Владимир Алексеевич Лешковцев (16.08.1922—25.05.2015)
6
КВАНТ 2015/№3
К.Ю.Богданова мы встретили иную попытку объяснения эффекта с мелкими частицами. Там обсуждалось медленное переливание чая из сосуда с носиком (рис.7). По центру и по краям образовались два встречных течения (стрелки черного цвета). Эти течения можно увидеть по чаинкам, движущимся в них. И вот какое предлагается объяснение: «Довольно легко плывут против течения чаинки чая мате, когда в него наливают чистую воду с небольшой высоты. Причина необычного явления – стремление всей жидкости (мате + струя + вода в верхней чашке) уменьшить свою поверхностную энергию. Поверхностное натяжение мате ниже, чем у чистой воды. Поэтому поверхностно-активные вещества из мате устремляются вверх по струе, увлекая с собой чаинки. По-видимому, то же произойдет, если вместо мате взять мыльный раствор с чаинками». Значение коэффициента поверхностного натяжения для данного чая не оценивается и не приводится.
1 Адрес: http://www.sciencenews.org/view/generic/id/
351383/description Particles_defy_gravity_float_upstream
Между тем, подобное поведение можно наблюдать не только с чаем мате, но и с кофе, и с обычным чаем, и просто с мутной водой. По-видимому, автор обратил внимание на такое поведение именно в этих обстоятельствах. На наш взгляд, явление можно объяснить, проследив за движением чаинок. Наши стрелки, показывающие движение чаинок (а не воды!), на рисунке 7 выделены красным цветом. Основная причина такая же, что и у описанного нами явления. Действительно, в данном течении можно выделить два взаимно перпендикулярных направления: вдоль течения и поперек него. Поперек течения мениск обусловлен смачиваемостью жидкости, и поэтому чаинки уходят к краям сосуда. В продольном направлении чаинки сносит течение, но мениск у самого края – выпуклый. Чаинки, хотя и сопротивляются течению, но стремятся уйти назад – от выпуклости. Поэтому при аккуратном сливании жидкости и наблюдается обратное течение. А какое объяснение можете предложить вы, уважаемые читатели?
Владимир Алексеевич Лешковцев (16.08.1922–25.05.2015)
25 мая 2015 года ушел из жизни старейший сотрудник нашего журнала Владимир Алексеевич Лешковцев. Идее создания журнала «Квант» более полувека, однако вышел в свет он лишь после нескольких лет интенсивной подготовки и тщательного подбора редакционной коллегии и сотрудников редакции. Чтобы «Квант» «излучался» регулярно, месяц за месяцем, потребовались не только творческие усилия его авторов и членов редколлегии, но и умение сотрудников редакции обеспечить бесперебойность издательского процесса. Одним из тех, кто с первого номера журнала на протяжении двадцати лет отвечал за его выпуск, был Владимир Алексеевич Лешковцев, штатный заместитель главного редактора. Трудно сказать, кого Владимир Алексеевич не знал в Академии наук СССР и Академии педагогических наук СССР – учредителях журнала. Его близкие, буквально «на ты» контакты с огромным числом ученых и педагогов очень помогали в решении сложных проблем издания журнала. Однако Владимир Алексеевич занимался не только «текучкой» – его статьи по истории советской физики, рецензии и обзоры научно-популярных книг, связанные с памятными датами передовицы неоднократно появлялись на страницах «Кванта». Коньком же Владимира Алексеевича была рубрика «Уголок филателиста», представившая целую коллекцию марок научно-технической тематики. Нельзя не сказать и о его активной деятельности в качестве одного из лучших лекторов Всесоюзного общества «Знание», сотрудникам «Кванта» выпала удача постоянно убеждаться в его ораторском мастерстве, не сходя с рабочего места. Те, кого судьба тесно свела с Владимиром Алексеевичем Лешковцевым, не забудут совместную работу, доверительное общение с ним, его уроки мудрости, ценность которых лишь возрастает со временем.
12
КВАНТ 2015/№3
где и — некоторые постоянные. Эта формула неплохо описывает экспериментальную кривую зависимости удельной энергии связи от массового числа, хотя мы и оставили вне нашего рассмотрения несколько других, менее значимых, вкладов в эту энергию. Эта кривая наглядно показывает, что сначала с ростом массового числа А энергия связи быстро растет. Где-то в средней части таблицы Менделеева она достигает максимума, а затем начинает медленно уменьшаться.
