Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.) - Владимир Карцев

ферромагнитного и антиферромагнитного резонанса, акустического парамагнитного

резонанса и др. За свое открытие Завойскому в 1957 г. была присуждена Ленинская

премия.

Пирамиды ядерного века

Еще Демокрит был уверен, что, разрезая яблоко пополам, половинки — еще пополам,

четвертинки — снова пополам и так далее, можно дойти до мельчайших "атомов"

материи. Древнегреческий философ был прав; на 90-м раздвоении перед ним "лежало

бы" два атома. Но где взять "нож" для столь тонких разрезов? Сегодня нужные

инструменты есть, к их созданию причастны великий Лоуренс и не менее великий

Векслер, трудами которых вошли в практику ускорители элементарных частиц.

Существование последних без магнитов немыслимо.

О людях эпохи, об уровне развития ее науки и искусства мы судим прежде всего по

сохранившимся памятникам. Египетские пирамиды, римские акведуки, русские иконы,

флорентийские фрески, пещеры Аджанты, средневековые европейские соборы, более

близкие к нам по времени плотины и телескопы являются уникальными символами

ушедших эпох, подчас точнее воссоздающими те времена, чем пухлые тома хроник. А

среди памятников, которые оставит после себя наш беспокойный век, быть может,

наиболее яркими будут заброшенные к тому времени гигантские ускорители, которые,

как нельзя лучше, характеризуют ядерный век: состояние его науки, техники,

искусства, его материальные возможности и даже отношения между людьми и

народами. Ускорители — это пирамиды нашего века… Люди, причастные к этим

творениям, окружены заботой и вниманием; на них смотрит с восхищением весь мир;

они находятся на самом переднем крае человеческих знаний и мастерства; перед

ними неизведанные глубины вечности, космоса, материи, человеческой души…

Счастливы те известные и безвестные избранники, которые создают современные

ускорители — пирамиды ядерного века…

Это очень человеческая черта — присваивать одной яркой и незаурядной личности

заслуги, которые правильнее было бы отнести ко многим.

Так стало с Эрнестом Лоуренсом — "изобретателем" циклотрона. Как Колумб не

открыл Америки, так Лоуренс не изобрел циклотрона — ускорителя атомных частиц,

который за короткое время, благодаря неутомимому любопытству физиков, вырос до

исполинских, невероятных прежде размеров. До Лоуренса, вместе с Лоуренсом и

после него было много талантливых ученых, которые были бы вправе разделить с ним

честь открытия. Так, можно было бы упомянуть харьковских физиков, испытавших на

два года раньше Лоуренса устройство, напоминавшее циклотрон. Можно упомянуть и

многих других. Но спросите любого физика: "Кто изобрел циклотрон?" И он ответит

без колебаний: "Лоуренс".

Человек, который бы вдруг оказался на захламленной территории Калифорнийского

университета в 1932 г., мог заметить небольшое, буквально разваливающееся на

глазах здание, размещавшееся на пути в учебные химические лаборатории. Из здания

доносился натужный вой генераторов, сыпались искры, тлели огоньки в ртутных

выпрямителях. Все вокруг было залито светом мощных ламп. Суетились какие-то

люди. Здесь создавался циклотрон. Руководил работами Лоуренс.

Жизнь Эрнеста Лоуренса напоминает жизнь "типичного" счастливчика. Да, у Лоуренса

были все основания считаться счастливым. Как и большинство известных физиков

своего времени, он учился в нескольких университетах: Миннесотском, Чикагском и

Йельском. Еще раньше, в школе, его интерес к физике был поддержан учителем

Эйкли. В Йельском университете Лоуренс получил степень доктора философии

(примерно соответствует степени кандидата физико-математических наук) за его

исключительные способности к экспериментированию. Так, во время обучения в

Йельском университете еще в 1925 г. он предложил принципы осуществления цветного

телевидения, а позже самостоятельно построил такой телевизор (В 1965 г. японскими

фирмами был выпущен в продажу цветной транзисторный телевизор, работающий по

принципу, предложенному Лоуренсом.), предложил способ измерения отрезков времени

порядка одной миллионной доли секунды и т. д.

