Его сиятельство атом - [3]

В наше время одним из основных центров по ядерным реакциям является международный межправительственный Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна Московской области). Учредители ОИЯИ – 18 стран, специалисты которых работают на базе института. Всего в Дубне российские физики синтезировали 6 не существующих в природе трансурановых элементов, т. е. элементов с ядрами тяжелее элемента урана. Еще несколько трансурановых ядер получены совместно или пока не утверждены международным сообществом. У всех у них период полураспада существенно меньше возраста Земли, поэтому в природе они не обнаружены.

Среди торжественно утвержденных (прошедших инаугурацию) элементов 114-й получил имя «флеровий» в честь академика Георгия Николаевича Флерова (1913–1990), одного из организаторов ОИЯИ, ученика и соратника Курчатова.

Физики всего мира принялись подбирать наиболее эффективные частицы для осуществления ядерных реакций и создавать установки для их «разгона», увеличения их скорости. В СССР этой проблемой занималась группа Курчатова и связанные с ним лаборатории.

Чем меньше положительный заряд частицы, тем у нее больше шансов «внедриться» в отталкивающее ее положительное ядро. Для ядерной бомбардировки начали использовать протоны и дейтоны (ядра дейтерия), имеющие единичный положительный заряд. И приступили к исследованию влияния пучка быстрых электронов.

Разгонялись заряженные частицы в электрическом поле.

Весной 1932 г. была получена первая ядерная реакция на искусственно ускоренных частицах. Джон Кокрофт (1897–1967) и Эрнест Уолтон (1903-1995) в Кембридже (Великобритания) создали генератор постоянного напряжения в 700 киловольт. Пучок ускоренных в генераторе протонов направили на мишень из лития-7. Ядро лития захватывало протон и затем разваливалось на две α-частицы. Осенью этого же года эксперимент повторили сотрудники Украинского физико-технического института (г. Харьков).

Ускорители легких заряженных частиц (электронов, протонов) делятся на линейные и циклические (циклотроны).

В линейных ускорителях частицы проходят ускорение однократно, двигаясь в электрическом поле, которое постепенно разгоняет их все сильнее. Чаще всего линейные ускорители используются для легких частиц – электронов и протонов. В наше время они применяются не только в ядерной физике, но и в медицине, материаловедении, даже в стерилизации продуктов.

В конце 2020-х гг. планируется создать Международный линейный коллайдер (ускоритель со встречными пучками сталкивающихся частиц) на территории Японии. Это фантастическое сооружение будет иметь общую длину 31 км и состоять из двух частей. В одной станут ускоряться электроны, в другой – получаться встречный пучок таких же легких, но положительно заряженных частиц – позитронов. Ускоряющее поле первоначально будет измеряться в гигавольтах (10⁹ вольт – посмотри такие обозначения в главе 1), потом возрастет до теравольт (10¹² вольт).

Создать гигантскую электрическую разность потенциалов очень непросто, к тому же линейный ускоритель имеет достаточно большую длину. Этих недостатков лишены циклотроны.

Представьте себе два варианта раскачивания качелей. В первом вы с большим усилием заставляете качели сразу взлететь на максимальную высоту. Во втором варианте вы «в такт», небольшими толчками качелей, добиваетесь такого же результата. По второму принципу разгоняются заряженные частицы в циклотроне.

В циклотроне частица с некоторой начальной скоростью начинает вращаться по окружности вокруг оси 1 (рис. 6), по которой направлено магнитное поле. В соответствии с законами физики, чем больше ее скорость, тем больше радиус окружности. Но главное – время обращения по окружности (период вращения) не зависит от скорости и радиуса. Значит, можно где-то в одном и том же месте добавлять частице еще немного скорости за счет сравнительно небольшого электрического поля («подталкивать качели в такт», не сходя с места). Частица каждый раз будет переходить на движение по окружности с большим радиусом. В целом она станет двигаться по раскручивающейся спирали (рис. 6), причем в ограниченном пространстве. Размеры ускорителя таким образом сокращаются.

Рис. 6. Схема циклотрона

Циклотрон состоит из двух полых половинок диска 3 («дуанты») (рис. 6), внутри которых и вращаются частицы. Переменное электрическое поле 4 (рис. 6) подается на края зазора между дуантами. Частота поля точно совпадает с частотой вращения частиц. Поэтому, когда частицы пролетают сквозь зазор в одну сторону (например, точка А рис. 6), электрическое поле их ускоряет. Когда они, пройдя половину окружности, пересекают зазор в обратную сторону (точка В рис. 6), переменное электрическое поле как раз успевает сменить знак и снова их ускоряет, а не тормозит. Частицы вращаются по спирали 2 (рис. 6), пока не достигнут нужной скорости.

Цепная ядерная реакция. Сырье для реактора

Нуклоны в ядре атома связаны очень сильным взаимодействием. Физики во всем мире пытались вызвать ядерные реакции, используя максимально быстрые α-частицы и протоны, создавая для этого все более мощные ускорители. Но оказалось, что в положительно заряженное ядро значительно легче проникает нейтральная частица – нейтрон, – как незаметный шпион в мощную крепость.