Париже. Ган вернулся в Берлин. До недавнего времени в течение почти тридцати
лет он работал вместе с замечательной женщиной-физиком Луизой Майтнер и
химиком Фридрихом Штрассманом.
Теперь они остались вдвоем. Луиза Майтнер была еврейкой. Немецкие
антисемитские законы в первые годы после прихода Гитлера к власти не
коснулись ее только потому, что она имела австрийское подданство. Когда
Австрия пала, Майтнер, ученая с мировым именем, вынуждена была, как за
несколько лет до этого Эйнштейн, бежать из Германии.
На некоторое время она обосновалась в Стокгольме. Туда и заехал к ней
работавший у Нильса Бора в Копенгагене ее племянник, известный физик Отто
Фриш. И как раз в эти дни Майтнер получила письмо от своих берлинских друзей.
Ган и Штрассман с поистене немецкой скурпулезностью повторили опыты Ирен
Жолио-Кюри и Савича и вне всякого сомнения обнаружили латан. И не только
латан: в продуктах радиоактивного распада урана оказался и 56-й элемент -
барий.
Майтнер первая догадалась, в чем дело. Ядро урана, вместо того чтобы
избавится от неустойчивости, выбрасывая несколько лишних частиц, как "делали"
до него все ядра и оно само при естественной радиоактивности, на сей раз
разделилось на крупные осколки. Этими осколками были ядра латана и бария!
Фриш срочно вернулся в Копенгаген, чтобы проверить догадку опытом. Майтнер не
имела возможности экспериментировать, она вела лишь расчеты.
Фриш немедленно поставил в известность об открытии своего учителя Нильса
Бора. В середине февраля 1939 года Бор поехал в США и рассказал об открытии
деления урана на лекции в Пристанском университете. В тот же день об этом
узнал Ферми. После вручения ему Нобелевской премии Ферми решил не
возвращаться в фашистскую Италию и переехал в США.
Майтнер и Фриш тем временем направили в английский журнал "Нейчур"
("Природа") письмо о своем открытии. Их заметка появилась в журнале 18
февраля 1939 года. Но уже 30 января 1939 года Фредерик Жолио-Кюри представил
в "Труды Парижской академии наук" статью, под названием "Взрывное расщепление
ядер урана и тория под воздействием нейтронов".
В ней он смог экспериментально доказать деление ядер урана. А еще через три
недели он же первый увидел замечательную реакцию. На девятьсот второй
фотографии, снятой в камере Вильсона, наполненной газообразным скоплением
урана, четко вырисовывался след нового ядра, возникшего при делении ядра
урана.
Широкие исследования нового явления начались и в Советском Союзе. В
Ленинграде, в Радиевом институте, ими руководил крупнейший ученый Виталий
Григорьевич Хлопин. Замечательный теоретик Яков Ильич Френкель разработал
первую теорию деления атомных ядер. А еще спустя несколько месяцев молодые
советские физики Георгий Николаевич Флеров и Константин Антонович Петржак,
руководствуясь работами Френкеля, достигли нового успеха. Они открыли, что
ядра урана могут делится на крупные части даже без бомбардировок нейтронами -
сами по себе, настолько они не устойчивы.
Конечно, не надо понимать эту неустойчивость как поголовный распад всех
урановых ядер за короткое время. Вероятность такого самопроизвольного деления
уранового ядра - величина совершенно ничтожная. Но даже в небольшом кусочке
урана ядер столь много, что каждый час несколько из них разваливаются на
осколки.
Американского физика Луиса Альвареса, известие об опубликованной Ганом и
Штрассером статье застало в одно январское утро 1939 года в кресле
парикмахера. Он спокойно просматривал газету, как вдруг ему бросился в глаза
скромный заголовок: «Атом урана разделен на две половины».
Через мгновение к изумлению парикмахера и посетителей, ожидавших очереди,
странный клиент выбежал из парикмахерской, наполовину подстриженный, с
салфеткой, туго завязанной вокруг шеи и развевающейся на ветру. Не обращая
внимания на удивленных прохожих, физик мчался в лабораторию Калифорнийского
университета, где он работал, чтобы сообщить о потрясающей новости своим
коллегам. Те поначалу были ошарашены весьма оригинальным видом размахивающего
газетой Альвареса, но, когда услышали о сенсационном открытии, тотчас же
забыли о его необычной прическе.
Да, это была подлинная сенсация в науке. Но Жолио-Кюри установил и другой
важнейший факт: распад уранового ядра носит характер взрыва, при котором
образующиеся осколки разлетаются в стороны с огромной скоростью. Пока
удавалось расколоть лишь отдельные ядра, энергия осколков только нагревала
кусок урана. Если же число делений будет велико, то при этом выделится
огромное количество энергии.
Но где раздобыть такое количество нейтронов, чтобы одновременно
бомбардировать ими большое число ядер урана? Ведь известные ученым источники
нейтронов давали их во много миллиардов раз меньше, чем требовалось. На
помощь пришла сама природа. Жолио-Кюри обнаружил, что при делении ядра урана
из него вылетает несколько нейтронов. Попав в ядра соседних атомов, они
должны привести к новому распаду— начнется так называемая цепная реакция. А
поскольку эти процессы длятся миллионные доли секунды, сразу выделится
колоссальная энергия — неизбежен взрыв. Казалось бы, все ясно. Но ведь куски
урана уже не раз облучали нейтронами, а они при этом не взрывались, т. е.
