Что случится, если попытаться ударить по атому урана? Этот, на первый взгляд, простой вопрос открывает дверь в сложный мир ядерной физики. На него отвечает Николай Бахарев, научный сотрудник Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе, грантополучатель Российского научного фонда.
Всё начинается с выбора «молотка». Попытка ударить обычным молотком по отдельному атому сравнима со стрельбой из гигантской пушки по пылинке, причём пушка размером с Солнечную систему. Поэтому логично рассмотреть два пути: либо сделать «мишень» огромной, либо использовать «молоток» микроскопического размера.
Допустим, мы выбрали первый вариант и изготовили молоток из самого урана. Из-за высокой плотности этого металла инструмент получится очень тяжёлым. При работе он будет искрить даже от удара по дереву — зрелищно, но непрактично. Если же придать урану большую скорость, например, выстрелив им из орудия, то при столкновении он воспламенится. Это свойство используют в бронебойных снарядах с урановым сердечником.
Второй путь — взять «молоток» поменьше. Природа предлагает богатый выбор: электроны, протоны, нейтроны, ядра других атомов и даже гамма-кванты (жёсткое рентгеновское излучение). Но не все варианты эффективны. Лёгкий электрон для массивного ядра урана — всё равно что дробина для слона: он может выбить один из внешних электронов атома, но не затронет ядро.
Урановая руда.
С заряженными частицами, такими как протоны, возникает сложность: они отталкиваются от положительно заряженного ядра урана. Если столкновение всё же произойдёт, оно, скорее всего, будет упругим — подобно тому, как лёгкий биток отскакивает от тяжёлого шара в бильярде.
Можно применить грубую силу: разогнать электрон до скорости, близкой к световой, или протон до десятков миллионов метров в секунду. Это повысит шанс взаимодействия. Но есть более элегантное решение — нейтрон. У этой частицы нет электрического заряда, поэтому она беспрепятственно приближается к ядру.
Если мы имеем дело с изотопом уран-235, то даже медленные нейтроны (со скоростью в сотни метров в секунду) могут вызвать деление. Нейтрон поглощается ядром, которое становится нестабильным и вскоре раскалывается на два более лёгких осколка, выделяя энергию и испуская новые нейтроны. Осколки радиоактивны и продолжают распадаться. Новые нейтроны, в свою очередь, могут запустить деление в соседних ядрах.
Каждое деление высвобождает энергию, основную часть которой уносят осколки. В нашем мире это проявляется как выделение тепла. Поддерживая цепную реакцию в управляемом, сбалансированном режиме, можно преобразовывать это тепло в электричество. Именно так работают реакторы на атомных электростанциях.
Добыча урановой руды в Германии, 1990 год.
Возникает вопрос: откуда берётся первый, «затравочный» нейтрон? Оказывается, тяжёлые ядра урана могут делиться спонтанно, без внешнего воздействия. Внутри ядра идёт постоянная борьба: кулоновские силы отталкивания между протонами стремятся разорвать его, а ядерные силы скрепляют нуклоны вместе.
С классической точки зрения, ядерные силы создают непреодолимый барьер. Но в квантовом мире частицы могут «просачиваться» сквозь барьеры благодаря туннельному эффекту. Вероятность того, что целый фрагмент ядра (а не отдельная частица) преодолеет его, крайне мала, но не нулевая. Именно эти редкие события спонтанного деления и порождают необходимые затравочные нейтроны.
Уран — элемент, чьи уникальные свойства лежат в основе как мирной атомной энергетики, так и фундаментальных физических процессов. Его изучение продолжает раскрывать новые грани взаимодействия вещества на ядерном уровне.
