1612725063-eb24d9660fd97b365f78091f0a818088 (828996), страница 57
Текст из файла (страница 57)
нестабильны. Если к тому же ядро поглотит нейтрон, то время жизни сократится настолько, что произойдет распад на отдельные части, разлетающиеся с выделением избытка энергии порядка 200 Мээ (ср. с энергией, выделяющейся при обычных ядерных реакциях, достигающей лишь 27 Мзв). Вслед за тем Бор и Уллер (1939 г.) выступили с определенными предсказаниями относительно эффективных сечений такой реакции дл» нейтронов с различными скоростями. Одно из этих предсказаний открывает неоценимые возможности не только для физрка но н для будущего всего человечества.
Гл. УП. ЯдеРмая 4иэика Процесс деления сопровождается на самом деле испусканием нейтронов (либо одновременным, либо запаздывающнм за счет распада продуктов реакции). Эти нейтроны могут быть затем поглощены соседними ядрами н вызвать в свою очередь новое деление, при котором снова высвобождаются нейтроны н т. д.; таким образом, возникает лавинообразный процесс. Если бы удалось осуществить такую цепную реакцию, то чрезвычайно концентрированную ядерную энергию межно было бы использовать в практике — как горючее для двигателей илн взрывчатку для сверхбомб. Основные выводы, которые привели к воплощению этих идей в так называемой «атомной бомбе», базируются на следующем рассуждении. При облучении быстрыми нейтронами обычный торий эоТп, уран м11, а также протоактиний ыРа ведут себя одинаковым образом.
Но в случае медленных нейтронов эффективное сечение (т. е. вероятность деления) для урана оказывается гораздо большим, чем для торня. Обычный 1)'м не может служить причиной такого отличия; поэтому Вор предполо.жил, что это происходит из-за присутствия в уране небольшой примеси (0,7%) изотопа м1Р". Это предположение было полностью подтверждено в 1941 г. Нирсом, Хейденбургом и Лоуренсом. Однако получение редкого изотопа в количествах, достаточных для эксперимента, и в количествах, достаточных для промышленного производства взрывчатого вещества, — разные вещи. Действительно, зсе известные процессы, позволяющие разделять химически.
идентичные ядра с- почти" одинаковой массой, медленны и чрезвычайно- мало-эффективна- (гл. 11, $5). Тем не менее для получения достаточного количества Фа удалось использовать методы диффузии и магнитного разделения. Другая возможность состоит в получении трансурановых элементов.
Кажется вероятным, что ядро м1)мэ, образованное в результате захвата нейтрона ядром обычного урана м()э'®, будет нестабильным и превратится, последовательно излучая электроны, в новые элементы в соответствии с формулами м(У~+Ф- м0 -+У1 м(.)™- мНРмэ.+й ' „Нр -ыРп'"+Г. тде Мр — химический символ нового элемента с номером 93— яелтцния, Ри — символ следующего элемента с номером 94— плутония. Вероятно также, что захват нейтрона плутонием 239 приведет к делению. Все эти предсказания были подтверждены экспериментально.
В определенном диапазоне скоростей нейтроны вызывают превращение 1)мэ в плутоний, в то время как й д Коз«»аная мод«»» ядра «деление ядер те же нейтроны, замедленные до тепловых скоростей, поддерживают цепную реакцию в результате деления (Р««. Метод, примененный в этих экспериментах, а также и в промышленном процессе получения плутония, предполагает сооружение «реактора» илн «котл໠†упорядоченн совокупности (решетки) из кусков урана (металлического или окиси), отделенных друг от друга легким веществом (графитом, тяжелой водой и т. д.), которое играет роль «замедлителя», уменьшающего скорость испущеиных нейтронов, Чтобы избежать утечки большей части нейтронов через поверхность котла, он должен иметь значительные размеры, Используются также кадмиевые стержни, которые можно вынимать или погружать в котел и которые позволяют держать цепную реакцию под контролем,— по отношению к медленным нейтронам кадмий обладает высокой поглощающей способностью, что дает воэможность довольно тонко регулировать развиваемую мощность.
Может показаться странным ввиду взрывного (как и в бомбе) характера реакции, что скорость процесса все-таки поддается управлению. Причина состоит в том, что небольшая часть освобождающихся прн делении нейтронов вылетает не мгновенно, а с некоторым запаздыванием (заааздизаюп(их нейтронов около 1«ь; их периоды доходят до минуты). Этого как раз достаточно, чтобы с помощью кадмиевых стержней осуществлять контроль за цепной реакцией на грани критического режима.
