ГЛАВА ДЕСЯТАЯ
АТАКА АТОМНОГО ЯДРА (УСКОРИТЕЛИ)
10-1. Введение
В начале нашего века было установлено, что атом имеет сложное строение.
Вокруг центрального ядра, несущего положительный электрический заряд, движутся отрицательно заряженные частицы — электроны.
Поперечник атома равен примерно одной стомиллионной доле сантиметра. А поперечник ядра — еще в 100 тысяч раз меньше.
Но и это невообразимо малое атомное ядро в свою очередь является сложным образованием. Оно состоит у разных элементов из различных комбинаций ядерных частиц — нуклонов (от латинского слова «нуклеус» — ядро).
По современным воззрениям, ядра всех атомов складываются из частиц двух типов. Одни из них имеют массу, равную 1 836 электронным массам (1,6·10-24 г), и положительный электрический заряд, равный по величине отрицательному заряду электрона. Эти частицы называют протонами. Ядро простейшего из атомов — обычного водорода — состоит из одного-единственного протона. Другие ядерные частицы имеют массу чуть больше массы протона (на 2,5 электронной массы), но не имеют заряда — это нейтроны.
Но этими двумя видами нуклонов ядро не исчерпывается. Иногда при соударениях атомных ядер из них вылетают позитроны — частицы с массой электрона, но, в отличие от него, с положительным зарядом. В других ядерных процессах удается обнаружить частицы с массой, промежуточной между массами электрона и протона, — так называемые мезоны (от латинского слова «мезос» — промежуточный). Эти частицы бывают с разными зарядами, и все они очень недолговечны. При одних процессах из ядер вылетают очень легкие частицы — нейтрино, при других тяжелые — гипероны. Ядро неисчерпаемо. Физики выявляют все новые и новые детали в его структуре.
Чтобы исследовать сложное строение атомного ядра, ученые поступают подобно ребенку, который ломает игрушку, желая выяснить, что у нее внутри.
Ядро является исключительно прочной конструкцией, значительно более прочной, чем всякие другие, более крупные образования материи. И его не так уж просто «разломать».
Два твердых тела, например два куска самой прочной стали, разбиваются, связь между их атомами нарушается, если скорость соударения этих тел равна всего лишь нескольким сотням метров в секунду. Снаряд, летящий со скоростью около тысячи метров в секунду, разрушает самую твердую и прочную стальную плиту.
Нарушить структуру атома, оторвать от атома один или несколько электронов (такой атом с недостатком электронов называют ионом), можно лишь в том случае, если скорость его соударения с другим атомом будет равна нескольким километрам в секунду.
Но, чтобы разбить атомное ядро, разорвать связи между нуклонами, необходимо затратить работу, в сотни тысяч раз, а иногда и в миллионы раз большую, нежели та, которая необходима для нарушения структуры атома. Почему же так трудно разломать эту систему?
Все ядра несут положительный электрический заряд, и при взаимном сближении до расстояний того же порядка, что и поперечник самого ядра, между ними возникают огромные силы отталкивания.
Чтобы преодолеть эти силы, заставить два ядра столкнуться друг с другом, необходимо сообщить соударяющимся ядрам скорость, близкую к скорости света.
Наука об атомном ядре является теперь одним из важнейших разделов физики. Эта наука открыла человечеству новые, неисчерпаемые источники энергии, привела к стремительному развитию множества новых отраслей техники.
Для изучения структуры ядер и их превращений физики разработали приборы, при помощи которых можно сообщать высокие скорости и энергии мельчайшим заряженным атомным частицам — ионам и электронам. Эти приборы получили название ускорителей.
Первые ускорители заряженных частиц, при помощи которых в конце 20-х годов был начат штурм атомного ядра, представляли собой небольшие стеклянные трубки.
Они изготовлялись кустарным способом в физических лабораториях. Но за каких-нибудь 20—25 лет ускорители заряженных частиц выросли в гигантские индустриальные сооружения. Современный ускоритель занимает площадь большую, чем средний машиностроительный завод. На сооружение такого ускорителя расходуются десятки тысяч тонн металла. А электроэнергии он потребляет больше, чем средний районный город.
