Алиханов Абрам Исаакович

Первый директор ИТЭФ, академик А.И. Алиханов (1904-1970)

А.И.Алиханов. Портрет работы М.И.Сарьяна (масло).

А.Ф.Иоффе, А.И.Алиханов, И.В.Курчатов (слева направо). Начало 30-х годов

А.И.Алиханов в своем рабочем кабинете. 1966 г.

А.И. Алиханов родился 4 марта 1904 г. (по новому стилю) в г. Елизаветполе. Отец Исаак Абрамович работал машинистом на Закавказской железной дороге, мать была домашней хозяйкой. В семье было четверо детей: два сына Абрам и Артем и две дочери. Оба сына, как известно, стали крупными физиками-экспериментаторами. Семья меняла место жительство. Работал только отец и, тем не менее, старшему сыну Абраму наняли учителя для подготовки к поступлению в реальное училище. Елизаветполь, Александрополь, затем Тифлис. Здесь Абрам Исаакович учится в реальном училище, но затем весь класс, в котором он учился, перевели в коммерческое училище. Тем временем семья вновь оказывается в Армении, а Абрам Исаакович остался в Тифлисе, где оканчивает училище и поступает на химический факультет Тифлисского политехнического института (1921 г.). В 1920 г. семья Алихановым была вынуждена бежать из Армении, чуть не попав в плен к туркам. Ехали на крышах вагонов, но поезд не пропустили в Грузию. Меньшевистское правительство Грузии не захотело пускать и себе беженцев. Абраму Исааковичу Алиханову помогли его друзья, и семья вновь объединилась в Тифлисе.

В 1921 г. отец тяжело заболел. Абраму Исааковичу пришлось помогать семье. Он работал в разных местах. Тем не менее, в 1923 г., Абраму Исааковичу удалось поступить (вновь на первый курс) Ленинградского политехнического института. Но и здесь, в Ленинграде, ему пришлось зарабатывать на жизнь.

В 1927 г., еще будучи студентом, Абрам Исаакович был принят на работу в Ленинградский физико-технический институт (ЛФТИ). С этого момента Абрам Исаакович стал физиком-экспериментатором. Свои научные исследования он начал с изучения рассеяния рентгеновых лучей кристаллами в связи с проблемой старения металлов. В ходе этих исследований выяснилось, что Абрама Исааковича больше интересуют физические свойства самих рентгеновых лучей. Сразу после обнаружения дифракции рентгеновых лучей (РЛ), оптические свойства РЛ привлекли к себе внимание физиков. Возник вопрос, можно ли использовать законы классической световой оптики для описания оптических свойство жестких рентгеновских лучей. Вспомним известное из элементарного курса физики соотношение Брэгга-Вульфа:

2dsinθ = mλ,

(1)

Здесь d – межплоскостное расстояние в кристалле, θ – угол скольжения, m=1,2… – порядок отражения, λ – длина волны РЛ. Этот закон описывает процесс отражения РЛ от монокристалла. Пусть атомные плоскости с заданным межплоскостным расстоянием d параллельны поверхности кристалла. Тогда под углом скольжения θ (угол падения φ= 90° –θ) в первом порядке отражения будут отражаться РЛ, обладающие длиной волны λ . Если m=2, то под тем же самым углом отразятся РЛ с длиной волны λ/2 и т.д.

С другой стороны, если мы фиксируем длину волны λ, то с изменением порядка отражения изменяется угол θ. Из соотношения (1) с очевидностью следует, что если длина волны λ фиксирована, то величина λ/2d не зависит от порядка отражения m:

(2)

Опыт показал, что это не так, т.е. λ/2d≠сonst. Это нетрудно понять, если вспомнить, что электромагнитные волны должны испытывать преломление на границе двух сред. Подобно тому, как это сделано в обычной (световой) оптике, определим показатель преломления РЛ выражением.

(3)

Здесь ψ– угол падения, θ – угол скольжения (дополнительный к углу падения). Преломление возникает, если показатель преломления на границе двух сред (вакуум – вещество) отличен от единицы. Запишем его в виде: n = 1 – δ где δ«1. Из формул (1), (3), (4) нетрудно получить:

(5)

т.е. действительно отношение λ/2d зависит от m. Более того, используя выражение (5) для разных значений m1 ≠ m2 можно получить значение δ, т.е. определить показатель преломления n. Дифракционные опыты показали, что для РЛ, в отличие от обычной оптики, n<1, а не больше единицы. Величина δ≈ 10^-6, т.е. показатель преломления очень близок к единице, но, тем не менее, меньше единицы. Значит, вакуум (воздух), является для РЛ оптически более плотной средой, чем вещество. Таким способом были определены показатели преломления ряда материалов, доступных в виде монокристаллов. Но в подавляющем большинстве случаев был использован другой метод. C уменьшением угла скольжения θ, преломленный луч будет приближаться к поверхности раздела двух сред. При некотором «критическом» значении θ' обратится в нуль и преломленный луч не сможет войти в вещество. При дальнейшем уменьшении угла θ, вторичный (преломленный) луч отражается от поверхности. Это явление называется полным отражением. В световой оптике его называют полным внутренним отражением, так как он имеет место при падении луча, идущего к границе раздела вакуум-среда из глубины вещества. В оптике РЛ его следует называть полным внешним отражением. Поскольку последний термин еще не «прижился», будем говорить просто о полном отражении РЛ. Если θ= θкр, то согласно (3), (4)

