Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство
Шрифт:
Нагретое ядро остывает, выбрасывая один или несколько нейтронов. В результате образуется новое ядро. Если для бомбардировки применялись ускоренные дейтоны (заряд + 1), то остывшее ядро, потеряв нейтрон, сохраняет заряд на единицу больший, чем заряд ядер мишени. Так, в декабре 1940 года при бомбардировке урана дейтонами был повторно синтезирован нептуний-239 и другой изотоп, нептуний-238.
Этот изотоп подвержен бета-распаду. В результате ядро нептуния-238, практически не изменяя своей массы (масса улетевшего электрона почти в 2000 раз меньше массы протона и нейтрона), но увеличивая свой заряд на +1, превращается в новый элемент, идентифицированный 23 февраля 1941 года и названный плутонием (это плутоний-238). Он должен быть расположен в таблице Менделеева правее нептуния. Так был получен второй транс-урановый
Вскоре группа в составе Эмилио Сегре, Джозефа Кеннеди, Артура Вэйля и Глена Сиборга, исследовавшая радиоактивный распад нептуния-239, обнаружила изотоп плутоний-239, его важнейший изотоп, способный к делению, аналогичному делению изотопа уран-235. Уже к 1942 году удалось изготовить 0,5 мг плутония — количество, достаточное для изучения его химических свойств. В 1944 году этот метод снова привел к успеху. Сиборг — незаурядный ученый, ставший нобелевским лауреатом, бывший некоторое время председателем атомной комиссии при конгрессе США, — и его сотрудники осуществили бомбардировку альфа-частицами ядер плутония-239. При поглощении альфа-частицы масса ядра возрастает на четыре единицы, а заряд на две. Возникшее при этом ядро остывает, испуская нейтрон. При этом масса ядра уменьшается на единицу, а его заряд остается неизменным. Так был синтезирован четвертый трансурановый элемент, который получил название «кюрий» (номер 96). Так был получен изотоп кюрий-242.
Все трансурановые элементы радиоактивны, но имеют самые разнообразные времена жизни: нептуний — около 2 суток, плутоний — 24 000 лет, америций — 500 лет, кюрий — 5 месяцев.
После пуска ядерных реакторов открылся новый путь синтеза трансурановых элементов.
Деление ядра — новый вид радиоактивных превращений, ставшее надеждой и угрозой жизни людей XX века, — было открыто в 1939 году немецкими физиками Отто Ханом и Фрицем Штрассманом при бомбардировке ядер урана нейтронами. Они обнаружили, что при такой бомбардировке возникают ядра щелочно-земельных элементов (II группа таблицы Менделеева). Вскоре Лиза Мейтнер (талантливая женщина-физик, работавшая в Институте кайзера Вильгельма в Берлине, которая одна из первых поняла возможность военного применения реакции деления, бежала накануне второй мировой войны в Голландию, а затем в Копенгаген к Бору) и ее племянник О. Фриш объяснили: при этом делятся ядра изотопа уран-235. Поглотив лишний нейтрон, они становятся неустойчивыми и распадаются примерно на две равные части. В 1940 году советские физики Г. Н. Флеров и К. А. Петржак сделали важнейшее открытие — обнаружили спонтанное (самопроизвольное) деление ядра. Начался новый этап продвижения в трансурановую кладовую природы.
Капли и реакторы
Факт деления ядер урана заставил физиков глубже изучить внутреннее строение атомных ядер. Простого представления о том, что в ядре тесно связаны протоны и нейтроны, удерживаемые мощными ядерными силами, было недостаточно для того, чтобы рассчитать детали процесса деления.
Теорию деления ядер создали Бор и Дж. А. Уилер и независимо от них Я. И. Френкель. Они рассматривали ядро упрощенно, уподобив его капле несжимаемой жидкости. Электрический заряд протонов ядра стремится разрушить его. Ядерные силы удерживают частицы, входящие в ядро, аналогично тому, как молекулярные силы удерживают молекулы жидкости, образующие каплю. Это отнюдь не формальная аналогия. Молекулы жидкости, расположенные на поверхности капли, постоянно испытывают совокупную силу притяжения остальных молекул, направленную к центру капли. Но жидкость несжимаема, молекулы, находящиеся глубже, не дают внешним молекулам сдвинуться внутрь. Стремление внешних молекул следовать силе, тянущей их внутрь, уравновешивается внутренним давлением. Ситуация похожа на ту, что возникает в надутом резиновом шарике. Давление воздуха не дает резиновой оболочке сжаться. Оболочка остается напряженной действующими в ней молекулярными силами.
