Содержание Введение 1. Цепь открытий 2. Реакции деления тяжёлых элементов 3. Отто Ган в истории науки Заключение Литература
Введение
В настоящее время существование атомной бомбы и атомных электростанций стало привычным и не вызывает удивленеия. А ведь все открытия в ядерной физике произошли за последние 100 с небольшим лет. За это время успело произойти достаточно событий для того, чтобы атом многократно успел преквратиться из "бога" в "мамонну" и обратно. И далеко не последнюю роль в этом сыграло открытие, сделанное в 1938 году в Германии учёными Отто Ганом и Фрицем Штрассером. Но перед тем, как перенестись в то неспокойное время, когда Европа готова была заполыхать пожарами войны, стоит вернуться в чуть более ранние годы и посмотреть на события, которые привели к возможности сделанного Отто Ганом и Фрицем Штрассером открытия. Первые шаги атомной науки были робкими, часто случайными, никто из ученых не представлял тогда последствий, значимости своих работ, носивших отвлеченный характер, не связанный с практическим применением. Только в конце тридцатых годов стало прорисовываться то страшное будущее, к которому приведут их открытия. В 1896 году французский ученый Анри Беккерель исследовал соли урана, что было обычной повседневной работой. Обнаруженные неизвестные свойства тщательно проверялись, а затем публиковались в научных журналах, о наиболее важных делались сообщения в Академии. Однажды после своих занятий в лаборатории Беккерель совершенно случайно оставил образец урановой соли на фотографической пластинке, завернутой в светонепроницаемую бумагу. Каково же было его удивление, когда, проявив пластинку,он обнаружил на ней темное пятно. Он повторил опыт и получил тот же результат там, где лежала соль урана, пластинка оказалась засвеченной. Неведомые лучи проникали сквозь непрозрачную бумагу наподобие лучей, открытых немецким ученым Вильгельмом Рентгеном годом ранее. Но лучи рентгена испускал специальный аппарат с помощью электрического тока, а здесь нечто подобное исходило от химического вещества. Сообщение в Академии наук о своем открытии Беккерель сделал 23 ноября 1896 года. Оно чрезвычайно заинтересовало ученых и многие из них, повторив опыт, начали собственные исследования непонятного явления, которое впоследствии Мария Кюри назовет радиоактивностью. Мария Склодовская родилась в Варшаве в 1867 году, окончила там гимназию,а в 1891 году уехала в Париж и стала студенткой Сорбонны. В 1895 году она выходит замуж за молодого французского ученого Пьера Кюри и начинает работать в его лаборатории в институте Физики и Химии. Начав с опыта Беккереля, талантливая ученая устанавливает, что излучение урановых солей это проявление неизвестных пока свойств урана. Затем она замечает, что радиоактивность разнообразных соединений урана значительно отличаются по интенсивности. Она полагает, что некоторые соединения урана могут содержать примеси неизвестного элемента, отличного от урана. Супруги Кюри начинают напряженную совместную работу в поисках незнакомца. Их труд увенчался блестящим успехом. В декабре 1898 года они открыли неизвестный элемент радий почти в 1000 раз более радиоактивный, чем уран. В 1900 году Пьер Кюри опубликовал работу о влиянии магнитного поля на излучение радия. Оказалось, что в магнитном поле излучение расщепляется на три луча: с положительным электрическим зарядом, отрицательным зарядом, третий луч нейтрален. Позднее их назвали альфа, бета и гамма-лучи. Альфа- лучи оказались потоком положительно заряженных ядер гелия, называемых иначе альфа-частицами, бета-лучи явились потоком электронов, а гамма-лучи представляли собою электромагнитные колебания наподобие рентгеновских лучей, именно они были способны проникать через слои различных материалов, в том числе через металлы. Большим успехом Марии Кюри было выделение чистого радия в количистве достаточном для определения атомного веса. В дальнейшем радия стало хватать не только для своих опытов, но и для передачи другим ученым. В 1906 году в дорожном происшествии погиб Пьер Кюри. После смерти мужа Мария продолжала дальнейшие исследования радия, вела широкую общественную жизнь. В 1926 году она становится почетным членом академии наук СССР. Радием она занималась до последних дней и умерла от его излучений. А теперь заглянем в Англию, в лабораторию выдающегося физика Эрнста Розерфорда. В 1911 году ученый предложил свою модель устройства атома, которая напоминала солнечную систему. В центре атома он представил ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, а