Опрос

Какие рубрики вам наиболее интересны?

View Results

Loading ... Loading ...

Наши партнеры

  • .

Последние комментарии

Великие открытия XX века в области физики. Самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция.

Опубликовал Сергей 4 июля 2012 в рубрике Наука.

Великие открытия XX века в области физики. Фотография следа протона.Мы давно уже шагнули в новый XXI век. Пришло время подвести итоги прошедшего века. И здесь хотелось бы вспомнить наиболее выдающиеся события в науке и технике за прошедшее столетие, оказавшие революционное влияние на жизнь человечества, в корне изменившие многие традиционные представления людей.

В течение тысячелетий люди довольствовались мизерными крохами заключенной в веществе энергии. Первым это понял А.Эйнштейн, открывший знаменитую формулу Е=mс2. Из нее следовало, что 1 кг любого вещества, будь то воздух или прах земной под нашими ногами, эквивалентен Е=9*1010МДж. Что является полной теплотворной способностью материи. Но тогда, в начале века, никто не знал, как пустить ее в дело. Напомним, что, к примеру, 1 кг углерода, соединившись в угольной топке с 2,67 кг кислорода, дают всего 32,9 МДж. Причем используется ничтожная доля массы — 10-8 процента!

Заметить такую убыль не смог даже сам М.В.Ломоносов, сформулировавший закон сохранения вещества в химических реакциях. Что ж, в первом приближении, закон справедлив. Но лишь в первом...

Овладев цепной реакцией, человечество продвинулось к сакраментальному энергетическому пределу сразу на 6 порядков. Теперь после деления 1 кг плутония или урана в атомном реакторе или атомной бомбе освобождается 8,3x107 МДж. А масса осколков разделившегося вещества составляет уже 999 г, отличаясь от исходной на целый грамм, то есть на одну тысячную процента!

Это, несомненно, величайшее открытие XX в. И поразительно, что внедрено оно было в очень короткий срок. От фундаментальных исследований О.Гана и Ф.Штрассмана нейтронного деления урана-235 до пуска первого ядерного реактора прошло всего 4 года.

К получению ядерной энергии привела цепь исследований, каждое звено которой само по себе имеет огромную ценность. Остановимся лишь на самых основных.

Нейтрон. В 1930 г. немецкие физики В.Боте и Г.Беккер подметили: если смешать порошок бериллия с радиевыми солями, то возникает сильное излучение, легко проникающее сквозь толстые свинцовые плиты.

Супруги Кюри направили неизвестное излучение на пластину, покрытую слоем парафина. С помощь камеры Вильсона удалось сфотографировать след протона (1), выбитого из парафина таинственными лучами.

Фотография следа протона.

Рис 1. Фотография следа протона. Взглянув на этот снимок, сделанный супругами Кюри, физик Э. Майорна воскликнул: «Чудаки! Они открыли нейтральный протон, и не поняли этого». В центре — след протона, выбитого из парафина нейтроном.

Ученые послали это изображение в Англию, патриарху ядерной физики Э.Резерфорду. И вот его ученик Д.Чедвик, ознакомившись со снимком, предположил, что бериллиевое излучение представляет собой поток нейтральных частиц. В остроумных экспериментах он сумел измерить их массу (2).

Опыт Чедвика по определению массы нейтрона.

Рис 2. Опыт Чедвика по определению массы нейтрона. Ученый измерял энергию, которую открытая частица передавала при соударениях ядрам водорода и азота, что и позволило вычислить массу нейтрона. Она оказалась такой, как у протона.

Как и ожидалось, она оказалась равной массе протона. Так появилось новое слово — нейтрон и понятие — нейтронное излучение. Через 3 года после этого открытия Чедвик получил Нобелевскую премию.

Искусственная радиоактивность. В конце 1933 г. Кюри обратили внимание, что алюминиевая фольга, побывавшая десяток минут под ударами альфа- частиц, вела себя так, будто в ней содержится радиоактивный элемент. И действительно, им оказался фосфор, первый в истории физики искусственно полученный радиоактивный изотоп. Эта работа также была удостоена Нобелевской премии.

Замедление нейтронов. Молодому итальянскому физику Э.Ферми открытие супругов Кюри подсказало идею попытаться получить искусственную радиоактивность, бомбардируя ядра химических элементов не альфа-частицами, а нейтронами (3).

Открытие замедления нейтронов и эффекта их взаимодействия с ядрами изотопов.

Рис 3. Открытие замедления нейтронов и эффекта их взаимодействия с ядрами изотопов. В центр парафина Ферми поместил нейтронный источник. После десятка соударений с протонами в парафине, нейтроны замедляются и становятся «тепловыми». Именно их захватывают ядра многих элементов с вероятностью, значительно большей, чем быстрые нейтроны. Цифрами обозначены: 1 — источник нейтронов; 2 — облучаемый материал; 3 — парафин; 4 — регистрирующая система.

И хотя интенсивность их потока, по сравнению с первыми, была намного слабей, зато они обладали другими достоинствами. Во-первых, проходя через вещество, нейтроны не тормозятся электронными оболочками атомов и, по-видимому, способны проникать в облучаемую мишень на значительную глубину. Во-вторых, положительно заряженные ядра атомов даже самых тяжелых элементов, не подпускающие к себе альфа-частицы, могут объединяться с нейтронами. Порождая тем самым новые вещества.

Проверить эти соображения предстояло на опыте. И в 1934 г. прославленный к тому времени теоретик превратился в экспериментатора. К работе Ферми привлек Э.Сэгре, Ф.Разетти, Э.Амальди, О'д Агустино и Б.Понтекорво.

