Атомная энергия для военных целей - Генри Смит

12.30. В дополнение ко всему этому теоретический отдел провел значительную работу по анализу результатов предварительных экспериментов. Был произведен анализ обратного рассеяния нейтронов различными веществами оболочки. Проанализированы были также результаты экспериментов по увеличению числа нейтронов в субкритических количествах испытывающего деления вещества.

12.31. Эксперименты, выполненные группой экспериментальной ядерной физики в Лос-Аламосе, были двух родов: «дифференциальные» эксперименты, например, по определению поперечного сечения деления определенного изотопа нейтронами определенной скорости, и «интегральные» эксперименты, например, по определению среднего рассеяния нейтронов, получающихся при делении, тем или иным веществом оболочки.

12.32. Много ядерных постоянных уже было определено в Металлургической лаборатории Чикагского университета и в других местах, однако, некоторое число важных постоянных оставалось еще неопределенным, особенно тех, которые связаны с большими скоростями нейтронов. Некоторые из важнейших вопросов, подлежавших изучению, приводятся ниже:

1. Каковы поперечные сечения деления U-234, U-235, U-238, Pu-239 и т. д.? Как они меняются со скоростью нейтронов?

2. Каковы поперечные сечения упругого рассеяния для тех же ядер и ядер вещества оболочки? Как они меняются со скоростью нейтронов?

3. Каковы поперечные сечения неупругого рассеяния для перечисленных выше ядер?

4. Каковы поперечные сечения поглощения для процессов иных, чем деление?

5. Сколько нейтронов испускается на деление каждого из названных выше ядер?

6. Чем объяснить, что количество нейтронов, испускаемых на деление, не есть целое число?

7. Какова начальная энергия нейтронов, вылетающих при делении?

8. Меняется ли число или энергия таких нейтронов со скоростью падающих нейтронов?

9. Испускаются ли нейтроны при делении немедленно?

10. Какова вероятность спонтанного деления различных ядер, способных к делению?

12.33. В дополнение к попыткам найти ответы на эти вопросы, Лос-Аламосский отдел экспериментальной ядерной физики исследовал многие проблемы, представляющие большой научный интерес, которые, как ожидалось, играют существенную роль для атомной бомбы. Будет ли это так или нет, накопленный отделом запас знаний является неоценимым вкладом в общую проблему атомного ядра.

12.34. Экспериментальные методы. Предыдущие главы почти или совсем не содержат описания экспериментальных методов, за исключением методов наблюдения быстрых заряженных частиц (см. Приложение 1). Для того, чтобы получить ответы на поставленные выше десять вопросов, мы должны иметь возможность:

1. определять число нейтронов любой заданной энергии;

2. получать нейтроны любой требуемой энергии;

3. определять углы отклонения рассеиваемых нейтронов;

4. определять число происходящих делений;

5. обнаруживать другие следствия поглощения нейтронов, например, искусственную радиоактивность.

Укажем вкратце, как осуществляются такие наблюдения.

12.35. Обнаружение нейтронов. Существуют три явления, при помощи которых можно обнаружить нейтроны:

1. ионизация, производимая ядрами легких атомов, приведенных в очень быстрое движение упругими соударениями с нейтронами;

2. радиоактивный распад неустойчивых ядер, образовавшихся в результате поглощения нейтронов;

3. деление в результате поглощения нейтронов.

Все три процесса приводят к образованию ионов, причем эта ионизация может быть обнаружена электроскопами, ионизационными камерами, счетчиками Гейгера-Мюллера, камерами Вильсона, следами в фотографической эмульсии и т. д.

12.36. Обнаружение нейтронов является делом нетрудным, измерение же их скоростей представляет значительно более сложную задачу. Метод камеры Вильсона и метод фотографической эмульсии приводят к наиболее непосредственным результатам, но их применение требует большого труда. Гораздо чаще применяются методы селективного поглощения. Если пленку из вещества, способного поглощать нейтроны с энергиями лишь одного определенного интервала, поместить на пути нейтронов и затем ее удалить, то степень радиоактивности пленки будет пропорциональна числу нейтронов с энергиями, заключающимися внутри этого интервала. Можно также изучать индуцированную радиоактивность, относительно которой известно, что она вызвана нейтронами, энергия которых лежит выше определенного порога.