вокруг ядра вращаются легкие по сравнению с ядром частицы. Эта модель еще не была подтверждена опытом, являлась гипотезой, но она помогла ученым более правильно направить свои исследования, быстрее добиваться результатов. В 1919 году Эрнст Розерфорд осуществил первую в мире ядерную реакцию. Он бомбардировал ядра азота альфа-частицами и превратил их в ядра кислорода, при этом альфа-частица (ядро гелия) расщепилась, половина ее была захвачена ядром азота, а другая половина стала ядром водорода. Этот блестящий эксперимент впервые показал, что атом делим, более того, атомы могут в определенных условиях разрушаться, превращаться в другие атомы. Ученые многих стран старались повторить и расширить результаты добытые Резерфордом, но прошло долгих 13 лет, прежде чем в физике атомного ядра произошло следующее выдающееся открытие. 27 февраля 1932 года английский физик Джеймс Чедвик, работая в Кембридже в лаборатории Резерфорда, открыл нейтрон, существование которого давно предсказывал Резерфорд. Чедвик работал на самой совершенной аппаратуре. Лаборатории Резерфорда оказывали значительную финансовую поддержку крупные английские и иностранные фирмы. Большинство других ученых обходились самодельными приборами и аппаратурой или заказывали их ремесленникам. Нейтроны стали новым объектом всестороннего изучения, они позволили предсказать, обосновать, а затем и осуществить цепную ядерную реакцию. Крупный успех выпал в 1934 году на долю итальянского ученого Энрико Ферми в Риме. Бомбардируя различные мишени нейтронами, он открыл явление состоящее в том, что нейтроны с большей вероятностью вступают в ядерную реакцию, если они предварительно замедляют скорость своего движения, проходя через слой воды или парафина. В дальнейшем это открытие использовалось при осуществлении управляемых ядерных реакций в реакторах целевого и ядерного назначения. В том же 1934 году французские физики Ирен и Фредерик Жолио-Кюри открыли искуственную (наведенную) радиоактивность. Они облучали алюминиевую фольгу радием и заметили, что после облучения, фальга становится радиоактивной. Это сулило большие сложности в освоении и использовании атомной энергии: конструктивные материалы, из которых создавались ядерные установки, после облучения, особенно нейтронного, становились радиоактивными, что затрудняло дальнейшие работы по ремонту и обслуживанию оборудования, ибо люди в таких случаях нуждались в надежной биологической защите. В 1935 году канадский доктор наук Артур Демпстер обнаружил наличие двух изотопов урана: уран-235 и уран-238. Оказалось, что в природном уране большинство составляет уран-238, а урана-235 содержится всего около 0,7%. Вот, наконец, мы и вплотную приблизились к тем событиям, результатом которых стало открытие расщепления атомного ядра.
1. Цепь открытий
Прежде, чем переходить к вопросу об открытии расщепления урана, необходимо дать небольшой обзор предшествующих событий. Трудно сказать, какое имя дал бы немецкий ученый Мартин Клапрот открытому в 1789 году элементу, если бы за несколько лет до этого не произошло событие, взволновавшее все круги общества: в 1781 году английский астроном Вильям Гершель, наблюдая с помощью самодельного телескопа звездное небо, обнаружил светящееся облачко, которое он поначалу принял за комету, но в дальнейшем убедился, что видит новую, неизвестную дотоле седьмую планету солнечной системы. В честь древнегреческого бога неба Гершель назвал ее Ураном. Находившийся под впечатлением этого события, Клапрот дал новорожденному элементу имя новой планеты. Спустя примерно полвека, в 1841 году, французский химик Эжен Пелиго сумел впервые получить металлический уран. Промышленный мир остался равнодушным к тяжелому, сравнительно мягкому металлу, каким оказался уран. Его механические и химические свойства не привлекли ни металлургов, ни машиностроителей. Лишь стеклодувы Богемии да саксонские мастера фарфоровых и фаянсовых дел охотно применяли окись этого металла, чтобы придать бокалам красивый желто-зеленый цвет или украсить блюда затейливым бархатно-черным узором. О «художественных способностях» урановых соединений знали еще древние римляне. При раскопках, проведенных близ Неаполя, удалось найти стеклянную мозаичную фреску удивительной красоты. Археологи были поражены: за два тысячелетия стекла почти не потускнели. Когда образцы стекол подвергли химическому анализу, оказалось, что в них присутствует окись урана, которой мозаика и была обязана своим долголетием. Но, если окислы и соли урана занимались «общественно полезным трудом», то сам металл в чистом виде почти никого не интересовал. Даже ученые, и те были лишь весьма поверхностно знакомы с этим элементом. Сведения о нем были скудны, а порой совершенно неправильны. Так, считалось, что его атомный вес равен приблизительно 120. Когда Д. И. Менделеев создавал свою Периодическую систему, эта величина путала ему все карты: уран по своим свойствам никак не хотел вписываться в ту клетку таблицы, которая была «забронирована» за элементом с этим атомным весом. И тогда ученый, вопреки мнению многих своих коллег, решил принять новое значение атомного веса урана — 240 и перенес элемент в конец таблицы. Жизнь подтвердила правоту великого химика: атомный вес урана 238,03. Но гений Д. И. Менделеева проявился не только в этом. Еще в 1872 году когда большинство ученых считало уран на фоне многих ценных элементов своего рода «балластом», создатель Периодической системы сумел предвидеть его поистине блестящее будущее: «Между всеми известными химическими элементами уран выделяется тем, что обладает наивысшим атомным весом... Наивысшая, из известных, концентрация массы весомого вещества, существующая в уране,... должна влечь за собою выдающиеся особенности... Убежденный в том, что исследование урана, начиная с его природных источников, поведет еще ко многим новым открытиям, я смело рекомендую тем, кто ищет предметов для новых исследований, особо тщательно заниматься урановыми соединениями». Предсказание великого ученого сбылось менее чем через четверть века: в 1896 году французский физик Анри Беккерель, проводя эксперименты с солями урана, совершил открытие, которое по праву относится к величайшим научным открытиям, когда-либо сделанным человеком. Вот как это произошло. Беккерель давно интересовался явлением фосфоресценции (т. е. свечения), присущей некоторым веществам. Однажды ученый решил воспользоваться для своих опытов одной из солей урана, которую химики называют двойным сульфатом уранила и калия. На обернутую черной бумагой фотопластинку он поместил вырезанную из металла узорчатую фигуру, покрытую слоем урановой соли, и выставил ее на яркий солнечный свет, чтобы фосфоресценция была как можно более интенсивной. Через четыре часа Беккерель проявил пластинку и увидел на ней отчетливый силуэт металлической фигуры. Еще и еще раз повторил он свои опыты — результат был тот же. И вот 24 февраля 1896 года на заседаний французской Академии наук ученый доложил, что у такого фосфоресцирующего вещества, как двойной сульфат уранила и калия, выставленного на свет, наблюдается невидимое излучение, которое проходит через черную непрозрачную бумагу и восстанавливает соли серебра на фотопластинке. В это же время французскому химику Анри Муассану удалось разработать способ получения чистого металлического урана. Беккерель попросил у Муассана немного уранового порошка и установил, что излучение чистого урана значительно интенсивнее, чем его соединений, причем это свойство урана оставалось неизменным при самых различных условиях опытов, в частности при сильном нагревании и при охлаждении до низких температур. С публикацией новых данных Беккерель не спешил: он ждал, когда Муассан сообщит о своих весьма интересных исследованиях. К этому обязывала научная этика. И вот 23 ноября 1896 года на заседании Академии наук Муассан сделал доклад о работах по получению чистого урана, а Беккерель рассказал о новом свойстве, присущем этому элементу, которое заключалось в самопроизвольном делении ядер его атомов. Это свойство было названо радиоактивностью. Естественно, что теперь уран приковал к себе внимание ученых. Вместе с тем их интересовал и такой вопрос: только ли урану присуща радиоактивность? Быть может, в природе существуют и другие элементы, обладающие этим свойством? Ответ на этот вопрос смогли дать супруги Пьер Кюри и Мария Складовская- Кюри. С помощью прибора, сконструированного мужем, Мария Кюри исследовала огромное количество металлов, минералов, солей. Работа велась в неимоверно тяжелых условиях. Лабораторией служил заброшенный деревянный сарай, который супруги подыскали в одном из парижских дворов. «Это был барак из досок, с асфальтовым полом и стеклянной крышей, плохо защищавшей от дождя, без всяких приспособлений, — вспоминала впоследствии М. Кюри. — В нем были только старые деревянные столы, чугунная печь, не дававшая достаточно тепла, и классная доска, которой так любил пользоваться Пьер. Там не было вытяжных шкафов для опытов с вредными газами, поэтому приходилось делать эти