Приключения Мистера Томпкинса
Шрифт:
Не думайте, пожалуйста, будто я шучу: проницаемость потенциальных барьеров для частиц с недостаточной энергией является прямым математическим следствием из фундаментальных уравнений новой квантовой механики и служит весьма убедительной иллюстрацией одного из наиболее существенных различий между старыми и новыми представлениями о движении. Но хотя новая механика допускает столь необычные эффекты, она делает это только при весьма сильных ограничениях: в большинстве случаев вероятность пересечения барьера чрезвычайно мала, и попавшей в темницу ядра частице придется невероятно большое число раз бросаться на стены, прежде чем ее попытки выбраться на свободу увенчаются успехом. Квантовая теория дает нам точные правила для вычисления вероятности такого побега. Было показано, что наблюдаемые периоды альфа-распада находятся в полном соответствии с предсказаниями теории. В случае альфа-частиц, бомбардирующих атомное ядро извне, результаты квантово-механических расчетов находятся в великолепном соответствии с экспериментом.
Прежде чем я продолжу свою лекцию, мне хотелось бы показать вам
На этом слайде (см. рис. на с. 174) вы видите два различных распада, сфотографированных в пузырьковой камере, о которой я говорил в своей предыдущей лекции. На снимке (А) вы видите столкновение ядра азота с быстрой альфа-частицей. Это первый из когда-либо сделанных снимков искусственной трансмутации (превращения) элементов. Этим снимком мы обязаны ученику лорда Резерфорда Патрику Блэккету. Отчетливо видно большое число треков альфа-частиц, испускаемых мощным источником альфа-частиц. Большинство альфа-частиц пролетают все поле зрения, не претерпевая ни одного серьезного столкновения. Трек альфа-частиц останавливается вот здесь, и вы видите, как из точки столкновения выходят два других трека. Длинный тонкий трек принадлежит протону, выбитому из ядра азота, в то время как короткий толстый трек соответствует отдаче самого ядра. Но это более уже не ядро азота, поскольку, потеряв протон и поглотив налетевшую альфа-частицу, ядро азота превратилось в ядро кислорода. Таким образом, мы становимся свидетелями алхимического превращения азота в кислород с водородом в качестве побочного продукта.
На снимках (Б), (В) вы видите распад ядра при столкновении с искусственно ускоренным протоном. Пучок быстрых протонов создается специальной машиной, работающей под высоким напряжением и известной публике под названием «атомная дробилка», и поступает в камеру через длинную трубку, конец которой виден на снимках. Мишень, в данном случае тонкий слой бора, помещается у открытого конца трубки с таким расчетом, чтобы осколки ядра, возникшие при столкновении, должны были пролетать сквозь воздух в камере, образуя туманные треки. Как вы видите на снимке (В), ядро бора при столкновении с протоном, распадается на три части, и, с учетом сохранения электрического заряда, мы приходим к заключению, что каждый из осколков деления представляет собой альфа-частицу, т. е. ядро гелия. Эти два ядерных превращения представляют весьма типичные примеры нескольких сотен других ядерных превращений, исследованных современной экспериментальной физикой. Во всех превращениях такого рода, известных под названием ядерные реакции замещения, налетающая частица (протон, нейтрон или альфа-частица) проникает в ядро, выбивает какую-то другую частицу и остается на ее месте. Существует замещение протона альфа-частицей, альфа-частицы протоном, протона нейтроном и т.д. Во всех таких превращениях новый элемент, образовавшийся в результате реакции, является близким соседом бомбардируемого элемента в Периодической системе.
Но лишь сравнительно недавно, перед второй мировой войной, два немецких химика О. Ган и Ф. Штрассман открыли совершенно новый тип ядерного превращения, в котором тяжелое ядро распадается на две равные половины с высвобождением огромного количества энергии. На следующем слайде (следующий слайд, пожалуйста!) вы видите (см. с. 175) на снимке (Б) два осколка ядра урана, разлетающихся в разные стороны от тонкой урановой проволочки. Это явление, получившее название расщепление ядра, впервые наблюдалось при бомбардировке урана пучком нейтронов, но вскоре физики обнаружили, что и другие элементы, расположенные в конце Периодической системы, обладают аналогичными свойствами. Эти тяжелые ядра уже находятся у порога своей стабильности и малейшее возмущение, вызываемое столкновением с нейтроном, достаточно, чтобы они распались на два осколка, как распадается на части чрезмерно крупная капля ртути. Нестабильность тяжелых ядер проливает свет на вопрос о том, почему в природе существует только 92 элемента. Любое ядро тяжелее урана не может существовать сколько-нибудь продолжительное время и немедленно распадается на более мелкие осколки. Явление расщепления ядра представляет немалый интерес и с практической точки зрения, так как открывает определенные возможности для использования ядерной энергии. Дело в том, что при распаде ядра на две половинки из ядра вылетает несколько нейтронов, которые могут вызвать расщепление соседних ядер. Дальнейшее распространение такого процесса может привести к взрывной реакции, при которой вся энергия, запасенная в ядрах, высвобождается за малую долю секунды. Если вспомнить, что ядерная энергия, хранящаяся в одном фунте урана, эквивалентна энергетическому содержанию десяти тонн угля, то станет ясно, что возможность высвобождения ядерной энергии могла бы вызвать глубокие перемены в нашей экономике.