В средних школах изучаются принципы устройства и действия конструкций микроскопов и телескопов. Эти оптические приборы дали возможность человеку узнать о существовании мельчайших микробов и бактерий, открыть законы движения небесных тел.
Важнейшими орудиями исследования атомной физики являются ускорители заряженных частиц. В науке наших дней они занимают такое же место, какое занимали микроскопы и телескопы в науке прошлых веков. Расширение наших познаний и о микромире атомного ядра и о далеких звездных мирах возможно при помощи все новых и новых опытов с ускорителями заряженных частиц.
Успехи техники в области ускорителей сказываются и на различных других областях. Новые идеи, развивающиеся в связи с задачами ускорения заряженных частиц, оплодотворяют и электротехнику и радиотехнику.
Каждый, кто интересуется современной физикой, электротехникой, радиотехникой, должен быть знаком с принципами устройства ускорителей заряженных атомных частиц.
10-2. Снаряды для обстрела атомов
Движение заряженных частиц в электрических полях можно сравнить с движением тяжелых шаров в поле тяготения. Электрические силы ускоряют заряженные частицы — электроны и ионы — подобно тому, как силы тяжести влекут массивные шары с вершины горы к ее подножью. Скорость тела, летящего вниз к земле, растет как корень квадратный из высоты падения: она увеличится вдвое, если высоту падения увеличить вчетверо. Энергия же падающего тела равна его весу, помноженному на высоту падения.
В механике приходится встречаться с относительно небольшими скоростями. Однажды на строительстве мачты для радиопередатчика я видел, как верхолаз уронил молоток с высоты в 150 м. Молоток летел со свистом. Ударившись о землю, он ушел в нее так глубоко, что не было видно рукоятки. Но скорость молотка в момент удара была всего около 55 м/сек. В первую мировую войну самолеты, атакуя пехоту, сбрасывали заостренные стальные спицы размером с карандаш. Падая с высоты, скажем 2 км, спицы приобретали скорость около 200 м/сек. Запаса энергии в них было достаточно для того, чтобы пронзить человека насквозь сверху донизу.
Когда заряженная частица движется под действием электрических сил, то аналогией высоты падения является электрическое напряжение — разность потенциалов, измеряемая обычно в вольтах. Аналогией же веса падающего тела является заряд частицы. Энергия, приобретаемая заряженной частицей, равна произведению ее заряда на напряжение.
Так как наименьший электрический заряд — это заряд электрона, а заряды других частиц могут быть только Кратные ему, то единицей для измерения энергии заряженных частиц часто служит один электроновольт (1 эв). Более крупная единица — это миллион электроновольт (1 Мэв).
В электроновольтах измеряют энергию различных молекулярных и ядерных реакций.
При всех химических реакциях освобожденная или поглощенная энергия, приходящаяся на каждый реагирующий атом, не превышает единиц электроновольт.
Когда, например, один атом углерода соединяется с двумя атомами кислорода и образуется молекула углекислого газа, то выделяется энергия, равная 4,2 эв, т. е. на один атом приходится 1,4 эв.
Электрон, разогнанный напряжением в несколько вольт, может толчком разрушить молекулу любого химического соединения — например, разбить молекулу воды на атомы водорода и кислорода.
При бомбардировке ядер атомов положительно заряженными водородными ионами (протонами) энергия бомбардирующей частицы должна быть равна нескольким миллионам электроновольт (от 1 до 10). Только такая «энергичная» частица может войти в контакт с ядром и вызвать ядерную реакцию. Чем выше атомный номер элемента, тем больше положительный электрический заряд его ядер и тем большую энергию должна иметь бомбардирующая частица, чтобы преодолеть энергетический барьер этого ядра и подойти вплотную к его «поверхности».
Рис. 10-1. Зависимость скоростей электрона и некоторых ионов от пройденной разности потенциалов.