12.37. Остроумной схемой изучения действия нейтронов с какой-либо одной произвольно выбранной скоростью является метод «времени полета». В этом методе источник нейтронов модулируется, т. е. устроен так, что эмиссия нейтронов происходит короткими «вспышками» или «импульсами». Каждый импульс содержит весьма большое количество нейтронов с очень широким диапазоном скоростей. Мишень и детектор расположены на значительном расстоянии от источника, в нескольких футах или ярдах от него. Детектор также «модулируется» с той же периодичностью, но со сдвигом фаз. Регулировка фаз производится так, что детектор реагирует лишь в течение короткого интервала времени, начинающегося спустя некоторое время после того, как пучок нейтронов покинул источник. Таким образом, любое действие, отмечаемое детектором (например, деление в слое урана, нанесенном на внутренней поверхности ионизационной камеры), производится лишь теми нейтронами, которые достигают детектора в точности к начальному моменту его работы и поэтому проходят весь путь от источника за определенный промежуток времени. Измеренные эффекты, таким образом, будут обусловлены нейтронами, обладающими одной определенной скоростью.

12.38. Получение нейтронов. Все нейтроны получаются в результате ядерных реакций, и их начальная скорость зависит от баланса энергии. Если реакция эндотермична, т. е. если общая масса результирующих частиц больше массы исходных частиц, то реакция произойдет только в том случае, если бомбардирующие частицы обладают кинетической энергией, большей «пороговой энергии». При более высокой энергии бомбардировки, кинетическая энергия результирующих частиц, и в частности нейтронов, возрастает с повышением кинетической энергии бомбардирующих частиц над пороговым значением. Реакция Li7(p, n)Be7 поглощает 1, 6 MeV энергии, так как образующиеся частицы тяжелее исходных. Любая добавочная энергия падающих протонов переходит в кинетическую энергию продуктов реакции, так что максимальная скорость образовавшихся нейтронов повышается со скоростью падающих протонов. Для того, чтобы получить нейтроны с узким интервалом скоростей, нужно брать мишень малой толщины; протоны должны ударяться в мишень с одной и той же скоростью, а нейтроны необходимо наблюдать под определенным углом к пути падающих протонов.

12.39. Хотя к экзотермическим ядерным реакциям прилагаются те же законы сохранения энергии и количества движения, но выделяющаяся энергия обычно велика по сравнению с кинетической энергией бомбардирующих частиц и поэтому именно она определяет скорость нейтронов. Часто в одной и той же реакции получаются нейтроны разных энергий. Существуют реакции, дающие нейтроны с весьма большой энергией (близкой к 15 MeV).

12.40. Так как лишь небольшое число ядерных реакций применимо в качестве источника нейтронов, можно получить только определенные интервалы нейтронных скоростей. Не представляет никаких затруднений замедлить движение нейтронов, но невозможно сделать это замедление однородным, не расширяя интервала скоростей первоначальных нейтронов. Наиболее эффективным способом уменьшения скоростей нейтронов является применение замедлителя, как в случае графитового котла; этот котел сам по себе является превосходным источником тепловых или почти тепловых нейтронов с весьма малыми скоростями.

12.41. Определение углов отклонения. Трудности при измерении углов отклонения нейтронов в основном связаны с малой интенсивностью и ненадежностью интерпретации результатов опыта. Число нейтронов, рассеянных в каком-либо определенном направлении, может быть относительно мало, и «рассеянные» нейтроны почти всегда включают в себя много блуждающих нейтронов, возникающих при отражении от посторонних предметов.

12.42. Определение числа делений. Определение числа делений, производимых нейтронами или возникающих самопроизвольно, производится относительно просто. Здесь можно применять ионизационные камеры, счетчики и другие детекторы.

12.43. Обнаружение продуктов захвата нейтронов. Часто бывает желательно выяснить в деталях, что происходит с нейтронами, которые поглощаются, но не вызывают деления; примером может служить резонансный, или «радиационный» захват нейтронов ураном-238, превращающимся в U-239 и затем в плутоний. Подобные исследования обычно сводятся к микрохимическому разделению и изучению радиоактивности.