,
где R0 — сумма радиусов взаимодействующих ядер, w0 — кривизна барьера. Налетающие ионы могут и не вызвать Я. р., а испытать упругое рассеяние в поле кулоновских и ядерных сил. Угловое распределение ионов при упругом рассеянии (при иона порядка расстояния макс. сближения с ядром) имеет дифракционный характер. При меньших дифракционная структура исчезает. Энергетическая зависимость эффективных сечений для Я. р. тяжёлыми ионами носит, как правило, нерезонансный характер. Исключение составляет упругое рассеяние. В энергетической зависимости эффективного сечения упругого рассеяния 6 Li на 6 Li, 12 C на 12 C, 14 N на 14 N, 16 O на 14 N и др. в интервале энергии (x0 ~ 5—35 Мэв наблюдаются резонансы с шириной порядка нескольких Мэв и более тонкая структура.
Я. р. с тяжёлыми ионами характеризуются большим числом выходных каналов. Например, при бомбардировке 235 Th ионами 40 Аг с энергией 379 Мэв образуются ядра Ca, Ar, S, Si, Mg и Ne.
В случае Я. р. с тяжёлыми ионами различают: реакции передачи нуклонов, реакции передачи более сложных частиц и реакции слияния (образования составного ядра). Я. р., при которых происходит передача малого числа частиц или малой части энергии, называются мягкими соударениями. Их теория имеет много общего с теорией прямых реакций. Я. р., в которых происходит передача значительной массы или энергии, называются жёсткими соударениями или глубоко неупругими передачами. Угловые распределения продуктов этих Я. р. резко асимметричны; лёгкие продукты вылетают преимущественно под малыми углами к ионному пучку. Энергетическое распределение продуктов Я. р. имеет широкий максимум. Кинетическая энергия продуктов Я. р. близка к высоте выходных кулоновских барьеров и практически не зависит от энергии ионов.
При глубоко неупругих столкновениях ядер образуется короткоживущая промежуточная система. Несмотря на обмен массой и энергией, ядра промежуточной системы сохраняют индивидуальность за счёт прочно связанных сердцевин. В результате жёстких соударений образуется много новых нуклидов. В таких Я. р. могут возникать составные ядра с большими энергиями возбуждения (~100 Мэв ) и угловыми моментами ~50. Я. р. с образованием составного ядра служат для синтеза трансурановых элементов (слияние ядер мишений из Pb и Bi с ионами 40 Ar, 50 Ti, 54 Cr, 55 Mn, 58 Fe). Например, с помощью Я. р. 204 Pb(, 2n) был осуществлен синтез фермия .
Лит.: Блатт Дж., Вайскопф В., Теоретическая ядерная физика, М., 1954; Лейн А., Томас Р., Теория ядерных реакций при низких энергиях, М., 1960; Давыдов А. С., Теория атомного ядра, М., 1958; Мухин К. Н., Введение в ядерную физику, 2 изд., М., 1965; Волков В. В., в кн.: Тр. Международной конференции по избранным вопросам структуры ядра, т. 2, Дубна, 1976, с. 45—65.
И. Я. Барит.
Ядерные силы
Я'дерные си'лы , силы, удерживающие нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре. Обусловливают самые интенсивные из всех известных в физике взаимодействий (см. Сильные взаимодействия ). Я. с. являются короткодействующими (радиус их действия ~ 10-13 см , подробнее см. Ядро атомное ).
Ядерные цепные реакции
Я'дерные цепны'е реа'кции , ядерные реакции, в которых частицы, вызывающие их, образуются как продукты этих реакций. Пока единственная известная Я. ц. р. — реакция деления урана и некоторых трансурановых элементов (например, 239 Pu) под действием нейтронов. После открытия (1939) немецкими учёными О. Ганом и Ф. Штрасманом деления ядер нейтронами (см. Ядра атомного деление ) Ф. Жолио-Кюри с сотрудниками, Э. Ферми , У. Зинн и Л. Силард (США) и Г. Н. Флёров показали, что при делении ядра вылетает больше 1 нейтрона:
n+U ® А+В+ u. (1)
Здесь А и В — осколки деления с массовыми числами A от 90 до 150, u > 1 — число вторичных нейтронов. Я. ц. р. впервые была осуществлена Э. Ферми (1942).
Пусть только часть f общего числа вторичных нейтронов может быть использована для продолжения реакции деления. Тогда на 1 нейтрон первого поколения, вызвавший деление, придется К = uf нейтронов следующего поколения, которые вызовут деление, и если К , называемый коэффициентом размножения нейтронов, больше 1, то число таких нейтронов будет возрастать во времени t по закону: n = n u e (K-1) t/ t , где t — время жизни поколения нейтронов. Если К — 1 = 1, то число делений в единицу времени постоянно, и может быть осуществлена самоподдерживающаяся Я. ц. р., Устройство, в котором происходит регулируемая самоподдерживающаяся Я. ц. р., называется ядерным реактором . При достаточно больших значениях К — 1 реакция перестаёт быть регулируемой и может привести к ядерному взрыву .
Рассмотрим Я. ц. р. на природном уране, содержащем практически 2 изотопа: 238 U (99,29%) и 235 U (0,71%), содержание 234 U ничтожно. Ядро 238 U делится только под действием быстрых нейтронов с энергией (x> 1 Мэв и малым эффективным поперечным сечением sд = 0,3 барна. Напротив, ядро 235 U делится под действием нейтронов любых энергий, причём с уменьшением x сечение его деления о резко возрастает. При делении 238 U или 235 U быстрым нейтроном вылетает u~2,5 нейтрона с энергией от 0,1 Мэв до 14 Мэв. Это означает, что при отсутствии потерь Я. ц. р. могла бы развиться в природном уране. Однако потери есть: ядро 238 U могут захватывать нейтроны (см. Радиационный захват ) с образованием 239 U. Кроме того, при столкновении нейтронов с ядром 238 U происходит неупругое рассеяние, при котором энергия нейтронов становится ниже 1 Мэв , и они уже не могут вызвать деление 238 U. Бо'льшая часть таких нейтронов испытывает радиационный захват или вылетает наружу. В результате в этих условиях не может развиться Я. ц. р.