значит . Порядок величины θкр составляет несколько минут. Измерения критического угла не представляют больших проблем. При θ<θкр коэффициент отражения – отношение интенсивностей отраженного и падающего лучей – должен равняться единице, а при θ≥θ – интенсивность отраженного луча резко падает. Но на самом деле не все так просто. В процессе полного отражения, на самом деле, падающий (первичный) луч проникает внутрь вещества, но его интенсивность при этом быстро, экспоненциально, затухает и энергия (интенсивность) первичного луча «перекачивается» в интенсивность отраженного луча. При отсутствии поглощения коэффициент отражения действительно равен единице. Поэтому, согласно сказанному выше, определение критического угла и, следовательно, коэффициента преломления не представляет большого труда. Ситуация изменяется при наличии поглощения РЛ в среде. Исчезает резкая граница при θ=θкр, интенсивность отраженного пучка вблизи критического угла изменяется все более плавно, чем больше поглощение, и определение θкр по зависимости интенсивности от угла θ становится невозможной. Как в этом случае найти показатель преломления среды? Если есть теория явления, то показатель преломления можно определить, сравнивая экспериментальную кривую с расчетными. В оптике в таких случаях используют формулы Френеля. Они были получены Френелем на основе уравнений Максвелла и принципа Гюйгенса. Спрашивается, можно ли их использовать в оптике ретгеновых лучей? Определенного ответа на этот вопрос не могли получить в течение ряда лет. Возникла необходимость детально исследовать весь механизм полного отражения и, в частности, измерить глубину проникновения РЛ в вещество в процессе полного отражения. Окончательное решение проблемы было получено в работах, выполненных А.И. Алихановым и Л.А. Арцимовичем в течение 1930–33 гг. В качестве источника РЛ они использовали трубку с молибденовым антикатодом. Характеристическую линию МоКα₁ – одну из моноэнергетических линий атома молибдена – выделяли с помощью кристалла-монохроматора. Для этой цели за трубкой располагалась камера, внутри которой был помещен монокристалл кальцита. Кристалл можно было поворачивать так, чтобы угол скольжения пучка с поверхностью кристалла соответствовал условию Брэгга-Вульфа (1) для указанной линии.

В этом устройстве заключалось одно из преимуществ и отличий установки А.И. Алиханова и Л.А. Арцимовича от установок их предшественников, которые, как правило, использовали немонохроматическое излучение, что затрудняло определение критического угла. На выходе камеры монохроматора была укреплена щель, положение и ширина которой регулировались. Далее на пути пучка размещалась разборная (вакуумный шлиф) вакуумная камера. В этой камере была помещена оптически полированная стеклянная пластина («зеркало»), на которую методом испарения наносили тонкие слои исследуемых веществ. Зеркало можно было перемещать и поворачивать при помощи специального устройства. Цена деления школы микрометрического винта соответствовала повороту зеркала на угол 0,08'. Оригинальная испаряющая система позволяла наносить на подложку-зеркало самые тонкие – моноатомные – слои как прозрачных, так и сильно поглощающих РЛ материалов. Щель, установленная за вакуумной камерой, отсекала часть пучка РЛ, проходившую мимо зеркала. Для регистрации отраженного пучка использовали ионизационную камеру. Предшественник А.И Алиханова пользовался фотографическим методом регистрации, часто даже без фотометрии, что исключало возможность точного измерения интенсивности, т.е. коэффициента отражения исследуемого слоя вещества. Вначале исследовали полное отражение от подложки-зеркала. Затем постепенно наращивали толщину слоя исследуемого материала до исчезновения влияния на процесс полного отражения самой подложки. Так измеряли глубину слоя, на которую проникает РЛ в этом процессе. Авторами была разработана теория явления полного отражения РЛ, основанная на представлениях классической оптики. Все полученные экспериментальные данные были сопоставлены с расчетными. Согласие теории и эксперимента было полным. Тем самым авторы убедительно продемонстрировали справедливость классических представлений в оптике жестких рентгеновых лучей. Более подробно с историей развития рентгенооптических исследований и работами А.И. Алиханова в этой области можно познакомится в монографии А.И. Алиханова: «Оптика рентгеновых лучей» Физматгиз, Ленинград, 1933.

