Нейтронная бомбардировка

Основная трудность, которую испытывали физики, заключалась в том, что у нейтрона отсутствует электрический заряд. Его нельзя было разогнать в обычном ускорителе, поскольку его действие основано на электромагнитном взаимодействии, к которому нейтрон оказался невосприимчив.

В 1935 году американский физик Роберт Оппенгеймер (1904 — 1967) и его студентка Мельба Филипс нашли способ преодоления этих трудностей.

Теперь поговорим о ядрах водорода-2 (дейтерия). Эти ядра, часто называемые дейтронами, состоят из 1 протона плюс

Л. Азимов j J3

«Миры внутри миров» 1 нейтрон и имеют массовое число 2 и атомный номер 1. Поскольку они обладают общим положительным зарядом, то могут быть разогнаны точно так же, как и отдельный протон.

Предположим, что дейтрон наделяется огромной энергией и точно направляется на положительно заряженные ядра. Эти ядра отражают дейтрон и прежде всего входящий в него протон. Ядерное взаимодействие, удерживавшее протон и нейтрон, постепенно ослабевает. Отталкивание ядер, к которым приближается дейтрон, может заставить протоны покинуть дейтрон. Протон поворачивает в сторону, тогда как нейтрон, обладающий определенной энергией, приобретенной в ходе ускорения дейтрона, продолжает двигаться и сталкивается с ядром.

Всего через несколько месяцев после того, как их обнаружили, энергетические нейтроны начали использовать, чтобы вызывать ядерные реакции.

Сейчас нам ясно, что проблема ускорения нейтронов волновала физиков в силу сложившейся традиции. Это было наследие их работы с положительно заряженными частицами, такими, как протоны и альфа-частицы. Чтобы преодолеть отталкивание ядер и столкнут-ься с ними с силой достаточной, чтобы их разбить, эти заряженные частицы действительно должны были обладать высокой энергией.

Однако нейтронам не нужно было преодолевать никакого отталкивания. Даже обладая совсем небольшим запасом энергии, если их точно направляли (некоторые иногда, чисто случайно, имели нужную энергию), они обязательно достигали и поражали ядра.

Фактически чем более медленно они двигаются, тем дольше остаются по соседству с ядрами и тем более вероятно, что их могут захватить некоторые близко расположенные ядра с помощью притяжения ядерного взаимодействия. Способность ядер по захвату нейтронов оказалась тем большей, чем меньшей была скорость нейтрона, так что оказывалось, что ядра могли быстрее поразить медленные нейтроны, чем быстрые. И наконец, физики начали говорить о «ядерных сечениях», то есть направленном потоке медленных нейтронов, чтобы можно было бомбардировать ту или иную частицу. Эффективность медленных нейтронов была открыта в 1934 году итало-американским физиком Энрико Ферми (1901 — 1954).

Конечно, проблема заключалась в том, что нейтроны не удавалось замедлить после того, как они образовывались, поскольку сразу после образования они обладали слишком высокой энергией (согласно новой точке зрения).

Нейтрон не всегда входил в ядра, когда сталкивался с ними. Если он поражал ядро скользящим ударом, то отскакивал рикошетом. Если нейтрон ударялся в ядра, которые были во много раз массивнее его, то он отскакивал на полной скорости и ядро оставалось практически неповрежденным.

Но в то же время если нейтроны поражают ядра, ненамного превышающие их по массе, то отскакивают прочь с меньшей энергией, чем та, что была у них вначале. Если нейтроны отскакивают от ряда относительно легких ядер, то в конечном счете теряют всю свою энергию и в итоге начинают двигаться крайне медленно, обладая ненамного большим количеством энергии, чем окружающие их атомы.

Вы можете наблюдать подобную ситуацию, если станете играть в бильярдные шары. Столкнувшись с пушечным ядром, бильярдный шар просто отскочит в противоположном направлении, практически не потеряв первоначальную скорость. Если бильярдный шар поразит другой бильярдный шар, то он заставит пораженную мишень двигаться, соответственно уменьшив и свою собственную скорость.

Энергия молекул, содержащихся в атмосфере, зависит от температуры. Нейтроны, обладающие энергией, которая соответствует комнатной температуре, получили название «тепловые нейтроны». Относительно легкие ядра, от которых нейтроны отска кивают и замедляют движение, стали называть «замедлители», поскольку при взаимодействии с ними энергия нейтронов уменьшается.

Первым в 1935 году осуществил замедление нейтронов и использовал тепловые нейтроны для бомбардировки ядер итальянский физик Энрико Ферми со своими коллегами. Ему быстро удалось установить, насколько результативными могут быть ядерные сечения, когда тепловые нейтроны атакуют частицы.

Могло показаться, что наконец появилась возможность практического использования энергии, образовавшейся в ходе ядерной реакции. Нейтроны могли вызывать ядерные реакции даже в том случае, когда сами обладали весьма небольшой энергией, так что выделившаяся энергия могла быть намного большей, чем потребляемая. К тому же эффективность тепловых нейтронов при ядерных сечениях была гораздо выше, ибо медленные нейтроны сталкивались с ядрами гораздо чаще, чем высокоэнергетические заряженные частицы.

Однако оставалась одна загвоздка. Для того чтобы использовать медленные нейтроны, их вначале надо было получить. А энергия, затрачиваемая для бомбардировки ядер высокоэнергетическими протонами, была намного больше той, которой обладали получавшиеся при этом нейтроны. Получалось так, будто вам приходилось зажигать свечу одной спичкой, которую надо было выбрать из 300 тысяч бесполезных кусков дерева, прежде чем вы добирались до самой спички. В результате использование свечки теряло практический смысл.

Вот почему, даже после открытия низкоэнергетической нейтронной бомбардировки и ядерных сечений, Резерфорд в конце своей жизни заметил, что ядерная энергия никогда не найдет практического применения.

И все же одним из экспериментов, которые Ферми попытался осуществить в 1934 году, была нейтронная бомбардировка атомов урана. Но ни Резерфорд, ни Ферми тогда не поняли, что это было начало новой эры.