цепная реакция не возникала. Видимо, нужны еще какие-то условия. Какие же? На
этот вопрос Фредерик Жолио-Кюри ответить пока не мог.
И все же ответ был найден. Нашли его в том же 1939 году молодые советские
ученые Я. Б. Зельдович и Ю. Б. Харитон. В своих работах они установили, что
есть два пути развития цепной ядерной реакции. Первый — нужно увеличить
размеры куска урана, так как при облучении маленького куска многие
выделившиеся вновь нейтроны могут вылететь из него, не встретив на своем пути
ни одного ядра. С ростом массы урана вероятность попадания нейтрона в цель,
естественно, возрастает.
Есть и другой путь: обогащение урана изотопом 235. Дело в том, что природный
уран имеет два основных изотопа, атомный вес которых равен 238 и 235. В ядре
первого из них, на долю которого приходится в 140 раз больше атомов, имеется
на три нейтрона больше. «Бедный» нейтронами уран-235 жадно их поглощает —
гораздо сильней, чем его «зажиточный» брат, который даже не делится на части,
а превращается в другой элемент. Это свойство изотопа ученые в дальнейшем
использовали для получения искусственных трансурановых элементов. Для цепной
же реакции равнодушие урана-238 к нейтронам оказывается губительным: процесс
чахнет, не успев набрать силу. Зато чем больше в уране «жадных» до нейтронов
атомов изотопа 235, тем энергичнее пойдет реакция.
Но, чтобы начался процесс, нужен еще и первый нейтрон — та «спичка», которая
должна вызвать атомный «пожар». Конечно, для этой цели можно воспользоваться
обычными нейтронными источниками, которые ученые и ранее применяли в своих
исследованиях, — не очень удобно, но можно. А нет ли более подходящей
«спички»?
Есть. Ее нашли другие советские ученые К. А. Петржак и Отто Ган Н. Флеров.
Исследуя в 1939—1940 годах поведение урана, они пришли к выводу, что ядра
этого элемента способны распадаться самопроизвольно. Это подтвердили
результаты опытов, проведенных ими в одной из ленинградских лабораторий. Но,
может быть, уран распадался не сам, а, например, под действием космических
лучей: ведь Земля непрерывно находится под их обстрелом. Значит, опыты нужно
повторить глубоко под землей, куда не проникают эти космические гости.
Посоветовавшись с крупнейшим советским ученым-атомником И. В. Курчатовым,
молодые исследователи решили провести эксперименты на какой-нибудь станции
Московского метрополитена. В Наркомате путей сообщения это не встретило
препятствий, и вскоре в кабинет начальника станции метро «Динамо»,
находившейся на глубине 50 метров, на плечах научных работников была
доставлена аппаратура, которая весила около трех тонн.
Как всегда, мимо проходили голубые поезда, тысячи пассажиров спускались и
поднимались по эскалатору, и никто из них не предполагал, что где-то совсем
рядом ведутся опыты, значение которых трудно переоценить. И вот, наконец,
получены результаты, аналогичные тем, которые наблюдались в Ленинграде.
Сомнения не было: ядрам урана присущ самопроизвольный распад. Чтобы заметить
его, нужно было проявить незаурядное экспериментаторское мастерство: за 1 час
из каждых 60 000 000 000 000 атомов урана распадается лишь один. Поистине —
капля в море!
К. А. Петржак и Отто Ган Н. Флеров вписали заключительную страницу в ту часть
биографии урана, которая предшествовавала проведению первой в мире цепной
реакции. Ее осуществил 2 декабря 1942 года Энрико Ферми.
В конце 30-х годов Ферми, как и многие другие крупные ученые, спасаясь от
фашизма, вынужден был эмигрировать в Америку. Здесь он намеревался продолжить
свои важнейшие эксперименты. Но для этого требовалось немало денег. Нужно
было убедить американское правительство в том, что опыты Ферми позволят
получить мощное атомное оружие, которое можно будет использовать для борьбы с
фашизмом. Эту миссию взял на себя Альберт Эйнштейн. Он пишет письмо
президенту США Франклину Рузвельту, которое начинается словами: «Сэр!
Последняя работа Э. Ферми и Л. Сцилларда, с которой я ознакомился в рукописи,
позволяет надеяться, что элемент уран в ближайшем будущем может быть
превращен в новый важный источник энергии...». В письме ученый призывал
правительство начать финансирование работ по исследованию урана. Учитывая
огромный авторитет Эйнштейна и серьезность международной обстановки, Рузвельт
дал свое согласие.
В конце 1941 года жители Чикаго могли заметить царившее на территории одного
из стадионов необычное оживление, которое не имело к спорту ни малейшего
отношения. К воротам его то и дело подъезжали машины с грузом. Многочисленная
охрана не разрешала посторонним даже приближаться к ограде стадиона. Здесь,
на теннисных кортах, расположенных под западной трибуной, Энрико Ферми
готовил свой опаснейший эксперимент — осуществление контролируемой цепной
реакции деления ядер урана. Работы по сооружению первого в мире ядерного
реактора велись днем и ночью в течение года.
