Roger Orrit - Получение энергии. Лиза Мейтнер. Расщепление ядра

Мейтнер и Фриш опубликовали свое открытие в журнале Nature в начале 1939 года. Статья «Распад урана под воздействием нейтронов: новый вид ядерной реакции, подписанная Лизой Мейтнер и Отто Фришем, начиналась с напоминания о том, что исследование проводилось на основании работ Энрико Ферми:

«После бомбардировки урана нейтронами Ферми его сотрудники обнаружили, что у них получались как минимум четыре радиоактивных вещества, и двум из них было присвоено атомное число более 92».

Далее цитировались наблюдения Гана и Штрассмана, Жолио-Кюри, а также указывалось на ключевые экспериментальные данные:

«Ган и Штрассман были вынуждены признать, что изотопы бария (Z = 56) образуются в результате бомбардировки урана (Z = 92) нейтронами. [...] На первый взгляд данный результат сложно интерпретировать. Образование элементов, имеющих гораздо меньшее число, чем у урана, рассматривалось прежде, но всегда отвергалось на основании законов физики. [...] При рассмотрении видов энергии, участвовавших в деформации ядра, использовалось понятие поверхностного натяжения ядерной материи и была произведена оценка его величины. [...] Поверхностное натяжение ядра уменьшается при возрастании атомного числа. [В больших атомах, как в случае с ураном, поверхностное натяжение меньше, поэтому] мы вправе полагать, что ядро урана, имеющее довольно нестабильную форму, может разделиться на два ядра примерно одинакового размера после поглощения нейтрона. [Будут выпущены два атома с] общей кинетической энергией, равной 200 МэВ [...]».

Эта публикация, ставшая новой вехой на пути исследований радиоактивности, давала ответы на несколько вопросов, которые заставляли недоумевать ученых в течение четырех лет.

В результате процесса расщепления высвобождаются нейтроны, которые могут быть использованы для новых расщеплений атомных ядер. Количество цепных расщеплений возрастает экспоненциально, при этом возможно генерирование большого количества разрушительной энергии и создание атомной бомбы.

Всегда ли при расщеплении ядра урана высвобождаются нейтроны? Может ли процесс расщепления быть использован для получения энергии? Для ученого венгерского происхождения Лео Силарда (1898-1964) ответы на эти вопросы имели отношение к созданию атомной бомбы.

Силард в течение нескольких лет размышлял над возможностью цепной реакции. Уже в 1934 году он запатентовал свою идею, хотя еще сам не знал, как она будет осуществлена. Например, он предлагал использовать для реакции бериллий. Но самым важным было то, что в результате цепной реакции можно получить большое количество энергии. Многие представители научного сообщества в то время отвергали идею возможности использования такой энергии. В 1938 году Силард уехал в США и там начал исследовать расщепление с целью получения энергии.

РИС. 1

Концепция цепной реакции предполагала, что после разделения ядра высвобождаются нейтроны, которые потенциально могут вызывать расщепление других ядер. При этом каждый раз высвобождаются все новые нейтроны, так что количество расщеплений возрастает экспоненциально.

Нильс Бор прибыл в порт Нью-Йорка в начале 1939 года. Перед самым отплытием Отто Роберт Фриш сообщил ему о необыкновенном открытии расщепления. В порту Бора встречал нобелевский лауреат по физике в 1938 году Энрико Ферми, незадолго до этого приехавший в США, спасаясь от диктатуры Муссолини, так что сразу после прибытия Бор смог рассказать Ферми о необыкновенной новости. Тот сразу же начал думать над возможностью повторить эксперимент по расщеплению. Ученые воспользовались циклотроном в Колумбийском университете, где теперь работал Ферми, для ускорения протонов и использования их для бомбардировки урана. Показания осциллоскопов подтвердили, что расщепление и вправду происходит (см. рисунок 1).

