Цепная реакция. Неизвестная история создания атомной бомбы - Олег Фейгин

Фейнман – Нобелевский лауреат 1965 г. по физике «за фундаментальный вклад в развитие квантовой электродинамики, имевший глубокие последствия для физики элементарных частиц».

Выдающийся американский физик-теоретик родился в Нью-Йорке, в семье иммигрантов из Черновцов. После окончания средней школы в возрасте 15 лет успешно поступил в Йельский университет, а затем в аспирантуру Массачусетского технологического института, где и защитил докторскую диссертацию по физике. В 1952 г. перешел в Чикагский университет, где работал с Энрико Ферми. В возрасте 23 лет положил начало «кварковой» революции в физике элементарных частиц, опубликовав основополагающую работу по новым характеристикам микрочастиц – «странностям» и «очарованиям».

Классифицируя новые частицы, Гелл-Манн в 1964 г. предложил особую группировку элементарных частиц, из которой выросли кварковые модели. В них вводились кварки – очень необычные субэлементарные частицы, из которых состоят адроны. Название «кварк» Гелл-Манн взял из романа известного мистика Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов есть фраза «Три кварка для мистера Марка!» Кварки вскоре были признаны основополагающими составляющими элементарных частиц и прочно вошли в современную теорию кваркового взаимодействия, которая называется квантовой хромодинамикой (КХД) и во многом основывается на работах Гелл-Манна. Кроме того, в сотрудничестве с Ричардом Фейнманом ему удалось впервые прояснить природу электрослабого внутриядерного взаимодействия. В 1990-х гг. прошлого века Гелл-Манн занялся новой проблемой сложных систем и по результатам своих исследований написал популярную книгу «Кварки и ягуар: приключения в простом и сложном». Название книги взято из абстрактно-мистической поэмы Артура Шжэ, где повторяется рефрен: «Мир кварка непосредственно связан с ягуаром, мечущимся в ночи».

Словарь терминов

Абсолютно черное тело (АЧТ) – физическая абстракция, введенная Густавом Кирхгофом в 1862 г. и широко применяемая в термодинамике как идеализированное тело, поглощающее все падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Спектр излучения АЧТ определяется только его температурой. В классической теории излучения анализ спектра АЧТ привел к парадоксу «ультрафиолетовой катастрофы», решенной с помощью гипотезы квантов действия Макса Планка.

Адроны — микрочастицы, включающие барионы с полуцелым спином, состоящие из трех кварков, и мезоны обменного вида, участвующие в сильных ядерных взаимодействиях.

Альфа-распад – радиационный распад атомных ядер с испусканием альфа-частиц – ядер атомов гелия, состоящих из двух протонов и двух нейтронов.

Аннигиляция – процесс столкновения частицы и ее античастицы, при котором происходят рождение новых частиц и взрывное выделение энергии, а исходные частицы взаимно уничтожают друг друга.

Античастица – у каждой частицы материи есть соответствующая античастица. При соударении частицы и античастицы происходит их аннигиляция, в результате которой выделяется энергия и рождаются другие частицы.

Атом – наименьшая частица каждого химического элемента. Каждому химическому элементу соответствует совокупность определенных атомов. Связываясь друг с другом, атомы одного или разных элементов образуют более сложные частицы, например молекулы. Все многообразие химических веществ (твердых, жидких и газообразных) обусловлено различными сочетаниями атомов между собой. Атомы могут существовать и в свободном состоянии – в газе и плазме.

Атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. Размеры атома в целом определяются размерами его электронного облака и велики по сравнению с размерами ядра. Электронное облако атома не имеет строго определенных границ, поэтому размеры атома в значительной степени условны и зависят от способов их определения. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, удерживаемых ядерными силами. Положительный заряд протона и отрицательный заряд электрона одинаковы по абсолютной величине; нейтрон не обладает электрическим зарядом. Заряд ядра является основной характеристикой атома, обусловливающей его принадлежность к определенному химическому элементу. Порядковый атомный номер элемента в периодической системе Менделеева равен числу протонов в ядре. В электрически нейтральном атоме число электронов в облаке равно числу протонов в ядре. Однако при определенных условиях он может терять или присоединять электроны, превращаясь соответственно в положительный или отрицательный ион.