Наступило утро 2 декабря 1942 года. Всю ночь ученые не смыкали глаз, снова и
снова проверяя расчеты. Шутка ли сказать: стадион находится в самом центре
многомиллионного города, и хотя расчеты убеждали в том, что реакция в атомном
котле будет замедленной, т. е. не будет носить взрывного характера, рисковать
жизнью сотен тысяч людей никто не имел права. День уже давно начался, пора
было завтракать, но об этом все забыли — не терпелось как можно скорее
приступить к штурму атома. Однако Ферми не торопится: надо дать уставшим
людям отдохнуть, нужна разрядка, чтобы затем снова все тщательно взвесить и
обдумать. Осторожность и еще раз осторожность. И вот, когда все ждали команду
начать эксперимент, Ферми произнес свою знаменитую фразу, вошедшую в историю
покорения атома, — всего два слова: «Идемте-ка завтракать!».
Завтрак позади, все вновь на своих местах — опыт начинается. Взгляды ученых
прикованы к приборам. Томительны минуты ожидания. И, наконец, счетчики
нейтронов защелкали, как пулеметы. Они словно захлебывались от огромного
количества нейтронов, не успевая их считать. Цепная реакция началась. Это
произошло в 15 часов 25 минут по чикагскому времени. Атомному огню позволили
гореть 28 минут, а затем по команде Ферми цепная реакция была прекращена.
Как мы видим, такое важное в науке событие, как открытие расщепления урана,
трудно назвать внезапным – многие учёные того времени тщательно работали над
этой проблемой и события декабря 1938 года можно считать совокупным
достижением научной мысли того времени.
2. Реакции деления тяжёлых элементов
Данная реакция наиболее специфична для ЯР. Схематично эту реакцию можно
представить так:
Общая схема реакции деления атомного ядра:
n
A1 gоск
n A A+1 g
мгн b
u
n n A2 gоск
b
n u
Под действием нейтрона ядро тяжелого элемента делится на две части (осколка)
отношение масс которых обычно (для часто используемых элементов) близко к
95/140. Нуклиды, которые делятся нейтронами - это тяжелые нуклиды. Некоторые из
них делятся тепловыми нейтронами: U235, Pu239, Pu
241 (в природе встречается только U235, содержание которого в
естественном U238 составляет 0.714%). Другие нуклиды, например,
естественный уран, делятся только быстрыми нейтронами. Вообще говоря, процесс
не протекает по строгой схеме, поскольку существует много вариантов деления на
различные осколки.
Энергетический баланс реакции деления
Рассмотрим энергетический баланс реакции деления.
Пусть Eнач = 0.025 эВ - средняя энергия теплового движения при 20
0 С. Тогда Eвыдел= 200 МэВ.
| продукт реакции | вид получаемой энергии | E, МэВ |
| Кинетическая энергия осколков | тепло | 167 |
| Кинетическая энергия g | тепло | 6 |
| Кинетическая энергия n | тепло | 5 |
| Кинетическая энергия b | тепло | 8 |
| Кинетическая энергия u | энергия теряется | 12 |
Сечение деления.
Зависимость sf(E) имеет достаточно сложный вид, поскольку на кривую E
-1/2 накладывается много резонансов. Если бы характер этой зависимости
описывался формулой sf(E) = E-1/2, то график зависимости
f(E) = sf E1/2 для U235 в области тепловых
нейтронов, имел вид прямой, параллельной оси абсцисс. Однако на
практике эта зависимость имеет резонанс в точке E = 0,3 эВ.
Образование нейтронов
Как видно из приведенной выше схемы, при реакции деления кроме новых ядер могут
появляться g-кванты, b-частицы распада, g-кванты распада, нейтроны деления и
нейтрино. С точки зрения цепной ядерной реакции наиболее важным является
образование нейтронов. Среднее число появившихся в результате реакции деления
нейтронов обозначают uf . Эта величина зависит от массового числа
делящегося ядра и энергии взаимодействующего с ним нейтрона. образовавшиеся
нейтроны обладают различной энергией (обычно от 0,5 до 15 МэВ), что
характеризуется спектром нейтронов деления. Для U235 среднее
значение энергии нейтронов деления равно 1.93 МэВ.
В процессе ядерной реакции могут появляться как ядра способствующие
поддержанию цепной реакции (те которые испускают запаздывающий нейтрон), так
и ядра, оказывающие неблагоприятное воздействие на ее ход (если они обладают
большим сечением радиационного захвата).
Запаздывающие нейтроны
Заканчивая рассмотрение реакции деления, нельзя не упомянуть о таком важном
явлении как запаздывающие нейтроны. Те нейтроны, которые образуются не
непосредственно при делении тяжелых нуклидов (мгновенные нейтроны), а в
результате распада осколков называются запаздывающими нейтронами.
Характеристики запаздывающих нейтронов зависят от природы осколков. Обычно
