Giới thiệu về Isaac Konstantinovich Kikoin

2

Thế Vận Hội

gia tốc rơi tự do $g^{=} 9,8$ ms, nhưng được kích hoạt khi vượt quá giá trị này. 4.3. Điện dung của tụ điện $С^{*}$ phải bằng bao nhiêu để thỏa mãn các điều kiện này? (0,6 điểm) Giả sử túi khí bung ra rất nhanh để tránh đầu người lái va vào kính chắn gió hoặc vô lăng. Giả sử sau một vụ va chạm, ô tô phanh với gia tốc không đổi bằng g và đầu người lái xe tiếp tục chuyển động với tốc độ không đổi. 4.4. Tìm thời gian $t_{1}$ kể từ khi bắt đầu phanh cho đến khi đầu người lái chạm vào vô lăng. Hãy tự ước tính khoảng cách tới vô lăng. (0,8 b.) 4.5. Tìm thời gian $t_{2}$ sau khi bắt đầu phanh để túi khí kích hoạt. Hãy coi chúng sẽ phồng lên ngay lập tức. So sánh $t_{2}$ với $t_{1}$. Liệu túi khí có thể kích hoạt kịp thời? (0,9 b.)

Bài toán 3 Trong vật lý, mối quan hệ giữa các đại lượng vật lý được thể hiện dưới dạng các đẳng thức, bên trái và bên phải của chúng phải cùng loại, tức là có cùng thứ nguyên. Ví dụ, không thể có vế phải của hệ thức có thứ nguyên chiều dài và vế trái có thứ nguyên thời gian. Sử dụng thực tế này, đôi khi có thể rút ra mối quan hệ vật lý mong muốn mà không cần giải bài toán bằng phương pháp phân tích. Ví dụ, để tìm thời gian mà một vật rơi từ độ cao h với gia tốc không đổi g, cần sử dụng các tham số bài toán h và g để xây dựng một đại lượng có thứ nguyên thời gian. Dễ dàng thấy rằng điều này có thể thực hiện được bằng cách duy nhất: T = a h g. Lưu ý rằng lời giải này bao gồm hệ số không thứ nguyên a không xác định, không thể xác định được bằng phương pháp đang xem xét. Hệ số này có thể bằng 1, 1/2, $3, \pi$ hoặc bất kỳ số thực nào khác. Phương pháp thu được các mối quan hệ vật lý này được gọi là phương pháp phân tích thứ nguyên. Trong phương pháp phân tích thứ nguyên, các hệ số không thứ nguyên không quan trọng. May mắn thay, trong hầu hết vật lý bài toán các hệ số này có cấp độ 1 và việc loại trừ chúng không làm thay đổi thứ tự của đại lượng vật lý. Do đó, việc phân tích các kích thước tại lời giải được đưa ra ở trên bởi bài toán sẽ đưa ra kết quả sau đáp số: $T^{=} h g$. Thông thường, thứ nguyên của một đại lượng vật lý được biểu thị theo thứ nguyên của bốn đại lượng vật lý cơ bản - M (khối lượng), L (chiều dài), T (thời gian) và K (nhiệt độ). Thứ nguyên của một giá trị x tùy ý được viết là [x]. Ví dụ: thứ nguyên của vận tốc v, động năng $E_{k}$ và nhiệt dung $C_{V}$ được biểu thị như sau: $[ v ]^{=} LT^{-} 1, [ E_{k} ]^{=} ML^{2} T^{-} 2$ và $[ C_{V} ]^{=} ML^{2} T^{-} 2 K^{-} 1$.

1. Các hằng số cơ bản và phân tích thứ nguyên 1.1. Biểu thị thứ nguyên của các hằng số cơ bản: hằng số Planck h, tốc độ ánh sáng c, hằng số hấp dẫn G và hằng số Boltzmann $k_{Б}$ dưới dạng thứ nguyên chiều dài, khối lượng, thời gian và nhiệt độ. (0,8 b.) Theo định luật Stefan-Boltzmann, công suất bức xạ của vật đen, được định nghĩa là tổng năng lượng phát ra từ một đơn vị bề mặt của vật đen trong một đơn vị thời gian, bằng $\sigma \theta^{4}$, trong đó $\sigma$ là hằng số Stefan-Boltzmann và $\theta$ là nhiệt độ tuyệt đối của vật đen. 1.2. Biểu thị thứ nguyên của hằng số Stefan–Boltzmann theo chiều dài, khối lượng, thời gian và nhiệt độ. (0,5 b.) Hằng số Stefan–Boltzmann không phải là hằng số cơ bản

55

tal hằng số vật lý, nhưng nó có thể được biểu thị thông qua các hằng số vật lý cơ bản h, c, G và $k_{Б}$, tức là bạn có thể viết $\sigma = ah^{\alpha} c^{\beta} G^{\gamma} k_{Б}^{\delta}$. Trong mối quan hệ này, a là một đại lượng không thứ nguyên thuộc cấp thống nhất. 1.3. Tìm $\alpha, \beta, \gamma$ và $\delta$ bằng phương pháp phân tích thứ nguyên. (1,0 b.)

2. Vật lý của lỗ đen Trong phần này bài toán cố gắng xác định một số tính chất của lỗ đen bằng phương pháp phân tích thứ nguyên. Theo định lý Hawking, “lỗ đen không có tóc”, tức là mọi đặc tính vật lý của lỗ đen được thảo luận trong phần này chỉ được xác định bởi khối lượng của nó. Một trong những đặc điểm vật lý quan trọng nhất của lỗ đen là diện tích bề mặt của “chân trời sự kiện” của nó. (Chân trời sự kiện xác định ranh giới của một lỗ đen. Bên trong vùng được xác định bởi chân trời sự kiện, trường hấp dẫn mạnh đến mức ngay cả ánh sáng cũng không thể thoát ra khỏi vùng này.) Bạn được yêu cầu tìm mối liên hệ giữa khối lượng m của một lỗ đen và diện tích A của chân trời sự kiện của nó. Diện tích này phụ thuộc vào khối lượng của lỗ đen, tốc độ ánh sáng và hằng số hấp dẫn. Như trong đoạn 1.3, mối quan hệ này có thể được biểu diễn dưới dạng $A = G^{\alpha} c^{\beta} m^{\gamma}. 2.1.$ Sử dụng phương pháp phân tích thứ nguyên để xác định $\alpha, \beta$ và $\gamma$. (0.8 b.) Từ kết quả trên cho thấy diện tích chân trời sự kiện của lỗ đen tăng khi khối lượng của nó tăng. Theo quan điểm cổ điển, không gì có thể rời khỏi chân trời sự kiện của lỗ đen, và do đó trong tất cả các quá trình vật lý, diện tích chân trời sự kiện của lỗ đen chỉ có thể tăng lên. Bằng cách tương tự với định luật thứ hai của nhiệt động lực học, Bekenstein đề xuất coi entropy S của lỗ đen tỷ lệ thuận với diện tích chân trời sự kiện của nó, tức là $S = \eta A$. Giả thuyết có thể trở nên hợp lý hơn bằng cách sử dụng một cách tiếp cận khác. 2.2. Sử dụng định nghĩa nhiệt động lực học của entropy $dS^{=} dQ \theta$, xác định thứ nguyên của entropy. (Ở đây dQ là lượng nhiệt mà hệ nhận được do trao đổi nhiệt, $\theta$ là nhiệt độ tuyệt đối của hệ.) (0.6 b.) 2.3. Biểu thị hằng số thứ nguyên $\eta$ dưới dạng hàm của các hằng số cơ bản h, c, G và $k_{Б}$. (1.1 b.)

