Два условия

1940год. Январь. Май

«ЖЭТФ»

Странное слово, не правда ли? Но все объясняется просто. Это начальные буквы слов «Журнал экспериментальной и теоретической физики». Внешне это не очень заметный журнал. Серая обложка, никаких украшений. Внутри журнал сплошь заполнен формулами, схемами, вычислениями. Журнал рассчитан на неширокий круг читателей — только специалистов-физиков.

Но, как говорится, не красна изба углами, а красна пирогами. И вот такие «пироги» и появились в январском и майском выпусках журнала «ЖЭТФ» за 1940 г.

Это были статьи двух видных советских ученых—Я. Зельдовича и Ю. Харитона. Назывались они: «О цепном распаде урана под действием медленных нейтронов» и «Кинетика цепного распада урана».

Советская школа физиков

Прежде чем говорить об этих статьях, как о новом этапе в биографии атома, заглянем немного в прошлое.

Тяжелое наследство досталось советским ученым от царской России. Империалистическая война, разорительная гражданская война, иностранная интервенция, период восстановления народного хозяйства — трудные были годы. Но даже в это время советское правительство делало все возможное для обеспечения работы физиков. Владимир Ильич Ленин внимательно следил за работой советских ученых и всемерно помогал им. Несмотря на трудности, недостаток самых элементарных приборов и материалов, советские физики постепенно разворачивали работы по исследованию тайн атома.

Исследованиями в области ядерной физики занимались ныне всемирно известный академик Д. Скобельцын, Д. Иваненко, о котором мы уже упоминали, и другие ученые. Наиболее талантливые молодые физики посылались за границу для изучения опыта иностранных ученых по овладению тайнами атома. Так, например, к знаменитому английскому ученому Резерфорду в 20-х годах были посланы Ю. Харитон, Л. Капица, А. Лейпунский. Сейчас они видные советские ученые, академики.

Начались годы пятилеток. По всей стране сооружались новые заводы, фабрики, институты, новые лаборатории. В высших учебных заведениях стали готовить все больше и больше специалистов по физике, в том числе и по ядерной физике. В лаборатории и научно-исследовательские инсти туты начало поступать первоклассное электронное и электрическое оборудование, необходимое для ядерных исследований. Начали проводиться научные съезды и конференции, на которых зачитывались доклады советских ученых об открытых ими явлениях ядерной физики. К научным сообщениям советских ученых-ядерщиков все больше и больше прислушивались видные иностранные ученые.

Группа советских ученых-физиков в лаборатории (1934 г.). Слева направо: Фок, Гуревич, Курчатов, крайний справа — Скобельцын.

На одном из научных заседаний. Справа налево: Фок, Алиханов,Курчатов.

Забота советского правительства о нуждах науки не замедлила сказаться. 1932 год принес теоретическое обоснование нейтронно-протонной структуры атомных ядер. Это сделал Дмитрий Иваненко.

Исследования с нейтронами интенсивно стали проводиться и советскими учеными. Их тоже интересовал замечательный металл нашего века — уран. Они внимательно следили за работами Резерфорда, Ферми, Гана, Штрассмана, Мейтнер, Жолио-Кюри. И не только следили, но и активно участвовали в экспериментальных и теоретических исследованиях.

Таким образом, в предвоенные годы в Советском Союзе образовалась отечественная школа опытных физиков-ядерщиков. Вот несколько имен видных советских ученых: Иоффе, Скобельцын, Капица, Фок, Иваненко, Мысовский, Курчатов, Зельдович, Харитон, Лейпунский, Флёров, Петржак, Векслер, Черенков, Тамм, Ландау, Алиханов. Ими был сделан ряд важных исследований, значительно обогативших знания ученых о мире атомов.

Советская школа физиков была способна самостоятельно разрешать важные и сложные проблемы, стоящие перед ядерной физикой. Как мы узнаем потом, они это успешно доказали. Советские ученые видели в атомной энергии великую силу технического прогресса. Огромное количество энергии, заключенное в атомном ядре, позволило бы создать новые, невиданные источники энергии. А такие источники энергии крайне нужны быстро развивающемуся народному хозяйству СССР.

Поэтому цепная реакция деления ядер урана, при которой освобождается огромное количество энергии, и была предметом пристального внимания советских физиков.

Два условия

Теперь вернемся к статьям, опубликованным в советском научном журнале «ЖЭТФ».

В этих статьях двое замечательных советских ученых теоретически обосновали возможность осуществления цепной реакции деления. Фредерик Жолио-Кюри, обнаружив вылет нескольких нейтронов из делящегося ядра урана, сразу пришел к выводу, что именно эти нейтроны и помогут осуществить цепной процесс. Но какие должны быть условия для того, чтобы начался такой процесс?