Для возбуждения Я. ц. р. в естественном уране используется замедление нейтронов при их столкновении с лёгкими ядрами (2 H, 12 C и др. замедлители). Оказалось, что сечение деления 235 U на тепловых нейтронах (sд (5) = 582 барна , сечение радиационного захвата в 235 U (с образованием 236 U) sд (5) = 100 барн , а в 238 Usp (8) = 2,73 барна. При делении тепловыми нейтронами n = 2,44. Отсюда следует, что число нейтронов h, которые могут вызвать деление 235 U, приходящееся на 1 поглощённый тепловой нейтрон предыдущего поколения, равно:
(2)
Здесь r8 / r5 — отношение концентраций 238 U и 235 U Это означает возможность развития Я. ц. р. в смеси природного урана с замедлителем.
Однако при делении на тепловых нейтронах рождаются быстрые нейтроны , которые, прежде чем замедлиться до тепловой энергии, могут поглотиться. Сечение радиационного захвата 238 U имеет резонансный характер, т. е. достигает очень больших значений в определённых узких интервалах энергии. Роль резонансного поглощения в Я. ц. р. на тепловых нейтронах в однородных (гомогенных) смесях урана и замедлителей была впервые исследована Я. Б. Зельдовичем и Ю. Б. Харитоном в 1940. В однородной смеси вероятность резонансного поглощения слишком велика, чтобы Я. ц. р. на тепловых нейтронах могла осуществиться. Эту трудность обходят, располагая уран в замедлителе дискретно, в виде блоков, образующих правильную решётку. Резонансное поглощение нейтронов в такой гетерогенной системе резко уменьшается по 2 причинам: 1) сечение резонансного поглощения столь велико, что нейтроны, попадая в блок, поглощаются в поверхностном слое, поэтому внутренняя часть блока экранирована и значительная часть атомов урана не принимает участия в резонансном поглощении: 2) нейтроны резонансной энергии, образовавшиеся в замедлителе, могут не попасть в уран, а, замедляясь при рассеянии на ядрах замедлителя, «уйти» из опасного интервала энергии. При поглощении теплового нейтрона в блоке рождается h вторичных быстрых нейтронов, каждый из которых до выхода из блока вызовет небольшое количество делений 238 U. В результате число быстрых нейтронов, вылетающих из блока в замедлитель, равно eh, где e — коэффициент размножения на быстрых нейтронах. Если j — вероятность избежать резонансного поглощения, то только ehj нейтронов замедлится до тепловой энергии. Часть тепловых нейтронов поглотится в замедлителе. Пусть q — вероятность того, что тепловой нейтрон поглотится в уране (коэффициент теплового использования нейтронов). В гомогенной системе:
,
в гетерогенной системе:
.
Здесь ru и r3 — концентрации урана и замедлителя, sп — соответствующие сечения поглощения, Ф — потоки нейтронов. В результате на 1 тепловой нейтрон первого поколения, совершающий деление, получается Кэф = ehjq нейтронов след. поколения, которые могут вызвать деление. К¥ — коэффициент размножения нейтронов в бесконечной гетерогенной системе. Если К¥ — 1 > 0, то реакция деления в бесконечной решётке будет нарастать экспоненциально.
Если система имеет ограниченные размеры, то часть нейтронов может покинуть среду. Обозначим долю нейтронов, вылетающих наружу, через 1—Р, тогда для продолжения реакции деления остаётся Кэф = К~Р нейтронов, и если К эф >1 , то число делении растет экспоненциально и реакция является саморазвивающейся. Т. к. число делений и, следовательно, число вторичных нейтронов в размножающей среде пропорционально её объёму, а их вылет (утечка) пропорционален поверхности окружающей среды, то Я. ц. р. возможна только в среде достаточно больших размеров. Например, для шара радиуса отношение объёма к поверхности равно R/3 , и, следовательно, чем больше радиус шара, тем меньше утечка нейтронов. Если радиус размножающей среды становится достаточно большим, чтобы в системе проходила стационарная Я. ц. р., т. е. R — 1 = 0, то такую систему называют критической, а её радиус критическим радиусом.
Для осуществления Я. ц. р. в природном уране на тепловых нейтронах используют в качестве замедлителя вещества с малыми сечением радиационного захвата (графит или тяжёлую воду D2 О). В замедлителе из обыкновенной воды Я. ц. р. на природном уране невозможна из-за большого поглощения нейтронов в водороде.
Чтобы интенсивность Я. ц. р. можно было регулировать, время жизни одного поколения нейтронов должно быть достаточно велико. Время жизни t0 тепловых нейтронов мало (t0 = 10-3 сек ). Однако наряду с нейтронами, вылетающими из ядра мгновенно (за время 10-16 сек ), существует небольшая доля m. т. н. запаздывающих нейтронов, вылетающих после b-распада осколков деления со средним временем жизни t3 = 14,4 сек. Для запаздывающих нейтронов при делении 235 U m»0,75-10-2 . Если Кэф >1+m, то время Т «разгона» Я. ц. р. (равное времени, за которое число деления увеличивается в e раз) определяется соотношением:
т. е. запаздывающие нейтроны не участвуют в развитии Я. ц. р. Практически важен другой предельный случай: Кэф — 1 << m, тогда:
т. е. мгновенные нейтроны не играют роли в развитии реакции. Т. о., если Кэф < 1 + m, то Я. ц. р. будет развиваться только при участии запаздывающих нейтронов за время порядка минут и будет хорошо регулируемой (роль запаздывающих нейтронов была впервые отмечена Зельдовичем и Харитоном в 1940).