Под действием напряжения в 2 600 в электрон приобретает скорость, равную 1/10 доли скорости света. При повышении напряжения до нескольких десятков тысяч вольт масса электрона не изменяется, а скорость его растет, как корень квадратный из напряжения. При более высоких напряжениях масса электрона начинает заметно расти, а скорость увеличивается уже медленнее, чем корень квадратный из напряжения. При 3 млн. в скорость электрона достигает 99% скорости света. А при еще более высоких напряжениях скорость электрона практически не повышается, а увеличивается только его масса.
При напряжении в десятки тысяч вольт ион обычного водорода (протон) движется в 40 раз медленнее, а ион ртути — в 600 раз медленнее электрона. При очень высоких напряжениях скорости любых ионов и электронов приближаются к скорости света.
При всех ядерных реакциях поглощенная или освобожденная энергия, приходящаяся на одно ядро, измеряется уже не единицами, как в химических реакциях, а миллионами электроновольт. Как же связаны между собой энергия, масса и скорость бомбардирующих частиц?
На рис. 10-1 показана зависимость скорости различных заряженных частиц от действующего на них электрического напряжения. Все кривые ограничены сверху скоростью света, равной 300 тыс. м/сек. И никакие волны или частицы не могут двигаться быстрее.
Пока заряженные частицы ускоряются сравнительно невысоким напряжением, движение их подчиняется законам классической механики: скорость растет, как корень квадратный из пройденной разности потенциалов. Но при значительном увеличении напряжения вступают в силу законы теории относительности Эйнштейна — законы так называемой «релятивистской механики». Согласно этой теории, скорость движущегося тела не может превысить скорости света и, кроме того, с возрастанием пройденной разности потенциалов масса ускоряемой частицы начинает нарастать.
Самая легкая заряженная частица, которая может быть ускорена, — это электрон. У него наибольшее из всех атомных частиц отношение электрического заряда е к массе т. В электрическом поле он приобретает большую скорость, чем всякая другая частица. Пройдя разность потенциалов в один вольт, электрон приобретает скорость 600 км/сек. В телевизионных приемниках на электронно-лучевые трубки подается около 10 тыс. в. При таком напряжении электроны летят со скоростью почти в 60 тыс. км/сек, что составляет 1/5 скорости света.
Испускаются электроны и при естественном распаде некоторых радиоактивных ядер. Потоки таких электронов получили в свое время1 название бета-лучей. И в настоящее время быстрые электроны часто называют бета-частицами.
Электрон — не только самая легкая атомная частица, но по сравнению с нуклонами она, если можно так выразиться, еще и «рыхлая». Плотность материи в электроне меньше, нежели в протоне. Если нуклон сравнить со свинцовой дробинкой, то электрон можно представить как комок ваты.
Когда электрон летит через вещество, то он «цепляется» за электронные оболочки атомов, рассеивается ими и растрачивает при этом свой запас энергии. Для многих опытов необходимо вести обстрел исследуемого вещества не электронами, а более плотными и тяжелыми частицами — атомными ядрами.
Самое легкое из всех атомных ядер — это ядро обычного водорода — протон. Его электрический заряд по величине такой же, как у электрона. Но масса почти в 2 тысячи раз больше, чем у электрона. Поэтому под действием одних и тех же электрических сил протон движется медленнее, чем электрон. При низких ускоряющих потенциалах протоны движутся примерно в 42 раза медленнее электрона. При высоких потенциалах скорости протонов, так же как и скорости электронов, приближаются к скорости света.
Помимо обычного легкого водорода, у которого ядра состоят из одного-единственного протона, существует еще тяжелый водород — дейтерий. Его ядра (дейтоны или дейтроны) состоят из одного протона и одного нейтрона и также очень часто применяются для ядерной бомбардировки.
Следующий за водородом элемент в периодической системе Менделеева — это гелий. Его ядра состоят из двух протонов и двух нейтронов. Это самое устойчивое образование из нуклонов.
При распаде ядер многих радиоактивных элементов из них вылетают ядра гелия — гелионы. В свое время, когда одновременно с бета-излучением было обнаружено и это излучение и не было еще установлено, что это ядра гелия, они получили название альфа-частиц. Такое название сохранилось за ними и поныне. Альфа-частицы, так же как электроны, протоны и дейтоны, могут быть ускорены до высоких энергий и использованы для разрушения ядер.
