И

Осуществление цепной реакции деления ядер

спускание вторичных нейтронов в процессе деления ядер позволяло надеяться использовать их для деления следующего поколения ядер, сопровождающегося выделением новой порции энергии и испусканием новых нейтронов, которые, в свою очередь, вызовут деление других ядер, и т.д. Идея возможности осуществления в уране цепной реакции деления была сформулирована целым рядом физиков (Л. Сцилард, Ю. Вигнер, Э. Ферми, Дж. Уилер, Ф. Жолио-Кюри и др.). В 1939 году советские ученые Я. Б. Зельдович и Ю. Б. Харитон теоретически исследовали возможность цепной реакции деления урана на быстрых нейтронах. В 1940 году они же разработали теорию цепной реакции на медленных нейтронах и показали, что протекание самоподдерживающегося цепного ядерного процесса возможно в случае, когда коэффициент размножения нейтронов k больше единицы (k равен отношению числа нейтронов в двух последовательных поколениях).

Ведущие к цели результаты следовали один за другим. В 1939 году французский физик Ф. Перрен ввел понятие критической массы. В этом же году была выдвинута идея использования графита в качестве замедлителя нейтронов (Дж. Пеграм, Л. Сцилард, Э. Ферми, Г. Плачек). В 1940 году советские ученые Г. Н. Флеров и К. А. Петржак открыли явление спонтанного деления урана. Это означало принципиальную осуществимость цепной реакции деления в уране без внешнего источника первичных нейтронов. Перспективность исследований возможности осуществления цепной реакции деления становилась очевидной.

В условиях начавшейся к тому времени второй мировой войны, из опасения, что гитлеровская Германия может получить в свое распоряжение оружие огромной разрушительной силы, А. Эйнштейн написал письмо президенту США Франклину Рузвельту с предупреждением о грозящей опасности и рекомендацией начать работы по созданию атомной бомбы. Соответствующие исследования были засекречены во всех странах, и поток публикаций по проблеме ядерного деления прервался. 2 декабря 1942 года в Чикаго под руководством Э. Ферми был запущен первый в мире ядерный реактор. В 1944 году был построен первый ядерный реактор на природном уране с тяжелой водой в качестве замедлителя (Аргонская национальная лаборатория). Работы по созданию ядерного оружия велись в США большой группой физиков из многих стран мира под руководством Р. Оппенгеймера. 16 июля 1945 года на полигоне в пустыне Аламогордо (штат Нью-Мексико) был успешно осуществлен первый экспериментальный ядерный взрыв.

В Советском Союзе работы по созданию ядерного оружия начались в разгар Великой Отечественной войны, в 1943 году под руководством И. В. Курчатова. 26 декабря 1946 года на территории Института атомной энергии (ныне носящего имя И. В. Курчатова) была осуществлена цепная ядерная реакция в первом советском ядерном реакторе. В августе 1949 года была испытана первая советская атомная бомба. Одновременно с работами по созданию ядерного оружия велись и исследования в области возможности мирного использования атомной энергии. 27 июня 1954 года в г. Обнинске вступила в строй первая в мире атомная электростанция мощностью 5 МВт (И. В. Курчатов, Д. И. Блохинцев).

П

Открытие мезонов

осле открытия Андерсоном и Неддермейером мезонов было проведено множество экспериментов для выяснения свойств новых частиц. Физики изучали взаимодействие мезонов с атомными ядрами, с электромагнитным полем. Все основные свойства открытых частиц совпадали со свойствами гипотетического мезона Юкавы: среди новых частиц имелись носители как положительного, так и отрицательного зарядов, мезоны обладали требуемой массой; затем была обнаружена нестабильность мезонов, что также согласовалось с теорией.

