Энергия атомного ядра

Энергия а-излучения еще в 1919 г. была использована Э. Резерфордом для превращения элементов. Дело при этом сводилось к превращению одних стабильных элементов в другие, тоже стабильные. Успешной бомбардировке могли подвергнуться только атомы относительно легких элементов. Возбудить и вызвать превращения атомов тяжелых элементов а-частицы не могли. Им мешали заряд и относительно большая масса. Требовался иной снаряд, с большой энергией и нейтральный, т.е. без заряда. На возможность существования такой частицы еще, а 1920 г. Указывал могучий ум Э. Резерфорда. Экспериментальные же поиски ее затянулись. И все же в 1932 г. Д. Чедвик обнаружил нейтрон, предсказанный Э. Резерфордом. Масса этой частицы близка массе протона, а заряд отсутствует. Собственно, «охотиться» за нейтроном Чедвик начал в 1924 г., когда чуть не открыл его.

1930 год. Немецкие исследователи профессора В. Боте и Э. Беккер обнаружили, что облучение бериллия а-лучами сопровождается неизвестным излучением, похожим на рентгеновское. В 1932 г. Ирен Кюри и Фредерик Жолио-Кюри наблюдали это же излучение при облучении алюминия а-лучами. Но эти исследователи не знали о предсказанном Э. Резерфордом нейтроне и не обратили внимания на таинственное излучение. Джеймс Чедвик, ученик Э. Резерфорда, об этом знал и в 1932 г. доказал, что излучение является потоком нейтронов. Нейтроны были открыты благодаря реакциям: В руках исследователей появилось средство более успешного проникновения в глубины атомного ядра. Оставалось, однако, неясным, можно ли с помощью нового снаряда «расколоть» атомное ядро и выпустить «на волю» ядерного джина. Нейтроны, не имеющие электрического заряда, способны при атаке доходить до ядер любого атома, не только легкого, но и тяжелого. Так был принципиально установлен дальнейший путь в таинственное атомное ядро.

Работы Ирен и Фредерика Жолио-Кюри были знаменательны еще одним принципиально важным событием, о котором не сразу догадались и сами авторы. Прошло некоторое время, прежде чем супруги Кюри, пересмотрев результаты своих исследований, открыли явление искусственной радиоактивности. История этого открытия, принесшего его авторам впоследствии Нобелевскую премию, настолько поучительна, что следует ее рассказать несколько подробнее.

Решив проверить опыты В. Боте и Э. Беккера, они облучили алюминиевую фольгу а-излучением полония и обнаружили, что фольга продолжает оставаться радиоактивной и после удаления полония. Опыт проводился и с другими легкими элементами — бором и магнием. Результат был прежним: после окончания облучения материал мишени оставался радиоактивным, причем его излучение легко проникало сквозь различные преграды. К осени 1933 г. вылепилось, что это излучение состоит, но только из нейтронов, но и из позитронов. Считая, что ими открыт новый (нейтронно-позитронный) тип радиоактивности, Ирен и Фредерик Кюри в октябре 1933 г. доложили результаты своих исследований на VII Сольвеевском конгрессе. Однако их доклад «Проникающее излучение атомов под воздействием а-лучей» был встречен недоверчиво, а авторитетнейший радиохимии Лиза Мейтнер сообщила, что в таких же опытах она не обнаружила излучения позитронов. После конгресса И. и Ф. Жолио-Кюри тщательно повторили опыты и изменили своп выводы.

В случае алюминия реакцию можно выразить так: Изотоп фосфора 3015Р — радиоактивный изотоп со средней продолжительностью жизни 3 или 15с. Он излучает положительные электроны, согласно ядерной реакции:

При облучении бора и магния происходят аналогичные реакции, в результате которых получаются неустойчивые ядра. Так была открыта искусственная радиоактивность. Ведь до этого все ядерные реакции, например 14N(а,p)170, сводились к превращению одного стабильного изотопа в другой стабильный. Подчеркивая смысл, вкладываемый ими в понятие «искусственная радиоактивность», Ф. Жолио-Кюри в этой же работе писал: «...мы не делаем искусственно ядро радиоактивным, а превращаем это ядро в другое, которое является естественно неустойчивым. Вплоть до настоящего времени все попытки, делавшиеся с целью изменения устойчивости атомов либо у стабильных, либо у радиоактивных веществ, т. е. попытки влиять на свойство радиоактивности кончались неудачей».

В последующем исследователям удалось впервые решить сложнейшую химическую задачу — в течение очень короткого времени (1—2 мин) выделить из материала мишени (алюминия или бора), полученные радиоактивные изотопы в чистом виде. Большая скорость выделения была необходима, чтобы искусственные элементы за время выделения не успели полностью распасться.