В 1932 г. были сделаны два крупных открытия в физике: обнаружили нейтроны и положительно заряженные электроны – позитроны. Директор и основатель ЛФТИ академик А.Ф. Иоффе решил, что необходимо срочно начинать ядерно-физические исследования. Он создал в ЛФТИ отдел ядерной физики, который вскоре возглавил И.В. Курчатов. В своем отделе – отделе физики твердого тела – он создал лабораторию позитронов, которую возглавил А.И. Алиханов. Позитроны были обнаружены К. Андерсоном в космических лучах. В своей работе он использовал камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. Здесь нам понадобится сделать небольшое отступление, чтобы пояснить, как работает этот прибор. Камера Вильсона представляет собою стеклянный цилиндрический сосуд, одно из оснований которого служит в качестве поршня. Полость камеры может быть наполнена любым газом. Кроме того, внутрь полости наливают небольшое количество жидкости. Обычно это вода или спирт. Пары жидкости насыщают пространство камеры. При резком движении поршня в камере на короткое время возникает состояние пересыщенного пара. Если в этот промежуток времени через рабочий объем камеры пролетает заряженная частица, производящая ионизацию в газе, то на ионах вдоль пути частицы вследствие конденсации паров, образуются капельки жидкости. Трек частицы становится видимым, и его можно сфотографировать. В однородном магнитном поле трек принимает форму винтовой линии. Сечение этой линии плоскостью, нормальной к оси (направлению поля), есть окружность, радиус которой определяется кинетической энергией частицы. Очевидно, что если радиус очень мал или, наоборот, велик (малая кривизна), измерения его затруднены. Кроме того, необходимо вносить поправки на многократное рассеяние частиц в газе. Электроны и позитроны, двигаясь в противоположных направлениях, создают одинаковые треки – треки с одинаковой кривизной. Первым догадался поместить камеру в магнитное поле Д.В. Скобельцын. Он это сделал в 1926 г. Д.В. Скобельцын раньше К. Андерсона, еще в 1931 г. обнаружил электронные треки с «неправильной» кривизной, но по указанной выше причине не решился объявить о наблюдении новых, ранее неизвестных, частиц – позитронов. Строго логически он был прав. Но после сообщения К. Андерсона были поставлены опыты другими экспериментаторами и сомнений в существовании позитронов не осталось. В 1936 г. К. Андерсон получил Нобелевскую премию. Сразу после обнаружения позитронов в космических лучах были предприняты попытки обнаружения «земных» источников этих частиц. Вновь все экспериментаторы использовали для этой цели камеры Вильсона. Абрам Исаакович Алиханов отказался от этой методики. Он построил магнитный спектрометр типа Даниша. Заряженные частицы (электроны, позитроны), вылетающие из источника фокусируются на детекторе. Детектор состоит из двух счетчиков Гейгера–Мюллера, включенных в схему совпадений. Счетчик Гейгера–Мюллера устроен так, что при прохождении через него заряженной частицы в нем возникает импульс электрического тока – короткий электрический сигнал. Регистрировали только такие частицы, которые давали одновременно сигналы в обоих счетчиках. Схема отбора совпадений была впервые собрана на электронных лампах с большим усилением. Работы группы А.И. Алиханова положили начало развития ядерной электроники в СССР.

При заданном направлении и величине магнитного поля в детектор попадают электроны или позитроны с определенной энергией. Перепутать электроны и позитроны невозможно. Изменяя величину поля, можно исследовать спектр частиц. Использования схемы совпадений резко снизило фон от случайно рассеянных в спектрометре частиц – электронов, гамма-квантов. Это позволило использовать сильные радиоактивные источники.

В поисках источников позитронов супруги Кюри обнаружили, что при облучении некоторых атомных ядер .-частицами, возникают радиоактивные продукты ядерных реакций. Некоторые из них обладают позитронной активностью. Так была обнаружена искусственная радиоактивность. К аналогичному выводу, независимо от них, пришли А.И. Алиханов, А.И. Алиханян и Б.С. Джелепов. Свое сообщение о «новом типе радиоактивности» они опубликовали на несколько месяцев позже (А.И. Алиханов Избранные труды. М. Наука 1975, стр. 120). Нобелевская премия за открытие искусственной радиоактивности была присуждена супругам Кюри.

Свои исследования на магнитном спектрометре А.И. Алиханов начал с изучения внешней парной конверсии гамма-квантов. Существование этого явления непосредственно следовало из теории Дирака. К началу работ А.И. Алиханова оно уже было обнаружено. Сущность этого явления заключается в следующем. В кулоновском поле ядра гамма-квант превратится в пару е+е– – позитрон и электрон. В вакууме этот процесс запрещен законом сохранения импульса (количества движения) – нужен третий партнер, которым, в данном случае, служит атомное ядро. Сечение (вероятность) процесса пропорционально квадрату электрического заряда ядра, поэтому в качестве «конверторов» используют фольгу из тяжелых элементов. Обычно это свинцовые фольги. Энергия кванта должна превосходить энергию покоя двух электронов (электрон и позитрон отличаются друг от друга знаком заряда, но их массы одинаковы). Источником гамма-квантов является тот или иной «внешний» радиоактивный источник. Гамма-лучи падают на свинцовую фольгу, из которой в направлении падающего излучения выходят е+е–-пары. По причинам, которые отмечены выше, с помощью камеры Вильсона трудно детально исследовать спектр позитронов во всем энергетическом диапазоне. Это было сделано А.И. Алихановым и было показано, что в соответствии с теорией максимум спектра приходится на энергию позитронов, равную половине максимальной. В ходе этих исследований А.И. Алиханов обнаружил, что позитроны оказываются в спектрометре и без присутствия конвертора, но значительно реже.

