Энергия атома - Ключ к ядру атома

КЛЮЧ К ЯДРУ АТОМА
НОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Исследование явлений радиоактивности в свое время позволило сделать первый приближенный вывод о строении атомного ядра. Ученые считали, что, помимо протонов, в него входят и электроны, нейтрализующие заряд протонов. На это указывал и бета-распад: из ядер радиоактивных элементов вылетали самые настоящие электроны.
Все выглядело правильным и убедительным. Но по мере дальнейших открытий все яснее становилось, что электроны в ядре находиться не могут.
Снова появилась загадка, причем, казалось бы, в ясном и понятном вопросе.
Разгадать эту новую загадку можно было, только предположив, что вместо электронов, спаренных с частью протонов, в ядре имеются частицы, равные по массе протону, но не имеющие электрического заряда.
Эта мысль была настолько соблазнительна, что ее высказали в 1920 году сразу три физика: Резерфорд в Англии, 

Мэссон в Австралии и Харкинс в США. Харкинс даже предложил название для этой еще не открытой частицы — нейтрон.
Однако обнаружить частицу, не обладающую электрическим зарядом, с помощью имевшихся тогда методов было невозможно.
Поэтому вопрос о ее существовании, как говорится, долго висел в воздухе, пока физики не натолкнулись в 1930 году на одно непонятное явление.
Неожиданно! Вдруг! Этими словами очень часто начинается описание самых драматических моментов, приводящих ученых и изобретателей к величайшим и важнейшим научным и техническим открытиям.
Прочитав о нескольких таких случаях, читатель или придет к убеждению, что большинство открытий в науке и технике было сделано действительно случайно, или он вправе заподозрить авторов книг в том, что они слишком большое значение придают случаю вместо творческого предвидения.
Действительно, все будто бы происходит случайно: Рентген «случайно» обнаружил лучи, названные рентгеновыми, Беккерель «по ошибке» открыл явление радиоактивности, и т. д.
Если вдуматься, как происходит большинство великих и малых открытий, все они в той или иной мере случайные; вернее — происшедшие несколько неожиданно в цепи опытов и исканий, неминуемо и закономерно ведущих к этим открытиям. И если бы, то или иное открытие не сделал один ученый, его обязательно сделал бы другой или их ученики, или же это событие обязательно произошло бы в жизни следующего поколения. Ведь Рентген изучал свойства потоков быстрых электронов, Беккерель обязательно хотел разгадать тайну загадочного свечения одного участка катодной трубки.
Вы отправляетесь исследовать неизвестную область страны. Вас интересует в ней все: природа, животный и растительный мир и многое другое. Короче говоря, все, что вы там встретите. Романтическое воображение рисует картины возможных открытий, одну заманчивее другой. Но вот вы перевалили через гряду гор, и перед вами открылось изумительно красивое озеро.
Неожиданно? Да. Вдруг? Безусловно. Но именно такое озеро, хотя, и не подозревая об этом, вы отправлялись искать, сделав свой первый шаг в начале путешествия.
Поэтому пусть простит нас читатель, если и дальше, восторгаясь теми или иными научными открытиями, их описание мы время от времени будем начинать словами: «Неожиданно!», «Вдруг!»
Так вот, в поисках подходов или хотя бы еле заметных тропинок, ведущих к загадочному ядру атома, немецкие ученые В. Боте и Г. Беккер в 1930 году стали в тупик перед явлением, совершенно противоположным тому, что они ожидали, начиная опыт.
Изучая взаимодействие «атомных снарядов» — альфа-частиц с энергией порядка 5,26 Мэв, испускаемых полонием-210, с атомами легких элементов, ученые бомбардировали ими литий, бериллий, бор. Ядра этих элементов содержат соответственно три, четыре и пять протонов.

Опыт, который привел к открытию новой частицы — нейтрона. Поглощая альфа-частицы, атомы бериллия выбрасывают необнаруживаемые нейтроны. Последние, попадая в ядра атомов входящего в парафин водорода, выбивают из них протоны, уже улавливаемые счетчиками Гейгера — Мюллера.
Исследователи хотели посмотреть, что же получится, когда в них попадает сравнимый по массе «атомный снаряд» — ядро гелия.
Обнаружилось, что при этом действительно происходят какие-то странные явления. Бомбардируемые элементы начинают испускать очень слабое, но удивительно проникающее излучение.
В течение двух последующих лет эксперименты с таинственным излучением проводились учеными уже многих стран.
Дочь Марии и Пьера Кюри — Ирен Кюри и ее муж Фредерик Жолио обнаружили еще один любопытный факт, с помощью которого вскоре была объяснена наконец природа этого излучения, а заодно и строение ядер атомов.
На пути нового излучения они поставили пластину парафина. Из нее начали вылетать ядра водорода — протоны, выбитые таинственным излучением.
Гамма-лучи выбить из парафина протоны таких энергий никак не могли. Для этого их энергия должна быть огромной — не менее 50 Мэв.
Что же в таком случае представляло собой таинственное излучение?