1934 год. В Риме тридцатитрехлетний академик Энрико Ферми, прославившийся своими теоретическими работами в области ядерной физики (в частности, теорией β-распада и «статистикой Ферми—Дирака»), надежда и «пана римский» итальянской физики, неожиданно для всех решил заняться экспериментальной физикой. Он понял, что открытые Чедвиком нейтроны являются идеальным снарядом для бомбардировки ядра атома, так как для них отсутствуют силы кулоновского отталкивания, и они могут проникать в ядра любых элементов. Э. Ферми с трудом достал немного эманации радия (радона) и, сделав нейтронный излучатель (бериллиево-радоновый источник), подверг бомбардировке вес известные элементы: от самого легкого — водорода до самого тяжелого — урана. Уже у девятого элемента — фтора — была обнаружена искусственная радиоактивность! Всего искусственную радиоактивность, вызываемую нейтронами, обнаружили 37 элементов, по самые интересные результаты были получены с ураном.

Во-первых, оказалось, что если нейтроны замедлить парафином или водой, то они становится более эффективными снарядами, чем быстрые нейтроны (несколько раньше независимо от Э. Ферми эффект замедления нейтронов ядрами легких элементов был обнаружен Ф. Жолио-Кюри). Поэтому опыты по облучению были перенесены по двор университета, в бассейн фонтана с золотыми рыбками. Теперь успех экспериментов решала… быстрота ног экспериментаторов: нужно было успеть довести облученную мишень до комнаты, в которой стояли счетные установки, прежде чем успеют полностью распасться полученные короткоживущие искусственные радиоактивные элементы. Говорят, что наибольшей резвостью ног обладал сам Э. Ферми.

Во-вторых, стало известно, что уран, облученный медленными нейтронами, дает ряд искусственных радиоактивных элементов. Этот результат Э. Ферми объяснил тем, что в ядре урана 23892U содержится 146 нейтронов; если в него «вогнать» еще один нейтрон, то ядро возбудится, один из нейтронов превратится в протон, ядро выбросит лишнюю энергию в виде у-квавта и электрона и превратится в новый элемент, следующий за ураном). Этот элемент также может быть радиоактивным и, выбросив электрон и у-квант, в свою очередь превратится в следующий за ним элемент и т. д. Схему предполагаемой последовательности ядерных превращений можно записать так:

Как только Жолио-Кюри доказали существование искусственной β-радиоактивности, такое объяснение было безоговорочно принято всеми учеными. Открытие целой группы не к уест венных элементов, стоящих, за ураном, было признано фактом. Раздался один предостерегающий голос — известный немецкий химик Ида Ноддак писала, что при бомбардировке тяжелых ядер нейтронами эти ядра, возможно, распадаются на несколько больших осколков, которые в действительности являются изотопами известных элементов. Но авторитет Э. Ферми был так велик, что на это предостережение не обратили внимания.

1938 год. Авторы двух открытий Ирен и Фредерик Жолио-Кюри и Энрико Ферми одновременно были удостоены Нобелевских премий; первые — «за искусственное получение радиоэлементов», Э. Ферми — «за открытие радиоактивных элементов, полученных нейтронным облучением, и за связанное с этим открытие ядерных реакций, вызванных медленными нейтронами». В формулировке заслуг Э. Ферми правильной оказалась только вторая половина. Два месяца спустя Лиза Мейтнер и Отто Фриш на основании результатов Отто Гана и других исследователей показали, что элементы, принятые Э. Ферми за трансурановые, являются элементами середины периодической системы и лантаноидами. Как впоследствии шутил Э. Ферми, это был единственный случай в истории физики, когда Нобелевская премия была присуждена за неверно истолкованный эксперимент: трансурановые элементы были открыты только через несколько лет после присуждения Нобелевской премии за их открытие. Но это выяснилось позднее. Опыты Э. Ферми доказывали,что нейтроны способны нарушить равновесие в атомном ядре тяжелых элементов и вызвать его распад.

1936 год. Я. И. Френкель предложил капельную модель ядра, позволившую ему термодинамически обосновать первую теорию деления ядер.

1938 год. Три группы исследователей: супруги Жолио-Кюри и югославский химик Павле Савич в Париже; Отто Ган, Лиза Мейтнер и Фриц Штрассман в Берлине; Э. Лоуренс и молодой химик Ф. Абельсов в лаборатории излучений Калифорнийского университета — почти одновременно занялись проверкой результатов Э. Ферми по получению трансурановых элементов при бомбардировке урана нейтронами.