3. Bức xạ Hawking Sử dụng phương pháp gần đúng bán cổ điển, Hawking đã chỉ ra rằng, trái ngược với quan điểm cổ điển, một lỗ đen có thể bức xạ giống như một vật đen ở nhiệt độ gọi là nhiệt độ Hawking. 3.1. Sử dụng các định luật nhiệt động lực học và công thức $E = mc^{2}$, trong đó năng lượng của lỗ đen được biểu thị theo khối lượng của nó, hãy biểu thị nhiệt độ Hawking $\theta_{X}$ của lỗ đen theo khối lượng và các hằng số cơ bản của nó. Hãy xem xét rằng lỗ đen không hoạt động trên môi trường của nó. (0,8 điểm) 3.2. Khối lượng của một lỗ đen bị cô lập thay đổi do bức xạ Hawking. Sử dụng định luật Stefan–Boltzmann để tìm sự phụ thuộc của tốc độ thay đổi khối lượng vào nhiệt độ Hawking của lỗ đen, và biểu thị tốc độ này theo khối lượng và các hằng số cơ bản của nó. (0,7 b.) 3.3. Tìm thời gian $t^{*}$ trong đó một lỗ đen cô lập có khối lượng m sẽ bốc hơi hoàn toàn, tức là sẽ mất toàn bộ khối lượng. (1.1 b.) Từ quan điểm nhiệt động lực học, lỗ đen biểu hiện một số tính chất kỳ lạ. Ví dụ, nhiệt dung của lỗ đen là âm. 3.4. Tìm nhiệt dung của lỗ đen khối lượng m. (0,6 b.)

4

KVANT 2008/№2

Mặt khác, chúng tôi không có ý định ngừng giảng dạy hoàn toàn. Hơn nữa, ý tưởng đã được hình thành là thành lập một trường toán và vật lý buổi tối dành cho trẻ em có năng khiếu tại Viện Kurchatov và dạy chúng ở đó bằng phương pháp riêng của chúng tôi. Vì vậy, kết luận thứ hai là mời Isaac Konstantinovich sử dụng khán giả của trường chúng ta để kiểm tra các ý tưởng của ông, những ý tưởng này sẽ được đưa vào khóa học vật lý mới. Tôi đã thông báo hai kết luận này cho nhà học giả qua điện thoại và nhận được sự đồng ý hợp tác sâu hơn của ông. Kể từ đó, những chuyến thăm văn phòng của I.K. đã trở nên khá thường xuyên. Lúc đầu tất cả chúng tôi đều xuất hiện ở đó cùng nhau. Tuy nhiên, nhiều lý do hàng ngày khác nhau đã dẫn đến việc tôi ngày càng bắt đầu đến một mình, đặc biệt là sau khi tạp chí «Kvant» được thành lập và tôi chịu trách nhiệm phụ trách chuyên mục “Phòng thí nghiệm «Kvant»”. * * * Thật không may, trong nhiều thập kỷ qua, ký ức của tôi bắt đầu giống như một bộ phim cũ. Đôi khi phim bị vỡ, các khung hình bị xóa thường nhấp nháy và âm thanh biến mất. Nhưng bỗng nhiên một lúc nào đó màu sắc xuất hiện, khung cảnh tràn ngập âm thanh và ý nghĩa. Tôi muốn nói về họ. Cảnh hành động hầu như luôn giống nhau - văn phòng của Isaac Konstantinovich. Cao, rất gầy, trong bộ vest đen thường ngày, anh ta ngồi trên ghế ở một chiếc bàn lớn và cầm trên tay một chiếc tẩu đã tắt. Có những tủ sách phía sau ghế và dọc theo các bức tường khác của văn phòng. Sách, sách, sách. Bằng tiếng Nga, tiếng Đức, tiếng Anh. Sách vật lý, kỹ thuật, sách tham khảo, từ điển… Trong văn phòng rộng lớn, trời nóng, tôi liên tục lau mình bằng khăn tay, còn I.K. rõ ràng là đang đóng băng. Có tin đồn rằng anh ấy vẫn chưa khỏi bệnh lao hoàn toàn và còn bị bệnh dạ dày. Đôi khi tôi hỏi những câu hỏi không liên quan trực tiếp đến chủ đề cuộc gặp của chúng tôi. Viện sĩ trả lời và bắt đầu nói về điều gì đó. Mặc dù có giọng nói trầm lặng nhưng anh ấy là một người kể chuyện tuyệt vời. * * * “Tôi đã học ở đâu? Khi chúng tôi chuyển đến Pskov, lúc đó là vào năm 21, tôi chuyển đến một ngôi trường cách nhà chúng tôi vài căn nhà. Trường Lao động số 1, Nhà thi đấu số 1 trước đây, nổi tiếng ở Pskov. Nó nổi tiếng vì điều gì? Thứ nhất, theo độ tuổi - nó được mở dưới thời Alexander I. Thứ hai, bởi đội ngũ giảng viên xuất sắc. Thứ ba, tất nhiên, bởi những sinh viên tốt nghiệp của chúng tôi. " Viện sĩ liệt kê một số cái tên thực sự nổi tiếng. Tôi nhớ các nhà văn Yu. Tynyanov và V. Kaverin, nhà vi trùng học L. Zilbert và nghệ sĩ violin G. Barinova. “Trong những năm này, trường học, giống như cả nước, rất nghèo. Lương giáo viên không đủ. Không có trưởng khoa vật lý, không có thủ thư. Và sau một thời gian, tôi được đề nghị, trên cơ sở tự nguyện, sắp xếp lại thư viện (và có hàng chục nghìn đầu sách) và cố gắng tổ chức ít nhất một số cuộc trình diễn về vật lý. Như người ta nói, “sẽ không có hạnh phúc, nhưng bất hạnh sẽ giúp ích.” Tôi đã dành tất cả thời gian rảnh của mình để sắp xếp và

