Цепная реакция. Неизвестная история создания атомной бомбы

Античастица – у каждой частицы материи есть соответствующая античастица. При соударении частицы и античастицы происходит их аннигиляция, в результате которой выделяется энергия и рождаются другие частицы.

Атом – наименьшая частица каждого химического элемента. Каждому химическому элементу соответствует совокупность определенных атомов. Связываясь друг с другом, атомы одного или разных элементов образуют более сложные частицы, например молекулы. Все многообразие химических веществ (твердых, жидких и газообразных) обусловлено различными сочетаниями атомов между собой. Атомы могут существовать и в свободном состоянии – в газе и плазме.

Атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. Размеры атома в целом определяются размерами его электронного облака и велики по сравнению с размерами ядра. Электронное облако атома не имеет строго определенных границ, поэтому размеры атома в значительной степени условны и зависят от способов их определения. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, удерживаемых ядерными силами. Положительный заряд протона и отрицательный заряд электрона одинаковы по абсолютной величине; нейтрон не обладает электрическим зарядом. Заряд ядра является основной характеристикой атома, обусловливающей его принадлежность к определенному химическому элементу. Порядковый атомный номер элемента в периодической системе Менделеева равен числу протонов в ядре. В электрически нейтральном атоме число электронов в облаке равно числу протонов в ядре. Однако при определенных условиях он может терять или присоединять электроны, превращаясь соответственно в положительный или отрицательный ион.

Атомное ядро – центральная положительно заряженная часть атома, состоящая из нуклонов – протонов и нейтронов. Масса атомного ядра примерно в более чем 400 раз больше массы всех атомных электронов. Размеры атомного ядра составляют ~ 10–12–10–13 см. Нуклоны удерживаются в ядре ядерными силами сильного взаимодействия, эффективными только на внутриядерных дистанциях Размеры атомных ядер зависят от количества составляющих их нуклонов. Средняя плотность ядерного вещества чрезвычайно велика по сравнению с плотностью обычных веществ и составляет около 1014 г/см3. Плотность распределения нуклонов в ядре почти постоянна в центральной его части и экспоненциально убывает на периферии.

Бета-распад — радиоактивное превращение атомных ядер с генерацией электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино.

Бозоны (Бозе-частицы) – микрочастицы с нулевым или целым спином, подчиняющиеся статистике Бозе – Эйнш– тейна.

Вакуум (вакуумное состояние) – в квантовой физике представляет собой «физический вакуум» как основное состояние с минимальной энергией, нулевыми импульсом, угловым моментом, электрическим зарядом и другими квантовыми числами квантованных полей. В математической физике используется понятие «математического вакуума», определяемого как состояние, в котором отсутствуют какие-либо реальные частицы и действие на который операторов уничтожения дает нулевой результат. По современным представлением вакуум перенаселен виртуальными частицами, участвующими в виртуальных процессах, проявляющихся в специфических эффектах взаимодействия с реальными частицами.

Виртуальные частицы — сверхкороткоживущие микрочастицы, возникающие и исчезающие в флуктуациях соответствующих квантовых полей. Чаще всего в физическом вакууме рождаются и исчезают гамма-кванты и электрон-позитронные пары.

Гамма-излучение – сверхкоротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны (< 5x10-3 нм) и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабовыраженными волновыми свойствами. Гамма-кванты электромагнитного поля представляют собой фотоны с высокой энергией. На электромагнитной шкале волн гамма-излучение граничит с рентгеновским излучением, занимая диапазон более высоких частот и энергий. Гамма-излучение испускается при переходах между возбужденными состояниями атомных ядер (энергии таких гамма-квантов лежат в диапазоне от ~1 кэВ до десятков МэВ), при ядерных реакциях (например, при аннигиляции электрона и позитрона, распаде нейтрального пиона и т. д.), а также при отклонении энергичных заряженных частиц в магнитных и электрических полях.

Гамма-излучение было открыто французским физиком Полем Виллардом в 1900 г. при исследовании излучения радия.

Гамма-распад – ядерный процесс, при котором возникает гамма-излучение. Гамма-кванты могут испускаться (поглощаться) атомными ядрами при переходах из одного квантового состояния в другое, при превращениях элементарных частиц, торможении заряженных частиц высокой энергии, синхротронном излучении.