Одновременно был достигнут прогресс в изучении ядерных сил. При этом были внесены дополнения в теорию Юкавы. В ядре из протонов и нейтронов возможны три типа сил: силы между нейтроном и протоном, силы между двумя нейтронами и силы между двумя протонами. Все эти три типа сил были детально исследованы в экспериментах по нуклон-нуклонному рассеянию, и оказалось, что все силы одинаковы по величине. Можно было предположить, что все три типа сил объясняются одним и тем же механизмом обмена виртуальными мезонами. Но закон сохранения электрического заряда запрещает обмен одним заряженным мезоном между двумя протонами или двумя нейтронами. Два протона (или два нейтрона) могут обменяться только парой заряженных мезонов. В противоположность этому силы между нейтроном и протоном могут создаваться путем обмена одним заряженным мезоном. Таким образом, с помощью заряженных мезонов силы между одинаковыми нуклонами и силы между протоном и нейтроном объяснялись различными способами: в первом случае допускался только обмен парами мезонов, а во втором случае нуклоны могли обмениваться одним мезоном. Это было странным, поскольку силы всех трех типов равны по величине. Тогда теоретики предположили, что существует три типа мезонов: положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные. С помощью обмена одним нейтральным мезоном легко было объяснить силы между одинаковыми нуклонами. Однако в экспериментах наблюдались только заряженные мезоны.

В 1947 году усилия большой группы физиков, изучавших взаимодействие мезонов с веществом (В. Фитч, Дж. Рейнуотер, М. Конверси, Э. Панчини, О. Пиччиони), завершились экспериментальным доказательством того, что мезоны не являются сильно взаимодействующими частицами. Особенности взаимодействия мезонов с веществом заключались в следующем. Положительно заряженные ⁺мезоны отталкивались атомными ядрами, поэтому их время жизни не зависело от среды, в которой наблюдался их распад, и составляло примерно 2,1510^6 с. Отрицательно заряженные ^мезоны быстро теряли энергию за счет ионизационных потерь и, оказавшись вблизи ядра, захватывались им на одну из орбит, отличавшихся от электронных орбит лишь значительно меньшим радиусом (радиус мезонной орбиты в 200 раз меньше радиуса электронной орбиты). Такая система получила название мезоатома; она ведет себя аналогично обычному атому. Мезоатом существует до тех пор, пока ^мезон не распадется, либо будет захвачен протоном ядра по схеме:

. (19.57)

За счет последней реакции время жизни ^мезона в свинце уменьшалось до 710^8 с.

Оценка радиуса орбиты ^мезона на К – оболочке в мезоатоме свинца показывала, что он меньше радиуса ядра; т.е. при образовании мезоатома свинца ^мезон в течение времени порядка 710^8 с мог находиться внутри атомного ядра и при этом не поглощался им. Это время в 10¹⁵ – 10¹⁶ раз превосходит характерное время ядерного взаимодействия (10^22 – 10^23 с). Это означало, что взаимодействие ^мезона с ядром во столько же раз слабее ядерного взаимодействия.

Взаимодействие ^мезона с нуклонами ядра, обусловливающее реакцию (19.57), оказалось слабым, что сближало мезоны по свойствам с электронами (позитронами) и нейтрино. В дальнейшем было установлено, что все упомянутые частицы входят в один и тот же класс элементарных частиц, получивший название лептонов. Отличительным свойством лептонов является их неспособность к сильному взаимодействию.

Таким образом, результаты экспериментов указывали на то, что мезоны не имеют отношения к ядерным силам: они слабо взаимодействуют с ядрами и среди них нет нейтральной частицы, которая должна обусловливать ядерные силы в системах p – p и n – n.

После установления свойств мюонов гипотеза Юкавы была несколько дискредитирована. Проблема была разрешена в том же 1947 году, когда С. Пауэлл и Дж. Оккиалини открыли в космическом излучении еще один тип мезонов, которые за короткое время распадались, образуя в числе продуктов распада открытые ранее мезоны. Пауэлл и Оккиалини исследовали следы частиц, возникающие на фотопластинках в результате воздействия космического излучения на высокогорной станции космических лучей. На некоторых фотопластинках кроме следов протонов были обнаружены следы частиц с массой около 300 m_e и зарядом +e. Открытую частицу Пауэлл и Оккиалини назвали  ⁺– мезоном. После короткого пробега в веществе фотопластинки  ⁺–мезон распадался с испусканием вторичной частицы с зарядом +e и массой около 200 m_e, которую естественно было отождествить с ⁺мезоном. Оказалось, что во всех зарегистрированных случаях пробег ⁺мезона был одинаков. Это означало, что во всех случаях распада  ⁺– мезона ⁺мезон испускался с одной и той же энергией T_. Оценка значения энергии ⁺мезона дала T_  4 МэВ. Эта величина составляла лишь небольшую часть полной энергии, выделяющейся в распаде  ⁺– мезона: (m_  m_)c²  33 МэВ. Таким образом, около 29 МэВ уносила другая частица, которая, как это следовало из законов сохранения энергии и импульса, обязательно должна была испускаться при распаде  ⁺– мезона вместе с ⁺мезоном. Эта частица не образовала следа в фотоэмульсии, следовательно, не имела электрического заряда. Так как она уносила значительно большую долю энергии, чем заряженный ⁺мезон, то ее масса должна была существенно уступать массе ⁺мезона. Применение законов сохранения энергии и импульса к схеме распада  ⁺– мезона показало, что масса этой нейтральной частицы значительно меньше даже массы электрона. Этой частицей не мог быть квант, т.к. на ее пути в фотоэмульсии отсутствовали следы электрон-позитронных пар. Позже было установлено, что при распаде  ⁺– мезона вместе с мюоном испускается антинейтрино:

. (19.58)

Пауэллу удалось зарегистрировать и второй тип следов, из которых следовало, что первичная частица с зарядом e и массой также около 300 m_e (современное значение 273 m_e) после своего пробега порождает несколько заряженных частиц, расходящиеся следы которых образуют в фотоэмульсии «звезду». Этот случай был интерпретирован как захват отрицательно заряженного  ^– мезона ядром, приводящий к ядерной реакции, следы которой и обнаруживались в фотоэмульсии в виде «звезды».

Уже из первых опытов Пауэлла, в которых были обнаружены  ^– мезонные звезды, следовало, что  – мезоны сильно взаимодействуют с ядрами в атомах вещества. Последующие опыты подтвердили этот вывод. Прежде всего, об эффективном ядерном взаимодействии  – мезонов говорил факт их интенсивного образования в нуклон-нуклонных соударениях. Этот же вывод был подтвержден в экспериментах по исследованию взаимодействия с фотоэмульсией пучка  ^– мезонов, выведенного из камеры ускорителя. Полученная в этих экспериментах большая величина сечения взаимодействия  – мезонов с веществом и значение среднего времени этого взаимодействия, равное характерному времени ядерных взаимодействий 10^23 с, говорили о том, что  – мезоны – это частицы, чрезвычайно интенсивно взаимодействующие с ядерным веществом.

Изложенное позволяло физикам предположить, что именно  – мезоны являются предсказанными Юкавой квантами ядерного поля. Итак, через 12 лет после предсказания ядерный мезон Юкавы был, наконец, найден. Но открытие Пауэлла и Оккиалини еще не завершило проверку теории, оно лишь подтвердило правильность идеи о природе ядерных сил. Теория предсказывала существование не только заряженных мезонов, переносящих ядерное взаимодействие между протоном и нейтроном, но и нейтральных мезонов, посредством обмена которыми осуществляется ядерное взаимодействие между одинаковыми нуклонами. Наблюдать нейтральные частицы всегда сложнее, чем заряженные, поскольку они не образуют треков в регистрирующих устройствах. К тому же, как выяснилось в дальнейшем, нейтральный пион обладает очень малым временем жизни.

Поэтому нейтральный  ^о– мезон был открыт лишь в 1950 году (Р. Берклунд, В. Крендалл, Б. Мойер и др.) в экспериментах по изучению рождения  ^– мезонов при бомбардировке мишеней быстрыми протонами из ускорителя. В этих опытах было замечено, что одновременно с  ^– мезонами в мишени, бомбардируемой протонами, возникают   кванты большой энергии. При этом вплоть до энергии падающих протонов порядка 200 МэВ энергетический спектр   излучения представлялся монотонно убывающей кривой, характерной для спектров тормозного излучения. Однако при больших энергиях интенсивность образующихся   квантов превосходила теоретическую, причем для T_p > 290 МэВ форма спектра существенно отличалась от монотонно убывающей кривой тормозного излучения наличием максимума при E_  70 МэВ.

Естественная интерпретация наблюдавшегося явления заключалась в том, что при бомбардировке мишеней протонами наряду с заряженными  ^– мезонами возникают нестабильные нейтральные  ^о– мезоны с приблизительно такой же массой ( 270 m_e), которые через короткое время распадаются на два  кванта: . При этом массе  ^о– мезона соответствует энергия 140 МэВ, которая при распаде частицы на два   кванта распределяется между ними поровну.

Убедительное подтверждение гипотеза образования нейтрального  ^о– мезона получила в 1950 – 52 гг. в опытах В. Пановского и Дж. Штейнбергера.