Это, конечно, лишь аналогия. В ядре, как и в капле жидкости, нет оболочки, состоящей из инородного вещества. Но в его поверхностном слое преобладают мощные ядерные силы, удерживающие все протоны и нейтроны внутри ядра. Это равновесное состояние может нарушиться при попадании в ядро лишнего нейтрона или протона. Капля «ядерной жидкости» начнет колебаться. Она может отдать избыток энергии, например выбросив из себя нейтрон. Невозможен и другой процесс. Колебания поверхности ядра могут оказаться столь интенсивными, что ядро примет форму гантели — двух шаров, соединенных перемычкой. Если колебания очень велики, перемычка может разорваться. Произойдет деление ядра на две части, которые под влиянием ядерных сил стремятся стянуться в две отдельные капли — в два ядра.
Обратим внимание на важное обстоятельство. Масса этих ядер не обязательно одинакова. Не одинаково может быть и распределение между ними полного количества протонов и нейтронов, входящих в исходное ядро. В соответствии с количеством протонов в каждой из частей между ними перераспределяются электроны, окружавшие исходное ядро. Возникают два, тоже не обязательно одинаковых, атома.
Ядра этих атомов обычно сохраняют избыточную энергию. Они освобождаются от нее — «остывают», например испуская по одному нейтрону. Иногда может выделиться и больше одного нейтрона.
Когда ученые осознали механизм деления ядра, некоторые из них увидели путь овладения ядерной энергией.
Возможность спонтанного деления, без участия внешних нейтронов, открывала и путь к созданию атомной бомбы. Ее следовало бы назвать ядерной бомбой, ведь при ядерной реакции выделяется энергия, заключенная в ядре> ядерная энергия. Это не энергия электронных оболочек, отдаваемая при химических реакциях, например при горении или обычном взрыве. Однако название «атомная бомба» стало привычным и общеупотребительным.
Первые оценки количества урана, способного самопроизвольно положить начало реакции деления его ядер, сделали Я. Б. Зельдович и Ю. Б. Харитон, два выдающихся советских физика. Они подсчитали: вероятность спонтанного деления ядер урана-235 очень мала. Но при каждом акте деления высвобождается (в среднем) более двух нейтронов. Попав в ядро соседнего атома урана-235, каждый из них практически мгновенно вызовет деление этого ядра и высвободит еще два или больше нейтронов. Так развивается цепная ядерная реакция, ядерный взрыв. Зельдович и Харитон правильно оценили, какой должна быть масса урана-235 для «запуска» цепной реакции, для взрыва бомбы.
В ядерных реакторах, применяемых для получения ядерной энергии в мирных целях, принимаются меры к тому, чтобы не дать цепной реакции деления ядер перейти во взрыв. Для этого специальная система управления поглощает часть нейтронов. Достигнув определенной величины, скорость ядерных реакций более не возрастает.
Внутри реактора бушует первозданная стихия: рождается огромное количество нейтронов и тут же поглощается соседними ядрами и системой управления. Когда ученые достаточно глубоко осмыслили характер этих процессов, они поняли: это подходящий котел для «варки» трансурановых элементов! При этих условиях может успешно реализовываться предложенный Ферми метод получения тяжелых элементов. Первый шаг здесь — выделение и накопление изотопа плутоний-239. Второй — использование этого изотопа для накопления более тяжелых трансурановых элементов.
Эксперимент был осуществлен. Он происходит следующим образом. Внутрь ядерного реактора, туда, где через каждый квадратный сантиметр любой поверхности пролетает миллион миллиардов нейтронов, помещают образец плутония-239. Каждое ядро плутония-239, поглотив один нейтрон, превращается в ядро плутония-240. Оно может избавиться от полученной при этом избыточной энергии двумя путями. 70 % ядер испытывают процесс деления, порождающий два ядра. Эти ядра образуют в свою очередь два атома, принадлежащие к средней области таблицы Менделеева. 30 % ядер плутония-240, не успевая претерпеть деление, поглощают еще один нейтрон, превращаясь в ядро плутония-241. Дальше процесс опять может развиваться двумя путями: 20 % от первоначального количества ядер плутония-241 испытывают деление, а 10 % поглощают еще один нейтрон, превращаясь в плутоний-242. Вероятность деления этих ядер очень мала. Все они поглощают еще один нейтрон, превращаясь в плутоний-243. Это ядро испускает электрон. Ученые говорят, ядро неустойчиво относительно бета-распада. И, увеличив при этом свой заряд на единицу, переходит направо, в соседнюю клетку периодической системы. В данном случае оно располагается на пустом месте между плутонием и кюрием. Новое ядро, окружив себя электронами, становится атомом, получившим название «америций». Это изотоп америций-243.