Я. ц. р. осуществляется также на уране, обогащенном 235 U, и в чистом 235 U. В этих случаях она идёт и на быстрых нейтронах. При поглощении нейтронов в 238 U образуется 239 Np, а из него после двух b-распадов — 239 Pu, который делится под действием тепловых нейтронов, с n = 2,9. При облучении нейтронами 232 Th образуется делящийся на тепловых нейтронах 233 U. Кроме того, Я. ц. р. возможна в 231Pu и изотопах Cm и Cf с нечётным массовым числом (см. Ядерное топливо ). Из u нейтронов, образующихся в 1 акте деления, один идёт на продолжение Я. ц. р., и, если снизить потери, для воспроизводства ядерного горючего может сохраниться больше одного нейтрона, что может привести к расширенному воспроизводству горючего (см. Реактор-размножитель ).
Лит.: Галанин А. Д., Теория ядерных реакторов на тепловых нейтронах, 2 изд., М., 1959; Вейнберг А., Вигнер Е., Физическая теория ядерных реакторов, пер. с англ., М., 1961; Зельдович Я. Б., Харитон Ю. Б., «Журнал экспериментальной и теоретической физики», 1940, т. 10, в. 1, с. 29—36; в. 5, с. 477—82; Ферми Э., Научные труды, т. 2, М., 1972, с. 308.
П. Э. Немировский.
Ядерный взрыв
Я'дерный взрыв , грандиозный по своим масштабам и разрушительной силе взрыв , вызываемый высвобождением ядерной энергии . К возможности овладения ядерной энергией физики вплотную подошли в начале второй мировой войны 1939—45. Первая так называемая атомная бомба была создана в США объединёнными усилиями большой группы крупнейших учёных, многие из которых эмигрировали из Европы, спасаясь от гитлеровского режима. Первый испытательный Я. в. был произведён 16 июля 1945 близ Аламогордо (штат Нью-Мексико, США); 6 и 9 августа 1945 две американские атомные бомбы были сброшены на японские города Хиросима и Нагасаки (см. Ядерное оружие ). Энергия первых Я. в. оценивалась примерно в 1021 эрг (1014 дж ), что эквивалентно выделению энергии при взрыве около 20 тыс. т (кт ) тротила (энергию Я. в. обычно характеризуют его тротиловым эквивалентом ). В СССР первый атомный взрыв был осуществлен в августе 1949, а 12 августа 1953 в СССР было проведено первое испытание значительно более мощной водородной бомбы. В дальнейшем ядерные державы производили испытательные Я. в. с энергиями до десятков млн. т (Мт ) тротилового эквивалента.
К Я. в. может привести либо ядерная цепная реакция деления тяжёлых ядер (например, 235 U и 239 Pu), либо термоядерная реакция синтеза ядер гелия из более лёгких ядер. Ядра 235 U и 239 Pu делятся при захвате нейтрона на два осколочных ядра средней атомной массы; при этом рождается также несколько нейтронов (обычно два-три). Сумма масс всех дочерних частиц меньше массы исходного ядра на величину Dm , называемую дефектом массы . Дефекту массы, согласно соотношению А. Эйнштейна, отвечает энергия DЕ = Dm × c2 (с — скорость света), которая представляет собой энергию связи продуктов деления в исходном ядре. Высвобождение этой энергии при быстро развивающейся цепной ядерной реакции деления и приводит к взрыву. На одно делящееся ядро энергия DE составляет около 200 Мэв. В 1 кг 235 U или 239 Pu содержится 2,5 × 1024 ядер. При делении всех этих ядер выделяется огромная энергия, равная примерно 1021 эрг.
Возможность протекания цепной реакции деления обусловлена тем, что в акте деления рождается более одного нейтрона. Каждый из них также может произвести деление ядер. Следующее поколение нейтронов делит другие ядра и т. д. Например, если по два нейтрона каждого поколения производят деление, то через 80 поколений реакция, начавшаяся с одного нейтрона, приведёт к распаду всех ядер 1 кг делящегося вещества. Обычно не все нейтроны вызывают деление ядер, часть из них теряется. Если потери слишком велики, то цепная реакция развиться не может. Вероятность потери отдельного нейтрона тем выше, чем меньше линейные размеры и масса делящегося вещества. Предельные условия, когда в веществе может развиться цепная реакция, называются критическими. Они характеризуются плотностью, геометрией, массой вещества (например, существует критическая масса ). Делящееся вещество в ядерном заряде располагают так, чтобы оно находилось в докритических условиях (например, чтобы масса была рассредоточена). В нужный момент осуществляются сверхкритические условия (всю массу собирают вместе), и тогда инициируется цепная реакция. Собрать всю массу необходимо очень быстро, для того чтобы реакция протекала при возможно большей степени сверхкритичности и до разлёта нагревающегося вещества успела бы прореагировать возможно большая его доля. Возможности повышения мощности Я. в., основанного на цепной реакции деления ядер, практически ограничены, т. к. очень трудно большую массу делящегося вещества, вначале расположенную в докритической форме, достаточно быстро превратить в сверхкритическую.