Камера Вильсона – измерительное устройство, сконструированное в 1912 г. шотландским физиком Чарльзом Томсоном Риз Вильсоном для исследования заряженных частиц. Действие камеры основано на использовании явления конденсации пересыщенного пара в виде мельчайших капель жидкости на различных центрах конденсации, которыми могут служить ионы, образующиеся вдоль следов – треков заряженных частиц. Подобные следы хорошо видны и могут быть легко сфотографированы. Исследования в камере могут проводиться с искусственным и естественным радиационным фоном с использованием внутрикамерных источников и естественных потоков радиации, таких как ливни космических частиц, попадающие в камеру через прозрачную мембрану. Природа и свойства исследуемых частиц устанавливаются по их пробегу в скрещенных магнитных полях. Для исследования малоэнергетичных частиц камеру вакуумируют, а для высокоэнергичных, наоборот, заполняют газом при повышенном давлении иногда в десятки атмосфер. Камера Вильсона сыграла важную роль в изучении радиации, будучи на протяжении десятилетий практически единственным методом регистрации потоков и ливней самых различных излучений. Однако впоследствии камера Вильсона уступила свое место искровым и пузырьковым камерам.

Квантовая механика – область физики, изучающая свойства и поведение атомов и субатомных частиц. Квантовая (волновая) механика основывается на корпускулярно-волновом дуализме и принципе неопределенности, объясняя и корпускулярные, и волновые свойства микромира. Любая квантово-механическая система описывается комплексной волновой функцией, фаза и амплитуда которой полностью определяют ее состояние. При этом аппарат квантовой теории позволяет естественным образом рассматривать волновые явления интерференции и дифракции элементарных частиц. Вероятность найти любую микрочастицу в определенном состоянии определяется квадратом модуля волновой функции. Отличие квантовой механики от классической физики состоит в том, что вероятность локализации микрочастицы не полностью определяет ее состояние. Для полного описания состояния квантового микрообъекта необходимо вычислить комплексную вероятность как волновую функцию.

Корпускулярно-волновой дуализм — один из основополагающих квантовых принципов, согласно которому любой микрообъект одновременно обладает волновыми и корпускулярными свойствами. При измерениях, в зависимости от их характера, проявляются либо та, либо иная сторона объекта.

Коллапс (гравитационный) – явление быстрого катастрофического сжатия массивного тела под действием собственного гравитационного поля. Если масса звезды превышает две солнечные, то в конце своего жизненного пути светило может коллапсировать при исчерпании своего ядерного горючего. При этом звезда стремительно теряет свою механическую устойчивость и с увеличивающейся скоростью «падает» к центру. После того как радиус светила уменьшится до некоторого граничного значения – «гравитационного радиуса», никакие силы уже не могут воспрепятствовать дальнейшему сжатию, и коллапсар превращается в черную дыру застывшей (или «замерзшей») звезды.

Нейтрино — стабильная незаряженная частица с полуцелым спином и сверхмалой массой; отличается очень высокой проницаемостью, участвуя только в слабых и гравитационных взаимодействиях.

Нейтрон – электрически нейтральная элементарная частица, входящая наряду с протонами в состав атомных ядер. Открыт в 1932 г. Дж. Чедвиком. Нейтроны устойчивы только в составе стабильных атомных ядер. Свободные нейтроны нестабильны и распадаются на протоны, электроны и антинейтрино по схеме бета-распада. Среднее время жизни свободного нейтрона – 15,3 минуты, а период полураспада – 10,603 минуты. Из-за сильного поглощения свободных нейтронов атомными ядрами среднее время жизни нейтрона в плотном веществе не превышает сотни микросекунд.

Отсутствие у нейтронов электрического заряда приводит к тому, что они взаимодействуют непосредственно с атомными ядрами, либо вызывая ядерные реакции, либо рассеиваясь на ядрах. Характер и интенсивность взаимодействия пучка нейтронов с веществом существенно зависят от энергии нейтрона. Медленные нейтроны в основном упруго рассеиваются на атомных ядрах или вызывают ядерные реакции типа радиационного захвата. С участием медленных нейтронов возможны также экзотермические ядерные реакции или деление атомных ядер. Для снижения энергии нейтронов используют различные замедлители нейтронов (графит, вода и т. д.), ядра которых не поглощают нейтроны.