Георгий Гамов - Приключения Мистера Томпкинса

• Название: Приключения Мистера Томпкинса
• Автор: Георгий Гамов
• Издательство: Бюро Квантум
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1993

В данную книгу включены два научно-популярных произведения известного американского физика и популяризатора науки — повесть «Мистер Томпкинс в Стране Чудес», не без юмора повествующая о приключениях скромного банковского служащего в удивительном мире теории относительности, и повесть «Мистер Томпкинс исследует атом», в живой и непринужденной форме знакомящая читателя с процессами, происходящими внутри атома и атомного ядра. Книга предназначена для школьников, студентов и всех, кто интересуется современными научными представлениями.

---

Едва профессор успел произнести эти слова, как дверь отворилась и в аудиторию вошел человек весьма внушительного вида с горящими глазами и нависшими кустистыми бровями. Обменявшись с профессором рукопожатиями, человек обратился к аудитории:

— Hoolgyeim es Uraim, — начал он. — Roviden kell beszelnem, mert nagyon sok a dolglom. Ma reggel tubb megbeszelesem volt a Pentagonban es a Feher Hazban. Delutan… О, прошу прощения! — воскликнул незнакомец. — Иногда я путаю языки. Позвольте мне начать еще раз.

Леди и джентльмены! Я буду краток, поскольку очень занят. Сегодня утром я присутствовал на нескольких совещаниях в Пентагоне и в Белом доме, а днем мне необходимо быть в Френч Флэте, штат Невада, где предстоит провести подземный взрыв. Вечером я должен произнести речь на банкете, который состоится на базе ВВС США Ванденберг в Калифорнии.

Теперь о главном. Дело в том, что в атомных ядрах поддерживается равновесие между силами двоякого рода — ядерными силами притяжения, которые стремятся удержать ядро в целости, и электрическими силами отталкивания между протонами. В тяжелых ядрах, таких как ядра урана или плутония, силы отталкивания преобладают, и ядра при малейшем возмущении готовы распасться на два осколка — продукты деления. Таким возмущением может быть один-единственный нейтрон, сталкивающийся с ядром.

Обернувшись к доске, гость продолжал:

— Вот делящееся ядро, а вот сталкивающийся с ним нейтрон. Два осколка деления разлетаются в стороны, и каждый из них уносит около одного миллиона электрон-вольт энергии. Кроме того, распадаясь, ядро выстрелило несколькими новыми нейтронами деления (обычно их бывает два в случае легкого изотопа урана и три в случае плутония). Реакция — бац, бац! — продолжается, как я изобразил здесь на доске. Если кусок делящегося материала мал, то большая часть нейтронов деления вырывается из его поверхности прежде, чем они имеют шанс столкнуться с другим делящимся ядром, и цепная реакция так и не начинается. Но если кусок делящегося материала имеет достаточно большие размеры (мы называем такой кусок критической массой), дюйма три-четыре в диаметре, то большинство нейтронов оказываются захваченными, и вся эта штука взрывается. Такое устройство мы называем бомбой деления (в печати ее довольно часто неправильно называют атомной бомбой).

Гораздо лучших результатов можно достичь, если обратиться к другому концу Периодической системы элементов, где ядерные силы превосходят электрическое отталкивание. Когда два легких ядра приходят в соприкосновение, они сливаются, как две капельки ртути на блюдечке. Такое слияние может произойти только при очень высокой температуре, так как электрическое отталкивание — мешает легким ядрам сблизиться и прийти в соприкосновение. Но когда температура достигает десятков миллионов градусов, электрическое отталкивание уже не в силах помешать сближению атомов и процесс слияния, или термоядерного синтеза, начинается. Наиболее подходящими ядрами для термоядерного синтеза являются дейтроны, т. е. ядра атомов тяжелого водорода. Справа на доске я изобразил простую схему термоядерной реакции в дейтерии. Когда мы впервые придумали водородную бомбу, нам казалось, что она станет благословением для всего мира, так как при ее взрыве не образуются радиоактивные продукты деления, которые потом разносятся по всей земной атмосфере. Но нам не удалось создать «чистую» водородную бомбу, потому что дейтерий, лучшее ядерное топливо, которое легко извлекается из морской воды, недостаточно хорошо горит сам по себе. Нам пришлось окружить дейтериевую сердцевину урановой оболочкой. Такие оболочки порождают множество осколков деления, и люди прозвали нашу конструкцию «грязной» водородной бомбой. Аналогичные трудности возникли и при проектировании управляемой термоядерной реакции с дейтерием и, несмотря на все усилия, нам так и не удалось осуществить ее. Но я уверен, что рано или поздно проблема управляемого термоядерного синтеза будет решена.

— Доктор Таллеркин, — спросил кто-то из аудитории, — могут ли осколки деления ядер при испытаниях грязной водородной бомбы вызвать опасные для здоровья человека мутации у населения всего земного шара?

