Ускорители01.02.2022 12:32

С древнейших времён пытливый человеческий ум пытался проникнуть в тайны окружающего его мира. Из чего сделано яблоко? Почему камень твёрдый, а металл гнётся? До какой степени мы можем делить яблоко? Состоит ли оно из мириадов маленьких яблочек или же его образуют частицы, совсем на него не похожие?

В своих попытках найти базовые кирпичики, составляющие весь окружающий мир, человечество совершило грандиозное путешествие от простейшей арифметики до невозможных для человеческого мозга вычислений, и от разрезанного яблока до многокилометрового коллайдера.

Рис. 1. Вид на сектор туннеля LHC 3–4 [6]

I. В ГЛУБИНЫ ВЕЩЕСТВА

Более двух тысяч лет назад Демокрит задумался о существовании мельчайших неделимых частиц вещества. Он назвал их «атомы» —  от древнегреческого «ατομοξ» — неделимый. Давайте повторим его мысленный эксперимент. Первым делом надо представить яблоко. Предположим, что вы это уже сделали. Мысленно возьмите нож. Разрежьте яблоко пополам. Одну половину можно съесть, а вторую необходимо опять располовинить. Продолжайте резать яблоко, пока не получите кусочек, который уже не сможете разрезать (хотя, казалось бы, оно только в вашей голове, а фантазия безгранична). Поздравляю, вы получили атом. Можете собой гордиться.

Из атомов и пространства между ними, по мнению Демокрита, состоит мир. «Как трагедия, так и комедия могут быть написаны одними и теми же буквами, так и всё разнообразие случающегося в мире осуществляется одинаковыми атомами, поскольку они имеют различные положения и выполняют различные движения», — отвечал ему физик ХХ-ого века, Вернер Гейзенберг. Однако, идеи Демокрита не были восприняты всеобщими овациями.

Рис. 2. Яблоко, которое мы будем делить на атомы

Прошло больше семнадцати веков, схлынули темные воды невежества, наступила эпоха Возрождения, снова началось развитие естествознания. Учёные вспомнили идею атомарного строения материи, и пошли дальше древнегреческих философов. В отличие от греков,   для которых концепция атома была отвлеченным понятием, учёные XVII в. — Гассенди, Бойль и Ньютон —  попытались объяснить посредством атомарной теории физические и химические свойства тел. И началось…

В дальнейшем другие учёные (Ломоносов, Лавуазье, Дальтон и множество других, не менее достойных исследователей) подтвердили догадку непризнанного в своё время грека. Оказалось, что в природе существует относительно небольшое число простых веществ, состоящих из атомов одного типа.  На сегодняшний день в природе обнаружены 94 элемента. Еще 24 синтезированы искусственно.

Забегая вперед: именно атомы определяют свойства веществ. В 1869 году Д.И. Менделеев обобщил формулировки открытых на тот момент частных проявлений периодического закона, строго его сформулировал и построил  на его основе периодическую систему химических элементов, используемую до сих пор. 

Основная характеристика элемента в периодической системе — его атомный вес.Это  отношение массы его атома к массе атома водорода. Менделеев расположил все известные на тот момент элементы в порядке возрастания атомных весов и обнаружил, что в свойствах элементов присутствует явная периодичность. В каждом столбце построенной таким образом системы находились элементы с близкими химическими свойствами. 

Открытый Менделеевым закон послужил основой для развития химии и атомной физики. Позже была выявлена связь периодического закона со строением атомов.

Увы, хотя реальность атомов и была доказана, но сказать об их устройстве со времён Демокрита всё так же было нечего. Почти две тысячи лет потребовалось лишь для подтверждения его гипотезы. В конце XIX века атом все ещё считался неделимым, и, как писал английский физик Дж. Дж. Томсон: «Внутренность атома была объявлена той территорией, в которую физику никогда не удастся проникнуть…».