Так А.И. Алихановым было сделано крупное открытие, было обнаружено явление внутренней парной конверсии. На возможность существования этого процесса уже было указано, но теория еще не была разработана. Более того, супруги Кюри уже сообщили о том, что они это явление наблюдали, однако доказательств представлено не было. Сейчас мы в этом убедимся. Итак, что это такое «внутренняя парная конверсия»?

В некоторых случаях возбужденное атомное ядро, при условии, что энергия возбуждения превосходит энергию покоя двух электронов (Е>2m_ec², m_e- масса электрона с – скорость света) вместо реального гамма-кванта, испускает виртуальный квант. Виртуальный гамма-квант тут же превращается в е+е–-пару, исходящую, можно сказать, из атомного ядра. Для упрощения изложения можно было бы вообще не упоминать про виртуальный квант, но роль виртуальных частиц в природе физических взаимодействий столь велика, что умолчать об этом нельзя. Однако в этой статье, посвященной другой теме, едва ли возможно объяснить, что это такое. Реальные гамма-кванты, как и другие реальные частицы, можно регистрировать детекторами, т.е. наблюдать непосредственно. К ним строго применимы законы сохранения, и к этому мы здесь еще вернемся в связи с работами А.И. Алиханова. Виртуальные частицы принципиально не наблюдались. Их невозможно зарегистрировать. Любой процесс регистрации требует времени. Виртуальные частицы «живут» столь короткое время, что их увидеть невозможно. Итак, вместо испускания реального гамма-кванта возбужденное ядро испускает виртуальный квант, который превращается в е+е–-пару, которую можно зарегистрировать. Увидев появление позитронов в спектрометре при отсутствии конвертора (который могли снять случайно), А.И. Алиханов понял, что наблюдает новое явление – процесс внутренней парной конверсии. Но тогда энергетический спектр частиц е+ должен сильно отличаться от спектра позитронов внешней парной конверсии. Пусть энергия гамма-перехода или энергия гамма-кванта равна Е. (На самом деле мы здесь пренебрегли энергией отдачи ядра – она весьма мала). На образование е+е–-пары надо затратить энергию 2m_е с²≈ 1,02 МэВ. Значит, максимальная энергия позитрона (в этом случае электрону ничего «не достается) равно Еmaх=Е_γ – 1,02 МэВ. За этой энергией в спектре следует резкий обрыв. В качестве радиоактивного источника в данном случае был использован препарат RaС (висмут-114). У этого ядра был известен гамма-переход с энергией около 1,6 МэВ.

Обрыв спектра при этой энергии хорошо виден.Но ясно видны и другие «обрывы», демонстрирующие присутствие других гамма-линий, т.е. гамма-переходов, которые сопровождаются процессов внутренней парной конверсии. Наблюдение таких спектров и есть прямое доказательство существования процесса внутренней парной конверсии. Наблюдение единичного позитрона в камере Вильсона при отсутствии конвертора за источником излучения не может быть доказательством обнаружения нового физического явления. Работы А.И. Алиханова и его учеников положили начало современной ядерной спектроскопии. Один из учеников А.И. Алиханова член-корреспондент АН СССР Б.С. Джелепов занимался этой наукой до конца своих дней и был признанным мировым лидером в этой области. А.И. Алиханов детально исследовал форму бета-спектров как при электронном, так и позитронном распадах и впервые обнаружил влияние кулоновского поля бета-активного ядра на форму бета-спектра. (как е-, так и е+). Более того, А.И. Алиханов пытался исследовать форму бета-спектра вблизи максимальной энергии электронов, где интенсивность близка к нулю. Целью этого эксперимента была попытка измерить массу нейтрино, которое испускается при бета-распаде вместе с электроном. Гипотеза о существовании нейтрино, выдвинутая Паули, должна была «спасти» законы сохранения в бета-распаде, так как позволяла объяснить непрерывную форму бета-спектров. Нильс Бор в 20-х годах прошлого века инициировал дискуссию, на тему могут ли законы сохранения нарушаться в микромире. Существование нейтрино было доказано значительно позже. Но тогда в 30-е годы Абрам Исаакович в изящном эксперименте показал, что законы сохранения в микромире справедливы, т.е. строго выполняются. При столкновении друг с другом электрон и позитрон аннигилируют, - превращаясь в два гамма-кванта. В случае малых энергий, Когда суммарный импульс этих частиц близок к нулю, кванты, энергия каждого из которых равна m_oc² ≈ 0,5 МэВ, должны разлетаться в противоположные стороны. А.И. Алиханов со своими коллегами именно это и продемонстрировал (см. цитированный выше сборник трудов А.И. Алиханова).