Tôi ngấu nghiến đọc sách trong thư viện, chủ yếu là về vật lý và toán học, hoặc tự mình đưa ra những minh chứng về vật lý và thường tự mình lắp ráp những dụng cụ cần thiết. Đó là lúc tôi quyết định chắc chắn rằng mình sẽ trở thành một nhà vật lý.” Tôi lưu ý rằng những sở thích này rõ ràng không ảnh hưởng đến kết quả học tập chung của I.K., vì anh ấy tốt nghiệp ra trường năm 15 tuổi và đã “trượt” lớp hai lần. Sau này tôi được biết rằng Isaac Konstantinovich đã đến dự lễ kỷ niệm 180 năm thành lập nhà thi đấu đầu tiên và nói chuyện ở đó với các học sinh và giáo viên. * * * Khi tôi liên lạc với I.K. Tôi càng tin chắc vào trí nhớ tuyệt vời của anh. Thông thường vào cuối các cuộc gặp của chúng tôi, anh ấy quan tâm đến công việc của tôi và tin tức trong lĩnh vực vật lý neutrino. Và vì vậy, khi nói về các thí nghiệm nổi tiếng của nhóm giáo sư người Mỹ F. Reines, tôi đã đưa ra các giá trị về mặt cắt ngang cho sự tương tác của phản neutrino trong lò phản ứng với proton và deuteron. Vài tháng sau, khi I.K. hỏi mọi việc diễn ra như thế nào với luận án của tôi, tôi bắt đầu nói về tốc độ đếm dự kiến ​​của máy dò được thiết kế, và anh ấy nhanh chóng kiểm tra tính toán của tôi bằng cây bút chì trên một mảnh giấy nào đó nằm trên bàn (cảm ơn Chúa, kết quả trùng khớp). Chỉ sau vài phút tôi mới nhận ra rằng I.K. biết tiết diện neutrino từ đâu đó. Tôi hỏi anh ấy về điều này và nhận được một đáp số chán nản: “Nhưng chính anh đã đặt tên cho chúng cho tôi rồi.” Đây là những gì I.K. chính ông nói: “Tôi không thể phàn nàn về trí nhớ của mình. Ví dụ, khi tôi dạy kèm, tôi đã giải lại tất cả bài toán trong sách bài toán. Và trong kỳ thi tuyển sinh vào Học viện Bách khoa Leningrad, tôi thậm chí còn không đọc điều kiện bài toán mà nhìn vào con số mà giáo viên chỉ ra và nói ngay đáp số. Anh ấy đã kiểm tra và lần nào cũng rất ngạc nhiên. Và tôi đã giải thích rằng bài toán rất dễ và có thể giải bằng miệng. Và tôi chưa bao giờ viết ra các bài giảng, tôi ghi nhớ chúng ngay lập tức. Nhiều lần trong đời, một kỷ niệm đẹp đã cứu tôi theo đúng nghĩa đen. Và đôi khi cô ấy còn giúp ích rất nhiều cho người khác.” Và sau đó là một trong những câu chuyện thú vị của I.K. mà tôi sẽ cố gắng kể lại. “Đó là vào đầu những năm năm mươi. Sau đó, cuộc chiến chống lại sự nịnh bợ đối với khoa học nước ngoài đã diễn ra sôi nổi. Có lẽ đã có những lý do hợp lý trong chiến dịch này, nhưng họ rất nhanh chóng nhận ra mình bị chôn vùi theo đúng nghĩa đen dưới một đống bài báo, bài phát biểu và đơn giản là những lời tố cáo thiếu hiểu biết. Với sự giúp đỡ của họ, những người không thể hoặc không muốn tham gia vào khoa học thực sự đã cố gắng dọn đường lên đỉnh cao. Tất nhiên, bạn biết điều này ảnh hưởng đến sinh học của chúng ta như thế nào. Nó thực sự đã bị ném trở lại hàng thập kỷ. Họ cũng tấn công vật lý, thuyết tương đối và cơ học lượng tử. Họ tuyên bố rằng đây là những khoa học tư sản, hoàn toàn sai lầm. Thật tốt khi chúng không bị gọi cùng tên với điều khiển học. Nhưng ở đây những người chống lại chế độ cộng sản đã phải rút lui khá nhanh. Tôi sẽ không đi sâu vào chi tiết về vấn đề này, nhưng vào năm 1952, nhiều người làm việc trong dự án hạt nhân (trong đó có tôi) đã quay sang Chính phủ với yêu cầu

5

VỀ

ISAAC

KONSTANTINOVICH

ngăn chặn những suy đoán của các triết gia mới nổi về chủ đề bản chất tư sản của thuyết tương đối và cơ học lượng tử. Chúng tôi đã yêu cầu xuất bản một bài báo của Viện sĩ V.A. Fok, đặt mọi thứ vào đúng vị trí của nó. Tôi biết rằng Igor Vasilievich Kurchatov cũng đã nói về điều này ở phần trên cùng: nếu tất cả khoa học hiện đại đều không đúng, thì vũ khí nguyên tử không thể được tạo ra, công việc phải dừng lại. Người ta nói rằng lập luận này hóa ra là mạnh mẽ nhất và thậm chí còn được báo cáo cho Stalin. Bài báo của Fok đã được xuất bản và mọi cuộc tấn công đều dừng lại. * * * Tại một cuộc gặp gỡ, tôi đã hỏi I.K. nếu anh ta chuẩn bị cụ thể cho bài giảng và báo cáo khoa học của mình. Anh ấy sử dụng kỹ thuật gì để trình bày một chủ đề phức tạp và được khán giả hiểu đầy đủ? Thật không may, trí nhớ của tôi chỉ còn lại những đoạn trích từ những gì nhà học giả nói về điều này bằng giọng nói trầm lặng của mình. “Đây là Abram Fedorovich <A.F. Ioffe, giáo viên I.K. – A.B.> nói rằng một báo cáo khoa học không nên giống một câu chuyện trinh thám. Ngay từ đầu, người nghe nên biết mục tiêu chính của tác phẩm, những khó khăn chính của nó và những gì mới đã được thực hiện. Sau đó, bạn có thể chuyển sang chi tiết. Joffe, tại một trong những buổi hội thảo của chúng tôi, đã trích dẫn một lưu ý của Mark Twain cho diễn giả: “Nếu lời nói của bạn có ý nghĩa gì, thì đừng ngần ngại nói ra. Chúng ta phải tôn trọng người nghe. Bạn không thể vẫy con trỏ vào một bảng gồm hai mươi hàng và mười cột, tất cả đều chứa đầy các con số và nói rằng từ đó có thể dễ dàng nhận ra rằng điều này điều nọ là đúng, nhưng điều này không đúng, và hãy nhanh chóng chuyển sang tấm áp phích tiếp theo.” Tôi nhớ rằng I.K. than thở rằng việc phát biểu trước một khán giả chưa rõ năng lực là điều đặc biệt khó khăn. Và ông lấy ví dụ về một sự cố xảy ra khi thực hiện dự án nguyên tử: “Kurchatov đã yêu cầu một chương trình giáo dục về vấn đề tách đồng vị cho quản lý cấp cao. Vì mọi người đều có vẻ rất thích kinh doanh và hiểu biết nên tôi đã giải thích chi tiết suy nghĩ của mình. Hơn nữa, tôi bắt đầu quan tâm đến chủ đề này. Khi kết thúc, anh nhìn khán giả và nhìn vào vẻ ngoài của họ, anh nhận ra rằng họ hoàn toàn hoang mang. Có gì để làm, bắt đầu lại từ đầu? Igor Vasilievich đã cứu tôi. Tôi bắt đầu hỏi những câu hỏi đơn giản nhất, hết câu này đến câu khác. Tôi đã trả lời một cách phổ biến và chi tiết nhất có thể. Vì vậy, hai chúng tôi đã đạt được sự hiểu biết.” * * * Trong một chuyến thăm, cuộc trò chuyện chuyển sang phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát. I.K. cầm trước mặt anh ấy cuốn sách “Định luật điện từ” mới xuất bản của chúng tôi từ bộ “Thư viện của trường Vật lý và Toán học” và bày tỏ nhận xét của mình. “Tại sao bạn viết rằng việc tạo ra năng lượng nhiệt hạch là vấn đề của tương lai gần? Gần đến mức nào? Tôi nghĩ sẽ rất tốt nếu con bạn nhìn thấy “tương lai” này, nhưng tôi thực sự nghi ngờ điều đó.” Phải nói rằng cụm từ về năng lượng nhiệt hạch trong sách là hoàn toàn không cần thiết. Không có gì thêm về chủ đề này, chỉ là các tác giả, những người liên tục nhắc đến Ampere, Faraday, Maxwell, muốn