операции на дворе, когда позволяла погода, или же в помещении при открытых окнах». Много проблем возникало и с получением нужных материалов. Урановая руда, например, была очень дорогой, и купить на свои скромные средства достаточное количество ее супруги Кюри не могли. Они решили обратиться к австрийскому правительству с просьбой продать им по невысокой цене отходы этой руды, из которой в Австрии извлекали уран, используемый в виде солей для окрашивания стекла и фарфора. Ученых поддержала венская Академия наук, и несколько тонн отходов было доставлено в их парижскую лабораторию. Мария Кюри работала с необыкновенным упорством. Изучение разнообразных материалов подтверждало правоту Беккереля, считавшего, что радиоактивность чистого урана больше любых его соединений. Об этом говорили результаты сотен опытов. Но Мария Кюри подвергала исследованиям все новые и новые вещества. И вдруг... Неожиданность! Два урановых минерала — хальколит и смоляная руда Богемии — гораздо активнее действовали на прибор, чем уран. Вывод напрашивался сам собой: в них содержится какой-то неизвестный элемент, характеризующийся еще более высокой способностью к радиоактивному распаду. В честь Польши — родины М. Кюри — супруги назвали его полонием. Снова за работу, снова титанический труд — и еще победа: открыт элемент, в сотни раз превосходящий по радиоактивности уран. Этот элемент ученые назвали радием, что по-латыни означает «луч». Открытие радия в какой-то мере отвлекло научную общественность от урана. В течение примерно сорока лет он не очень волновал умы ученых, да и инженерная мысль редко баловала его своим вниманием. В начале 1939 года появились два научных сообщения. Первое, направленное во французскую Академию наук Фредериком Жолио-Кюри, было озаглавлено «Экспериментальное доказательство взрывного расщепления ядер урана и тория под действием нейтронов». Второе сообщение— его авторами были немецкие физики Отто Фриш и Лиза Мейтнер — опубликовал английский журнал «Природа»; оно называлось: «Распад урана под действием нейтронов: новый вид ядерной реакции». И там, и там речь шла о новом, доселе неизвестном явлении, происходящем с ядром самого тяжелого элемента — урана. Еще за несколько лет до этого ураном всерьез заинтересовались «мальчуганы» — именно так дружелюбно называли группу молодых талантливых физиков, работавших под руководством Энрико Ферми в Римском университете. Увлечением этих ученых была нейтронная физика, таившая в себе много нового, неизведанного. Было обнаружено, что при облучении нейтронами, как правило, ядра одного элемента превращаются в ядра другого, занимающего следующую клетку в Периодической системе. А если облучить нейтронами последний, 92-й элемент — уран? Тогда должен образоваться элемент, стоящий уже на 93-м месте — элемент, который не смогла создать даже природа. Идея понравилась «мальчуганам». Еще бы, разве не заманчиво узнать, что собой представляет искусственный элемент, как он выглядит, как ведет себя? Итак — уран облучен. Но что произошло? В уране появился не один радиоактивный элемент, как ожидалось, а по меньшей мере десяток. Налицо была какая-то загадка в поведении урана. Энрико Ферми направляет сообщение об этом в один из научных журналов. Возможно, считает он, образовался 93-й элемент, но точных доказательств этого нет. Но, с другой стороны, есть доказательства, что в облученном уране присутствуют какие-то другие элементы. Но какие? Опыты Ферми с облучением ядер урана нейтронами спустя несколько лет были продолжены во Франции и Германии.
В 1938 году Ирен Жолио-Кюри вместе с ее учеником-югославом Павле Савичем, пытаясь установить химические свойства 93-го элемента… не нашли этого элемента. Вместо него в уране, облученном нейтронами, оказался почему- то латан, 57 элемент периодической системы. Это было невероятно, хотя все новые химические анализы подтверждали присутствие латана. Французские исследователи долго ломали голову над загадочным явлением латана, но так и не смогли решить загадку. Фредерик Жолио-Кюри в 1938 году поехал в Рим на конгресс итальянского химического объединения и, познакомившись там с крупным немецким химиком Отто Ганом, рассказал ему о работах своей жены и Савича.
Ган не поверил, но Жолио-Кюри убедил его повторить опыты, проведенные в 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 (оск n A A+1 (мгн ( ( n n A2 (оск
( n ( 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, Pu241 (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 200 С. Тогда Eвыдел= 200 МэВ.