Несколько позже произошло открытие электрона. Оно пошатнуло представление о неделимости атома. Еще во времена первых опытов с электролизом начали возникать подозрения о существовании «атомов электричества», но то, что под ними подразумевалось, было открыто гораздо позднее. В опытах по прохождению электрического тока через газы были установлены заряд и масса электрона. Тогда же начали предполагать, что электроны каким-то образом входят в состав атомов. Из этой гипотезы логично проистекало предположение, что атом состоит ещё и из положительно заряженных частиц, компенсирующих отрицательный заряд — ведь атом электронейтрален (имеет нулевой заряд). Но строение атома все так же оставалось неясным, непонятным и сумрачным, как призрак коммунизма.

Тогда же, в конце XIX века, исследователи даже не представляли, с какой стороны подступиться к этой проблеме, ведь размеры атомов настолько малы (порядка 10–8 см), что ни один известный микроскоп не позволял их рассмотреть.

Единственным представлением об устройстве атома, которым тогда руководствовались исследователи, было высказанное в 1904 году упомянутым выше Дж. Дж. Томсоном. Он предложил так называемую «модель пудинга» или «пирога с изюмом», при которой положительный заряд распределён равномерно по объему атома, а отрицательные заряды (электроны) вкраплены в атом в отдельных точках.

Но прошло совсем немного времени, и стало известно, что, несмотря на столь малые размеры атомов, можно экспериментально изучить их строение. 

Немногим ранее, в 1895 году, немецкий физик В.К. Рентген обнаружил существование лучей, обладающих крайне высокой проникающей способностью. Фотопластинки, завёрнутые в несколько слоев плотной черной бумаги, легко засвечивались в потоке этого излучения. Как показали дальнейшие опыты, рентгеновские лучи, возникающие при падении быстрых электронов на различные вещества, имеют ту же природу, что и обычный свет, то есть являются электромагнитными волнами, но имеют гораздо большую энергию, что и объясняет их проникающие свойства.

Через год было совершено ещё более удивительное открытие. Беккерель обнаружил, что если оставить рядом с закрытой фотопластинкой минерал, содержащий уран, то она почернеет. Но свет не мог попасть на пластинку, а значит, на нее попадало какое-то ранее неизвестное излучение, проходящее сквозь непрозрачные материалы. Этот феномен назвали радиоактивностью и ученые всего мира обратили на него внимание.

Вскоре французские физики Пьер и Мария Кюри смогли выделить из урановой руды вещества, намного более радиоактивные, чем уран. Это были полоний и радий.

Именно радиоактивность начала проливать свет на загадки строения вещества.

Радиоактивное излучение сильно ионизирует среду, через которую проходит. Отдельные молекулы вещества, через которое проходит излучение, теряют часть электронов и становятся положительно заряженными. Способностью к ионизации вещества обладают также рентгеновские лучи и быстрые электроны.

Используя этот эффект, физикам удалось разделить излучение радия по проникающей способности на два типа. Слабопроникающие лучи, поглощаемые практически полностью даже листом бумаги, были названы α-излучением, а лучи с большей проникающей способностью, требующие для их задержания, например, несколько миллиметров алюминия, стали называться β-излучением.

Английский физик Э. Резерфорд предположил, что α-частицы являются атомами какого-то уже существующего элемента. Чтобы подтвердить эту гипотезу необходимо определить массу α-частиц, для чего он сконструировал прибор, в котором радиоактивная соль отделена от электроскопа рядом параллельных металлических пластин. Излучение ионизировало электроскоп и его показания менялись. При приложении магнитного поля, направленного параллельно пластинам, поток частиц отклонялся и попадал на пластины из-за чего степень ионизации электроскопа уменьшалась. Из направления и степени отклонения частиц в магнитном поле были вычислены скорость, знак заряда и отношение заряда к массе α-частиц. Получалось, что эти частицы являлись ионами гелия, несущими два положительных заряда, равных по величине заряду электрона, но имеющих противоположный знак.

