Борис Кузнецов - Дмитрий Иванович Менделеев

Нужно сказать, что попадания протонов в ядра могут происходить лишь при определенных условиях: протон заряжен положительно, так же как и ядро атома, поэтому ядро и протон отталкиваются друг от друга и протон может попасть в ядро лишь при движении с большой скоростью. Поэтому бомбардировка атомного ядра протонами требует, чтобы летящим протонам была сообщена очень большая энергия.

Бомбардировка атомных ядер протонами, нейтронами или альфа-частицами широко применялась в начале 30-х годов нашего века и привела к ряду важных в практическом и теоретическом отношении открытий. Значительные успехи были достигнуты после того, как для бомбардировки ядер начали применять нейтроны. Нейтроны не имеют электрического заряда, они не испытывают отталкивания со стороны атомного ядра и легче попадают в цель.

В самом конце 30-х годов нашего века с помощью нейтронной бомбардировки были получены результаты, все значение которых можно было оценить только впоследствии. Благодаря работам немецких ученых О. Гана и Ф. Штрассмана, а также австрийского физика Лизы Мейтнер выяснилось, что при бомбардировке нейтронами ядер урана ядро раскалывается на приблизительно равные части. Эти части ядер, имея положительный заряд, отталкиваются друг от друга с громадной силой. Поэтому деление ядер урана — источник чрезвычайно большого количества энергии. Ее можно было получить только в том случае, если реакция распада, раз начавшись, продолжалась бы сама собой, иначе процесс для своего продолжения требовал бы затраты большой энергии со стороны.

Подобная цепная, непрерывная и самоускоряющаяся, реакция деления атомных ядер урана была получена главным образом благодаря работам Фредерика Жолио-Кюри, который в 1939 году одним из первых открыл, что при раскалывании (делении) ядра урана (как впоследствии выяснилось, урана 235) выделяются свободные нейтроны, которые могут попасть в соседние ядра урана и т. д. и вызвать непрерывную и быстро ускоряющуюся реакцию. Деление урана будет продолжаться в быстро растущих масштабах. Когда речь идет о делении атомного ядра урана, для начала цепной реакции даже и не нужен внешний источник нейтронов. Советские ученые Г. Н. Флеров и К. А. Петржак открыли важное свойство урана. Оказывается, ядра урана время от времени самопроизвольно делятся. Это происходит крайне редко, но этого достаточно, чтобы в куске урана началась цепная реакция деления.

В дальнейшем усилия физиков были направлены на то, чтобы осуществить цепную реакцию деления урана. Дело в том, что наиболее распространенный в природных условиях изотоп — уран 238 — захватывает выделившиеся нейтроны, и они остаются в атомных ядрах этого изотопа, не приводя к делению и появлению новых нейтронов. Цепная реакция могла бы осуществляться, если бы удалось выделить из природного урана легкий изотоп — уран 235. Но оба изотопа химически почти не отличаются друг от друга, и их трудно разделить. В конце концов это удалось сделать. Одновременно физики пришли к другому результату, также значительно приблизившему возможность получения и использования атомной энергии. Уран 238, захватывая нейтроны, переходит в новый, более тяжелый изотоп — уран 239. Этот радиоактивный изотоп испускает бета-частицы, в результате чего, как мы знаем, увеличивается порядковый номер, иначе говоря, элемент переходит в следующую клетку периодической таблицы, получается новый элемент с порядковым номером 93 (порядковый или атомный номер обычно обозначают буквой Z). Новый элемент получил название нептуния. Он также радиоактивен и испытывает бета-распад. Из него образуется новый элемент плутоний с порядковым номером 94. Этот элемент распадается медленно, период его полураспада около 24 тысяч лет. Наиболее важным для получения атомной энергии является то, что плутоний 239, как и уран 235, делится под влиянием столкновений с нейтронами и при делении каждого ядра вылетает в среднем два нейтрона. В этом отношении плутоний ведет себя так же, как и уран 235: деление ядер плутония приобретает характер ускоряющейся цепной реакции.

Впоследствии удалось получить ряд так называемых трансурановых элементов, занимающих следующие после урана клетки периодической системы Менделеева. За нептунием (Z=93) и плутонием (Z=94) идет америций (Z=95), кюрий (Z=96), беркелий (Z=97), калифорний (Z=98), эйнштейний (Z=99), фермий (Z=100), менделевий (Z=101), нобилий (Z=102). Названия элементов 96, 99, 100 и 101 напоминают о естествоиспытателях, проложивших путь к открытию трансурановых элементов и в целом к новой эпохе в развитии представлений об элементах, атомах и атомных ядрах. Мировая наука запечатлела в названиях элементов имена Кюри, Эйнштейна, Ферми и Менделеева. Имя супругов Кюри связано с открытием радия и началом систематического изучения ядерных реакций, объяснивших связь между различными элементами, установленную еще в 60-е годы прошлого века открытием периодического закона. Эйнштейн показал связь энергии с массой вещества и этим далеко продвинул вперед изучение энергии атомного ядра. Ферми внес очень большой вклад в представления о воздействии нейтронной бомбардировки на атомные ядра и в разработку представлений о ядрах атомов. Имя Менделеева, запечатленное в названии 101 элемента, периодической системы, напоминает о великом научном подвиге русского ученого, указавшего на связь между элементами как на универсальный закон природы. Расшифровывая эту связь, наука поднялась на новую ступень, пришла к представлению об элементарных частицах, к новой картине строения атомных ядер, атомов и молекул, к новой картине строения вещества в целом.

Новая ступень в развитии науки неразрывно связана с новой техникой, использованием новых источников энергии, перестройкой на этой основе технологии всех отраслей промышленности, созданием новой техники транспорта и новых условий быта. Речь идет об атомной энергии и ее промышленном применении.

В конце 1942 года Ферми и его ученики и сотрудники построили новую установку, в которой происходило деление атомных ядер урана. Такая установка получила название атомного реактора, или «атомного котла». В таком реакторе находятся урановые стержни, и с течением времени из урана образуется плутоний. Урановые стержни через некоторое время вынимают из котла, отправляют в химические цехи, где плутоний отделяют от урана различными химическими операциями. Уран направляется снова в атомный котел, а плутоний хранится на складах небольшими кусками. Почему эти куски должны быть небольшими? Здесь мы подходим к чрезвычайно важному обстоятельству. Когда начинается цепная реакция, то появившиеся вторичные нейтроны до того, как они сталкиваются с атомными ядрами, проходят в среднем сравнительно большое расстояние — около 10 см. Если кусок урана 235 или плутония невелик, то большая часть нейтронов вылетает наружу и не поддерживает цепную реакцию. Но если масса куска урана равна или больше так называемой критической массы, то значительная часть нейтронов не достигает поверхности куска, попадает в ядра урана, вызывает деление этих ядер, и дело принимаем иной оборот. С каждым новым делением нейтронов становится все больше, реакция ускоряется после каждого нового деления, число свободных нейтронов растет в прогрессии 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256 и т. д., т. е. чрезвычайно быстро. В течение миллионной доли секунды произойдет примерно сто последовательных делений, т. е. за этот срок большая часть ядер урана разделится, или, проще говоря, этот кусок урана взорвется. Если быстро соединить два куска урана, не достигающих критической массы, в один кусок, превышающий критическую массу, то произойдет атомный взрыв.