Практическое применение ядерной физики

Долгое время идеи ядерной физики представлялись некоторой игрой ума, интересной для небольшой кучки исследователей. Ситуация коренным образом изменилась после открытия в 1939 вынужденного деления урана (О. Хан, Ф. Штрассман и Л. Мейтнер). Новый этап развития ядерной физики начался с открытием Дж. Чадвиком нейтрона в 1932 году Вскоре во многих научных лабораториях начали изучать процессы их взаимодействия с ядрами. В Италии Энрико Ферми обнаружил, что замедление нейтронов до тепловых скоростей приводит к резкому увеличению выхода ядерной реакции с участием нейтронов (Позднее для замедления нейтронов были отработаны способы использования графита и тяжёлой воды). Ферми, бомбардируя уран нейтронами, обнаружил возрастание в сотни раз радиоактивности мишени. Он был уверен (и не без оснований!), что при этом создаются трансурановые элементы. Эти трансурановые элементы тогда идентифицировать не удалось (нептуний и плутоний Сиборг обнаружил через 5 лет). Ида Ноддак 1934 году выдвинула гипотезу о том, что «при бомбардировке тяжёлых ядер исследуемое ядро распадается на несколько крупных кусков, которые, несомненно, должны быть изотопами известных элементов, подвергнутых облучению». Никто эту гипотезу всерьёз не принял. В Берлине Отто Ган и Лиза Мейтнер в течение нескольких лет тоже изучали «трансурановые» элементы Ферми, но и они не обращали внимание на замечание Ноддак.

Интенсивно занялись исследованием последствий нейтронной бомбардировки урана в Париже. Ирен Жолио-Кюри, проводившая эксперименты в соавторстве с югославом Павле Савичем, объявили, что в уране появляется вещество, подобное лантану. Проверить неожиданное сообщение взялись Отто Ган и Фриц Штрассман в Германии. Более точные анализы, проведенные ими, дали совершенно неожиданный результат: при бомбардировке урана нейтронами образуется барий, масса которого вдвое меньше массы урана. Это для них было настолько обескураживающим, что в статье, посвященной проведённым исследованием, они написали: «Как химики, мы должны подтвердить, что это новое вещество является не радием, а барием… Как физики, знакомые со свойствами ядра, мы не можем, однако, решиться на такое утверждение, противоречащее предшествующему опыту ядерной физики». Это событие произошло в конце 1938 года. О результатах своих экспериментов Ган сообщил тотчас же бывшей соратнице Лизе Мейтнер, которая вынуждена была эмигрировать в Швецию, опасаясь преследования за свое неарийское происхождение. Там в результате обсуждений с Отто Фришем, её племянником, работавшим в Институте Нильса Бора в Копенгагене, родилась опубликованная в феврале 1939 года в журнале «Nature» статья, в которой впервые появилось выражение «деление ядер». Поводом к этому послужило поразительное сходство картины перестройки ядра с процессом деления, которым размножаются бактерии. Сообщение Гана и Штрассмана было встречено вначале недоверчиво, а сами результаты вызывали недоумение. Действительно, до этого экспериментаторы бомбардировали ядра частицами из ускорителей и обнаружили, что для вырывания из ядра одного или двух нуклонов требуется энергия в миллионы электронвольт. Казалось бы, для того чтобы вызвать деление тяжелого ядра, потребуются сотни миллионов электронвольт, а из результатов Гана и Штрассмана следовало, что для деления ядра урана достаточно сообщить ему энергию в 6 МэВ, которую легко получить добавлением одного нейтрона. Это все равно, что твердый камень раскалывался бы от постукивания карандашом. Через два года после открытия Гана и Штрассмана, в 1940 Г. Н. Флеров и К. А. Петржак обнаружили, что ядра урана могут делиться самопроизвольно (спонтанно). Период полураспада спонтанного деления 238U оказался равным 8*1015 лет. Узнав об открытии деления ядер, Нильс Бор, находившийся в то время в США, вместе с Джоном Уиллером из Принстонского университета задумались над объяснением этого явления, и через несколько месяцев они опубликовали работу, в которой предложили детальную модель, удовлетворительно объясняющую первоначальные наблюдения. Независимо аналогичные соображения были высказаны тогда же Я. И. Френкелем. Так возникла ныне широко известная аналогия между делением ядра и делением капли жидкости при деформации — капельная модель ядра.