Рис. 3. Схема прибора Резерфорда [5]

Немного позже, когда было получено несколько граммов радия, Резерфорд окончательно подтвердил, что α-частицы являлись ионами гелия. Он собрал частицы в газоразрядную трубку, пропустил через получившийся газ электрический ток и увидел спектр излучения, совпадающий со спектром излучения гелия.

Таким же способом определили природу β-излучения, оказавшегося потоком электронов, летящих с чрезвычайно высокой скоростью.

Позднее открыли и γ-лучи, оказавшиеся похожими на рентгеновское излучение, но несущими более высокую энергию.

Помимо радиации изучали и химические свойства открытых элементов. Внезапно оказалось, что из радия образуется радиоактивный газ радон, подобный по химическим свойствам инертным газам. На основании этих исследований Резерфорд и Содди в начале XX века выдвинули теорию, согласно которой одни элементы могут самопроизвольно превращаться в другие с испусканием α- или β-частиц.

Так был совершён переворот в науке. Ранее все атомы считались чем-то нерушимым, незыблемым, тем, из чего состоит вся материя. Но некоторые из них оказались неустойчивыми, способными буквально взрываться, выбрасывая летящие с огромной скоростью частицы. 

Дальнейшие исследования продемонстрировали, что химические элементы бывают с одинаковыми химическими свойствами, но с разной массой. Их назвали изотопами. Природу этого явления смогли понять только после открытия нейтрона — нейтрально заряженной элементарной частицы, входящей в состав ядра атома. Элементы в природе обычно представляют собой смесь нескольких различных изотопов. Как правило, ядро неустойчивого атома распадается на неустойчивые же части, которые в свою очередь распадаются на новые радиоактивные ядра. Процесс продолжается, пока такая последовательность распадов не завершится стабильным ядром. В природе известны три независимые цепочки распада нерукотворных радиоактивных элементов — ряд урана, ряд тория и ряд актиния, завершающиеся тремя стабильными изотопами свинца с атомными массами 206, 208 и 209 соответственно.

Рис. 4. Ряды урана, радия и актиния [8]

После этих открытий возникло естественное желание научиться изменять устойчивые атомы других элементов. Но для этого требовались более глубокие знания об устройстве атома.

Резерфорд поставил эксперимент, в котором бомбардировал атомы α-частицами, желая узнать природу и интенсивность отклоняющего поля внутри атома. Установка представляла собой источник излучения — радий, заключенный в свинцовую капсулу, диафрагму с отверстием для получения узкого пучка частиц и тонкую золотую фольгу, за которой располагался экран, покрытый сернистым цинком, способным к сцинтилляции (свечению) в местах попадания α-частиц. Наблюдатель в темноте смотрел на экран через микроскоп, поворачивая его под разными углами, и считал сцинтилляции. 

Результаты эксперимента были неожиданными. Хотя большая часть α-частиц отклонялась, как и было предсказано, на небольшие углы, изредка наблюдались отклонения более 90о, то есть частицы как будто отскакивали от фольги. Это свидетельствовало о наличии огромных отталкивающих сил в атомах.

Если исходить из модели Томсона, где отрицательные и положительные заряды равномерно распределены, то подобных сил, вызывающих большие отклонения некоторых частиц, быть не должно.

Если мы посчитаем угол отклонения исходя из массы, скорости и заряда α-частицы, массы и размера атома золота и толщины золотой фольги, то окажется, что для томсоновской модели атома он в среднем будет равен 0,02 градуса, что явно не соответствует эксперименту.

Для такого существенного отклонения α-частица должна столкнуться с массивным объектом, обладающим значительным положительным зарядом, что исключается моделью Томсона. Таким образом, результаты опыта Резерфорда указывали на ошибочность господствовавших в то время представлений о строении атома.

Основываясь на полученных данных, Резерфорд предложил новую теорию строения атома. Он высказал смелое предположение, что весь положительный заряд, а значит и основная масса атома, сосредоточены в очень малом объеме относительно объема всего атома. Радиус этого объема, названного ядром атома, составляет менее 10–12 см, что во много крат меньше размеров самого атома. Если бы увеличили размер атома до размеров футбольного поля, то его ядро имело бы размер с ягоду черешни!