Кроме названных ионов водорода и гелия, для бомбардировки ядер иногда применяются и другие, более тяжелые ионы.
Необходимо заметить, что любая движущаяся элементарная частица сопровождается волной. Можно даже выразиться так: любая движущаяся частица обладает одновременно и свойствами частицы и свойствами волны. Волновая механика дает уравнение для определения длины этой волны: где h — это некоторая постоянная величина, называемая «постоянной Планка».
Рис. 10-2. Изменение свойств частиц с повышением их скорости.
а — зависимость массы электрона и некоторых ионов от их энергии (в электроновольтах);
зависимость длины волны, сопровождающей электрон и некоторые ионы, от энергии этих частиц.
Чем больше скорость частицы и ее масса, тем короче длина волны, соответствующая этой частице.
На рис. 10-2 показано, как меняются масса частицы и длина волны, соответствующая этой частице, с увеличением энергии.
В микромире электронов и атомных ядер многие привычные, казалось бы, очевидные, понятия нуждаются в пересмотре или могут быть применены только с оговорками. Мы можем точно указать размер мяча или дробинки, так как эти предметы имеют четко обозначенную поверхность, на которой плотность материи резко изменяется. А в комке ваты или в клубах пара, например, нет такой четко обозначенной поверхности. Здесь надо условливаться, что именно следует считать «размером» (например, расстояние, на котором плотность упадет до некоторой заданной величины). В атомной частице при удалении от центра плотность материи падает плавно, постепенно: четко обозначенной «поверхности» у этой частицы нет. В этом отношении ее можно сравнить скорее с клубом пара, чем с дробинкой.
Сделав это разъяснение понятия «размер атомной частицы», укажем на замечательную особенность микромира: с приобретением энергии атомная частица становится тяжелее и вместе с тем все компактнее, все меньшего «размера». С повышением энергии частица как бы сжимается. Электрон с высокой энергией становится таким же плотным, как и протон.
У всех атомных частиц, обладающих большими энергиями, скорость достигает скорости света, масса увеличивается, а длина волны становится малой по сравнению не только с размерами сложного ядра, но и единичного «малоэнергичного», т. е. имеющего небольшую скорость нуклона. Чем выше энергия частицы, тем более тонким зондом она является, и ею можно «прощупывать» внутреннюю структуру нуклона. Вот почему физики стремятся получать" частицы со все большими энергиями.
Для протона с энергией в один миллиард электроновольт (1 000 Мэв) длина волны. λ≈10-14 сантиметра. Протон с такой или еще большей энергией, пронизывая атомное ядро, взаимодействует уже не со всем ядром, а с одним отдельным нуклоном.
Используя частицы таких высоких энергий, удалось установить, что и в нуклонах материя распределена неравномерно, что нуклон по своему строению несколько напоминает вишню: более плотная сердцевина (косточка) окружена менее плотной оболочкой (мезонными облаками).
10-3. Гонки в безвоздушном пространстве
Когда проводят соревнования по бегу, то постороннюю публику на беговую дорожку не допускают.
Чтобы дать возможность спортсмену показать хороший результат, прежде всего надо Освободить пространство для бега. В толпе невозможно развить большую скорость.
Подобным образом поступают и при ускорении элементарных частиц. В каждом кубическом сантиметре воздуха при атмосферном давлении и комнатной температуре находится 2·1019 молекул. Если через воздушное пространство пропускать поток электронов, то свободный пробег каждого электрона от одного соударения с молекулой воздуха до другого не будет превышать стотысячных долей миллиметра. Свободный пробег крупных ионов еще короче. При каждом столкновении с молекулой электрон или ион теряет часть энергии. Поэтому заряженные частицы ускоряют в камерах, из которых тщательно выкачивают воздух. Пространство с разреженным газом называют вакуумом. Если разрежение так велико, что свободный пробег электронов или ионов становится больше размеров камеры, то такое разрежение называют «высокий вакуум».