Особый интерес Лоуренса вызывало в то время ускорение ионов. Как это сделать? В

книге одного из наиболее известных создателей уникальных советских ускорителей

Е.Г.Комара "Ускорители заряженных частиц" сопоставляются различные методы

ускорения вещества. Действительно, что значит ускорить частицу, придать ей

энергию? Это значит увеличить ее скорость. Бросая камень, вы ускоряете

заряженные частицы, входящие в атомы камня. Ускорить частицы можно и другим

способом, например, выстреливая ими из ружья.

Рассмотрим этот случай. Пусть пуля массой 100 г летит со скоростью 1 км/с.

Какова кинетическая энергия пули? Она может быть рассчитана по известной

формуле: E = mv2/2 = 100 ·1010/2 эрг = 3,13·1017МэВ. Казалось бы,

стрельба — идеальный метод для ускорения частиц, поскольку с небольшими

затратами мы получили огромную энергию. Однако все обстоит не так просто. Эта

колоссальная энергия распределяется между частицами, и энергия каждой частицы в

отдельности, определяющая интенсивность ядерных превращений, будет, конечно,

ничтожной. Так, на каждый протон такой системы приходится всего 0,005 эВ

энергии, чего, естественно, совершенно недостаточно.

А что, если увеличить скорость пули? Скорость стоит в формуле для энергии в

квадрате и сильно влияет на степень ускорения. Расчеты, однако, показывают, что

увеличение скорости даже до космической также не приводит к достижению

достаточной энергии элементарных частиц.

Может быть, использовать для ускорения частиц идею, положенную в основу работы

всех электродвигателей? Пусть у нас будет очень длинный электромагнит — порядка

нескольких километров с полем в зазоре около 2 Тл. Если теперь в зазоре этого

электромагнита разместить проводник с током, то проводник начнет двигаться. К

концу своего движения он может приобрести значительную энергию, если, конечно,

не расплавится (чем большее хотим получить ускорение, тем большую плотность тока

в проводнике мы должны обеспечить). Это расплавление происходит в обычных

проводниках уже при скорости 107 см/с, его явно недостаточно для ускорения при

высоких энергиях.

Наиболее эффективным методом ускорения заряженных частиц оказывается их

ускорение в электрическом поле. Под влиянием разности потенциалов 1 млн В

частица приобретает энергию 1МэВ.

Однажды, занимаясь в библиотеке, Лоуренс прочитал статью немецкого автора о двух

вакуумированных трубках, между которыми было электрическое поле. Заряженная

частица, перескакивая из трубки в трубку, значительно увеличивала свою энергию.

"А почему бы, — подумал Лоуренс, — не соединить подряд четыре, десять, сто

трубок? Тогда мы могли бы в соответствующее число раз увеличить и энергию

частицы, может быть, довести ее до такой, которая будет достаточной, чтобы

разбить атом?.. Наверное, это возможно… Но тогда установка будет очень

длинной, может быть, несколько километров в длину… А что, если свернуть эти

трубки в спираль? Тогда их можно будет разместить на небольшом пространстве…

Но частицы движутся прямолинейно… Как заставить их бежать по спирали? Частицы

движутся прямолинейно не всегда: попав в магнитное поле, частицы начинают

двигаться по кругу… Значит, нужно применить магнитное поле — разместить эту

спираль из трубок между полюсами магнита…"

Так Лоуренс открыл принцип действия циклотрона. Это открытие оказало сильнейшее

влияние не только на жизнь самого Лоуренса, но и на дальнейшее развитие ядерной

физики.

Однако идея — это еще не все. И хотя две небольшие модели, построенные

Лоуренсом, свидетельствовали о правильности нового принципа, нужно было довести

этот принцип до возможности его практического использования. В течение пяти лет

Лоуренс вместе со своими студентами работает над проблемами обеспечения

сверхвысокого вакуума, создания мощных высокочастотных генераторов, подбора

магнита.

Нужно было спешить. Ускорители того времени уже давали протоны с энергией до 0,8

МэВ. Согласно работам Эрнеста Резерфорда и некоторым выводам квантовой механики,

протоны с энергией около 1 МэВ должны расщеплять атомы. Честь первым расщепить

атом была настолько заманчивой, что за нее с колоссальным энтузиазмом