Взорвать атом

Взорвать атом

Разумеется, наибольший интерес «мальчуганов» вызывал процесс удивительных превращений вещества. Они уже знали, что если облучать элементы нейтронами, то в результате поглощения нейтронов ядрами одного элемента, как правило, получаются ядра другого элемента, стоящего на одну клеточку дальше в таблице Менделеева. А что, если облучать нейтронами последний известный элемент – уран? Тогда должен получиться элемент, стоящий в таблице Менделеева на 93-м месте (через много лет его назвали нептунием). Это будет элемент, которого нет в природе, – искусственный элемент! Какой он? Как выглядит? Как ведет себя? Молодым ученым не терпелось узнать.

«Мальчуганы» начали облучать уран нейтронами. Как и следовало ожидать, он приобрел искусственную радиоактивность. Но эта радиоактивность была какая-то странная: после облучения в уране появился не один элемент, как ожидалось, а по крайней мере десяток. И Энрико Ферми, пославший сообщение об этом в научный журнал, писал, что здесь налицо какая-то загадка. Возможно, появился 93-й элемент, но точных доказательств этому нет. С другой стороны, есть доказательства, что появились какие-то другие элементы. Но какие?

Сообщество физиков заинтересовалось сообщением Ферми. Ирен Жолио-Кюри, имеющая большой опыт химических исследований, взялась точно выяснить, прав ли итальянский коллега. Она повторила опыты и тщательно исследовала химический состав кусочка урана. И получила невероятный результат. В уране появился лантан – элемент, стоящий в середине таблицы Менделеева!

Двое известных немецких физиков, Отто Ган и Фриц Штрассман, не захотели согласиться с результатами опытов Ирен Жолио-Кюри. Они провели контрольную серию экспериментов и убедились, что в уране появился не только лантан, но и барий. А ведь барий также стоит примерно в середине таблицы Менделеева. Снова загадка!

Ган и Штрассман сообщили о своих наблюдениях научному сообществу, а также написали письмо известному австрийскому радиохимику Лизе Мейтнер, с которой находились в хороших отношениях. Лиза Мейтнер, эмигрировавшая в Швецию после аншлюса Австрии, взялась решить проблему. В работе ей помогал племянник – физик-экспериментатор Отто Фриш. Она предположила, что при попадании нейтрона ядро урана разваливается на части: только так можно было объяснить появление в уране элементов с весом, примерно вдвое меньшим, чем уран. Свои соображения Мейтнер опубликовала 18 февраля 1939 года в виде заметки с заголовком «Распад урана под воздействием нейтронов: новый вид ядерной реакции».

Однако сообщение Лизы Мейтнер запоздало на две недели. 30 января Фредерик Жолио-Кюри представил в «Труды Парижской академии наук» обширную статью «Экспериментальное доказательство взрывного расщепления ядер урана и тория под воздействием нейтронов». Продолжая исследования лантана, Жолио-Кюри пришел к выводам, аналогичным тем, что сделали Мейтнер и Фриш, и показал, что под ударом нейтронов ядра урана разваливаются на два осколка. При этом знаменитый французский физик двинулся еще дальше, что легко заметить, сравнив заголовки опубликованных сообщений. Лиза Мейтнер писала о «распаде урана», а Жолио-Кюри – о «взрывном расщеплении ядер урана». Француз не только доказал факт деления ядра урана, но и первым сделал главный и необычайно важный для дальнейшего развития атомной физики вывод: при делении ядра урана освобождается энергия! Ядро распадается на два осколка взрывообразно. Осколки деления с необыкновенной скоростью разлетаются в разные стороны. Их огромная энергия постепенно распределяется между соседними ядрами, и весь кусок урана нагревается. А если число таких делений велико, то и выделяющаяся в результате торможения этих осколков тепловая энергия будет огромной.

Еще в 1935 году, получая Нобелевскую премию, Фредерик Жолио-Кюри произнес прозорливые слова:

Мы вправе сказать, что искатели, создавая или расщепляя по своей воле элементы, смогут осуществить настоящие цепные реакции взрывного типа и перерождение элементов. Если такое перерождение распространится, можно предвидеть огромное освобождение энергии, которую можно использовать.

В то время на пророчество француза не обратили внимания. Большинство физиков считало, что использование атомной энергии – дело отдаленного будущего. Даже Эрнест Резерфорд считал разговоры об этом вздором. Однако в начале 1939 года передовым ученым стало ясно, что они близки к заветной цели. Нагревание куска урана при облучении нейтронами – это и есть искусственно выделенная атомная энергия.

Вскоре выяснилось, что в ходе деления урана (термин «деление» стал официальным по предложению американского ученого Уильяма Арнольда, работавшего в Дании) высвобождается на порядок больше энергии, чем в ходе других ядерных реакций, известных в то время.

А что, если все ядра атомов развалятся одновременно? Значит, будет колоссальный взрыв – вроде тех, которые описывают фантасты в своих романах о войнах будущего.

Чтобы объяснить, какую энергию можно выделить из урана, обычно приводят следующее сравнение. При сгорании одного грамма древесины выделяется 0,0018 кВт·ч. Такого количества энергии достаточно, чтобы лампочка мощностью 100 Вт горела одну минуту. Если сжечь один грамм каменного угля, то энергии выделится в два раза больше – 0,0037 кВт·ч, и ее хватит, чтобы уже две стоваттные лампочки горели в течение одной минуты. При «сгорании» одного грамма уранового топлива выделяется 20 000 кВт·ч, и такого количества энергии хватит для освещения в течение часа города с населением 60 тысяч жителей. Как видите, числа несопоставимы.

Но где взять нейтроны для бомбардировки атомов урана? И как добиться более высокой эффективности процесса, то есть обеспечить большее количество попаданий нейтронов в ядра?

И снова лидером в этих исследованиях стал Фредерик Жолио-Кюри. Он заметил, что в тот момент, когда ядро урана разваливается на два осколка, из него вылетают новые нейтроны! Правда, немного, но все-таки больше, чем расходовалось на деление ядер. Тогда сразу стал ясен вопрос о принципиальном пути выделения внутриатомной энергии. Нейтрон, попавший в ядро атома урана, вызовет его деление. При этом из ядра освободятся два-три новых нейтрона. Эти нейтроны вызовут деление новых ядер урана и так далее. А поскольку деление ядер и освобождение новых нейтронов происходит почти мгновенно, то и процесс будет протекать быстро. Такой процесс назвали «цепным процессом» или «цепной ядерной реакцией».

Кажется, что принципиально все просто. Но почему тогда кусок урана при бомбардировке нейтронами не взрывается? На этот вопрос Фредерик Жолио-Кюри в то время ответить не мог. Путь к атомному взрыву открыли другие люди.