Кудрявцев Степанович - Курс истории физики

ферми придерживается высказанной концепции в нобелевской лекции 1938 г. Говоря об активных носителях, полученных из урана при бомбардировке их нейтронами, он заключает: «Мы пришли к выводу, что носителем был один или более элементов, с атомным номером большим 92. Элементы 93, 94 у себя в Риме мы назвали авсонием и гесперием соответственно. Известно, что О. Ган и Л. Мейтнер провели очень тщательное и обширное изучение продуктов распада облученного урана и сумели отыскать среди них элементы вплоть до атомного номера 96».

Речь была напечатана в Стокгольме в 1939 г., и при этом ферми пришлось сделать примечание, указывающее на необходимость пересмотра «всей проблемы трансурановых элементов» в связи с открытием Гана и Штрассмана.

Остановимся на истории этого открытия. Оно явилось завершением целого ряда поисков и ошибок.

Вскоре после сообщения ферми о трансурановых элементах немецкий химик Ида Ноддак опубликовала в химическом журнале статью, в которой указывала, что под воздействием нейтронов ядра распадаются на изотопы, отнюдь не являющиеся соседями бомбардирующих элементов, ферми, Ган и другие физики сочли предположение Ноддак абсурдным.

В 1936 г. вопросом о захвате нейтронов заинтересовался Бор. В опубликованной в «Nature» статье «Захват нейтрона и строение ядра» он указал, что «типичные черты ядерных реакций проявляются при столкновении с нейтронами», и отметил, что «наиболее интересные данные получены ферми и его сотрудниками по искусственной радиоактивности при бомбардировке как быстрыми нейтронами, так и тепловыми нейтронами». Анализируя эти данные, Бор пришел к выводу, что процесс ядерной реакции, обусловленный захватом нейтрона, следует разделить на две не зависящие друг от друга стадии.

Первая стадия заключается в том, что захват нейтрона ядром приводит «к образованию составной системы, характеризующейся замечательной устойчивостью». Это «компаунд-ядро» находится в возбужденном состоянии, причем энергия распределяется между всеми частицами ядра и в последующем (вторая стадия.— П.К.) может освобождаться в виде гамма-излучения либо «может опять концентрироваться на какой-то частице у поверхности ядра», так что эта частица может покинуть ядро.

Самым существенным моментом в теории Бора было представление о ядре как о сложной системе. Нейтрон взаимодействует не с какой-либо отдельной частицей ядра, а отдает энергию всему коллективу частиц, образующих ядро. Теория, «опирающаяся на соответствующее применение задачи одного тела... теряет всю свою ценность» в случае захвата нейтрона ядром, «где мы с самого начала имеем дело с существенно коллективными аспектами взаимодействия между составляющими ядро частицами».

О теории Бора рассказывал на сессии физико-математического отделения Академии наук СССР в марте 1936 г. И. Е. Тамм в докладе о проблеме атомного ядра. Я. И. Френкель, выступая по докладу, говорил: «В связи с теорией Бора ясно, что сложное ядро до некоторой степени подобно твердому или жидкому телу, состоящему из большого числа частиц, сильно связанных друг с другом. Отсюда возникает весьма естественно мысль, нельзя ли рассматривать ту энергию, которую нейтрон, приставший к ядру, сообщает всей совокупности частиц, образующих его как своего рода тепловую энергию. При этом состояние системы характеризуется некоторой температурой, соответствующей этой энергии и числу частиц. Нагретое ядро имеет некоторые шансы испариться, и это испарение является той дезынтеграцией, которая воспринимается нами в виде вылетающего из ядра нейтрона или протона или альфа-частицы...».

Свои мысли Я. И. Френкель облек в статью, опубликованную в том же, 1936 г. под заглавием «О «твердой» модели тяжелых ядер». Бор согласился с этой идеей Я. И. Френкеля и в лекции «Превращение атомных ядер», прочитанной весной 1937 г. в США и в июне того же года в СССР, говорил о «температуре» ядра, которая «повышается» в результате захвата нейтрона, причем ядро «деформируется», совершая упругие колебания. Бор указывал, что испускание нейтрона ядром «представляет особенно удачную аналогию испарению жидкого или твердого тела при низких температурах», и отмечал, что «Я. И. Френкель впервые предложил применить к вероятности вылета нейтрона из составного ядра обычную формулу для испарения».

Однако ни Бор, ни Френкель не стали развивать идею о ядре как жидкой капле, они остановились на «твердой» модели. Как экспериментаторы, так и теоретики очень близко подходили к явлению деления, но, загипнотизированные всей совокупностью представлений о ядерных реакциях, не могли увидеть сути дела.

Упомянем еще об одном теоретическом результате 1938 г. Ганс Боте предложил теорию, объясняющую энергию звезд. Согласно этой теории энергия выделяется в результате синтеза ядер водорода в ядра гелия. Боте предложил углеродно-азотный цикл, приводящий в конечном счете к превращению водорода в гелий, сопровождающийся выделением значительной энергии.

В 1938 г. наступила развязка сложной ситуации, вызванной результатами, полученными ферми. Сложность ситуации объяснялась обилием радиоактивных изотопов, к тому же открытие изомерии Курчатовым еще более осложнило обстановку. Распутать цепочку продуктов, получающихся в результате бомбардировки урана нейтронами, было непросто. Ирен Кюри, работая сначала с Хальбаном, а потом с югославом Павлом Савичем, получила радиоактивное вещество с периодом полураспада 3,5 ч, напоминающее торий. Ган, проверяя этот результат, показал, что продукт, который Кюри и Савич потом стали называть R (3,5 ч), не может быть торием. Ирен Кюри и Савич согласились с выводом Гана и, продолжая исследования, показали, что R (3,5 ч) по свойствам напоминает актиний и еще больше лантан. Они констатировали, что продукт R (3,5 ч) выделяется вместе с лантаном: «В целом свойства R (3,5 ч) такие же, как свойства лантана». Но лантан не радиоактивен, и они полагали, что активный продукт можно отделить от лантана. Заметка об опытах И. Кюри и П. Савича была опубликована летом 1938 г.

Ган в то время работал вместе со Штрассманом, так как Л. Мейтнер эмигрировала после захвата Австрии Гитлером в Стокгольм. Прочитав статьи Кюри и Савич, Ган был поражен, он подумал, что Кюри и Савич совершенно запутались, и решил тщательно проверить их опыты. Ган рассуждал так: если R (3,5 ч) — аналог лантана, то его материнский продукт должен походить на радий, аналогичный барию. Наблюдаемый Ганом и Штрассманом мнимый радий, действительно, обладал всеми свойствами радия. 20 декабря 1938 г. в результате многих опытов по идентификации нового элемента они установили окончательно, что в числе продуктов бомбардировки, несомненно, имеется барий. «Как химики, — писали они в своем сообщении, — мы должны из этих кратко описанных опытов существенно изменить приведенную выше схему и вместо символов Ra, Ac, Th вставить символы Ва, La, Се. Как «ядерные химики», тесно связанные с физикой, мы не можем решиться на этот шаг, противоречащий всем предыдущим экспериментам».