— Не все мутации вредны, — улыбнулся доктор Таллеркин. — Некоторые мутации способствуют улучшению наследственности. Если бы в живых организмах не происходили мутации, то и вы, и я все еще были бы амебами. Разве вы не знаете, что эволюция жизни на Земле происходит исключительно благодаря мутациям и выживанию наиболее приспособленных мутантов?

— Уж не хотите ли вы сказать, — истерически закричала какая-то женщина в аудитории, — что мы должны рожать детей дюжинами и, отобрав наилучших, умервщлять остальных?

— Видите ли… — начал доктор Таллеркин, но в этот момент дверь отворилась и в аудиторию вошел человек в летной форме.

— Поторапливайтесь, сэр! — скороговоркой доложил он. — Ваш вертолет припаркован у входа и, если мы не вылетим сейчас же, вы не сможете вовремя прибыть в аэропорт, где вас ожидает специальный реактивный самолет!

— Прошу меня извинить, — обратился доктор Таллеркин к аудитории, — но мне пора идти. Isten veluk!

И они оба, доктор Таллеркин и пилот, поспешили из аудитории.

Глава 13 Резчик по дереву

Дверь была большая и массивная. Посредине на ней красовалась надпись, сделанная крупными буквами: «Осторожно! Высокое напряжение!». Но первое впечатление негостеприимства несколько смягчалось крупной надписью «Добро пожаловать!» на коврике у двери, и после минутного колебания мистер Томпкинс нажал на кнопку дверного звонка. Дверь открыл молодой ассистент, и мистер Томпкинс оказался в огромном помещении, добрую половину которого занимала замысловатая машина самого фантастического вида.

— Это наш циклотрон, или «атомная дробилка», как его называют в газетах, — пояснил ассистент, любовно поглаживая витки одной из катушек гигантского электромагнита, составляющего основную часть весьма внушительно выглядевшего орудия современной физики.

— Он позволяет получать частицы с энергией до десяти миллионов электрон-вольт, — с гордостью продолжал ассистент, — и немного найдется ядер, которые способны выдержать столкновение с частицей, движущейся с такой невообразимой энергией!

— Потрясающе интересно! — отозвался мистер Томпкинс. — Эти ядра, должно быть, очень прочны! Трудно поверить, что этакая махина была построена только для того, чтобы раскололось крохотное ядро крохотного атома. А как работает эта машина?

— Вы были когда-нибудь в цирке? — спросил мистера Томпкинса его тесть, внезапно возникая откуда-то из-за гигантского циклотрона.

— Разумеется, был, — ответил мистер Томпкинс, несколько удивленный неожиданным вопросом. — Вы хотите предложить мне пойти с вами сегодня в цирк на вечернее представление?

— Не совсем, — улыбнулся профессор. — Просто, если вам случалось бывать в цирке, это поможет вам понять, как работает циклотрон. Взгляните между полюсов этого огромного магнита и вы увидите круглый медный кожух. Он служит кольцом, в котором ускоряются различные заряженные частицы, используемые в экспериментах по бомбардировке ядер. В центре кожуха расположен источник, испускающий все эти заряженные частицы, или ионы. Вылетая из источника, ионы движутся с очень маленькими скоростями, и сильное поле, создаваемое магнитом, изгибает их траектории в небольшие окружности вокруг центра. Затем мы начинаем погонять частицы и разгоняем их до все больших и больших скоростей.

— Я понимаю, как погонять лошадь, — заметил мистер Томпкинс, — но как вам удается погонять крохотные заряженные частицы, выше моего разумения.

— А между тем это очень просто. Если частица движется по кругу, то все, что необходимо делать, это сообщать ей ряд последовательных электрических толчков всякий раз, когда частица будет проходить через определенную точку своей траектории, подобно тому, как в цирке тренер хлыстом подгоняет лошадь всякий раз, когда та, описывая по арене круг за кругом, пробегает мимо него.

— Но тренер видит лошадь, — возразил мистер Томпкинс. — А разве вы видите частицу, описывающую круг за кругом в той медной коробке, чтобы подтолкнуть ее в нужный момент?

— Разумеется, не вижу, — согласился профессор, — но это и необязательно. Вся хитрость устройства циклотрона состоит в том, что, хотя ускоряемая частица движется все быстрее и быстрее, она всегда совершает полный оборот за одно и то же время. Дело в том, что по мере увеличения скорости частицы радиус, а следовательно, и длина ее круговой траектории также соответственно увеличиваются. В результате ускоряемая частица движется по раскручивающейся спирали и всегда приходит в одно и то же место «кольца» через одинаковые промежутки времени. Все, что необходимо сделать, это поместить в данном месте какое-нибудь электрическое устройство, которое подталкивало бы частицу через одинаковые промежутки времени. Мы делаем это с помощью колебательного электрического контура, очень похожего на те схемы, которые вы можете видеть на любой радиостанции. Каждый электрический толчок не очень силен, но кумулятивный эффект многих толчков позволяет разгонять частицу до очень больших скоростей. В этом огромное преимущество циклотрона: он позволяет достигать такого же эффекта, как напряжение во многие миллионы вольт, хотя нигде в циклотроне вы не найдете высоких напряжений.