KIKOINE

muốn thể hiện sự hiện đại và linh hoạt của họ. Tuy nhiên, tôi thực sự ngạc nhiên: “Làm sao có thể, họ liên tục viết khắp nơi rằng nhân loại sẽ sớm làm chủ được phản ứng tổng hợp nhiệt hạch. Cần phải tăng kích thước của buồng bánh rán, và mặc dù điều này khó khăn về mặt kỹ thuật bài toán, nhưng nó khá có thể giải quyết được. Và thậm chí Kurchatov còn nói…” người đàn ông tầm cỡ như anh ấy Vào đầu những năm 50, chúng tôi đã thảo luận về vấn đề này, anh ấy đề nghị cùng nhau giải quyết nó, anh ấy khăng khăng. Lúc đầu, tôi rất hào hứng và thậm chí còn thiết kế một chiếc bánh rán. Nhưng sau một thời gian, tôi nhận ra rằng có thể đạt được kết quả tích cực sau một thời gian dài, vượt xa đáng kể giới hạn của cuộc đời tôi. * * * Tôi đang đọc lại những gì mình đã viết và rất tiếc nhận ra rằng trong quá trình giao tiếp với I.K. Tôi thậm chí không thể tưởng tượng được công việc khổng lồ mà anh ấy đang làm trong “chuyên môn chính” của mình vào thời điểm đó. Phải mất nhiều thập kỷ qua, trong thời gian

I.K. Kikoin nhận Bằng khen của Bộ Giáo dục

6

KVANT 2008/№2

trong đó chi tiết về việc thực hiện dự án nguyên tử dần dần được giải mật và xuất hiện trên báo chí để bắt đầu hiểu điều này. Nhưng ngay cả khi liên lạc với nhân viên của Isaac Konstantinovich, cuối cùng tôi cũng biết được rằng ngày làm việc của anh ấy đã vượt quá 12 giờ. 8h30 sáng anh từ nhà đến cơ quan làm quen với những việc cấp bách và ký giấy cấp bách. Lúc 9–10 giờ, tôi dẫn kỹ sư trưởng đi tham quan các phòng thí nghiệm và bộ phận sản xuất. Tại đây, ngay tại chỗ, các vấn đề nảy sinh đã được thảo luận và giải quyết cũng như đưa ra hướng dẫn. Đến 11 giờ, anh đến tòa nhà tách đồng vị đến “bàn xoay” (máy ly tâm) và ngồi xuống đó trong hội trường. Bất kỳ nhân viên nào cũng có thể tiếp cận anh ta để hỏi những câu hỏi của họ. Sau đó I.K. anh trở lại văn phòng của mình và tiếp tục công việc kinh doanh, liên lạc với những nhân viên đã được gọi điện hoặc tự mình đến gặp anh. Đôi khi tôi đã đến các cơ quan chức năng khác nhau. Ngày làm việc kết thúc lúc 9-10 giờ tối. Cuộc trò chuyện buổi tối của chúng tôi, mặc dù thực tế là Bộ trưởng I.K. hoãn những cuộc điện thoại không đặc biệt khẩn cấp sang ngày hôm sau; họ liên tục bị gián đoạn bởi những cuộc gọi khẩn cấp, thường là đường dài. Đôi khi có tín hiệu liên tục từ một chiếc điện thoại màu trắng, không có mặt số mà chỉ có quốc huy màu vàng - “Kremlin”. Tôi rời văn phòng và đợi cuộc trò chuyện kết thúc. Khi chúng tôi thức đến rất khuya, I.K., khi rời khỏi lối vào, thường chỉ vào tôi về phía cửa sổ sáng đèn trong tòa nhà và nói: “Có những người siêng năng hơn bạn và tôi”. Những ngày nghỉ hiếm hoi được dành cho công việc viết sách giáo khoa của anh ấy. Trước mỗi dịp năm mới, I.K. theo đúng nghĩa đen, anh ấy đã đi một vòng với tất cả nhân viên trong bộ phận của mình (hàng trăm người!), chúc mừng họ và hỏi thăm sức khỏe cũng như cuộc sống của họ. * * * Bản thân Isaac Konstantinovich là một người hóm hỉnh và biết đánh giá cao những câu chuyện cười của người khác. Có lẽ một trong những câu chuyện hài hước nổi tiếng nhất liên quan đến món quà mà Anatoly Petrovich Alexandrov tặng ông. Giám đốc Viện Kurchatov đã tặng cấp phó của mình một bộ tuyệt vời - một ấm samovar thủy tinh lớn và một ấm trà thủy tinh đặt trên đó. Một chất lỏng trong suốt được đổ vào samovar, chất lỏng này nhanh chóng trở thành rượu vodka, và trong ấm có một loại đồ uống màu nâu - cognac. Món quà gây ra tiếng cười và sự ngạc nhiên vì người ta biết rằng I.K. người tuyệt đối kiêng rượu. Nhưng ngay sau đó mọi thứ đã được giải thích. Sau khi đặt ấm samovar và ấm đun nước vào phòng nghỉ của Kikoin, Anatoly Petrovich thỉnh thoảng bắt đầu phàn nàn với nhân viên rằng anh ấy mệt và cần đến I.K. để uống trà tuyệt vời của mình. Các học giả đã nghỉ hưu, và một người uống trà thật, còn người thứ hai nhấm nháp món quà của mình. Aleksandrov đôi khi đưa những vị khách quan trọng nhất (hoặc đặc biệt dễ chịu với ông), bao gồm cả các thành viên Bộ Chính trị, đến “trà” với Kikoin. Tôi nhớ câu nói đùa của I.K. gửi đến cá nhân tôi. Tôi bị bệnh vài tháng, nằm trong bệnh viện, và viện sĩ đã biết chuyện đó. Đến nơi làm việc vào một ngày

