Атомный проект. История сверхоружия - Антон Первушин

Сообщением заинтересовался английский физик Джеймс Чедвик, работавший в лаборатории Резерфорда в Кембридже. Он сразу начал ставить опыты, и через пять недель, 27 февраля 1932 года, сообщил о результатах. Чедвик заявил, что излучение Боте-Беккера – совсем не электромагнитные волны, а новый вид элементарных частиц, который не имеет электрического заряда. Гипотетические нейтроны были наконец-то открыты.

Теперь стало понятным, почему они свободно проходят сквозь толстые слои веществ: электрические заряды ядра и электронные оболочки атомов на них не действуют. Следовательно, они свободно проходят сквозь атом. Масса нейтрона оказалась примерно равна массе протона. Ученые разгадали старую загадку и, больше того, получили в свои руки снаряд, которым могли гораздо эффективнее обстреливать атом.

В том же знаменательном году советский физик Дмитрий Иваненко и, независимо от него, немецкий физик Вернер Гейзенберг разработали протон-нейтронную модель атомного ядра. Все оказалось на своем месте. Стал понятен атомный вес элемента: он определяется суммой нейтронов и протонов в ядре атома. Гелий стоит на втором месте в таблице Менделеева. Значит, в его ядре два протона. Но атом гелия в четыре раза тяжелее атома водорода, и его атомный вес равен четырем. Значит, в его ядре, кроме двух протонов, имеются еще два нейтрона, масса которых примерно такая же, как и масса протонов. Расчеты и наблюдения сошлись! Стало понятно и странное поведение бериллия. Альфа-частицы при попадании в его ядра выбивали из них нейтроны: эти нейтроны и были замечены учеными как «бериллиевое» излучение.

Ядерные превращения

Пауза в развитии ядерной физики завершилась триумфом. По меткому выражению Резерфорда, начался «бег на стартовой дорожке исследований». И лидировали в этом стремительном «беге» Фредерик и Ирен Жолио-Кюри, которые продолжали работу в Институте радия под руководством всемирно известной Марии Склодовской-Кюри.

Всё больше и больше статей о нейтронах стало появляться во французских научных журналах в период с 1932 по 1934 год. Супруги Жолио-Кюри точно измерили массу нейтрона, изучили условия, при которых возникает нейтронное излучение. И наконец, 15 декабря 1934 года они представили во Французскую академию наук доклад о еще одном сенсационном открытии.

Однажды Фредерик и Ирен Жолио-Кюри работали с полонием. В ходе эксперимента на пути лучей, испускаемых полонием, нужно было поставить тонкую алюминиевую пластинку, чтобы отсеять альфа-лучи. Пластинку поставили. Как и следовало ожидать, альфа-лучи (протоны) задерживались пластинкой, а бета-лучи (электроны) проходили сквозь нее. Затем полониевый источник убрали. Но что происходит? Излучение продолжается – алюминиевая пластинка сама стала радиоактивной! Пока супруги-физики размышляли над непонятным явлением, излучение алюминия прекратилось. Опыт повторили. И опять из алюминия возникало излучение, которое пропадало через несколько минут. Что же происходит с алюминием? Почему он начинает сам излучать радиацию, а затем перестает?

Супруги пришли к выводу, что излучение действует на атомы алюминия так, что они становятся радиоактивными. Но только на несколько минут, а не на тысячи лет, как атомы радия, урана, тория, полония и других естественных радиоактивных элементов. Но каков механизм возникновения радиоактивности? И супруги Жолио-Кюри делают смелое предположение: при захвате альфа-частиц ядрами алюминия происходит ядерная реакция, в результате которой эти ядра сами делаются способными испускать радиоактивное излучение. Но раз ядро поглотило альфа-частицу, то оно уже не является ядром атома алюминия, а становится ядром другого элемента – фосфора.

Предположение требует доказательств. Супруги Жолио-Кюри попросили химиков рекомендовать им такой способ обнаружения фосфора в веществе, чтобы его присутствие можно было обнаружить в течение нескольких минут. Но те только разводили руками: как делать настолько молниеносный анализ, они не знали. Пришлось разрабатывать такой способ самим. Супруги научились менее чем за три минуты определять присутствие фосфора и доказали, что радиоактивные ядра, возникающие в алюминии, действительно являются ядрами атомов фосфора.

Затем физики сделали еще один шаг: они сумели показать, что под действием альфа-частиц из ядер атомов алюминия образуются не встречающиеся в природе ядра атомов фосфора – новый «радиоактивный изотоп» фосфора. Количество искусственно полученных атомов изотопа фосфора в результате радиоактивного распада уменьшалось вдвое примерно через каждые три минуты, и излучение довольно быстро прекращалось.

