Чтение онлайн

Мы уже говорили, что образование связанных состояний (планетная система вокруг Солнца, атомы в молекуле, электроны в атоме) можно объяснить как наличием сил притяжения, гравитационных или электрических, так и тем, что, согласно формуле Эйнштейна Е = mс2 (или, точнее, Е = ± mс2, где греческой заглавной буквой — «дельта» обозначается изменение), полная масса связанной системы меньше суммы масс составляющих частей в свободном состоянии. Получаемая энергия связи позволяет вычислить дефект массы при соединении частей системы (надо разделить его на квадрат скорости света). Однако в тех случаях этот дефект масс был столь мал, что его практически трудно или невозможно измерить.

Однако в ядерной физике положение иное: дефект массы нуклонов в ядре может достигать 0,4 % полной массы — это приводит к грандиозной доле выделяемой энергии в некоторых ядерных реакциях. Максимальный дефект массы наблюдается в ядрах с массовым числом в интервале примерно от 30 до 100, и поэтому существуют две принципиально различные возможности выделения внутриядерной энергии: реакции деления тяжелых ядер с большим массовым числом или соединение ядер с малыми массовыми числами (реакции синтеза).

Физически очевидно, что реакции деления осуществить проще: можно думать, что достаточно сообщить ядру избыточную энергию, дав ему поглотить нейтральные частицы, например фотоны или нейтроны, и тем самым «раскачав» его в надежде на последующее самопроизвольное деление. А вот для реакций синтеза нужно, чтобы два ядра слились, преодолев кулоновский барьер. Для этого им нужно придать, по крайней мере, достаточную кинетическую энергию, либо нужно каким-то образом понизить этот барьер.

Первая ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 г., когда облучение атомов азота альфа-частицами радия привело к образованию одного из изотопов кислорода с излучением протона. Следующая реакция (о ней писали выше) была получена Кокрофтом и Уолтоном.

Как мы уже говорили, В. Боте и супруги Жолио-Кюри обнаружили при облучении легких ядер альфа-частицами возникновение какого-то излучения, которое, согласно Чедвику, является потоком нейтронов.

Фредерик Жолио, электроинженер по первоначальному образованию, сконструировал чувствительный детектор с камерой Вильсона для исследования этой проникающей радиации. Вместе с женой, Ирэн Кюри, они сумели приготовить образец с необычайно высокой концентрацией полония и на этой аппаратуре обнаружили то излучение, которое так успешно смог исследовать Чедвик, — фактически они потеряли открытие нейтрона и сопутствовавшее ряду актов излучение позитронов. Но в самом начале 1934 г. супруги Жолио-Кюри начали новый эксперимент. Закрыв отверстие камеры Вильсона тонкой алюминиевой фольгой, они облучали образцы бора и алюминия альфа-частицами. Как и ожидалось, позитроны действительно испускались, но, к удивлению экспериментаторов, эмиссия позитронов продолжалась в течение нескольких минут после того, как убирали полониевый источник.

Таким образом, Жолио-Кюри обнаружили, что в некоторых образцах алюминия и бора возникли новые химические элементы. Более того, эти новые элементы были радиоактивными: алюминий, поглощая два протона и два нейтрона альфа-частиц, превращался в радиоактивный фосфор, а бор — в радиоактивный изотоп азота. Поскольку такие неустойчивые радиоактивные изотопы не встречались в природе, ясно было, что они созданы искусственным путем. (Впоследствии супруги Жолио-Кюри синтезировали большое число новых радиоактивных элементов.)

В 1935 г. Фредерику и Ирен Жолио-Кюри была присуждена Нобелевская премия по химии «за выполненный синтез новых радиоактивных элементов». К. В. Пальмайер, представляя их от имени Шведской королевской академии наук, сказал: «Благодаря вашим открытиям впервые стало возможным искусственное превращение одного элемента в другой, до тех пор неизвестный».

