Природа помогает ученым
1939 год
18 дней
18 дней отделяют 18 февраля от 30 января. Это новые, И очень важные даты в биографии атома, относящиеся к 1939 г. В эти дни было сделано два научных сообщения. Одно из них, представленное во Французскую академию наук, называлось «Экспериментальное доказательство взрывного расщепления ядер урана и тория под действием нейтронов». Другое сообщение было опубликовано в английском научном журнале «Природа» под названием «Распад урана под действием нейтронов: новый вид ядерной реакции». Автором первого сообщения был Фредерик Жолио-Кюри, авторами второго — немецкие ученые Отто Фриш и Лиза Мейтнер.
И хотя сообщения ученых имели разные названия, в них говорилось об одном и том же: о новом, доселе не известном явлении, происходящем с ядром самого тяжелого в природе элемента — урана. Об этом открытии наш рассказ.
Наблюдения «мальчуганов»
Не удивляйтесь, «мальчуганами» называли группу молодых физиков, образовавшуюся в 1934 г. в Римском университете. В нее входили Сегре, Д’Агостино, Амальди, Разетти, Понтекорво. Возглавлял эту группу Энрико Ферми, будущий великий Ферми, как его потом называли.
Кумиром этих ученых была нейтронная физика. Сколько нового и неизведанного видели они в ней!
Например, облучение элементов нейтронами. Удивительные превращения происходят при этом. Уже было замечено, 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 элементов Менделеева. Это очень интересно.
А что если облучать нейтронами последний элемент — уран? Тогда должен получиться элемент, стоящий уже на 93-м месте. Элемент, которого нет в природе, искусственный элемент! Какой он, как выглядит, как ведет себя? Разве это не заманчиво? Молодым ученым не терпелось это узнать.
Сказано — сделано. Уран облучен 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 поведения урана. Возможно, что появился 93-й элемент, но точных доказательств этому нет. С другой стороны, есть доказательства, что появились какие-то другие элементы. Но какие? Это пока неясно.
Совершенно непонятно!
Физики очень заинтересовались сообщением Энрико Ферми. Заинтересовались этим Ирен и Фредерик Жолио- Кюри. Ирен, имеющая большой опыт по химическим исследованиям, решила точно выяснить, прав ли Ферми, высказывая предположение, что после облучения урана нейтронами в нем появляются какие-то новые радиоактивные элементы.
Она повторила опыты Ферми и тщательно исследовала химический состав кусочка урана. И получила невероятный результат. В уране появился элемент лантан! Откуда он взялся? Ведь до облучения в уране его не было, и это было проверено. И вдруг лантан, элемент, стоящий в середине таблицы Менделеева?!
У Фредерика и Ирен сомнений не было. То, что появился новый элемент, это безусловно. Но почему? Это неясно. Значит, надо продолжать исследования.
Ирен Жолио-Кюри права!
Двое известных немецких физиков Отто Ган и Фридрих Штрассман никак не хотели согласиться с результатами опытов Ирен Жолио-Кюри. Откуда было взяться лантану? Нужно как можно тщательнее проверить опыты Ирен
Жолио-Кюри и доказать ей, что она ошиблась. Так они и решили.
Но произошло невероятное! Когда Ган и Штрассман сделали тщательный химический анализ урана (а они и химиками были отличными) после его облучения нейтронами, то убедились, что в уране появился не только лантан, но и барий. А барий также стоит примерно в середине таблицы Менделеева. Снова загадка. Но пришлось признать, что Ирен Жолио-Кюри права.
Догадка Лизы Мейтнер
Отто Ган.
Ган и Штрассман сообщили о своих наблюденияхв научный журнал. Написали они письмо и известному физику, их другу Лизе Мейтнер. Может быть, она поможет разгадать эту загадку? Лиза Мейтнер в то время была уже немолодой женщиной, известным ученым. С ее мнением считались многие. Но тяжелые жизненные испытания выпали в то время на долю Лизы Мейтнер. Преследуемая германским фашизмом, она была вынуждена бежать из Германии в Данию. В Копенгагене она стала работать вместе с другим знаменитым физиком, Нильсом Бором.
Письмо друзей очень заинтересовало Лизу Мейтнер. Действительно, в чем дело? Ферми, Кюри, Ган, Штрассман — замечательные ученые, превосходные экспериментаторы— не могли ошибаться. В облученном нейтронами уране действительно появляются элементы, имеющие примерно вдвое меньший атомный вес, чем уран.
И у Лизы Мейтнер мелькает догадка. А что если... Нет, это невероятно. Это чудовищно смело и необычно.
Ну, а все-таки? А что, если предположить, что при попадании нейтрона ядро урана разваливается на части?
Скажем, пополам. Ведь тогда можно объяснить появление в уране элементов с весом, примерно вдвое меньшим, чем уран.
Но это так необычно.