Новая модель объясняла отражение α-частиц в обратном направлении. Это были те частицы, что пролетали слишком близко от ядра атома и под воздействием электростатических взаимодействий испытывали сильнейшее отталкивание.

Впоследствии, на основе этой теории удалось экспериментальным путем узнать заряды ядер атомов различных элементов. Заряд ядра совпал с атомным номером элемента, являющимся его порядковым номером в Периодической системе.

Но где тогда располагаются электроны? Резерфорд предположил, что они движутся вокруг ядра по круговым орбитам, аналогично планетам в Солнечной системе. При этом, устойчивость движения обеспечивается компенсацией электростатического притяжения электронов к ядру центробежной силой, возникающей при их вращении.

Поначалу планетарная модель атома была плохо воспринята в научных кругах, так как классическая теория электрических явлений (электродинамика) была несовместима с устойчивым движением электрона вокруг ядра. 

В 1913 году планетарную модель атома поддержал датский физик Нильс Бор. Его идея заключалась в существовании у атома стационарных состояний, в которых электрон не излучает энергию. Каждое такое состояние имеет строго определенную энергию, а излучение и поглощении энергии электроном происходит только при переходе его из одного состояния на другое. Происходит как бы перескок электрона с одного уровня на другой.

В своей теории Бор использовал представления о прерывности энергии в микромире. В начале XX века Планк установил, что свет, обладающий определенной длиной волны, может испускаться и поглощаться только квантованно, то есть строго определенными порциями света (квантами). В частности, это подтверждалось при опытах с фотоэффектом — испусканием металлической пластинкой электронов при ее облучении светом. 

Была открыта двойственная природа света — в одних случаях он вел себя как волна, в других — как частица. Позже выяснилось, что и другие элементарные частицы подчиняются корпускулярно-волновому дуализму. На основании этих открытий была создана квантовомеханическая теория.

Новая теория показала, что представления Резерфорда и Бора о существовании в атоме электронных орбит неверны. Такие понятия, как орбита и траектория, оказались вообще неприменимы к электрону в атоме. В соответствии с квантовой механикой может быть определена только вероятность нахождения электрона в любой точке атома. Эта вероятность характеризует распределение электронного заряда, или электронного облака, вокруг ядра.

Рис. 5. Элементарная модель

Итак, со временем стало окончательно понятно, что модель атома с маленьким ядром и носящимися вокруг электронами, в целом, справедлива. И, пользуясь этими представлениями, Резерфорд предпринял первые попытки искусственного превращения элементов. Естественная радиоактивность наглядно показала, что в ядре атома скрывается огромный запас энергии — ведь частицы, вылетающие при распаде, обладают огромными скоростями.

Стала ясна причина неудач средневековых алхимиков, проводивших бесчисленные опыты по превращению различных металлов в золото. Используемые ими химические реакции или механические воздействия просто-напросто не обладали достаточной энергией. Химическим, механическим или электрическим воздействием нетрудно соединить несколько атомов или временно оторвать внешний электрон. Но все эти превращения затрагивают только электронную оболочку. Для превращения одного элемента в другой необходимо воздействовать на ядро.

Но как на него воздействовать? Плотность, а соответственно и масса ядра фантастически огромны!

Резерфорду было понятно, что для расщепления ядра нужны очень мощные источники энергии. В то время известными частицами с наибольшей энергией были α-частицы, испускаемые радием. Это были те же частицы, при помощи которых изучали строение вещества, но теперь их назначение изменилось.

Увы, для превращения элемента требуется исключительно точное прямое попадание частицей в ядро атома. Но чем ближе окажется α-частица к ядру — тем сильнее будет отталкивание. Легко можно посчитать (для интересующихся — нужно приравнять кинетическую энергию частицы к энергии отталкивания), сможет ли такая частица достичь ядра, например, атома золота. Увы, это оказалось невозможным. Но, если мы возьмем более легкие атомы, например, атомы азота, с небольшим зарядом, то уже сможем бомбить их ядра α-частицами радия, за счет того, что кулоновские силы будут значительно меньше.