ЕЩЕ ОДИН ПЕРСОНАЖ-НЕЙТРОН

Только в конце 1932 года английский ученый Дж. Чедвик, проведя серию аналогичных опытов, доказал, что в действительности новое излучение ничего общего с гамма-лучами не имеет, а является потоком нейтральных частиц, масса которых совпадает с массой протона.
Это и были предсказанные ранее нейтроны.
Частицы с такой массой вполне могли выбить из парафина ядра водорода, а так как заряда они не имели, то ничто не мешало им взаимодействовать с ядрами бомбардируемого вещества.
Таким образом В. Боте и Г. Беккер первые напали на след этой долгожданной и столь нужной физикам частицы.
Открытие нейтрона задержалось как раз из-за его удивительных особенностей. Ведь в распоряжении ученых не было приборов, с помощью которых можно было бы наблюдать нейтральную частицу.
Заряженные частицы, как мы уже говорили, сталкиваясь с атомами других веществ, вступают сперва в электрическое взаимодействие с электронными оболочками этих атомов. При этом происходит ионизация вещества, которая и регистрируется соответствующими приборами.
Нейтрон же не имеет электрического заряда. Он спокойно проходит сквозь электронные оболочки атомов, так как никакого действия на него они не оказывают. Столь же нечувствителен нейтрон и к положительному заряду ядра.
Столкнувшись с ядром водорода, нейтрон каким-то образом передает ему часть своей энергии. Естественно, что чем меньше масса ядра атома, с которым столкнулся нейтрон, тем больше энергии может передать ему нейтрон.
Поэтому наблюдать это явление лучше всего у веществ с небольшим атомным весом. Минимальный вес, как известно, у ядер водорода. Вот почему так наглядно происходит взаимодействие нейтронов с ядрами атомов в парафине. Ведь это вещество содержит много водородных атомов.
Управлять движением нейтронов оказалось не легче, чем их регистрировать, и опять-таки из-за отсутствия у этих частиц электрического заряда.
С помощью электрического и магнитного полей легко можно изменить скорость любой заряженной частицы, направить ее туда, куда заблагорассудится исследователю. Даже для частиц очень больших энергий это вполне достижимо. Дело только в том, чтобы создать достаточно мощные поля. А вот на нейтрон не действует ни магнитное, ни электрическое поле.
Поэтому единственный способ подействовать на нейтрон — изменить его движение — как раз и состоит в том, чтобы подставлять на его пути ядра различных элементов, которые при столкновении будут замедлять скорость нейтрона, изменять его траекторию.
Защита от излучения обычно строится на том, что излучение теряет часть своей энергии при взаимодействии с электронными оболочками атомов вещества защитного экрана. Этого-то взаимодействия у нейтронов и нет.
Толстые свинцовые листы, надежно поглощающие даже очень мощные потоки гамма-лучей, бессильны в борьбе с нейтроном. А вот тоненькая пластинка кадмия, через которую легко проходят гамма-лучи, является непреодолимой преградой для нейтронов — они поглощаются атомами кадмия.
Мы еще много будем говорить о различных взаимодействиях нейтронов с веществом, об их замедлении и поглощении. Это очень важные вопросы нейтронной физики, а физика нейтронов сейчас стала основой колоссально развившейся отрасли техники — ядерной энергетики. Поэтому все, что связано с нейтронами, изучается исключительно подробно.
Масса нейтрона почти совпадает с массой протона. Почти, но не совсем. Если принять за основу изотоп кислорода О16 и считать за единицу 716 его массы, то у протона эта величина выразится как 1,00759, а у нейтрона — 1,00898. Разница невелика, но, как мы увидим дальше, очень существенна.
Свободные нейтроны «радиоактивны». Они не могут долго находиться в свободном состоянии и спустя 11,7 мин распадаются на протон, электрон и еще одну частицу, обладающую нулевым зарядом и ничтожной массой, — нейтрино, о которой мы скажем позднее.
Естественного источника нейтронов в природе не существует, если не считать очень небольшого числа этих частиц, которые изредка выбрасываются при самопроизвольном распаде ядер атомов урана, а также возникают в газообразной оболочке Земли в результате столкновения влетающих в атмосферу быстрых заряженных частиц, рождающихся в космосе, с атомами атмосферных газов.
Легче всего получить поток нейтронов при бомбардировке бериллия альфа-частицами. Поэтому основными источниками нейтронов долгое время после их открытия являлись радиево-бериллиевый и радон-бериллиевый препараты.
Итак, мы видим, что обнаружить нейтрон можно, только применяя косвенные методы.

