Цепная реакция идей

Вскоре после получения Нобелевской премии Фредерик Жолио-Кюри стал заведующим кафедрой ядерной химии в Сорбонне и руководителем работ группы французских и иностранных исследователей. К его обширным педагогическим обязанностям прибавилось много научно-организационной работы. Прекрасно понимая важность исследований в области ядерной физики, Фредерик намерен был прежде всего создать условия для развертывания ядерных исследований во Франции. В течение нескольких лет он строит ускоритель Ван де Граафа на 1 миллион электрон-вольт в строительном институте в Аркей-Кашан, заново оборудует Лабораторию Ампера, преобразуя ее в Лабораторию атомного синтеза; строит циклотрон на 7 миллионов электрон-вольт в Коллеж де Франс.

В то же самое время Ирен Жолио-Кюри проводит исследования трансурановых элементов и в этой работе у нее оказывается талантливый сотрудник — югославский физик Павле Савич, впоследствии руководитель крупнейшего в Югославии Института ядерных исследований «Борис Кидрич».

Можно полагать, что к этому времени Ирен и Фредерик Жолио-Кюри понимают, что их работы, как сотни и тысячи других работ по ядерной физике, проводимых во многих странах, приведут в конце концов к возможности практического использования атомной энергии главным образом в качестве энергетического источника. В своем сообщении об открытии искусственной радиоактивности ученые, говоря о возможности «внешней причиной» вызвать радиоактивность некоторых ядер, которая существует непродолжительное время и после удаления источника облучения, высказывали также предположение о существовании более «продолжительной радиоактивности», если облучать элементы другими частицами. Какими?

Супруги Жолио-Кюри утверждали, что более мощными частицами для облучения должны служить пучки протонов и дейтронов, разогнанные до значительных энергий в высоковольтных ускорителях. Этим и объясняется стремление Фредерика оборудовать в руководимых им лабораториях новейшие ускорители, которые в то время только что появились. После опытов Джона Кокрофта и Эрнеста Уолтона, построивших в Кевендишской лаборатории первый высоковольтный ускоритель, Эрнест Лоуренс, чьим именем теперь называется крупнейшая лаборатория по физике высоких энергий Калифорнийского университета, достиг наилучших результатов в создании ускорителя частиц — циклотрона.

С нынешней точки зрения даже примитивные по мощности ускорители того времени еще долго оставались редкостью в европейских лабораториях. Многие исследователи продолжали использовать для бомбардировки мишеней альфа-частицы, но открытие нейтронов изменило положение. Молодой итальянский ученый профессор Римского университета Энрико Ферми, как только узнал об опытах Жолио-Кюри, решил повторить их. Однако для бомбардировки он применил не альфа-частицы, как делали Жолио-Кюри, а нейтроны.

Его намерение можно понять, вспомнив слова Джеймса Чадвика из доклада, прочитанного в Стокгольме в 1933 году по случаю вручения ему Нобелевской премии. Большая эффективность нейтронов в получении ядерных реакций легко объясняется. При столкновении положительно заряженной частицы с ядром вероятность ее проникновения в ядро ограничена кулоновской силой их взаимодействия. Этим определяется минимальное расстояние, на которое может приблизиться частица. Расстояние возрастает с увеличением атомного номера ядра и вскоре достигает столь большой величины, что вероятность проникновения частицы в ядро становится очень малой. В случае же соударения нейтрона с ядром ограничений такого рода не существует. Сила взаимодействия нейтрона с ядром очень мала, только на очень малых расстояниях она начинает быстро расти и носит характер притяжения. Вместо потенциального барьера, как в случае заряженных частиц, нейтрон встречает «потенциальную яму». Поэтому даже нейтроны очень малой энергии могут проникнуть в ядро.

Ферми в статье, опубликованной в итальянском научном журнале, так охарактеризовал нейтроны как частицы для бомбардировки: «Применение нейтронов как бомбардирующих частиц страдает тем недостатком, что число нейтронов, которыми можно практически располагать, неизмеримо меньше числа альфа-частиц, которые можно получить от радиоактивных источников, или числа протонов или дейтронов, которые можно ускорить в высоковольтных устройствах. Но, с другой стороны, этот недостаток частично компенсируется большей эффективностью нейтронов при получении искусственных ядерных реакций. Нейтроны обладают также тем преимуществом, что им свойственна большая способность вызывать ядерные реакции в том смысле, что число элементов, которые могут быть активированы нейтронами, значительно больше числа активных элементов, которые можно получить с помощью других радиоактивных частиц».

