Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

Необходимое для нейтронной атаки урана оборудование состояло из источника нейтронов, урановой мишени и ящика со свинцовыми стенками, обложенными изнутри парафином, для защиты экспериментаторов от радиоактивного излучения.

О ящике, казалось бы, можно было и не упоминать, но совершенно неожиданное влияние его на измерения натолкнуло Э. Ферми на открытие, которое значительно ускорило путь к овладению ядерной энергией.

После нескольких опытов ученые с удивлением обнаружили, что в разных местах ящика уран «глотает» нейтроны, так сказать, с разным аппетитом. Мистика? Досадная помеха?

Э. Ферми увидел в этом нечто большее. Утром он пришел в университет с готовым объяснением. А чуть позже на одной из улиц Вечного города произошло странное событие. Группа молодых людей, выскочив из ворот университета, помчалась прямо к ближайшему фонтану. Они опустили в воду источник нейтронов, мишень, и… идея Э. Ферми блестяще подтвердилась.

Обдумав полученные накануне результаты, Э. Ферми предположил следующее. Вероятно, все дело в том, что поглощение нейтронов тяжелыми ядрами зависит от энергии самих нейтронов.

Вода — прекрасный замедлитель для нейтронов. Сталкиваясь с ядрами водорода — протонами, — нейтральные частицы быстро затормаживаются до скорости теплового движения молекул воды (такие нейтроны называют тепловыми). А замедлившиеся в толще воды тепловые нейтроны с гораздо большей вероятностью захватывались ядрами урана. В тот памятный день фонтан стал очень важной деталью экспериментальной установки.

Обнаруженное явление полностью разъяснило и историю с ящиком. Отражаясь от парафиновых блоков, нейтроны теряли энергию, замедлялись и гораздо охотнее вступали в реакцию с ядрами мишени. Только в разных местах ящика из-за его формы количество таких замедленных нейтронов было неодинаковым. Вот и вся мистика.

Наконец настал день, когда можно было приступить к анализу полученных радиоактивных ядер. Тишина университетских коридоров то и дело нарушалась топотом ног. Это в химическую лабораторию проносился с облученной мишенью в руках очередной сотрудник группы Э. Ферми или он сам.

А вот и результаты: обнаружен новый радиоактивный элемент!

Э. Ферми называет его «трансурановым», то есть расположенным в периодической таблице за элементом урана.

Но это был не заключительный акт, а только пролог к богатой своими последствиями истории с ураном. Опытами по облучению урана тепловыми нейтронами занимались и другие ученые. «Ядерная лихорадка» охватила многие лаборатории мира. В 1938 году И. Жолио-Кюри и югославский физик П. Савич тоже повторили эксперимент Э. Ферми, но получили совершенно противоположный результат.

В облученной мишени они обнаружили изотопы элементов не более тяжелых, чем уран, а похожих по своим химическим свойствам на элементы из середины периодической таблицы.

Так какие все-таки получаются ядра? Сверхтяжелые или, наоборот, более легкие? Кто прав, Э. Ферми или И. Жолио-Кюри и П. Савич?

Заинтригованы были и экспериментаторы и теоретики. Над этой проблемой интенсивно работали не только в Париже, но и в Германии, и в Швеции.

А оказалось, что никакого противоречия не было. При облучении урановой мишени возникал не только новый трансурановый элемент, но еще около двадцати более легких химических элементов. Каждому из них надо было задать вопрос: «Маска, кто вы?» И никто не предполагал, что под двумя наиболее простыми из них, барием и лантаном, скрываются свидетели и участники совершенно необычной реакции — реакции деления ядер урана. Вот эта реакция и преподнесла людям энергию, запасенную в ядрах еще со времени их образования.

Распознать все компоненты полученной Э. Ферми смеси изотопов удалось только в 1939 году благодаря усилиям таких ученых, как И. Жолио-Кюри и П. Савич, Л. Мейтнер и О. Фриш, О. Ган и Ф. Штрассман.

Когда полностью рассеялся туман предположений, ошибок, гипотез и старых представлений, все полученные при облучении урана нейтронами изотопы были расставлены по клеточкам таблицы элементов.

Прежде всего точно установили, что урановая мишень состояла из двух изотопов урана с атомным номером 92 и числом нуклонов, равным 235 и 238.

Уран-238, как и предполагал Э. Ферми, захватывая нейтрон, превращался в радиоактивный уран-239. Один из нейтронов этого ядра превращался потом в протон и электрон. А этот дополнительный протон увеличивал на единицу атомный номер вещества.

Э. Ферми действительно получил ядро первого трансуранового элемента, девяносто третьего, названного нептунием.

Нептуний, в свою очередь, испытывал бета-радиоактивный распад и превращался в ядро следующего трансуранового элемента, который получил название «плутоний».

Но неошибочным было и сообщение из Парижа.

Ядра более легкого изотопа урана, поглощая тепловые нейтроны, совершали головокружительный «трюк» — скачок сразу через несколько десятков клеточек таблицы Менделеева. Они делились на две примерно одинаковые части; из одного тяжелого ядра урана возникало два — ядро элемента лантана и ядро элемента бария, оба в более легкой весовой категории.

Капитальная перестройка этой огромной, слабо связанной системы, состоящей из нескольких сотен нуклонов, в крепко связанные небольшие коллективы нуклонов ядер среднего веса, конечно, не обошлась без «усушки» и «утруски».

«Дефект масс» у новых изотопов был больше, и по формуле E = mc 2можно было подсчитать, что при делении каждого ядра урана должна была освобождаться энергия около 200 миллионов электрон-вольт. Эксперимент подтвердил реальность этой величины.

— Да, это число потрясает. Наконец мечта людей осуществилась и они получили новый источник энергии?

— Нет. Реакция деления отдельных ядер еще не обеспечивает выход практически используемой энергии.

— Почему?

— Она не может конкурировать с химической реакцией горения, в которой участвует сразу огромное количество молекул. Вот если бы и реакция деления обладала таким свойством!

— Значит, овладение ядерной энергией целиком и полностью зависело от того, как идет реакция деления?

— По сути дела, да.

Ф. Жолио-Кюри еще в 1935 году в своей Нобелевской лекции говорил: «Если заглянем в прошлое и охватим взором прогресс науки, который происходит все более и более нарастающими темпами, мы получим право думать, что исследователи, которые создают или разрушают элементы по своему желанию, сумеют добиться превращений, имеющих характер взрыва, добиться настоящих цепных реакций. Если мы сможем осуществить подобные превращения, то удастся высвободить огромное количество энергии, которую можно будет использовать».