Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

Ускорители заряженных частиц являются незаменимыми орудиями исследования атомного ядра и тех простейших, так называемых элементарных частиц, с которыми имеет дело ядерная физика.

«Обстреливая» протоны быстрыми частицами с энергиями в сотни миллионов электрон-вольт, советским физикам удалось, например, выяснить размеры протона. Оказалось, что радиус протона равен примерно 5∙10 -14см. Установлено также, что протон, по всей видимости, состоит из какого-то остова, окруженного «облаком» мезонов— частиц, масса которых имеет промежуточную величину между массами электрона и нуклона. Используя протоны с энергиями в несколько миллиардов электрон-вольт, американские физики, работающие на беватроне, открыли в 1955 г. антипротон — частицу с такой же массой, что и протон, но имеющую отрицательный электрический заряд. Наконец, в 1956 г. был открыт антинейтрон — нейтральная частица вещества с массой нейтрона, но по своим магнитным свойствам противоположная ему. Число открытых физиками частиц все время увеличивается.

Обилие элементарных частиц, многообразие их свойств, необычайная сложность процессов, происходящих с их участием в ядрах атомов, являются блестящим подтверждением учения диалектического материализма о неисчерпаемости материи, о сложнейшей структуре атома и составляющих его частиц и неограниченных возможностях человеческого познания. Можно надеяться, что опыты на новом гигантском ускорителе, пущенном в СССР, сделают крупный вклад в развитие ядерной физики и позволят наблюдать рождение совсем новых элементарных частиц, пока еще не известных науке.

В качестве «снарядов» для обстрела атомных ядер могут быть использованы также и нейтроны. Ввиду отсутствия у них электрического заряда нейтроны не отталкиваются ядрами атомов. Поэтому все нейтроны попадают в цель (в ядра атомов обстреливаемой мишени) без промаха, если только взять мишень достаточной толщины. К сожалению, у нас нет иных источников нейтронов, кроме самих атомных ядер, из которых их приходится выбивать, прибегая к обстрелу другими заряженными частицами.

Для обстрела атомов с научной целью широко используются космические лучи. Так физики называют потоки атомных ядер, непрерывно падающих к нам на Землю из мирового пространства с огромной скоростью, близкой к скорости света.

Большинство космических частиц обладает колоссальной энергией, измеряемой миллиардами и десятками миллиардов электрон-вольт. Насколько велика энергия таких частиц, показывает следующий пример. Если листочек свинца толщиной всего в 0,001 см полностью поглощает альфа-частицы, то для космических частиц не является препятствием и слой свинца толщиной в 1 м. В космических лучах имеются и такие сверхбыстрые частицы, энергия которых еще в миллиарды раз больше. Чтобы получить наглядное представление о том, насколько велика их энергия можно привести такой пример. Если сверхбыстрая космическая частица имела бы массу в один грамм, то при падении ее в Черное море вся вода в нем закипела бы. Но так как космические частицы ничтожно малы и общее число их невелико, то попадание их на Землю не вызывает заметного нагревания.

Космические частицы оказываются превосходными «снарядами» для обстрела атомных ядер, в том числе ядер тяжелых элементов. Сталкиваясь с ядрами, космические частицы вызывают ряд интересных ядерных явлений. В 1942 г. советский физик А. П. Жданов впервые наблюдал под действием космических лучей полное расщепление ядер атомов серебра и брома на составляющие их частицы.

Однако опыты с космическими лучами крайне затруднены тем, что потоки их очень слабы. Исследователю приходится месяцами ждать, пока в его приборы попадут именно те частицы, которые его интересуют. Вот здесь-то и приходят на помощь ускорители заряженных частиц, позволяющие разгонять частицы до огромных скоростей, при которых можно гораздо лучше изучать атомные ядра и процессы в них.

Изучая ядерные процессы, вызываемые быстрыми частицами-«снарядами», ученые открыли значительное число ядерных реакций, в которых выделялось относительно большое количество ядерной энергии. Таковы, в частности, реакции расщепления лития под действием протонов и дейтеронов, первая из которых рассмотрена выше.

Однако от установления факта выделения большого количества ядерной энергии до практического использования ее было еще далеко.

Главная трудность, которую нужно было еще преодолеть, заключалась в том, что для освобождения ядерной энергии необходимо было попасть частицей-«снарядом» в каждое атомное ядро. Между тем при обстреле атомов какой-либо мишени лишь ничтожная доля «снарядов» попадает в ядра ее атомов. В среднем лишь один снаряд из целого миллиона попадает в цель, то есть в ядро, и вызывает его превращение. Остальные 999 999 «снарядов» пролетают мимо цели и, растрачивая свою энергию на ионизацию атомов, теряют способность проникать в ядра. В результате такого положения на получение огромного количества «снарядов» затрачивается энергии значительно больше, чем ее получается при ядерных превращениях. Естественно, что такой способ освобождения ядерной энергии не может иметь практического значения.