Атомное ядро – центральная положительно заряженная часть атома, состоящая из нуклонов – протонов и нейтронов. Масса атомного ядра примерно в более чем 400 раз больше массы всех атомных электронов. Размеры атомного ядра составляют ~ 10–12–10–13 см. Нуклоны удерживаются в ядре ядерными силами сильного взаимодействия, эффективными только на внутриядерных дистанциях Размеры атомных ядер зависят от количества составляющих их нуклонов. Средняя плотность ядерного вещества чрезвычайно велика по сравнению с плотностью обычных веществ и составляет около 1014 г/см3. Плотность распределения нуклонов в ядре почти постоянна в центральной его части и экспоненциально убывает на периферии.

Бета-распад — радиоактивное превращение атомных ядер с генерацией электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино.

Бозоны (Бозе-частицы) – микрочастицы с нулевым или целым спином, подчиняющиеся статистике Бозе – Эйнш– тейна.

Вакуум (вакуумное состояние) – в квантовой физике представляет собой «физический вакуум» как основное состояние с минимальной энергией, нулевыми импульсом, угловым моментом, электрическим зарядом и другими квантовыми числами квантованных полей. В математической физике используется понятие «математического вакуума», определяемого как состояние, в котором отсутствуют какие-либо реальные частицы и действие на который операторов уничтожения дает нулевой результат. По современным представлением вакуум перенаселен виртуальными частицами, участвующими в виртуальных процессах, проявляющихся в специфических эффектах взаимодействия с реальными частицами.

Виртуальные частицы — сверхкороткоживущие микрочастицы, возникающие и исчезающие в флуктуациях соответствующих квантовых полей. Чаще всего в физическом вакууме рождаются и исчезают гамма-кванты и электрон-позитронные пары.

Гамма-излучение – сверхкоротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны (< 5×10−3 нм) и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабовыраженными волновыми свойствами. Гамма-кванты электромагнитного поля представляют собой фотоны с высокой энергией. На электромагнитной шкале волн гамма-излучение граничит с рентгеновским излучением, занимая диапазон более высоких частот и энергий. Гамма-излучение испускается при переходах между возбужденными состояниями атомных ядер (энергии таких гамма-квантов лежат в диапазоне от ~1 кэВ до десятков МэВ), при ядерных реакциях (например, при аннигиляции электрона и позитрона, распаде нейтрального пиона и т. д.), а также при отклонении энергичных заряженных частиц в магнитных и электрических полях.

Гамма-излучение было открыто французским физиком Полем Виллардом в 1900 г. при исследовании излучения радия.

Гамма-распад – ядерный процесс, при котором возникает гамма-излучение. Гамма-кванты могут испускаться (поглощаться) атомными ядрами при переходах из одного квантового состояния в другое, при превращениях элементарных частиц, торможении заряженных частиц высокой энергии, синхротронном излучении.

Камера Вильсона – измерительное устройство, сконструированное в 1912 г. шотландским физиком Чарльзом Томсоном Риз Вильсоном для исследования заряженных частиц. Действие камеры основано на использовании явления конденсации пересыщенного пара в виде мельчайших капель жидкости на различных центрах конденсации, которыми могут служить ионы, образующиеся вдоль следов – треков заряженных частиц. Подобные следы хорошо видны и могут быть легко сфотографированы. Исследования в камере могут проводиться с искусственным и естественным радиационным фоном с использованием внутрикамерных источников и естественных потоков радиации, таких как ливни космических частиц, попадающие в камеру через прозрачную мембрану. Природа и свойства исследуемых частиц устанавливаются по их пробегу в скрещенных магнитных полях. Для исследования малоэнергетичных частиц камеру вакуумируют, а для высокоэнергичных, наоборот, заполняют газом при повышенном давлении иногда в десятки атмосфер. Камера Вильсона сыграла важную роль в изучении радиации, будучи на протяжении десятилетий практически единственным методом регистрации потоков и ливней самых различных излучений. Однако впоследствии камера Вильсона уступила свое место искровым и пузырьковым камерам.