Точно так же размышлял и Резерфорд, и в 1919 году провел серию новых опытов, приведших к одному из наиболее выдающихся открытий — осуществлению искусственного превращения атомного ядра.

Был сконструирован простой прибор, представлявший собой камеру, заполненную чистым сухим азотом, закрытую с одной стороны серебряной фольгой. Прибор был устроен так, чтобы α-частицы полностью задерживались и не выходили наружу. Напротив фольги был установлен экран с покрытием из сернистого цинка. И, несмотря на полное отсечение α-частиц, на экране происходили сцинтилляции. 

Резерфорд предположил, что сцинтилляции вызваны частицами с большей энергией. Аналогичный эффект наблюдался и при заполнении камеры водородом. Сцинтилляции были идентичны у разных газов и при наложении магнитного поля. Следовательно, этими частицами оказались положительно заряженные атомы водорода. Из этого следовал вывод о вхождении заряженного атома водорода в ядро азота. (Напомним, что положительно заряженный атом водорода — это протон).

Но что же произошло с азотом? α-частица слилась с ядром азота, был испущен протон, а сам атом азота превратился в атом кислорода.

Первая осуществленная ядерная реакция дала миру открытие протона. Открытие же второй составляющей ядра атома — нейтрона — было совершено в 1932 году.

II. Первые ускорители

Но первому успеху сопутствовали и первые серьёзные проблемы. α-частицы естественного происхождения обладают слишком низкой энергией для бомбардировки более тяжёлых атомов, настолько велика сила отталкивания. Да и слишком редко происходит атомный распад, слишком долго приходилось проводить эксперимент, ведь только одна из миллиона частиц попадает в ядро атома.

Необходимы были новые, более мощные снаряды для обстрела атомов. Тогда и возникла идея дополнительного разгона заряженных частиц. Идея крайне проста — хорошо известен факт ускорения заряженных тел в электрическом поле. Достаточно взять две металлические пластины и приложить к ним разность потенциалов.

За время движения от одного электрода к другому частица наберет некоторую кинетическую энергию, которую принято измерять в электрон-вольтах. Энергию в 1 электрон-вольт приобретает частица с единичным зарядом, прошедшая разность потенциалов в 1 вольт.

Самые быстрые α-частицы имеют энергию не более 10 МэВ, что слишком мало для проведения ядерных реакций на тяжёлых ядрах.

А для получения частиц с большей энергией, необходимо поместить их в очень сильное электрическое поле.

Самые первые ускорители были крайне просты и состояли из двух частей — устройства для генерации высокого напряжения и вакуумной трубки, внутри которой происходило ускорение частиц. Высоки требования к материалу трубки — он должен обладать хорошими изолирующими свойствами, ведь разность потенциалов на ее концах составляет миллионы вольт! Отдельной задачей оказалось получение вакуума, чтобы при ускорении частицы не теряли энергию на столкновениях с молекулами воздуха

При ускорении положительно заряженных частиц источник ионов помещают вблизи положительного электрода. Сами частицы получают путем бомбардировки электронами атомов газообразного элемента (например, водорода). Электроны же появляются от раскаленной металлической нити.
Полученные ионы вытягиваются электрическим полем и разгоняются в направлении мишени.

Как правило, помимо крайних электродов, в вакуумной трубке имеются промежуточные электроды,   на каждый из которых подается определенная часть полного напряжения с помощью делителя. Такой прием позволяет сделать падение потенциала вдоль оси трубки более плавным и избежать разрядов у ее концов. Дополнительно, частое расположение электродов позволяет лучше собирать пучок ионов и плотнее его фокусировать.

Но для использования трубки нужно высокое напряжение, которое просто так, из розетки, не получить! Есть несколько путей его получения, наиболее простые — каскадный генератор и генератор Ван-де-Граафа. В каскадном генераторе происходит зарядка конденсаторов при помощи трансформатора и кенотрона, при этом потенциал верхней обкладки относительно земли будет равен суммарному заряду всех конденсаторов.

