Antonio Hernandez-Fernandez - В делении сила. Ферми. Ядерная энергия.

• Название: В делении сила. Ферми. Ядерная энергия.
• Автор: Antonio Hernandez-Fernandez
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Физика
• Год: 2015

Энрико Ферми, один из главных ученых XX века, произвел революцию в физике первой половины столетия, внеся вклад в развитие таких дисциплин, как статистическая механика, теория квантов и ядерная физика. Ученый принял активное участие в создании первого ядерного реактора, что спустя несколько лет привело к появлению атомной бомбы, навсегда изменившей ход истории. Он был необыкновенным физиком, опередившим свое время, прообразом современного ученого, который вместо того, чтобы замыкаться в своей гениальности, окружал себя лучшими из лучших и работал в команде. Он запомнился своему поколению не только как великий исследователь, но и как превосходный педагог, взрастивший нескольких будущих лауреатов Нобелевской премии.

---

Общая схема бомб двух типов, разработанных в рамках Манхэттенского проекта: пушечная бомба на основе урана-235 и плутониевая бомба.

В феврале 1945 года правительство США запланировало взрыв первой атомной бомбы в истории: это был проект «Тринити». Президент Трумэн, сменивший Рузвельта, решительно хотел завершить войну и в мае 1945 года создал комиссию, которая должна была оценить целесообразность использования бомбы. Советские войска уже вошли в Берлин, Гитлер покончил с собой, а Германия 8 мая официально капитулировала. Однако японский фронт еще держался. Трумэн созвал научный комитет под руководством Оппенгеймера, Ферми, Лоуренса и Комптона, чтобы проконсультироваться о возможности применения ядерного оружия. Этот комитет отправил Трумэну 11 июня длинный документ, в котором рекомендовал не использовать атомную бомбу в военных целях или, самое большее, продемонстрировать японцам ее мощь на пустом пространстве. Члены комитета по-разному оценивали эффективность такой демонстрации. Если Ферми не верил в то, что она даст результат, то Силард предлагал организовать такой «показ» перед японскими учеными и военными. С другой стороны, бомбардировки уже привели к тысячам жертв среди мирного населения Японии. Военное командование оказывало на ученых все большее давление, так как число жертв росло, и американское общество хотело как можно быстрее положить конец конфликту. В своем докладе, составленном в конце июня, комитет писал:

«Запросили нашу точку зрения на первое использование нового оружия... Мнения наших коллег-ученых разделились и колеблются между простой технической демонстрацией и военным применением, которое скорее убедило бы японцев сдаться... Мы не в состоянии предложить техническую демонстрацию, которая положила бы конец войне; мы не видим другой приемлемой альтернативы, кроме как прямое использование в военных целях».

Месяц спустя, 16 июля 1945 года, в 5:29, в пустынной местности около Аламогордо, в южной части штата Нью-Мексико, была взорвана первая атомная бомба. Испытание «Тринити» было успешным и произвело ужасающее впечатление. В конце концов было решено использовать имплозивную плутониевую бомбу. Хэнфордские реакторы по указу генерала Гровса работали на полную мощность, чтобы произвести нужное количество плутония. Бомба была собрана. Сегодня мы сказали бы, что ее конструкция была избыточной, а структура — неоптимальной, но, тем не менее, она оказалась эффективной. Манхэттенский проект не мог позволить себе поражение.

Атомную бомбу можно считать одной из главных природных катастроф.

Энрико Ферми

Плутониевая бомба напоминала смертоносную луковицу. В ее центре находился инициатор — небольшой источник нейтронов полония и бериллия, который давал начало цепной реакции. Вокруг него — шар из плутония-239 весом 4,5 кг, окруженный природным ураном, который, в свою очередь, был окружен двумя тоннами взрывчатки. Его волны после детонации должны были вызвать сферический взрыв плутониевой сферы. Природный уран служил для того, чтобы направить нейтроны, участвующие в цепной реакции, к внешней стороне, а также задержать имплозию до необходимого момента. Ферми и другие ученые расположились примерно в 10 км от стальной башни, внутри которой находилась бомба, когда произошла детонация.

Следуя своему методу простого решения сложных задач, Ферми уронил на пол пачку бумажных листов ровно в тот момент, когда до него докатилась ударная волна. Затем он шагами измерил расстояние, на которое они отлетели, и смог примерно оценить мощь бомбы. Ко всеобщему удивлению, через несколько дней, когда были произведены более основательные подсчеты, его оценка подтвердилась. Ферми предположил, что энергия бомбы соответствовала 10 тысячам тонн тринитротолуола. Закончив вычисления, он вместе с остальными руководителями Манхэттенского проекта и представителями высшего военного командования сел в танк Sherman, покрытый свинцом, и подъехал к месту взрыва. Там образовался кратер радиусом 365 м, покрытый твердым стеклообразным слоем ярко-зеленого цвета — расплавленным и застывшим песком. Этот новый минерал назвали тринититом.

