До того, как появились урановые бомбы, не существовало методов получения столь высоких температур. Поэтому практическое осуществление искусственных термоядерных реакций стало реальным лишь после появления атомных бомб, хотя в существовании таких реакций ученые были уверены еще до открытия деления урана.
В термоядерных реакциях принимают участие ядра атомов, которые, как известно, заряжены положительным электричеством. При движении через вещество эти ядра взаимодействуют с окружающими атомами и молекулами, что часто связано с перераспределением энергии. Поэтому, прежде чем перейти к подробному разбору особенностей термоядерных реакций, рассмотрим те явления, которые происходят при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество.
Поскольку всякое вещество построено из атомов, а атомы состоят из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронных оболочек, постольку всякая заряженная частица, пролетающая через вещество, должна взаимодействовать с электронами и ядрами, вызывать так называемую ионизацию вещества, а в «благоприятных» случаях и ядерную реакцию. Процесс ионизации вещества состоит в том, что в результате действия таких частиц электроны срываются с нейтральных атомов, причем последние превращаются в положительные ионы, то есть атомы, лишенные одного или нескольких электронов. Оторвавшиеся электроны или «налипают» в дальнейшем на другие нейтральные атомы, превращая их в отрицательные ионы (атомы с избыточными электронами), или же остаются свободными.
Процесс ионизации требует затраты энергии от нескольких десятков тысяч до нескольких сотен тысяч калорий на каждый грамм вещества. Значительно бóльшую энергию необходимо затратить для осуществления ядерной реакции положительно заряженной частице, приближающейся к одноименно заряженному атомному ядру, на преодоление действующих между ними электрических сил отталкивания.
Происходящие при этом процессы схематично изображены на рис. 12. Здесь сравниваются случаи перекатывания шара через барьер и приближения альфа-частицы к заряженному атомному ядру.
Если шар 1 катится на барьер медленно, с небольшим запасом энергии (рис. 12, а), то он, достигнув некоторой точки 2, остановится и покатится обратно. Если же этот шар обладает большим запасом энергии и движется с большой скоростью, то он достигнет вершины 3 и преодолеет барьер.
Точно так же альфа-частица, летящая с небольшой скоростью, отталкивается от атомного ядра и летит обратно (рис. 12, б). Лишь в том случае, если частица обладает необходимым запасом энергии и летит достаточно быстро, она может преодолеть электрические силы отталкивания и проникнуть в ядро, как показано на рис. 12, в.
Чтобы могла произойти ядерная реакция, частица должна приблизиться к ядру на расстояние около одной миллиардной доли микрона[7], когда уже начинают действовать ядерные силы. Для этого частица должна обладать очень высокой кинетической энергией. Так, например, электрическая энергия отталкивания, которую необходимо преодолеть протону при приближении к другому протону, чтобы сказалось действие ядерных сил, составляет около 12 млрд. кал на 1 г протонов. Соответственная энергия при приближении протонов к ядрам углерода достигает уже 45 млрд. кал.
Величину энергии, которую необходимо затратить, чтобы частица могла проникнуть в ядро, часто называют энергетическим «барьером», окружающим ядро.
Как показывают расчеты, ядерное взаимодействие возможно и тогда, когда относительная энергия сталкивающихся частиц ниже высоты барьера, однако в этом случае вероятность ядерной реакции мала. Такая частица, подходя к ядру, обычно отталкивается от него под влиянием электростатических сил. Лишь в редких случаях недостаточно быстрая частица проникает в ядро. В огромном большинстве случаев положительно заряженные частицы успевают израсходовать свою кинетическую энергию, замедляются и, захватив электроны, превращаются в нейтральные атомы.
Такое расходование кинетической энергии происходит по той причине, что заряженные частицы, проходя через вещество, взаимодействуют с электронами, вырывая их из атомов вещества, то есть производя ионизацию.