Физики используют суперкомпьютер для отслеживания ядерного деления

Ядерное деление — когда ядро ​​атома расщепляется надвое, высвобождая энергию — может показаться полностью понятным процессом. Впервые обнаруженное в 1939 году и тщательно изученное с тех пор, деление является постоянным фактором современной жизни, используемым во всем, от ядерной медицины до ядерных реакторов для производства энергии. Однако это сила природы все еще таит в себе тайны, которые еще предстоит разгадать.

Моделирование, проведенное физиками-теоретиками, позволило впервые получить полную характеристику момента деления атома, открыв новые возможности для понимания энергетического события, определившего новую эпоху в науке и технике.

Слово атом происходит от древнегреческого слова «неделимый» (ἄτομος). В 1938 году ученые обнаружили, насколько ошибочным является это определение, когда физики Отто Ган, Лиза Мейтнер и Фриц Штрассман показали, как ядро ​​урана расщепляется надвое под действием нейтронов.

Спустя десятилетия, несмотря на свое применение в энергетике, медицине и научных исследованиях, ядерное деление не спешит раскрывать свои секреты. За пределами упрощенных моделей протонов и нейтронов, сгруппированных вместе, как шарики, ядро ​​массивного атома на самом деле представляет собой бурю квантовой активности.

Понимание того, как ведут себя и взаимодействуют друг с другом отдельные нуклоны, является достаточно сложной задачей даже для атомов, спокойно пребывающих в одиночестве, не говоря уже о тех, которые претерпевают значительные преобразования.

Чтобы сделать процесс более понятным, физики-теоретики из Лос-Аламосской национальной лаборатории и университета Вашингтона (UW) разбили процесс деления на четыре этапа.

В течение первых 10^-14 секунд появление медленно движущегося нейтрона заставляет ядро ​​выпячиваться и перестраиваться в так называемой седловой точке, из-за чего атом становится немного похож на крошечную скорлупу арахиса.

За этим следует гораздо более быстрый процесс, называемый разрыв перемычки, когда устанавливаются фрагменты процесса деления. Это длится около 5×10 ^-21 секунд. Третий шаг снова происходит еще быстрее — за 10 ^-22 секунды. Это то, что называется расщеплением, или разрывом, когда ядро ​​официально распадается.

На последнем этапе, развертывание которого занимает всего 10 ^-18 секунд, осколки деления принимают нужную форму и ускоряются, высвобождая нейтроны и гамма-лучи и потенциально генерируя другие процессы распада после короткой задержки.

Существует несколько теорий, описывающих точную миграцию субатомных частиц от ядра к ядру, хотя во многих случаях экспериментальные результаты либо противоречат основным предположениям, либо идут вразрез с «микроскопическим» моделированием взаимодействий между отдельными протонами и нейтронами.

Основанное на структуре, разработанной ведущим автором, физиком Вашингтонского университета Аурелом Булгаком, квантовое многочастичное моделирование является наиболее точным на сегодняшний день описанием того, чего следует ожидать в момент разрыва, когда перемычка, соединяющая две половины большого атомного ядра, сжимается и разделяется.

Расчеты урана-238, плутония-240 и калифорния-252 при различных начальных условиях потребовали активного использования суперкомпьютера Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США. «Это, вероятно, самое точное и тщательно полученное теоретическое описание разрыва, без каких-либо допущений и упрощений», — говорит Булгак.

«У нас есть очень конкретное предсказание, которого до сих пор не было. Предыдущие теории всегда основывались на: «Предположим, что это происходит, и если это происходит, то это, вероятно, 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. В то время как некоторые модели предсказывали щедрое распыление квантовой случайности в процессе разрыва перемычки, новая модель выявила четкую «складку» в плотности субатомных частиц, которая предшествовала появлению точки разрыва.

Также наблюдалось явное различие во времени деления двух типов нуклонов: протонная перемычка завершала свой разрыв раньше нейтронной.

Что особенно важно, моделирование подтвердило спорные предположения о высвобождении высокоэнергетических нейтронов на стадии разрыва, причем модель зашла настолько далеко, что смогла предсказать их энергию, угловое распределение и даже направления выхода.

Имея прогнозы на руках, следующим шагом станет проверка того, подтверждают ли эксперименты последние открытия о том, как «неделимый» атом разделяется на две части.