Атомная энергия для военных целей (Смит/Иванов)/Глава I

Материал из Wikilivres.ru
Перейти к: навигация, поиск

Атомная энергия для военных целей — Глава I. Введение
автор Генри Деволф Смит, пер. под ред. Г. Н. Иванова
Язык оригинала: английский. Название в оригинале: Atomic Energy for Military Purposes (Chapter I. Introduction). — См. Содержание. Дата создания: 1945, опубл.: 1945. Источник: Генри Деволф Смит Атомная энергия для военных целей / Перевод с английского под редакцией Г. Н. Иванова. — Москва: Государственное транспортное железнодорожное издательство, 1946. — С. 11—40. — 276 с


1.1. Цель настоящего отчета дать описание научных и технических достижений в США с 1940 г., способствовавших военному применению атомной энергии. Предмет изложен здесь не в популярной форме, и книга рассчитана на научных работников и инженеров, а также на других лиц с высшим образованием, имеющих хорошую подготовку по физике и химии. Эквивалентность массы и энергии выбрана в качестве руководящего принципа при изложении основных данных Введения.

Содержание

СОХРАНЕНИЕ МАССЫ И ЭНЕРГИИ

1.2. Существуют два принципа, ставшие краеугольными камнями здания современной науки. Первый принцип материя не создается и не уничтожается и лишь переходит из одного вида в другой был высказан в XVIII веке и знаком каждому изучающему химию; он известен под названием закона сохранения массы. Второй принцип энергия не создается и не уничтожается и лишь переходит из одного вида в другой появился в XIX веке и с тех пор всегда был бичом изобретателей вечного двигателя; он известен под названием закона сохранения энергии.

1.3. Эти два принципа постоянно направляли и дисциплинировали развитие науки и ее технических применений. Для нужд практики они считались неизменными и независимыми друг от друга принципами еще пять лет тому назад. Для большинства практических приложений они и до сего времени остаются такими, но, в действительности, эти два принципа являются двумя аспектами единого принципа, так как мы убедились, что вещество может иногда превращаться в энергию, и энергия в вещество. В частности, такое превращение наблюдается в процессе деления

— 12 —

ядер урана, во время которого атомное ядро расщепляется на осколки с освобождением огромного количества энергии. Военное применение этой энергии стало целью научных и научно-технических исследований; проекты производства ее описаны в настоящем отчете.

ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ МАССЫ И ЭНЕРГИИ

1.4. Один из выводов, полученных на довольно ранней стадии развития теории относительности, состоял в том, что инертная масса движущегося тела увеличивается с возрастанием его скорости. Это означало эквивалентность изменения энергии движения тела, т. е. его кинетической энергии, и изменения его массы. Для большинства физиков-практиков и инженеров это утверждение казалось математической фикцией, лишенной практического значения. Даже Эйнштейн едва ли мог предвидеть современные приложения этого принципа, но еще в 1905 году он ясно утверждал, что масса и энергия эквивалентны, и предположил, что доказать эту эквивалентность можно было бы путем изучения радиоактивных веществ. Количество энергии Е, эквивалентное массе m, по Эйнштейну, определяется уравнением:

где с есть скорость света. Это уравнение приводит к удивительным результатам. Оно показывает, что один килограмм вещества, полностью превращенного в энергию, дал бы 25 миллиардов киловатт-часов энергии. Это равно энергии, которую выработала бы вся электроэнергетическая промышленность Соединенных Штатов (при уровне производства 1939 г.) при работе в течение приблизительно двух месяцев. Сравните эту фантастическую цифру с 8,5 киловатт-часами тепловой энергии, получаемой при сжигании такого же количества угля.

1.5. Огромное число, выражающее это превращение, интересно в нескольких отношениях. Во-первых, оно объясняет, почему эквивалентность массы и энергии никогда не наблюдалась при обычном химическом сжигании. Теперь мы знаем, что при таком сжигании выделяющееся тепло соответствует некоторой массе, но эта масса так мала, что не может быть обнаружена самыми чувствительными

— 13 —

весами, какие только существуют. (Она порядка нескольких миллиардных долей грамма на одну грамм-молекулу). Во-вторых, стало ясно, что во всех знакомых нам земных процессах никакие заметные количества вещества не превращались в энергию, так как такие большие источники энергии на земле не были известны. В-третьих, возможность вызвать превращение вещества в энергию или как-либо управлять этим превращением стала казаться весьма отдаленной. Наконец, величина самого коэффициента превращения давала благодатную почву для размышлений философам, физикам, инженерам и эстрадным комикам. В течение двадцати пяти лет эти размышления не находили экспериментальных подтверждений, но, начиная с 1930 года, такие подтверждения стали появляться в быстро растущих количествах. Прежде, чем обсуждать эти экспериментальные доказательства и практические методы частичного превращения вещества в энергию (что является нашей главной темой), мы сделаем обзор основных положений атомной и ядерной физики. При этом мы предполагаем у читателя общее знакомство с атомной природой вещества и с существованием электронов[1].

РАДИОАКТИВНОСТЬ И СТРОЕНИЕ АТОМА

1.6. Явления радиоактивности, открытые А. Беккерелем в 1896 г. и вслед затем изучавшиеся Пьером и Марией Кюри, Э. Резерфордом и многими другими, сыграли ведущую роль в открытии общих законов строения атома и в подтверждении эквивалентности массы и энергии.

ИОНИЗАЦИЯ РАДИОАКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ

1.7. Первым из наблюдавшихся явлений радиоактивности было явление почернения фотографической пластинки под действием минералов, содержащих уран. Хотя до некоторой степени еще и сейчас пользуются этим свойством при исследовании радиоактивности,

— 14 —

наибольшее научное значение имеет способность радиоактивных веществ ионизовать газы. Воздух и другие газы в нормальных условиях не проводят электричества иначе невозможно было бы эксплоатировать линии электропередачи и электрические машины на открытом воздухе. Однако, при некоторых условиях молекулы воздуха распадаются на положительно и отрицательно заряженные частицы, называемые ионами. Ионизованный таким образом воздух становится проводником электричества. Через несколько месяцев после первого открытия радиоактивности Беккерель обнаружил способность урана ионизовать воздух. В частности, он нашел, что заряд электроскопа очень быстро исчезает, вследствие ионизации воздуха, если вблизи электроскопа поместить какую-нибудь из солей урана. (То же самое произойдет с зарядом аккумулятора, если близко к нему поднести достаточное количество радиоактивного вещества). С того времени скорость разрядки электроскопа всегда служит мерой интенсивности радиоактивности. Более того, почти все современные приборы для изучения явлений радиоактивности прямо или косвенно основаны на ионизационном эффекте. Элементарное описание подобных приборов электроскопов, счетчиков Гейгера-Мюллера, ионизационных камер и камер Вильсона приведено в Приложении 1.

РАЗЛИЧНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И ЧАСТИЦЫ

1.8. На различия в природе «излучений» указывает тот факт, что ионизующая способность разных радиоактивных веществ различна как по своему характеру, так и по интенсивности. Некоторые излучения обладают значительно большей проникающей способностью. чем другие; следовательно, два радиоактивные образца, оказывающие одинаковое действие на неэкранированный электроскоп, могут совершенно по разному действовать на электроскоп, если он экранирован, т. е. если между электроскопом и образцом помещены экраны.

