Слово атом по-древнегречески значит неделимый. Но моделирование, проведенное американскими физиками-теоретиками, позволиловпервые полностью микроскопически охарактеризовать момент распада атома на две части, — это энергетическое событие, определившее новую 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 упрощенных моделей протонов и нейтронов, сгруппированных вместе, ядро массивного атома — это «дикая буря» квантовой активности. Понять, как ведут себя и взаимодействуют друг с другом отдельные нуклоны, достаточно сложно для одиночных атомов, не говоря уже о тех, что подвергаются значительным преобразованиям.
Чтобы было проще разобраться, физики-теоретики из Лос-Аламосской национальной лаборатории и Университета Вашингтона (UW) разбили процесс деления на четыре этапа. В первые 10–14 сек. внедрение медленно движущегося нейтрона заставляет ядро выделяться и перестраиваться в седловую точку, в результате чего атом становится похожим на крошечную ореховую скорлупу.
За этим следует гораздо более быстрый сдвиг, т. н. седло — расщепление, когда образуются фрагменты процесса деления. Третий этап происходит еще быстрее, за мгновение. В так называемом расщеплении, или разрыве шейки, ядро распадается на части.
На последнем этапе, который занимает 10–18 сек., осколки деления формируются и разгоняются, высвобождая нейтроны и гамма-лучи и, возможно, порождая другие процессы распада после небольшой задержки.
Не единственная теория описывает точную миграцию субатомных частиц, хотя во многих случаях экспериментальные результаты противоречат либо основным положениям физики, либо «микроскопическому» моделированию взаимодействий между отдельными протонами и нейтронами.
Квантовое моделирование многих тел по схеме, разработанной ведущим автором работы, физиком Университета Южной Калифорнии Аурелом Булгаком, наиболее точно изображает, чего следует ожидать в момент расщепления, когда мост, соединяющий две половинки большого атомного ядра, сжимается и расходится.
Для расчетов 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 тщательное теоретическое описание разрыва шейки, без каких-либо допущений и упрощений, — говоритБулгак. — Очень конкретное, какого до сих пор не существовало».
По его словам, предыдущие теории всегда основывались на предположениях, но в этот раз исследователи ввели уравнения движений, известные уже много десятилетий в ядерной физике высокой точностью, плюс квантовую механику.
Моделирование выявило несколько неожиданностей в процессе деления. Если некоторые модели предсказывали распыление квантовой случайности в процессе разрыва шейки, то команда выявила четкую «складку» 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. Моделирование подтвердило спорные предположения о выбросе высокоэнергетичных нейтронов на стадии деления. Модель также предсказала их энергию, угловое распределение и даже направления вылета.
«Большинство экспериментов ищут их в направлении движения осколков деления и не могут выделить там нейтроны деления, потому что большинство из них — тепловые нейтроны, испускаемые горячими осколками», — говорит Булгак.
Ранее с помощью инструмента машинного обучения были обнаружены161 979 новых видов РНК-вирусов, которые, по мнению исследователей, значительно улучшат картирование жизни на Земле и помогут в идентификации многих миллионов еще не охарактеризованных вирусов.