|продукт реакции |вид получаемой энергии|E, МэВ | |Кинетическая энергия осколков |тепло |167 | |Кинетическая энергия ( |тепло |6 | |Кинетическая энергия n |тепло |5 | |Кинетическая энергия ( |тепло |8 | |Кинетическая энергия ( |энергия теряется |12 |
Сечение деления. Зависимость (f(E) имеет достаточно сложный вид, поскольку на кривую E- 1/2 накладывается много резонансов. Если бы характер этой зависимости описывался формулой (f(E) = E-1/2, то график зависимости f(E) = (f 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 (-кванты, (-частицы распада, (-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 (f . 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 запаздывающие нейтроны делят на 6 групп по следующим параметрам: T - среднее время жизни осколков, (i - доля запаздывающих нейтронов среди всех нейтронов деления, (i/( - относительная доля запаздывающих нейтронов данной группы, E - кинетическая энергия запаздывающих нейтронов. В следующей таблице приведены характеристики запаздывающих нейтронов при делении U235
В целом: Nзап / (Nзап + Nмгн) = ( = 0.0065; Tзап ( 13 сек.; Tмгн ( 0.001 сек. На этом мы закончим рассмотрение реакции деления ядер и перейдем к изучению цепной реакции деления и жизненного цикла нейтронов.
Возможность цепной реакции В результате деления ядра появляется в среднем 2.5 нейтрона. Поэтому можно организовать цепную реакцию деления, при которой новые нейтроны, в свою очередь активируют реакцию деления ядер топлива. Однако помимо реакции деления всегда присутствуют конкурирующая реакция радиационного захвата и утечка нейтронов из активной зоны реактора. В состав АЗ всегда входят теплоноситель, конструкционные материалы и замедлитель, которые увеличивают захват нейтронов. Таким образом мы приходим к необходимости изучения того, при каких условиях возможна цепная реакция деления в ЯР на тепловых нейтронах (именно такие реакторы обычно применяются для энергетических целей). Нужно отметить, что мы будем рассматривать реакторы, использующие естественный U238, обогащенный U235. Кроме того для простоты будем считать, что активная зона реактора - бесконечная и гомогенная.
Основные характеристики цепной реакции Рассмотрим соотношения, характеризующие протекание цепной реакции деления.
Коэффициент размножения на быстрых нейтронах Пусть в среде есть N быстрых нейтронов, они будут взаимодействовать с ядрами среды, в том числе и с ядрами U238, те из них которые имеют энергию выше порога деления (1 МэВ) могут вызывать деление урана и образование новых быстрых нейтронов. При этом их энергия будет меньше порога деления. Коэффициент размножения на быстрых нейтронах ( - число нейтронов ушедших под порог деления U238 на один быстрый нейтрон (появившийся в результате деления ядер U235). Ясно, что величина ( тем больше, чем больше доля U238 в топливе. Можно оценить, что (max = 1.35 (если доля U238 равна 100%). Для тепловых реакторов ( = 1.01 - 1.03.
Вероятность избежать радиационного захвата Пусть в среде есть N нейтронов, энергия которых меньше порога деления U238. За счет рассеяния но ядрах среды они теряют свою энергию и попадают в область энергии, в которой находятся гигантские резонансы сечения захвата U238. Введем величину ( - вероятность избежать радиационного захвата. ( тем больше, чем быстрее нейтронам в процессе замедления удастся преодолеть резонансную область. ( уменьшается при увеличении доли ядер U238 в среде. В гомогенном реакторе ( ( 0.65, а в гетерогенном ( ( 0.93.
Коэффициент теплового использования Пусть в среде есть N тепловых нейтронов, тогда в процессе диффузии часть из них захватится в топливе. Обозначим долю захваченных в топливе нейтронов (. Ясно, что коэффициент теплового использования можно увеличить, используя гетерогенную структуру активной зоны реактора.
Количество испускаемых U235 быстрых нейтронов Пусть в топливе поглотилось N тепловых нейтронов. Ясно, что не всякое поглощение приводит к делению и испусканию новых быстрых нейтронов. Введем величину (тэф равную количеству вторичных нейтронов деления на один тепловой нейтрон, поглощенный в топливе. Ясно, что (тэф тем больше, чем выше доля U235 в топливе.
Жизненный цикл нейтронов Рассмотрим жизненный цикл нейтронов в тепловом ЯР, активная зона которого бесконечна и гомогенна. Пусть на некотором этапе цепной реакции в рассматриваемой среде присутствует N1 быстрых нейтронов деления 1 поколения. За счет взаимодействия с ядрами U238 под порог деления этих ядер (1 МэВ) уйдет ( N1 нейтронов (( - коэффициент размножения на быстрых нейтронах). В результате рассеяния на ядрах среды эти нейтроны будут замедляться и попадут в область промежуточных энергий. Миновать эту область, избежав поглощения ядрами U238 удастся ( ( N1 нейтронам (( - вероятность избежать радиационного захвата). Часть из этих нейтронах, которые теперь стали тепловыми, захватится в топливе. Количество захваченных в топливе нейтронов будет равно ( ( ( N1 (( - коэффициент теплового использования). Некоторые из нейтронов, захваченных в топливе инициируют деление ядер U235 и появление новых быстрых нейтронов. Количество нейтронов второго поколения N2 = (тэф ( ( ( N1.