«Паспорта» электрона, протона и нейтрона.
Один из них состоит в том, что отскочившую при столкновении с нейтроном и оказавшуюся в результате этого ионизированной частицу — ядро отдачи — мы уже можем обнаружить обычными способами.
Другие методы регистрации нейтронов—также косвенные — основаны на захвате нейтронов ядрами атомов некоторых элементов. При этом вновь образовавшееся ядро может испустить какую-то другую, уже заряженную частицу; ее-то и регистрируют. Новое ядро может излучать гамма- лучи — это тоже путь для регистрации.

РАЗГАДКА СТРОЕНИЯ ЯДРА АТОМА

Так стали выглядеть ядра атомов водорода, гелия и лития согласно теории, выдвинутой в 1932 году советскими учеными Е. Н. Гапоном и Д. Д. Иваненко.
Открытие нейтрона явилось, пожалуй, важнейшим событием во всей истории современной ядерной физики. Оно позволило устранить самое слабое звено во всей цепи представлений о строении ядра атома, давно смущавшее и волновавшее физиков. Стало ясно, что никакие электроны в состав ядра атома не входят. Они внезапно возникают в ядре атома только в момент его радиоактивного превращения (распада) и вылетают из него. Основной составной частицей ядра наряду с протоном стал нейтрон.
Новая модель строения ядра атома была разработана советскими учеными Дмитрием Дмитриевичем Иваненко и Евгением Никитичем Гапоном и одновременно с ними немецким физиком Вернером Гейзенбергом в 1932 году.
Согласно их предположению, ядра всех атомов состоят только из протонов и нейтронов. В связи с этим и те и другие были названы нуклонами (от латинского «нуклоус» — «ядро»). 

Разница в массах изотопов различных элементов зависит только от количества находящихся в ядре атома нейтронов.
Число протонов в ядре строго равно сумме его положительных зарядов, то есть атомному номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева, а общее количество нуклонов — протонов и нейтронов — атомному весу.
Ядро гелия, например, состоит из двух протонов и двух нейтронов. Поэтому положительный заряд ядра атома гелия и равен двум, и на его электронной орбите вращается два электрона.
Общее число протонов и нейтронов атома гелия равно четырем, что и делает его атомный вес равным четырем.
Открытие нейтрона позволило довольно просто объяснить и существование изотопов одних и тех же элементов. Атомный вес каждого из изотопов зависит от количества нейтронов, входящих в его ядро.
Помимо изотопов, в природе могут существовать атомы, которые, обладая одинаковым атомным весом, занимают тем не менее различные места в таблице Д. И. Менделеева, то есть являются атомами различных элементов.
Такие атомы называются изобарами (от греческих слов «изос» — «равный» и «барос» — «тяжесть», «вес»).

Различное количество нейтронов и протонов в ядре атома объясняет, почему ядра с одинаковой массой (количеством нуклонов) оказываются изотопами разных элементов. Такие атомы называются изобарами. На рисунке показана разница между изотопами и изобарами.
Например, если в одном ядре атома имеется пять протонов и пять нейтронов, а в другом пять протонов и шесть нейтронов, то по числу протонов, то есть по числу положительных зарядов (пять), они являются изотопами одного и того же элемента — бора и отличаются один от другого только массой (атомным весом): в первом случае 10, во втором — 11.
Если же в ядре атома, имеющего одну и ту же массу 10, в одном случае будет четыре протона и шесть нейтронов, а в другом пять протонов и пять нейтронов, то это будут уже атомы различных элементов: первый — бериллия, второй — бора.
Существуют атомы калия и кальция, масса которых одна и та же — 40, кадмия — 112, 114, 116 и олова с той же массой — 112, 114, 116, и т. д.
Однако радиоактивные ядра атомов некоторых элементов могут состоять из одного и того же количества протонов и нейтронов, но по-разному размещенных в пределах ядра. Вследствие этого ядра будут пребывать и в разных степенях возбужденного состояния. Обнаруживается это только тем, что при радиоактивном распаде они обладают и различной радиоактивностью, то есть период полураспада у них разный. Например, ядра одних и тех же искусственных радиоактивных изотопов сурьмы-124 могут распадаться за 1,3 мин, 21 мин и 53,7 дня. Такие ядра называются изомерами (от греческих слов «изос» — «равный» и «мерос» — «доля»).
Нуклонная модель строения атомного ядра молниеносно получила признание. Она соответствовала многочисленным фактам, накопленным к тому времени, объясняла их, показывала ученым новые пути для опытов, давала материал для различных теоретических работ и, как это повелось в науке, «коварно» подводила к новым, еще более глубоким тайнам, противоречиям и подлинным чудесам.