В своей Нобелевской лекции Ф. Жолио отметил: «У нас есть основания полагать, что ученым… удастся осуществить превращения взрывного характера, настоящие химические цепные реакции», которые освободят огромное количество полезной энергии. «Однако если разложение распространится на все элементы нашей планеты. — предупреждал ученый, — то последствия развязывания такого катаклизма могут только вызвать тревогу».

Эти исследования были продолжены Энрико Ферми [26] и его группой в Риме, которая принялась последовательно бомбардировать нейтронами каждый элемент периодической таблицы с целью получить новые радиоактивные изотопы при присоединении нейтронов к ядрам. Первого успеха удалось достичь при бомбардировке фтора, а далее, методично бомбардируя все более тяжелые элементы, Ферми и его группа получили сотни новых радиоактивных изотопов. И самое главное: они показали, что вероятность ядерных процессов возрастает с уменьшением скорости нейтронов — их нужно уметь замедлять, чтобы они не проскакивали мимо ядер, а входили в них (именно за этот метод замедления нейтронов Ферми и была присуждена Нобелевская премия).

Сам Ферми так рассказывал С. Чандрасекару как возникла ключевая идея замедлять нейтроны: «Придя однажды в лабораторию, я подумал, что стоит попробовать посмотреть, что получится, если на пути нейтронного пучка поместить свинец. Свинцовая пластинка была тщательно изготовлена… Но вдруг решил: „Нет, свинец здесь ни к чему, мне нужен парафин". Вот так примерно все и произошло — без глубоких раздумий и тщательного анализа. Я сразу же взял какой-то ненужный кусок парафина и поместил его на место свинцовой пластики». Эта история представляет одну из лучших иллюстраций роли подсознания в научном поиске, в совершении открытия.

В этих работах группа Ферми, сама того не зная, вызвала деление урана, расщепив тяжелое ядро на два или больше осколков и других фрагментов. Но понят этот успех был другими.

Лизе Мейтнер (1878–1968) с 1907 г. работала совместно с Отто Ганом (1879–1968). Вместе и поодиночке они открыли целый ряд радиоактивных изотопов, выяснили свойства радиоактивных семейств, некоторые превращения ядер. Облучая уран нейтронами, они надеялись получить более тяжелые ядра — тогда всех интересовал вопрос о том, кончается ли ураном периодическая система, или могут существовать какие-нибудь трансурановые элементы. У Мейтнер, помимо того, были и пионерские работы по строению атомных ядер. Гонения на евреев, начатые в Германии в 1933 г., ее, как австрийскую подданную, первоначально не затрагивали, но в 1938 г. после аншлюса Австрии ей пришлось, с помощью Гана, бежать в Данию, откуда она перебралась в Швецию.

Ган продолжал работать и в том же 1938 г. получил, вместе со своим ассистентом Фрицем Штрассманом (1902–1980), ошеломляющий результат: в тщательнейшим образом очищенном уране неизвестно откуда появляются примеси, в основном атомы бария. После еще одной очистки их как будто нет, а затем они снова появляются! Отто Ган, в то время опытнейший радиохимик мира, в недоумении: он пишет Лизе Мейтнер, описывает свои опыты, просит совета. Но и Мейтнер нелегко — давит груз опыта и лет (ей и Гану по шестьдесят), да она и не теоретик.

Она пытается привлечь к делу своего племянника Отто Фриша (1904–1979), молодого талантливого физика-теоретика. Фриш, правда, приехал в гости к тетке чтобы отдохнуть, покататься на лыжах и за кем-нибудь поухаживать, но тетка у него настырная, целиком погруженная в научные проблемы, и ловит она его для обсуждений в самых неподходящих местах. А идея, которая ее осенила, — гениальная и совсем неожиданная: она вспомнила, как амеба, которая поглотила достаточно пищи, делится надвое. Так может, атом урана, поглощая какую-то частицу, скорее всего нейтрон, тоже делится на два ядра, масса каждого из которых близка к половине массы урана: поэтому одно из них может быть барием? Отпуск Фриша, конечно, пропал — тетка заставила-таки его обсчитывать свою идею.