Tôi đang sử dụng trạm quan sát trên ban công và nhìn thấy xe của I.K. đang tiến tới. và chạy lên tầng một để gặp lại anh ta ở sảnh. Viện sĩ chào tôi và nói với tôi một cách rất đe dọa: “Thưa ông, ông đang làm gì vậy, chạy quanh đây như một nhân viên bán hàng? Nếu ông vui lòng, hãy đi bộ như một thương gia của bang hội đầu tiên! Vị trí bắt buộc.” * * * Trường vật lý và toán học tại Viện Kurchatov đã hoạt động thành công, được gọi là SHEN - Trường Khoa học Tự nhiên - và vào mùa thu năm 1984, trường đã được Bộ Giáo dục và Ủy ban Trung ương Komsomol trao tặng Bằng khen Danh dự. Các bằng tốt nghiệp đã được trao trong một buổi lễ long trọng tại hội trường lớn của Nhà Văn hóa của Viện Kurchatov. Đại diện Bộ và lãnh đạo Komsomol phát biểu, hai viện sĩ Spartak Timofeevich Belyaev và Isaac Konstantinovich Kikoin lên nhận giải thưởng của Ban Giám đốc Viện. S.T. Belyaev lên tiếng trước, và bài phát biểu của ông trái ngược hẳn với những lời chính thức trước đó của các quan chức. Ông cho rằng trong quá trình học tập, cả hai bên đều học - cả học sinh và giáo viên. Họ không chỉ tiếp thu kiến ​​thức kỹ thuật mà còn cả kiến ​​thức con người. Và sau đó I.K. đã đi ra đoạn đường nối. Tôi đã không gặp anh ấy lâu rồi; Tôi đã có chuyến công tác tới Nhà máy điện hạt nhân Rivne gần một năm. Viện sĩ đã rất già và trông không khỏe mạnh. Bộ vest đen truyền thống dường như quá rộng so với anh. Kikoin nói: “Tôi muốn nói cho bạn biết tôi đã nghĩ gì khi nhận giải thưởng. “Tôi cứ nghĩ rằng tôi đây, một học giả, trưởng một nhóm lớn, phó giám đốc Viện Kurchatov, tôi có nhiều giải thưởng, trong đó có hai ngôi sao anh hùng và nhiều mệnh lệnh cao cấp khác, tôi là người đoạt giải thưởng Lênin và Nhà nước…” “Tại sao anh ấy lại nói như vậy,” tôi nghĩ. “Bằng cách nào đó nó không hề khiêm tốn.” Nhưng ngay những từ tiếp theo đã khiến tôi quên hết tất cả, lấy cuốn sách nằm cạnh và ở lề sách, bắt đầu viết ngẫu nhiên những gì tôi nghe được. “Tuy nhiên, không còn nghi ngờ gì nữa, tôi sẽ đánh đổi tất cả những thứ này - chức vụ, bằng cấp, chức danh - để lấy tuổi trẻ của bạn, cho tuổi 15, thậm chí 17. Và tôi cần phải thay đổi vì trong suốt cuộc đời dài đằng đẵng của mình, tôi đã không có thời gian để tận hưởng môn vật lý yêu quý của mình, tôi không có đủ thời gian, bây giờ tôi thấy rõ - tôi không có đủ. Mặc dù không có một ngày nào trong đời, không một ngày nghỉ, không một ngày nghỉ, không một kỳ nghỉ nào mà tôi không làm điều đó. Tôi thường có những giấc mơ về vật lý. Và vẫn không có đủ thời gian. Bạn sẽ tự mình tìm ra nó diễn ra như thế nào khi bạn sống cuộc sống. Vì vậy, đừng lãng phí thời gian bây giờ. Nó vẫn chưa đủ, nhưng ít nhất nó sẽ không quá phản cảm. Bạn biết đấy, nhà khoa học không phải là một chức danh hay một nơi làm việc. Vì vậy, anh ấy bước vào phòng thí nghiệm - và bắt đầu suy nghĩ về khoa học, và trở thành một nhà khoa học. Điều này là sai. Trở thành một nhà khoa học là một trạng thái thường xuyên, thường đau đớn và đôi khi tuyệt vời. Đó là điều tôi đã nghĩ đến khi họ trao cho tôi giải thưởng này.” Thêm I.K. Tôi chưa nhìn thấy nó.

ĐẾN

KỶ NIỆM 100 NĂM

I.K.KIKOINA

Vật lý của vụ nổ hạt nhân

L. BELOPUkhoV nhấn mạnh thực tế là các biểu hiện của vụ nổ rất giống nhau đối với nhiều nguồn khác nhau của quá trình nổ. Vì vậy, có đáng để xem xét đặc biệt một nguồn nổ cụ thể như sự biến đổi hạt nhân không? Tôi nghĩ điều này đáng làm vì những lý do sau. Thứ nhất, những ngày đen tối tháng 8 năm 1945, khi hơn 100.000 người Nhật chết vì vũ khí hạt nhân lần đầu tiên được Mỹ sử dụng, sẽ mãi mãi được ghi vào lịch sử nhân loại. Thứ hai, vào ngày 30 tháng 10 năm 1961, lúc 11:33 sáng theo giờ Moscow, một sự kiện tương tự như ngày tận thế trong Kinh thánh “Armageddon” đã nổ ra trên quần đảo Novaya Zemlya - minh họa khủng khiếp nhất về sức mạnh của khoa học và công nghệ hiện đại. Trong tích tắc, năng lượng được giải phóng bằng năng lượng mà Trái đất nhận được từ Mặt trời trong thời gian này ($( 10^{18}$ J). Các chính trị gia trên khắp thế giới đều thấy rõ rằng chiến tranh thế giới thứ ba sẽ đồng nghĩa với cái chết của toàn nhân loại. Tuy nhiên, khả năng sử dụng vũ khí hạt nhân, than ôi, không phải là không. Cụm từ “plutonium cấp độ vũ khí” không biến mất khỏi tin tức chính trị. Thứ ba, nhiều nhà khoa học xuất sắc đã tham gia vào dự án nguyên tử của Liên Xô, trong đó có Viện sĩ hàn lâm Isaac Konstantinovich Kikoin, người được kỷ niệm 100 năm năm nay. Sự tham gia của họ không bị hệ thống Xô Viết ép buộc. Nó được quyết định bởi sự hiểu biết về sự cần thiết của công việc này - xét cho cùng, ở đó, ở nước ngoài, nó đã bắt đầu trước chúng tôi. Và trái tim của nhiều nhà khoa học bị giằng xé giữa nghĩa vụ và cảm giác kinh hoàng trước việc “thả thần đèn ra khỏi chai” (V. Vysotsky, “March of Physicists”). Và thứ tư, tính chất vật lý sâu sắc của việc giải phóng năng lượng hạt nhân đều giống nhau đối với mục đích sử dụng cho mục đích gây nổ và hòa bình. Và trong thiên niên kỷ thứ ba, nhân loại không thể tránh khỏi sự chuyển đổi gần như hoàn toàn sang năng lượng hạt nhân. Vật lý của các phép biến đổi hạt nhân là một môn vật lý đẹp và điều cần thiết là không phức tạp lắm, dễ tiếp cận đối với học sinh hoặc

Kết thúc. Phần mở đầu - các bài “Vụ nổ” và “Sóng xung kích và vụ nổ” - xem hai số trước của tạp chí.

học sinh. Sách giáo khoa đề cập đến những vấn đề này, nhưng vấn đề là ở trường phổ thông và đại học đều không có đủ thời gian và sự quan tâm đến chúng.

Một chút lịch sử

Vào đầu thế kỷ trước, người ta thấy rõ rằng trong quá trình biến đổi phóng xạ (ví dụ, muối radium), năng lượng riêng được giải phóng lớn hơn nhiều lần so với trong các phản ứng hóa học. Và vào những năm 30, người ta đã phát hiện ra những biến đổi hạt nhân có năng lượng đặc biệt, được gọi là phản ứng phân hạch của hạt nhân nặng, hay,

Minh họa của V. Vlasov

TRONG CÁC BÀI VIẾT “Bùng nổ” TRƯỚC ĐÂY DƯỚI-

8

KVANT 2008/№2

chính xác hơn là bằng phản ứng phân hạch cưỡng bức - dưới tác dụng của neutron, sau đó mới được phát hiện. Ví dụ, phản ứng phân hạch cưỡng bức của uranium trông như thế này:

hạt nhân uranium + neutron = hạt nhân nguyên tố A + + hạt nhân nguyên tố B + vài neutron.

