Що відбувається, коли атом розпадається на частини

Як розщеплюється атом

У 1938 році вчені продемонстрували, як ядра урану розщеплюються надвоє під дією нейтронів. Десятиліття потому, попри використання цього відкриття в нашій енергетиці, медицині, наукових дослідженнях та війнах, ядерний поділ не поспішає розкривати свої секрети, адже атоми – це дика буря квантової активності. Зрозуміти, як вони поводяться і як у них взаємодіють між собою окремі нуклони, досить складно навіть для стабільних і спокійних атомів, не кажучи вже про ті, що зазнають значних перетворень, повідомляє 24 Канал з посиланням на дослідження, опубліковане в Physical Review Letters.

Щоб полегшити це розуміння, фізики-теоретики з Лос-Аламоської національної лабораторії та Вашингтонського університету розбили процес поділу на чотири етапи.

• У перші 10^-14 секунд (плюс-мінус) введення повільного нейтрона змушує ядро випинатися і перебудовуватися в так званій сідловій точці, що робить атом схожим на крихітну арахісову шкаралупу.
• За цим швидко слідує набагато швидший зсув, який називається "від сідла до поділу", де утворюються фрагменти процесу поділу. Це триває приблизно 5×10^-21 секунду.
• Третій етап відбувається ще швидше, перетворюючись у відносну мить – 10^-22 секунди. Під час поділу або так званого розриву шийки, ядро повноцінно розпадається на частини.
• На останньому етапі, який займає ліниві 10^-18 секунд, осколки розпаду набувають форми і розлітаються, випускаючи нейтрони і гамма-промені та потенційно породжуючи інші процеси розпаду після короткої затримки.

Далеко не одна теорія описує точну міграцію субатомних частинок "з арахісу в ескімо", хоча в багатьох випадках експериментальні результати або суперечать базовим припущенням фізики, або не узгоджуються з "мікроскопічним" моделюванням взаємодії між окремими протонами і нейтронами.

Базуючись на концепції, розробленій провідним автором, фізиком Аурелом Булгаком, квантова симуляція багатьох тіл є найточнішим зображенням того, чого саме слід очікувати в момент розщеплення, коли місток, що з'єднує дві половини великого атомного ядра, стискається і відокремлюється.

Розрахунки для урану-238, плутонію-240 і каліфорнію-252 за різних початкових умов вимагали широкого використання суперкомп'ютера Національної лабораторії в Окріджі Міністерства енергетики США.

Аурел Булгак упевнений, що це "найточніший і найбільш ретельно отриманий теоретичний опис розриву горловини, без жодних припущень і спрощень".

Ми маємо дуже конкретний прогноз, якого до цього часу не існувало. Попередні теорії завжди базувалися на тому, що "давайте припустимо, що це відбувається, і якщо це відбувається, то це, ймовірно, буде видно". Ми цього не робили. Ми просто ввели рівняння руху, відомі протягом багатьох десятиліть у ядерній фізиці з високою точністю, плюс квантова механіка, нічого більше,
– каже Булгак.

Поділ атома, поданий у часовому ряді / Фото Ібрагім Абдуррахман/Метью Кафкер/Аурел Булгак/Іонел Штецу

Симуляція виявила кілька сюрпризів у процесі поділу, які спростовують попередні припущення вчених – відсутність квантової випадковості там, де її очікували побачити, а також різницю в часі поділу між двома типами нуклонів, причому протонна шийка завершувала свій розрив раніше, ніж нейтронна шийка.

Поряд із цим симуляція підтвердила спірні припущення про вивільнення високоенергетичних нейтронів на стадії поділу, причому модель пішла так далеко, що передбачила їхню енергію, кутовий розподіл і навіть напрямок вильоту.

Більшість експериментів шукають їх у напрямку руху осколків поділу, і вони не могли розрізнити нейтрони поділу там, тому що більшість з них були тепловими нейтронами, випромінюваними гарячими осколками,
– говорить Булгак.

Маючи на руках передбачення, наступний крок — перевірити, чи підтверджують експерименти ці останні відкриття про те, як атом розщеплюється надвоє.