1.9. Изучение поглощения и других явлений показало, что радиоактивные вещества испускают три типа «излучений»: α-частицы, являющиеся очень быстрыми ионизованными атомами гелия (ядрами атомов гелия), β-частицы, являющиеся очень быстро движущимися электронами, и γ-лучи, представляющие собою электромагнитное излучение, подобное рентгеновским лучам. Из всех

— 15 —

этих излучений лишь γ-лучи правильно называть излучением, но даже они со своему действию весьма напоминают частицы, благодаря своей малой длине волны. Такая «частица», или квант γ-излучения, называется фотоном, γ-лучи обладают весьма большой проникающей способностью, α- и β-лучи меньшей. Но даже несмотря на то, что α- и β-лучи обладают не очень большой проникающей способностью, кинетическая энергия их для частиц атомных размеров огромна она в тысячи раз превосходит кинетическую энергию газовых молекул, которую они имеют благодаря тепловому движению, и в тысячи раз больше, чем изменения энергии на один атом в химических реакциях. Именно по этой причине Эйнштейн предположил, что изучение радиоактивности сможет доказать эквивалентность массы и энергии.

АТОМ

1.10. Прежде чем рассматривать вопрос о том, какие атомы испускают α-, β- и γ-лучи, и обсуждать законы, управляющие этим испусканием, мы изложим общепринятые представления о строении атомов, частично основанные на изучении радиоактивности.

1.11. Согласно нашим современным взглядам, каждый атом состоит из небольшого тяжелого ядра с диаметром, примерно в 10-12 см, окруженного большой пустой областью с диаметром 10-8 см, в которой, в некоторой степени подобно планетам вокруг солнца, движутся электроны. Ядро несет целое число положительных зарядов, каждый из которых равен 1.6•10-19 кулонов. (Единицы см. в Приложении 2). Каждый электрон несет один отрицательный заряд такой же величины, а число электронов, обращающихся вокруг ядра, равно числу положительных зарядов ядра, так что заряд атома в целом равен нулю.

1.12. Атомный номер и электронная структура. Число положительных зарядов ядра называется атомным номером X. Он определяет число электронов во внеядерной структуре атома, которое, в свою очередь, определяет его химические свойства. Таким образом все атомы данного химического элемента имеют один и тот же атомный номер, и обратно, все атомы, имеющие одинаковые атомные номера, являются атомами одного и того же элемента, независимо от возможных различий в строении их ядер. Внеядерные электроны атома располагаются последовательными

— 16 —

оболочками, согласно твердо установленным законам. Оптические спектры возникают вследствие возмущений в наружных частях этой электронной структуры; рентгеновские лучи возникают в результате возмущений электронов оболочек, близких к ядру. Химические свойства атома зависят от наиболее удаленных от ядра электронов, и образование химических соединений сопровождается незначительными перегруппировками этих электронных структур. Отсюда следует, что когда при окислении, горении, взрыве или каком-либо другом химическом процессе выделяется энергия, она выделяется за счет этих структур, так что группировка электронов в атомах, образовавшихся в результате реакции, должна иметь меньшую энергию. (Предполагают, что общая масса этих продуктов соответственно меньше, но обнаружить это пока невозможно). Атомные ядра не испытывают изменений при обычных химических реакциях.

1.13. Массовое число. Не только положительный заряд ядра всегда выражается целым числом, равным числу электронных зарядов, но и масса ядра всегда приближенно равна целому кратному основной единицы массы, почти равной массе протона ядра атома водорода (см. Приложение 2). Это целое число называют массовым числом А; оно всегда по меньшей мере вдвое больше атомного номера; исключение составляет водород и редкий изотоп гелия. Так как масса протона примерно в 1800 раз больше массы электрона, то масса ядра почти равна массе всего атома.

1.14. Изотопы и изобары. Атомы, имеющие один и тот же атомный номер, но разные массовые числа, называются изотопами. Химически они тождественны, будучи лишь разновидностями одного и того же химического элемента. Атомы, имеющие одинаковые массовые числа, но разные атомные номера, называются изобарами и представляют собою различные химические элементы.

РАДИОАКТИВНОСТЬ И ЯДЕРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ

1.15. Если атом испускает α-частицу (которая имеет атомный номер два и массовое число четыре), то он становится атомом уже другого элемента, атомный номер которого меньше на две, а массовое число на четыре единицы. При испускании ядром β-частицы атомный номер на единицу возрастает, а массовое число остается неизменным. В некоторых случаях эти изменения сопровождаются

— 17 —

испусканием γ-лучей. Элементы, которые самопроизвольно изменяются или «распадаются» указанным образом неустойчивы и их принято называть «радиоактивными». Это свойство испускать α- или β-частицы обнаруживают только те естественные элементы (за редкими исключениями), которые имеют очень большие атомные номера и массовые числа, например, уран, торий, радий и актиний, т. е. элементы с самым сложным строением ядер.

ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА; РАДИОАКТИВНЫЕ ЯДРА

1.16. Все атомы данного радиоактивного изотопа обладают одинаковой вероятностью распада в заданный промежуток времени, так что достаточно большой образец радиоактивного вещества, содержащий многие миллионы атомов, всегда превращается или «распадается» с одной и той же скоростью. Эта скорость, с которой вещество меняется или «распадается», выражается через «период полураспада» время, необходимое для распада половины всего первоначального количества атомов; это время, очевидно, постоянно для каждой данной разновидности атомов. Периоды полураспада (или просто периоды) радиоактивных веществ лежат в интервале от долей секунды для самых неустойчивых из них до миллиардов лет для тех веществ, которые лишь слегка неустойчивы. Часто «дочернее» ядро, подобно своему радиоактивному «родителю», само является радиоактивным и распадается и т. д., пока через несколько последующих поколений ядер не образуется устойчивое ядро. Существуют три такие семейства или ряда, включающие в общей сложности около сорока разных радиоактивных веществ (рис. 1). Ряд радия начинается с одного изотопа урана, ряд актиния с другого изотопа урана и ряд тория начинается с тория. Конечными продуктами каждого ряда, образующимися после десяти или двенадцати последовательных испусканий α- и β-частиц, являются устойчивые изотопы свинца.

ПЕРВЫЕ ОПЫТЫ ИСКУССТВЕННОГО РАСЩЕПЛЕНИЯ ЯДРА

1.17. До 1919 года никому не удавалось нарушить устойчивость обычных ядер или повлиять на скорости распада радиоактивных ядер. В 1919 г. Резерфорд показал, что α-частицы, обладающие большой энергией, способны вызвать изменения в ядре обычного

— 18 —
Рис. 1. Начальные участки трех естественных рядов и новые трансурановые элементы нептуний и плутоний.
— 19 —

элемента. В частности, ему удалось превратить несколько атомов азота, бомбардируя их α-частицами, в атомы кислорода. Процесс можно представить в таком виде:

Это символическое равенство означает, что ядро гелия с массовым числом 4 (α-частица), сталкиваясь с ядром азота, имеющим массовое число 14, дает ядро кислорода с массовым числом 17 и ядро водорода с массовым числом 1. Ядро водорода, называемое Протоном, играет особенно важную роль, так как из всех ядер оно обладает наименьшей массой. Хотя в естественных радиоактивных процессах протоны не обнаруживаются, имеется много прямых указаний на то, что они могут быть выбиты из ядер.