Группа А.И. Алиханова в течение 1933-40 г.г. выполнила очень много значительных, актуальных тогда исследований. Например, было показано, процессы рассеяния, и поглощения быстрых электронов адекватно описываются релятивистской квантовой механикой. В 1935 г. А.И. Алиханову была присуждена ученая степень доктора физико-математических наук. В 1939 г. он был избран в члены-корреспонденты Академии Наук СССР, в 1943 г. стал ее действительным членом (академиком). В военные годы (1942-43 г.г.) в СССР приняли решение о начале работ по разработке и созданию атомного оружия. А.И. Алиханов был привлечен к этому проекту с самого начала. Возглавил проект И.В. Курчатов. Для создания атомного оружия используют два нуклида: уран-235 и плутоний-239. Первые изотоп (²³⁵U) в небольшом количестве содержится в природном уране, который, в основном, состоит из изотопа ²³⁸U. Выделение ²³⁵U осуществляется на специальных установках – сепараторах. Плутоний нужно создавать в атомных реакторах путем захвата нейтронов ядрами ²³⁸U. Затем, вследствие бета-распада превращается в ²³⁹ Рu. Цепная реакция деления ядер заключается в том, что после захвата одного нейтрона, в результате деления ядра (развала на более легкие ядра) освобождается более двух нейтронов. Они вновь вызывают деление и т.д. Это и есть цепной процесс. Он развивается по экспоненциальному закону, а это и есть взрыв. Для его осуществления масса делящегося вещества должна равняться (или превосходить) определенное критическое значение. В бомбе две части, содержащие допустим уран, Для осуществления взрыва нужно очень быстро соединить друг с другом, при этом достигается критическое значение массы и происходит взрыв. В атомном реакторе цепной процесс нужно контролировать, чтобы поддерживать заданный уровень мощности.

В отличие от атомной бомбы, где реакция деления идет на быстрых нейтронах, тех которые возникают при делении ядер, в большинстве ныне действующих реакторах реакция деления ядер идет на медленных нейтронах, так как эффективные сечение (вероятность) захвата ядрами ²³⁵U медленных нейтронов значительно выше и значит можно использовать меньше «горючего материала». Поэтому нейтроны деления нужно замедлить. В качестве замедлителя используют слабо поглощающие нейтроны легкие материалы: воду (обычную или тяжелую, т.е. Н₂О или Д₂О), графит, бериллий. В 1993 г. И.В. Курчатов создал научный центр, сейчас носящий его имя, а тогда лабораторию N 2 Академии Наук СССР. В этом центре разрабатывали атомные реакторы с графитовым замедлителем – графитовые реакторы. А.И. Алиханов создал научный центр, который тогда назывался лабораторией N 3 АН СССР, а сейчас это Институт Теоретической и Экспериментальной Физики (ИТЭФ). Этому институту недавно было присвоено имя его основателя А.И. Алиханова. Приказ о создании лаборатории был подписан 25 декабря 1945 г. Теперь это «день ИТЭФ». Лаборатория должна была заниматься разработкой тяжеловодных реакторов и развитием исследований в области ядерной физики. Лаборатория начала работать фактически в 1946 г. В 1947 году уже был готов проект первого в стране тяжеловодного реактора. В 1948 г. реактор был построен, а в апреле 1949 г. – сдан в эксплуатацию. Промышленные реакторы вскоре вошли в строй. Задание Правительства было выполнено. В 1954 г. А.И. Алиханова было присвоено звание Героя Социалистического Труда. Абрам Исаакович до конца своих дней оставался горячим энтузиастом и признанным лидером тяжеловодного направления в реакторостроении в СССР. Но предпочтение было отдано более дешевым графитовым аппаратам. В скобках отметим, что графитовые реакторы получили широкое распространение только в нашей стране. У тяжеловодных реакторов есть много достоинств, но мы остановимся только на одном и них. Тяжеловодные реакторы (ТВР) оказались очень устойчивыми в работе за счет большого отрицательного температурного коэффициента. Поясним, что это означает. В ТВР возникает сильная обратная связь температура – реактивность. С ростом температуры уменьшается коэффициент размножения нейтронов в АЗ и мощность снижается. На реакторе ИТЭФ было показано, что после достижения стационарного режима (см. ниже) можно выключить регуляторы и реактор будет сам себя регулировать за счет отрицательно температурного коэффициента. Более того, можно вынуть из АЗ все регуляторы, режим саморегулирования сохраняется. Значит, выход из строя системы автоматического регулирования мощности не может вызвать аварии. Далее была произведена остановка реактора (регуляторы полностью введены в АЗ) и затем все регуляторы извлекли из АЗ, представив реактору свободно разгоняться – возрастание мощности не контролировали. Тогда мощность реактора стала быстро возрастать, превзошла номинал, на котором реактор обычно работал, но затем возрастание мощности прекратилось, и реактор стал сам вновь себя регулировать на уровне мощности, который определялся теплосъемом. Замечательное свойство ТВР.

