Antonio Hernandez-Fernandez - В делении сила. Ферми. Ядерная энергия.

В день смерти Альфреда Нобеля, 10 ноября 1938 года, как того требовала традиция, Ферми получил премию по физике. Эта церемония развеяла последние сомнения и навсегда

Энрико Ферми с женой Лаурой и их детьми Джулио и Неллой во время побега в США. Там Ферми провел важные исследования, приняв участие в создании первого атомного реактора и разработке атомной бомбы.

Король Швеции Густав V вручает Ферми 10 декабря 1938 года Нобелевскую премию по физике. При получении награды ученый так и не вскинул руку в римском салюте, как надеялся Муссолини.

закрыла семье ученого обратный путь: при получении награды Энрико не вскинул руку в фашистском приветствии и обменялся твердым рукопожатием с королем Швеции Густавом V. Фашистская пресса в дипломатических целях попыталась не слишком акцентировать внимание на этом эпизоде, чтобы не показать Италию слабой в глазах Германии.

В своей речи Ферми говорил в основном о своих работах по радиоактивности и медленным нейтронам, но упомянул также аузоний и гесперий — предполагаемые новые трансурановые элементы. Несколько месяцев спустя, после открытия деления ядра, ученый исправил текст своего выступления. Тем временем мир катился в пропасть — Европа разваливалась на куски.

По пути в Америку Ферми с семьей заехал в Копенгаген, чтобы встретиться с Бором. Вместо физики ученые говорили о неизбежности войны. Ферми поблагодарил Бора за помощь в получении премии, а тот рассказал, что, учитывая сложное положение в Дании (вскоре страна была оккупирована), он и сам собирается в США. Бор хотел провести хотя бы несколько месяцев в Принстоне с Эйнштейном.

В канун Рождества, 24 декабря 1938 года, семья Ферми села на корабль «Франкония», отплывающий из Саутгемптона в Нью-Йорк. В ту ночь, словно вестник из будущей жизни, подарки маленьким Джулио и Нелле принес незнакомый им Санта-Клаус: до сих пор дети получали дары только от волхвов. Все в их жизни менялось.

Утром 2 января 1939 года после спокойного плавания, занявшего несколько дней, пассажиры корабля увидели впереди силуэт статуи Свободы. Глядя с улыбкой на губах на такой близкий американский берег, Ферми воскликнул: «Мы создадим американскую ветвь семьи Ферми!» В Нью-Йорке его ждали Джордж Пеграм, директор физического отделения Колумбийского университета, и Габриелло Джаннини, друг ученого, который в свое время занимался регистрацией в США патента Ферми и его группы на использование медленных нейтронов.

Ферми легко вошел в новую команду в Колумбийском университете и быстро усовершенствовал свой английский методом полного погружения. Его способность вливаться в исследовательские группы упростила процесс привыкания. К тому же Ферми сразу подружился с Хербертом Андерсоном — студентом, который как раз заканчивал докторскую диссертацию на тему дисперсии нейтронов и хотел продолжить исследования под руководством Ферми. Тема этого исследования изменила ход истории: речь шла о делении ядра.

В конце 1938 года, когда Ферми только начинал новую жизнь в Америке, немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман на страницах журнала Naturwissenschaften рассказали о том, что после бомбардировки нейтронами ядер урана обнаружили барий. Ган предоставил результаты экспериментов Лизе Мейтнер, которая совершенно верно усмотрела в них доказательство деления ядра. Мейтнер была еврейкой, бежавшей в Швецию от нацистских преследований, и входила в исследовательскую группу Гана и Штрассмана. В то время с ней в Гетеборге проводил каникулы ее племянник Отто Фриш, сотрудник Бора. Фриш повторил эксперимент 13 января 1939 года, и они вместе с Мейтнер впервые подсчитали выброс энергии при делении. Исследователи поняли: то, что считалось новыми трансурановыми элементами, на самом деле было осколками, образующимися при делении ядра.

События разворачивались одно за другим, как в настоящей цепной реакции. Вернувшись в Копенгаген, Фриш встретился с Бором, который собирался бежать в США, и рассказал ему о своем открытии. Бор прибыл в Америку в середине января. Во время плавания он обсуждал деление с Леоном Розенфельдом, бельгийским физиком-теоретиком, плывшим на том же корабле. Бор вместе с Розенфельдом и Уилером на неформальной встрече в Принстоне 16 января 1939 года изложил результаты экспериментов Гана и Штрассмана и трактовку Мейтнер. На этой встрече присутствовали Раби и Лэмп, физики из Колумбийского университета. Они рассказали об этой беседе Ферми, и тот через несколько дней встретился с Бором. Хотя Ферми виделся с Мейтнер на награждении в Стокгольме, только сейчас он понял свою ошибку. Несколько лет он проводил бомбардировку нейтронами и не разглядел деления ядра!

Ферми решил приступить к работе в Колумбийском университете, где он мог использовать только что созданный группой Джона Даннинга циклотрон, о котором узнал от Джорджа Пеграма. Среди участников группы Даннинга особенно выделялся Херберт Андерсон, разработавший устройство для наблюдения ионизации, вызванной осколками, которые отлетают от ядра в ходе его деления. Благодаря осциллоскопу с катодными лучами, 25 января 1939 года Андерсон выявил импульсы, вызванные делением урана.

После того как нейтрон вызывал первое деление урана, необходимо было подсчитать количество нейтронов, получавшихся в ходе деления, и количество высвобождающейся энергии. Ферми настаивал на необходимости квантитативных методов для разработки способов практического применения, которые он уже держал в уме. Над первой статьей, написанной в США, — The Fission of Uranium («Деление урана») — Ферми работал вместе с группой Даннинга, руководителя диплома Андерсона. В тексте, опубликованном в журнале The Physical Review, были представлены вычисления эффективного сечения при столкновениях медленных и быстрых нейтронов и их обратная зависимость от скорости, что было доказано в опыте с изотопом урана-235, способного к делению. Ферми остановился на испускании нейтронов и на проблеме цепной реакции. Параллельно с ним, также в Колумбийском университете, физик венгерского происхождения Лео Силард и его канадский помощник Вальтер Зинн изучали испускание вторичных нейтронов после деления.

РИС. 1

Для того чтобы контролировать цепную реакцию, необходимо поглощать часть высвобождающихся нейтронов. В реакторах используются аварийные стержни из материалов, слабо подверженных делению и хорошо поглощающих нейтроны, таких как бор и кадмий (рисунок 1). Чтобы замедлить быстрые нейтроны, используется замедлитель, например тяжелая вода или графит, которые применял Ферми, так как медленные нейтроны вызывают больше процессов деления и их легче поглотить аварийными стержнями (рисунок 2).