График зависимости удельной (в расчете на один нуклон) энергии связи от массового числа
Рассмотрим теперь процесс деления ядра. Пусть ядерная «капля», поглотив попавший в нее извне нейтрон, начинает колебаться и в какой-то момент вытягивается. Минимальную поверхность при заданном объеме имеет сферическая капля. У вытянутой капли поверхностная энергия увеличивается, а энергия связи ядра соответственно уменьшается. С другой стороны, при растяжении ядра возрастает среднее расстояние между нуклонами, и энергия их электростатического отталкивания уменьшается, в результате чего энергия связи должна увеличиться. Если в этой борьбе победит электростатическое взаимодействие, ядро разорвется; если же поверхностное натяжение— ядро вернется в исходное состояние.
Деление тяжелого ядра в результате бомбардировки его нейтроном
Из полученного выражения для понятно, что судьба ядра во многом зависит от числа протонов Z и общего числа нуклонов А. С ростом порядкового номера элемента энергия электростатического отталкивания возрастает быстрее поверхностной энергии, поэтому делиться могут только тяжелые ядра. Причем деление тяжелых ядер может быть как спонтанным, так и под воздействием бомбардировки нейтронами. Спонтанные деления за время существования
Земли привели к тому, что в природе не осталось трансурановых элементов, теперь их можно получать только искусственно. А вот в процессе деления ядра в результате бомбардировки его нейтроном всегда испускается еще несколько нейтронов (для урана обычно 2—3). Эти нейтроны, в свою очередь, могут вызвать дальнейшие деления ядер, появится еще больше свободных нейтронов и так далее – произойдет нарастающая цепная реакция. Именно реализация на практике такой цепной ядерной реакции деления, сопровождающейся выделением огромного количества тепловой энергии, и опровергла пессимистическое предсказание Резерфорда. Однако этот самоподдерживающийся процесс происходит только в том случае, если масса уранового образца превышает некоторую «критическую» величину. Действительно, если масса выбранного образца невелика, то у каждого излучаемого при расщеплении ядра нейтрона, прежде чем столкнуться с другим ядром и вызвать новое деление, высока вероятность выйти из его объема. Если же масса образца превышает критическую величину, то цепная реакция «разгоняется»: в единицу времени происходит все большее и большее число делений ядер, которые приводят ко все большему и большему выделению тепла. При отсутствии контроля тепловыделения вскоре неизбежно происходит взрыв. Оценка критической массы урана-235, необходимой для возникновения цепной реакции, стала важнейшей задачей для физиков по обе стороны фронта во время Второй мировой войны. Кажется, немцы, в том числе и великий Вернер Гейзенберг, эту величину сильно завысили – получающаяся бомба им казалась слишком тяжелой, чтобы быть доставленной к цели самолетом. Возможно поэтому их атомный проект оказался лишь одним из нескольких направлений создания «чудесного оружия» (wunder waffe). По другую сторону Ла-Манша физик немецкого происхождения Рудольф Пайерлс, эмигрировавший из Германии в Великобританию с приходом к власти Гитлера в 1933 году, в своей оценке величины критической массы пришел к гораздо более оптимистичным выводам. Он даже опубликовал свои расчеты, однако без указания возможности военного применения этих результатов. Последнее, при чтении работы Пайерлса, пришло в голову Отто Фришу, австрийскому физику, который также эмигрировал в Великобританию. В 1940 году Фриш и Пайерлс написали меморандум, на этот раз строго конфиденциальный, который был представлен британским властям. В этом документе авторы описали основные этапы процесса создания атомной бомбы и оценили ее разрушительную силу. Вскоре союзники всерьез взялись за дело, и была разработана грандиозная программа ядерных исследований – Манхэттенский проект. Он стартовал в США в 1942 году и был реализован в течение трех лет в результате усилий большого коллектива ученых, среди которых, кроме Фриша и Пайерлса, были такие выдающиеся умы, как Энрико Ферми, Роберт Оппенгеймер, Ричард Фейнман и многие другие. Взрывом двух атомных бомб в Хиросиме и Нагасаки в августе 1945 года была завершена Вторая мировая война и начата атомная эра в истории человечества. В настоящее время деление ядер находит свое мирное применение в энергетике многих стран. Преобразование ядерной энергии в уже легко используемую электрическую энергию происходит, как правило, следующим образом. В реакторе ядерное топливо, обычно уран, при бомбардировке нейтронами распадается на ядра более легких элементов таблицы Менделеева. При каждом акте такого деления выделяется значительная энергия – и в этом суть процесса.