В делении сила. Ферми. Ядерная энергия. - Antonio Hernandez-Fernandez

РИС . 2

Благодаря структура графит особенно хорошо выполняет функцию замедлителя нейтронов. Вода не является хорошим замедлителем, так как ее протоны имеют тенденцию соединяться с нейтронами, что уменьшает эффективность реакции.

Вскоре Ферми вместе с Хербертом Андерсоном и Лео Силардом опубликовал в The Physical Review статью Neutron Production and Absorption of Uranium («Образование и поглощение нейтронов в уране»), в которой говорилось, что при делении ядер урана с помощью медленных нейтронов, испускаемых нейтронов было больше, чем поглощенных, а также что тепловые нейтроны не могли правильно замедляться водой. По подсчетам ученых, в среднем при каждом делении получалось 1,2 вторичных нейтрона, и это количество могло увеличиться до 1,5. Это был первый и последний проект Ферми в сотрудничестве с Лео Силардом. Ученые слишком по-разному подходили к работе, и это вызывало разногласия. К тому же некоторая неорганизованность Силарда нервировала Ферми, который во всем любил порядок и систематичность.

Так образовались две исследовательские группы, одну из которых возглавил Ферми, а другую — Силард. Сначала они соперничали за первенство публикаций о вторичных нейтронах, получаемых в ходе деления урана: в марте 1939 года каждая группа подготовила статью для The Physical Rexnew. Силард написал ее совместно с Зинном, а Ферми — с Андерсоном. Так или иначе, профессиональные отношения между Силардом и Ферми сохранились на долгие годы и оставили след в виде обширной переписки. Со временем Ферми понял, что Силард — хороший организатор, умеющий вести переговоры с поставщиками и политиками. Именно он убедил Ферми в том, что возможность создать оружие массового поражения, использующего энергию деления ядра, более чем реальна.

Утром 16 марта Джордж Пеграм организовал встречу с Силардом и Ферми, на которой присутствовал также Юджин Вигнер, физик из Принстона. Вигнер был другом Эйнштейна и, как и Силард, венгерским беженцем. Ученые говорили о необходимости держать свои исследования в секрете или, по крайней мере, как можно меньше рассказывать о них в печати. Силард выступал за полное неразглашение, в то время как Ферми взывал к традиции и научной этике. Далекий от мыслей о военном использовании открытия, он был слишком наивен, а может быть, просто сомневался в потенциальной возможности такого использования ядерной энергии. В итоге ученые решили, что они должны связаться с правительством США и военным командованием: и для того, чтобы сохранить исследования в секрете, и для того, чтобы получить финансирование. Ферми проинформировал североамериканские власти 18 марта 1939 года о возможности применения атомной энергии в военных целях.

КАПЕЛЬНАЯ МОДЕЛЬ

Эта модель была предложена Бором и Уилером в 1939 году. Ход деления ядра можно изменять при помощи параметра s, который обозначает расстояние между новыми атомными ядрами и начальным ядром, как в случае с каплей, делящейся на две (рисунок 1). Если V(s) — потенциальная энергия системы, зависящая от s, то вначале значение s невелико; бомбардируемое ядро вибрирует, и его поверхностное натяжение побеждается электрическим отталкиванием. V(s) увеличивается из-за поверхностного натяжения так же, как при делении капли воды. Превысив определенный порог, натяжение перестает быть релевантным, и начинает действовать электростатическое отталкивание между двумя новыми ядрами с положительным зарядом, осколками деления (рисунок 2). Этот процесс, вероятнее всего, происходит спонтанно или же очень медленно. При делении, наведенном бомбардировкой термическими нейтронами, если у них достаточно энергии, барьер деления V(s), равный примерно 6 МэВ для больших ядер, сохраняется, и начинается цепная реакция. Если она происходит на ядерной станции, реакцию можно контролировать, а если в бомбе, то нет. Ядерная энергия деления происходит от разницы масс продуктов деления и реагентов по знаменитой формуле Эйнштейна Е = mc2.

РИС. 1

РИС . 2

Однако власти не проявили большой заинтересованности: отчасти из-за того, что Ферми довольно осторожно описывал возможности использования деления, а отчасти потому, что на этой беседе не присутствовало высокое командование. Создание атомной бомбы казалось несбыточной мечтой. Ферми вернулся в Колумбийский университет всего с 1500 долларами, которые пожертвовал молодой офицер, имевший физическое образование. По любопытному совпадению, в тот же день группа Жолио на страницах журнала Nature рассказывала о большинстве результатов, к которым независимо от нее пришли Ферми и Силард. Жолио и его сотрудники обнародовали открытия, в то время как работа Ферми и Силарда попала под гриф «совершенно секретно», и их исследования уже не могли печататься в научных журналах.