В 1932 г. Кокрофт и Уолтон при помощи такого генератора ускорили протоны до энергии 700 кэВ и впервые осуществили расщепление лития на две α-частицы при помощи искусственно ускоренных частиц.

Стало ясно, что протонам требуется меньшая, чем α-частицам, энергия для проведения реакции. Объясняется это вдвое меньшим зарядом протона, что позволяет легче подойти к ядру мишени. Но это не единственная причина. На первых ускорителях уже были получены пучки частиц, многократно превосходящие природные источники. Поэтому, несмотря на крайне низкую вероятность попадания протоном в ядро, наблюдение этого процесса стало гораздо проще, чем в опытах Резерфорда.

В современности каскадные генераторы используются в источниках интенсивных потоков быстрых нейтронов.

Другой высоковольтный генератор можно найти даже в школе. Это генератор Ван-де-Граафа, напоминающий по своему устройству электростатическую машину. Гибкая движущаяся лента снимает заряд внизу с щетки и переносит вверх, на внутреннюю поверхность пустотелого электропроводного шара. Электроны отталкиваются друг от друга и перетекают на внешнюю поверхность шара. Потенциал шара растет до тех пор, пока утечки не начнут превышать поступление заряда.

Крупнейшие генераторы такого типа имели размер шара 10 метров и более, получаемое там напряжение составляло миллионы вольт. Позже размеры генератора были уменьшены путем его помещения в инертную атмосферу с повышенным давлением.

Рис. 6. Генератор Ван де Граафа для первого в Венгрии линейного ускори- теля. На нём в 1952 году было получено напряжение 1 МВ. [9]

III. КАК ВЫСТРЕЛИТЬ НЕЙТРОНОМ?

Параллельно с опытами на ускорителях велась работа с естественными источниками α-частиц, и был открыт нейтрон — самый необычный снаряд для бомбардировки атомов. 

Немецкие физики Боте и Беккер обстреливали уже известными нам α-частицами бериллий, который в результате испускал непонятное излучение, проникавшее сквозь значительные слои вещества. Ни к одному из известных видов излучения приписать его не получалось.

Супруги Жолио-Кюри поместили на пути этого излучения кусок парафина (как известно, парафин является углеводородом и содержит много атомов водорода). В итоге из парафина начали вылетать быстрые частицы протоны с большой энергией.

Рис. 7. Принципиальная схема опыта Боте и Беккера [5]

Позже, в 1932 году, Чедвик показал, что таинственное излучение являет собой поток частиц с нейтральным зарядом и массой, близкой к массе протона. В том же самом месте 12 лет назад Резерфорд вел поиски нейтральной частицы, но так и не смог ее найти. Назвали ее «Нейтроном».

Выяснилось, что нейтрон, наравне с протоном входит в состав ядер атомов. Впервые об этом заявили советский физик Иваненко и немецкий физик Гейзенберг.

Итак, ядро атома состоит из двух типов частиц. Протоны определяют его заряд и, соответственно, порядковый номер в периодической таблице, тогда как нейтроны в сумме с ними дают массу ядра.

После открытия нейтрона стало, наконец, понятно, откуда берутся изотопы, различающиеся по массе, но одинаковые по заряду ядра. Разное количество нейтронов — вот что служит источником такого разнообразия.

Вскоре супруги Жолио-Кюри совершили ещё одно открытие — в результате обстрела α-частицами бора, алюминия и магния образовались радиоактивные элементы. Ранее это считалось невозможным. Именно в этих опытах стал известен новый тип распада — с испусканием позитрона, являющегося античастицей для электрона. Незадолго до этого позитрон был открыт в космическом излучении.

Позднее оба этих открытия нашли применение во множестве областей науки и техники, от медицины до военной промышленности.