Однако все эти ядерные реакции могут быть осуществлены лишь в очень малом масштабе, и, хотя они позволяют нам получить богатейшую информацию о внутреннем строении ядра, вплоть до сравнительно недавнего времени не было ни малейшей надежды на то, что удастся
Едва профессор успел произнести эти слова, как дверь отворилась и в аудиторию вошел человек весьма внушительного вида с горящими глазами и нависшими кустистыми бровями. Обменявшись с профессором рукопожатиями, человек обратился к аудитории:
— Hoolgyeim es Uraim, — начал он. — Roviden kell beszelnem, mert nagyon sok a dolglom. Ma reggel tubb megbeszelesem volt a Pentagonban es a Feher Hazban. Delutan… О, прошу прощения! — воскликнул незнакомец. — Иногда я путаю языки. Позвольте мне начать еще раз.
Леди и джентльмены! Я буду краток, поскольку очень занят. Сегодня утром я присутствовал на нескольких совещаниях в Пентагоне и в Белом доме, а днем мне необходимо быть в Френч Флэте, штат Невада, где предстоит провести подземный взрыв. Вечером я должен произнести речь на банкете, который состоится на базе ВВС США Ванденберг в Калифорнии.
Теперь о главном. Дело в том, что в атомных ядрах поддерживается равновесие между силами двоякого рода — ядерными силами притяжения, которые стремятся удержать ядро в целости, и электрическими силами отталкивания между протонами. В тяжелых ядрах, таких как ядра урана или плутония, силы отталкивания преобладают, и ядра при малейшем возмущении готовы распасться на два осколка — продукты деления. Таким возмущением может быть один-единственный нейтрон, сталкивающийся с ядром.
Обернувшись к доске, гость продолжал:
— Вот делящееся ядро, а вот сталкивающийся с ним нейтрон. Два осколка деления разлетаются в стороны, и каждый из них уносит около одного миллиона электрон-вольт энергии. Кроме того, распадаясь, ядро выстрелило несколькими новыми нейтронами деления (обычно их бывает два в случае легкого изотопа урана и три в случае плутония). Реакция — бац, бац! — продолжается, как я изобразил здесь на доске. Если кусок делящегося материала мал, то большая часть нейтронов деления вырывается из его поверхности прежде, чем они имеют шанс столкнуться с другим делящимся ядром, и цепная реакция так и не начинается. Но если кусок делящегося материала имеет достаточно большие размеры (мы называем такой кусок критической массой), дюйма три-четыре в диаметре, то большинство нейтронов оказываются захваченными, и вся эта штука взрывается. Такое устройство мы называем бомбой деления (в печати ее довольно часто неправильно называют атомной бомбой).
Гораздо лучших результатов можно достичь, если обратиться к другому концу Периодической системы элементов, где ядерные силы превосходят электрическое отталкивание. Когда два легких ядра приходят в соприкосновение, они сливаются, как две капельки ртути на блюдечке. Такое слияние может произойти только при очень высокой температуре, так как электрическое отталкивание — мешает легким ядрам сблизиться и прийти в соприкосновение. Но когда температура достигает десятков миллионов градусов, электрическое отталкивание уже не в силах помешать сближению атомов и процесс слияния, или термоядерного синтеза, начинается. Наиболее подходящими ядрами для термоядерного синтеза являются дейтроны, т. е. ядра атомов тяжелого водорода. Справа на доске я изобразил простую схему термоядерной реакции в дейтерии. Когда мы впервые придумали водородную бомбу, нам казалось, что она станет благословением для всего мира, так как при ее взрыве не образуются радиоактивные продукты деления, которые потом разносятся по всей земной атмосфере. Но нам не удалось создать «чистую» водородную бомбу, потому что дейтерий, лучшее ядерное топливо, которое легко извлекается из морской воды, недостаточно хорошо горит сам по себе. Нам пришлось окружить дейтериевую сердцевину урановой оболочкой. Такие оболочки порождают множество осколков деления, и люди прозвали нашу конструкцию «грязной» водородной бомбой. Аналогичные трудности возникли и при проектировании управляемой термоядерной реакции с дейтерием и, несмотря на все усилия, нам так и не удалось осуществить ее. Но я уверен, что рано или поздно проблема управляемого термоядерного синтеза будет решена.
— Доктор Таллеркин, — спросил кто-то из аудитории, — могут ли осколки деления ядер при испытаниях грязной водородной бомбы вызвать опасные для здоровья человека мутации у населения всего земного шара?
— Не все мутации вредны, — улыбнулся доктор Таллеркин. — Некоторые мутации способствуют улучшению наследственности. Если бы в живых организмах не происходили мутации, то и вы, и я все еще были бы амебами. Разве вы не знаете, что эволюция жизни на Земле происходит исключительно благодаря мутациям и выживанию наиболее приспособленных мутантов?