Об искусственной радиоактивности Энрико Ферми узнал сразу же, весной 1934 года, как только супруги Жолио-Кюри опубликовали свои результаты. Ферми решил повторить опыты Жолио-Кюри, но пошел совершенно иным путем, применив в качестве бомбардирующих частиц нейтроны. Позже Ферми так объяснил причины недоверия к нейтронам со стороны других физиков и свою собственную счастливую догадку:
«Применение нейтронов как бомбардирующих частиц страдает недостатком: число нейтронов, которым можно практически располагать, неизмеримо меньше числа альфа-частиц, получаемых от радиоактивных источников, или числа протонов и дейтронов, ускоряемых в высоковольтных устройствах. Но этот недостаток частично компенсируется большей эффективностью нейтронов при проведении искусственных ядерных превращений Нейтроны обладают также и другим преимуществом. Они в большой степени способны вызывать ядерные превращения. Число элементов, которые могут быть активированы нейтронами, значительно превосходит число элементов, которые можно активировать с помощью других видов частиц».
Весной 1934 года Ферми начал облучать элементы нейтронами. «Нейтронные пушки» Ферми представляли собой маленькие трубочки длиной несколько сантиметров. Их заполняли «смесью» тонкодисперсного порошка бериллия и эманации радия. Вот как Ферми описывал один из таких источников нейтронов:
«Это была стеклянная трубочка размером всего 1,5 см… в которой находились зерна бериллия; прежде чем запаять трубочку, надо было ввести в нее некоторое количество эманации радия. Альфа-частицы, испускаемые радоном, в большом числе сталкиваются с атомами бериллия и дают нейтроны…
Опыт выполняется следующим образом. В непосредственной близости от источника нейтронов помещают пластинку алюминия, или железа, или вообще того элемента, который желательно изучить, и оставляют на несколько минут, часов или дней (в зависимости от конкретного случая). Нейтроны, вылетающие из источника, сталкиваются с ядрами вещества. При этом происходит множество ядерных реакций самого различного типа…»
Как все это выглядело на практике? Исследуемый образец находился заданное время под интенсивным воздействием нейтронного облучения, затем кто-либо из сотрудников Ферми буквально бегом переносил образец к счетчику Гейгера—Мюллера, расположенному в другой лаборатории, и регистрировал импульсы счетчика. Ведь многие новые искусственные радиоизотопы были короткоживущими.
В первом сообщении, датированном 25 марта 1934 года, Ферми сообщил, что бомбардируя алюминий и фтор, получил изотопы натрия и азота, испускающие электроны (а не позитроны, как у Жолио-Кюри). Метод нейтронной бомбардировки оказался очень эффективным, и Ферми писал, что эта высокая эффективность в осуществлении расщепления «вполне компенсирует слабость существующих нейтронных источников по сравнению с источниками альфа-частиц и протонов».
В сущности, многое было известно. Нейтроны попадали в ядро обстреливаемого атома, превращали его в нестабильный изотоп, который спонтанно распадался и излучал. В этом излучении и таилось неизвестное: некоторые из искусственно полученных изотопов излучали бета-лучи, другие — гамма-лучи, третьи — альфа-частицы. С каждым днем число искусственно полученных радиоактивных изотопов возрастало. Каждую новую ядерную реакцию необходимо было осмыслить, чтобы разобраться в сложных превращениях атомов Для каждой реакции надо было установить характер излучения, потому что, только зная его, можно представить схему радиоактивного распада и предсказать элемент, который получится в конечном результате. Затем приходила очередь химиков. Они должны были идентифицировать полученные атомы. На это тоже требовалось время.
С помощью своей «нейтронной пушки» Ферми подверг бомбардировке фтор, алюминий, кремний, фосфор, хлор, железо, кобальт, серебро и йод. Все эти элементы активировались, и во многих случаях Ферми мог указать химическую природу образовавшегося радиоактивного элемента. Ему удалось этим методом активизировать 47 из 68 изученных элементов.
