Как расщепляется атом
В 1938 году ученые продемонстрировали, как ядра урана расщепляются надвое под действием нейтронов. Десятилетия спустя, несмотря на использование этого открытия в нашей энергетике, медицине, научных исследованиях и войнах, ядерное деление не спешит раскрывать свои секреты, ведь атомы – это дикая буря квантовой активности. Понять, как они ведут себя и как в них взаимодействуют между собой отдельные нуклоны, достаточно сложно даже для стабильных и спокойных атомов, не говоря уже о тех, подвергающихся значительным преобразованиям, сообщает 24 Канал со ссылкой на исследование, опубликованное в Physical Review Letters.
Смотрите также Антиматерия: что это такое и для чего она нам нужна
Чтобы облегчить это понимание, физики-теоретики из Лос-Аламосской национальной лаборатории и Вашингтонского университета разбили процесс разделения на четыре этапа.
- В первые 10-14 секунд (плюс-минус) введение медленного нейтрона заставляет ядро выпячиваться и перестраиваться в так называемой седловой точке, что делает атом похожим на крошечную арахисовую скорлупу.
- За этим быстро следует гораздо более быстрое смещение, которое называется "от седла к делению", где образуются фрагменты процесса деления. Это длится примерно 5×10-21 секунду.
- Третий этап происходит еще быстрее, превращаясь в относительное мгновение – 10-22 секунды. Во время деления или так называемого разрыва шейки, ядро полноценно распадается на части.
- На последнем этапе, который занимает ленивые 10-18 секунд, осколки распада приобретают форму и разлетаются, испуская нейтроны и гамма-лучи и потенциально порождая другие процессы распада после короткой задержки.
Далеко не одна теория описывает точную миграцию субатомных частиц "из арахиса в эскимо", хотя во многих случаях экспериментальные результаты либо противоречат базовым предположениям физики, либо не согласуются с "микроскопическим" моделированием взаимодействия между отдельными протонами и нейтронами.
Базируясь на концепции, разработанной ведущим автором, физиком Аурелом Булгаком, квантовая симуляция многих тел является самым точным изображением того, чего именно следует ожидать в момент расщепления, когда мостик, соединяющий две половины большого атомного ядра, сжимается и отделяется.
Расчеты для урана-238, плутония-240 и калифорния-252 при различных начальных условиях потребовали широкого использования суперкомпьютера Национальной лаборатории в Окридже Министерства энергетики США.
Аурел Булгак уверен, что это "самое точное и наиболее тщательно полученное теоретическое описание разрыва горловины, без каких-либо предположений и упрощений".
Мы имеем очень конкретный прогноз, которого до этого времени не существовало. Предыдущие теории всегда базировались на том, что "давайте предположим, что это происходит, и если это происходит, то это, вероятно, будет видно". Мы этого не делали. Мы просто ввели уравнения движения, известные в течение многих десятилетий в ядерной физике с высокой точностью, плюс квантовая механика, ничего больше,
– говорит Булгак.
Разделение атома, представлено во временном ряду / Фото Ибрагим Абдуррахман/Мэтью Кафкер/Аурел Булгак/Ионел Штецу
Симуляция обнаружила несколько сюрпризов в процессе деления, которые опровергают предыдущие предположения ученых – отсутствие квантовой случайности там, где ее ожидали увидеть, а также разницу во времени деления между двумя типами нуклонов, причем протонная шейка завершала свой разрыв раньше, чем нейтронная шейка.
Наряду с этим симуляция подтвердила спорные предположения о высвобождении высокоэнергетических нейтронов на стадии деления, причем модель ушла так далеко, что предсказала их энергию, угловое распределение и даже направление вылета.
Большинство экспериментов ищут их в направлении движения осколков деления, и они не могли различить нейтроны деления там, потому что большинство из них были тепловыми нейтронами, излучаемыми горячими осколками,
– говорит Булгак.
Имея на руках предсказания, следующий шаг — проверить, подтверждают ли эксперименты эти последние открытия о том, как атом расщепляется надвое.