Цепная реакция. Неизвестная история создания атомной бомбы

Для исследований строения вещества используют тепловые нейтроны, энергия которых сравнима с энергией тепловых колебаний атомов в твердом теле и при рассеянии которых на монокристаллах наблюдается явление дифракции. Наличие у нейтронов магнитного дипольного момента вызывает их рассеяние на атомах и дает возможность изучать магнитную структуру материалов. Для регистрации нейтронов применяют детекторы, в материале которых нейтроны вызывают ядерные реакции, сопровождающиеся образованием регистрируемых вторичных заряженных частиц.

Нейтронные пучки используются в синтезе радионуклидов, получении трансурановых элементов, методах тонкого химического анализа, горном деле и нейтронной авторадиографии. В земной атмосфере свободные нейтроны непрерывно образуются при взаимодействии космических частиц с ядрами атомов воздуха. Эти нейтроны приводят к непрерывному образованию в атмосфере радиоактивного углерода, на чем основан радиоуглеродный метод геохронологии.

Нуклоны — частицы, входящие в состав атомных ядер – протоны и нейтроны.

Планковская длина (масштаб) – расстояние порядка 10–33 см, на котором нулевые квантовые колебания гравитационного поля полностью искажают геометрию пространства-времени.

Позитрон – самая легкая элементарная частица с положительным электрическим зарядом, являющаяся античастицей по отношению к электрону. Массы и спины позитрона и электрона равны, а их электрические заряды и магнитные моменты равны по величине и противоположны по знаку. Позитрон (как и электрон) является фермионом, относится к классу лептонов и участвует в электромагнитном, слабом и гравитационном взаимодействиях. В пустоте позитрон стабилен. Однако в веществе существует короткое время, поскольку, сталкиваясь с электроном, исчезает вместе с ним, превращаясь в два гамма-кванта. Это явление называется аннигиляцией. Существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1931 г., а в 1932 г. К. Д. Андерсон обнаружил позитрон в космических лучах.

Протон – стабильная положительная элементарная частица, входящая в состав всех атомных ядер, одновременно являясь ядром атома самого легкого нуклида водорода – протия. Масса протона приблизительно в 1836 раз больше массы покоя электрона и немного меньше массы нейтрона. Электрический заряд протона по абсолютной величине равен заряду электрона.

Число протонов в ядре атома данного химического элемента равно атомному номеру этого элемента и определяет его место в периодической системе химических элементов. Соответственно, все химические свойства простых веществ и соединений, образуемых данным элементом, связаны с числом протонов в ядре атома. Термин «протон» ввел Э. Резерфорд в начале 20-х гг. прошлого века.

Согласно классификации элементарных частиц, протон относится к адронам; он входит в класс тяжелых частиц – барионов (протон – самый легкий из барионов). Протон участвует в сильных взаимодействиях, а также во всех других фундаментальных взаимодействиях: электромагнитном, слабом и гравитационном. В сильном взаимодействии протон и нейтрон имеют идентичные свойства и рассматриваются как различные квантовые состояния одной элементарной частицы – нуклона. За счет слабых взаимодействий в радиоактивных ядрах возможно превращение протона в нейтрон, позитрон и нейтрино, а также превращение нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. Стабильность протонов позволяет использовать их как бомбардирующие частицы для осуществления ядерных реакций.

Рентгеновское излучение – электромагнитные волны в энергетическом диапазоне между ультрафиолетовым излучением и гамма-лучами. Мягкий рентген характеризуется наименьшей энергией фотона и частотой излучения (и наибольшей длиной волны), а жесткий рентген обладает наибольшей энергией фотона и частотой излучения (и наименьшей длиной волны). Жесткий рентген используется преимущественно в промышленных целях. Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц, порождающем тормозное излучение, либо при высокоэнергетических переходах в электронных оболочках атомов или молекул. Оба эффекта используются в рентгеновских трубках. Основными конструктивными элементами таких трубок являются металлические катод и анод. В рентгеновских трубках электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом рентгеновские лучи не испускаются, так как ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение. За счет тормозного излучения происходит генерация излучения рентгеновского диапазона, и одновременно выбиваются электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. Пустые места в оболочках занимают другие электроны атома. При этом испускается рентгеновское излучение с характерным для материала анода спектром энергий. В настоящее время аноды изготавливаются главным образом из керамики, причем та их часть, куда ударяют электроны, – из молибдена или меди.