Эйнштейн после разговора с Вигнером и Силардом 2 августа 1939 года написал президенту Рузвельту письмо, в котором рассказывал о прогрессе в изучении цепных ядерных реакций, о возможностях создания бомбы нового типа и просил сформировать комиссию из физиков, которые работали над делением ядра, и из представителей правительства, поскольку в Германии также могли вести работу в этом направлении. И действительно, в Европе Халбан, Жолио и Коварский добились похожих результатов в области деления урана и цепных реакций. Рузвельт создал комиссию, о которой просил Эйнштейн, в октябре 1939 года и пригласил Ферми участвовать в ее работе. Тем временем 1 сентября 1939 года началась Вторая мировая война, и правительство Америки все больше волновал вопрос о том, обладает ли Гитлер атомной бомбой. Ферми получил от Вооруженных сил США дополнительные средства на секретные исследования цепных реакций. Уже летом, одновременно с Силардом, он определил, что вода — плохой замедлитель, так как водород поглощает слишком много термических нейтронов, и начал опыты с графитом. Гонка за атомной бомбой началась.

ПРОБЛЕМА УРАНА

В то время существовало два основных мнения по поводу цепных реакций деления урана. Бор доказал, что делятся атомы урана-235 (он составляет 1 % от всего природного урана), а не более распространенного урана-238, который имеет тенденцию поглощать большое количество нейтронов и образовывать уран-239. Поэтому Бор утверждал, что в случае возникновения цепной реакции надо разделять большое количество изотопов урана-235, или, как мы сказали бы сегодня, обогатить уран. Ферми же, напротив, думал, что с хорошим замедлителем и термическими нейтронами можно вызвать цепную реакцию с природным ураном и даже чуть меньше 0,7 % урана-235.

Даннинг, научный руководитель Андерсона, разделял мнение Бора. Он поручил Альфреду Ниру, специалисту по делению изотопов, работу над проблемой обогащения урана. Именно Нир первым определил соотношение изотопов урана- 235 к урану-238 (он нашел хорошее приблизительное значение 1 /139). Ферми видел, что можно пойти по любому из этих двух путей, но предполагал, что обогащение урана вызовет больше трудностей, чем продолжение уже начатой работы. Однако ему пришлось оставить свои исследования, особенно после статьи в The New York Times, опубликованной по итогам конференции Американского физического общества, в которой сравнивались научные подходы в области изучения цепных реакций.

В 1934 году Юкава заявил о существовании мезотрона, частицы — переносчика значительной ядерной силы, держащей ядра вместе. Он назвал эту частицу, отталкиваясь от греческого слова mesos («средний»), поскольку ее масса была средней между массой протона и электрона. Впоследствии Гейзенберг, как сын преподавателя греческого языка, исправил этот вариант, и сегодня семья бозонов, существование которой было предсказано Юкавой, известна как мезоны. Под влиянием открытия Юкавы Карл Дэвид Андерсон и Сет Неддермейер назвали новую частицу, выявленную в космической радиации, мезотроном (впоследствии она оказалась новым лептоном — мюоном). Мюон ведет себя как фермион, а его масса примерно в 200 раз превышает массу электрона и очень близка к мезотрону Юкавы. Свойства этой частицы поразили научное сообщество.

РАСЧЕТ МАССЫ ПОКОЯ ПИОНА

Массу покоя пи-мезона, или пиона, можно приблизительно рассчитать способом, аналогичным предсказанному Юкавой (это хороший пример подсчета, который в то время выполнил Ферми). Отталкиваясь от принципа неопределенности энергии-времени и от уравнения Эйнштейна, мы получим:

Затем применим теорию относительности, поскольку пион не может иметь скорость, превышающую скорость света, а значит, чтобы переместиться на расстояние г, максимальным значением будет:

Следовательно,

что не противоречит нуклоновой силе. Если мы обозначим через г приблизительный радиус вовлеченных частиц, протонов и нейтронов ядра, то r ≈ 2·10-15 м. Заменив постоянную Планка и скорость света, мы получим приближение, при котором mx ≈ 200 me ≈ 100 МэВ/с2; масса пиона примерно в 200 раз больше массы электрона (me ≈ 0,5 МэВ/с2). Сегодня считается, что масса пиона π° равна примерно 135 МэВ/с2, а масса мюона (лептона, с которым его путали вначале) — примерно 105,7 МэВ/с2. Ошибка была вполне закономерной, учитывая погрешность измерений того времени. Добавим, что названия «пион» и «мюон» были предложены Ферми. Придумав название для нейтрино, ученый находил удовольствие в том, чтобы упорядочивать терминологию физики частиц.