НЕЙТРОН

1.18. В течение десятилетия, последовавшего за работами Резерфорда, было произведено много аналогичных экспериментов с подобными же результатами. Один ряд экспериментов этого типа привел к открытию нейтрона частицы, свойства которой будут рассмотрены подробнее, так как именно она является основой в осуществлении всего проекта.

1.19. В 1930 г. В. Боте и Г. Беккер в Германии нашли, что когда очень быстрые естественные α-частицы из полония попадали на легкие элементы бериллий, бор и литий, то последние испускали излучение необычайно большой проникающей способности. Сперва это излучение было принято за γ-излучение, хотя оно было более проникающим, чем все известные γ-лучи, и объяснить с этой точки зрения детали результатов опыта было весьма трудно. Следующий важный шаг был сделан в 1932 г. в Париже Ирен Кюри и Ф. Жолио. Они показали, что если это неизвестное излучение попадает на парафин или на какое-нибудь другое соединение. содержащее водород, то это вещество выбрасывает протоны, обладающие очень большой энергией. Появление быстрых протонов само по себе не противоречило предположению, что новое излучение по своей природе состоит из γ-лучей, но эту гипотезу оказывалось все труднее и труднее примирить с детальным количественным анализом экспериментальных данных. Наконец (позднее, в 1932 г.), Дж. Чэдвик в Англии произвел ряд опытов, показавших,

— 20 —

что гипотеза γ-лучей несостоятельна. Он предположил, что в действительности новое излучение состоит из незаряженных частиц, масса которых приблизительно равна массе протона, и это предположение подтвердил рядом опытов. Такие незаряженные частицы называются теперь нейтронами.

1.20. Одной из особенностей нейтронов, отличающих их от других субатомных частиц, является отсутствие у них заряда. Это свойство нейтронов, задержавшее их открытие, делает невозможным их непосредственное наблюдение и придает им большую проникающую способность. Благодаря отсутствию заряда нейтроны являются важными агентами в ядерных превращениях. Атом, разумеется, в своем нормальном состоянии также незаряжен, но он в десять тысяч раз больше нейтрона и состоит из сложной системы отрицательно заряженных электронов, расположенных на больших расстояниях вокруг положительно заряженного ядра. Заряженные частицы, например, протоны, электроны или α-частицы, и электромагнитные излучения (например, γ-лучи), проходя через вещество, теряют энергию. При этом возникают электрические взаимодействия, сопровождающиеся ионизацией атомов вещества. (Именно благодаря такому процессу ионизации воздух становится электропроводным на пути электрических искр или вспышек молнии). Энергия, затраченная на ионизацию, равна энергии, потерянной заряженными частицами, которые при этом замедляются, или γ-лучами, которые при этом поглощаются. Однако, такие силы действовать на нейтрон не могут; на него может оказывать влияние лишь сила очень близкого действия, т. е. сила, проявляющая себя только тогда, когда нейтрон подходит к атомному ядру на очень малое расстояние. Это те же силы, которые удерживают вместе составные части ядра, несмотря на силы взаимного отталкивания положительных зарядов внутри него.

Свободный нейтрон движется беспрепятственно до тех пор, пока он не испытает «лобового» столкновения с атомным ядром. Так как ядра очень малы, то такие столкновения происходят довольно редко, и до столкновения нейтрон проходит длинный путь. В случае столкновения «упругого» типа обычный закон сохранения количества движения применяется таким же образом, как и в случае упругого удара биллиардных шаров. Если масса ядра, воспринявшего удар, велика, то оно приобретает относительно малую скорость; но если удар воспринят протоном, масса которого приблизительно равна массе нейтрона, то протон полетит вперед, получив значительную часть начальной скорости нейтрона, который сам соответственно замедлится. Можно обнаружить при этом атомы отдачи, образовавшиеся в результате этих столкновений, так как они заряжены и вызывают ионизацию.

Отсутствие электрического заряда у нейтрона затрудняет не только его обнаружение, но и управление им. Заряженные частицы могут быть ускорены, замедлены или отклонены электрическим или магнитным полями; на нейтроны же последние совершенно не действуют. Свободные нейтроны могут быть получены только в результате распада атомных ядер; естественного источника их нет. Единственный способ управления свободными нейтронами поставить на их пути ядра, которые будут их замедлять и отклонять или поглощать при столкновениях. Как мы увидим, эти явления имеют величайшее практическое значение.

ПОЗИТРОН И ДЕЙТРОН

1.21. В 1932 г. был открыт не только нейтрон, но также и позитрон. Позитрон впервые наблюдался К. Д. Андерсоном в Технологическом институте в Калифорнии. Масса его равна массе электрона, заряд по абсолютной величине такой же, как и у электрона, но имеет положительный знак.

Позитрон для нас интересен лишь как частица, испускаемая искусственными радиоактивными ядрами.

1.22. 1932 год был отмечен также другим важным открытием. Г. К. Юри, Ф. Г. Брикуэдде и Дж. М. Мерфи обнаружили у водорода изотоп с массовым числом 2, содержащийся в естественном водороде в количестве 1:5000. Благодаря особому значению этого тяжелого изотопа водорода, ему дали специальное название «дейтерий», а соответствующее ядро назвали дейтроном. Подобно α-частице, дейтрон не является одной из основных частиц, но он играет важную роль в некоторых процессах, вызывающих распад ядра.

СТРОЕНИЕ ЯДРА

1.23. Все элементы состоят из нескольких основных частиц мысль уже не новая. Теперь это твердо установлено. Мы считаем, что существуют три основные частицы нейтрон, протон и электрон

— 22 —

В фундаментальных работах обычно рассматривают еще позитрон, о котором мы уже упоминали, нейтрино и мезотрон. Дейтрон и α-частица о них мы уже тоже говорили являются сложными частицами, играющими важную роль.

1.24. Согласно нашим современным взглядам, ядра всех атомов состоят из нейтронов и протонов. Число протонов равно атомному номеру Z. Число нейтронов, N, равно разности между массовым числом и атомным номером, т. е. А-Z.