Нейтроны совершенно непохожи по своему поведению на другие частицы. В силу отсутствия заряда они не отклоняются полем атомов, не взаимодействуют с электронами, гораздо меньше теряют свою энергию и проникают куда глубже в вещество. Эти чудесные частицы ведут себя как обычные мячики. При ударе о тяжелое ядро нейтрон не теряет свою энергию. Он отскакивает и продолжает с почти такой же скоростью лететь в другом направлении. Именно поэтому в качестве замедлителя используют лёгкие элементы или воду, которая содержит большое количество водорода, самого легкого элемента, которым нейтроны передают часть своей энергии.

Исходя из закона сохранения импульса, чем меньше отношение массы сталкивающихся частиц, тем меньше теряет скорость первая частица. В уравнении m1 и m2 — массы частиц, а v — их скорость до и после столкновения.

Из-за отсутствия взаимодействия с электромагнитным полем ядра нейтрон свободно может его достичь. Конечно же физики тут же воспользовались новым снарядом, которым можно намного эффективнее обстреливать атомы.

Первые же опыты (проведенные Энрико Ферми) дали очень интересные результаты. Во-первых, выяснилось, что под воздействием нейтронов почти все ядра элементов периодической системы переходят в радиоактивное состояние. Во-вторых, при окружении источника нейтронов или мишени веществом-замедлителем (т.е. при столкновении с элементами которого частицы теряют меньше всего скорости. Например, парафин или вода) сильно увеличивалась радиоактивность мишени, что свидетельствовало о более полном поглощении нейтронов. Получается, если мы замедлим нейтрон, отнимем часть его энергии, он будет лучше взаимодействовать с мишенью. Помимо прочего, некоторые вещества намного эффективнее поглощают нейтроны. Например, тончайшая фольга кадмия оказалась намного эффективнее, чем несколько сантиметров свинца.

Это свойство ядер называется «эффективным сечением захвата». Частицы (например, нейтроны) имеют разную вероятность прореагировать с ядром на разных скоростях.

Ядерные реакции, идущие с захватом нейтрона, уже не являются реакциями расщепления (кроме некоторых реакций с тяжелыми ядрами). В результате ядро не разваливается, а усложняется, к нему добавляется нейтрон. Взамен же испускаются γ-кванты, являющиеся квантами электромагнитного излучения.

Объяснение этому предложил Нильс Бор, проведя аналогию между ядром и лункой с абсолютно упругими бильярдными шарами. При попадании в лунку, в которой уже есть шары, им передается кинетическая энергия и вся кучка начинает соударяться, пока полученная энергия не сконцентрируется в каком-то крайнем шаре, который вылетит из лунки.

По модели Бора протоны и нейтроны ядра аналогичны этим шарам. Частица, попадая в ядро, застревает там, энергия перераспределяется между нуклонами ядра. Образуется возбужденное ядро, избавляющееся от лишней энергии путем испускания частицы или γ-кванта.

Опыты показывают, что это не единственный вариант исхода. Порой попавшая в ядро частица проходит сквозь него без потери энергии. А при больших энергиях бомбардировки из ядра могут вылететь несколько частиц или даже фрагменты ядра.

При облучении урана медленными нейтронами был обнаружен новый тип ядерных реакций — деление ядер с образованием более легких элементов. Объясняется это крайне просто — большое количество протонов в ядре порождают высокую энергию отталкивания, которая при любой существенной деформации ядра приводит к распаду.

В Советском союзе Петржаком и Флеровым в 1939-ом было открыто также явление самопроизвольного деления ядер урана.

IV. НУЖНО БОЛЬШЕ ЭНЕРГИИ!

В попытках получить частицы с энергией больше, чем несколько миллионов электрон-вольт, ученые строили огромные установки линейных ускорителей, но прогресса практически не было. Требовалось иное решение.

В 30-х годах начали активно разрабатываться новые методы ускорения, не требующие огромных напряжений.