Итак, мы видим, что реакция действительно является самоподдерживающейся и циклической. Можно вывести коэффициент размножения нейтронов в бесконечной гомогенной среде: K( = Ni+1/Ni = (тэф ( ( ( - формула 4-х сомножителей. Для конечных сред можно ввести коэффициент Kэф = (тэф ( ( ( P, где P - вероятность избежать утечки.
На этом рассмотрение физических основ протекания цепной ядерной реакции в ЯР можно завершить. Используя описанную цепную ядерную реакцию, можно переводить энергию из формы энергии связи частиц в ядре в кинетическую энергию движения частиц, то есть в тепло. Как уже отмечалось ранее основную трудность представляет собой не организация цепной реакции, а получение чистых делящихся веществ и другие технические и технологические нюансы ядерной энергетики.
3. Отто Ган в истории науки Немецкий химик Отто Ган родился во Франкфурте-на-Майне и был одним из трех сыновей Генриха Гана, стекольщика, и Шарлотты Гизе (в девичестве Штуцман) Ган, которая имела еще одного сына от первого брака. После получения начального образования в Клингерском реальном училище Отто Ган по желанию родителей, которые хотели, чтобы он стал архитектором, поступил в Технический университет. Убедившись, что ему больше нравится химия, он перевелся в Марбургский университет. По прошествии года он переходит в Мюнхенский университет по профилю физической и неорганической химии, зоологии и искусства. Для получения докторской степени он возвращается в Марбург, где в 1901 г. и получает искомую степень. После года военной службы в 81-м пехотном полку во Франкфурте он возвращается к академической деятельности, став помощником лектора в Марбургском университете. Для совершенствования в английском языке, в котором он нуждался для получения должности в промышленной сфере, Отто Ган провел часть 1904 г. в лаборатории Уильяма Рамзая в Университетском колледже в Лондоне. Получив задание выделить чистый радий из руды карбоната бария, Отто Ган открыл новые радиоактивные фрагменты химического элемента тория, один из которых он назвал радиоторием. Молодой химик произвел благоприятное впечатление на Рамзая, и он рекомендовал его Эмилю Фишеру, директору Химического института при Берлинском университете. Фишер согласился принять Отто Ган на работу сразу же после его возвращения из Канады, где в Монреале в Макгильском университете он в течение шести месяцев под руководством Эрнеста Резерфорда проводил исследования по радиоактивности. Дело в том, что У. Брэгг обнаружил, что набор альфа-частиц, испускаемых радиоактивными атомами, является характерным для каждого атома. В Макгильском университете Отто Ган измерил набор альфа-частиц для препаратов радиотория и в результате этого открыл новую радиоактивную субстанцию с высокой энергией альфа-частиц. Этот элемент, который он назвал торий-С, имел очень малую продолжительность жизни и не мог быть химически выделен из радиотория. Ныне известный как полоний-214, он имел время полужизни (время, за которое осуществляется полураспад вещества), равное одной трехмиллионной доле секунды. Кроме исследования полония-214, Отто Ган описал свойства радиоактиния. По возвращении в Германию Отто Ган продолжил свои исследования с радиоактивными элементами в Химическом институте. Здесь он подтвердил существование промежуточного радиоактивного вещества мезотория. В 1907 г. Лизе Майтнер, физик из Вены, прибыла в Берлин учиться и выполнять экспериментальную работу у Макса Планка. Хотя женщинам запрещалось работать со студентами мужского пола в одной лаборатории, ей было разрешено посещать лабораторию Отто Гана Сотрудничество Отто Гана и Майтнер продолжалось более 30 лет. Они исследовали проблему испускания электронов из радиоактивных ядер (бета-распад) и идентифицировали несколько ранее неизвестных радиоактивных продуктов, полученных в процессе трансформации. Когда в 1912 г. был создан Институт физической химии и электрохимии кайзера Вильгельма, Отто Ган стал директором радиохимической группы. Институтское оборудование позволило Отто Гану и Майтнер проводить работу по изучению рубидия и калия – распространенных в природе элементов со слабой радиоактивностью. Определив время полураспада рубидия, которое оказалось равным 230 млрд лет, Отто Ган показал, что возраст рубидийсодержащих минералов может быть рассчитан, исходя из анализа распада рубидия до превращения его в стронций. В начале первой мировой войны Отто Ган был призван в пехотный полк действующей