Существуют два вида сил, действующих на эти частицы: обычные кулоновские силы электрического отталкивания между положительными зарядами и силы притяжения между всеми частицами, действующие на очень малых расстояниях. Последние силы не вполне изучены, и мы не будем пытаться рассматривать их. Достаточно сказать, что результирующее действие этих сил притяжения и отталкивания таково, что устойчивы только некоторые комбинации нейтронов и протонов. Если число нейтронов и протонов невелико, то комбинация устойчива, когда их количества примерно равны. Для больших ядер относительное число нейтронов. необходимых для устойчивости, больше. Наконец, в конце периодической таблицы, где число протонов свыше 90 и число нейтронов около 150, не существует вполне устойчивых ядер. (Некоторые из тяжелых ядер почти устойчивы, что подтверждается их очень большими периодами полураспада). Если искусственно образовать неустойчивое ядро путем добавления лишнего нейтрона или протона, то, в конце концов, происходит превращение, приводящее к устойчивому ядру. Как ни странно, это превращение сопровождается выбрасыванием не протона или нейтрона, а позитрона или электрона; по-видимому, внутри ядра протон превращается в нейтрон и позитрон (или нейтрон превращается в протон и электрон), а легкая заряженная частица выбрасывается. Другими словами, массовое число остается тем же самым, но атомный номер меняется. Условия устойчивости не очень строги, так что для данного массового числа, т. е. для данного общего числа протонов и нейтронов, может существовать несколько устойчивых расположений протонов и нейтронов (максимум три или пять), дающих несколько изобар. Для данного атомного номера, т. е. для данного числа протонов, условия могут варьироваться в еще более широких пределах, так что некоторые

— 23 —

из тяжелых элементов имеют десять или двенадцать устойчивых изотопов. Известно около двухсот пятидесяти различных устойчивых ядер, для которых массовое число колеблется от единицы до двухсот тридцати восьми, а атомный номер от единицы до девяносто двух.

1.25. Все высказанные нами утверждения основаны на экспериментальных данных. Теория ядерных сил пока не завершена, но на основе принципов квантовой механики она была развита настолько, чтобы с ее помощью можно было объяснить не только описанные выше наблюдения, но и более подробные эмпирические данные об искусственной радиоактивности и о различиях между ядрами с четными и нечетными массовыми числами.

ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ

1.26. Выше мы упоминали об испускании позитронов или электронов ядрами, стремящимися к устойчивости. Испускание электронов (β-лучей) уже было известно из изучения естественных радиоактивных веществ, но испускания позитронов для таких веществ обнаружено не было. В действительности, общие рассуждения, изложенные выше, были основаны частично на данных, которые выходят за рамки настоящего отчета. Однако, мы дадим краткое описание открытия «искусственной» радиоактивности и того, что мы о ней знаем.

1.27. В 1934 г. Кюри и Жолио сообщили о том, что некоторые легкие элементы (бор, магний, алюминий), подвергнутые бомбардировке α-частицами, в течение известного времени продолжали испускать позитроны после того, как бомбардировка была прекращена. Другими словами, в результате бомбардировки α-частицами бор, магний и алюминий становились радиоактивными. Кюри и Жолио измерили периоды полураспада радиоактивных веществ, образовавшихся под действием α-частиц; они оказались равными 14 минутам, 2,5 минутам и 3,25 минутам соответственно.

1.28. Результаты, полученные Кюри и Жолио, послужили стимулом для проведения подобных опытов во всем мире. В частности, Э. Ферми пришел к выводу, что нейтроны, благодаря отсутствию у них заряда, должны, сравнительно легко проникать и внутрь тех ядер, которые имеют высокие атомные номера и в сильной степени отталкивают протоны и α-частицы. Свое предположение

— 24 —

он смог почти сразу подтвердить, обнаружив, что ядро атома, подвергшегося бомбардировке, захватывало нейтрон и что таким образом получалось неустойчивое ядро, которое затем приходило в устойчивое состояние путем испускания электрона. Следовательно, конечное устойчивое ядро имело массовое число на единицу выше, а также атомный номер на единицу выше, чем первоначальное ядро-мишень.

1.29. В результате множества опытов, проведенных с 1934 г. мы можем теперь получать радиоактивные изотопы почти каждого элемента периодической таблицы. Некоторые из них возвращаются к устойчивому состоянию испусканием позитронов, некоторые испусканием электронов, некоторые при помощи процесса, известного под названием захвата K-электрона, которого мы рассматривать не будем, и небольшое число ядер (вероятно три) становятся снова устойчивыми благодаря испусканию α-частицы. Всего наблюдалось примерно пятьсот неустойчивых ядерных видов, и в большинстве случаев их атомные номера и массовые числа были установлены.

1.30. Искусственные радиоактивные элементы играют важную роль не только в осуществлении всего проекта, в котором мы заинтересованы, их будущее значение в медицине, в химии «меченых атомов» и во многих других областях научно-исследовательской работы вряд ли можно переоценить.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СООБРАЖЕНИЯ

ЭНЕРГИЯ ЯДЕРНЫХ СВЯЗЕЙ

1.31. При описании радиоактивности и строения атома мы умышленно умолчали о количественных данных и не упомянули о приложениях принципа эквивалентности массы и энергии, который мы провозгласили руководящим принципом настоящего отчета. Теперь пришло время сказать не только об общих принципах, но и о количественных деталях.

1.32. Мы уже говорили об устойчивых и неустойчивых ядрах, состоящих из совокупности протонов и нейтронов, удерживаемых вместе ядерными силами. Для разрушения устойчивой системы необходимо произвести работу это общий физический принцип. Так, если группа нейтронов и протонов устойчива, на разделение

— 25 —

составляющих ее частиц должна быть затрачена энергия. Если действительно энергия и масса эквивалентны, то общая масса устойчивого ядра должна быть меньше общей массы отдельных протонов и нейтронов, которые его составляют. Эта разность масс должна быть эквивалентна энергии, необходимой для полного разрушения ядра и называемой энергией связи. Вспомним, что массы всех ядер являются «приблизительно» целыми числами; небольшие отличия от целых чисел играют большую роль.

1.33. Возьмем, например, α-частицу; она устойчива. Так как ее массовое число четыре, а атомный номер два, то она состоит из двух протонов и двух нейтронов. Масса протона 1,00758, масса нейтрона 1,00893 (см. Приложение 2), так что общая масса отдельных компонент ядра гелия равна

2•1,00758 + 2•1,00893 = 4,03302,

тогда как масса самого ядра гелия 4,00280. Пренебрегая двумя последними знаками, мы получим числа 4,033 и 4,003 с разностью в 0,030 единицы массы. Эта разность и выражает «энергию связи» протонов и нейтронов в ядре гелия. Она кажется малой, но, обращаясь к уравнению Эйнштейна, Е = mc2, мы видим, что небольшое количество массы эквивалентно большому количеству энергии. Действительно, 0,030 единицы массы равны 4,5•10-5 эрг на ядро, или 2,7•1019 эрг на грамм-молекулу гелия. В единицах, более знакомых инженеру или химику, это означает, что для разрушения всех ядер атомов гелия в одном грамме гелия потребовалось бы затратить 1,62•1011 кал или 190 000 kWh энергии. Наоборот, если бы можно было свободные протоны и нейтроны сгруппировать в ядро гелия, эта энергия освободилась бы.

1.34. Очевидно, стоит изучать возможность получения энергии путем соединения протонов и нейтронов или превращения ядра одного вида в другое. Приступим теперь к обзору современных знаний об энергиях связи различных ядер.

МАССОВЫЕ СПЕКТРЫ И ЭНЕРГИИ СВЯЗИ

1.35. Определение химического атомного веса дает средний атомный вес большого числа атомов данного элемента. Если элемент обладает не одним изотопом, то химический атомный вес непропорционален массе отдельных атомов. Масс-спектрограф, построенный

— 26 —

Ф. В. Астоном и другими на основе более раннего прибора Дж. Дж. Томсона, измеряет массы отдельных изотопов. Именно этими измерениями было доказано существование изотопов и показано, что на шкале атомных весов массы всех видов атомов очень близки к целым числам. Эти целые числа, найденные экспериментально, являются массовыми числами, которые мы определили выше и которые представляют собою суммы количеств протонов и нейтронов; их открытие значительно содействовало укреплению мысли о том, что все ядра суть комбинации нейтронов и протонов.

