Вакуум и физика атомного ядра

Воздух оказывает большое сопротивление движущимся в нем телам. Это сопротивление растет с увеличением скорости движения.

Чем быстрее движется самолет, снаряд, ракета, тем выше сопротивление воздуха. Известно, что современные самолеты и ракеты развивают наибольшую скорость при выходе в стратосферу, где разреженный воздух оказывает наименьшее сопротивление их движению. Современный реактивный самолет может развивать в стратосфере скорость до 2000 км/час.

При движении молекул, атомов или отдельных заряженных частиц, они также испытывают сопротивление своему движению. Чем больше плотность окружающей среды, тем больше ее сопротивление.

При исследованиях строения атомного ядра физики подвергают атомы действию быстродвижущихся заряженных частиц, обладающих, благодаря высокой скорости движения, высокой энергией*). В каждой современной физической лаборатории, в которой ведутся исследования атомного ядра, имеются специальные аппараты-ускорители для получения быстродвижущихся частиц.

Если необходимо придать частицам большую скорость движения, надо создать высокий вакуум, чтобы молекулы воздуха не мешали движению.

В первых конструкциях ускорителей частицы получали необходимое ускорение на некотором участке прямолинейного пути, порядка 3—15 м. Для того чтобы эти частицы не задерживались в результате столкновений с молекулами газов, входящих в состав воздуха, в камерах ускорителей создавали вакуум порядка 10“⁴ мм ртутного столба. В современных ускорителях — бетатронах и синхротронах — частицы проходят значительно больший путь, достигающий более 10 000 км, делая большое число оборотов в кольцевой камере аппарата. Вакуум в них должен быть значительно выше и достигать 10“⁶ мм ртутного столба.

Самый большой в мире ускоритель — синхрофазотрон — на 10 миллиардов электрон-вольт, построенный в России, имеет вакуумную камеру, оборудованную 56 мощными насосами для быстрого создания необходимого вакуума.

Все время, пока идет опыт в ускорителе, производится откачка воздуха. Малейшее ухудшение вакуума, появление течи воздуха приводит к потере скорости частицами, к уменьшению их энергии. Поэтому вакуум-камера ускорителя должна быть весьма тщательно герметизирована. Обычно камера устраивается с двойными стенками, в пространстве между ними создается промежуточное разрежение между атмосферным давлением и высоким вакуумом. Камера должна быть не только плотной, но и прочной, чтобы выдерживать внешнее давление.

Кроме ускорителей, вакуум используется и в других приборах ядерной физики. Так, ионизация разреженного газа при действии на него радиоактивного излучения широко используется в производстве и исследовании атомной энергии. Измерение интенсивности излучения при взрыве атомной бомбы, контроль мощности атомного котла (реактора), измерение интенсивности излучения, создаваемого радиоактивными элементами, производятся с помощью ионизационных счетчиков. На рис. 29 представлена схема устройства такого счетчика. К электродам, расположенным в стеклянной трубке, заполненной аргоном и парами спирта при давлении около 300 миллиметров ртутного столба, прилагается напряжение в 1500—2000 вольт. Когда в пространство между электродами попадает заряженная частица, образуются тысячи пар ионов, которые, двигаясь к электродам, создают дополнительную ионизацию газа в трубке. В камере происходит разряд — проходит кратковременный ток между электродами. Этот разряд учитывается специальным счетным прибором.

Ни одна современная физическая лаборатория не обходится без вакуумных установок и приборов. Вакуумная техника позволяет исследователям глубже проникать в тайну строения материи. Но вакуум широко применяется не только в таких отраслях техники, как атомная техника, электроника, но и в большом количестве других ее отраслей.