Энрико Ферми использовал в своих опытах источник нейтронов в виде стеклянной трубочки, содержащей порошок бериллия и радий. Трубочка вводилась в цилиндрический образец какого-нибудь элемента, если это был, например, металл. Для газов использовалась другая методика. После того как элемент интенсивно облучался определенное время нейтронным потоком, его быстро переносили к счетчику Гейгера — Мюллера, расположенному в другой комнате, и регистрировали импульсы счетчика, определяя, радиоактивен элемент или нет. Ферми подверг бомбардировке нейтронами 68 элементов, в том числе фтор, аллюминий, кремний, фосфор, хлор, железо, кобальт, серебро, йод. В первых опытах, естественно, он использовал те же элементы, что и Жолио-Кюри. У 37 элементов Ферми, и его сотрудники, которых он привлек к этим опытам (Э. Амальди, О. Д'Агостино, Ф. Разетти, Б. Понтекорво) надежно обнаружили явление искусственной радиоактивности.

Независимо от Жолио-Кюри Ферми обнаружил, что если па пути нейтронов находится парафин или вода, то, пройдя эти вещества, нейтроны становятся более эффективными «снарядами», и результат бомбардировки в некоторых случаях повышается в 100 раз. Обнаружив это явление, важность которого стала понятна несколько позже, Ферми провел серию опытов для более детального изучения замедления нейтронов. Опыты проводили так: в центре мишени, изготовленной в виде маленького цилиндрика, помещали на определенное время источник нейтронов. Затем мишень помещали у счетчика Гейгера — Мюллера и определяли интенсивность искусственной радиоактивности; этот же опыт повторяли, помещая источник нейтронов и мишень на время облучения в полость в центре парафинового блока. После измерения интенсивности искусственной радиоактивности мишени ученые убеждались, что она гораздо больше, чем в опытах без парафина. Таким образом, было сделано еще одно важное открытие на пути к овладению атомной энергией, а именно показано, что замедление нейтронов повышает их эффективность как бомбардирующих частиц.

Эффект замедления нейтронов часто называют «эффектом Ферми», хотя правильнее было бы называть его «эффектом Жолио — Ферми». Позже свойство парафина, воды, графита замедлять нейтроны сыграло исключительно важную роль в практическом использовании атомной энергии. В ядерных реакторах, построенных под руководством Ферми в США и И.В. Курчатова в СССР, использовался в качестве замедлителя нейтронов графит. В реакторе, созданном Жолио-Кюри, замедлителем нейтронов была тяжелая вода. Но от искусственной радиоактивности до постройки ядерных реакторов необходимо было пройти еще сложный путь, и Ирен и Фредерик Жолио-Кюри были в числе лидеров.

Ферми объяснял эффект замедления нейтронов тем, что содержащиеся в парафине атомы водорода замедляют нейтроны значительно сильнее, чем атомы других элементов. Поскольку массы нейтрона и протона почти одинаковы, при каждом столкновении этих двух частиц их кинетическая энергия распределяется почти поровну. Ферми показал, что нейтрон с энергией 2 миллиона электрон-вольт после двадцати столкновений с атомами водорода теряет свою энергию почти до уровня теплового возбуждения. Поэтому медленные нейтроны называются также тепловыми нейтронами. Оставалось еще объяснить факт, казавшийся парадоксальным, а именно: почему тепловые нейтроны более эффективны для осуществления ядерных реакций, чем быстрые? Этот парадокс был объяснен с помощью квантовой механики.

Пользуясь замедленными нейтронами, Ферми и его сотрудники получили радиоактивные изотопы всех элементов, выбранных для опытов, причем в ряде случаев интенсивность излучения изотопов была больше, чем у радия.

Экспериментальные данные и теоретические соображения позволили Ферми прийти к выводу о существовании трех процессов образования искусственных радиоактивных элементов. Все они начинаются с захвата нейтрона ядром, после чего ядро испускает альфа-частицу или ничего не испускает, но во всех трех случаях образуется новый радиоактивный изотоп. Первые два процесса встречаются чаще при бомбардировке легких ядер, третий — при бомбардировке ядер тяжелых элементов.

В 1934 году в опытах, продолжавшихся в Римском университете, Ферми облучал нейтронами уран. В результате образовывалась смесь нескольких бета-радиоактивных изотопов. Среди них, по мнению Ферми, Разетти и Д'Агостино, должны были находиться элементы с атомными номерами 93 и 94. Они даже назвали эти элементы аусонием и эсперием. Позднее стало ясно, что хотя при бомбардировке урана и тория действительно образуются трансурановые элементы, сообщение Ферми об открытом им первом трансурановом элементе 93 было неверно. По словам Бруно Понтекорво, это была единственная ошибка Ферми в течение его долгой и блестящей исследовательской деятельности.