Теперь о стационарном режиме. В процессе деления ядер урана возникают более легкие ядра, их называют осколками. Среди этих осколков есть радиоактивный диод, который распадался, приводит к образованию ксенона – 135. Этот изотоп ксенона обладает сильным захватом нейтронов, т.е. это «сильно отравляющее вещество». При работе реактора на заданном уровне мощности через некоторое время возникает динамическое равновесие между накоплением и распадом и выжиганием (за счет захвата нейтронов) отравляющих веществ (ксенон – наиболее вреден). Отравление АЗ ксеноном называют диодной ямой. После остановки реактора накопившийся диод продолжает распадаться быстрее, чем убывает ксеноном. Происходит дальнейшее накопление ксенона. В результате, если реактор обладает большой мощностью, т.е. диода возникает много, диода пуск реактора оказывается возможных через сутки, а то и двое, трое суток. Попытка пустить реактор сразу после остановки (реактор ИТЭФ был маломощным) чревата большой опасностью, это запрещено правилами эксплуатации реакторов. На вопрос о том, что можно ли было избежать чернобыльской катастрофы, если бы был сделан выбор в пользу тяжеловодных реакторов, ответ прост: нарушая правила эксплуатации можно вызвать аварию на любом реакторе. «Авось, проскочим» – главная причина чернобыльской катастрофы. «Дуракоустойчивых» реакторов пока нет. К эксплуатации реактором нужно допускать исключительно грамотный и ответственный персонал. В ИТЭФ персонал реактора ежегодно сдавал руководству экзамен на право дальнейшей работы на реакторе. Сотрудник, от которого исходил запах винного перегара, отстранялся от работы и, при повторном случае увольнялся с работы. За почти 40 лет работы на реакторе ИТЭФ не возникло ни одной аварийной ситуации.

Коль скоро мы затронули проблемы атомной энергетики, в двух словах остановимся на еще одной, сейчас весьма актуальной теме – переработке отработавшего свой срок атомного горючего материала – «отработавшем» топливо. Отработавшее топливо это не ядерные отходы, это сырье, причем богатое сырье для атомной промышленности. В отработавшем топливе содержится изотопы урана и плутония, которые можно извлечь и использовать. Как правило, сейчас в атомной энергетике используют топливо, обогащенное изотопом ²³⁵U. После окончания работы в реакторе, фоновый стержень, т.е. тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ) содержит изотопы ²³⁵U много больше чем природный уран.

У нас, также как в США, освоена технология химической переработки отработавшего топлива. Как можно отказываться от такого сырья? Почему «они» от этой переработки не отказываются, а нам этим делом заниматься «не советуют»? Это топливо, до переработки, нужно в течение нескольких десятилетий выдерживать в специальных хранилищах для снижения радиоактивности. Поэтому для хранения этого продукта строят новые хранилища.

Говорят, что их нужно размещать глубоко под землей. В свое время А.Д. Сахаров предложил реакторы атомных электростанций (АЭС) строить под землей. Когда речь идет об энергетике, то возникает вопрос, сколько будет стоить электроэнергия. Все АЭС на нашей планете построены и строятся на земле. К зданиям атомной промышленности предъявляются требования, выработанные международным атомным агентством. Все остальное – чистая демагогия, популизм в его худшем варианте.

Что же касается отходов химической переработки отработавшего топлива, то это уже действительно отходы, которые нужно не хранить, а захоранивать. Здесь есть трудности, но их не следует преувеличивать. В США радиоактивные отходы захоранивают. Мы тоже так поступаем. Может быть в будущем люди научатся снижать активность этих продуктов, но пока все это можно просто захоранивать. Главная задача современной ядерной энергетики это создание реакторов с повышенной безопасностью. В ИТЭФ работают над такими проектами, но в стране уже нет даже завода для производства тяжелой воды. Тяжеловодному направлению не суждено было стать магистральным в нашей стране. Поэтому «центр тяжести» научных интересов в ИТЭФ был смещен в сторону ядерной физики и физики элементарных частиц.

За период 1957-60 г.г. в институте был выполнен огромный комплекс исследований нарушения пространственной четности в бета-распаде. Четность – понятие квантовомеханическое. В квантовой механике состояние физической системы характеризуют волновой функцией. Пусть волновая функция Ψ зависит от координат и времени; Ψ(х,у,z,t). Если волновая функция не изменяется при инверсии координат т.е. замене е→ - х, у→- у; z→-z, значит, если Ψ+= Ψ(хи у, z,.t)=. Ψ(-х,-у,-z,t) то функция Ψ называется четной. Если при такой замене функция изменяет знак, она называется нечетной Ψ-= Ψ(х, у, z,t)=- Ψ(-х,-у,-у,-z,t)

До 1956 г. (считали, что четная функция всегда остается четной, а нечетная – нечетной). Пережду Ψ+ ↔ Ψ- абсолютной запрещен. В этот закон сохранения четности верили как в закон сохранения энергии. В 1956 г. американские физики китайского происхождения Ли и Янг высказали предположение о том, что слабое взаимодействие (оно «ответственно», те вызывает бета-распад) нарушает закон сохранения четности. Профессор Ву (тоже американской физик китайского происхождения) и ее коллеги показали, что Ли и Янг были правы. В скобках отметим, что у Ву сложились очень хорошие, теплые отношения с А.И. Алихановым. Смысл опыта Ву сейчас попытаемся объяснить.

Представим себе диск или волчок, вращающийся на горизонтальной плоскости направо. Это вращение условно обозначим стрелкой, направленной вверх. Можно представить себя, что наш диск служит рукояткой правого винта. Отразим это вращение в горизонтальной плоскостью х, у. (ось z направлена вверх – правая система координат). Отражение в горизонтальной плоскости не изменяет направление вращения диска, которое по-прежнему обозначается стрелкой направленной вверх. Правый винт остается правым. Но ось z в результате отражения теперь смотрит вниз. Оси х, у направлений не изменяют. Отражение в плоскости хz делает правый винт левым, ось у изменяет направление, оси х, z – направлений не измеряет.

