Roger Orrit - Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра

РИС. 2

После открытия электрона и протона нейтрон стал третьей фундаментальной частицей, составляющей атом, которая была открыта экспериментальным путем.

В Париже Ирен Кюри и Фредерик Жолио также вели важные исследования, которые натолкнули Мейтнер на идею о расщеплении ядра. Ирен Кюри стала заниматься наукой вслед за своей матерью и так же, как ее мать, нашла в коллеге-исследователе партнера для совместной работы и жизни. Но на этом сходство между матерью и дочерью Кюри не заканчивается: так же как Мария и Пьер Кюри, пара Жолио-Кюри получила Нобелевскую премию по химии в 1935 году за открытие искусственной радиоактивности.

РИС.З

Эксперимент, позволивший открыть нейтроны, был поставлен Жолио-Кюри, однако только Чедвик смог правильно интерпретировать происходящее.

Жолио-Кюри уже доказали свою состоятельность в постановке экспериментов — один из их опытов с интерпретацией Чедвика помог открыть нейтрон. Было исследовано излучение, возникающее при бомбардировке альфа-лучами бериллия, открытого в 1930 году группой немецких ученых. Это излучение имело такую высокую проникающую способность, что вначале его спутали с гамма-лучами.

Ирен и Фредерик доказали, что излучение при воздействии на парафин может вырывать протоны. Однако они не думали о том, что гамма-лучи не способны вырывать протоны из ядра. Такой эффект должна оказывать новая частица, не имеющая заряда, как правильно интерпретировал результаты опыта Чедвик при помощи Резерфорда.

Открытие искусственной радиоактивности было сделано в 1934 году, после эксперимента с бомбардировкой бора и алюминия альфа-частицами, во время которого бомбардируемые элементы трансмутировали. Так, алюминий превращался в фосфор, он искусственно становился радиоактивным элементом, испускающим при распаде излучение.

Эксперименты нужно готовить так, чтобы в случае опасности можно было открыть все окна.

Фредерик Жолио

Эта индуцированная реакция представляла собой новое, совершенно неожиданное явление. Никогда прежде не наблюдалось, что легкие элементы могут стать источниками радиации. Кроме того, было установлено, что радиоактивность может быть индуцирована, то есть она не является исключительной характеристикой некоторых тяжелых атомов — урана или радия.

В реакции, исследованной Жолио-Кюри, алюминий превращался в фосфор при воздействии альфа-частицы с испусканием нейтрона. Получившийся изотоп фосфора был нестабилен, его средняя жизнь продолжалась три минуты, далее происходил распад, испускался позитрон и образовывался кремний. Как утверждала Мейтнер, «масштаб этих исключительных и прекрасных результатов невероятно велик». Лизе удалось повторить эти опыты в своей лаборатории, она смогла зафиксировать в туманной камере позитроны (см. рисунок 4), которые были конечным продуктом процесса, индуцированного бомбардировкой алюминия альфа-лучами.

РИС. 4

С помощью туманной камеры можно наблюдать, что траектория позитрона в магнитном поле отклоняется с тем же радиусом кривизны, что и у электрона, но в противоположную сторону.

Жолио-Кюри смогли получить нестабильные элементы, которые по этой причине были радиоактивными (искусственная радиоактивность). Однако в атомах с большим атомным числом концентрация положительного электрического заряда из-за закона Кулона не позволяла альфа-частицам, используемым для возбуждения радиоактивных процессов, приблизиться к ядру и столкнуться с ним. Итальянский физик Энрико Ферми при-

Процесс, открытый Жолио-Кюри, можно представить следующим образом. На входе алюминий (AI), состоящий из 13 протонов, поглощает два протона альфа-частицы, то есть ядро гелия, обозначаемого как Не. Формируется новое ядро с 15 протонами, соответствующее фосфору (Р) (см. рисунок), а также происходит высвобождение нейтрона. Данную реакцию можно представить в следующем виде с указанием атомного и массового чисел элементов:

В реакции указано атомное число — внизу слева от символа элемента, обычно его обозначают буквой Z. Оно соответствует числу протонов. Массовое число, указанное вверху слева от элемента (буква А), соответствует сумме протонов и нейтронов. Фосфор при бета-распаде β +превращается в кремний (Si), что сопровождается испусканием позитрона (е +):

Количество ядерных частиц — протонов и нейтронов — в процессе распада сохраняется.

думал, что можно избежать экранирования траектории, если в качестве зарядов для бомбардировки тяжелых атомов использовать нейтроны. Ферми совершенно справедливо предполагал, что нейтроны, не имеющие заряда, достигнут ядер элемента-цели, особенно атомов с большим атомным числом. Таким образом, эффективность нейтронов будет выше, чем у альфа-частиц (см. рисунок 5). Мейтнер писала об этом:

«Ферми считал, что нейтроны из-за отсутствия заряда могут проникать в тяжелые элементы, то есть такие элементы, которые занимают крайнее положение в периодической таблице, также они могут спровоцировать ядерные реакции».

РИС. 5

Если протон или пара протонов в альфа-частице испытывает отклонение из-за одноименности зарядов, нейтрон может достичь атомного ядра и столкнуться с ним с большей вероятностью.

Ферми и его замечательная команда исследователей, в которой работали Этторе Майорана и Эмилио Сегре, начали с поиска источника нейтронов для опыта. Они использовали благородный газ радон, продукт распада радия, в смеси с порошком бериллия, так как этот элемент при реакции испускал нейтроны. Также исследователи сконструировали устройство для обнаружения продуктов распада (подобный прибор мы называем счетчиком Гейгера), чтобы точно устанавливать радиоактивность, генерируемую в элементах.