1.36. Результаты, полученные с помощью усовершенствованного масс-спектрографа для нескольких случаев ядерных реакций, дают точные величины энергий связи для многих видов атомов во всем диапазоне атомных масс. Эта энергия связи, В, пропорциональна разности между истинной массой ядра, М, и суммой масс всех нейтронов и протонов в ядре. Мы имеем

где Mp и Mn соответственно, массы протона и нейтрона, Z количество протонов, N = А — Z количество нейтронов и М истинная масса ядра. Изучение энергии связи, приходящейся на одну частицу, В/А, представляет больший интерес, чем изучение самого В. Такое изучение показывает, что, если оставить в стороне вопрос о колебаниях в легких ядрах, энергия связи на частицу имеет тенденцию к быстрому возрастанию до плоского максимума в окрестности А = 60 (никель) и затем опять к постепенному уменьшению. Очевидно, ядра в средней части периодической таблицы (ядра с массовыми числами от 40 до 100) связаны сильнее всего. В ядерных реакциях, при которых частицы результирующего ядра связаны сильнее, чем частицы первоначального ядра, энергия будет выделяться. Говоря на языке термохимии. такие реакции будут экзотермическими. Таким образом, вообще, можно получить выигрыш энергии путем комбинации легких ядер для образования более тяжелых, или путем расщепления очень тяжелых ядер на два или три меньшие осколка. Кроме того, существует несколько особых случаев экзотермических распадов ядра; это относится к первым десяти или двенадцати элементам

— 27 —

периодической таблицы, где энергия связи на частицу изменяется неравномерно от одного элемента к другому.

1.37. До сих пор мы, как будто, нагромождали одно предположение на другое. Сперва мы приняли, что масса и энергия эквивалентны; теперь мы предполагаем, что атомные ядра можно перегруппировать с последующим уменьшением их общей массы; при этом освобождается энергия, которая может быть использована. Сейчас уместно будет поговорить о некоторых экспериментах, убедивших физиков в справедливости этих положений.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ ЭНЕРГИИ И МАССЫ

1.38. Как мы уже сказали, работы Резерфорда в 1919 г. по искусственному расщеплению ядер были продолжены множеством аналогичных экспериментов. Постепенное усовершенствование высоковольтной техники позволило заменить естественные α-частицы искусственно получаемыми быстрыми ионами водорода или гелия. Дж. Д. Кокрофту и Э. Т. С. Уолтону в лаборатории Резерфорда первым удалось осуществить ядерные превращения подобными методами. В 1932 г. они бомбардировали мишень лития протонами с энергией в 700 kV и обнаружили, что в результате бомбардировки из мишени выбрасывались α-частицы. Ядерную реакцию, которая при этом имела место, можно записать символически следующим образом:

где нижние индексы представляют положительные заряды ядер (атомные номера), а верхние индексы количества протонов и нейтронов в ядрах (массовые числа). Как и в химическом уравнении, сумма количеств в левой части должна быть равна сумме количеств в правой части; таким образом сумма нижних индексов 4 и сумма верхних индексов 8 для обеих частей в отдельности одна и та же.

1.39. В это уравнение не вошли ни масса, ни энергия. Ударяющий протон и результирующие α-частицы обладают каждая кинетической энергией. Масса двух α-частиц не в точности равна сумме масс протона и атома лития. Сумма массы и энергии должна оставаться постоянной до и после реакции. Массы были найдены из массовых спектров. Слева (Li7+H1) они составили в сумме 8.0241, справа (2He7) 8,0056, так что 0,0185 единицы массы

— 28 —

в процессе реакции исчезли. Экспериментально определенные энергии α-частиц дали приблизительно 8,5 миллионов eV (электрон-вольт) каждая; в сравнении с этой величиной кинетической энергией ударяющего протона можно пренебречь. Таким образом 0,0185 единицы массы исчезло, а 17 MeV кинетической энергии появилось. Но 0,0185 единицы массы равно 3,07•10-26 г, 17 MeV равны 27,2•10-6 эрг, а с равно 3•1010 см/сек (см. Приложение 2). Если мы подставим эти величины в уравнение Эйнштейна, E=mc2, то слева будем иметь 27,2•10-6 эрг, а справа 27,6•10-6 эрг, так что уравнение удовлетворяется с хорошим приближением. Другими словами, эти экспериментальные результаты доказывают, что эквивалентность массы и энергии правильно формулирована Эйнштейном.

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

МЕТОДЫ БОМБАРДИРОВКИ ЯДЕР

1.40. Кокрофт и Уолтон получали протоны с достаточно большой энергией путем ионизации газообразного водорода и последующего ускорения ионов высоковольтной установкой с трансформатором и выпрямителем. Подобный же метод можно использовать для получения дейтронов с большой энергией из дейтерия или α-частиц с большой энергией из гелия. Более высокие значения энергии могут быть получены путем ускорения ионов в циклотронах или в генераторах Ван-де-Граафа. Однако, для получения излучения с большой энергией или что важнее всего нейтронов, в качестве источников необходимо пользоваться самими ядерными реакциями. Излучения достаточно высокой энергии испускаются некоторыми естественными радиоактивными элементами или при некоторых случаях бомбардировки. Нейтроны обычно получаются бомбардировкой бериллия или бора естественными α-частицами или бомбардировкой подходящих мишеней протонами или дейтронами. Самым обычным источником нейтронов является смесь радия и бериллия, где α-частицы радия и продуктов его распада проникают в ядра Ве*, которые затем отдают нейтроны и превращаются в устойчивые ядра С13 (обыкновенный углерод). Для получения нейтронов часто используют удары быстро движущихся дейтронов о лед из «тяжелой» воды. Здесь

— 29 —

дейтроны, летящие с большой скоростью, ударяют в дейтроны мишени и вызывают появление нейтронов и ядер Не3. Применяется также полдюжина других реакций, в которых в качестве мишени участвуют дейтерий, литий, бериллий или бор. Заметим, что во всех этих реакциях общее массовое число и общее число зарядов не меняются.

1.41. Итак, агентами, оказавшимися способными вызывать ядерные реакции, являются следующие (в примерном порядке их важности); нейтроны, дейтроны, протоны, α-частицы, γ-лучи и, в редких случаях, более тяжелые частицы.

РЕЗУЛЬТАТЫ БОМБАРДИРОВКИ ЯДЕР

1.42. Большинство атомных ядер может допускать проникновение атомных частиц по меньшей мере одного типа (или γ-излучения). Каждое такое проникновение может вызвать перегруппировку ядра, во время которой выбрасывается основная частица (протон или нейтрон) или происходит излучение, либо осуществляется то и другое. Получившееся в результате ядро может оказаться одним из естественных устойчивых видов или, что более вероятно, атомом иного типа, который радиоактивен и превращается в новое ядро. Это последнее, в свою очередь, может быть радиоактивным и в этом случае опять будет распадаться. Процесс продолжается до тех пор, пока все ядра не превратятся в устойчивые. Искусственные радиоактивные вещества отличаются от естественных в двух отношениях: многие из них испускают позитроны (неизвестные в естественной радиоактивности) и очень немногие испускают α-частицы. Во всех случаях, когда производились точные измерения, была доказана эквивалентность массы и энергии и постоянство общей суммы массы-энергии. (Иногда для сохранения массы-энергии необходимо привлечь для рассмотрения нейтрино).