Последовательное отражение в трех плоскостях (зеркалах) оставляет правый винт правым, значит наша стрелка, направлена вверх, своего направления не изменила. Но при таких трех отражениях изменили направление все оси координат х→ х, у→- у; z→-z. Такое преобразование координат называется инверсией. Инверсия координат оставляет правый винт правым, левый винт - левым. (Левый винт, т.е. вращение влево мы обозначили бы стрелкой «направленной вниз). Такие «стрелки» - векторы, которые не изменяют своей ориентации координат, называют аксиальными или псевдовекторами. Будем обозначать такие векторы символом G. Теперь будем приближать или удалять предмет от зеркала (диск, волчок и т.д.) Изображение предмета (в любом из трех зеркал: ху, хz, уz) будет совершать обратное движение. Если движение предмета обозначить стрелкой (вектором), направленный вдоль движения предметов, то отраженная стрелка будет иметь обратное направление. Последовательное отражение в трех зеркалах или инверсия координат изменяет направление стрелки (вектора) на обратное. Такие векторы называются полярными или просто векторами. Обозначим полярный вектор символом Р . Заметим, произведение G Р изменяет знак при инверсии координат. Это произведение представляет собою псевдоскалярную величину

Вспомним, что состояние физической системы характеризуется волновой функцией с определенной четности. Закон сохранения четности требует, четность, чтобы состояние не изменялось. Значит, если система переходит из одного состояния в другое, то четности исходного и конечного состояний должны совпадать. Пусть - начальное состояние, - конечное. Взаимодействие, которое переводит в (;или, ) не может изменить четность состояния. Отсюда следует, что вероятность переход → есть скалярная величина – она не изменяется при инверсии координат. Вероятность бета-распада т.е. вероятность испускания электрона бета-активным ядром, должна выражаться скалярной величиной, т.е. она не должна содержать членов вида G Р Обратимся к бета-распаду ядер. Ядра обладают собственными моментами количество движения. Такой момент называют спином. Упрощая картину, будем изображать ядро в виде вращающегося волчка или нашего диска, который мы отождествили с винтом, пусть правым. Значит спин это аксиальный вектор G. Если ядро бета-активно, она испускает электрон. Движение электрона – его импульс – это полярный вектор Р . Если четность сохраняется, то согласно сказанному вероятность распада не должна содержать члена вида G Р . Тогда нужно разрешить электрону с равной вероятностью вылетать из ядра в любую сторону. Поскольку спин – аксиальный вектор, инверсия координат не изменяет его ориентации. Вылет электрона с равной вероятностью происходит в любом направлении. Следовательно, бета-распад происходит совершенно одинаково, как в нашем мире. Так и в том, который является его зеркальным отображением (получается путем инверсии координат). При сохранении четности не существует способа отличить друг от друга два этих мира. Опыт Ву показал, что это не так, эти два мира физически отличаются друг от друга. Ву исследовала бета-распад ядер кобальта-60 Со. Эти ядра (как и подавляющее большинство ядер в природе) обладают отличным от нуля собственным моментом количество движения («вращением») – спином. Грубо говоря, ядро – вращающийся волчок. Спин – аксиальный вектор, характеризующий свойство этого «волчка».

В опыте Ву ядра кобальта были поляризованы, что означает, что спины ядер были параллельны друг другу, все «волчки» вращались в одну сторону. Техника поляризации ядер хорошо освоена. В данном случае образец кобальта находился в магнитном поле при сверхнизкой температуре. Опыт показалmчто электроны бета – распада вылетают, против направления спина ядер. Векторы спина ядер G и импульса электрона Р направлены в противоположные стороны. Здесь важно, что есть корреляция этих направлений G Р≠ О. Произведя инверсию координат – перейдя в «зазеркалье», мы не изменим направления G, но вектор Р изменит направление и будет параллельные σ. Электроны будут вылетать вдоль направления поляризации ядер. Бета-распад отличает наш мир от его зеркального отображения. Слабое взаимодействие позволяет природе отличать «правое» от «левого». Другие взаимодействия – электромагнитное, сильное («цементирующее» атомные ядра), гравитационное – таким свойством не обладают. Спросим себя, как будет проявляться нарушение закона сохранения четности в бета-распаде, если ядра не имеют определенной ориентации в пространстве – не поляризованы? В этом случае нет корреляции σ Р так как σ – спины ядер имеют случайную ориентацию σ Р=0. Две группы экспериментаторов в ИТЭФ – группа А.И. Алиханова и группа одного из его лучших учеников С.Я. Никитина первыми ответили на этот вопрос. Они показали, что нарушение четности проявляется в наличии поляризации у самих электронов бета-распада. А.И. Алиханов исследовал большое количество разных бета-активных ядер и показал, что в соответствии с теорией,спины электронов бета-распада строго ориентированы против направления движения, т.е. их импульсе. Значит и здесь имеется корреляция σ Р, которая измеряет знак при инверсии координат. Наличие этой корреляции вновь свидетельствует о том, что в вероятности бета-распада есть псевдоскалярный член. В опытах выполненных в ИТЭФ, была раскрыта физическая структура слабого взаимодействия, но об этом трудно (если вообще возможно) говорить без использования математического аппарата теории. Отметим, в заключение этого рассказа, что в специальном эксперименте. А.И. Алиханов и его коллеги показал, что процесс бета-распада инвариантен (не зависит) относительно изменением знака времени инвариантен относительно обращения направления времени.