В процессе ускорения-торможения лишь около 1 % кинетической энергии электрона идет на рентгеновское излучение; остальная энергия превращается в тепло.

Симметрия – преобразование физической системы, которое оставляет проявление системы неизменным (например, вращение совершенной сферы относительно ее центра оставляет сферу неизменной); преобразование физической системы, которое не влияет на законы, описывающие систему.

Сильное взаимодействие – самое сильное из известных фундаментальных взаимодействий элементарных частиц. Является обменным и проявляется внутри атомных ядер.

Слабое взаимодействие — одно из фундаментальных обменных взаимодействий с участием всех элементарных частиц, проявляющееся в явлении радиоактивности. В слабом взаимодействии нарушаются пространственная четность и зеркальная симметрия.

Специальная теория относительности (СТО), или частная теория относительности – дальнейшее развитие принципов классической механики и электродинамики, обобщающее их для тел, движущихся со субсветовыми скоростями. В случае сравнительно (со скоростью света) малых скоростей перемещения уравнения СТО переходят в свои классические аналоги. СТО вводит понятие нового континуального многообразия – четырехмерное пространство-время, где и описываются все события релятивистской физики.

Спин — собственный момент количества движения микрочастицы, не связанный с ее перемещением как целого; может быть целым или полуцелым в единицах постоянной Планка.

Стационарное состояние – устойчивое состояние квантово-механической системы, когда все характеризующие ее параметры не зависят от времени.

Теоретическая физика – теоретический способ описания окружающей объективной реальности, при котором с теми или иными природными явлениями сопоставляется определенная математическая модель. В своей основе теоретическая физика содержит абстрагированные образы, вытекающие из экспериментальных данных, являясь при этом совершенно самостоятельным методом изучения материальной природы. Область ее интересов охватывает всю физику и смежные науки с учетом последних достижений прикладной математики и математической физики. В своих методах теорфизика исходит из высочайшей эффективности математического описания природных и искусственных явлений, изучая не столько свойства неких реальных процессов, сколько свойства их математических моделей. Наиболее ценным продуктом теорфизики являются новые физические теории. Два основных направления приложения теорфизических исследований – объяснение известных физических процессов и предсказание новых, еще не открытых наукой природных явлений, реальность которых затем проверяется опытным путем. Одной из высших целей теоретической физики является создание «теории всего» в виде единой системы уравнений, объединяющей все известные частицы и силы.

Тепловое излучение – электромагнитное излучение непрерывного спектрального состава, испускаемое нагретыми телами. Основной математической моделью теплового излучения служит абсолютно черное тело, описываемое классическими законами Стефана – Больцмана, Кирхгофа и Вина, а также квантовым законом Планка. Тепловое излучение вместе с конвекцией и теплопроводностью является одним из основных видов переноса тепла. Важную роль в физике играет понятие равновесного теплового излучения как находящегося в термодинамическом равновесии с веществом.

Ультрацентрифугирование – технология, основанная на применении ультрацентрифуг, устройств для разделения сыпучих тел или жидкостей различного удельного веса и отделения жидкостей от твердых тел путем использования центробежной силы. При вращении в центрифуге частицы с наибольшим удельным весом располагаются на периферии, а частицы с меньшим удельным весом – ближе к оси вращения. Газовые центрифуги со скоростью вращения около 60 000 об./мин применяются для разделения изотопов урана, находящихся в газе – гексафторида урана. Впервые эта технология была разработана в Германии, во время Второй мировой, но промышленно нигде не применялась до начала 50-х гг. прошлого века. Если газообразную смесь изотопов пропускать через высокоскоростные центрифуги, то центробежная сила разделит более легкие или тяжелые частицы на слои, где их и можно будет собрать. Большое преимущество центрифугирования состоит в зависимости коэффициента разделения от абсолютной разницы в массе, а не от отношения масс. Центрифуга одинаково хорошо работает и с легкими, и с тяжелыми элементами. Степень разделения пропорциональна квадрату отношения скорости вращения к скорости молекул в газе. Отсюда очень желательно как можно быстрее раскрутить центрифугу. Типичные линейные скорости вращающихся роторов – 250–350 м/с, и более 600 м/с – в усовершенствованных центрифугах. По сравнению с газодиффузионными установками этот метод имеет уменьшенное энергопотребление и большую легкость в наращивании мощности. В настоящее время газовое центрифугирование – основной промышленный метод разделения изотопов.