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

В результате деления ядра изотоп съезжает с вершины «энергетической горки» еще дальше, чем в результате обычных ядерных преобразований. В обычных условиях уран распадется до свинца, коэффициент уменьшения массы которого ниже; во время деления ядра уран превращается в барий и криптон, коэффициенты уменьшения массы которых еще ниже.

Таким образом, превращаясь в результате обычных ядерных преобразований в свинец, 1 г урана теряет около ¼ мг массы, в то время как при делении ядра 1 г урана теряет около 1 мг массы. Другими словами, в результате деления каждый грамм урана выделяет в 4 раза больше энергии, чем при обычном преобразовании.

Деление ядра урана легко объясняется с точки зрения модели структуры ядра Бора. Согласно этой модели, ядро представляет собой нечто вроде капли жидкости. В отличие от модели с оболочками, согласно которой нуклоны заполняют различные оболочки и ведут себя определенным образом, по боровской модели атомного ядра они хаотично соударяются, аналогично молекулам в капле жидкости.

Если в такое ядро попадает еще один нейтрон, то ею энергия быстро распределяется между всеми нуклонами, поэтому ни у одного из них уровень энергии не повышается настолько, чтобы он мог вылететь из ядра. Ядро может испустить избыток энергии в виде гамма-луча, однако существует вероятность, что все ядро начнет колебаться, подобно тому как в аналогичных условиях начинает колебаться капля воды. В результате этого ядро может разделиться на два ядра.

Деление ядра урана не всегда идет одинаково. Коэффициент уменьшения массы у ядер среднего размера отличается не сильно, и в одном случае ядро может разделиться в одной точке, а в другом случае — в другой. Как результат, образуется множество различных радиоизотопов в зависимости от того, каким именно образом прошло деление ядра. Все эти изотопы называются продуктами деления. В большинстве случаев ядро делится на неравные части: массовое число большего ядра колеблется в пределах от 135 до 145, а меньшего — от 90 до 100.

В 1948 году среди продуктов деления были обнаружены изотопы элемента 64. Элемент получил название «прометий», поскольку его удалось выхватить из «ядерной топки» так же, как греческому полубогу Прометею удалось выхватить огонь из Солнца.

В результате образования относительно небольших продуктов деления уран превращается в один из элементов, соотношение n/p которых меньше. Для образования ядер продуктов деления нужно меньше нейтронов, чем есть в ядре исходного атома урана, и эти избыточные нейтроны высвобождаются. Поэтому в результате деления ядра каждый атом урана высвобождает два-три нейтрона.

Возникает вопрос. Если в результате деления ядра атом урана испускает больше энергии, чем в результате обычного распада, тогда почему вместо распада не происходит спонтанного деления ядра урана? Скорее всего, для начала деления ядро атома урана должно поглотить небольшое количество энергии, за счет которой оно взберется на «энергетическую горку» и начнет скатываться, то есть необходимо что-то вроде «ядерного зажигания», подобно тому как для возгорания спички необходимо тепло от трения.

Чем выше энергетический порог, тем меньше вероятность того, что ядро сможет набрать необходимое для его преодоления количество энергии обычным способом — в результате хаотичного распределения и перераспределения энергии между субатомными частицами. Таким образом, чем выше «энергетическая горка», тем меньше ядер распадается за отдельно взятый промежуток времени и тем дольше период полураспада.

При делении ядра урана «энергетическая горка» гораздо выше, чем при обычном распаде атомов урана, и именно поэтому, несмотря на то что в результате деления ядра атом урана обретает большую стабильность, распад происходит гораздо чаще.

И все же иногда по совершенно случайному стечению обстоятельств (а не только в результате добавления еще одного нейтрона) ядру атома урана удается преодолеть энергетический порог, и тогда начинается деление ядра урана без участия нейтронов. Самопроизвольное деление атомов урана было обнаружено в 1940 году советскими физиками Флёровым и Петржаком.

Так как энергетический порог деления выше, выше и период его полураспада. В то время как период полураспада урана–238 в результате испускания альфа-частицы около 4 500 000 000 лет, период его полураспада в результате самопроизвольного деления равен 1 000 000 000 000 лет.

Период полураспада в результате самопроизвольного деления атомов трансурановых элементов меньше. Например, период полураспада в результате самопроизвольного деления атомов кюрия–242 равен 72 000 000 лет, а калифорния–250 — всего лишь 15 000 лет.

Когда Ган пришел к выводу, что нейтроны запускают процесс деления ядра урана, он не спешил опубликовывать свои умозаключения, так как считал их слишком далекими от истины. В это время его давней партнерше по работе Лизе Майтнер, еврейке по национальности, пришлось, скрываясь от гитлеровского режима, переехать в Стокгольм [139] До 1938 года Майтнер пребывала в относительной безопасности, так как она была подданной Австрии, однако в 1938 году Австрия в принудительном порядке присоединилась к фашистской Германии. . Позиция самой Майтнер была не очень ясной, что снижало риск получения «далеких от истины» выводов, и 16 января 1939 года она написала письмо в научный журнал «Нейчер», в котором рассуждала о возможности деления ядра урана.

Нильсу Бору Майтнер объяснила все лично, и тот во время своего визита в США рассказал о делении ядра урана на конференции по физике. Физикам быстро удалось проверить правильность выводов Гана, и деление атомного ядра стало главным открытием года.

Венгерского физика Лео Силарда (1898–1964) особенно заинтересовала возможность ядерной цепной реакции. Он был одним из тех, кто рассматривал эту проблему до открытия деления атомного ядра и даже запатентовал способ вызова такой реакции (оказавшийся, впрочем, нерабочим).

Оказалось, что деление ядра урана можно вызвать и другим способом: под действием тепловых нейтронов малой энергии реакция возникала чаше, чем под действием нейтронов высокой энергии. Образующиеся в процессе деления нейтроны обладали достаточной энергией для продолжения деления ядра. Во всяком случае, скорость движения нейтронов нужно было понизить, что сделать достаточно просто.

К этому моменту Вторая мировая война уже началась, и Силард, сбежав от гитлеровской тирании, понимал, какая угроза нависнет над миром, если фашисты приручат ядерную энергию и научатся использовать ее в военных целях. Вместе с еще двумя физиками, Эугеном Вигнером и Эдвардом Теллером, Силард попытался привлечь интерес правительства США к разработке методов запуска ядерной цепной реакции и управления ею.