Подчеркнем, что это исключительно важный результат. Точность, с которой этот вывод был сделан, оставляет непревзойденной много лет. Можно показать, что из этого результата следует, что если произвести инверсию координат – перейти в зазеркалье и одновременно заменить частицы на античастицы, то получится мир, который невозможно отличить от исходного. Однако много лет спустя физики показали, что у природы есть механизм (инструмент), который отслеживает направление времени. Но это уже другая история. Подводя итоги сказанному, еще раз подчеркнем. Слабое взаимодействие не инвариантно относительно инверсии координат – нарушает закон сохранения четности.

Можно показать, что оно также неинвариантно относительно замены частиц на античастицы – отличает мир от антимира. Но оно не отличает два мира друг от друга, если вместе с заменой частиц на античастицы произведена инверсия координат, т.е. «левое» заменено на «правое». В физике есть теорема, доказанная Паули и носящая его имя. Согласно этой теоремы – (СРТ – теорема), если заменить частицы на античастицы (С – преобразование); произвести инверсию координат (Р – преобразование) и изменить знак времени (Т – преобразование), то получили мир физически эквивалентный исходному. Экспериментально обнаружено неинвариантность относительно (Р – преобразование, что означает (если СРТ – теорема верна), что имеет место и неинвариантность относительно обращения времени. Но вернемся к событиям в ИТЭФ.

В 50-х годах в ИТЭФ дирекция решила начать проектирование и строительство ускорителей протонов на высокие энергии с так называемой жесткой фокусировкой. В СССР еще не было таких ускорителей. Их преимущество заключалось в том, что диаметр пучка резко уменьшается, а следовательно, уменьшаются размеры вакуумной камеры и габариты магнитов. Предполагалось построить два таких ускорителя. Один на территории ИТЭФ на энергию протонов 7 ГэВ и второй – под Серпуховом (г. Протвино), самый крупный в мире в то время – на энергию 70 ГэВ. Ускоритель на территории ИТЭФ должен был сыграть роль модели большого ускорителя. Работы по расчету и проектированию ускорителей возглавил заместитель директора ИТЭФ В.В. Владимирский. В 1961 г. «малый» ускоритель начал работать. Большой ускоритель продолжали строить. С этого момента физика элементарных частиц становится ведущей тематикой научных исследований в ИТЭФ. Программа работ была составлена под руководством директора. Абрам Исаакович сам участвовал в первых работах, поставленных на ускорителе в ИТЭФ. И, вот в тот момент, когда все дальнейшее развитие института было связано с использованием крупнейшего в мире ускорителя, этот ускоритель у ИТЭФ отобрали.

В жизни А.И. Алиханова было более чем достаточно тяжелых испытаний. Уже при строительстве промышленного реактора он испытал тяжелый сердечный приступ. В начале 50-х, в связи с «делом врачей» Абраму Исааковичу пришлось сражаться за сотрудников своего института

В 1956 г., после 20-го съезда партии молодые коммунисты ИТЭФ на партийном собрании выступили с резкими заявлениями и партийную организацию ИТЭФ распустили. Пошли слухи о возможных репрессиях. Состоялся разговор А.И. Алиханова с Н.С. Хрущевым. Директор спас свой институт, хотя 10 человек исключили из партии и четверых из них, пришлось уволить. Но и это не все, однако, обо всем не расскажешь. Но даже когда самой жизни Абрама Исааковича угрожала опасность, он так не переживал, как на этот раз и организм не выдержал. Произошел тяжелый инсульт. В 1968 г. Абрам Исаакович подал в отставку, а в 1970 г. его не стало.

Ушел из жизни крупный ученый, организатор науки, смелый мужественный человек. Более 30 лет прошло со дня кончины основателя ИТЭФ, уже почти никого не осталось из учеников Абрама Исааковича, но осталась школа, остался институт – детище А.И. Алиханова. Недавно ИТЭФ было присвоено имя А.И. Алиханова.

Дополнительная литература:

• Публикация С.Лескова в газете ИЗВЕСТИЯ "Настоящий физик должен жить поближе к консерватории"
• Академик А.И. Алиханов: Воспоминания, письма, документы. Составители Б.Г. Гаспарян, В.Я.Френкель. Ответственный редактор академик А.П. Александров. – Л.: Наука, 1989
• Академик А.И. Алиханов: Воспоминания, письма, документы. Редакционная коллегия: чл.-корр. РАН Ю.Г. Абов, чл.-корр. РАН В.В. Владимирский, Л.П. Литовкина. – М.: Физматлит, 2004.
• С.С. Рошаль (Алиханова): “Академик Абрам Исаакович Алиханов (воспоминания). ” – М.: ИТЭФ, 2004.

Возврат к списку