Воодушевленный успехом, он в сотрудничестве с Ф. Разетти и О. Д'Агостино предпринял нейтронную бомбардировку тяжелых элементов: тория и урана. «Опыты показали, что оба элемента, предварительно очищенные от обычных активных примесей, могут сильно активизироваться при бомбардировке нейтронами».
22 октября 1934 года Ферми сделал фундаментальное открытие. Поместив между источником нейтронов и активируемым серебряным цилиндром парафиновый клин, Ферми заметил, что клин не уменьшает активность нейтронов, а несколько увеличивает ее. Ферми сделал вывод, что этот эффект, по-видимому, обусловлен наличием водорода в парафине, и решил проверить, как будет влиять на активность расщепления большое количество водородсодержащих элементов. Проведя опыт сначала с парафином, потом с водой, Ферми констатировал увеличение активности в сотни раз. Опыты Ферми обнаружили огромную эффективность медленных нейтронов.
Но, помимо замечательных экспериментальных результатов, в этом же году Ферми достиг замечательных теоретических достижений. Уже в декабрьском номере 1933 года в итальянском научном журнале были опубликованы его предварительные соображения о бета-распаде. В начале 1934 года была опубликована его классическая статья «К теории бета-лучей». Авторское резюме статьи гласит: «Предлагается количественная теория бета-распада, основанная на существовании нейтрино: при этом испускание электронов и нейтрино рассматривается по аналогии с эмиссией светового кванта возбужденным атомом в теории излучения. Выведены формулы из времени жизни ядра и для формы непрерывного спектра бета-лучей; полученные формулы сравниваются с экспериментом».
Ферми в этой теории дал жизнь гипотезе нейтрино и протонно-нейтронной модели ядра, приняв также гипотезу изотонического спина, предложенную Гейзенбергом для этой модели. Опираясь на высказанные Ферми идеи, Хидеки Юкава предсказал в 1935 году существование новой элементарной частицы, известной ныне под названием пи-мезона, или пиона.
Комментируя теорию Ферми, Ф Разетти писал: «Построенная им на этой основе теория оказалась способной выдержать почти без изменения два с половиной десятилетия революционного развития ядерной физики. Можно было бы заметить, что физическая теория редко рождается в столь окончательной форме».
РЕАКЦИЯ ДЕЛЕНИЯ
В 1938 году И. Жолио-Кюри и П. Савич заметили, что в уране, активизированном по методу Ферми, присутствует элемент, сходный с лантаном. Эти опыты были повторены в том же году О. Ганом и Ф. Штрассманом, подтвердившими результаты своих французских коллег и установившими, что новый замеченный ими элемент представляет собой именно лантан.
Вместе с Ганом и Штрассманом в Институте кайзера Вильгельма в Берлине работала Лиза Мейтнер — воспитанница Венского университета, талантливый теоретик и специалист в области атомной физики. Но, будучи еврейкой немецкого происхождения, она вынуждена была бежать в Данию в Копенгаген к Нильсу Бору и Отто Фришу — другому немецкому физику.
А далее события подробно описаны в книге «Мир атома»: «В спокойной творческой атмосфере Института теоретической физики она быстро забыла тревоги и опасения прошедших дней. Теперь для нее главной снова стала проблема атомного ядра.
За два дня до своего отъезда Лиза Мейтнер получила письмо Отто Гана, в котором тот писал об исследованиях радиоактивного бария. Прочитав письмо, она инстинктивно сжала кулаки. Ей хотелось смять его и выбросить. Внутри все кипело: „Чепуха! Какая чепуха!“
Когда прошло первое волнение, она задумалась: „Если Ган утверждает, что уран превращается в барий, может, это действительно так. Он не может ошибиться. Вероятно, и Ирен Кюри была права…“ В работе других Мейтнер могла сомневаться, но в результатах Гана — нет. Значит, нейтроны вызывают какой-то новый вид превращения уранового ядра. Она взяла карандаш и стала быстро писать. Математические символы, которыми она заполняла лист, для обычного человека выглядели бы непонятно. Ядро атома урана распалось примерно на две части. В письме Ган употребил слово „раскололось“. Теперь это не так важно, важен сам факт. Можно ли понять на основе известных законов физики возможность такого расщепления? Первые же вычисления, которые она сделала, дали положительный ответ. Мейтнер почувствовала неуверенность — что, если она ошибается?»
