ХОЛОДНЫЙ ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ
Во 2-м и 3-м номерах нашего журнала мы сообщали о новом способе высвобождения атомной энергии, названном “каталитической реакцией”.
Ниже мы помещаем объяснение новой реакции, которое дал по нашей просьбе сотрудник кафедры статистической физики и механики МГУ Г.Е. Пустовалов.
* * *
До сих пор было известно два вида ядерных реакций, в ходе которых выделялось большое количество энергии.
Реакция расщепления. Энергия атомного ядра в этом случае выделяется, когда тяжелое ядро урана-235 раскалывается нейтроном на два более легких ядра других элементов. При этом выделяется еще несколько нейтронов, которые раскалывают новые ядра урана. Идет цепная реакция.
Нейтрон расщепляет ядро на две части, при этом вылетает несколько нейтронов и выделяется значительное количество энергии.
Другая реакция основана не на расщеплении тяжелых ядер, а, наоборот, на соединении легких ядер в более тяжелые. При соединении, например, ядер водорода и дейтерия (см. “Юный техник” № 2, 1956 г., статья “Как было изготовлено звездное вещество”) выделяется огромное количество энергии.
Реакцию синтеза атомных ядер до сих пор удавалось осуществлять только при сверхвысоких температурах, измеряемых миллионами градусов, – эти реакции называются термоядерными.
При нагреве до нескольких миллионов градусов легкие ядра соединяются в более тяжелые, выделяя энергию.
Первые опыты по достижению колоссальных температур в лаборатории и осуществлению управляемых термоядерных реакций сделаны советскими учеными.
В 1954 году несколькими советскими учеными – Я.Б. Зельдовичем, А.Д. Сахаровым и М.А. Марковым – было высказано предположение, что ядерный синтез может идти и. без использования высоких температур.
Одинаково заряженные частицы отталкиваются при встрече подобно бузинным шарикам в известном школьном опыте.
Прошло два года, и вот получены сведения, что предсказанная реакция была получена и сфотографирована.
Как же идет “холодный ядерный синтез”?
Прежде всего нам нужно поговорить о новых атомах – мезоатомах.
Существуют частицы – мезоны. Одни из них – m (мю)-мезоны – в 210 раз тяжелее электрона и заряжены также отрицательно. Попав в атом водорода, m -мезон “выгоняет” из него электрон, а сам начинает вращаться вокруг ядра, но гораздо ближе к нему (в 210 раз). Новый атом – “мезоатом” – плотнее, меньше обычного атома водорода. Вследствие того, что мезон вращается вблизи от ядра, действие его отрицательного заряда уравновешивается действием заряда ядра. В целом мезоатом ведет себя как незаряженная частица, как нейтрон.
Мезоатом водорода при встрече с ядром дейтерия может настолько близко подойти к нему, что мезон начнет вращаться сразу вокруг обоих ядер. На короткое время – всего около одной-двух миллионных долей секунды – образуется “мезомолекула”. Расстояние между ядрами станет настолько малым, что они соединятся в ядро гелия, как при термоядерной реакции.
При этом выделится энергия около 5400000 электроновольт, которая передастся мезону. Мезон полетит, передавая энергию встречающимся на его пути атомам, и в конце концов может снова попасть в атом водорода. Тогда все произойдет сначала. Однако время жизни m -мезона так коротко, что он может успеть помочь соединению всего одной-двух пар ядер водорода и дейтерия, а потом распадается на электрон и нейтрино.
Мы видим, что сам m -мезон в реакции участия не принимает, а играет как бы роль катализатора. Поэтому реакция получила название “каталитической”.
Мезоатом водорода предпочитает соединяться с ядрами тяжелого водорода.
Вверху: схема соединения ядер при каталитический ядерной реакции. Ниже: следы из пузырьков, образованные при прохождении заряженной частицы через водород в пузырьковой камере. По длине следа судят об энергии частицы. На фотографии в заголовке виден след m -мезона (из правого верхнего угла вниз). В конце этого следа образовался мезоатом. След возобновляется после синтеза и освобождения m -мезона.
Мезон, пролетая сквозь жидкость, оставлял за собой след из пузырьков водорода. Потом этот след прерывался: встретившись с атомом водорода, мезон образовывал мезоатом водорода. Мезоатом следа не оставлял, так как он ведет себя как незаряженная частица. Хотя мезоатому приходится двигаться главным образом среди атомов обычного водорода – камера наполнена природным водородом, – соединение мезоатома с ядром происходит только при встрече с ядром дейтерия. Образуется ядро гелия-3, вновь освобождается m -мезон, и снова появляется след из микроскопических пузырьков водорода.
Как отмечает руководитель работ, в ходе которых была обнаружена эта реакция, доктор Луис Альварес (Калифорнийский университет, США), эта реакция не имеет пока практического значения. Ведь для получения одного m -мезона надо затратить около 300 Мэв энергии, а получается всего 5,4 Мэв энергии, то есть почти в 60 раз меньше.
Кроме того, как мы уже знаем, m -мезоны очень недолговечны.
Но все же начало изучению ядерных реакций нового типа положено. Дальнейшие работы ученых покажут, можно ли будет получать значительные количества энергии с помощью каталитических реакций.
Катализатор, сам не участвуя в реакции, влияет на ее ход. Платина заставляет соединяться водород с кислородом
Юный Техник, Апрель 1957 г. №4, с.20-22