ОБОЗНАЧЕНИЕ ЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ

1.43. Полное описание ядерной реакции должно включать: природу, массу и энергию ударяющей частицы, затем природу (массовое число и атомный номер), массу и энергию (обычно нулевую) частицы-мишени, далее, природу, массу и энергию выброшенной частицы (или излучения) и, наконец, природу, массу и

— 30 —

энергию остатка. Но все это редко известно, и для многих целей полное описание не является необходимым. Часто для ядерной реакции пользуются обозначением, в котором сперва обозначена мишень химическим символом и массовым числом (если оно известно), затем частица, служащая для бомбардировки в качестве снаряда, далее, частица, которая выбрасывается, и, наконец, остаток. По этой схеме нейтрон обозначается буквой n, протон буквой p, дейтрон d, α-частица α и γ-лучи γ. Таким образом радие-бериллиевая нейтронная реакция может быть записана так: Be9 (d, n)C12, а дейтрон-дейтронная реакция так: Н2 (d, n)He3.

ТИПЫ РЕАКЦИЙ

1.44. Рассматривая пять различных частиц (n, p, d, α, γ) как в качестве снарядов, так и в качестве испускаемых частиц, мы можем ожидать осуществления двадцати пяти возможных сочетаний. В действительности же дейтрон в качестве продукта реакции встречается очень редко, а фотон вызывает реакции только двух типов. Существует, однако, несколько других типов реакций, такие как (n, 2n), (d, H2) и деление, которые доводят общее количество известных типов до приблизительно двадцати пяти. Стоит особо упомянуть о реакции (n, γ), так как она весьма важна в одном процессе, который будет нас особенно интересовать. Она часто называется реакцией радиационного захвата, так как нейтрон остается в ядре, и испускается лишь γ-излучение.

ВЕРОЯТНОСТЬ И ПОПЕРЕЧНОЕ СЕЧЕНИЕ

1.45. До сих пор ничего не было сказано о вероятности ядерных реакций. В действительности, вероятность меняется в широких пределах. Нет никакой гарантии того, что нейтрон или протон, направленный в ядро, проникнет внутрь него. Это зависит от ядра и от ударяющей частицы. В ядерной физике вероятность какого-нибудь события принято выражать при помощи «поперечного сечения». Статистически, центры атомов в тонком слое можно рассматривать как точки, равномерно распределенные по плоскости. Частица, направленная в атом, ударяясь в эту плоскость. имеет определенную геометрическую вероятность того. что центр ее пройдет внутри круга радиуса к с центром в какой-нибудь из этих точек. Если на площади А плоскости имеется № атомных центров, то эта вероятность есть nπr2/А, что является просто отношением суммарной площади всех кружков радиуса r описанных вокруг точек, ко всей площади. Если рассматривать атомы как непроницаемые стальные диски, а ударяющуюся частицу как пулю пренебрежимо малого диаметра, то это отношение есть вероятность попадания пули в какой-нибудь стальной диск, т. е. вероятность остановки атомного снаряда слоем. Если предметом измерения служит доля тех из ударяющих частиц, которые проходят сквозь слой, то полученное поперечное сечение можно назвать полным тормозным поперечным сечением атомов. Это понятие можно распространить на всякое взаимодействие между ударяющей частицей и атомами мишени. Например, вероятность того, что α-частица, попавшая в мишень-бериллий, вырвет из ядра нейтрон, можно заменить эквивалентным поперечным сечением бериллия для реакции этого типа.

1.46. В ядерной физике принято считать, что диаметры сталкивающихся частиц пренебрежимо малы. Поэтому научное определение поперечного сечения для любого ядерного процесса выражается так:

число происходящих процессов / число первоначальных частиц = (число ядер в мишени на см2) × (поперечное сечение ядра в см2),

Следует заметить, что это определение дано для поперечного сечения на ядро. Поперечные сечения могут быть вычислены для любого процесса, например, для захвата, рассеяния, вырывания нейтронов и т. д. Во многих случаях число частиц, испускаемых или рассеиваемых в ядерных процессах, не измеряется непосредственно; измеряют только ослабление параллельного пучка первоначальных частиц, вызванное помещением на его пути определенного вещества известной толщины. Поперечное сечение, полученное таким путем, называется полным поперечным сечением и обозначается буквой σ.

1.47. Как указывалось в параграфе 1.11, диаметр ядра имеет порядок 10-12 см. Мы можем поэтому ожидать, что для ядерных реакций поперечные сечения будут порядка πd2/4 или, грубо 10-24 см2, и эта величина обычно служит единицей для их выражения. Фактически же наблюдаемые поперечные сечения меняются в очень широких пределах. Так, для медленных нейтронов

— 32 —

в реакциях (n, γ), поперечное сечение в некоторых случаях достигает величины 1000•10-24 см2 у а для превращений, происходящих в результате поглощения γ-лучей, поперечные сечения имеют порядок 1/1000•10-24 см2.

ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ В 1939 г.

НЕБОЛЬШОЙ МАСШТАБ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

1.48. Мы говорили свободно об эквивалентности массы и энергии и о ядерных реакциях, таких, например, как реакция действия протонов на литий, когда высвобождается энергия в сравнительно больших количествах. Теперь спросим себя, почему атомные силовые установки не возникли во всем мире в тридцатых годах? В конце концов, коль скоро мы можем получить 2,76•10-8 эрг из атома лития, разрушенного протоном, мы могли бы ожидать получения, примерно, полмиллиона киловатт-часов, комбинируя один грамм водорода с семью граммами лития. Это выглядит заманчивее, чем сжигание угля. Трудности заключаются здесь в получении быстрых протонов и в управлении освобождаемой энергией. Все эксперименты, о которых мы говорили, были проделаны с весьма малыми количествами веществ, которых, конечно, было достаточно много по количеству атомов, но бесконечно мало в обычных единицах массы не тонны или граммы, а миллионные доли грамма. Величина энергии, требовавшейся для выполнения эксперимента, была всегда значительно больше энергии, освобождаемой в процессе ядерной реакции.

1.49. Нейтроны весьма действенны для осуществления ядерного распада. Почему они не применялись? Если их первоначальным источником был пучок ионов, обстреливающий мишень, то имели место ограничения, разобранные в предыдущем параграфе. Если же применялся радиево-бериллиевый источник, то трудность состояла в том, что радий встречается в природе в очень малых количествах.