Я. в. большой мощности с эквивалентом в миллионы и десятки млн. т тротила основаны на использовании реакции термоядерного синтеза. Основная реакция здесь — превращение двух ядер тяжёлых изотопов водорода (дейтерия 2 H и трития 3 H) в ядро гелия 4 He и нейтрон. В одном акте выделяется энергия 17,6 Мэв . При полном превращении 1 кг тяжёлого водорода выделяется энергия, примерно в 4 раза превышающая энергию деления 1 кг 235 U или 239 Pu . Для того чтобы положительно заряженные ядра 2 H и 3 H могли столкнуться и испытать превращение, они должны преодолеть действующие между ними электрические силы отталкивания, т. е. обладать значительной скоростью (кинетической энергией). Поэтому термоядерная реакция, используемая в водородной бомбе, протекает при очень высоких температурах — порядка десятков млн. градусов, что достигается при Я. в. атомной бомбы, применяемой в качестве «запала» в водородной бомбе. Поскольку водород в обычном состоянии представляет собой газ, при осуществлении термоядерного взрыва используют твёрдые водородсодержащие вещества 6 Li 2 H, 6 Li 3 H. Ядра лития и сами участвуют в термоядерной реакции, повышая энергетический выход термоядерного взрыва.
Непосредственно после завершения ядерной реакции к моменту времени 10-7 сек , отсчитываемому от её начала, выделившаяся энергия оказывается сосредоточенной в весьма ограниченных массе и объёме (порядка 1 т и 1 м 3 ). температура и давление при этом достигают колоссальных величин порядка 10 млн. градусов и миллиарда атмосфер. Существенная доля энергии высвечивается этим нагретым веществом в виде мягкого рентгеновского излучения, которое, однако, может распространиться на большое расстояние только при Я. в. в чрезвычайно разреженной атмосфере — на высотах порядка 100 км и выше. Во всех остальных случаях — при взрывах в воздухе на не очень больших высотах, под землёй, под водой — почти вся энергия взрыва переходит в среду, непосредственно окружающую вещество ядерного заряда: воздух, землю, воду. Под действием высокого давления в окружающей среде возникает сильная ударная волна . Я. в. порождает также проникающую радиацию — потоки гамма-квантов и нейтронов, которые уносят несколько процентов от всей энергии взрыва и распространяются в воздухе при атмосферном давлении на много сотен м .
Воздух в ударной волне Я. в. нагревается до сотен тыс. градусов и начинает ярко светиться, возникает так называемый огненный шар. Вначале поверхность огненного шара совпадает с фронтом ударной волны, и они вместе расширяются с большой скоростью. Например, при Я. в., эквивалентном 20 кт , в воздухе атмосферного давления через 10-4 сек радиус огненного шара равен примерно 14 м ; через 0,01 сек — 100 м . На этой стадии происходит отрыв ударной волны от границы огненного шара. Ударная волна, уже не вызывая свечение, уходит далеко вперёд; расширение огненного шара замедляется, а затем вовсе прекращается. Через 0,1 сек радиус огненного шара достигает своей максимальной величины — примерно 150 м ; температура свечения в этой стадии составляет около 8000 К. Через 1 сек яркость свечения начинает падать, и через 2—3 сек свечение практически прекращается. Всего на световое излучение приходится примерно треть всей энергии взрыва. Это излучение, более яркое, чем излучение Солнца, оказывает очень сильное поражающее действие, вызывая даже на расстоянии 2 км пожары, обгорание предметов, ожоги у людей и животных. Через 10 сек ударная волна уходит на расстояние 3,7 км от центра Я. в. Сильное разрушающее действие на дома, промышленные постройки, военную технику ударная волна Я. в. в 20 кт оказывает на расстоянии до 1 км .
Нагретый воздух огненного шара после прекращения свечения, будучи менее плотным, чем окружающий воздух, поднимается вверх под действием архимедовой силы (см. Архимеда закон ). В процессе подъёма нагретый воздух расширяется и охлаждается, в нём происходит конденсация паров воды. Так образуется характерное клубящееся облако Я. в. поперечником в сотни м . Через минуту оно достигает высоты 4 км , через 10 мин — 10 км . В дальнейшем это облако, содержащее продукты ядерных реакций, разносится ветрами и воздушными течениями на расстояния в десятки и сотни км . Продукты деления ядер обладают радиоактивностью, они испускают g -кванты и электроны. Под действием радиоактивности и вследствие выпадения радиоактивных осадков происходит радиоактивное заражение местности в области следа облака, которое является одним из опаснейших последствий Я. в., вызывая лучевую болезнь у людей и животных. Особенно опасны в отношении радиоактивного действия Я. в. на малой высоте, когда огненный шар при своём расширении касается поверхности Земли, вверх вздымается огромный столб пыли и земли, и радиоактивные продукты впоследствии выпадают вместе с пылью. Радиус действия ударной волны приблизительно пропорционален корню кубическому из значения энергии, выделяющейся при взрыве. Например, радиус очень сильного разрушающего действия Я. в. в 20 Мт примерно в 10 раз больше, чем для Я. в. в 20 кт , т. е. порядка 10 км . Такой взрыв может уничтожить большой город.
При Я. в. на очень больших высотах, выше 100—200 км , также возникают ударная волна и огненный шар, но в световое излучение переходит значительно меньшая доля энергии Я. в., т. к. вследствие сильной разреженности воздух излучает свет гораздо слабее. Одним из важнейших последствий высотного Я. в. являются возникновение больших областей повышенной ионизации с радиусом в десятки и даже сотни км и возмущение атмосферы. Ионизация вызывается действием рентгеновского и g-излучении (а также нейтронов) и приводит к серьёзным нарушениям в работе средств радиолокации и радиосвязи. Высотные Я. в., осуществленные в 1958—62 в США, показали, что устойчивая радиосвязь может прерываться на десятки мин.