Бомбардировщик В-29 под названием Enola Gay сбросил 6 августа 1945 года на Хиросиму «Малыша» (Little Boy) — бомбу на основе урана-235, от которой погибли почти 100 тысяч человек. Плутониевая бомба «Толстяк» (Fat Man), сброшенная 9 августа с другого В-29, Bock’s Саг, стерла с лица Земли Нагасаки, уничтожив 40 тысяч человек. В следующие недели умерли тысячи раненых японцев. Смерти от лучевой болезни продолжались долгие годы, включая несколько последующих поколений. После этих двух величайших катастроф в истории человечества 14 августа Япония капитулировала.

Манхэттенский проект завершился так, как и предлагали его организаторы: оба вида бомб были протестированы в военных условиях. Жертвы среди гражданского населения были неизбежным «побочным эффектом». Однако ученые переживали эти события иначе. Те из них, кто принимал активное участие в проекте, 19 марта 1946 года в Чикаго получили от генерала Гровса медаль за заслуги. Ферми был в их числе. В дипломе, который ему вручили вместе с медалью, говорилось, что он «внес основополагающий вклад в успех создания атомной бомбы».

Ученый стал героем войны, но его мучила совесть. Годы спустя он высказывался за исключительно гражданское применение ядерной энергии. Нравственные страдания, вызванные его участием в разработке самого жуткого оружия массового поражения в истории, не покинули Ферми до самой смерти.

ГЛАВА 5 Парадокс Ферми

Благодаря космической радиации были получены сведения, позволившие открыть новые частицы. Ферми принял участие в развитии информатики, ставшей необходимой для работы с огромными массивами данных. Изучение космоса привело человечество к неизбежному вопросу: «Одни ли мы во Вселенной?»

И тогда ученый сформулировал свой знаменитый вопрос: «Почему нет никаких доказательств существования инопланетян, если, согласно статистике, должно быть множество других планет с разумной жизнью?»

Но Ферми также мучил и еще один вопрос, скорее нравственного толка: как он мог утверждать, что человечество должно найти способы мирного использования ядерной энергии, и в то же время участвовать в создании водородной бомбы?

Семья Ферми покинула Лос-Аламос 31 декабря 1945 года. Ученый вернулся в Чикаго, чтобы возобновить исследования по применению ядерной энергии в мирных целях и продолжить преподавательскую работу, которую он так любил. В январе следующего года Комптону удалось выделить средства на ускоритель частиц (бетатрон) мощностью 100 МэВ. Помимо этого Ферми ждали в Аргоннской лаборатории для работы над «Чикагской поленницей — 3» и другими проектами, а ему не нравилось бросать дела незавершенными. Ученый на десяток лет опередил развитие ядерной инженерии и думал над конструкцией ядерных реакторов, которые производили бы больше делимого материала, чем потребляли, так как количество плутония, производимого во время реакции, могло превышать количество используемого урана-235. Ферми настаивал на том, чтобы сконцентрироваться на мирном использовании ядерной энергии, в частности в сфере электроэнергетики; этому было посвящено его выступление на симпозиуме в мае 1946 года.

Ученый не стал ждать рассекречивания документов и в 1947 году опубликовал в журнале Science статью Elementary Theory of the Chain-reacting Pile («Элементарная теория котлов с цепными ядерными реакциями»). Это помогло ему подтвердить свой авторитет в области гражданских научных исследований. В то время Ферми входил в состав научного комитета, возглавляемого Оппенгеймером, который консультировал Комиссию по атомной энергии США (Atomic Energy Commission, АЕС). Это положение позволяло ученому свободно публиковать научные работы с одним условием: они не должны содержать подробностей, которые скрывались от коммунистов. Вместе с Леоной Маршалл Ферми начал эксперименты с «Чикагской поленницей — 3» и приступил к изучению интерференции нейтронов и электронов и распределения кварков. В 1940-е годы науку занимали вопросы: существует ли электрическое взаимодействие электрона с нейтроном? появятся ли при столкновении электронов и нейтронов новые частицы?

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ НЕЙТРОНАМИ И ЭЛЕКТРОНАМИ

Хотя, как мы знаем на данный момент, нейтроны являются нейтральными частицами, они состоят из d-кварка и и-кварка и, следовательно, имеют локальный заряд.

Известно, что в центре нейтрона на участке длиной примерно 0,3 фемтометра (1 фемтометр (фм) = 1015 м) имеется положительный заряд, который компенсируется отрицательным зарядом оболочки, расположенной примерно между 0,3 и 2 фм.