Слово «атом» походить від латинського слова, що означає «неподільний». Але не дайте назві ввести вас в оману.
Симуляція, проведена американськими теоретичними фізиками, надала першу повністю мікроскопічну характеристику моменту, коли атом розщеплюється на дві частини, відкриваючи нове розуміння цього енергетичного явища, яке визначило нову епоху в науці та технологіях.
У 1938 році ми усвідомили, наскільки ця маленька назва є неточною, коли фізики Отто Ган, Ліза Мейтнер і Фріц Штрассман продемонстрували, як ядра урану розпадаються на дві частини при бомбардуванні нейтронами.
Десятиліттями пізніше, попри використання в війнах, енергетиці, медицині та наукових дослідженнях, ядерне розщеплення повільно розкриває свої секрети.
Позаяк, спрощені моделі, де протони та нейтрони скупчені, як кульки в автоматі, не відображають ядер великих атомів, що є складними осередками квантової активності.
Розуміння того, як окремі нуклони поводяться і взаємодіють одне з одним, вже є складним завданням для атомів, що спокійно існують поодинці, не кажучи вже про ті, що зазнають значних трансформацій.
Щоб зробити це трохи зрозумілішим, теоретичні фізики з Національної лабораторії Лос-Аламоса та Вашингтонського університету розбили процес поділу на чотири етапи.
Протягом перших 10^-14 секунд, повільний нейтрон змушує ядро розширюватися та перерозподілятися на так званій “точці сідла”, змушуючи атом виглядати, як маленька арахісова шкаралупа.
За цим швидко слідує більш стрімка зміна, яка називається “від сідла до розриву”, де визначаються фрагменти поділу. Це триває приблизно 5×10^-21 секунди.
Третій етап ще швидший — перетворення відбувається за 10^-22 секунди, коли відбувається розрив “шиї”, що офіційно розділяє ядро на частини.
На останньому етапі, який триває 10^-18 секунд, фрагменти поділу формуються та віддаляються, випускаючи нейтрони та гамма-промені та, ймовірно, генеруючи інші процеси розпаду після короткої затримки.
Існує кілька теорій, які описують точний процес переходу від “арахісового” до “вибухового” стану, хоча багато з них суперечать основним припущенням фізики або стикаються з труднощами мікроскопічного моделювання взаємодії між окремими протонами та нейтронами.
В основі симуляції, розробленої фізиком Вашингтонського університету Аурелем Булгаком, лежить квантова багатоелектронна модель, яка є найточнішим зображенням того, що відбувається в момент розриву “шиї”, коли міст, що з’єднує дві половини великого атомного ядра, стискається та розділяється.
Розрахунки на урані-238, плутонії-240 і каліфорнії-252 при різних початкових умовах вимагали великої потужності суперкомп’ютера Національної лабораторії Оук-Ридж Міністерства енергетики США.
“Це, мабуть, найточніший і найбільш ретельно отриманий теоретичний опис розриву ‘шиї’, без жодних припущень і спрощень,” зазначає Булгак.
“У нас є дуже конкретне передбачення, якого досі не існувало. Попередні теорії завжди базувалися на припущеннях, що цей процес відбувається саме так. Ми просто використали рівняння руху, відомі десятиліттями в ядерній фізиці, з високою точністю, а також квантову механіку, і нічого більше.”
Симуляція показала кілька несподіванок у процесі поділу. Хоча деякі моделі прогнозували значну випадковість у процесі розриву “шиї”, модель команди виявила чіткий “зморшок” у щільності субатомних частинок, що передував розриву.
Також був помічений відмінний час розділення між двома типами нуклонів, при цьому “шийка” протонів завершувала свій розрив перед “шийкою” нейтронів.
Критично важливо, що симуляція підтвердила спірні припущення про випускання високоенергетичних нейтронів під час етапу розриву, причому модель передбачила навіть їхню енергію, кутову розподіленість та напрямки вивільнення.
“Більшість експериментів шукають ці нейтрони у напрямку руху фрагментів поділу, але їх неможливо було відрізнити від теплових нейтронів, випущених гарячими фрагментами,” пояснює Булгак.
Маючи передбачення на руках, наступний крок — побачити, чи підтвердять експерименти ці новітні відкриття щодо того, як “неподільний” атом розпадається на дві частини.
Це дослідження було опубліковано в журналі Physical Review Letters.