Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

Наблюдая за первой ядерной реакцией, расщеплением ядер азота, Э. Резерфорд заметил, что протоны, которые он регистрировал, уносили из распадавшегося ядра энергию большую, чем приносили в него альфа-частицы. Так исследователь впервые сумел чуть-чуть приоткрыть ядерный сейф с запасом энергии.

Позже было обнаружено, что с выделением энергии расщеплялись и некоторые другие ядра. Химические реакции, в которых выделяется энергия, называются экзотермическими. Это же наименование получили и ядерные реакции. Но какая разница была в количестве выделяемой энергии! Перестройка одной молекулы в химической реакции давала энергетический выигрыш максимум в несколько электрон-вольт. Щедрость ядерной реакции поразила современников. Первое же распавшееся ядро (ядро азота) наделяло вылетающий протон энергией в миллион раз большей.

Узнав об экспериментах по расщеплению ядер, Ф. Содди писал в 1919 году: «Эти открытия показали, что суровая борьба за существование, за истощенные источники природной энергии, которую вело человечество до сих пор, вовсе не является единственным и неизбежным уделом человека. Ничто не мешает нам думать, что наступит день, когда мы сможем использовать для наших нужд первичные источники энергии, которые природа ревностно хранит для будущего».

Среди гула восхищенных голосов людей, у которых новые достижения науки всколыхнули надежды на решение извечной проблемы топлива, остался неуслышанным одинокий голос поэта.

писал в 1921 году А. Белый в поэме «Первое свидание».

Но люди пока не склонны прислушиваться к предвидению чувств, не доверяют тому, что не основано на расчетах и формулах. А грядущая опасность как раз гнездилась в сфере чувств и моральных устоев. Уже во время первой мировой войны возник интерес к вопросу об использовании радиоактивных излучений в военных целях.

Э. Резерфорд вынужден был заявить, что ученые стремятся использовать внутреннюю энергию радия в своих познавательных целях. «К счастью, — добавил отец ядерной физики, — в настоящее время мы не нашли метода для применения энергии радия», — и выразил надежду на то, что он не будет найден до тех пор, «пока человек не будет жить мирно со своими соседями».

Впрочем, в то время еще не было особых поводов ни для опасений, ни для восторгов.

Химические реакции обладали пока очень важным преимуществом по сравнению с ядерными. Например, реакции горения были самоподдерживающимися, в них участвовала сразу большая масса вещества, а ядерные реакции расщепления оставались всего лишь изредка вспыхивающими искорками.

Ядра по сравнению с молекулами обладают огромной энергией, но расстаются с ней только те, в которые попадает альфа-частица. Вероятность же такого события не больше вероятности попадания из дробовика в глаза мухе, сидящей на вершине дерева. Ядро легкого атома поражается в эксперименте одной из 100 000 альфа-частиц. А в тяжелое ядро попадает и того меньше — одна частица из миллиона.

Ситуация не изменилась и после запуска первого ускорителя протонов в лаборатории Э. Резерфорда. Были обнаружены новые экзотермические ядерные реакции — и только.

Сокровище — ядерная энергия — лежало рядом. Человек научился «своими руками» добывать небольшую частицу ядерного «огня», но о практическом использовании его пока не могло быть и речи.

Открытие естественных радиоактивных веществ, которые долгие годы испускают небольшие порции внутриядерной энергии, несколько походило на приобретение «вечной свечи». А выигрыш в энергии от ядерных реакций, вызываемых ускоренными протонами, был не больше копеечного приза, полученного в тире незадачливым человеком, растратившим на выстрелы всю свою зарплату. Гораздо больше энергии затрачивалось на ускорение частиц, чем выделялось в результате реакции.

Какой уж тут оптимизм! Даже в 1937 году Э. Резерфорд говорил: «Перспектива получения энергии при искусственных процессах превращения не выглядит обещающей».

Он оказался прав. С помощью отдельных экзотермических ядерных реакций невозможно было получить энергию в тех количествах, в которых нуждалось человечество.

— А существует ли вообще такая реакция, в которой ядро сразу отдавало бы весь свой энергетический запас?

— В принципе физики знали, как этот запас получить целиком. Уверенность им придавал «дефект масс». Максимальная энергия могла выделиться при превращении ядра самого тяжелого элемента в ядро элемента из средней частицы таблицы. Трудность заключалась лишь в том, как разбить тяжелое ядро на более мелкие.

— А не проще соединять самые легкие ядра, имеющие, кажется, тоже маленький «дефект масс» и обладающие избытком энергии?

— Такие реакции идут в раскаленных звездах. Но в лаборатории ускоритель расходовал так много энергии на сближение двух ядер, например, изотопа водорода — дейтерия, — что слова о возможном ее выигрыше звучат как насмешка. И все же ученым вскоре удалось найти путь к овладению ядерной энергией.

В 1934 году французские ученые Ф. Жолио-Кюри и его жена И. Кюри, дочь знаменитой М. Склодовской-Кюри, открыли новое явление — искусственную радиоактивность атомных ядер. Супруги Жолио-Кюри облучали альфа-частицами ядра алюминия. В результате ядерной реакции впервые был получен не существующий в природе радиоактивный изотоп фосфора.

Так через сорок лет потеряла свою уникальность естественная радиоактивность атомных ядер. Человек научился превращать любые стабильные вещества в радиоактивные, бомбардируя ядра разных химических элементов протонами, нейтронами и альфа-частицами.

Нейтроны играли особую роль в создании искусственных радиоактивных изотопов. У этих частиц нет электрического заряда, поэтому они легко преодолевали электростатический барьер (одноименные заряды отталкиваются), которым окружены тяжелые заряженные ядра.

С нейтронами предпочитал работать молодой, но уже известный итальянский ученый Э. Ферми. Открытие французских ученых его чрезвычайно заинтересовало. Физик-теоретик Римского университета, создатель теории радиоактивного бета-распада, он решил вместе со своими коллегами начать эксперименты по облучению тяжелых ядер нейтронами.

Почему именно тяжелых?

Э. Ферми задумал перешагнуть границу периодической таблицы и получить элемент, ядра которого имели бы протонов больше, чем их в ядрах самого тяжелого из известных элементов. Ученый был убежден, что нейтроны, попадая в переполненные нуклонами ядра урана, принудят их к радиоактивному бета-распаду. А если это так, то ядро урана и приобретет вожделенный дополнительный протон.