Первый котел, проект которого был составлен под руководством Ферми, вступил в строй в Чикаго второго декабря 1942 года. Оказалось, что полученный плутоний действительно обладает ожидаемыми свойствами. Его можно выделить химическими методами, которые проще, более эффективны и требуют меньше времени, чем методы разделения изотопов (см. гл. П, $5). Оба процесса — и извлечение редкого изотопа урана 1)м«, и синтез плутония — были в промышленных масштабах осуществлены в США в последний период войны 1939 — 1945 годов с целью создания сверхмощного взрывчатого вещества. Характерная особеннбсть ядерной взрывчатки заключается в том, что для взрыва необходимо достаточное количество — большее «критической массы» — делящегося вещества: для массы меньше критической число нейтронов, уходящих с поверхности, будет настолько велико, что цепная реакция не сможет начаться.
Поэтому бомба состоит по крайней мере из двух частей с массамн меньше критической, которые в нужный момент чрезвычайно быстро соединяются друг с другом. Собственно детонация в момент соприкосновения частей происходит за счет всегда Гл. У/1 Ядернап фиата присутствующих случайных нейтронов. Вот как практически удается осуществить это мгновенное совмещение различных частей бомбы, — это одна изглавныхтехническихтайн,плотнооку тывающих всю область ядерных реакций. Большое политическое значение нового оружия самым фатальным образом повлияло на свободу научных исследований и научного обмена. Еще более огорчительное следствие открытий, предназначавшихся ис.
ключительно для расширения и углубления человеческих знаний, — это использование бомбы для массового разрушения городов и уничтожения гражданского населения. Потребуются большие усилия, чтобы восстановить интернациональную струк. туру свободной науки, не скованной политическими и военными ограничениями и служащей прогрессу, а не разрушению.
Создание ядерного реактора открывает новые пути развития науки и техники. Самая очевидная возможность — использоваяие реактора как источника энергии. Но это довольно ограниченная возможность — если даже отвлечься от технических трудностей — ввиду малой распространенности веществ, могущих служить ядерным топливом.
Однако можно наладить превращение обычного урана в плутоний 239 (который тоже годится как топливо) в самом котле н рассматривать этот процесс как способ получения ядерного горючего. Это будет означать увеличение ресурсов сырья более чем в 100 раз и заметно изменит ситуацию в пользу ядерной энергетики, В этом случае можно также использовать в качестве топлива сравнительно более распространенный элемент — торий. Другой способ мирного использования реактора — это получение изотопов всех элементов в заметном количестве.
Мы уже упоминали (гл. П, $ б) об открытии трансурановых элементов вплоть до нобелия 102. Были накоплены также изотопы Нэ и Не' в количестве, достаточном для изучения их физических свойств. Полученные радиоактивные изотопы многих элементов используются как «меченые» атомы в химических и биологических исследованиях. Благодаря новым методам изменился и сам облик этих наук.
Однако все это уже лежит за пределами тематики нашей книги, КВАНТОВАЯ СТАТИСТИКА ф Х. Тепловое азлузеиае и замом Ллаика Мы уже несколько раз отмечали, что квантовая теория нмеет статнстнческое происхождение — впервые к ней обратился Планк, пытаясь вывестн закон теплового излучения (1900 г.).
Еслн все же, вопреки исторической последовательности, мы. изложили квантовую теорию атома до квантовой статистики. то у нас есть на это причины. Во-первых, крах классической теории в механике атома — например, прн рассмотрении линейчатых спектров нлн днфракцнн электронов — обнаруживает. себя даже более очевидным образом, чем прн попытках приспособить классическую теорию для объяснения закона излучения.. Во-вторых, целесообразней разобраться сначала в свойствах отдельных частиц н механизме элементарных процессов н лишь. затем, прнступнть к нзучейию основанной на квантовых идеях.
статистики. В этой главе мы должны заполнить пробелы в нашем наложении. Начнем с вывода закона теплового излучения, следуя. Пленку. Представнм себе замкнутый сосуд, например ящнк„ стенкн которого каким-то образом поддерживаются прн определенной температуре Т. 'Нагретые стенки будут обмениваться энергней е форме теплового нзлучення, так что внутри ящика возникнет поле излучения Это электромагннтное поле можне охарзктернзовазь, измеряя плотность его энергии и, которая в случае равновесня одинакова для всех внутренних точек ящика.
Разложив нзлученне на его спектральные компоненты,. обозначим через и~сЬ плотность энергии тех спектральных компонент, частота которых лежит в ннтервале от т до т+А. Таким образом, функция и, распространена на всю область изменения частот от 0 до со н описывает непрерывный спектр нзлучення. До снх пор мы заннмались в основном лннейчатымн спектрами, связанными с излучением отдельных атомов в разреженном газе. Однако а спектрах молекул, состоящих даже нз Гя. ИП. Квантовая статистика сравнительно небольшого чнсла атомов, наблюдаются не изолированные лнннн, характерные для излучения одного атома, а целые совокупности линий, почти сливающиеся, а часто н сливающиеся в непрерывные узкие полосы. Чем больше атомов окажется в молекуле н чем плотнее онн будут упакованы вней, тем больше сближаются друг с другом спектральные линии, образуя в конце концов сплошную полосу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