Các chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực hóa học phóng xạ (hóa học của các đồng vị phóng xạ) O. Hahn và F. Strassmann đã xác định rằng các nguyên tố A và B nằm ở giữa bảng tuần hoàn (ví dụ lanthanum và bari), và từ đó chứng minh thực tế phân chia hạt nhân uranium thành hai phần (Giải thưởng O. Hahn Nobel về Hóa học 1944). Rõ ràng là sự xuất hiện bắt buộc của một số neutron do quá trình phân hạch có thể dẫn đến tính chất dây chuyền (tuyết lở) của quá trình, tương tự như những gì xảy ra trong các phản ứng hóa học cháy và nổ. Năm 1939, Thế chiến thứ hai nổ ra và việc khám phá được thực hiện ở Đức. Do đó, ngay từ năm 1941, công việc nghiêm túc trong việc chế tạo vũ khí hạt nhân đã bắt đầu ở Hoa Kỳ, trong đó có nhiều nhà vật lý châu Âu tham gia, và trên hết là E. Fermi, nhà vật lý hạt nhân lớn nhất thời bấy giờ. Ở Liên Xô, vật lý hạt nhân cũng bắt đầu phát triển. Năm 1937, hội nghị khoa học lần thứ hai về nghiên cứu hạt nhân nguyên tử được tổ chức tại Moscow. Khi khai mạc hội nghị này, phó chủ tịch Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô, nhà địa chất hàng đầu I.M. Gubkin, đã nói những lời tiên tri rằng “hội nghị sẽ đưa nhân loại đến gần hơn với vấn đề lời giải về việc sử dụng thực tế hạt nhân nội bộ $энергии».^{1}$ Vào năm 1940–42, các nhà khoa học Liên Xô, phân tích các bài báo về chủ đề hạt nhân trên các tạp chí vật lý nước ngoài, nhận ra rằng nghiên cứu quy mô lớn trong lĩnh vực vật lý hạt nhân đang được phát triển ở Mỹ, Anh, Đức, và thu hút sự chú ý của Viện Hàn lâm Khoa học và chính phủ về mức độ nghiêm trọng của tình hình. Và vào ngày 28 tháng 9 năm 1942 (trong tình hình khó khăn nhất ở Mặt trận phía Nam), I. Stalin đã ký lệnh của Ủy ban Quốc phòng Nhà nước số 2352ss “Về việc tổ chức công việc nghiên cứu uranium”, trong đó những từ về “khả năng tạo ra một quả bom uranium” lần đầu tiên được nghe thấy. 1943 tại Moscow (tại khách sạn Moscow), I.V. Kurchatov, Yu.B. Khariton, G.N. Flerov, Ya.B. Zeldovich, I.K. Kikoin và A.I. I.V. Kurchatov, theo lệnh của Nhà nước

1 Điều thú vị là một trong những người đầu tiên tưởng tượng rõ ràng khả năng giải phóng năng lượng cực kỳ nguy hiểm liên quan đến sự biến đổi hạt nhân nguyên tử là nhà văn khoa học viễn tưởng A. Kazantsev, người đã mô tả một thảm họa có thể xảy ra trong cuốn tiểu thuyết “Đảo cháy” (xuất bản gần như toàn bộ năm 1939 trên tờ báo “Pionerskaya Pravda”). Đó là lý do tại sao một cuộc gặp gỡ giữa các nhà vật lý hạt nhân tương lai với nhà văn này đã diễn ra tại Phystech vào năm 1950.

Ủy ban Quốc phòng Nhà nước được bổ nhiệm làm giám đốc khoa học của dự án. Dưới đây là các giai đoạn chính của dự án nguyên tử của Liên Xô: • 1946 - thành lập trên lãnh thổ của tu viện $Саровского^{2}$ (cách thành phố Arzamas, vùng Gorky 60 km) một văn phòng thiết kế tối mật (KB-11) để phát triển vũ khí nguyên tử, sau này tổ chức này được đặt tên là “Arzamas-16”, và bây giờ là Viện Nghiên cứu Vật lý Năng lượng Toàn Nga; • 25/12/1946 – khởi động lò phản ứng hạt nhân thử nghiệm sản xuất plutonium tại Phòng thí nghiệm số 2 của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô (nay là “Viện Kurchatov” nổi tiếng); • 29.09.1949 – thử nghiệm thành công thiết bị nổ hạt nhân tại bãi thử Semipalatinsk; • 12/08/1953 – thử nghiệm mô hình bom nhiệt hạch; • Ngày 27 tháng 6 năm 1954 – khánh thành nhà máy điện hạt nhân đầu tiên trên thế giới tại thành phố Obninsk; • Ngày 22 tháng 11 năm 1955 – thử nghiệm thành công bom nhiệt hạch lớp megaton; 1958 - thành lập cơ sở nghiên cứu lớn nhất thế giới trong lĩnh vực phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát (Tokamak).

Năng lượng của phản ứng phân hạch hạt nhân Một đặc điểm của hạt nhân nguyên tử là trong một vùng không gian rất nhỏ (nhỏ hơn 100.000 lần so với không gian của nguyên tử), một số lượng nhỏ (từ 1 đến 250) vật thể nặng (so với electron) - nucleon - tập trung. Theo lý thuyết hiện đại, mỗi nucleon là ba loại quark khác nhau, được liên kết với nhau bằng keo hạt nhân - gluon. Không đi sâu vào những bí ẩn của thế giới quark-gluon, để xem xét vấn đề năng lượng hạt nhân, chỉ cần sử dụng ý tưởng mô hình về hạt nhân như một tổng các nucleon, một số trong đó là các proton tích điện dương, và phần còn lại là các neutron không tích điện. Các proton và neutron được hợp nhất bởi các lực hấp dẫn tầm ngắn đặc biệt không phụ thuộc vào sự hiện diện hay vắng mặt của điện tích. Nhưng điều tự nhiên là lực đẩy điện (Coulomb) cũng tác dụng giữa các proton tích điện. Tính ổn định của hạt nhân, tức là sự hiện diện của các nguyên tử ổn định (từ helium đến chì) được xác định bởi sự cân bằng của lực điện và hạt nhân đối lập. Đối với hạt nhân nguyên tử có số proton (số nguyên tố) lớn hơn 82 (chì), sự cân bằng hơi bị đảo lộn. Trong những hạt nhân này, các proton “phụ” có xác suất bị tách ra và đẩy ra khỏi hạt nhân, mang theo neutron. Đây là cơ chế phân rã alpha phóng xạ. Một số hạt nhân nặng, cũng như các đồng vị của hạt nhân nhẹ, trải qua một quá trình bên trong hạt nhân để trở lại trạng thái cân bằng bình thường theo cách sao cho

2 Ở Mỹ, một trung tâm tương tự nằm ở Los Alamos, và cách Sarov 10 km có một ngôi làng nhỏ Alamasovo. Có những sự trùng hợp ngẫu nhiên!