С этого момента начинается бурное развитие ядерной физики — открытия пошли одно за другим. И. Нишина открыл деление тория-232 быстрыми нейтронами. А Уэллс и Хэксби — деление урана под действием г-излучения с энергией 6 МэВ, получающихся при расщеплении фтора протонами. Р, Роберте, Р, Мейер, П. Ванг открыли запаздывающие нейтроны, а Л. Сцилард, Э. Ферми, Г. Андерсон, В. Зинн, Ф. Жолио-Кюри, X. Халбан, Л. Коварски — испускание вторичных нейтронов при делении, Френсис Перрен ввёл понятие критической массы урана, при достижении которой начинается неуправляемый цепной процесс деления. К важнейшим достижениям всё того же 1939;го года следует отнести Сцилард, Ю. Вигнер, Э. Ферми, Дж. Уилер, Ф. Жолио-Кюри, Я. Б. Зельдович, Ю.Б. демонстрацию возможности протекания в уране цепной ядерной реакции деления (Л. Харитон). В следующем году Ю. Бут, Дж. Даннинг и А. Гросс открывают деление урана-235 медленными нейтронами. К этому моменту уже открыто явление деления под действием нейтронов следующих ядер: 29325U, 29326U, 29 328, 29329U, 239, 30Th, 29301Th, 29312Pa Наконец, в. 1941 Дж. Кеннеди и Г. Сиборг демонстрируют, что один изотоп синтезированного недавно нового элемента — плутоний-239 — хорошо делится медленными нейтронами. В 1941 вводится единица ядерного сечения — барн. Открытие цепного деления урана превратило ядерную физику в идеологическую основу мощной промышленности — самой мощной, которую знало человечество. Началось активное строительство атомных реакторов, сначала исследовательских, потом промышленных (наработка оружейного плутония), а затем и энергетических. В короткие сроки было создано атомное, водородное и нейтронное оружие. А публикации по ядерной физике надолго прекратились… В эту эпоху помимо прикладных исследований, ядерная физика развивала и свои фундаментальные основы, в частности создавались теории ядерных реакций. Резерфорд впервые наблюдал ядерную реакцию 1919, а первая модель ядерной реакции появилась лишь в 1935. Это была модель Оппенгеймера — Филлипса, предложенная для интерпретации реакции (d, p) при низких энергиях. Дальнейший прогресс представлений о механизмах ядерных реакций долгое время был связан с концепцией составного ядра (компаунд-ядра), которая была предложена в 1936 Н. Бором для объяснения резонансной структуры сечений захвата нейтронов и протонов низких энергий атомными ядрами.

Первое количественное описание реакции, идущей через компаунд-ядро, было получено Брейтом и Е. Вигнером в 1936. Широкое распространение в расчетах сечений ядерных реакций получила феноменологическая модель испарения, предложенная В. Вайскопфом в 1937. В 30−50-х годах на основе «первых принципов» развивалась формальная теория ядерных реакций. Различные варианты формальной теории не содержали конкретных физических предположений таких, например, как гипотеза независимости, и в принципе могли описывать различные механизмы ядерных реакций. Однако применение их для практических расчётов было связано с большими трудностями. Тем не менее, развитые в этих работах подходы позволили глубже понять физику процессов, происходящих в ядре и были использованы при создании моделей.

К началу 50-х годов создание последовательной теории реакций, идущих через составное ядро, было в основном завершено. С помощью теории компаунд-ядра удалось удовлетворительно описать большое количество экспериментальных данных. При вычислении сечений предполагали, что любая частица, попав в ядро, должна поглотиться (модель «черного» ядра), т. е. одночастичное движение должно полностью затухнуть. Однако начали появляться экспериментальные данные, которые свидетельствовали, что одночастичное движение не затухает полностью.