НЕОБХОДИМОСТЬ ЦЕПНОЙ РЕАКЦИИ

1.50. Обычные наши источники энергии, кроме солнца и воды, суть химические реакции сжигание угля и нефти. Эти реакции

— 33 —

освобождают энергию в результате перегруппировок в внешних электронных оболочках атомов тот же процесс, который дает энергию нашему телу. Горение есть самораспространяющийся процесс; так, если зажечь спичку, то выделившегося тепла хватит для воспламенения окружающего топлива, которое выделит еще тепло, зажигающее топливо дальше, и т. д. В описанных нами выше ядерных реакциях это, вообще говоря, не так: ни выделившейся энергии, ни вновь образовавшихся частиц не достаточно для поддержания реакции. Но мы можем представить себе ядерные реакции, сопровождающиеся испусканием частиц того же вида, что и частицы, вызвавшие эти реакции, и притом в количестве, достаточном для продолжения реакции в соседних ядрах. Такая саморазвивающаяся реакция называется «цепной реакцией», и такие условия должны быть достигнуты, если энергию ядерных реакций мы желаем применять в большом масштабе.

ПЕРИОД ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.51. Хотя в тридцатых годах атомные силовые установки не были построены, было много открытий в области ядерной физики и достаточно много чисто теоретических работ. Г. Бете выдвинул теорию для объяснения образования теплоты солнца посредством цикла ядерных превращений, в которых участвуют углерод, водород, азот и кислород; этот цикл реакций в конечном счете при- водит к образованию гелия.

(Ряд постулированных реакций был такой:

Конечный результат превращение водорода в гелий и позитроны (обозначенные через 1e0) и выделение около тридцати миллионов электрон-вольт энергии.)

Теперь эта теория общепринята. Открытие нескольких ядерных реакций типа (n, 2n) (т. е. реакций, которые вызываются нейтронами и сами производят нейтроны) указывало на то, что при соответствующих условиях может начаться саморазвивающаяся цепная реакция. Много было разговоров об атомной энергии; некоторые рассуждения велись

— 34 —

также и об атомных бомбах. Но последний важный шаг в этот подготовительный период был сделан лишь после четырех лет ошибок и исканий. Некоторые талантливые физики исследовали действие бомбардировки нейтронами ядер урана, самого сложного из всех известных элементов. Результаты были поразительны, но вызвали недоумение. История их постепенного истолкования представляет собой запутанный и сугубо специальный, но увлекательный рассказ о теории и эксперименте. Оставляя в стороне ранние несостоятельные объяснения, мы сразу перейдем к окончательному объяснению, которое, как это часто бывает, сравнительно просто.

ОТКРЫТИЕ ДЕЛЕНИЯ ЯДЕР УРАНА

1.52. Как уже упоминалось, нейтрон оказался частицей, наиболее пригодной для осуществления ядерных превращений. Особенно это относилось к элементам с самыми высокими атомными номерами и атомными весами; у этих элементов большой заряд ядра обусловливает значительные отталкивательные силы, действующие на дейтроны или протоны, но не действующие на незаряженные нейтроны. Результаты бомбардировки урана нейтронами оказались интересными и загадочными. Изученные впервые в 1934 г. Ферми и его сотрудниками, эти результаты были правильно объяснены лишь через несколько лет.

1.53. 16 января 1939 года Нильс Бор (Копенгаген, Дания) прибыл в США, чтобы провести несколько месяцев в Принстоне (Нью-Джерси); он с нетерпением ждал случая обсудить некоторые теоретические вопросы с А. Эйнштейном. (Четыре года спустя Бор вынужден был бежать из оккупированной нацистами Дании на маленьком пароходе). Как раз перед тем, как Бор покинул Данию, двое из его сотрудников О. Р. Фриш и Л. Мейтнер (оба эмигранты из Германии) поделились с ним своей догадкой о том, что поглощение нейтрона ядром урана иногда вызывает расщепление этого ядра на две приблизительно равные части, сопровождающееся освобождением колоссальных количеств энергии; этот процесс стал вскоре называться «делением» ядра. Поводом для этой гипотезы послужило важное открытие О. Гана и Ф. Штрасмана в Германии (опубликовано в первых числах января

— 35 —

1939 г. в журнале Naturwissenschaften), которые доказали, что при действии нейтронов на уран получается изотоп бария. Немедленно по приезде в Соединенные Штаты Бор сообщил эту мысль своему ученику Дж. А. Уилеру и другим в Принстоне, а от них эта новость постепенно стала известна физикам соседних городов, в частности Э. Ферми в Колумбийском университете. В результате бесед между Ферми, Дж. Р. Данингом и Дж. Б. Пеграмом, в Колумбии были предприняты поиски больших ионизационных импульсов, которых следовало ожидать от летящих осколков уранового ядра. 26 января 1939 г. в Вашингтоне состоялась конференция по теоретической физике, созванная Вашингтонским университетом и институтом Карнеги в Вашингтоне. Ферми покинул Нью-Йорк, чтобы принять участие в этой конференции, раньше, чем были проделаны в Колумбийском университете опыты по делению ядра.

На конференции Бор и Ферми обсуждали проблему деления, и, в частности, Ферми упомянул, что могут испускаться нейтроны. Хотя это было лишь догадкой, из нее с очевидностью вытекала возможность цепной реакции. По вопросу о делении в печати был опубликован ряд сенсационных статей. Прежде чем конференция в Вашингтоне закончилась, было предпринято несколько других экспериментов, чтобы подтвердить наличие деления ядер, и в четырех лабораториях (Колумбийский университет, Институт Карнеги в Вашингтоне, Университет Джона Гопкинса, Калифорнийский университет) это было экспериментально подтверждено, о чем сообщалось в Physical Review от 15 февраля 1939 г. К этому времени Бор узнал о том. что подобные же эксперименты были произведены в его лаборатории в Копенгагене около 15 января. (Письмо Фриша в Nature, от 16 января 1939 г., опубликованное в номере от 18 февраля). В Comptes Rendus (Париж) 30 января 1939 г. Ф. Жолио также опубликовал свои первые результаты.

С тех пор непрерывный поток научных докладов о делении ядер не прекращался, так что к тому времени, когда Тэрнер написал большую обзорную статью на эту тему (6 декабря 1939 г.), напечатанную в Reviews of Modern Physics появилось уже около сотни научных докладов. Полный анализ и обсуждение этих работ даны в статье Тэрнера и в других местах.

— 36 —

ОБЩЕЕ РАССМОТРЕНИЕ ВОПРОСА О ДЕЛЕНИИ

1.54. Рассмотрим предположение Фриша и Мейтнер в свете двух главных закономерностей, обнаруженных в строении ядра: во-первых, относительное число нейтронов в ядре возрастает с атомным номером; во-вторых, энергия связи, отнесенная к частице, достигает максимума для ядер с промежуточными атомными номерами. Допустим, что ядро U-238 распалось точно пополам (рис. 2); тогда, пренебрегая массой первоначального нейтрона,

Рис. 2

мы получим два ядра с атомным номером 46 и массовым числом 119. Самый тяжелый устойчивый изотоп палладия (Z=46) имеет массовое число лишь 110. Следовательно, чтобы достигнуть устойчивости, два воображаемые новые ядра должны выбросить девять нейтронов, превратившись в ядра 46Pd110; или четыре нейтрона в каждом ядре должны превратиться в протоны, испуская электроны, тем самым образуя устойчивые ядра олова с массовым числом 119 и атомным номером 50; могут осуществиться и другие какие-либо комбинации этих испусканий и превращений, дающие некоторые новые пары устойчивых ядер. В действительности, как показали Ган и Штрасман на примере бария (Z=56, A= от 135 до 140), как продукта деления, расщепление происходит таким образом, что получаются две неравные части с массовыми числами около 140 и 90, с испусканием нескольких нейтронов и последующим

— 37 —

радиоактивным распадом путем испускания электронов, которое не прекращается до тех пор, пока не образуются устойчивые ядра. Вычисления на основании данных об энергии связи показывают, что всякая такая перегруппировка дает общую результирующую массу, значительно меньшую, чем первоначальная масса ядра урана, и таким образом должно освободиться большое количество энергии.

