Цепная реакция идей

Объясняя образование нового элемента, принятого за трансурановый, Ферми исходил из классического розерфордовского механизма искусственных ядерных реакций, известного в то время. В ядерных реакциях, осуществленных Резерфордом в течение нескольких лет (с 1919 года), ядра при столкновении с альфа-частицами испускали одну или несколько частиц и превращались в ядра других элементов, находящихся в соседних клетках таблицы Д.И. Менделеева. Ферми считал, что при бомбардировке нейтронами ядро урана поглощает медленный нейтрон и становится сверхтяжелым неустойчивым ядром изотопа урана, ранее неизвестного в природе. Это неустойчивое ядро изотопа урана испускает бета-частицу и в соответствии с законом Содди и Фаянса превращается в новый элемент с порядковым номером 93.

Как ни парадоксально, но ошибка Ферми сыграла положительную роль в дальнейшем развитии ядерной физики, которое в конце концов привело к открытию реакции деления урана и, следовательно, вплотную приблизило физиков к овладению атомной энергией.

Ирен Жолио-Кюри решила проверить правильность утверждения Ферми об открытии им 93-го элемента. Вместе с Павле Савичем она исследовала вещество, принятое Ферми за новый трансурановый элемент, и показала, что оно обладает свойствами лантана. Это открытие предвещало сенсацию в физике, а именно установление того факта, что существуют ядерные реакции, при которых ядро «раскалывается» на два приблизительно равных по массе осколка. Теперь каждый знает, что такая реакция называется реакцией деления и именно она лежит в основе использования атомной энергии.

В 1938 году на конгрессе Национального химического объединения в Риме Фредерик Жолио-Кюри встретил немецкого ученого Отто Гана и рассказал ему об опытах Ирен и Павле Савича. По этому поводу профессор Ган сказал Фредерику примерно следующее: «Я очень восхищен вашей женой и очень дружелюбно отношусь к ней. И все же я решил повторить ее опыты и надеюсь в скором времени показать, что она ошиблась». Знаменитому немецкому радиохимику, ученику Резерфорда, казалось маловероятным, что при бомбардировке нейтронами урана в результате ядерной реакции получается лантан.

Возвратившись в Берлин, Отто Ган вместе с Лизе Мейтнер, а позднее с Фрицем Штрассманом занялся проверкой опытов Ирен Жолио-Кюри. Пользуясь методикой Ферми и Жолио-Кюри, Отто Ган с сотрудниками Института химии Кайзера Вильгельма в Берлине облучал уран потоком нейтронов и исследовал продукты, получающиеся при ядерной реакции. Исследователи с удивлением обнаружили среди этих продуктов не только лантан, подмеченный Ирен Жолио-Кюри, но и барий, т.е. другой элемент средней части таблицы Д.И. Менделеева.

Но прежде чем рассказать о последствиях экспериментов Ирен Жолио-Кюри, которые привели к открытию цепной реакции деления урана и значительно приблизили возможность создания ядерного реактора, напомним о том, что в продуктах деления урана действительно были также и трансурановые элементы; однако их обнаружили через несколько лет после опытов Ферми, о которых шла речь. В 1940 и 1941 годах были получены первые трансурановые элементы: нептуний и плутоний с порядковыми номерами 93 и 94. В течение последующих лет физики и радиохимики открыли еще около десятка других трансуранов — америций, кюрий, берклий, калифорний и другие. Методы выделения новых трансурановых элементов основаны на бомбардировке мишеней различными частицами. Так, кюрий и калифорнии получали облучением нейтронами плутония и америция в ядерном реакторе.

Отто Ган и Фриц Штрассман вскоре после своих опытов, проведенных для проверки открытия Ирен Жолио-Кюри и Павле Савича, высказали предположение о том, что ядро урана при бомбардировке нейтронами может раскалываться на два радиоактивных осколка, примерно одинаковых по массе.

Статья Гана и Штрассмана была в январе 1939 года получена Жолио-Кюри. Она подтвердила правильность опытов Ирен Жолио-Кюри и свидетельствовала о существовании нового типа ядерных реакций. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри обсудили результаты опытов Гана и Штрассмана, и тут же Фредерик высказал исключительно важную мысль о том, что количество нейтронов, испускаемых при бомбардировке урана, должно превышать количество нейтронов, осуществляющих раскалывание ядер урана.

