История и методология технической физики

1 ИСТОРИЧЕСКИЙ  ФОН, ИТОГИ ФИЗИКИ XIX СТОЛЕТИЯ

Концепции атомной и ядерной физики будут  развертываться в ХХ столетии, но события, давшие им толчок, произошли в конце XIX столетия. На стыке XIX и ХХ вв. в  науке свершились открытия, заставившие  заколебаться сложившуюся картину  мира. Представлениям, основанным на классической механике, суждено было уступить место  новой, остающейся до сих пор во многом не завершенной картине мира. События, положившие начало процессу смены картины мира, связаны с открытием рентгеновских лучей и радиоактивности (1895-1896 гг.), открытием электрона (1897 г.), структуры кристалла (1912 г.), нейтрона (1932 г.), деления ядра атома (1938 г.) и т.д., а также с теоретическими работами: квантовой теорией М.Планка (1900 г.), специальной теорией относительности А.Эйнштейна (1905 г.), атомной теорией Резерфорда - Н.Бора (1913 г.), общей теорией относительности А.Эйнштейна (1916 г.), волновой механики Л.де Бройля и Э.Шредингера (1923-1926 гг.) и т.д. Поскольку в основу изложения развития физических концепций был положен и хронологический принцип, то и научные открытия, происшедшие в конце XIX столетия (хотя главные события, последующие за ними, будут происходить уже в ХХ столетии), целесообразно рассмотреть в русле развития физики конца XIX столетия.

Конец XIX века демонстрировал наличие теории, удовлетворяющей практическим потребностям. Явления электромагнетизма использовались в осветительных и силовых  устройствах. Термодинамические концепции  привели к созданию двигателя  внутреннего сгорания и химических установок, электромагнитная теория вызвала к жизни радио. Эти достижения были практической реализацией утвердившихся научных знаний, от которых трудно было ожидать чего-то принципиально нового. Так что радикальные сдвиги следовало ожидать в тех областях физики, которые до сих пор находились в тени и в которых наблюдались какие-то явления, не укладывавшиеся в существующие физические концепции. Область физики, занимавшаяся изучением электрических разрядов, оказалась именно такой. Однако проводившиеся с электрическими разрядами в вакууме опыты  привели к интересным результатам, а электротехническая промышленность обнаружила потребность в совершенствовании вакуумной техники. Все это усилило интерес к исследованиям в этой области физики.

Первым  результатом усиления этого интереса было открытие У.Круксом катодных лучей, которые он назвал лучистой формой материи. Д.Стоней назвал катодные лучи электронами, Ж.Перрен обнаружил у них отрицательный заряд, а Д.Томсон измерил их скорость. Следующим шагом было совершено непредвиденное открытие К.Рентгеном - обнаружение Х-лучей (получивших название рентгеновских), исходивших из катодно-лучевой разрядной трубки. Это открытие, помимо практических перспектив, имело важное значение для других областей физики. Д.Томсон установил, что не только электроны, которые ударялись о какое-либо вещество, порождали рентгеновские лучи, но и последние при ударе о вещество порождают электроны. Тот факт, что электроны могли извлекаться из различных веществ, свидетельствовало о принадлежности их к электрической материи. Поскольку она состояла из отдельных частиц (атомов), то это побудило Д.Томсона обратиться к раскрытию внутренней структуры атома. Существование электрона - заряженной частицы с массой. которая меньше массы атома и которая появляется из вещества при определенных условиях, наводила на мысль о том, что эта частица является структурным элементом атома. А если атом электрически нейтрален, то должен быть структурный элемент и с положительным зарядом.

Первая  модель атома, предложенная В.Томсоном и затем Д.Томсоном, включала шарообразное облако положительного заряда, внутри которого находятся электроны, расположенные в этом облаке концентрическими кольцами. Данная модель просуществовала недолго. Но это был первый шаг в раскрытии структуры атома. Следующие модели атома появились уже в ХХ веке (модель Э.Резерфорда и модель Н.Бора).

Открытие  рентгеновских лучей было случайным. Открытие радиоактивности, последовавшее  вслед за открытием рентгеновских  лучей, также оказалось случайным. А.Беккерель пытался установить, не излучаются ли подобные лучи другими  телами. Из различных веществ, которыми он располагал, Беккерель случайно избрал соли урана. лучи, исходящие из урана, были радиоактивными, причем получались без каких-либо устройств - они испускались самим радиоактивным веществом. Пьер и Мария Кюри выделили еще более сильные радиоактивные элементы - полоний и радий. Э.Резерфорд, изучая характер радиоактивного излучения, открывает альфа-лучи и бета-лучи и объясняет их природу. М.Планк установил. что атомы отдают энергию не непрерывно, а порциями, т.е. существование предельного количества действия, контролировавшего количественно все энергетические обмены в атомных системах (постоянная Планка - h, равная 6,6×10^-27 эрг/сек.) К.Лоренц создает электронную теорию, синтезировавшую идеи теории поля атомной теории. И хотя первоначально он не употребляет термина "электрон", а говорит о положительно и отрицательно заряженных частицах вещества. открытие радиоактивности и превращения атомов поколебало физические и химические представления XIX века. Это касалось закона неизменных элементов, установленного Лавуазье. Самопроизвольный радиоактивный распад в условиях отсутствия опытных данных о синтезе новых атомов мог истолковываться как односторонний процесс постепенного разрушения вещества во Вселенной. Открытие первой субатомной частицы - электрона - выглядело аргументом в пользу отвергнутых представлений об электрической субстанции. Казалось, что был поставлен под сомнение и закон сохранения энергии. Возникшая ситуация свидетельствовала о том, что новые экспериментальные факты не укладываются в существовавшую физическую парадигму. Таким образом, обозначились истоки революционных преобразований в физических концепциях. Первый этап этих преобразований начался в конце XIX века. Последующие этапы развертывались уже в XX веке.