При подводном взрыве примерно половина всей энергии содержится в первичной ударной волне, которая и производит основные разрушения. Для подводного взрыва характерно образование большого пузыря вокруг центра взрыва, который совершает пульсирующие движения, затухающие с течением времени. Вторичные волны, излучаемые за счёт пульсаций пузыря, оказывают значительно меньшее действие, чем первичная ударная волна. Радиус сильного разрушающего действия, приводящего к нототению кораблей (при Я. в. в 20 кт на небольшой глубине), составляет ~ 0,5 км . При подводном Я. в. появляется «султан» — огромный столб над поверхностью воды, состоящий из водяной пыли и брызг. Возникают также сильные поверхностные волны, которые распространяются на многие км (при взрыве в 20 кт на расстоянии 3 км от эпицентра взрыва высота гребня волны достигает 3 м ).
При подземном Я. в. разрушения производит также ударная волна. Как и при подводном взрыве, в центре возникает газовый пузырь высокого давления. При неглубоком взрыве образуется огромная воронка, в воздух поднимается столб пыли и земли. Подземный Я. в. вызывает толчок, по своему действию аналогичный землетрясению. По своей энергии Я. в. в 20 кт можно сравнить с землетрясением силой в 5 М (магнитуд) по шкале Рихтера (см. Магнитуда землетрясения ). Я. в. водородной бомбы в 20 Мт соответствует землетрясению с силой 7 М . Сейсмические волны подземных Я. в. регистрируются на расстояниях в тысячи км от места взрыва.
Ю. П. Райзер.
Подземные Я. в. применялись в мирных целях для крупномасштабных горных работ, добычи полезных ископаемых и др. Различают заглубленный Я. в. наружного действия и подземного (камуфлетного), когда радиус разрушающего действия не достигает поверхности земли. Я. в. наружного действия, с помощью которых можно направленно перемещать огромные массы горных пород (для вскрытия месторождений полезных ископаемых, строительства каналов, набросных плотин, водоёмов, искусственных гаваней и т. п.), требуют создания ядерных устройств и методов их детонации, гарантирующих отсутствие радиоактивного загрязнения атмосферы и полную безопасность биосферы. Камуфлетные Я. в. осуществляются при заглублении заряда до нескольких км . Эти взрывы интенсифицируют разработку истощённых нефтяных и газовых месторождений, создают (в пластичных породах) ёмкости-хранилища (для природного газа, нефтепродуктов, захоронения отходов и т. п.), позволяют дробить крепкие рудные тела (для их извлечения), ликвидируют аварийные газовые и нефтяные фонтаны.
Лит.: Действие ядерного оружия, пер. с англ., М., 1960; Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, 2 изд., М., 1966; Коул Р., Подводные взрывы, пер. с англ., М., 1950; Подземные ядерные взрывы, пер. с англ., М., 1962; Ядерный взрыв в космосе, на земле и под землей, пер. с англ., М., 1974; Атомные взрывы в мирных целях, М., 1970; Израэль Ю. А., Мирные ядерные взрывы и окружающая среда, Л., 1974.
Ядерный заряд
Я'дерный заря'д, устройство, содержащее запас ядерной энергии, заключённой в определённых веществах, и приспособления, которые обеспечивают быстрое освобождение энергии для осуществления ядерного взрыва. Я. з. бывают двух типов, один из которых по традиции называется атомным, другой — водородным. Действие Я. з. 1-го типа (атомной бомбы) основано на освобождении ядерной энергии при делении некоторых тяжёлых ядер (урана 235 U, плутония 239 Pu, см. Ядерный взрыв ); действие Я. з. 2-го типа (водородной бомбы) — на термоядерной реакции синтеза ядер гелия из более лёгких ядер (дейтерия, трития или их смеси с 6 Li), при которой выделяется примерно в 4 раза больше энергии, чем при распаде одинакового по массе количества делящегося вещества. Испытывались Я. з. мощностью от нескольких кт до нескольких десятков Мт тротилового эквивалента . Мощность Я. з. определяется как количеством содержащегося в заряде делящегося вещества или изотопов водорода, так и его конструкционными особенностями, создающими условия для вступления в ядерную реакцию максимального количества вещества. Важным элементом конструкции Я. з. является инициирующий заряд, создающий сверхкритические условия для делящегося вещества в атомном заряде и необходимую температуру в водородном заряде (в последнем случае в качестве инициирующего заряда применяется атомный заряд). При конструктивном оформлении Я. з. помещают в стальную оболочку, так что общая его масса вместе с инициирующими устройствами составляет обычно от нескольких сотен кг до нескольких т. При употреблении Я. з. в качестве ядерного оружия его для доставки к месту назначения помещают в авиационную бомбу, боевую головку ракеты, в торпеду и т. п.
Я. з. применялись в мирных целях для различных крупномасштабных взрывных работ, при добыче полезных ископаемых и т. д.
Лит. см. при ст. Ядерный взрыв .
Ядерный квадрупольный резонанс
Я'дерный квадрупо'льный резона'нс (ЯКР), резонансное поглощение электромагнитной энергии в кристаллах, обусловленное переходами между энергетическими уровнями, образующимися в результате взаимодействия ядер, обладающих электрическим квадрупольным моментом, с электрическим кристаллическим полем . ЯКР является частным случаем ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в кристаллах. Так называемый «чистый» ЯКР наблюдается в отсутствии постоянного магнитного поля.
Взаимодействие квадрупольного момента ядра с неоднородным внутренним электрическим полем Е кристалла приводит к появлению энергетических состояний, соответствующих различным ориентациям ядерного спина S относительно кристаллографических осей. Радиочастотное магнитное поле, так же как и в случае ЯМР, вызывает вынужденные магнитные дипольные переходы между этими состояниями, что обнаруживается как резонансное поглощение электромагнитной энергии. Т. к. энергия квадрупольного взаимодействия изменяется в широких пределах в зависимости от свойств ядра и структуры кристалла, то частоты ЯКР лежат в диапазоне от сотен кгц до тысяч Мгц. Положение энергетических уровней не зависит от ориентации осей кристалла относительно прибора, что позволяет пользоваться поликристаллическими образцами. Аппаратура, применяемая для исследования ЯКР, принципиально не отличается от спектрометров ЯМР.