армии, принимал участие в боевых действиях на Западном фронте, был награжден. Но поскольку он был химиком, его переводят в службы, занимавшиеся созданием химического оружия, где он работал под руководством Фрица Габера, который развеял первоначальные сомнения Отто Ган в отношении этого оружия, убедив его, что такое орудие приведет к более быстрому завершению войны и тем самым многим сохранит жизнь. Отто Ган несколько раз участвовал в подготовке газовых атак и испытал сильнейший стресс от наблюдаемого эффекта. Только переехав в Берлин в 1917 г., Отто Ган смог возобновить свои работы с Майтнер по распаду радиоактивных веществ; именно в это время он обнаруживает нестабильный элемент – протактиний. Продолжив после окончания войны исследования с радиоактивностью, Отто Ган заметил, что многие радиоактивные вещества, по-видимому, имеют одинаковые химические свойства. Это явление было объяснено в работах английских ученых Фредерика Содди, Дж. Томсона и Фрэнсиса У. Астона, которые установили, что изотопы элемента имеют в ядре различное число нейтронов, являющихся ответственными за изменение ядерных свойств и поведения. Отто Ган открыл уран-Z, что явилось первым примером существования изомера радиоактивных атомов. Затем его заинтересовали аспекты применения радиоизотопов в химии, включая образование кристаллов и использование меченых атомов в химических реакциях. В 1928 г. Отто Ган был назначен директором Института физической химии и электрохимии кайзера Вильгельма. В 1933 г. он посетил Соединенные Штаты Америки и выступил с докладом на чтениях, посвященных Джорджу Фишеру в Корнеллском университете. Узнав, что на основании нацистских законов ученые еврейской национальности изгнаны из Института кайзера Вильгельма и что Габер в виде протеста подал в отставку, Отто Ган поспешил вернуться в Германию. В следующем году он принял участие в конференции, посвященной Габеру после его смерти в Швейцарии. Несмотря на отказ Отто Ган вступить в нацистскую партию, ему разрешили остаться в институте в прежней должности. В 1934 г. Отто Ган с Майтнер и присоединившимся к ним год спустя Фрицем Штрассманом начали изучение эффекта облучения нейтронами урана и тория, предполагая, что будут образовываться новые, более тяжелые, чем уран, элементы. Еще до того, как эта группа исследователей смогла проверить эту гипотезу, Австрия была захвачена Германией, и Майтнер, которая была австрийской еврейкой, бежала в Швецию. Обосновавшись в Стокгольме, Майтнер вместе со своим племянником Отто Фришем, тоже физиком, продолжила совместные исследования с Отто Ган, переписываясь по почте. К общему удивлению, они обнаружили, что бомбардировка урана нейтронами приводит к образованию радиоактивных веществ, которые химически идентичны барию, лантану и церию. Поскольку эти элементы имеют атомный вес вдвое меньший, чем у исходного урана, стало ясно, что нейтронное облучение расщепляет ядра урана. Вскоре было обнаружено, что в процессе, который они назвали ядерным расщеплением, так же как и при цепной реакции, выделяется большое количество энергии. Как и страны антигитлеровской коалиции, Германия проявляла особый интерес к использованию процесса ядерного распада для усиления своего военного потенциала, и вскоре после начала второй мировой войны вермахт создает центр ядерных исследований. Отто Ган был подключен к этим проектам, хотя и занимался лишь фундаментальными проблемами по изучению продуктов ядерного расщепления. В конце войны Институт кайзера Вильгельма был разрушен бомбардировками союзников и переехал в г. Тайльфинген на юг Германии. Здесь после занятия его французскими войсками Отто Ган и его коллеги были арестованы англоамериканской спецразведкой, переправлены в Англию и допрошены об их научной деятельности во время войны. Несколько месяцев позднее Отто Ган перенес сильное потрясение, узнав, что США в 1945 г. использовали ядерное оружие против японских городов Хиросима и Нагасаки. Будучи интернирован в Англию, Отто Ган узнает, что ему присуждена Нобелевская премия по химии за 1944 г. «за открытие расщепления тяжелых ядер». Ему было разрешено вернуться в Германию в 1946 г., в конце этого же года ему была вручена Нобелевская премия в Стокгольме. В своей речи при презентации лауреата Арне Тизелиус, член Шведской королевской академии наук, сказал: «Открытие расщепления тяжелых ядер привело к таким последствиям, что мы все, все человечество, смотрим вперед с большими надеждами, но также и