  2 ИСТОРИЯ  РАЗВИТИЯ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Самым известным  и наиболее простым реактивным двигателем является пороховая ракета, много  столетий назад изобретенная в древнем  Китае.

В самом начале 30-х годов в СССР развернулись работы, связанные с созданием реактивного двигателя для летательных аппаратов. Советский инженер Ф.А.Цандер еще в 1920 году высказал идею высотного ракетного самолета. Его двигатель “ОР-2”, работавший на бензине и жидком кислороде, предназначался для установки на опытный самолет.

В Германии при участии инженеров Валье, Зенгера, Опеля и Штаммера начиная с 1926 года систематически производились эксперименты с пороховыми ракетами, устанавливавшимися на автомобиль, велосипед, дрезину и, наконец, на самолет. В 1928 году были получены первые практические результаты: ракетный автомобиль показал скорость около 100 км/час, а дрезина – до 300 км/час. В июне того же года был осуществлен первый полет самолета с пороховым реактивным двигателем.

В 1939 году в СССР состоялись летные испытания  прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД) на самолете “И-15” конструкции  Н.Н.Поликарпова.

В конце 30-х – начале 40-х  годов нашего столетия разрабатывались  и испытывались первые самолеты с  реактивными двигателями других типов.

Один  из первых полетов человека на самолете с жидкостным реактивным двигателем (ЖРД) был также совершен в СССР. Советский летчик В.П.Федоров в  феврале 1940 года испытал в воздухе  ЖРД отечественной конструкции.

15 мая 1942 года состоялся  первый полет боевого самолета  с ЖРД. Это был небольшой  остроносый самолет-моноплан с  убирающимся в полете шасси  и хвостовым колесом. В носовом  отсеке фюзеляжа помещались две  пушки калибром 20 мм, боезапас к ним и радиоаппаратура. Далее были расположены кабина пилота, закрытая фонарем, и топливные баки. В хвостовой части находился двигатель. Полетные испытания прошли успешно.

В годы Великой Отечественной  войны советские авиаконструкторы работали и над другими типами истребителей с ЖРД. Конструкторский  коллектив, руководимый Н.Н.Поликарповым, создал боевой самолет “Малютка”. Другой коллектив конструкторов  во главе с М.К.Тихонравовым разработал реактивный истребитель марки “302”.

Работы по созданию боевых реактивных самолетов широко проводились  и за рубежом.

В июне 1942 года состоялся  первый полет немецкого реактивного  истребителя-перехватчика “Ме-163”  конструкции Мессершмитта. Только девятый вариант этого самолета был запущен в серийное производство в 1944 году.

В Италии в августе 1940 года был совершен первый 10-минутный полет  реактивного самолета-моноплана  “Кампини-Капрони СС-2”. На этом самолете был установлен так называемый мотокомпрессорный ВРД. Воздух входил через специальное отверстие в передней части фюзеляжа в трубу переменного сечения, где поджимался компрессором, который получал вращение от расположенного позади звездообразного поршневого авиа-мотора мощностью 440 лошадиных сил.

В мае 1941 года в Англии состоялся первый испытательный  полет экспериментального самолета Глостер “Е-28/39” с ТРД с  центробежным компрессором конструкции  Уиттла.

Среди других самолетов с ТРД этого периода  следует отметить истребитель Глостер  “Метеор”, первый полет которого состоялся  в 1943 году. Этот одноместный цельнометаллический  моноплан оказался одним из наиболее удачных реактивных самолетов-истребителей того периода. Два ТРД были установлены  на низкорасположенном свободнонесущем крыле. Серийный боевой самолет развивал скорость 810 километров в час. Продолжительность полета составляла около 1,5 часов, потолок – 12 километров. Самолет имел 4 автоматические пушки калибра 20 миллиметров. Машина обладала хорошей маневренностью и управляемостью на всех скоростях.

3 ВМЕШАТЕЛЬСТВО ПОЛИТИКИ В НАУКУ

В 1939—1941 годах нацистская Германия располагала соответствующими условиями  для создания атомного оружия: она  имела необходимые производственные мощности в химической, электротехнической, машиностроительной промышленности и  цветной металлургии, а также  достаточные финансовые средства и  материалы общего назначения. Научный  потенциал также был очень  высок, и имелись необходимые  знания в области физики атомного ядра.