При исследовании ЯКР измерения в отсутствии постоянного магнитного поля H0 дополняются измерениями в поле H0 В зависимости от соотношения между энергией квадрупольного взаимодействия ядра с полем Е и энергией магнитного взаимодействия с полем H0 говорят о квадрупольном расщеплении линий ЯМР или о зеемановском расщеплении в ЯКР.
Метод ЯКР применяется в ядерной физике для определения квадрупольных моментов ядер. Методом ЯКР исследуются также симметрия и строение кристаллов, степень упорядоченности макромолекул и характер химической связи. Исследования кристаллов основанных на связи между структурой кристаллов и значениями градиентов поля Е. Если в случае ЯМР структура кристаллов определяет только возмущения зеемановских уровней, приводящие к уширению и расщеплению линий, то в случае ЯКР структура кристалла определяет сами резонансные частоты. Для ЯКР характерна сильная зависимость ширины линий от наличия дефектов в кристалле. Измерение ширины линий позволяет исследовать внутренние напряжения, присутствие примесей и явления упорядочения в кристаллах.
Лит.: Абрагам А., Ядерный магнетизм, пер, с англ., М., 1963; Гречишкин В. С., Ядерные квадрупольные взаимодействия в твердых телах, М., 1973; Семин Г. К., Бабушкина Т. А., Якобсон Г. Г., Применение ядерного квадрупольного резонанса в химии, Л., 1972.
Ядерный магнетон
Я'дерный магнето'н , см. Магнетон .
Ядерный магнитный резонанс
Я'дерный магни'тный резона'нс (ЯМР), резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом, обусловленное переориентацией магнитных моментов атомных ядер. ЯМР — один из методов радиоспектроскопии . Наблюдается в сильном постоянном магнитном поле H 0 , на которое накладывается слабое радиочастотное магнитное поле H ^ H 0 . Резонансный характер явления определяется свойствами ядер, обладающих моментом количества движения и магнитным моментом:
m = g I. (1)
Здесь I — спин ядра, g — гиромагнитное отношение (величина, характерная для данного вида ядер), — Планка постоянная . Частота, на которой наблюдается ЯМР:
w0 = g H 0 . (2)
Для протонов в поле H0 = 104 э w/2p = 42,57 Мгц; для большинства ядер эти значения лежат в диапазоне 1—10 Мгц. Порядок величины резонансного поглощения определяется равновесной ядерной намагниченностью вещества (ядерным парамагнетизмом ): m0 = c0 H0 , где c0 — статическая ядерная восприимчивость.
ЯМР, как и другие виды магнитного резонанса , можно описать классической моделью гироскопа. В постоянном магнитном поле H0 пара сил, обусловленная магнитным моментом m, вызывает прецессию магнитного и механического моментов, аналогичную прецессии волчка под действием силы тяжести. Магнитный момент m прецессирует вокруг направления H 0 с частотой w0 = gH 0 , угол прецессии d остаётся неизменным (рис. 1 ). В результате воздействия радиочастотного поля H 1 резонансной частоты w0 угол d изменяется со скоростью gН 1 рад/сек , что приводит к значительным изменениям проекции m на направление поля H0 даже в слабом поле H 1 .
С квантовой точки зрения ЯМР обусловлен переходами между уровнями энергии взаимодействия магнитных дипольных моментов ядра с полем H 0 . В простейшем случае изолированных, свободных от других воздействий ядерных спинов, условие (m = I , I — 1,..., ..., — I ) определяет систему (2I + 1) эквидистантных уровней энергии ядра в поле H 0 . Частота w0 соответствует переходу между двумя соседними уровнями.
Представление об изолированных ядерных спинах является идеализацией; в действительности ядерные спины взаимодействуют между собой и с окружением, например кристаллической решёткой. Это приводит к установлению теплового равновесия (к релаксации ). Релаксационные процессы характеризуются постоянными T1 и T2 , которые описывают изменения продольной и поперечной составляющих ядерной намагниченности. Изменение первой связано с изменением энергии системы ядерных спинов в поле H 0 (спин-решёточная релаксация). Изменения поперечной составляющей определяются в основном внутренними взаимодействиями в самой системе спинов (спин-спиновая релаксация). Значения Ti лежат в пределах от 10-4 сек для растворов парамагнитных солей до нескольких ч для очень чистых диамагнитных кристаллов. Значения Ti изменяются от 10-41 сек для кристаллов до нескольких сек для диамагнитных жидкостей. Ti и Ti связаны со структурой и характером теплового движения молекул вещества. Для жидкостей T1 и T2 , как правило, близки, но становятся резко различными при кристаллизации, сопровождающейся всегда значительным уменьшением T1 . Большие T1 в очень чистых диамагнитных кристаллах объясняются малостью внутренних магнитных полей. В кристаллах, содержащих парамагнитные примеси, тепловой контакт с решёткой осуществляется немногими ядрами, находящимися вблизи от атомов примеси, где локальное поле значительно сильнее. Равновесное распределение, образовавшееся возле атома примеси, распространяется по всему кристаллу за счёт обмена состояниями соседних ядерных спинов в результате магнитного дипольного взаимодействия (спиновая теплопроводность). В металлах и сплавах основной механизм релаксации — взаимодействие электронов проводимости с ядерными моментами. Оно приводит также к сдвигу резонансных частот (см. Найтовский сдвиг ).
Резонансная линия имеет ширину Dw = 2/T2 (рис. 2 ). В сильных полях H1 наступает «насыщение» — увеличение ширины и уменьшение амплитуды линии при ½g½H1 > (T1 T2 )-1 /2 . Насыщение сопровождается уменьшением ядерной намагниченности. Этому соответствует выравнивание населённостей уровней в результате переходов, вызванных полем H1 . Ширина линий в кристаллах определяется магнитным полем соседних ядер. Для многих кристаллов спин-спиновое взаимодействие ядер настолько велико, что приводит к расщеплению резонансной линии.
