударения достигает 2000 Бэв!