После появления в 1966 пионерской работы Дж. Гриффина наметился рост экспериментальных и теоретических работ, посвященных предравновесным процессам. Сегодня предравновесные процессы делят на два класса: многоступенчатые прямые процессы, в которых происходит эволюция открытых состояний, и многоступенчатые компаунд-процессы, связанные с эволюцией закрытых состояний и связи их с открытыми состояниями. Под открытыми состояниями понимаются состояния, в которых хотя бы один нуклон находится выше энергии связи и может вылететь. В закрытых состояниях все нуклоны находятся ниже энергии связи. В реакциях с тяжелыми ионами в 70-е годы в Дубне группой В. Волкова был открыт новый тип ядерных реакций — реакции глубоконеупругих передач. Специфика глубоконеупругих передач обусловлена качественными изменениями процесса взаимодействия двух сложных ядер по сравнению с реакциями с лёгкими ионами. В основе этого взаимодействия лежат процессы формирования, эволюции и распада специфического ядерного комплекса — двойной ядерной системы. За счёт кинетической энергии сталкивающиеся ядра проникают друг в друга, возрастает зона перекрытия их поверхностей. Из-за большой язкости ядерной материи и соответственно из-за большого ядерного трения подавляющая часть кинетической энергии переходит в возбуждение системы, скорость относительного движения падает до нуля.

Часть кинетической энергии переходит в энергию вращения ядер. Однако, несмотря на интенсивное взаимодействие, оболочечная структура обеспечивает ядрам сохранение их индивидуальности. В зоне обмена нуклоны переходят из одного ядра в другое, однако нуклоны внутренних оболочек образуют довольно устойчивые коры, сохраняющие индивидуальность ядер. Эволюция системы происходит в направлении минимума потенциальной энергии системы, в процессе которой нуклоны от одного ядра оболочка за оболочкой передаются другому. Если кулоновские и центробежные силы превосходят силы притяжения, система будет распадаться. Однако, если результирующая сила невелика, распад будет происходить медленно и от ядра к ядру может быть передано значительное количество нуклонов. Исследуя атомное ядро, ядерная физика использует различные теоретические модели, которые могут показаться противоречащими друг другу. Немецкий физик М. Борн предложил в 1936 гидродинамическую модель атомного ядра, согласно которой ядро уподобляется капле заряженной плотной жидкости, состоящей из интенсивно взаимодействующих между собой нуклонов (нейтронов и протонов). Как и в капле обычной жидкости, поверхность каплиядра может колебаться, что при некоторых условиях приводит к развалу ядра. Американский физик М. Гепперт-Майер и одновременно немецкий физик И. Йенсен разработали в 1950 оболочечную модель атомного ядра, в которой нуклоны ядра движутся независимо друг от друга в некоем усредненном поле ядерной силы. Подобно электронам в атоме, нуклоны заполняют различные оболочки, каждая из который характеризуется определённым значением энергии.

Стремясь примирить взаимно исключающие исходные положения гидродинамической и оболочечной моделей, датские физики О. Бор и Б. Моттельсон, а также американский физик Дж. Рейнуотер разработали в начале 1950;х гг. обобщенную модель атомного ядра. Согласно этой модели, ядро состоит из сердцевины — устойчивой внутренней части (нуклоны целиком заполненных оболочек) и «внешних» нуклонов, движущихся в поле, создаваемом нуклонами сердцевины. Под влиянием внешних нуклонов сердцевина ядра может деформироваться, принимая форму вытянутого или, напротив, сплюснутого эллипсоида; может испытывать колебания. В то время когда в физике частиц происходило продвижение в сторону высоких энергий и открывались новые частицы, в состав которых входили все более массивные кварки, качественно изменилась ситуация и в «традиционной» ядерной физике. Улучшение техники ионных пучков и методов сепарации короткоживущих изотопов существенно расширило число исследованных ядер. К концу XX века было открыто ~ 3000 атомных ядер. Всего в границах ядерной стабильности по существующим оценкам их может быть около 7000.

Наряду с хорошо известными модами распада атомных ядер — б, в, г и спонтанным делением были обнаружены новые типы радиоактивности. В 1962 в ОИЯИ (Дубна) впервые была зарегистрирована протонная радиоактивность. Она наблюдалась для нейтронодефицитных ядер вблизи границы протонной стабильности. Было обнаружено, что ядра могут самопроизвольно испускать ядра тяжелее 4He — кластерная радиоактивность. Впервые кластерная радиоактивность наблюдалась в распаде 223Ra 209Pb + 14C.