Читать онлайн «Волновая физика»

ВОЛНОВАЯ ФИЗИКА Курс лекций для ФМШ Часть 2. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА 7. ЯДЕРНАЯ ТЕХНИКА. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ А. П. Ершов 4 мая 2005 г. Глава 7 ЯДЕРНАЯ ТЕХНИКА Считается, что энергия деления вначале использовалась в бомбах и только позднее были созданы атомные энергетические станции. Это очень неточно. Первые реакто- ры предшествовали бомбам, только в них не вырабатывалось электричество. А самый первый реактор на Земле возник вообще без участия человека. История освоения де- ления ядер настолько увлекательна, что было бы глубоко неправильно излагать суть проблемы в каком-то другом порядке. 7. 1 Атомное оружие Замедление нейтронов. В опытах группы Ферми был открыт поразительный эф- фект. Оказалось, что активность, наведенная источником нейтронов в образце, зависит еще и от окружающих предметов. Влияли такие вещи, как расположение деревянного стола, материал подставки, и т. д. А когда источник поместили в парафиновый блок, активность серебряного датчика повысилась в сотню раз! В этот момент Ферми произ- нес известное изречение «Пошли обедать». К концу обеда он уже мог объяснить явле- ние. Парафин (состав CH2 ) эффективно замедлял нейтроны, так как массы протона и нейтрона близки. (Бильярдный шар, ударяя в лоб другой шар, останавливается, а от бортика, то есть от тяжелого стола, отскакивает почти без потери энергии). Не каж- дый удар лобовой, и в среднем каждый раз теряется половина энергии. Идею тут же проверили, заменив парафин водой. В фонтане (с золотыми рыбками) тоже получился резкий рост активности. Почему же замедленные нейтроны действуют лучше? Оказалось, что сечение взаи- модействия медленного нейтрона с ядром, которое его способно захватить, растет в сот- ни раз (пропорционально 1/v, где v – скорость нейтрона). Это квантовый эффект, и гру- бое его объяснение в том, что взаимодействие зависит не только от размера ядра, но и от √ длины волны нейтрона. При энергии E = 1 МэВ импульс нейтрона p = 2mE ≈ 2·10−15 СГС, а длина волны
/p ≈ 5 · 10−13 см, то есть меньше размеров ядра. Такой нейтрон 102 Глава 7. ЯДЕРНАЯ ТЕХНИКА «видит» ядро, как и положено, шариком размера ∼ 10−12 см. Но если нейтрон охла- дится даже до 1000 градусов (это 0,1 эВ), длина волны возрастет на три с половиной порядка, до ∼ 10−9 см. Это уже в тысячу раз больше, чем размер ядра. Примерно в той же степени возрастает сечение. Представьте себе, что вы проходите мимо столба в 10 метрах от него. Каково же будет ваше удивление, когда вы стукнетесь лбом! Это просто очередное «квантовое чудо». Нейтрон размазан в пространстве и потому может поглотиться «издали». Раз медленный нейтрон так активно ловится ядром, его пробег в поглощающем ве- ществе (например, серебряном индикаторе) будет уже не единицы см, а доли мм. Тонкая пластинка серебра, через которую быстрые нейтроны в основном пролетали насквозь, поглощает практически все медленные нейтроны.