Идея была проста. Конечно, не так проста, как «ружьё» с разностью потенциалов на концах, но ненамного сложнее. Ведь зачем один раз пропускать частицу через разность потенциалов в 10 миллионов вольт, если можно двести раз ее прогнать через потенциал в 50 тысяч вольт? А такое напряжение уже можно получить, закинув провод на ближайшие высоковольтные линии (не стоит повторять самостоятельно, поверьте). Но возникает проблема иного характера — как добиться успешного прохождения частицами ряда ускоряющих промежутков?

Сразу приходит на ум сделать так же, как в линейном ускорителе, просто перемежать между собой положительные и отрицательные электроды. Но тогда по выходу из ускоряющего поля частица попадёт в тормозящее и нужного эффекта мы не получим.

Чтобы получить постоянное ускорение, нужно, чтобы в каждом промежутке частица получала «попутное» поле. То есть требуется как-то переключать полярность электродов. Но, с учетом скорости частиц, это просто нереально.

Нереально. Для постоянного тока. Но если взять переменный ток с высокой частотой, проблема будет решена. Ведь каждый раз, как будет меняться направление тока, будет меняться и полярность ускоряющего потенциала.

Но возникает новая проблема. Нам что нужно? Чтобы частицы всегда, будучи в зазоре, попадали в ускоряющее поле. То есть, время пролета между щелями не должно меняться. Но частицы ускоряются. Решение весьма изящно — просто будем увеличивать длину электродов по направлению ускорения. Данный метод был назван резонансным.

Рис. 8. Схема реализации резонансного метода [5]

В идеальном случае частица должна пересекать щель в момент максимальной фазы напряжения, чтобы приращение энергии было наибольшим. При сохранении точного резонанса фаза частицы во время ускорения останется постоянной и всякий раз она будет приобретать все большую энергию, а скорость будет стремительно расти. Именно это ограничивало применение линейных резонансных ускорителей. В 30-х годах отсутствовали генераторы достаточно коротких волн, и приходилось строить очень длинные ускорители. Поэтому применялись они для ускорения тяжелых, не таких быстрых ионов.

V. МАГИЧЕСКАЯ СПИРАЛЬ

Ну вы же уже догадались, что произойдет дальше, верно? Да, именно так. Нашелся физик, которому было не жалко прибор и он его согнул в бараний рог. Точнее, в кольцо.

Действительно, зачем заставлять частицу бежать спринт по взлетной полосе, если ее можно загнать на кольцевую беговую дорожку на стадионе? Остается лишь вопрос, как это сделать.

Для этого достаточно всего лишь поместить частицы между полюсов электромагнита постоянного тока. Как известно ещё из школьной физики, в постоянном магнитном поле заряженная частица будет двигаться по окружности с постоянным радиусом. На нее при этом действуют сила Лоренца, направленная к центру окружности, и центробежная сила. Обе они направлены перпендикулярно к вектору скорости и работы не совершают, что означает, в идеальном случае, бесконечный бег частицы по кругу.

Но что будет, если мы ускорим частицу еще сильнее и увеличим ее энергию? Логично, что радиус ее траектории увеличится. И, при этом, внимание! Частота вращения нашей частицы никак не изменится! А что это значит? А значит это то, что мы можем, как и в линейном ускорителе, использовать высокочастотное электрическое поле.

Устройство циклотрона даже проще, чем линейного ускорителя. Всего два электрода, выполненных в форме буквы «D». Их назвали дуантами и расположили в промежуток электромагнита. Ион попадает из источника в промежуток между дуантами, и в момент, когда первый электрод имеет отрицательный потенциал, ускоряется и улетает в полость второго дуанта, где летит по дуге окружности. (Внутри дуанта электрическое поле отсутствует, оно вытесняется на внешнюю поверхность проводника.) Если никто не ошибся в расчетах, то к моменту выхода частицы в щель между дуантами полярность поменяется, и частица снова будет ускоряться, затем, будучи в полости дуанта, она опишет дугу большего радиуса.

Таким образом, двигаясь в резонансе с переменным электрически

© Habrahabr.ru