Американские ученые еще не кончили своей серии экспериментов, начатых в 1936 г. и давших основания сомневаться в выводах Э. Ферми, как в Европе вопрос был решен. В начале 1938 г. немецкая группа, повторив опыты Ферми, обнаружила не только трансурановые элементы, по и новые излучения, которые они приписали радию и актинию.

Проверив эти результаты, французские исследователи пришли к выводу, что излучение, приписываемое актинию, на самом деле принадлежит лантану — элементу середины периодической системы. Получив осенью 1938 г. сообщение И. Кюри, О. Ган ему просто не поверил. Поэтому О.Ган и Ф. Штрассман (к тому времени Л. Мейтнер была вынуждена эмигрировать в Стокгольм) еще раз тщательно проверили свои результаты и неожиданно обнаружили: элементы, которые они принимали за радий (№ 88) и актиний №89), на самом деле были барием {№ 56) и лантаном (№ 57), да и остальные элементы, излучение которых они принимали за излучение трансурановых элементов Э. Ферми, также относятся к середине периодической системы. В частности, среди них есть марганец, криптон и др. Это противоречило всему прежнему опыту ядерной физики. До сих пор продукты ядерных превращений всегда находились вблизи исходного элемента: это были его изотопы или элементы, которые в периодической системе были удалены на одну - две клетки. Объяснение могло быть только одно — ядро урана под действием медленных нейтронов раскалывается на две примерно равные половины: сумма массовых чисел, например, бария 138 и марганца 101 равна 239..., что точно соответствует массовому числу исходного изотопа 23892U плюс один нейтрон. В такой вывод авторы открытия поверить не могли, поэтому в статье «О доказательстве получения и поведении земельно-щелочных металлов, возникающих при облучении урана нейтронами», экстренно посланной в «Naturwissenschaft» в самом конце 1938 г. и опубликованной 6 января 1939 г., они только привели самое тщательное описание своих экспериментов, но вместо выводов из них ограничились фразой: «...Как химики мы, собственно, должны были бы на основе только что проведенных опытов переименовать вышеприведенную схему и вместо Ra, Ac,Th поставить символы Ва, Lа, Се.

Как «ядерные химики», в определенной мере близко стоящие к физике, мы еще не можем решиться на этот противоречащий всему прошлому опыту ядерной физики прыжок. Может быть, в наши опыты закрался ряд странных случайностей».

Одновременно с редакцией журнала копию этой статьи О. Ган и Ф. Штрассман послали Л. Мейтнер в Гетеборг (Швеция). Ознакомившись со статьей, Л. Мейтнор вместе с гостившим в то время у нее племянником, сотрудником Института теоретической физики в Копенгагене, Отто Фришем, сразу поняли, что открыто расщеплению атомного ядра. Капельная теория строения ядра Я. И. Френкеля и его тория деления были им, очевидно, неизвестны, но как раз в это время Нильс Бор, бывший

директором Института теоретической физики, разрабатывал аналогичную теорию, рассматривающую атомное ядро как коплю жидкости. Л. Мейтнер и О. Фриш раз работали теорию деления ядра урана, объяснявшую факты, изложенные в статье О. Гана. Согласно этой теории, ядро урана имеет лишь небольшую устойчивость, а после захвата нейтрона может разлететься на два осколка примерно одинакового размера. Эти осколки представляют собой не что иное, как ядра более легких элементов середины периодической системы.

Расщепление ядра урана па две приблизительно одинаковые части совместимо с капельной моделью ядер. Предсказано было, что этот процесс должен проходить с выделением огромного количества энергии. Так человечество узнало, что атомное ядро может расщепляться йод действием нейтронов — делиться. Термины «деление», «делящиеся материалы» были предложены во время беседы О. Фришу Нильсом Бором, увлекавшимся биологией и перенесшим в ядерную физику терминологию биологов (деление клетки). А что же Фредерик Жолио-Кюри? После присуждения Нобелевской премии в 1934 г. он стал заведующим кафедрой ядерной физики в Сорбонне и активно занялся организацией работ по ядерной физике во Франции: строит крупный генератор Ван де Граафа, организует лабораторию ядерного синтеза, строит циклотрон в Коллеж де Франс. Статья О. Гана и Ф. Штрассмана, полученная им 8 января 1939 г., подтвердила его мысли. Ф. Жолио-Кюри знал уже больше О. Фриша: он не только теоретически показал, что при расщеплении урана должна выделяться в 100 раз большая энергия, чем при любых искусственных ядерных превращениях, но и предположил, что в процессе деления ядра урана должно освободиться нейтронов больше, чем их пошло па расщепление, т. е. реакция деления может стать самоподдерживающейся. Фактически он первым теоретически в экспериментально доказал существование деления ядер, но статья Л. Мейтнер и О. Фриша появилась раньше—11 февраля 1939 г. Уже в конце 1938 г. Ф. Жолио-Кюри в письме к А. Ф. Иоффе сообщил об открытии им нового вида ядерной реакции: делении ядра урана на два радиоактивных осколка, разлетающихся с громадной скоростью.

