надо подвести заряженные ядра вплотную друг к другу. Но этому препятствуют силы электростатического отталкивания, на преодоление которых необходимо затратить некоторую энергию (энергию активации). Эта энергия может быть заимствована только у теплового движения ядер.
Даже первые признаки ядерных взаимодействий в нагретом веществе можно надеяться наблюдать лишь при температуре около миллиона градусов. В этих условиях атомы любого вещества распадаются, образуя своеобразный газ из положительно и отрицательно заряженных частиц. Если при этом концентрация частиц достаточно велика, чтобы автоматически (за счет сильных электрических полей) выравнивать всякие зарядовые неоднородности и обеспечивать квазинейтральность всей массы частиц, мы имеем не просто ионизованный газ, а плазму.
Основная и наиболее трудная задача, стоящая на пути к осуществлению интенсивных управляемых термоядерных реакций, заключается даже не в том, чтобы нагреть плазму до гигантских температур, а в том, чтобы изолировать такую плазму от стенок сосуда, в котором она заключена. Эта задача, сама по себе необычайно трудная, облегчается тем, что практически все частицы горячей плазмы электрически заряжены и могут удерживаться специально подобранными комбинациями магнитных сил. Впервые идею о магнитной изоляции горячей плазмы выдвинули академики А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм.
Исследования по управляемым термоядерным реакциям находятся еще в стадии разведки различных путей подхода к проблеме. Наиболее детально исследованы разряды в прямых трубах из диэлектриков, тороидальные установки различных конфигураций и магнитные ловушки. Ни один из этих путей не разведан так далеко, чтобы обеспечить решение проблемы.
Плазма оказалась удивительно капризным объектом: она с поразительной легкостью сбрасывает с себя энергию, которую мы с таким трудом сообщаем ей на короткие мгновения. Наличие множества неустойчивостей разных типов приводит к тому, что каждый шаг на пути к заветной цели дается с большим трудом. И все же за сравнительно небольшой срок исследований пройден важный этап. Физики научились успешно ликвидировать наиболее опасные, так называемые гидродинамические неустойчивости, почти мгновенно разрушающие плазму. Теперь предстоит преодолеть новый барьер — научиться подавлять другой тип плазменных неустойчивостей, называемых кинетическими. Эти неустойчивости развиваются значительно медленнее. Как сказал недавно один из руководителей этих исследований в Советском Союзе академик Лев Андреевич Арцимович: «Грубо говоря, мы научились предохранять плазму от инфаркта, но все еще не умеем защищать ее от раковых опухолей».
Исследования управляемых термоядерных реакций почти одновременно были начаты в СССР и США в начале 50-х годов. Первоначально они велись в условиях сугубой секретности. Советский Союз первым в 1956 г. проявил инициативу по ликвидации секретности в этой важной области физики. С тех пор наши исследования в этой области неизменно занимают ведущее место в мире. С первых же шагов и до наших дней их возглавляют академики Л. А. Арцимович и М. А. Леонтович, воспитавшие много талантливой молодежи.
Советские физики первыми наблюдали возникновение нейтронного и жесткого рентгеновского излучения плазмы, причем они сразу же дали правильную оценку этому факту, показав, что возникающие нейтроны не являются, к сожалению, результатом термоядерных реакций. Они первые построили ряд крупных установок для исследования горячей плазмы (Огра-1, Огра-2, Токамак и т. д.). Недавно на установке ПР-5 в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова была получена плазма с рекордными характеристиками. Чтобы лучше уяснить полученные результаты, приведем следующую таблицу.
| Характеристики плазмы | Температура | Концентрация | Время жизни, сек |
|---|---|---|---|
| Необходимо для работы термоядерного реактора | 108 | 1015 | 10 |
| Получено в США, Англии, Швеции | 107 | 109 | 10−5 |
| Получено в СССР | 4·107 | 1010 | 10−1 |
Как видно из этой таблицы, результаты, достигнутые советскими физиками, по всем основным показателям, оказались намного выше (температура в 4 раза, концентрация в 10 раз и время жизни плазмы в 10 000 раз!), чем у физиков других стран, проводящих аналогичные исследования. Особенно важным является резкое увеличение времени жизни горячей плазмы, достигнутое нашими учеными. Однако сравнение этих результатов с данными, необходимыми для работы термоядерного реактора, показывает, что хотя нашим физикам и удалось пройти большой путь, полное решение проблемы потребует еще немало времени и усилий.
Работы советских физиков в области физики атомного ядра и элементарных частиц, о которых мы рассказали в этом кратком обзоре, далеко не исчерпывают всех выполненных фундаментальных исследований. Ограниченные размерами брошюры, мы лишены возможности сколько-нибудь подробно рассказать об открытии ядерной изомерии у искусственных радиоактивных изотопов, сделанном в 1935 г. И. В. Курчатовым, Б. В. Курчатовым, Л. В. Мысовским и Л. И. Русиновым, или о первых наблюдениях ливней космических частиц, произведенных в 1927 г. академиком Д. В. Скобельцыным при помощи камеры Вильсона, находящейся в сильном магнитном поле. Следует также упомянуть о создании Л. В. Мысовским и А. П. Ждановым метода наблюдения элементарных частиц в специальных толстослойных фотоэмульсиях.
Необходимо также отметить ряд крупных теоретических исследований советских физиков в указанной области.
Академики Л. И. Мандельштам и М. А. Леонтович первыми создали теорию прохождения частиц через потенциальный барьер, вскрывшую механизм α-распада радиоактивных ядер.
Академик Л. Д. Ландау выдвинул «принцип комбинированной четности», весьма плодотворной для систематики элементарных частиц.
Академик В. Л. Гинзбург и член-корреспондент АН СССР И. С. Шкловский создали современную теорию происхождения космических лучей.
Академик И. Я. Померанчук создал теорию взаимодействия частиц и античастиц при очень высоких энергиях.
Профессор Д. Д. Иваненко первый предложил протонно-нейтронную модель атомного ядра.
Этот список можно было бы без труда значительно продолжить. Но и того, что уже было сказано, достаточно, чтобы составить представление о большом вкладе советских физиков в один из важнейших разделов современной физики.
ПРОЧНОСТЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ И МЕХАНИЗМ ИХ ДЕФОРМАЦИИ
Огромный вклад в эту чрезвычайно важную область физики внесли работы академика Абрама Федоровича Иоффе и его учеников.
Большинство твердых тел имеет кристаллическую структуру. Долгое время в физике господствовали представления о том, что реальные кристаллические тела мало чем отличаются от идеальных. Общепризнанная теория кристаллической решетки, разработанная Максом Борном, исходила из идеальных представлений о кристалле, где каждый атом находится на своем месте, а какие-либо нарушения структуры (примеси, внутренние дефекты) полностью отсутствуют. Эта теория хорошо описывала многие свойства кристаллических тел (электропроводность, теплопроводность и т. п.). Но как только дело доходило до определения прочности на разрыв, наблюдалось громадное расхождение между теоретическими предсказаниями и экспериментальными результатами. Прочность реальных кристаллов оказывалась в сотни раз ниже теоретической. Например, теория указывает, что каменная соль должна выдерживать напряжения до 200 кг/мм2, а в действительности кристаллы каменной соли разрываются уже при нагрузке в 400 г/мм2.