Федор Кедров - Цепная реакция идей

Объясняя образование нового элемента, принятого за трансурановый, Ферми исходил из классического розерфордовского механизма искусственных ядерных реакций, известного в то время. В ядерных реакциях, осуществленных Резерфордом в течение нескольких лет (с 1919 года), ядра при столкновении с альфа-частицами испускали одну или несколько частиц и превращались в ядра других элементов, находящихся в соседних клетках таблицы Д.И. Менделеева. Ферми считал, что при бомбардировке нейтронами ядро урана поглощает медленный нейтрон и становится сверхтяжелым неустойчивым ядром изотопа урана, ранее неизвестного в природе. Это неустойчивое ядро изотопа урана испускает бета-частицу и в соответствии с законом Содди и Фаянса превращается в новый элемент с порядковым номером 93.

Как ни парадоксально, но ошибка Ферми сыграла положительную роль в дальнейшем развитии ядерной физики, которое в конце концов привело к открытию реакции деления урана и, следовательно, вплотную приблизило физиков к овладению атомной энергией.

Ирен Жолио-Кюри решила проверить правильность утверждения Ферми об открытии им 93-го элемента. Вместе с Павле Савичем она исследовала вещество, принятое Ферми за новый трансурановый элемент, и показала, что оно обладает свойствами лантана. Это открытие предвещало сенсацию в физике, а именно установление того факта, что существуют ядерные реакции, при которых ядро «раскалывается» на два приблизительно равных по массе осколка. Теперь каждый знает, что такая реакция называется реакцией деления и именно она лежит в основе использования атомной энергии.

В 1938 году на конгрессе Национального химического объединения в Риме Фредерик Жолио-Кюри встретил немецкого ученого Отто Гана и рассказал ему об опытах Ирен и Павле Савича. По этому поводу профессор Ган сказал Фредерику примерно следующее: «Я очень восхищен вашей женой и очень дружелюбно отношусь к ней. И все же я решил повторить ее опыты и надеюсь в скором времени показать, что она ошиблась». Знаменитому немецкому радиохимику, ученику Резерфорда, казалось маловероятным, что при бомбардировке нейтронами урана в результате ядерной реакции получается лантан.

Возвратившись в Берлин, Отто Ган вместе с Лизе Мейтнер, а позднее с Фрицем Штрассманом занялся проверкой опытов Ирен Жолио-Кюри. Пользуясь методикой Ферми и Жолио-Кюри, Отто Ган с сотрудниками Института химии Кайзера Вильгельма в Берлине облучал уран потоком нейтронов и исследовал продукты, получающиеся при ядерной реакции. Исследователи с удивлением обнаружили среди этих продуктов не только лантан, подмеченный Ирен Жолио-Кюри, но и барий, т.е. другой элемент средней части таблицы Д.И. Менделеева.

Но прежде чем рассказать о последствиях экспериментов Ирен Жолио-Кюри, которые привели к открытию цепной реакции деления урана и значительно приблизили возможность создания ядерного реактора, напомним о том, что в продуктах деления урана действительно были также и трансурановые элементы; однако их обнаружили через несколько лет после опытов Ферми, о которых шла речь. В 1940 и 1941 годах были получены первые трансурановые элементы: нептуний и плутоний с порядковыми номерами 93 и 94. В течение последующих лет физики и радиохимики открыли еще около десятка других трансуранов — америций, кюрий, берклий, калифорний и другие. Методы выделения новых трансурановых элементов основаны на бомбардировке мишеней различными частицами. Так, кюрий и калифорнии получали облучением нейтронами плутония и америция в ядерном реакторе.

Отто Ган и Фриц Штрассман вскоре после своих опытов, проведенных для проверки открытия Ирен Жолио-Кюри и Павле Савича, высказали предположение о том, что ядро урана при бомбардировке нейтронами может раскалываться на два радиоактивных осколка, примерно одинаковых по массе.

Статья Гана и Штрассмана была в январе 1939 года получена Жолио-Кюри. Она подтвердила правильность опытов Ирен Жолио-Кюри и свидетельствовала о существовании нового типа ядерных реакций. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри обсудили результаты опытов Гана и Штрассмана, и тут же Фредерик высказал исключительно важную мысль о том, что количество нейтронов, испускаемых при бомбардировке урана, должно превышать количество нейтронов, осуществляющих раскалывание ядер урана.

Ирен и Фредерик Жолио-Кюри выполнили некоторые опыты и произвели теоретические расчеты, не оставляющие уже сомнения в существовании нового процесса расщепления урана на осколки. При этом процессе выделяется примерно в 100 раз больше энергии, чем при ранее уже известных ядерных реакциях, вызываемых бомбардировкой элементов альфа-частицами. Можно считать, что Ирен и Фредерик Жолио-Кюри первыми экспериментально обнаружили существование нового процесса расщепления ядер. Сразу вслед за ними Лизе Мейтнер и ее племянник Отто Фриш в Копенгагене точно доказали это. Фриш назвал этот процесс делением ядер по аналогии с делением клеток, термином, широко распространенным в биологии. С развитием ядерных реакторов уран, торий, плутоний и некоторые другие природные и искусственные радиоактивные элементы, применяющиеся в качестве ядерного горючего, получили название делящихся материалов.

Опыты Фредерика и Ирен Жолио-Кюри, выполненные тотчас же после получения статьи Гана и Штрассмана, с очевидностью доказали способность ядер урана к раскалыванию. Они имели исключительно большое значение для последующего развития ядерной физики, особенно в ее практическом аспекте, но тем не менее еще недостаточно приблизили к решению проблемы практического освобождения и использования того громадного количества энергии, которое таится в недрах вещества, т.е. в ядрах атомов.

Все дело было в масштабах. При раскалывании ядра действительно освобождается огромная энергия, которую легко подсчитать по известной формуле Эйнштейна; но масштаб процесса, происходящего в одном ядре, ничтожно мал. Для того чтобы реально «ощутить» эту энергию, необходимо вызвать деление огромного количества ядер урана и притом почти одновременно. Это удалось осуществить только позднее после того, как был открыт цепной процесс деления урана.

В конце 1938 года А.Ф. Иоффе получил от Фредерика Жолио-Кюри письмо, в котором французский ученый сообщал об открытии принципиально нового вида ядерной реакции — под действием нейтронов ядро урана распадается на два радиоактивных осколка.

В первой своей информации об исследовании вторичных нейтронов, опубликованном в 1939 году, Фредерик Жолио-Кюри и его сотрудники Ганс Хальбан и Лев Коварский сообщили, что среднее число вторичных нейтронов, возникающих при делении ядер урана, бомбардируемых замедленными нейтронами, равно приблизительно двум для каждого акта деления.