1.55. Очевидно, из явления деления вытекали три главные следствия: освобождение энергии, получение радиоактивных веществ и возможность нейтронной цепной реакции. Выделившаяся энергия могла обнаружиться в кинетической энергии осколков деления и в последующем радиоактивном распаде продуктов. Возможность нейтронной цепной реакции зависела от того, выбрасывались ли фактически нейтроны, что нуждалось в исследовании.

1.56. Таковы были задачи, возникшие благодаря открытию деления. О характере этих задач сообщалось в журналах в 1939 и 1940 г.г., а с тех пор результаты исследований в значительной мере сохранялись в тайне. Изучение самого процесса деления, ядер, включая получение нейтронов и быстрых осколков, выполнялось в основном физиками с помощью счетчиков, камер Вильсона и т. д. Изучение продуктов деления и определение их природы производились главным образом химиками, которым приходилось быстро разделять субмикроскопические количества веществ и совершать повторные определения периодов полураспада неустойчивых изотопов.

Резюмируем состояние научных знаний к июню 1940 года.

Основные факты о ядерном делении открыты и сделаны достоянием научного мира. Цепная реакция не осуществлена, но ее возможность по крайней мере в принципе ясна, и намечены несколько путей, которые могли бы привести к цели.

СОСТОЯНИЕ НАУЧНЫХ ЗНАНИЙ В ИЮНЕ 1940 г.

ТВЕРДО УСТАНОВЛЕННЫЕ И ОБЩЕИЗВЕСТНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ДЕЛЕНИИ

1.57. Все перечисленные ниже сведения были общеизвестны к июню 1940 г. в Соединенных Штатах и за границей:

(1) Три элемента уран, торий и протактиний при бомбардировке их нейтронами иногда расщепляются на приблизительно

— 38 —

равные осколки, являющиеся изотопами элементов средней части периодической таблицы, от селена (Z=34) до лантана (Z=57).

(2) Большинство осколков неустойчиво; осколки претерпевают радиоактивный распад последовательным испусканием β-частиц, переходя через ряд элементов к различным устойчивым изотопам.

(3) Осколки обладают очень большой кинетической энергией.

(4) Деление тория и протактиния вызывается только быстрыми нейтронами (со скоростями порядка тысяч миль в секунду).

(5) Деление урана может быть вызвано как быстрыми, так и медленными (тепловыми) нейтронами: тепловые нейтроны вызывают деление только U-235, но не U-238; быстрые нейтроны обладают меньшей вероятностью расщепить U-235, чем медленные (тепловые) нейтроны.

(6) При некоторых скоростях поперечное сечение захвата нейтронов U-238, приводящее к образованию U-239, но не к делению, велико.

(7) Энергия, освобождаемая при делении ядра урана, составляет около 200 миллионов электрон-вольт.

(8) В процессе деления выбрасываются быстрые нейтроны.

(9) Среднее количество нейтронов, испускаемых при одном делении, составляет от одного до трех.

(10) Очень быстрые нейтроны теряют энергию путем неупругих соударений с ядрами урана; при этом какие-либо ядерные реакции не происходят.

(11) Большая часть этих сведений находилась в согласии с полуэмпирической теорией строения ядра, разработанной Бором и Уилером и другими; это говорило о том, что предсказания, основанные на этой теории, должны оправдаться.

ПРЕДПОЛОЖЕНИЕ О ДЕЛЕНИИ ПЛУТОНИЯ

1.58. Казалось вероятным, что радиационный захват нейтронов ураном-238 должен приводить, после двух последовательных β-превращений, к образованию ядра с Z=94 и А=239. Выводы из теории Бора-Уилера и некоторые эмпирические соотношения, установленные Л. А. Тэрнером и другими, подсказывали, что это

— 39 —

ядро должно быть довольно устойчиво, испускать α-частицы и делиться при бомбардировке тепловыми нейтронами. Позднее в частных письмах и беседах стали появляться догадки о важности такого теплового деления для поддержания цепной реакции. В современных обозначениях и при существующем уровне наших знаний эта реакция запишется так:

где Np и Pu химические символы двух новых элементов, нептуния и плутония, 0n1 нейтрон, а -1e0 обычный (отрицательный) электрон. Плутоний-239, по предположению, может делиться под действием тепловых нейтронов. Это будет подробно рассмотрено в последующих главах.

ОБЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ФИЗИКИ ЯДРА

1.59. К 1940 году ядерные реакции напряженно изучались уже свыше десяти лет. Было опубликовано несколько обзорных статей и издано несколько книг по ядерной физике. Для получения и управления частицами, которыми обстреливается ядро, для изучения искусственной радиоактивности, а также для разделения ничтожно малых количеств химических элементов, получаемых при ядерных реакциях, была разработана новая техника. Массы изотопов были точно определены. Были также измерены поперечные сечения захвата нейтронов. Были разработаны способы замедления нейтронов. Наблюдались физиологические действия нейтронов; они даже были испытаны для лечения рака. Все подобные сведения были известны всем, но они были весьма неполны. Много было еще пробелов и неточностей. Техника была слишком громоздка, а количества имеющихся веществ были ничтожно малы. Хотя основные принципы были ясны, теория изобиловала непроверенными допущениями, и производить вычисления было трудно. Предсказания, сделанные в 1940 г. разными физиками, одинаково известными и талантливыми, часто сильно расходились. Предмет исследований во многом напоминал скорее искусство, чем науку.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ГЛАВЫ

1.60. Оглядываясь на 1940 год, мы видим, что все предпосылки для серьезных попыток решения проблемы производства атомных

— 40 —

бомб и управления атомной энергией были налицо. Была доказана эквивалентность массы и энергии. Было доказано, что нейтроны, начав деление урана, сами воспроизводились при этом процессе, и что, поэтому, могла осуществиться, с силою взрыва, расходящаяся цепная реакция. Разумеется, никто не знал, можно ли будет достичь требуемых условий, но многие ученые ясно представляли себе все проблемы и возможные пути их решения. Следующая глава дает постановку задач и помогает понять достижения последних пяти лет.

Примечание

  1. Дальнейшие сведения можно почерпнуть из следующих книг: Э. В. Шпольский, Атомная физика, 1944; О. Блэквуд, Э. Хэтчинсон и др. Очерки по физике атома, 2-е изд., 1941; Р. А. Милликэн, Электроны (+ и -), протоны, фотоны, нейтроны и космические лучи, 1939. Л. Мысовский. Новые идеи в физике атомного ядра, 2-е изд. 1939; Ф. Разетти, Основы ядерной физики, 1940. — Прим. ред.