В «ШАПКЕ-НЕВИДИМКЕ»

Как и любая иная, новая научная теория, блестяще разгадав одну загадку природы, сразу же обнаруживала добрую дюжину других, еще более сложных, трудных и в то же время головокружительно увлекательных загадок, что, кстати говоря, и является, пожалуй, главной движущей силой науки.
Протонно-нейтронная теория строения ядра атома никак не могла обойти затруднений, вызываемых существованием огромных сил отталкивания, создаваемых положительными зарядами протонов, сжатых вместе какой-то неведомой силой в ядре атома.
Что же, какие силы удерживают протоны от разлетания в стороны со скоростью и энергией невиданно сокрушительного (в масштабах ядра атома) взрыва? Почему не имеющие никакого заряда всепроникающие нейтроны просто не вываливаются из ядра?
Человечество неоднократно убеждалось, что в мире всего самого чудесного и таинственного на свете — в науке как раз и не оказывается ничего волшебного. Все рано или поздно получает строго научное и доказательное объяснение.
Оставалось предположить, что в ядре атома существуют и действуют новые, пока еще никому не известные силы, во много раз превышающие силы электростатического отталкивания положительно заряженных протонов ядра атома.
Существование этих сил объяснило и наличие огромной энергии, скрытой в ядре атома, признаки которой проявляются в распаде радиоактивных веществ, в выбрасывании частиц при обстреле ядер атомов протонами или альфа-частицами, в превращениях одних элементов в другие.
Неизвестные силы в одинаковой степени действуют не только на заряженные частицы, но и на нейтральные. Они, наподобие сильной пружины, и удерживают — сжимают положительно заряженные протоны и нуклоны в ничтожно малом объеме (1/100 000диаметра атома), какой занимает ядро атома. И, видимо, стоит чуть-чуть «подтолкнуть» ядро, то есть придать ему небольшое количество избыточной энергии, чтобы оно, насыщенное своей собственной энергией, начало разваливаться.
Сделать это можно двумя путями. Самый трудный — попытаться «силой» загнать в него какую-либо тяжелую заряженную частицу, способную преодолеть сопротивление суммарного положительного электрического заряда протонов ядра атома. Но для этого энергии в 13,43 Мэв у протона, испускаемого радиоактивным бором-12, или 10 Мэв альфа-частицы, испускаемой францием-87, заведомо мало. Большую часть своей кинетической энергии эти частицы растратят на преодоление «броневой защиты» ядра атома и, обессиленные, не смогут к нему даже прикоснуться, не то, чтобы в него проникнуть.
Следовательно, разгонять их до значительно больших энергий нужно было искусственным путем.
Совсем другими, поистине удивительными возможностями обладает нейтрон. Пользуясь «нейтральностью», он свободно проникает сквозь электронную оболочку атома и зону отталкивающего действия суммарного положительного заряда ядра атома. Недаром пророчески произнесенные Резерфордом еще в 1920 году слова звучали хотя и загадочно, но верно: «Это будет вещество, которое не удержать в запечатанном сосуде». Подойдя вплотную к ядру, нейтрон попадает в сферу действия ядерных сил и, если он движется достаточно медленно, втягивается внутрь ядра атома.
Здесь-το и начинается самое удивительное.
В результате неожиданного «прибавления семейства» ядро оказывается обладателем излишка энергии, равного 8 Мэв. Это резко нарушает сложившееся там равновесие сил, и ядро приходит в бурное движение, или, как говорят физики, в возбужденное состояние, от которого ядро атома может избавиться, только испустив нуклон, альфа-частицу или распавшись на какие-то осколки.
Почему же одно лишь присоединение нейтрона к ядру атома вносит в него энергию возбуждения, равную 8 Мэв? Ответить, по существу, мы сумеем только в одной из следующих глав. Пока же примем это на веру.
Если для удаления (выбивания) нуклона из его ядра требуется затратить энергию порядка 7—8 эв, то логично предположить, что и при принудительном введении внутрь ядра лишнего нуклона в нем должна появиться избыточная энергия, равная как раз энергии 7—8 эв. Эта энергия сперва возбуждает ядро, а затем приводит к его распаду с выделением излишней энергии.
Сколько же в таком случае нужно избыточной энергии, или энергии возбуждения, чтобы вызвать, например, деление ядра атома, сопровождающееся выделением еще большего количества энергии?
Тем меньше, чем тяжелее ядро атома. Поэтому ядра тяжелых элементов оказываются и самыми неустойчивыми.
Очень наглядно это показано в следующем выводе:

Если же нейтрон обладает еще и кинетической энергией 10 Мэв, то в захватившее его ядро он вносит избыток энергии, равный уже 18 Мэв, вследствие чего ядро «гостеприимного» атома возбуждается еще больше.
Получается, что нейтрон вообще не должен обладать почти никакой начальной кинетической энергией. Нужно лишь помочь ему попасть в ядро атома, а уж там он, используя особым образом свои скрытые резервы, добавит к энергии ядра хозяина еще и свою собственную энергию.

ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ

Наибольшие успехи в обстреле альфа-частицами атомов одних элементов с целью превратить их в другие достигались лишь тогда, когда в качестве мишеней выбирались атомы наиболее легких элементов: литий, бериллий, бор.
Но для того, чтобы разрушать ядра более тяжелых элементов, энергии альфа-частиц, выбрасываемых распадающимися радиоактивными веществами, как мы уже говорили, было явно недостаточно. И нет ничего удивительного, что сразу же возникла мысль: нельзя ли для этой цели использовать нейтроны, на которые мощный положительный заряд тяжелых ядер не оказывал никакого влияния?
Но существовавшие тогда источники давали слишком мало нейтронов. 1 г радия выбивал из бериллиевой пластинки всего лишь 107 нейтронов в секунду. Такой поток снарядов, даже учитывая способность нейтронов легко проникать к ядрам атомов, являлся явно ничтожным.
Пытаясь получить значительно больший поток нейтронов. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри в 1934 году открыли совершенно новое, замечательное явление, которое стало еще одной основой всей современной ядерной физики и техники. Для своих опытов они взяли препарат полония, более активного, чем радий, элемента, выбрасывающего альфа-частицы с энергией выше 5 Мэв.
Этим мощным потоком альфа-частиц они бомбардировали различные вещества, среди которых были бор, алюминий, магний и другие, рассчитывая обнаружить среди них элементы, испускающие максимально возможный поток нейтронов.
Желая разобраться более подробно в составе появлявшегося при этом вторичного излучения, супруги Жолио-Кюри использовали камеру Вильсона.
Как-то, направив сквозь камеру пучок нейтронов, испускаемых бомбардируемым, как и в опытах Боте и Беккера, алюминием, исследователи неожиданно обнаружили в нем большое количество следов, принадлежащих легким положительным частицам. Это были следы открытых за три года до этого американским ученым Андерсоном позитронов — положительных электронов — частиц, во всем, кроме знака заряда, подобных электронам.

Первая в мире фотография следа, оставленного в камере Вильсона позитроном — частицей, отличающейся от электрона только знаком своего заряда.
Но самое интересное оказалось впереди. Когда удалили источник альфа-частиц, то есть бомбардировка алюминиевой пластинки прекратилась, нейтроны, как и следовало ожидать, исчезли. Но выделение позитронов все еще продолжалось, уменьшаясь лишь постепенно. В течение каждых 2,5 мин число излучаемых позитронов сокращалось в два раза.
Ни один из известных естественных радиоактивных элементов таким периодом полураспада не обладал. Кроме того, новое явление отличалось от естественной радиоактивности еще и тем, что излучение позитронов алюминиевой пластинкой возобновлялось, как только ее начинали облучать альфа- частицами. Все это свидетельствовало о том, что под действием альфа-частиц в алюминии образуется какой-то новый, искусственный элемент, радиоактивный распад которого сопровождается излучением позитронов.
Более тщательное исследование этого вида ядерной реакции позволило установить, что ядро атома алюминия (13Αl27), захватив облучающую его альфа-частицу (2Не4), выбрасывает нейтрон и превращается в изотоп атома фосфора с атомным весом 30 (15Р30) Однако устойчивых изотопов фосфора с такой массой не существует, поэтому он, очевидно, должен распасться. При распаде он и выбрасывает позитрон. Это может произойти, если в ядре атома фосфора вместо одного из протонов появляется нейтрон. В таком случае вместо необычного фосфора возникает кремний (14Si30), имеющий заряд ядра на единицу меньше. Другими словами, в новой реакции ядро потеряло один положительный электрический заряд, но сохранило массу.
Процесс этот можно записать так:

Образовавшийся радиоактивный фосфор распадается и, излучив позитрон, превращается в кремний:

Схема опыта, который привел Ирен и Фредерика Жолио-Кюри к открытию искусственной радиоактивности. Облученный альфа-частицами алюминий продолжает испускать позитроны даже после того, как между ним и источником альфа-частиц поставлен свинцовый экран, полностью останавливающий альфа-частицы.

Атомы алюминия при бомбардировке их альфа-частицами превращаются сначала в радиоактивный фосфор, а затем в кремний.
К вороху неразгаданных загадок новое явление добавило еще несколько менее понятных: откуда в ядре атома появляется позитрон, по какой причине исчезает протон, а взамен его появляется нейтрон, и т. д. Ответ мог дать только эксперимент. И неудивительно, что вслед за этим открытием ученые в различных странах стали подвергать бомбардировке ядерными частицами буквально все химические элементы. При этом выяснилось, что почти все они могут образовать новые радиоактивные изотопы. В короткий срок число таких искусственных излучателей дошло до 1000, и с каждым годом открывались всё новые и новые.

ЕЩЕ ОДНА ОШИБКА!