Сделанное открытие чрезвычайно заинтересовало Фредерика и Ирен Жолио-Кюри. Они решили выяснить: а нельзя ли создать радиоактивные изотопы других элементов? И у них получилось! Стало ясно, что радиоактивные изотопы элементов, никогда не существовавшие в природе, могут быть созданы руками человека. Доклад об этой работе был представлен 15 января 1934 года.

Уже через год после открытия искусственной радиоактивности учеными было получено более пятидесяти радиоактивных изотопов. Они стали широко использоваться для исследований в области ядерной физике. По желанию можно было получить изотопы, испускающие различные виды излучений: нейтроны, альфа-, бета– и гамма-излучение, – причем любой интенсивности и с различными энергиями испускаемых частиц.

Золотые рыбки

В 1934 году в Римском университете собралась группа молодых и амбициозных физиков, которых прозвали «мальчуганами». Возглавил ее Энрико Ферми.

Группа плотно занялась нейтронной физикой. Двое «мальчуганов», Бруно Понтекорво и Эдоардо Амальди, бомбардируя нейтронами различные материалы и замеряя искусственную радиоактивность, обнаружили большую странность. Оказывается, величина приобретенной веществами радиоактивности зависела от того, какие предметы находились рядом с облучаемым материалом. Когда облучаемый образец находился в свинцовом ящике, то у него наблюдалась гораздо меньшая радиоактивность, чем у него же во время облучения на деревянном столе. Энрико Ферми этот факт сразу навел на серьезные размышления. Но пока ученый предпочитал о них не рассказывать. Он только посоветовал коллегам поместить облучаемый образец в парафин и посмотреть, что получится.

Они так и поступили. Взяли кусок парафина, выдолбили в нем ямку, а в нее поместили облучаемый образец – серебряный стаканчик, внутри которого находился источник нейтронов. После облучения проверили радиоактивность серебряного стаканчика. Произошло чудо: парафин в сто раз увеличил радиоактивность стаканчика!

Опыт убедил Энрико Ферми в правильности его догадки. Когда быстрый нейтрон сталкивается с ядром, то его поведение после столкновения сильно зависит от того, с каким ядром он столкнулся – легким или тяжелым. Если ядро тяжелое, то нейтрон ударится о него, как о неподвижную стенку, и отскочит почти с той же энергией, какую имел до столкновения, – примерно как бильярдный шар, ударившийся о бортик. Если же ядро легкое, то нейтрон передаст ему часть своей энергии. Чем легче ядро, тем больше энергии потеряет нейтрон.

Предельный случай – когда ядро имеет массу, равную массе нейтрона. Например, ядро атомов водорода, которое содержит единственный протон. Его масса примерно равна массе нейтрона. Ударившись о такое ядро, нейтрон может потерять всю свою энергию. Опять вспомним бильярдные шары: при лобовом столкновении двух одинаковых шаров налетающий шар останавливается, а другой отскакивает со скоростью налетевшего на него шара. А что происходит, если нейтрон пролетает через вещество с меньшей скоростью? Тогда он с большей вероятностью может быть захвачен каким-либо ядром. Ведь время нахождения нейтрона вблизи ядра при уменьшении скорости увеличивается, и, следовательно, увеличивается время взаимодействия между ними. Значит, чем легче ядра атомов вещества, тем большее количество пролетающих через него нейтронов потеряет энергию и будет захвачено ядрами. И тем больше будет радиоактивность облучаемого вещества.

Поэтому и наблюдались странные явления в опытах «мальчуганов». Когда облучаемый образец находился в свинцовом ящике, то нейтроны, ударяясь о ядра атомов свинца, почти не изменяли своей энергии. А если образец помещали на деревянный стол, то дерево, содержащее много легких ядер водорода и углерода, сильно замедляло и рассеивало нейтроны. Некоторые из них после нескольких соударений возвращались назад уже сильно замедленными. Они-то и захватывались ядрами атомов серебра, что увеличивало его радиоактивность. В парафине еще больше атомов водорода, поэтому, как и ожидал Ферми, радиоактивность серебра, облученного в парафине, оказалась еще выше.

Впрочем, физик захотел дополнительно убедиться в правильности своей теории. Для проверки «мальчуганы» выбрали бассейн с золотыми рыбками, находившийся рядом с лабораторией. По теории Ферми, вода, содержащая много водорода, должна еще лучше замедлять нейтроны. Опять провели опыт с серебряным стаканчиком. И что же? Радиоактивность серебра возросла еще больше. Теперь сомнений не было – поведением нейтронов можно управлять, используя вещества с разным атомным весом. Так было открыто явление замедления нейтронов.