Снова и снова Лиза Мейтнер думает над этим. И чем больше думает, тем больше убеждается в том, что иначе и не может быть. Да, несомненно, ядро урана разваливается пополам. А образовавшиеся осколки и являются лантаном и барием.
И Лиза Мейтнер пишет сообщение в английский научный журнал. Опубликовано оно было 18 февраля 1939 г.
Фредерик Жолио-Кюри опережает Лизу Мейтнер
Но сообщение Лизы Мейтнер запоздало на две недели, Вы помните, что после обнаружения лантана в уране Фредерик Жолио-Кюри поставил перед собой задачу разгадать тайну появления этого элемента. Продолжая исследование, он пришел к такому же выводу и экспериментально доказал, что под действием нейтронов ядра урана разваливаются на два осколка. Об этом Жолио-Кюри и сообщил во Французскую академию наук двумя неделями
раньше, чем появилась статья Лизы Мейтнер. Но Фредерик Жолио-Кюри, этот замечательный ученый, шел дальше. Он по-прежнему лидировал на «дорожке исследований».
Это можно заметить, внимательно вчитавшись в заголовки сообщений Лизы Мейтнер и Фредерика Жолио- Кюри.
Прочитайте внимательно. Лиза Мейтнер пишет о распаде урана, а Жолио-Кюри — о взрывном расщеплении ядер урана. Лиза Мейтнер пишет более спокойно, фиксируя только факт деления ядра, а Фредерик Жолио-Кюри пишет более эмоционально, более широко. Он не только фиксирует факт расщепления, но и подчеркивает взрывной характер этого расщепления.
Следовательно, уже только из заголовков сообщений можно сделать вывод о том, что Фредерик Жолио-Кюри шел дальше Лизы Мейтнер в своих исследованиях. Так оно и было в действительности.
Он не только доказал факт деления ядра урана, но и первым пришел к главнейшему, необычайно важному для дальнейшего развития науки об атоме, выводу: при делении ядра урана выделяется огромная энергия! Ядро распадается на два осколка не как-нибудь, потихоньку, а носит характер взрыва. 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.
Это и есть атомная энергия
Еще в 1935 г. при получении Нобелевской премии Фредерик Жолио-Кюри сказал 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, способной быть использованной». Этим словам было суждено сбыться через несколько лет. Но тогда на них никто не обратил внимания: большинство ученых считало, что использование атомной энергии — дело далекого будущего. Даже Резерфорд считал разговоры об этом «вздором». Однако в 1939 г. ученым стало ясно, что они близки к заветной цели. Эффект нагревания куска урана при облучении нейтронами — это и есть искусственно выделенная атомная энергия. Ну, а если все ядра атомов развалятся одновременно? Что произойдет при этом — каждому понятно. Будет колоссальный взрыв. Когда подсчитали эту энергию, то оказалось, что если бы все ядра урана, содержащиеся только в одном грамме урана, разделились, то выделилось бы столько же энергии, сколько выделяется при сжигании нескольких тонн самого лучшего угля!
Но где взять нейтроны?
Когда Фредерик Жолио-Кюри сделал такой расчет, у него просто захватило дух. Действительно, каким неистощимым источником энергии может стать уран. Нужны только нейтроны, много нейтронов. И чтобы каждый нейтрон попал в ядро.
Вот в этом-то и была загвоздка. Все известные ученым источники нейтронов давали их во много миллиардов раз меньше, чем требовалось. Где взять нейтроны? И не мало, а огромное количество.
Но на этот раз природа помогла людям. И эту помощь первым заметил все тот же неутомимый исследователь— Фредерик Жолио-Кюри.
Природа помогает ученым
Сообщение Жолио-Кюри, представленное 30 января во Французскую академию наук, давало ответ и на вопрос о том, откуда взять большое количество нейтронов для деления большой массы урана. Сама природа позаботилась об этом. Фредерик Жолио-Кюри 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 освободятся из ядра два-три новых нейтрона. Эти нейтроны вызовут деление новых ядер урана и т. д. А поскольку деление ядер и освобождение новых нейтронов происходит почти мгновенно, то такой процесс будет происходить очень быстро. При этом выделится колоссальная энергия, которая должна все смести со своего пути.
Такой процесс называется цепным процессом или цепной ядерной реакцией.
Как будто принципиально все просто. Но почему тогда кусок урана, если его облучать нейтронами, не взрывается? На это Фредерик Жолио-Кюри ответить пока не мог. Но и то, что было рассказано им в январском сообщении 1939 г., навеки обессмертило его имя. Стало ясно, что есть возможность для выделения атомной энергии.
«Прометеем науки» назвал французский ученый Поль Ланжевен атомную энергию. Удастся ли ее расковать, вот в чем был вопрос. Какие условия для этого необходимы, с чего нужно начинать? Это оставалось загадкой. Разгадать эту загадку помогли советские ученые.