Исследования начали с легких элементов и постепенно прошли по всей таблице Менделеева. Интуиция не подвела Ферминейтроны прилипали к ядрам стабильных изотопов и трансформировали их в радиоактивные. А наблюдательный Понтекорво обратил внимание на странное явление: интенсивность активации мишени зависела от материала подставки, на которой ее устанавливали.

Это навело Ферми на новую идею, и он поставил решающий опыт. Ученый разместил между источником нейтронов и мишенью парафин. Эффект возрос во много раз! Все недоумевали. Кроме Ферми. Умопомрачительную загадку мэтр разгадал за пару часов во время перерыва на обед. Он объяснил своим коллегам: нейтроны, сталкиваясь с легкими ядрами водорода, быстро теряют энергию и замедляются. В результате интенсивность взаимодействия этих «тепловых» нейтронов со многими элементами увеличивается многократно.

Трансурановые элементы. Наконец, итальянская группа дошла до самого тяжелого, замыкающего тогда периодическую таблицу 92-го элемента, — урана. Ферми надеялся синтезировать новые, не существовавшие на Земле вещества с атомными номерами, большими 92. Когда нейтронный источник и урановую мишень помещали в парафин, образовывалось примерно 80 радиоактивных осколков.

Ферми считал, что среди них есть и трансурановые вплоть до 96-го, а значит, ему удалось реализовать задуманное. И лишь имеющаяся у него тогда аппаратура не позволяла идентифицировать каждый осколок.

Как выяснилось в дальнейшем, новые трансурановые элементы (93-й и 94-й), действительно, возникали, однако главной «изюминки» своего эксперимента выдающийся ученый не заметил.

Познакомившись с результатами работы Ферми, химик И.Ноддак написала ему: «При бомбардировке нейтронами тяжелых ядер, последние делятся на несколько больших осколков, которые, в действительности, представляют собой изотопы известных элементов, но не соседствующих с облучаемым ураном».

Ферми не обратил внимание на письмо, а ведь в нем, по сути, давалась правильная интерпретация его опытов. Позднее Ноддак опубликовала свои соображения в германском химическом журнале «Прикладная химия», но физики его не читали, и статья прошла незамеченной. Попадись она на глаза, скажем, Н.Бору, или другому физику такого масштаба — не исключено, что вторая мировая война стала бы ядерной.

Деление урана. Эксперименты с облучением урана нейтронами привлекли внимание многих радиохимиков и физиков. Старт к пониманию природы происходящего дали супруги Кюри и П.Савич. Им удалось обнаружить в урановых осколках радиоактивный элемент, схожий с лантаном.

Их работа заинтересовала немецкого ученого О.Гана, который в 1938 г. вместе со своим учеником Ф. Штрассманом неопровержимо показал — в продуктах нейтронного облучения урана содержится радиоактивный барий. А бывшая сотрудница Гана, Л.Мейтнер, интерпретировала явление, как процесс деления нейтронами уранового ядра на две сравнимые по размерам и массе части.

Бор и Уилер теоретически показали: тепловыми нейтронами делится именно уран-235, содержание которого в природном уране всего 0,7%.

Огромную важность открытия процесса деления многие физики поняли мгновенно. Стало ясно: на уране возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция (СЦЯР). Дело в том, что при «развале» уранового ядра на две примерно равные части в этих осколках содержится значительный избыток нейтронов. Вылетая затем из осколков, нейтроны уже второго поколения могут произвести последующее деление, то есть вызвать СЦЯР.

Великий прорыв. Ферми был практичным человеком. Он понимал, что на чистом уране цепная реакция пойдет с необыкновенной легкостью. Но этот путь ему казался очень долгим. Ведь в начале 40-х не было еще никаких предпосылок для отделения в больших количествах 235-го изотопа от 238-го. Не хотелось ему связываться и с лучшим замедлителем нейтронов — дорогой и трудно доступной тяжелой водой. Поэтому Ферми остановил свой выбор на сравнительно дешевых материалах: естественном уране и графите. И к октябрю 1942 г. американская промышленность снабдила ими физиков в достаточных количествах.

Штабель из графитовых брусков, нашпигованный урановыми блоками, собрали в самом центре Чикаго, под трибунами стадиона местного университета. А уже 2 декабря реактор был готов к работе. Из него постепенно извлекли поглотители, затем регулирующие стержни, и в 14 ч. 20 мин. пошла первая в мире СЦЯР. На этом пуске, длившемся 28 мин, достигли мощности 0,5 Вт. А вообще ее не поднимали выше 200 Вт, так как у реактора не было практически никакой защиты.

Вещество отдавало уже энергию в миллион раз большую, чем обычное топливо!

За осуществление самоподдерживающейся цепной ядерной реакции (СЦЯР) никто не получил Нобелевскую премию. У Ферми она уже была. А остальные ученые, внесшие немалый вклад в достижение великого результата, остались в тени великого итальянца.

Пожалуй, трудно назвать открытие, которое бы так повлияло на все области жизни людей. Ускорило развитие науки, создало качественно новые военную технику и энергетику: с одной стороны, поставило на карту существование самого человечества, с другой, — на многие годы избавило нас от страха перед энергетическим кризисом.

И, конечно, можно с уверенностью сказать, что скачок к энергетическому пределу, подобный тому, что был совершен благодаря овладению СЦЯР, наука уже никогда не сделает.

Читайте также:

ИСААК, ТЫ, ВОЗМОЖНО, НЕ СОВСЕМ ПРАВ.
РЕАКТИВНАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ.
Акула-Субмарина
Почему вращаются планеты?

Похожие записи:

  1. Кварковая звезда
  2. ТВОРЕЦ ВЕКА.
  3. ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ – ПРЕДЛОЖЕНИЕ РАЗГАДКИ.

Написать комментарий

RSS

rss Подпишитесь на RSS для получения обновлений.