Лиза просит проверить расчеты Отто Фриша. «Он бегло просмотрел смятые листы, потом вынул карандаш, присел на корточки и стал быстро делать расчеты.
— А ведь это замечательно и невероятно. Ты действительно права! — Фриш сунул лист в карман. — Мы возвращаемся. Надо немедленно все проверить.
Так их каникулы и завершились, не начавшись. Празднества обещали быть исключительно веселыми, но сейчас их это не интересовало. Они заперлись в комнате, где и началось одно из самых замечательных теоретических исследований. Их ждали огромные трудности. Бесконечные вычисления, сложные и трудоемкие выводы, проверка полученных результатов, сравнение с выведенными формулами и закономерностями… Они не заметили, как прошли семь дней и как наступил 1939 год. Новый год принес новую теорию. Мейтнер и Фриш впервые дали теоретическое объяснение результатов, полученных Ганом и Штрассманом. Если их выводы подтвердятся и все окажется правильным, человечество пойдет по новому пути, будет располагать новым источником энергии. Они вполне сознавали, что сделали эпохальное открытие, поэтому спешили подготовить статьи».
Статья Лизы Мейтнер и Отто Фриша, озаглавленная «Деление урана с помощью нейтронов: новый тип ядерной реакции», была отправлена в печать 16 января 1939 года и появилась в журнале «Природа» через месяц. Здесь же вскоре была напечатана еще одна их статья — «Продукты деления уранового ядра» и затем работа Фриша о результатах экспериментов, проведенных в Дании.
Фактически это явление было объяснено почти одновременно в конце 1938 — начале 1939 года несколькими физиками. Меньше чем за месяц в четырех лабораториях мира — в Копенгагене, Нью-Йорке, Вашингтоне и Париже.
О Гане и Штрассмане, Мейтнер и Фрише уже говорилось. В подземелье Колумбийского университета Джон Даннинг с двумя помощниками также осуществляют деление уранового ядра. Кроме них в лаборатории Коллеж де Франс в Париже супруги Ирен и Фредерик Жолио-Кюри с сотрудниками Павле Савичем, Хансом Халбаном и Львом Коварски пришли к тому же открытию.
Согласно этому объяснению, атом урана, подверженный бомбардировке нейтронами, испытывает новый тип расщепления, причем атом, в который попал нейтрон, раскалывается на две более или менее равные части. Этому явлению вскоре было дано название деления.
Жолио-Кюри сразу понял чрезвычайную важность этого нового типа атомного распада. В ядрах легких элементов число протонов и нейтронов примерно одинаково, а с увеличением атомного номера относительное число нейтронов увеличивается. Если в ядре урана отношение числа нейтронов к числу протонов равно 1,59, то для элементов середины периодической системы оно колеблется между 1,2 и 1,4. Значит, если атом урана распадается на две части, то общее число нейтронов в осколках деления должно для достижения устойчивости самих осколков деления стать меньше числа нейтронов, содержавшихся в исходном ядре. При делении атома урана освобождаются нейтроны, которые могут в свою очередь вызвать деление других атомов.
Таким образом, появляется возможность цепной реакции, аналогичной химическим цепным реакциям при взрыве. Ф. Перрен в том же 1939 году сделал и опубликовал первый расчет «критической массы», необходимой для того, чтобы началась цепная реакция. Правда, то была лишь предварительная оценка.
Сегодня известно, что ни при каком количестве обычного урана цепная реакция начаться не может. Нейтроны, получающиеся при делении атомов урана-235, поглощаются за счет так называемого «резонансного захвата» атомами урана-238 с образованием урана-239. Последний в результате двух последовательных распадов переходит в нептуний и плутоний. Только для таких делящихся веществ, как уран-235 и плутоний, существует критическая масса.
Расчет потери массы при делении атома урана позволил, кроме того, предвидеть, что процесс деления должен сопровождаться выделением огромной энергии в 165 Мэв.