Затем Бор и Ферми отправились в Университет Джорджа Вашингтона для участия в конференции по теоретической физике. Расщепление ядра стало сенсационной темой. На одном из обсуждений Бор поставил ключевой вопрос: что, если во время расщепления высвобождаются нейтроны? Это делало возможным после расщепления одного ядра цепную реакцию.

Группа исследователей начала наблюдения, которые должны были ответить, происходило ли испускание нейтронов. В начале 1939 года в одной из лабораторий Колумбийского университета Силард и физик канадского происхождения Уолтер Зинн (1906-2000) обнаружили как минимум два нейтрона, хотя впоследствии было выяснено, что при расщеплении урана- 235 высвобождаются три нейтрона. Ученые сделали вывод, что уран мог служить для начала и поддержания цепной реакции, что, в свою очередь, открывало возможности генерирования огромного количества энергии. Силард потом рассказывал об этом открытии:

«Весь мир был готов. Нам оставалось только повернуть переключатель и, удобно расположившись в креслах, наблюдать катодный экран: если мы увидим вспышку, это будет означать, что масштабное высвобождение атомной энергии неизбежно. Мы повернули кнопку, и на экране появились вспышки. Мы посмотрели на эти вспышки, а затем каждый из нас вернулся домой. Тем вечером я почувствовал уверенность, что наш мир падает в пропасть».

Испускаемые нейтроны — вторичный продукт ядерного расщепления — заставляли осознать, что создание атомной бомбы неизбежно. Далее Ферми и Герберт Андерсон поняли, что для получения цепной поддерживаемой реакции нужны уран и вода. Некоторые из этих выводов были опубликованы в журнале Physical Review.

Одновременно несколько разных университетов и исследовательских центров в США (а в Европе — группа Жолио-Кюри) смогли осуществить расщепление ядра. Силард считал, что начало работы над этим проектом немецкой армии — вопрос времени. Несомненно, в Германии были очень хорошие ученые, способные достичь прогресса в создании бомбы. Правительство США должно было объявить о запуске большого проекта разработки бомбы, так как в противном случае немцы получили бы неоспоримое преимущество, которому сложно было бы что-то противопоставить, и в результате Германия победила бы в войне.

Отто Роберт Фриш (1904-1979) родился в Вене, в семье пианистки Августы Мейтнер, сестры Лизы Мейтнер, и художника Юстиниана Фриша. Он получил докторскую степень в Венском университете в 1926 году, а затем переехал в Гамбург в качестве ассистента Отто Штерна (1888-1969), вместе с которым в 1933 году смог измерить магнитный момент протона. В том же году к власти пришел Гитлер, и Отто предпочел уехать из Германии. Он отправился в Лондон, а затем в Копенгаген, в институт Бора, где проработал пять лет. В1938 году он вместе со своей теткой смог интерпретировать процесс расщепления, а также именно ему пришла идея использовать этот термин, взятый из биологии. С тех пор все усилия Фриша были направлены на изучение расщепления и цепной реакции. В1939 году он переехал из Копенгагена в Бирмингем. Поездка должна была быть краткой, но вспыхнувшая война заставила Фриша изменить планы. Вместе с британским физиком Рудольфом Пайерлсом (1907-1995) он написал меморандум Фриша — Пайерлса, в котором впервые говорилось о возможности атомного взрыва в результате расщепления ядра. Позже данный меморандум использовали для разработки Манхэттенского проекта, в котором сам Фриш принимал активное участие как член британской делегации. В его задачу в Лос-Аламосе входило определение количества урана, необходимого для цепной реакции. Фриш рассказывал, например, что однажды ему удалось запустить цепную реакцию, которую пришлось остановить собственными руками, разделяя кусочки урана, потому что в противном случае произошел бы взрыв. В 1946 году Фриш вернулся в Великобританию, преподавал в Кембридже и стал начальником отдела ядерной физики Исследовательского центра атомной энергии в Харвелле. Умер ученый в 1979 году.