Ирен и Фредерик Жолио-Кюри выполнили некоторые опыты и произвели теоретические расчеты, не оставляющие уже сомнения в существовании нового процесса расщепления урана на осколки. При этом процессе выделяется примерно в 100 раз больше энергии, чем при ранее уже известных ядерных реакциях, вызываемых бомбардировкой элементов альфа-частицами. Можно считать, что Ирен и Фредерик Жолио-Кюри первыми экспериментально обнаружили существование нового процесса расщепления ядер. Сразу вслед за ними Лизе Мейтнер и ее племянник Отто Фриш в Копенгагене точно доказали это. Фриш назвал этот процесс делением ядер по аналогии с делением клеток, термином, широко распространенным в биологии. С развитием ядерных реакторов уран, торий, плутоний и некоторые другие природные и искусственные радиоактивные элементы, применяющиеся в качестве ядерного горючего, получили название делящихся материалов.

Опыты Фредерика и Ирен Жолио-Кюри, выполненные тотчас же после получения статьи Гана и Штрассмана, с очевидностью доказали способность ядер урана к раскалыванию. Они имели исключительно большое значение для последующего развития ядерной физики, особенно в ее практическом аспекте, но тем не менее еще недостаточно приблизили к решению проблемы практического освобождения и использования того громадного количества энергии, которое таится в недрах вещества, т.е. в ядрах атомов.

Все дело было в масштабах. При раскалывании ядра действительно освобождается огромная энергия, которую легко подсчитать по известной формуле Эйнштейна; но масштаб процесса, происходящего в одном ядре, ничтожно мал. Для того чтобы реально «ощутить» эту энергию, необходимо вызвать деление огромного количества ядер урана и притом почти одновременно. Это удалось осуществить только позднее после того, как был открыт цепной процесс деления урана.

В конце 1938 года А.Ф. Иоффе получил от Фредерика Жолио-Кюри письмо, в котором французский ученый сообщал об открытии принципиально нового вида ядерной реакции — под действием нейтронов ядро урана распадается на два радиоактивных осколка.

В первой своей информации об исследовании вторичных нейтронов, опубликованном в 1939 году, Фредерик Жолио-Кюри и его сотрудники Ганс Хальбан и Лев Коварский сообщили, что среднее число вторичных нейтронов, возникающих при делении ядер урана, бомбардируемых замедленными нейтронами, равно приблизительно двум для каждого акта деления.

Теперь широко известный коэффициент К — коэффициент воспроизводства нейтронов, применяющийся во многих расчетах, в частности в атомной технике, представляет собой величину, очень близкую к 250 вторичным нейтронам на 100 единичных актов деления, т.е. около 2,5 нейтрона на каждый акт деления ядра урана. Эта величина выражает среднее число вторичных нейтронов, испускаемых при делении. Долгое время коэффициент К был одним из строжайше охраняемых военных секретов. Однако в результате широко развернувшихся исследований вторичных нейтронов физики в разных странах, используя в общем сходные опыты, находили эту «секретную» величину.

Предположение, что вторичные нейтроны быстрые, нуждалось в точной экспериментальной проверке. Фредерик Жолио-Кюри с сотрудниками провел очень интересные опыты, подтвердившие эту гипотезу. Радий-бериллиевый источник нейтронов окружали кристаллами урановой соли — уранилнитрата и всю систему помещали в центре большого сосуда с сероуглеродом, в котором предварительно растворяли 200 миллиграммов фосфора. Под влиянием быстрых нейтронов создавался радиоактивный изотоп фосфора, который извлекали через шесть дней и подвергали проверке с помощью счетчика Гейгера — Мюллера. Оказалось, что, когда опыт производили без уранил-нитрата, фосфор, облученный нейтронами радий-бериллиевого источника, оказывался в 6 раз менее активным, чем в опытах с уранилнитратом. Это привело исследователей к выводу, что уранилнитрат способствует образованию в системе дополнительного количества нейтронов, воздействующих на фосфор вместе с нейтронами радий-бериллиевого источника. Отсюда следовало единственно возможное заключение: под действием быстрых нейтронов происходит не только ядерная реакция в фосфоре, но и реакция деления ядер урана с образованием вторичных нейтронов.