В 30-х годах нашего века в университете Рима стал работать молодой и талантливый итальянский физик Энрико Ферми.
Увлеченный сенсационным открытием Ирен и Фредериком Жолио-Кюри искусственной радиоактивности, Э. Ферми вместе со своими товарищами изучал, что происходит при бомбардировке нейтронами атомов самых разнообразных элементов.
В качестве атомной «пушки» использовался радиево-бериллиевый источник.
В короткий срок они обстреляли из своего довольно удобного и несложного источника нейтронов атомы элементов буквально всей периодической таблицы. Как и следовало ожидать, при этом часто получались искусственные радиоактивные вещества.
Наконец дошла очередь и до урана. Будучи очень пытливым и любознательным человеком, Ферми предполагал, что, захватив один или несколько «снарядов»-нейтронов, уран может превратиться в еще более тяжелый элемент, какие до сих пор в природе не обнаруживались.
Такой опыт и был впервые осуществлен в 1934 году. Подвергшийся нейтронной бомбардировке уран действительно оказался более радиоактивным, чем был до опыта. Более того, в нем были обнаружены четыре вида радиоактивных ядер с разными периодами полураспада.
Это дало Ферми основание заключить, что им создано сразу четыре новых сверхтяжелых элемента. Такие элементы получили в дальнейшем название трансурановых или заурановых.
Нет необходимости описывать волнение, с каким ученые во всех странах начали выделять и исследовать эти новые трансурановые элементы, повторяя в бесчисленных вариантах опыты Ферми.
Полученные результаты в целом как будто бы совпадали, но начали возникать и непонятные, смущающие исследователей явления: во-первых, легкость, с какой в дальнейшем росло число вновь обнаруживаемых видов радиоактивности, которые приписывали все новым и новым элементам. Кроме того, несмотря на всю изобретательность и усилия ученых, выделить вновь создаваемые элементы из массы урана не удавалось ни одному из них.
Поиски продолжались в течение пяти лет. И вот в 1939 году случилось нечто совсем непредвиденное. Один из новых радиоактивных элементов, обнаруженный немецкими химиками О. Ганом и Ф. Штрассманом в облученном нейтронами уране (по расчетам Ферми, этот элемент должен был бы иметь порядковый номер 93, 94, 95, 96 или даже 97), оказался барием, расположенным в самой середине таблицы элементов и имеющим атомный вес всего 56. Другой элемент оказался лантаном-57.
Замешательство ученых было понятно: попадая в ядро элемента 92 и застревая в нем, нейтрон ни при каких условиях не мог превратить этот элемент в барий или лантан — ведь эти элементы почти в два раза легче урана. Неоднократно повторяя эти опыты, ученые неизменно приходили к одному и тому же результату: возникновению бария и лантана при бомбардировке урана нейтронами. И чем больше они работали, тем больше им казалось, что они впали в противоречие со всем прежним опытом ядерной физики.

Лишь осенью 1939 года немецкие физики Л. Мейтнер и ее племянник О. Фриш, работавшие в то время в Копенгагенском университете (Дания), куда они бежали из Германии, спасаясь от преследования фашистов, выяснили, что же все-таки происходит с ураном, облученным нейтронами.
С помощью довольно тонких опытов они доказали, что при этом взаимодействии образуются две частицы с примерно половинной массой, которые разлетаются в разные стороны.
На снимках, сделанных позднее в камере Вильсона, были ясно видны следы двух осколков, вылетающих из ядра урана.
Сомнений не оставалось — под действием нейтронов ядра урана распадались на две части, выделяя при этом огромную энергию.
Мейтнер и Фриш объяснили это явление так. Чем больше и массивнее ядро атома, тем менее оно устойчиво. Когда в такое неустойчивое ядро атома попадает какая-либо посторонняя частица, она сообщает ему добавочную энергию, отчего ядро приходит в бурное движение — становится возбужденным и при некоторых определенных условиях может и вовсе развалиться.
Поэтому ничего нет удивительного в том, что ядро атома урана, и без того малоустойчивое, захватив нейтрон, вместо того чтобы выбросить одну или несколько частиц, как это происходило при обстреле атомов более легких элементов, неожиданно распадается. Этот процесс был назван ядерной реакцией деления.

Кинетическая энергия двух разлетающихся осколков деления ядра атома урана достигает...
В результате такого деления и появляются два осколка — ядра элементов с атомным весом от 80 до 160 каждое, например бром и лантан, барий и криптон, и др. Эти осколки оказались сильно радиоактивными. Лишь после нескольких последовательных распадов, сопровождающихся испусканием бета-частиц, они становятся стабильными.
Разлетающиеся осколки обладают высокой кинетической энергией. Эта энергия оказывается в сотни раз больше, чем энергия частичного расщепления ядер под действием альфа- частиц и протонов.
После открытия нового для ядерной физики процесса деления опыты со всеми другими элементами, как по команде, были почти повсеместно остановлены и массированное «артиллерийское наступление» физиков-ядерщиков было направлено на неожиданно оказавшееся столь неустойчивым ядро урана — еще более узкий участок фронта ядерной физики.
В обычной артиллерии все усилия ученых, конструкторов и изобретателей испокон веков были направлены на то, чтобы добиться как можно большей скорости полета снаряда при максимально большом его весе. Такой снаряд обладает большей живой силой, и его удар более разрушителен.
Бомбардируя ядра атомов, ученые также стремились к тому, чтобы их «снаряды» были как можно более массивными и обладали предельно большими скоростями. Идеалом являлась возможность придать альфа-частице или протону скорость, близкую к скорости света.
Здесь же явное отступление от общепринятого правила привело к совершенно неожиданному, но отрадному результату. Нейтроны, обладающие сравнительно небольшой кинетической энергией, превосходно делили уран.