Например, при обычном для ускорительных камер давлении в одну миллиардную долю атмосферного (10-6 мм рт. ст.) свободный пробег электрона от одного столкновения до другого составляет около 300 м. Но надо заметить, что и при таком высоком вакууме в каждом кубическом сантиметре ускорительной камеры еще остается около 1010 молекул газа.
Приборы с высоким вакуумом широко распространены в современной технике. К ним относятся все электронные лампы, имеющие вакуумнепроницаемую (стеклянную, керамическую, металлическую) оболочку. Высокое разрежение, созданное в них на заводе, сохраняется затем после запайки в продолжение всего времени их работы, часто в течение многих лет.
Ускорительные камеры имеют значительно большие размеры. Их объем иногда достигает десятков кубических метров. Кроме того, для ввода в вакуумное пространство различных деталей (мишеней, вспомогательных электродов) в стенках камер предусматриваются люки и шлюзы. В подобных конструкциях трудно создать длительный вакуум и избежать натекания газов извне. Поэтому они снабжаются мощными насосами, которые непрерывно работают, удаляя посторонние газы. Иногда стенки ускорительных камер делаются двойными, и из промежуточного пространства между стенками также непрестанно откачивают просачивающиеся туда газы.
* * *
Однако убрать посторонние газы из пространства, где ускоряются ионы или электроны, еще не все. Необходимо к тому же так организовать движение заряженных частиц внутри ускорительной камеры, чтобы они нигде не ударялись о ее стенки и не выбывали из дальнейшего процесса ускорения.
Заряженные частицы должны двигаться узким потоком внутри камеры, не касаясь ее стенок. Чтобы организовать такое движение, нужно внутри ускорительной камеры создать электрические и магнитные силы соответствующей величины и направления.
10-4. Магнитное управление
Электрические силы либо притягивают, либо отталкивают заряженную частицу. Электроны, например, летят от отрицательного полюса к положительному; положительно заряженные ионы, наоборот, — от положительного к отрицательному. Но всегда электрические силы направлены «в лоб» заряженным частицам. Иначе действуют на них магнитные силы. Когда ионы или электроны движутся вдоль линий магнитных сил, то они вообще не испытывают никакого воздействия. Если же их движение совершается поперек направления магнитных силовых линий, то они испытывают боковое давление. Магнитные силы отклоняют заряженную частицу от ее начального направления, не меняя при этом, однако, ни ее скорости, ни ее запаса энергии. Чем сильнее магнитное поле, тем круче заворачивается, искривляется путь заряженной частицы. Электроны или ионы могут описывать дуги, петли и опирали.
Если соблюдены следующие условия: магнитное поле совершенно однородно, заряженная частица влетает в это поле строго перпендикулярно магнитным линиям, и в пределах магнитного поля электрическое поле не действует, то при этих условиях заряженная частица опишет точную окружность. Радиус R этой окружности прямо пропорционален массе т и скорости частицы υ и обратно пропорционален напряженности магнитного поля Н и электрическому заряду частицы е:
Пути легких частиц (не очень быстрых электронов) круче изгибаются в магнитных полях, чем пути тяжелых ионов.
Время, в течение которого частица совершает полный оборот по своему круговому пути, определяется формулой
При данном радиусе орбиты R время обращения тем меньше, чем выше скорость частицы. Если же частицы движутся в магнитном поле неизменной напряженности Н, то радиус орбиты растет с ростом энергии частицы, а время обращения увеличивается соответственно увеличению массы т.
Магнитное управление потоками заряженных частиц применяется во многих электровакуумных приборах: в электронно-лучевых трубках телевизионных приемников, в электронных микроскопах, в электронных генераторах сантиметровых волн — магнетронах, широко используемых в радиолокационных установках, а также в ряде других типов электронных ламп.
При помощи различных проводников, витков и катушек с током можно создавать магнитные поля различной структуры. Эти поля, воздействуя на поток заряженных частиц подобно тому, как действуют линзы, призмы и зеркала на световые лучи, могут изменять направление потока заряженных частиц и поворачивать этот поток в любом требуемом направлении. Соответственно подобранные поля фокусируют поток электронов или ионов, уменьшают его поперечные размеры, стягивают этот поток в тонкую нить.
