Цепная реакция идей - Федор Кедров

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.

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.