Что происходит в дальнейшем с осколками разделившегося пополам ядра атома урана.

Чем же было замечательно новое явление?
Прежде всего тем, что ядерная реакция деления сопровождается выделением чрезвычайно большого количества энергии. Расчеты, а позднее и практические измерения показали, что при каждом делении ядра урана на две половинки высвобождается энергия, равная примерно 200 Мэв.
Самое же главное заключалось в ином: любая пара продуктов деления ядра атома урана — ксенон и цирконий, бром и лантан и др., имеют в своих ядрах от 129 до 140 нейтронов, в то время как ядро атома урана содержит их 143—146. В итоге несколько нейтронов — в среднем от двух до трех, до того сравнительно спокойно пребывавших каждый «на своем месте» в недрах ядра атома урана, сказываются уже излишними для пары ядер дочерних атомов. Имея избыток нейтронов, эти атомы либо сразу избавляются от них, либо обладают так называемой нейтронной радиоактивностью — выбрасывают эти нейтроны спустя некоторое время.
Так же как и осколки деления ядер урана, нейтроны разлетаются в стороны с огромной энергией: порядка 1,0— 1,5 Мэв каждый.
Здесь важно напомнить, что потенциально каждый такой оказавшийся свободным нейтрон, в свою очередь, способен тоже разделить по одному ядру атома урана.
Но мы еще много будем говорить об этих особенностях нейтронов. Лучше посмотрим внимательнее, что происходит с ураном. Ведь он содержит несколько изотопов. Какие же из них делятся нейтронами и какими особыми свойствами должны обладать эти нейтроны?

СЕМЬЯ ИЗОТОПОВ УРАНА

За четыре года до открытия деления урана, в 1935 году, в одной из лабораторий Чикагского университета произошло событие, не замеченное тогда почти никем, но имевшее тем не менее очень важное значение для физики атомного ядра.
Здесь работал химик, профессор Артур Демпстер, уроженец Канады. Его специальностью было изучение различных элементов при помощи весьма сложной установки — масспектрографа.
Пользуясь этим прибором, ученые еще раньше установили, что атомы многих природных элементов, обладая совершенно одинаковыми химическими свойствами, тем не менее имеют различные атомные веса. Речь идет о знакомых уже нам изотопах.

Способными делиться под действием нейтронов самых различных энергий оказались лишь ядра атомов урана-235, которого в природной смеси урана содержится всего 0,7%.
Исследуя однажды спектр чистого урана, Демпстер неожиданно обнаружил на пластинке мишени рядом с жирной чертой, оставляемой обычно ураном-238, другую еле заметную черточку. Это оказался след второго, очень редкого изотопа— урана-235. Несколько позже был обнаружен еще более редкий изотоп — уран-234.
Более тщательные измерения показали, что в чистом природном уране содержится 99,28% урана-238, 0,714% урана-235 и лишь 0,006% урана-234.
Только через пять лет после этого, казалось бы, ничем не примечательного события ученым удалось установить, что под действием нейтронов любых энергий очень интенсивно делятся только ядра урана-235, которого в природном элементе содержится всего лишь 0,7%. И чем меньшей энергией обладают нейтроны, тем лучше они делят ядра урана-235. Особенно же хорошо их делят так называемые тепловые нейтроны с энергией порядка 0,03 эв. Основной же изотоп — уран-238 — делится только под действием самых быстрых, обладающих большой энергией нейтронов: порядка 1—2Мэв.
Для современной физики весьма характерен и многозначителен тот факт, что вскоре после открытия изотопов урана известный датский физик Нильс Бор совместно с молодым физиком Принстонского университета Джоном Уиллером теоретически предсказал возможность деления под действием медленных, тепловых нейтронов именно легкого изотопа — урана-235.

