Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Почему человек ничего не знал о выделении столь значительной энергии? (Ведь человек всегда знал о выделении относительно небольшой энергии, скажем при горении свечи.) Ответ очень прост. При распаде урана действительно выделяется огромное количество энергии, однако процесс ее выделения растянут во времени. Для выделения половины этой энергии, или 2 500 000 килокалорий, урану необходимо 4 500 000 000 лет. За одну же секунду уран выделяет намного меньше энергии, чем пламя свечи.

Существуют изотопы, радиоактивность которых интенсивнее радиоактивности урана–238. Рассмотрим полоний–212, дочерний нуклид тория–232, всегда присутствующий в его рудах. Испуская альфа-частицу, 1 грамм полония–212 распадется до свинца–208, теряя в результате 0,046 миллиграмма массы, то есть шестую часть массы, теряемой ураном. Значит, при распаде полония–212 выделяется лишь одна шестая часть энергии, выделяемой при распаде урана–238. При распаде полония–212 высвобождается менее 1 000 000 килокалорий. Столько же энергии выделяется при взрыве 1000 тонн тротила. Однако период полураспада полония–212 менее половины секунды, и вся эта энергия освобождается за один миг. Однако набрать целый грамм естественного полония–212 невозможно, даже если собрать весь полоний–212, содержащийся в земной коре.

В 1919 году необходимость поиска естественных источников высокорадиоактивных изотопов отпала, так как появилась возможность их синтезировать. Образно говоря, путем бомбардировки альфа-частицами и ускоренными протонами стало возможно заставить стабильные изотопы лезть вверх по «энергетической горке» и превращаться в радиоизотопы, после чего радиоизотопы рано или поздно съезжали обратно к подножию горы. Можно ли использовать выделяющуюся при этом энергию?

Конечно можно; она и используется каждый раз, когда счетчик фиксирует радиоизотоп или радиоизотоп выступает в роли источника бомбардирующих частиц. Однако это невыгодно: для того чтобы заставить изотопы взобраться по «энергетической горке», нужно гораздо больше энергии, чем та, что выделяется в результате его спускания вниз.

Но возможно ли сделать так, чтобы получаемая энергия была выше затрачиваемой? С одной стороны, можно уменьшить количество потребляемой энергии, если заставить образующийся радиоизотоп образовывать другие радиоизотопы самостоятельно.

Так, в случае попадания нейтрона в ядро углерода–12 при определенных условиях ядро может поглотить нейтрон и испустить два нейтрона. Реакцию можно записать следующим образом:

или

Предположим, что каждый из двух нейтронов, выделяющихся при попадании нейтрона в ядро углерода–12, ударит еще по одному ядру углерода–12, — появятся уже 4 нейтрона и так далее. Ядерные реакции происходят менее чем за миллионную долю секунды, таким образом, если количество распадов увеличивается с 2, 4, 6, 16, 32 до нескольких миллионов за миллионную долю секунды, то весь запас углерода–12 смог бы принять участие в ядерной реакции за долю секунды. Углерод–12 очень распространен, а его энергия высвобождается так же быстро, как и энергия полония–212.

Это все равно что спалить целый лес одной спичкой. Энергии спички достаточно, чтобы поджечь один лист, под действием выделяемой при сгорании листа энергии воспламеняются близлежащие предметы и так далее. Ситуацию, когда продукт реакции необходим для продолжения реакции, химики называют цепной реакцией. С помощью (n, 2n)-распада можно было бы вызвать ядерную цепную реакцию.

Однако этот способ не работает. Во всех случаях необходимы очень быстрые нейтроны высокой энергии. Хотя в результате попадания быстрого нейтрона в ядро-мишень углерода–12 два нейтрона и высвобождаются, они по сравнению с ускоренным нейтроном слишком медленные, чтобы вызвать новую реакцию.

Это все равно что пытаться поджечь мокрый лес. Можно зажечь небольшой огонек, но его энергии не хватит для того, чтобы высушить соседние участки дерева и поджечь их; огонек погаснет. Впрочем, все это не так уж и плохо. В воздухе всегда присутствуют свободные нейтроны низкой энергии. Если бы этой энергии было достаточно для возникновения ядерной цепной реакции, то на большей части земной поверхности постоянно происходили бы ядерные взрывы и планет в современном понимании просто бы не существовало. Сам факт существования Земли говорит о том, что (n, 2n)-распад не может вызвать цепную реакцию атомов обычных элементов.

Ситуация не менялась до 1939 года. Хотя физики и знали, что во Вселенной присутствуют колоссальные запасы ядерной энергии, использовать их на практике пока не представлялось возможным. Некоторые даже считали, что способа использовать эту энергию просто не существует. Резерфорд, например, был убежден, что об источнике ядерной энергии можно лишь мечтать. Он умер всего лишь за несколько лет до того, как эту мечту удалось воплотить в жизнь.

В конце 1930-х годов ситуация с использованием ядерной энергии резко изменилась. Ферми решил, что в результате бомбардировки урана тепловыми нейтронами ему удалось получить элемент 93. В какой-то мере он оказался прав, но он также вызвал и другие ядерные реакции, спутавшие результаты и оставившие ученого в замешательстве.

Другие физики, занимавшиеся этой проблемой, также пребывали в недоумении. В процессе всех изученных до этого ядерных реакций, как естественных, гак искусственных, испускались очень легкие частицы, самой тяжелой из которых была альфа-частица. Поэтому физики полагали, что различные виды радиоактивного излучения бомбардируемого урана принадлежат атомам, чьи размеры лишь ненамного уступают размерам атома урана.

В 1938 году немецкий физик Отто Ган вместе с австрийским физиком Лизе Майтнер обнаружили, что если добавить к бомбардируемому урану соединения бария, то после этого во время любых химических реакций барий проявлял определенные радиоактивные свойства. Так как с химической точки зрения барий очень похож на радий (в периодической таблице радий следует сразу за барием), Ган предположил, что они имеют дело с изотопом радия.

Однако что бы Ган ни предпринимал, он так и не смог отделить предполагаемую бариевую составляющую радия. Не помогли даже обычные способы выделения бария из радия. Постепенно Ган начал понимать, что он имеет дело не с изотопом радия, а с радиоактивным изотопом бария.

Вы только вдумайтесь в это. Атомное число изотопов бария равно 56, что на 32 единицы меньше, чем атомное число атомов урана. Для того чтобы превратиться в изотоп бария, атому урана нужно испустить целый поток из 8 альфа-частиц. Однако во время бомбардировки альфа-частиц это не было обнаружено. Видимо, во время поглощения нейтрона ядро атома урана, грубо говоря, просто-напросто раскалывается на две половинки. Этот процесс называют делением ядра урана или более общим термином — деление атомного ядра, так как делятся не только атомы урана.