Статьи Зельдовича и Харитона давали ответ на этот вопрос. Авторы статей в заключение писали: «Можно думать... что, создавая большую массу металлического урана либо... обогащая уран изотопом 235, окажется возможным создание условий цепного распада урана... причем это приведет к развитию ядерной реакции».

Разберем это утверждение. Во-первых, почему нужна большая масса металлического урана? Ведь ядра урана делятся одинаково независимо от того, в каком куске урана они находятся — большом или малом. Но, оказывается, для цепной реакции это не все равно. Вспомним, какие соображения были у Жолио-Кюри. В ядро урана попал нейтрон, и ядро развалилось на две части. Одновременно вылетело два-три нейтрона. Эти нейтроны могут попасть в новые ядра и вызвать их деление. Тогда освобождаются новые нейтроны и т. д. В том случае, когда число получаемых вновь нейтронов не убывает со временем, идет, как говорят, цепная реакция. Основным условием для протекания такой реакции должно быть то, чтобы определенная доля освобождающихся нейтронов обязательно попала в другие ядра урана.

Ну, а если эти нейтроны вылетят наружу из куска урана, не попав в новые ядра? (Ведь они не имеют заряда и свободно проходят сквозь вещество; только прямое попадание нейтрона в ядро вызовет его деление.) Каждому понятно, что в таком случае цепная реакция не пойдет. А что нужно сделать? Зельдович и Харитон установили две возможности поддержания цепной реакции. Первая — нужно увеличить размеры куска урана, чтобы возросла вероятность попадания освободившихся нейтронов в новые ядра. Ведь чем большее расстояние пролетят нейтроны в уране, тем больше шансов, что они попадут в цель, тем меньше вероятность того, что нейтроны будут бесполезно улетать наружу. По мере увеличения размеров куска урана увеличивается доля нейтронов, поглощаемых в уране, пока наконец не создадутся необходимые условия для возникновения цепной реакции. Такой минимальный размер куска урана, при котором осуществляется цепная реакция, называется критическим.

Это один путь осуществления цепной реакции. Но есть еще и другой путь, о котором также говорилось в статье. Этот путь — обогащение урана изотопом 235.

Что это значит? Здесь нужно рассказать об изотопах урана. Мы уже знаем, что изотопами называются ядра атомов, которые имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. У природного урана два изотопа. В ядре одного 235 нейтронов и протонов, в ядре другого—238, т. е. на три нейтрона больше. Но в природном уране ядер первого изотопа в 140 раз меньше, чем второго. А он-то оказывается самым полезным для цепной реакции. И вот почему.

Этот изотоп обладает удивительным свойством. Он жадно поглощает нейтроны. Гораздо сильнее, чем изотоп 238. Стоит только нейтрону приблизиться к ядру изотопа 235, как почти наверняка нейтрон поглотится ядром и ядро тут же развалится, освобождая новые нейтроны. А изотоп 238 ведет себя гораздо пассивнее. Он нехотя поглощает нейтроны и при определенных условиях даже не делится. Просто поглотит нейтрон и превратится в другой элемент. Потом мы увидим, что это тоже очень полезное свойство, но для развития цепной реакции оно не требуется.

Значит, было бы очень хорошо, если бы ядер изотопа 235 было побольше, а ядер изотопа 238 поменьше. Если «жадных» по отношению к нейтронам ядер будет больше, значит, больше будет и делений и, следовательно, больше будет новых нейтронов. Тогда не нужно сильно увеличивать размеры куска урана, чтобы уменьшить потерю нейтронов, т. е их вылет наружу.

Следовательно, для осуществления цепной реакции главное — увеличить число попаданий нейтронов в ядра урана. А уж как это сделать — путем ли увеличения размеров куска урана или путем увеличения в уране количества «жадных» ядер изотопа 235—не так важно.

Это и был основной вывод статей Зельдовича и Харитона. «Подобный процесс,— писали они,— мог бы представлять значительный интерес, так как теплота ядерной реакции деления урана в пятьдесят миллионов раз превышает теплотворную способность угля; распространенность и стоимость урана вполне допустила бы осуществление некоторых применений урана».

Сила научного предвидения двух талантливых советских ученых позволила им записать и такие слова: «Несмотря на всю трудность путей, можно ожидать в ближайшее время попыток осуществления процесса».

Такая попытка была предпринята очень скоро. И она увенчалась блестящим успехом. Всего через два года, в 1942 г., цепная реакция была осуществлена. Это сделал итальянец Энрико Ферми.

Об этом мы и хотим рассказать. Но прежде чем рассказывать о том, что сделал Энрико Ферми, мы должны рассказать еще об одном очень важном факте в биографии атома. Речь пойдет об открытии, сделанном двумя другими советскими учеными — К. А. Петржаком и Г. Н. Флёровым. Это открытие имеет непосредственное отношение к тому, чего добился Энрико Ферми в 1942 г.