Внутри ускорительной камеры магнитные поля могут создать как бы незримые стены. Электроны или ионы, «отбившиеся от стада», налетая на эти магнитные преграды, заворачивают обратно, присоединяются к общему потоку.
10-5. «Электрические горы»
Электрическое напряжение между электродами ускорителя соответствует высоте горы в механической аналогии, Чем выше напряжение — «электрическая гора», тем большую энергию приобретает слетевший с нее «электрический снаряд».
Однако трудности, возникающие при сооружении искусственных электрических гор — высоковольтных установок, иные, чем те, которые приходится преодолевать строителям мачт, башен или других высотных сооружений. Предел повышению электрического напряжения устанавливает пробой изоляционных материалов, которые применяются при сооружении высоковольтных установок.
Естественнее всего воспользоваться в качестве изолирующей среды воздухом. Но как электроизолирующий материал он сравнительно непрочен.
Так, при нормальном атмосферном давлении и обычной температуре воздушный зазор в один сантиметр пробивается при напряжении в 30 тыс. в; во многих же конструкциях пробой начинается уже при 3—5 тыс. в на 1 см.
Понятие «высокое электрическое напряжение» относительно. В конце прошлого века очень высоким считалось напряжение в несколько тысяч вольт. Первые ядерные реакции были получены при бомбардировке ядер протонами, ускоренными до сотен тысяч электроновольт. С этого времени начинается интенсивное строительство сверхвысоковольтных электрических установок для ядерных исследований. Конструкторы столкнулись со многими трудностями. При напряжении в несколько миллионов вольт электрические заряды стекают с любого острия, выступа, неровности, и чем выше напряжение, тем интенсивнее происходит утечка. Чтобы ее предотвратить, надо делать радиусы закруглений высоковольтных электродов тем большими, чем выше напряжение хотят получить на этих электродах. Проводник, находящийся в воздухе под напряжением 3—4 млн. в, должен иметь радиусы закруглений не меньше 5 м. Если это шар, то его диаметр будет равен 10 м и он должен быть удален от земли на расстояние не менее 10 м. Для размещения такой высоковольтной установки необходим зал площадью около 1 000 м2 и высотою не менее 30 м. Подобные установки размещались, например, в ангарах для дирижаблей.
Известно, что электрическая прочность газа растет по мере повышения его давления.
При 20 ат высоковольтные установки могут работать с напряженностью электрического поля до 50 тыс. в на 1 см.
В 30-х годах высоковольтные установки вместе с вакуумными ускорительными трубками стали заключать в прочные стальные резервуары, куда накачивался под давлением сухой воздух, азот или специальные газы, обладающие повышенной электрической прочностью. Но и этот прием не позволяет далеко идти по пути повышения рабочего напряжения ускорительных установок.
Размеры высоковольтных установок с изоляцией из сжатого газа растут с повышением напряжения так же, как размеры установок, работающих на воздухе без давления. А чем больше диаметр стального резервуара и чем больше давление газа в нем, тем большую толщину должны иметь его стенки и тем больше высококачественной стали необходимо затратить на изготовление этого резервуара.
На современном уровне техники несколько миллионов вольт — это предел для высоковольтных установок с изоляцией из сжатого газа.
Несколько миллионов вольт — вот предельная высота тех искусственных «электрических гор», с которых можно скатывать снаряды для бомбардировки ядер атомов.
* * *
Но вот «электрическая гора» сооружена. Как же втаскивать на нее заряды, которые должны затем низвергнуться по ускорительным трубкам?
Начиная с 20-х годов, для получения высоких напряжений предлагались различные электрические схемы и разнообразные конструкции. Строились высоковольтные трансформаторы низкой частоты, трансформаторы высокой частоты (трансформаторы Тесла), различные конденсаторные схемы, разнообразные электростатические генераторы. Многое из того, что вселяло самые радужные надежды, сейчас безнадежно устарело и не применяется. Рассмотрим современные высоковольтные установки, которые используются при ядерных исследованиях. Но перед этим расскажем об одной попытке воспользоваться, так сказать, природной электроэнергией для атаки ядра.