9

VẬT LÝ

HẠT NHÂN

rằng một electron được phát ra từ hạt nhân, được tạo ra do sự biến đổi neutron thành proton. Đây là cơ chế phân rã beta. Cả hai loại phân rã này đều kèm theo bức xạ điện từ sóng rất ngắn (hạt gamma). Động năng của các hạt alpha, beta và gamma là năng lượng của sự biến đổi phóng xạ trong hạt nhân. Phóng xạ tự nhiên lần đầu tiên được phát hiện (bởi A. Becquerel) vào năm 1896, và hơn 40 năm sau, phản ứng phân hạch của hạt nhân uranium được phát hiện. Năng lượng giải phóng trong phản ứng này chủ yếu là động năng của các sản phẩm phản ứng - hai nửa hạt nhân uranium A và B. Năng lượng của neutron và hạt gamma được thêm vào nó. Nguồn gốc động năng của các mảnh được giải thích bằng tác dụng của lực điện $отталкивания.^{3}$ Tính năng lượng phân hạch của tất cả các hạt nhân chứa trong 1 kg uranium cho giá trị cỡ $10^{14}$ J, hoặc, xét theo khối lượng tương đương năng lượng nổ của TNT, – 5 kiloton. Giá trị này là giới hạn trên của năng lượng được giải phóng. Nhưng trước hết, không phải toàn bộ uranium trong quả bom đều có thời gian phản ứng. Tùy thuộc vào thiết kế và mục đích của bom, hiệu suất dao động từ 10–30%. Thứ hai, trong hạt nhân có số nucleon nhỏ hơn, vai trò của lực hút hạt nhân lớn hơn so với hạt nhân nặng. Điều này có nghĩa là lực hạt nhân trong quá trình phân hạch sẽ chống lại lực điện và làm suy yếu tác dụng của chúng.

Bom hạt nhân và nhà máy điện hạt nhân

Trong một thời gian dài, loại vũ khí này được gọi là bom nguyên tử, không có ý nghĩa vật lý. Là kết quả của sự biến đổi nguyên tử (phân tử), năng lượng được giải phóng trong vụ nổ của chất nổ thông thường chứ không phải hạt nhân. Để tạo ra bom hạt nhân, ngoài lời giải vấn đề cơ bản về mặt lý thuyết, đã được thảo luận một phần ở trên, cần phải thực hiện nhiều vấn đề thực tế bài toán. Tôi sẽ liệt kê chúng một cách ngắn gọn: – xử lý uranium tự nhiên để tách ra từ nó đồng vị uranium-235 có độ tinh khiết cao (0,9999); – sản xuất plutonium-239 từ uranium-238 dưới tác động mạnh mẽ của neutron; – tạo ra một cấu trúc trong đó việc kết nối các khối riêng lẻ có kích thước nhỏ hơn khối quan trọng thành một khối duy nhất sẽ diễn ra khá hiệu quả; – tạo ra một loại địa điểm thử nghiệm hoàn toàn mới; – chế tạo phương tiện đưa bom đến điểm nổ. Tại sao bom hạt nhân chỉ cần hai loại hạt nhân được chỉ định - uranium-235 và plutonium-239? Thực tế là phản ứng phân hạch của những hạt nhân này xảy ra khi neutron khởi đầu phản ứng có bất kỳ năng lượng nào

3 Dựa trên công thức tính thế năng của tương tác điện của các mảnh A và B, hãy cố gắng ước tính tổng động năng của chúng cách xa điểm giãn nở, giả sử để đơn giản rằng các mảnh giống hệt nhau và khoảng cách ban đầu giữa tâm của các mảnh bằng $10^{–14}$ m.

NỔ

phản ứng (và thậm chí nó càng nhỏ thì khả năng xảy ra phản ứng càng lớn). Và các hạt nhân khác, chẳng hạn như uranium-238, chỉ phân hạch nếu năng lượng neutron được xác định chặt chẽ. Việc tách uranium-235 khỏi uranium-238 là rất khó bài toán. Xét cho cùng, tính chất hóa học của những hạt nhân này là như nhau. Do đó, chỉ những quá trình vật lý và cơ học sử dụng những khác biệt nhỏ về khối lượng của các đồng vị này là phù hợp. Ví dụ, các phương pháp được sử dụng sử dụng tốc độ khuếch tán khác nhau và độ lệch khác nhau của các ion trong từ trường, nhưng phương pháp ly tâm hóa ra lại mang lại lợi nhuận cao nhất. Tất cả công việc này được lãnh đạo bởi I.K. Kikoin, một trong những nhà vật lý thực nghiệm xuất sắc nhất trong nhiều năm dài và quan trọng nhất. Tôi lưu ý rằng mỗi thao tác làm giàu hỗn hợp với đồng vị mong muốn phải được lặp lại không phải hai hoặc ba lần mà là hàng chục, thậm chí hàng trăm lần. Nhà máy tách đồng vị là những dãy máy giống hệt nhau dài hàng km tạo ra các sản phẩm ngày càng tinh khiết. Các thiết bị này vận chuyển uranium hexafluoride dạng khí, vẫn cần được lấy từ quặng uranium và được tinh chế khỏi tất cả các loại tạp chất lạ - và đây cũng là những dãy thiết bị giống hệt nhau dài hàng km. Hiệu quả nhất, xét về mặt kinh tế, là phương pháp tách đồng vị bằng máy ly tâm. Trong những năm 1970–80, các máy ly tâm độc đáo đã được tạo ra ở Liên Xô và vẫn chưa có loại tương tự trên thế giới. Chỉ cần nói rằng tốc độ quay của tàu chứa uranium đạt 1000 vòng quay mỗi giây. Hãy tưởng tượng những đặc tính cơ học đặc biệt mà những chiếc bình này phải có và vòng bi phải như thế nào! Việc sản xuất plutonium có phần đơn giản hơn so với các phương pháp tách đồng vị uranium. Plutonium được hình thành khi hạt nhân uranium-238 hấp thụ neutron và sự biến đổi beta tiếp theo của uranium đầu tiên thành neptunium, sau đó thành plutonium. Đây là một nguyên tố hóa học khác và việc tách nó ra khỏi hỗn hợp với uranium có thể được thực hiện bằng phương pháp hóa học. Nhưng cách duy nhất để tạo ra dòng neutron mạnh là sử dụng lò phản ứng hạt nhân uranium, sử dụng quá trình phân hạch chậm, không nổ vì lò phản ứng chủ yếu chứa uranium-238 thông thường. Một phần nhỏ đồng vị uranium-235 cung cấp quá trình phân hạch và dòng neutron để chuyển đổi uranium-238 thành plutonium. Tất nhiên, bạn nhận thấy rằng đây là mô tả về một nhà máy điện hạt nhân. Suy cho cùng, năng lượng giải phóng trong quá trình phân hạch dưới dạng động năng của các sản phẩm phân hạch làm nóng toàn bộ môi trường. Năng lượng được thu thập bằng chất làm mát (nước hoặc kim loại lỏng), chất làm mát này ở bên ngoài lõi lò phản ứng, cuối cùng sẽ giải phóng năng lượng cho các máy phát điện. Điều chính trong thiết kế lò phản ứng hạt nhân là đảm bảo độ tin cậy về tính ổn định của quá trình. Tự động hóa hoàn toàn có khả năng đối phó với nhiệm vụ này. Trong thảm họa Chernobyl khét tiếng năm 1986, chính việc ngừng hoạt động tự động hóa đã dẫn đến sự cố

