Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

Вскоре после открытия первых мезонов, в 1940 г., японские физики Томонага и Араки высказали предположение о том, что отрицательные мезоны после остановки в веществе могут захватываться электрическим полем какого-либо ядра на близкую к нему орбиту и в течение некоторого времени могут вследствие этого вращаться вокруг ядра, образуя так называемый мезоатом. Мезоатом — это своеобразный атом, в котором вместо электронов или наряду с ними вокруг положительно заряженного ядра вращаются отрицательные мезоны.

Мезоатом водорода, например, мезоводород, состоящий из положительного ядра и вращающегося вокруг него одного отрицательного мезона, внешне подобен обычному водородному атому с одним электроном. Но в отличие от последнего мезоатом обладает рядом специфических особенностей. Первая и главная особенность — это близость мезона к ядру: радиус орбиты мезона в сотни раз меньше радиуса электронной орбиты. Отсюда вытекает вторая особенность — возможность захвата мезона ядром. Единственный электрон обычного водородного атома находится сравнительно далеко от ядра и никогда не захватывается им. Мезон же в мезоатоме может быть захвачен ядром раньше, чем он испытает самопроизвольный распад. В тяжелых мезоатомах, например, около половины своего времени жизни мезон проводит внутри ядра.

В силу указанных свойств мезоны значительно лучше экранируют своим отрицательным зарядом положительный заряд ядра, чем это делают электроны. В мезоводороде, например, отрицательный мезон может полностью нейтрализовать заряд его единственного протона.

Существование мезоатомов подтверждено на опыте. В 1952 г. установлено существование пи-мезоатомов, то есть атомов с вращающимися вокруг ядра пи-мезонами, а в 1953 г. открыты мю-мезоатомы.

Серьезная не только теоретическая, но и возможная практическая ценность изучения мезоатомов как раз и связана с идеей Я. Б. Зельдовича. Чтобы заставить ядра водорода, преодолевая силы электрического отталкивания, подойти близко друг к другу, необходимо, как мы знаем, разогнать их до огромных скоростей, повышая для этого температуру до многих миллионов градусов. При новом же методе Зельдовича синтез ядер гелия возможен и при обычной температуре, если вместо обычных атомов легкого и тяжелого водорода использовать мезоатомы этого элемента. Отрицательный мезон нейтрализует в мезоводороде заряд протона, вследствие чего ядра мезоводорода смогут сближаться до соприкосновения и слияния и при обычной температуре. Реальность такой реакции и была подтверждена на опыте Альварецом.

Выше рассказано о том, как происходят ядерные реакции, которые могут быть использованы для получения ядерной энергии. Таких реакций по существу две: цепная реакция деления тяжелых ядер и реакция соединения легких ядер (термоядерная реакция).

Цепная реакция деления в чистом уране 235, уране 233 или плутонии 239 происходит, как мы знаем, в виде взрыва, при котором вся энергия выделяется в течение нескольких микросекунд. Также в виде взрыва осуществляется пока и термоядерная реакция с изотопами водорода. Такие взрывы могут быть использованы в военном деле.

Оружие, действие которого основано на использовании ядерной (атомной) энергии, называют ядернымили атомныморужием. Различают два вида такого оружия: ядер-ное оружие взрывного действия и боевые радиоактивные вещества.

Применение ядерного оружия взрывного действия возможно в виде атомных и водородных (термоядерных) бомб, артиллерийских атомных и термоядерных снарядов, морских торпед, управляемых самолетов-снарядов, межконтинентальных баллистических ракет и т. д.

Боевыми радиоактивными веществами называют специально приготовленные для боевого использования радиоактивные вещества. Они могут применяться в виде жидкостей или порошков, которыми снаряжаются авиационные бомбы и ракеты. Поражающее действие боевых радиоактивных веществ основано на вредном влиянии радиоактивных излучений на живые организмы. Этими веществами можно заражать местность, различные предметы и воздух с целью поражения людей.

Ядерное оружие по своему поражающему действию значительно превосходит обычные виды оружия. Это объясняется не только тем, что сила ядерного взрыва превосходит обычный взрыв во много тысяч и миллионов раз, но также и тем, что ядерное оружие, в отличие от обычного оружия, обладает не одним, а несколькими поражающими факторами.

Впервые ядерное оружие появилось в 1945 г. в авиации в виде атомных бомб. Именно с помощью самолетов американцы сбросили на мирное население японских городов Хиросима и Нагасаки первые атомные бомбы. Дальнейшее развитие ядерного оружия привело к появлению его в наземных войсках и на флоте. Ядерное оружие оказывает огромное влияние на развитие всех родов войск и в особенности авиации, которая является одним из основных носителей этого оружия.

В основе всех видов ядерного оружия взрывного действия лежат физические принципы, использованные впервые при создании атомных и водородных бомб. Поэтому ознакомление с этими бомбами позволит понять действие и других видов этого оружия.

Рассмотрим общие принципы устройства атомной бомбы. В кусках ядерного горючего с массой меньше критической цепная реакция, как мы знаем, невозможна. Но если взять несколько таких докритических кусков и быстро соединить их в один кусок, чтобы получилась масса, превышающая критическую, то в то же мгновение под действием одного из блуждающих нейтронов начнется цепная реакция деления, и произойдет взрыв.

Отсюда нетрудно понять устройство атомной бомбы, принципиальная схема которой приведена на рис. 36. Уран 235 или какое-либо другое ядерное взрывчатое вещество (ядерное ВВ), ядра которого способны делиться под воздействием нейтронов, находится в бомбе в виде нескольких докритических кусков. Масса каждого такого куска меньше критической. В схеме, указанной в левой части рис. 36, заряд ядерного ВВ состоит из двух частей, имеющих форму полушарий.

В схеме, приведенной справа, ядерный заряд состоит из трех частей: центральной неподвижной части в виде шара с широким цилиндрическим каналом, внутрь которого могут входить две другие подвижные части, размещенные внизу и вверху. Форма частей такова, что после их соединения получится компактный ядерный заряд в виде шара. Деление заряда на три части дает возможность увеличить общую величину заряда и, следовательно, повысить мощность взрыва.