Его сиятельство атом

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.

Источник нейтронов первыми получили в лаборатории известного итальянского физика Энрико Ферми (1901–1954) при облучении α-частицами порошка бериллия. Нейтроны вылетали из бериллия со скоростью 30 тысяч километров в секунду. Такие нейтроны называют быстрыми. В лаборатории Ферми провели эксперимент по замедлению нейтронов: пропускали их через слой воды или парафина. В обоих случаях замедлитель нейтронов содержал ядра водорода (протоны). Многократно сталкиваясь с ними, нейтроны замедлялись до скорости в несколько километров в секунду – скорости молекул. Такие нейтроны назвали медленными.

В разных лабораториях мира, в том числе курчатовской, начали изучать влияние потока нейтронов на кремний, алюминий, фосфор и другие вещества. При их облучении образовывались искусственные радиоактивные элементы, ядра которых мало отличались от исходного ядра по числу протонов и нейтронов. Например, в лаборатории И. В. Курчатова при облучении алюминия (в ядре 13 протонов и 14 нейтронов) получали радиоактивный изотоп алюминия, а также радиоактивные изотопы магния (в ядре 12 протонов) и натрия (11 протонов).

Но самое интересное и важное было впереди – деление урана. Предполагалось, что облучение нейтронами урана может привести только к получению элементов с близким числом протонов, как это происходило в экспериментах с другими элементами. Но в 1938 г. Отто Ган (1879–1968) и Фриц Штрассман (1902–1980) показали: ядро урана при взаимодействии с нейтроном делится («расщепляется») на два «легких» ядра (например, бария и криптона). При этом выделяется два нейтрона и очень большое количество энергии. Некоторые физики, в том числе И. В. Курчатов, сразу поняли значение этого открытия и охарактеризовали его как начало новой эпохи в истории человечества. Появился принципиально новый, невиданно мощный источник энергии, практически неисчерпаемый.