10

KVANT 2008/№2

ổn định, làm nóng nhanh, bay hơi và nổ nhiệt với việc giải phóng nội dung của lõi lò phản ứng với các sản phẩm phản ứng phân hạch có tính phóng xạ cao. Trong thiết kế bom hạt nhân, bài toán ngược lại. Cần đảm bảo chuyển đổi uranium hoặc plutonium thành sản phẩm phân hạch nhanh nhất và đầy đủ nhất. Như đã biết, trong một thể tích nhỏ của đồng vị, phản ứng phân hạch không trở thành tuyết lở, bởi vì hầu hết các neutron đều cố gắng bay ra khỏi thể tích này và không tạo ra phản ứng phân hạch tiếp theo. Chỉ bắt đầu từ một kích thước “ tới hạn” nhất định thì một phản ứng dây chuyền mới có thể xảy ra (họ thường không nói về kích thước tới hạn mà nói về khối lượng tới hạn, tuy nhiên, điều này giống nhau theo quan điểm vật lý). Do đó, quả bom phải chứa một số khối “nhiên liệu” hạt nhân riêng biệt, cận tới hạn, đến một lúc nào đó phải được kết hợp lại. Tốc độ và tính đồng bộ của kết nối của chúng quyết định việc sử dụng hoàn toàn vật chất hạt nhân và do đó, năng lượng của vụ nổ. Câu hỏi có thể được đặt ra: tại sao trong tự nhiên, nơi kích thước của các khối đá chứa uranium đạt giá trị lớn, phản ứng phân hạch không phát triển? Thực tế là có rất ít đồng vị uranium-235 trong đá và phản ứng phân hạch tự phát của uranium (có quá trình như vậy) rất hiếm khi xảy ra. Và tất cả neutron thu được sẽ bị hấp thụ bởi các hạt nhân xung quanh của đồng vị uranium-238, tạo ra nhiều đồng vị phóng xạ khác nhau và tạo ra bức xạ nền tăng chung ở vùng lân cận các mỏ uranium. Trong thiết kế bom hạt nhân, ngoài các thiết bị kết nối đồng bộ các khối nhiên liệu, người ta còn sử dụng nhiều thứ khác, đặc biệt là vật phản xạ neutron và các nguồn bức xạ neutron đặc biệt. Tạo một trang web thử nghiệm đặc biệt cũng là một nhiệm vụ khó khăn. Chỉ cần nói rằng địa điểm thử nghiệm bao gồm nhiều km đường dây với hệ thống thiết bị phục vụ nhiều mục đích khác nhau (đo thông số sóng xung kích, dòng hạt phóng xạ và bức xạ, bức xạ nhiệt và ánh sáng), các công trình kỹ thuật cho mục đích quân sự và dân sự, thiết bị quân sự, động vật thí nghiệm, v.v. Địa điểm thử nghiệm là viện nơi xử lý kết quả đo lường và phân tích các vấn đề khoa học mới nổi. Cuối cùng, đây là một nền kinh tế quân sự khổng lồ, được phục vụ bởi nhiều bộ phận. Địa điểm thử nghiệm Semipalatinsk được thành lập trong thời gian kỷ lục vào năm 1948–49 theo dự án của G.L. Shnirman dưới sự lãnh đạo của M.A. Sadovsky, viện sĩ tương lai, giám đốc Viện Vật lý Trái đất của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô.

Vũ khí nhiệt hạch

Phản ứng nhiệt hạch trái ngược với phản ứng phân hạch của hạt nhân nặng về vai trò tương tác giữa các hạt. Đây là một phản ứng tổng hợp, tức là kết hợp các đồng vị của hydro thành hạt nhân helium nặng hơn. Trong trường hợp này, lực đẩy điện là dương

các hạt nhân tích điện cản trở quá trình nhiệt hạch và động năng của các sản phẩm phản ứng thu được do sự “kích hoạt” lực hấp dẫn hạt nhân. Nhưng những lực này chỉ bật khi các hạt tiến tới một khoảng cách cỡ $10^{-} 15$ m. Và để thắng được lực đẩy điện, các hạt nhân kết nối cần phải có tốc độ cỡ hàng chục nghìn km/s, tương ứng với nhiệt độ hàng chục, hàng trăm triệu độ. Đây là lý do tại sao phản ứng nhiệt hạch được gọi là phản ứng nhiệt hạch. Bạn có thể truyền tốc độ như vậy cho các hạt theo nhiều cách khác nhau. Ví dụ, bạn có thể tập trung hàng trăm dòng electron nhanh vào một nơi để chúng truyền động năng đến hạt nhân. Bạn có thể sử dụng bức xạ laser mạnh mẽ. Một trong những cách đầy hứa hẹn là tăng tốc hạt nhân bằng điện trường mạnh (phóng tia lửa điện, sét). Nhưng tất cả những cách này đều không phù hợp với vũ khí hạt nhân, chúng phải khá cơ động. Cách duy nhất là đặt một quả bom hạt nhân bên trong một thùng chứa các nguyên tố nhẹ, chẳng hạn như các đồng vị hydro deuterium và tritium (hoặc lithium deuteride). Động năng (hoặc nhiệt độ) cần thiết để bắt đầu quá trình tổng hợp nhiệt hạch được cung cấp bởi quả cầu lửa của vụ nổ hạt nhân. Quá trình nhiệt hạch đã bắt đầu sẽ tự hỗ trợ vì sản phẩm của phản ứng nhiệt hạch sẽ có động năng lớn hơn hạt nhân ban đầu. Tuy nhiên, trên thực tế, mọi thứ hóa ra không đơn giản như vậy. Đối với bom nhiệt hạch mạnh, cần phải đưa ra các kế hoạch “sản xuất” thêm neutron từ phản ứng phân hạch của các đồng vị uranium (ngoại trừ bom “đánh lửa” sơ cấp) và nén “nguyên liệu thô” hydro bằng bức xạ từ vụ nổ uranium hạt nhân thứ cấp. Nguyên tắc này được gọi là vụ nổ bức xạ. Đồng thời, nguồn cung cấp nhiên liệu hạt nhân đã được sử dụng đầy đủ. Các cuộc thử nghiệm thành công thiết kế mới vào năm 1955 tại bãi thử Semipalatinsk và năm 1961 tại bãi thử Novaya Zemlya đã mở ra kỷ nguyên chạy đua vũ trang, đồng thời đặt ra câu hỏi về việc kết thúc cuộc đua này. Việc giải quyết mâu thuẫn này có thể là một trong những nguyên nhân dẫn đến sự tan vỡ của nhà nước chúng ta xảy ra vào năm 1991. Năm 1996, một thỏa thuận quốc tế cuối cùng đã đạt được nhằm ngừng mọi hoạt động thử nghiệm vũ khí hạt nhân cũng như việc sử dụng các vụ nổ hạt nhân vì mục đích hòa bình. Định dạng của bài viết này không cho phép chúng tôi xem xét chi tiết vấn đề của quá trình tổng hợp nhiệt hạch cố định, có kiểm soát của các hạt nhân nhẹ hoặc các nhà máy điện nhiệt hạch. Năm mươi năm trước, những người lạc quan cho rằng bài toán này sẽ được giải quyết sau 10–20 năm. Những người lạc quan hiện đại tin rằng vấn đề này sẽ được giải quyết trong thế kỷ 21. Và những người bi quan hiện đại tin rằng quy luật tự nhiên sẽ không bao giờ cho phép điều này được thực hiện. Nhưng nhân loại sẽ còn hy vọng gì khi than đá, dầu khí cạn kiệt và toàn bộ trữ lượng uranium cũng cạn kiệt? Và những người bi quan mong đợi điều này sẽ xảy ra trong thiên niên kỷ hiện tại.