У ЗАВЕТНОЙ ЦЕЛИ

Из всей цепи открытий, связанных с делением ядер урана, пожалуй, самым замечательным и важным оказалось то, что в момент деления из ядра урана вылетают одновременно два-три свободных нейтрона, не связанные с ядрами образующихся при этом осколков. Мы уже упоминали об этом интереснейшем факте.
Помня способность нейтронов делить ядра атомов урана на два-три осколка, теперь можно было предположить, пока еще теоретически, что при известных благоприятно сложившихся условиях каждый из таких трех выброшенных из разделившегося ядра урана нейтронов мог бы попасть в соседний атом урана и тоже разделить его. В момент деления тот выбросит новый залп из трех нейтронов, которые, в свою очередь, вызовут утроенное количество делящихся соседних ядер урана, и т. д. В результате можно было ожидать появления в уране самонарастающей с бешеной скоростью (3, 9, 27, 81, 243, 729 и т. д.) цепной ядерной реакции деления.
Но даже если из двух-трех (в среднем 2,5—2,7) оказавшихся «не у дел» нейтронов по крайней мере один нейтрон из первого поколения разделившихся ядер урана может вызвать второе деление и по меньшей мере один нейтрон из второго поколения может вызвать третье деление, и т. д., то и тогда могла бы возникнуть самоподдерживающаяся цепная реакция деления, не нуждающаяся в дальнейшем ни в каких внешних источниках нейтронов.
Когда ученым впервые удалось наблюдать реакцию деления ядер атомов урана под действием нейтронов, эта реакция, естественно, не была ни разветвленной, ни просто саморазвивающейся цепной: при удалении внешнего источника нейтронов деление ядер урана тотчас же прекращалось.
Делящимся материалом, как и указывал Нильс Бор, мог быть только уран-235, так как нейтроны, появляющиеся при его делении, очень быстро замедляются при соударениях с соседними ядрами урана и не могут делить ядра основного изотопа — урана-238.
При достаточном количестве урана-235, окружающего точку, от которой началось такое последовательно умножающееся деление, можно было бы получить почти мгновенный взрыв чудовищной силы, при котором выделилось бы энергии в миллионы раз больше, чем при взрыве такого же количества самого сильного из созданных человеком взрывчатых веществ.
Выводы получились столь потрясающими, что у ученых, занимавшихся этими вопросами, буквально захватило дух.

Для возбуждения лавинообразно нарастающей цепной реакции деления ядер атомов урана-235 нужен всего лишь один нейтрон.
А спустя еще некоторое время — 30 апреля 1939 года —  в одной из газет появилась заметка такого содержания: «Доктор Нильс Бор из Копенгагена заявил, что бомбардировка небольшого количества чистого изотопа урана-235 медленными нейтронами вызовет цепную реакцию, или атомный взрыв, сила которого будет настолько громадной, что взлетят на воздух лаборатория и все находящиеся в данной местности сооружения в радиусе многих миль».
Столь же неожиданно прекратилось дальнейшее печатание каких бы то ни было статей и сообщений на эту тему во всех странах мира.
Ученые напали на след, ведущий как будто бы прямо к цели. Длительный период молчания усугубился начавшейся второй мировой войной, и вот. . .
День 16 июля 1945 года—день исключительно важного события в истории человечества. На глазах у затаивших дыхание ученых, инженеров, техников, военных и представителей гражданских властей США на пустынном участке Аламогардо, в штате Нью-Мексико, в 5 час 30 мин утра был произведен первый взрыв атомной бомбы.

Взрыв атомной бомбы.

Небольшое количество делящегося вещества — урана-235, вступившее в мгновенную цепную реакцию, высвободило огромную энергию, скрытую испокон веков в глубинах атомного ядра.
Вот какими словами описывает это событие один из свидетелей взрыва:
«Сначала вспыхнул свет ни с чем не сравнимой яркости. Мы все обернулись и сквозь черные очки увидели огненный шар. Приблизительно через 40 сек пришла взрывная волна, за которой последовал звук, но ни то, ни другое не показалось нам поразительным — так потрясла нас необычная интенсивность света. Образовалось большое плотное облако, которое, клубясь, вздымалось вверх с огромной силой и примерно в 5 мин достигло субстратосферы. . . Облако поднялось на большую высоту сначала в виде шара, затем оно приняло форму гриба, затем превратилось в длинный, похожий на трубу столб и, наконец, было развеяно в нескольких направлениях переменными ветрами на различных высотах».
Многие из присутствовавших при взрыве ученых вполне искренне верили, что с освобождением атомной энергии наступит золотой век для человечества. Исчезнут войны.  Наступит всеобщее изобилие; дешевая, почти даровая энергия поможет осуществить самые заветные, самые смелые, самые, казалось бы, невозможные мечты человека. А спустя всего лишь несколько недель человечество было потрясено совершенно иным применением новой беспредельной силы, с таким трудом вырванной человеком у природы.
Американская военщина, желая использовать атомную энергию для запугивания народов и государств, уже на исходе войны, когда капитуляция милитаристской Японии была делом дней или недель, пошла на страшное преступление. Сброшенными с самолетов двумя атомными бомбами были почти полностью уничтожены два цветущих японских города — Хиросима и Нагасаки. Погибло свыше 230 тысяч жителей.
И лишь день 27 июня 1954 года принес человечеству истинно радостную весть. Ученые, инженеры и весь советский народ общими усилиями пустили в ход первую в мире промышленную атомную электростанцию, работающую на энергии деления ядер урана.
Овладев тайной атомного оружия, Советский Союз в сознании своей мощи и правоты подал всему миру первый пример действительно мирного использования атомной энергии на благо человечества.
Пройдут годы, и именно этот день войдет в историю как день начала подлинного атомного века — века мирного использования колоссальной энергии атома.