Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

Еще более мощными являются американские ускорители, также основанные на идеях Векслера и Мак-Милана. Это, во-первых, так называемый космотронв Брукхейвене, рассчитанный на получение протонов с энергией в 3 млрд. эв , и, во-вторых, беватронКалифорнийского университета в Беркли, с помощью которого удается разгонять протоны до энергии в 6,3 млрд. эв .

Самый мощный в мире ускоритель заряженных частиц, общий вид которого приведен на рис. 22, построен в 1956 г. в СССР под руководством В. И. Векслера. Это — синхрофазотрон; вместе с другим уникальным оборудованием он также передан Объединенному институту ядерных исследований. Синхрофазотрон позволяет получать интенсивные потоки протонов, обладающих энергией в 10 млрд. эв .

Вот некоторые цифры, характеризующие масштабы и точность этой гигантской установки. Вес ее кольцевого электромагнита вместе с обмоткой составляет 36 тыс. т , средний диаметр стального кольца достигает почти 60 м . Обмотка представляет собой изолированную медную шину, охлаждаемую дистиллированной водой и весящую около 600 т . Для питания электромагнита построена большая подстанция, на которой установлены специальные электрические генераторы мощностью в 140 тыс. ква (киловольт-ампер; рис. 23).

Вакуумная камера, внутри которой движутся ускоряемые частицы, имеет объем, равный. 160 м 3; благодаря непрерывной работе 56 мощных насосов давление воздуха в камере падает до миллиардной доли атмосферы.

Магнитное поле, непрерывно воздействующее на частицы, выверено с точностью до десятых долей процента. Чтобы обеспечить необходимую однородность поля (малейшее его искажение могло бы вывести установку из строя), было сделано более 150 тыс. измерений.

Объем основных производственных зданий синхрофазотрона составляет 335 тыс. м 3. Помимо основного оборудования, в этих зданиях смонтирована многочисленная уникальная радиотехническая и электронная аппаратура, включающая 6 тыс. различных реле и автоматов, 2 тыс. контрольноизмерительных приборов и свыше 2 тыс. различных аппаратов управления. Для соединения всей этой аппаратуры проложены кабели протяжением около 1 тыс. км .

В апреле 1957 г. гигантский синхрофазотрон начал работать; в ночь на 17 апреля его мощность была доведена до расчетной. За 3,3 секунды протоны делают внутри вакуумной камеры 4,5 млн. оборотов и пробегают при этом путь в 1 млн. км , приобретая скорость, почти равную скорости света. Их энергия, как и предполагалось, достигает 10 млрд. эв . Это самая высокая энергия частиц, какую когда-либо удавалось искусственно создавать. Тем самым физики многих стран, работающие в Объединенном институте, получили в свое распоряжение необычайно скоростные «снаряды» для обстрела атомных ядер.

Постройка и пуск гигантского синхрофазотрона, не имеющего себе равного в мире, представляет выдающееся достижение современной науки и техники. Создание его оказалось возможным благодаря упорному и творческому труду большого коллектива ученых, инженеров и рабочих различных специальностей и высокому уровню развития советской науки и промышленности.

Ускорители заряженных частиц являются незаменимыми орудиями исследования атомного ядра и тех простейших, так называемых элементарных частиц, с которыми имеет дело ядерная физика.

«Обстреливая» протоны быстрыми частицами с энергиями в сотни миллионов электрон-вольт, советским физикам удалось, например, выяснить размеры протона. Оказалось, что радиус протона равен примерно 5∙10 -14см. Установлено также, что протон, по всей видимости, состоит из какого-то остова, окруженного «облаком» мезонов— частиц, масса которых имеет промежуточную величину между массами электрона и нуклона. Используя протоны с энергиями в несколько миллиардов электрон-вольт, американские физики, работающие на беватроне, открыли в 1955 г. антипротон — частицу с такой же массой, что и протон, но имеющую отрицательный электрический заряд. Наконец, в 1956 г. был открыт антинейтрон — нейтральная частица вещества с массой нейтрона, но по своим магнитным свойствам противоположная ему. Число открытых физиками частиц все время увеличивается.

Обилие элементарных частиц, многообразие их свойств, необычайная сложность процессов, происходящих с их участием в ядрах атомов, являются блестящим подтверждением учения диалектического материализма о неисчерпаемости материи, о сложнейшей структуре атома и составляющих его частиц и неограниченных возможностях человеческого познания. Можно надеяться, что опыты на новом гигантском ускорителе, пущенном в СССР, сделают крупный вклад в развитие ядерной физики и позволят наблюдать рождение совсем новых элементарных частиц, пока еще не известных науке.

В качестве «снарядов» для обстрела атомных ядер могут быть использованы также и нейтроны. Ввиду отсутствия у них электрического заряда нейтроны не отталкиваются ядрами атомов. Поэтому все нейтроны попадают в цель (в ядра атомов обстреливаемой мишени) без промаха, если только взять мишень достаточной толщины. К сожалению, у нас нет иных источников нейтронов, кроме самих атомных ядер, из которых их приходится выбивать, прибегая к обстрелу другими заряженными частицами.

Для обстрела атомов с научной целью широко используются космические лучи. Так физики называют потоки атомных ядер, непрерывно падающих к нам на Землю из мирового пространства с огромной скоростью, близкой к скорости света.

Большинство космических частиц обладает колоссальной энергией, измеряемой миллиардами и десятками миллиардов электрон-вольт. Насколько велика энергия таких частиц, показывает следующий пример. Если листочек свинца толщиной всего в 0,001 см полностью поглощает альфа-частицы, то для космических частиц не является препятствием и слой свинца толщиной в 1 м. В космических лучах имеются и такие сверхбыстрые частицы, энергия которых еще в миллиарды раз больше. Чтобы получить наглядное представление о том, насколько велика их энергия можно привести такой пример. Если сверхбыстрая космическая частица имела бы массу в один грамм, то при падении ее в Черное море вся вода в нем закипела бы. Но так как космические частицы ничтожно малы и общее число их невелико, то попадание их на Землю не вызывает заметного нагревания.