Идеи Жолио-Кюри удалось вскоре подтвердить экспериментально. Было доказано, что ядро урана захватывает медленные нейтроны и затем делится. Нильс Бор после теоретического рассмотрения пришел к выводу, что делению подвергается не обычный уран с массой 238, а его изотоп с массой 235. В 1940 году А.О. Нир подтвердил экспериментально это предсказание Бора, обнаружив также, что другим легко делящимся атомом является атом плутония.
Идея использования атомной энергии в военных целях была выдвинута группой иностранных ученых, бежавших от фашизма в Соединенные Штаты, из которых в отчете называются Л. Сцилард, Э. Вигнер, Э. Теллер, В. Р. Вайсскопф, Э. Ферми. Этой группе удалось заинтересовать президента Соединенных Штатов Рузвельта. Эти ученые воспользовались помощью Эйнштейна, написавшего президенту письмо. В итоге Рузвельт принял решение оказать государственную поддержку этим исследованиям, и они сразу же были засекречены.
«Усилия по получению атомной энергии в больших количествах имели две различные цели: управляемое медленное освобождение энергии для промышленных нужд и создание сверхмощного взрывчатого вещества, — пишет Льоцци. — Вторая цель была совершенно безотлагательной в тот трагический период мировой истории. Однако очень скоро ученые поняли, что наиболее быстрым способом достижения второй цели является осуществление первой. Как мы уже говорили, делению подвержены атомы плутония и урана-235, которого в природном уране лишь 0,7 процента. Атомная бомба требовала огромных количеств урана-235, который очень трудно отделять. При медленном получении энергии не требуется предварительного разделения, необходимы лишь большие количества урана, и в качестве побочного продукта получается плутоний. Отсюда возникла идея „атомного котла“, названного так, возможно, из-за простоты его конструкции. Это название теперь имеет лишь исторический интерес, поскольку оно вытеснено более подходящим названием „ядерный реактор“. Первоначальным назначением атомного котла было не получение энергии, а производство плутония в количествах, необходимых для создания атомной бомбы.
Важной проблемой было уменьшение числа нейтронов, захватываемых ураном-238 за счет резонанса; они выпадают из цепной реакции, хотя и полезны как обогатители, т. е. при получении урана-239, превращающегося затем в нептуний и плутоний. Поэтому нужно было как можно скорее выводить быстрые нейтроны из массы урана, отнимать у них кинетическую энергию и вновь направлять в уран в виде тепловых нейтронов, чтобы вызвать деление урана-235. Эту функцию замедлителей могли выполнять атомы тех легких элементов, в столкновении с которыми нейтроны теряют значительную часть своей энергии, не вызывая в то же время изменения этих атомов. До сего времени найдено лишь два вещества, пригодных для этих целей: тяжелый водород (в виде тяжелой воды) и углерод. Тяжелая вода очень дорога, поэтому остановились на углероде в форме графита.
Первый атомный котел, или ядерный реактор, из чередующихся слоев урана и графита, спроектированный и сконструированный Ферми в сотрудничестве с Андерсоном, Цинном, Л. Вудзом и Г. Вейлем, начал работать 2 декабря 1942 года на теннисном корте Чикагского университета. Его мощность составляла 0,5 вт. Через десять дней она была доведена до 200 вт. Это была первая установка ядерной энергетики, ставшей теперь одной из наиболее развитых отраслей современной промышленности».
На наружной стене теннисного корта Чикагского университета установлена мемориальная доска. Надпись на доске гласит:
«Здесь 2 декабря 1942 г. человек впервые осуществил цепную реакцию и этим положил начало овладению освобожденной ядерной энергией».
Первая опытная установка позволила провести точное экспериментальное исследование процесса получения плутония. Оно привело к заключению, что этот способ дает реальную возможность изготовления плутония в количествах, достаточных для изготовления атомной бомбы. В конце 1943 года проект создания атомной бомбы вошел в стадию реализации. Первый экспериментальный взрыв был успешно произведен в 17 часов 30 минут 16 июля 1945 года на воздушной базе Аламогордо, примерно в 200 километрах от Альбукерке, в пустыне штата Нью-Мексико.
КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
«Сколько элементарных частиц обнаружено до сих пор?
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68