Большое влияние на времена релаксации, ширину и форму линий ЯМР оказывает взаимодействие электрического квадрупольного момента ядер Q с локальным электрическим полем в веществе. В жидкостях ЯМР для ядер с большим Q удаётся наблюдать только на веществах с симметричным строением молекул, исключающим появление квадрупольного взаимодействия (например, 73 Ge в тетраэдрической молекуле GeCl4 ). В кристаллах квадрупольное взаимодействие часто даёт расщепление уровней ЯМР»mН 0 . В этом случае поглощение энергии определяется ядерным квадрупольным резонансом .
Спектры ЯМР в подвижных жидкостях для ядер со спином I = 1 /2 и Q = 0 отличаются узкими линиями (ЯМР высокого разрешения). Спектры высокого разрешения получаются для протонов, ядер 19 F, 13 C, 31 P и некоторых других ядер. Одиночные линии в этом случае получаются только если наблюдается ЯМР ядер, занимающих химически эквивалентные положения (например, линии водорода в спектрах воды, бензола, циклогексана). Все соединения более сложного строения дают спектры из многих линий (рис. 3 ), что связано с двумя эффектами. Первый, так называемый химический сдвиг, — результат взаимодействия окружающих ядро электронов с полем H 0 .
Возмущение состояний электронов вызывает уменьшение постоянной составляющей поля, действующего на ядра, пропорциональное H 0 . Величина химического сдвига зависит от структуры электронных оболочек и, т. о., от характера химических связей, что позволяет судить о структуре молекул по спектру ЯМР. Вторым эффектом является непрямое спин-спиновое взаимодействие. Непосредственное магнитное взаимодействие ядер в подвижных жидкостях затруднено из-за броуновского движения молекул; непрямое спин-спиновое взаимодействие обусловлено поляризацией электронных оболочек полем ядерных моментов. Величина расщеплений в этом случае не зависит от H 0 .
Наблюдение спектров ЯМР осуществляется путём медленного изменения частоты со поля H1 или напряжённости поля H0 . Часто применяется модуляция поля Но полем звуковой частоты. При исследованиях кристаллов лучшую чувствительность даёт метод «быстрой модуляции»: поле H0 модулируется звуковой частотой так, что процессы, определяемые временем релаксации T1 , не успевают завершиться за период модуляции, и состояние системы спинов нестационарно. Применяются также импульсные методы (воздействие поля H 1 ограничено во времени короткими импульсами). Важнейшие из них — метод спинового эха и фурье-спектроскопия .
Эдс индукции пропорциональна H2 0 . Поэтому обычно эксперименты выполняют в сильном магнитном поле. Основным элементом радиочастотной аппаратуры, применяемой для наблюдения ЯМР, является настроенный на частоту прецессии контур, в катушку индуктивности которого помещается исследуемое вещество. Катушка выполняет 2 функции: создаёт действующее на исследуемое вещество радиочастотное магнитное поле H 1 и воспринимает эдс, наведённые прецессией ядерных моментов. Контур включается в радиочастотный мост или в генератор, работающий на пороге генерации.
Методом ЯМР были измерены моменты атомных ядер, впервые исследованы состояния с инверсной заселённостью уровней. Исследования релаксационных процессов, ширины и тонкой структуры линий ЯМР дали много сведений о структуре жидкостей и твёрдых тел. ЯМР высокого разрешения представляет собой наряду с инфракрасной спектроскопией стандартный метод определения строения органических молекул. Тесная связь формы сигналов с внутренним движением в веществе позволяет использовать ЯМР для исследования заторможенных вращений в молекулах и кристаллах. ЯМР используется также для изучения механизма и кинетики химических реакций. На ЯМР основаны приборы для прецизионного измерения и стабилизации магнитного поля (см. Квантовый магнитометр ). За открытие и объяснение ЯМР (1946) Ф. Блоху и Э. Пёрселлу была присуждена Нобелевская премия по физике за 1952.
Лит.: Вloch F., «Physical Review», 1946, v. 70, № 7—8, p. 460; Bioembergen N., Purcell E.M., Pound R. V., там же, 1948, v. 73, № 7, p. 679; Абрагам А., Ядерный магнетизм, пер. с англ., М., 1963; Александров И. В., Теория магнитной релаксации. Релаксация в жидкостях и твердых неметаллических парамагнетиках, М., 1975; Сликтер Ч., Основы теории магнитного резонанса с примерами из физики твердого тела, [пер.], М., 1967; Попл Д., Шнейдер В., Бернстейн Г., Спектры ядерного магнитного резонанса высокого разрешения, пер. с англ., М., 1962; Эмели Дж., Финей Дж., Сатклиф Л., Спектроскопия ядерного магнитного резонанса высокого разрешения, пер. с англ., т. 1—2, М., 1968—69; Фаррар Т., Беккер Э., Импульсная и фурье-спектроскопия ЯМР, пер. с англ., М., 1973.
К. В. Владимирский.
Рис. 3. Спектр ЯМР протонов в чистом этиловом спирте. Расщепление резонансных линий групп OH, CH2 и CH3 обусловлено непрямым спин-спиновым взаимодействием.
Рис. 2. Спектральная линия ЯМР.
Рис. 1. Прецессия магнитного момента m ядра в поле H0 ; J — угол прецессии.