Сообщение об опытах Ф. Жолио-Кюри в Париже, О. Фриша в Копенгагене, доказывавших, что разлет осколков урана происходит с большой энергией, не прошли мимо внимания ученых в Советском Союзе. И. В. Курчатов и Г. Н. Флёров отвели исследованиям деления урана нейтронами центральное место в лаборатории Курчатова. В Ленинграде этой проблемой занялся Радиевый институт во главе с В. Г. Хлопиным и были развернуты глубокие и всесторонние исследования процесса деления урана. Новая научная проблема захватила И. М. Франка в Москве и А. И. Лейпунского в Харькове.

1939 год. Ф. Жолио-Кюри, Ганс Хальбан и Лев Коварски нашли, что среднее число вторичных нейтронов, вылетающих под действием одного нейтрона, равно двум. Следовательно, возможно дальнейшее расширенное с лавинообразный нарастанием самопроизвольное деление урана. Нильс Бор теоретически предположил, а Энрико Форми (эмигрировал из Италии в 1938 г. в США от фашистского режима Муссолини) и группа американских физиков экспериментально доказали, что в природной смеси изотопов урана под действием нейтронов делится не более распространенный изотоп (урап-238), а менее распространенный урап-235 (0,72%). Это снизило энтузиазм ученых, уверившихся после установления испускания вторичных нейтронов в возможность скорого использования энергии атомного деления. Разделение изотопов урана представлялось неразрешимой задачей.Советские физики Ю. Б. Харитон и Я. Б. Зельдович, а вслед за ними Н. Бор теоретически показали возможность осуществления цепной реакции деления ядер урана-235, а Жан Перрен примерно оценил размеры массы урана, необходимой для протекания в ней самоподдерживающейся цепной реакции деления.

22 сентября 1939 г. в физико-техническом институте в Ленинграде И. В. Курчатов заложил первый камень в здание нового циклотрона — крупнейшего в Европе — с массой магнита 75 т и диаметром полюсов 1200 мм. Пуск циклотрона был намечен на 1 января 1942 г., но помешала война. Жолио-Кюри с группой сотрудников подали пять заявок на патенты, описывающие принципы конструирования и использования атомных реакторов. 30 октября 1939 г. он передал парижской Академии наук конверт с условием, что с его содержимым ознакомятся через 10 лет. В 1949 г. конверт был вскрыт, и оказалось, что в нем находились материалы, показывающие полную возможность создания ядерного реактора на тяжелой воде.

Почти бесспорно, что Ф. Жолио-Кюри построил бы первый реактор раньше, чем Э. Ферми в США, но помешала война. Ф. Жолио-Кюри остался в Париже и стал участником французского движения Сопротивления. Научную работу он практически не вел до полного изгнания фашистов из Франции. Атомная эстафета перешла к другим.

В августе 1939 г. А. Эйнштейн направил президенту США Ф. Рузвельту письмо о возможной опасности создания нового оружия колоссальной силы — атомной бомбы — в фашистской Германии. Он предупреждал, что уран может стать в самом ближайшем будущем новым и важным источником энергии, это повлечет за собой и попытки создания бомб нового типа, обладающих чрезвычайно большой мощностью. 21 октября 1939 г. состоялось первое заседание Уранового комитета США.

Ядерные исследования на многие годы были засекречены в связи с войной.

1940 год. Советские физики Ю. Б. Харитон и Я. Б. Зельдович впервые произвели теоретические расчеты реальной цепной реакции деления. Они показали, что при небольшом обогащении природной смеси изотопов урана легким изотопом — ураном-235 — и использовании в качестве замедлителя обычной воды ядерная реакция деления урана может стать самопроизвольной, т. е. непрерывным цепным процессом.

Советские ученые Г. Н. Флёров и К. А. Петржак под руководством И. В. Курчатова открыли процесс самопроизвольного деления ядер урана без облучения их нейтронами. Они определили, что при спонтанном делении 1 кг урана-235 выделяется энергия, эквивалентная сгоранию

2 300 000 кг антрацита, а его взрыв эквивалентен 20 000 г тротила. В Москве состоялось Всесоюзное совещание по физике атомного ядра, на котором И. В. Курчатов доложил об условиях осуществления цепной ядерной реакции. По свидетельству президента Академии наук СССР академика А. П. Александрова: к концу 1940 г. И. В. Курчатов и Ю. Б. Харитон разработали обстоятельный план работ по осуществлению цепной реакции деления с предложением создать устройство для осуществления ее.