Моделирование, проведённое американскими физиками-теоретиками, позволило впервые полностью микроскопически охарактеризовать момент расщепления атома на две части, дав новое понимание энергетического события, открывшего очередную эру в науке и технике.
В 1938 году физики Отто Хан, Лиза Мейтнер и Фриц Штрассманн показали, как ядра урана расщепляются на две части при облучении нейтронами. Спустя десятилетия, несмотря на использование в войне, энергетике, медицине и научных исследованиях, ядерное деление не спешит выдавать свои секреты.
За пределами упрощённых моделей протонов и нейтронов, сгруппированных вместе, как жевательные шарики в автомате, ядро массивного атома — это дикая буря квантовой активности. Понять, как ведут себя и взаимодействуют друг с другом отдельные нуклоны, достаточно сложно в случае атомов, тихо сидящих в одиночестве, не говоря уже о тех, которые подвергаются значительным преобразованиям.
Чтобы было проще в этом разобраться, физики-теоретики из Лос-Аламосской национальной лаборатории и Университета Вашингтона (UW) разбили процесс деления на четыре этапа.
В первые ~10-14 секунд внедрение медленно движущегося нейтрона заставляет ядро выпячиваться и перестраиваться в так называемую седловую точку, в результате чего атом становится похожим на крошечную ореховую скорлупу.
За этим быстро следует гораздо более быстрый переход, называемый седлом к делению, когда устанавливаются фрагменты процесса деления. Это длится около 5×10-21 секунды.
Третий этап снова происходит ещё быстрее, превращаясь за относительное мгновение в 10-22 секунды. В так называемом расщеплении, или разрыве шейки, ядро официально распадается на части.
На последнем этапе, который занимает целых 10-18 секунд, осколки деления придают себе форму и разгоняются, высвобождая нейтроны и гамма-лучи и, возможно, порождая другие процессы распада после небольшой задержки.
Более чем одна теория описывает точную миграцию субатомных частиц от арахиса к ореху, хотя во многих случаях экспериментальные результаты либо противоречат основным предположениям физики, либо противоречат «микроскопическому» моделированию взаимодействий между отдельными протонами и нейтронами.
Квантовое моделирование многих тел, основанное на схеме, разработанной ведущим автором работы, физиком Университета Южной Калифорнии Аурелом Булгаком, является наиболее точным изображением того, чего следует ожидать в момент расщепления, когда мост, соединяющий две половинки большого атомного ядра, сжимается и растягивается.
Для расчётов урана-238, плутония-240 и калифорния-252 при различных исходных условиях был задействован суперкомпьютер Ок-Риджской национальной лаборатории Министерства энергетики США.
«Это, вероятно, самое точное и тщательно полученное теоретическое описание разрыва шеи, без каких-либо допущений и упрощений», — говорит Булгак. «У нас есть очень конкретное предсказание, которого до сих пор не существовало. Предыдущие теории всегда основывались на предположении: ‘Давайте предположим, что это происходит, а если это происходит, то, вероятно, это будет видно’. Мы этого не делали. Мы просто ввели уравнения движений, известные уже много десятилетий в ядерной физике с высокой точностью, плюс квантовую механику, и больше ничего».
Моделирование выявило несколько сюрпризов в процессе деления. Если некоторые модели предсказывали активное участие квантовой случайности в процессе разрыва шейки, то модель команды выявила чёткую «морщину» в плотности субатомных частиц, которая предшествует появлению точки деления.
Также наблюдалось очевидное различие в сроках деления между двумя типами нуклонов: протонная шейка завершает свой разрыв раньше нейтронной.