Часто утверждается, что атомная  бомба в нацистской Германии не была создана, потому что тоталитарный нацистский режим препятствовал развитию научного творчества, нетерпимо относился  к учёным еврейской национальности, то есть созданию атомной бомбы препятствовал  существующий в Германии политический строй.

Распространённо мнение об игнорировании  руководителями рейха (в частности Гиммлером, Герингом, Кейтелем, Борманом) атомной проблемы. Вывод об этом иногда делается на том основании, что они лично не участвовали в соответствующих совещаниях. В то же время, известно, что в середине войны в руководстве страны возобладали настроения о необходимости сосредоточения научных, производственных и финансовых ресурсов только на проектах, дающих скорейшую отдачу в виде создания новых видов оружия. В связи с этим Урановый проект был передан из приоритетной военной науки в гражданскую, что затормозило его осуществление так же, как и быстрое доведение до боевого применения первых в мире боевых баллистических ракет Фау-2 и создание по проекту «Америка» межконтинентальных ракет A-9/A-10 и частично-орбитального бомбардировщика Silbervogel и ряда других проектов.

4 МАНХЭТТЕНСКИЙ ПРОЕКТ

«Проект Манхеттен»— кодовое название программы  США по разработке ядерного оружия, осуществление которой началось 17 сентября 1943 года. Перед этим исследования велись в «Урановом комитете». В проекте принимали участие учёные из Соединённых Штатов Америки, Великобритании, Германии и Канады.

В рамках проекта были созданы три атомные  бомбы: плутониевая «Тринити» (взорвана при первом ядерном испытании), урановый «Малыш» (сброшена на Хиросиму 6 августа 1945 года) и плутониевый «Толстяк» (сброшена на Нагасаки 9 августа 1945 года).

Руководили  проектом американский физик Роберт Оппенгеймер и генерал Лесли Гровс. Проект был секретным. Предположительно, он начался в 1943 году, когда стало известно, что в нацистской Германии ведутся работы по созданию атомного оружия. К проекту были подключены многие крупные учёные, эмигрировавшие в 1933 году из Германии (Фриш, Бете, Силард, Фукс, Теллер, Блох и другие), а также Нильс Бор, вывезенный из оккупированной Германией Дании. Ближе к лету 1945 году военное ведомство США сумело получить атомное оружие, действие которого было основано на использовании двух видов делящегося материала — либо изотопа урана-235 («урановая бомба»), либо изотопа плутония-239 («плутониевая бомба»). Основная сложность при создании ядерного взрывного устройства на основе урана-235 заключалась в обогащении урана — то есть в повышении массовой доли изотопа 235U в материале (в природном уране основным изотопом является 238U, доля изотопа 235U примерно равна 0,7 %), чтобы сделать возможной цепную атомную реакцию (в природном и низкообогащённом уране изотоп 238U препятствует развитию цепной реакции). Уран смогли обогатить методом газовой диффузии.

Получение плутония-239 для первого испытания  ядерного устройства «Тринити» по Манхэттенскому проекту не связано напрямую со сложностями  в получении урана-235, так как  в случае с плутонием-239 используется специальный ядерный реактор  и уран-238.

Первый  взрыв атомной бомбы был произведён в штате Нью-Мексико 16 июля 1945 года (первое испытание ядерного взрывного  устройства «Тринити» на основе плутония-239, Аламогордо, на юге штата Нью-Мексико). Во время этого первого испытания («Тринити») тестировалась именно плутониевая бомба имплозивного типа, но не урановая, то есть основанная на совершенно ином делящемся материале (плутоний-239) и других механизмах инициации и проведения цепной реакции, чем в случае использования урана-235.

Правительство США, получив в 1945 году атомное оружие, произвело бомбардировку японских городов Хиросима и Нагасаки в  августе 1945 года.

В июне 1944 года в Манхэттенском проекте  было задействовано около 129 000 служащих, из которых 84 500 были задействованы  в строительных работах, 40 500 являлись операторами и 1800 военных. Позже число военнослужащих увеличилось до 5600. В проекте участвовали физики и другие учёные с мировым именем: Рудольф Пайерлс, Отто Фриш, Эдвард Теллер, Энрико Ферми, Нильс Бор, Клаус Фукс, Лео Силард, Джон фон Нейман, Ричард Фейнман, Джозеф Ротблат, Исидор Раби, Станислав Улам, Роберт Уилсон, Виктор Вайскопф, Герберт Йорк, Кеннет Бэйнбридж, Сэмюэл Аллисон, Эдвин Макмиллан, Роберт Оппенгеймер, Джон Лоуренс, Георгий Кистяковский, Ганс Бизе, Эрнест Лоуренс, Р. Робертс, Ф. Молер, Александр Сакс, Ханс Бете, Швебер, Буш, Эккерс, Халбан, Симон, Э. Вагнер, Филипп Хауге Абельсон, Джон Кокрофт, Эрнест Уолтон, Роберт Сербер, Джон Кемени, Альберт Бартлетт.