с большими опасениями за наше будущее». В Нобелевской лекции Отто Ган проследил пройденный научными исследованиями путь от естественной трансмутации урана, открытой Антуаном Анри Беккерелем, к ядерному расщеплению. В заключение он процитировал отрывок из лекции Фредерика Жолио-Кюри, произнесенной им при вручении ему в 1935 г. Нобелевской премии, в которой французский физик предупреждал об огромной опасности атомной энергии. «То, что десять лет назад было плодом воображения, «бредового воображения», сегодня стало уже в некоторой степени угрожающей реальностью». Обращаясь к аудитории и отвечая на вопрос, будет ли использована ядерная энергия в мирных целях или для разрушения, Отто Ган заявил: «Ответ должен быть дан без колебания, что, несомненно, ученые мира приложат все усилия для победы первой альтернативы». В 1946 г. Отто Ган стал президентом Общества кайзера Вильгельма, переименованного в Общество Макса Планка. Он уделял много внимания реорганизации германского научного сообщества. Выступая с публичными предостережениями об опасности, которую несет атомная бомба, он объединил многих физиков, страшившихся последствий совершенствования этого оружия. В 1959 г. на его 80-летие было объявлено, что Институт ядерных исследований в Берлине будет переименован в Институт имени Гана – Майтнер, а Химический институт Макса Планка в Майнце станет Институтом Отто Гана. Через год Отто Ган подал в отставку с поста президента Общества Макса Планка. В 1953 г. Отто Ган женился на Эдит Юнгханс, дочери председателя Штеттинского городского совета. У них был единственный сын. Вскоре после отставки Отто Ган, когда ему был 81 год, его сын с невесткой погибли во Франции в автомобильной катастрофе, и он заботился о жене, которая к этому времени стала инвалидом, и внуке. Отто Ган умер 28 июля 1968 г. после падения, приведшего к перелому в шейном отделе позвоночника. Среди многочисленных почетных наград Отто Ган получил медаль Эмиля Фишера Германского химического общества (1922), премию Станислао Канниццаро Королевской академии наук в Риме (1938), медаль Макса Планка Германского физического общества (1949), золотую медаль Парацельса Швейцарского химического общества (1953) и медаль Фарадея Британского химического общества (1956). Он являлся членом академий различных стран мира, имел многочисленные почетные ученые звания и был офицером Почетного легиона Франции.
Заключение
На склоне своих лет Фредерик Содди как-то выразился в том духе, что поиск нового, атомного, источника энергии породил главное чудо и, вместе с ним, самый страшный кошмар XX века – атомную бомбу. Трудно не согласиться
с Фредериком Содди, но начиналось все это, при деятельном, кстати, участии того же Содди, не столь апокалиптически. Напротив, жизнерадостно начиналось, с энтузиазмом и верой в светлое будущее, присущей революционерам всех времен и народов. Ибо XX век начался очередной революцией в физике – на этот раз квантово- релятивистской. Первые сигналы о том, что внутри атомов скрыты огромные запасы энергии, поступили как раз от того элемента, который впоследствии и подсказал способ ее извлечения. В самом конце XIX века Антуан Анри Беккерель, пытавшийся обнаружить рентгеновское излучение при флю оресценции солей урана, открыл явление радиоактивности – беккерелевы лучи. Открытие Беккереля заинтересовало многих. Имена большинства история не сохранила, остались только те, кто добился заметных успехов: во Франции ими были, помимо самого Беккереля, Мария и Пьер Кюри, Поль Виллар, в Англии – Эрнест Резерфорд и Содди, в Германии и Австрии – Эгон Швейтлер, Стефен Майер, чуть позже – Отто Ган. И здесь уместно будет вспомнить слова Содди: "Атомная энергия, по всей вероятности, обладает несравненно большей мощностью, чем молекулярная энергия, <...> и сознание этого факта должно заставить нас рассматривать планету, на которой мы живем, как склад взрывчатых веществ, обладающих невероятной взрывной силой". (Спустя пять лет Содди писал что-то насчет возможности с помощью атомной энергии "превратить всю планету в цветущий сад", но это не имело никакого значения, главные слова уже были сказаны.) Литература
1. Рудик А. П. Физические основы ядерных реакторов. М.: Атомиздат, 1980.
2. Климов А. Н. Ядерная физика и ядерные реакторы. М.: Атомиздат, 1971.
3. Версаев В. С. История некоторых замечательных открытий. М.: Либра, 1999
Join Us On Telegram @rubyskynews
Apply any time of year for Internships/ Scholarships
