Генри Смит - Атомная энергия для военных целей

Так как протон и нейтрон являются основными частицами, из которых состоят ядра, казалось бы естественным массу одной из них принять за единицу массы. Выбор, вероятно, пал бы на протон, ядро атома водорода. Существуют веские причины, исторические и другие, почему не был выбран ни протон, ни нейтрон. Вместо этого, за единицу массы в атомной и ядерной физике была принята одна шестнадцатая массы преобладающего изотопа кислорода, O 16, которая равна 1,6603·10 -24г. Масса протона, выраженная через эту единицу, равна 1,00758, а масса нейтрона 1,00893. (Химики обычно применяют слегка отличающуюся от этой единицу массы).

Единицей электрического заряда в науке о ядре принято считать положительный заряд протона. Этот заряд по величине равен заряду электрона, но противоположен ему по знаку, и часто называется зарядом электрона. Заряд электрона равен 1,60·10 -19кулонов. Вспомним, что ток силою в один ампер, протекая в течение одной секунды, переносит заряд в один кулон; значит, заряд электрона равен 1,60·10 -19ампер-секунд.

За единицу энергии в ядерной физике принят электрон-вольт (eV), который определяется как кинетическая энергия, которую частица с зарядом электрона приобретает при свободном движении в поле с падением потенциала в один вольт. Часто удобнее применять в миллион раз большую единицу мегаэлектрон-вольт (MeV).

Соотношения между электрон-вольтом и другими общепринятыми единицами энергии даны в следующей таблице:

Как отмечалось в главе VI, управление котлом значительно облегчается благодаря тому, что часть нейтронов, освобождаемых при делении урана, испускается только по прошествии более одной секунды с момента деления. Важно было изучить это явление экспериментально. Такие эксперименты были описаны Снеллом, Недзелем и Ибсером в докладе от 15 мая 1942 г., из которого мы приводим следующую выдержку:

«Данный эксперимент состоит из двух взаимно связанных частей одной, относящейся к кривой распада, и другой к интенсивности запаздывающих нейтронов, выраженной через интенсивность „мгновенных“ нейтронов деления.

Источником нейтронов служила бериллиевая мишень циклотрона Чикагского университета, обстреливаемая пучком дейтронов в 20 µА с энергией в 8 MeV. Вблизи мишени помещался тонкостенный железный сосуд, содержавший 160 фунтов U 3O 8. Этот сосуд окружался слоем парафина толщиною в 2». По оси сосуда помещался пропорциональный счетчик с ВF 3, окруженный тонким слоем парафина. Счетчик соединялся через усилитель со счетным устройством («деление 64»), снабженным интерполирующими лампами и регистратором импульсов Сенко (Central Scientific Co.); отметчик времени в одну десятую секунды, приводимый в движение синхронным мотором, и секундомер со шкалой, разделенной на сотые секунды, монтировались на панели счетного устройства около интерполирующих ламп и регистратора импульсов. Эта группа шкал и ламп фотографировалась ручной камерой «Септ» на ленте, скорость движения которой могла изменяться. Запись на кинопленке времен и показаний счетчика давала возможность построить кривые распада.

Эксперимент производился следующим образом: во время бомбардировки пускался в ход секундомер (отметчик времени работал непрерывно), счетчик и усилитель были включены, но выходящие из усилителя импульсы тока шунтировались. Шкала была установлена на нуль. После предупредительного сигнала один из работников выключал циклотрон, а другой переключал выходной ток усилителя на измерительный контур и начинал фотографировать.

Легко было снять первую фотографию за полсекунды до выключения циклотрона. Обычно производилось от шестидесяти до ста фотоснимков. Необходимость одновременного применения секундомера и отметчика времени была вызвана тем, что точность секундомера в 1/10 секунды была необходима для малых промежутков времени между фотоснимками в течение начальной части цикла, но секундомер останавливался раньше, чем заканчивались отсчеты. Для следующих промежутков времени достаточную точность обеспечивал отметчик времени.

Было произведено около сорока серий опытов при меняющихся условиях эксперимента. Для лучшего разрешения коротких периодов давались активации в одну или две секунды. Производилась продолжительная, интенсивная бомбардировка длительностью 15–20 минут, насколько возможно близко к мишени, чтобы выявить с максимальной интенсивностью длительные периоды активности. Несколько 5-минутных бомбардировок, во время которых циклотрон давал по возможности устойчивый пучок, производилось для изучения относительных интенсивностей насыщения различных активностей; во время этих активации пучок циклотрона ослаблялся до 1 или 2 µА, чтобы воспрепятствовать чрезмерному возрастанию начальной скорости отсчетов (число отсчетов 300 в секунду было принято-в качестве верхней границы, допустимой для счетчика). В наличии имелось два счетчика с ВF 3один из них имел поперечное сечение для тепловых нейтронов в 2, 66 см 2а другой 0, 43 см 2. После сильной активации, можно было еще в течение 13 мин. наблюдать запаздывающие нейтроны. Были произведены определения фона (повидимому, обусловленного нейтронами самопроизвольного деления урана). Показания фона доходили примерно до 0, 4 отсчета в секунду для большого счетчика и вычитались из измеряемого эффекта.

Изучение всех кривых распада дало следующую общую картину:

Активности с периодом более 57 сек. не удалось наблюдать даже после самой интенсивной бомбардировки, которую мы смогли осуществить в течение 20 минут.

Эти результаты приводят к следующему уравнению кривой распада для запаздывающих нейтронов после активации до насыщения:

Активность = константа(1,2e -0,28t+ 1,2e -0,099t+ 1,0e -0,029t+ 0,135e -0,012t)

где t выражено в секундах».

Вторая часть экспериментов относилась к измерению общего числа нейтронов, испускаемых в промежуток времени от 0,01 сек. до 2,0 минут после выключения циклотрона. Предполагая, что все наблюдавшиеся запаздывающие нейтроны входят в указанные выше четыре группы, необходимо считать, что 1,0±0,2 процента нейтронов, выбрасываемых при делении урана, запаздывают по крайней мере на 0,01 сек. и что примерно для 0,07 процента запаздывание достигает одной минуты. Если запроектировать эффективное значение k коэффициента размножения для типового котла при отсутствии регулирующих стержней всего лишь в 1,01, и если предел полного изменения k под влиянием одного регулирующего стержня определить в 0,002, то число запаздывающих нейтронов достаточно для обеспечения легкого управления.