Ядерный парамагнетизм
Я'дерный парамагнети'зм , магнетизм веществ, обусловленный магнитными моментами атомных ядер. В постоянном магнитном поле H 0 существование магнитных моментов ядер приводит к слабому парамагнетизму в виде небольшой добавочной ядерной намагниченности M 0 = cH0 , где c — магнитная ядерная восприимчивость. Намагниченность M 0 в 106 — 108 раз меньше, чем в случае электронного парамагнетизма . Я. п. впервые обнаружен в 1937 Л. В. Шубниковым и Б. Г. Лазаревым (СССР) в твёрдом водороде. Изучается методом ядерного магнитного резонанса .
Ядерный ракетный двигатель
Я'дерный раке'тный дви'гатель (ЯРД), ракетный двигатель, в котором тяга создаётся за счёт энергии, выделяющейся при радиоактивном распаде или ядерной реакции. Соответственно типу происходящей в ЯРД ядерной реакции выделяют радиоизотопный ракетный двигатель , термоядерный ракетный двигатель и собственно ЯРД (используется энергия деления ядер). ЯРД состоит из реактора, реактивного сопла, турбонасосного агрегата (ТНА) для подачи рабочего тела в реактор из бака двигательной установки (где оно хранится в жидком состоянии), управляющих агрегатов и других элементов. В ядерном реакторе рабочее тело превращается в высокотемпературный газ, при истечении которого создаётся тяга. Газ для привода ТНА можно получить нагревом основного рабочего тела в реакторе. Сопло ТНА и многие другие агрегаты ЯРД аналогичны соответствующим элементам жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Принципиальное отличие ЯРД от ЖРД — в наличии ядерного реактора вместо камеры сгорания (разложения). Достоинство ЯРД — в их высоком удельном импульсе благодаря большой скорости истечения рабочего тела, достигающей 50 км/сек и более. По удельному импульсу ЯРД значительно превосходят химические ракетные двигатели , у которых скорость истечения рабочего тела не превышает 4,5 км/сек. В стадии технической разработки (1977) экспериментальный американский ЯРД «Нерва-I» («Nerva-1»); при массе 11 т развивает тягу свыше 300 кн при удельном импульсе 8,1 км/сек. К 1978 созданы экспериментальные образцы радиоизотопных ЯРД с тягой до нескольких н. Использование всех типов ЯРД предусматривается только в космосе.
Лит.: Бассард Р. В., Де-Лауэр Р. Д., Ракета с атомным двигателем, пер. с англ., М., 1960; их же. Ядерные двигатели для самолётов и ракет, пер. с англ., М., 1967.
Ядерный реактор
Я'дерный реа'ктор , устройство, в котором осуществляется управляемая ядерная цепная реакция , сопровождающаяся выделением энергии. Первый Я. р. построен в декабре 1942 в США под руководством Э. Ферми . В Европе первый Я. р. пущен в декабре 1946 в Москве под руководством И. В. Курчатова . К 1978 в мире работало уже около тысячи Я. р. различных типов. Составными частями любого Я. р. являются: активная зона с ядерным топливом , обычно окруженная отражателем нейтронов, теплоноситель , система регулирования цепной реакции, радиационная защита, система дистанционного управления (рис. 1 ). Основной характеристикой Я. р. является его мощность. Мощность в 1 Мет соответствует цепной реакции, в которой происходит 3·1016 актов деления в 1 сек.
В активной зоне Я. р. находится ядерное топливо, протекает цепная реакция ядерного деления и выделяется энергия. Состояние Я. р. характеризуется эффективным коэффициентом Кэф размножения нейтронов или реактивностью r:
r = (К¥ — 1)/Кэф . (1)
Если Кэф > 1, то цепная реакция нарастает во времени, Я. р. находится в надкритичном состоянии и его реактивность r > 0; если Кэф < 1 , то реакция затухает, реактор — подкритичен, r < 0; при К ¥ = 1, r = 0 реактор находится в критическом состоянии, идёт стационарный процесс и число делений постоянно во времени. Для инициирования цепной реакции при пуске Я. р. в активную зону обычно вносят источник нейтронов (смесь Ra и Be, 252 Cf и др.), хотя это и не обязательно, т. к. спонтанное деление ядер урана и космические лучи дают достаточное число начальных нейтронов для развития цепной реакции при Кэф > 1.
В качестве делящегося вещества в большинстве Я. р. применяют 235 U. Если активная зона, кроме ядерного топлива (природный или обогащенный уран), содержит замедлитель нейтронов (графит, вода и другие вещества, содержащие лёгкие ядра, см. Замедление нейтронов ), то основная часть делений происходит под действием тепловых нейтронов (тепловой реактор ). В Я. р. на тепловых нейтронах может быть использован природный уран, не обогащенный 235 U (такими были первые Я. р.). Если замедлителя в активной зоне нет, то основная часть делений вызывается быстрыми нейтронами с энергией xn > 10 кэв (быстрый реактор ). Возможны также реакторы на промежуточных нейтронах с энергией 1—1000 эв.
По конструкции Я. р. делятся на гетерогенные реакторы , в которых ядерное топливо распределено в активной зоне дискретно в виде блоков, между которыми находится замедлитель нейтронов (рис. 2 ), и гомогенные реакторы , в которых ядерное топливо и замедлитель представляют однородную смесь (раствор или суспензия). Блоки с ядерным топливом в гетерогенном Я. р., называются тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ'ами), образуют правильную решётку; объём, приходящийся на один ТВЭЛ, называется ячейкой. По характеру использования Я. р. делятся на энергетические реакторы и исследовательские реакторы . Часто один Я. р. выполняет несколько функций (см. Двухцелевой реактор ).
Условие критичности Я. р. имеет вид:
Кэф = К ¥ × Р = 1 , (1)
где 1 — Р — вероятность выхода (утечки) нейтронов из активной зоны Я. р., К ¥ — коэффициент размножения нейтронов в активной зоне бесконечно больших размеров, определяемый для тепловых Я. р. так называемой «формулой 4 сомножителей»:
