Беседы об атомном ядре

— А существует ли вообще такая реакция, в которой ядро сразу отдавало бы весь свой энергетический запас?

— В принципе физики знали, как этот запас получить целиком. Уверенность им придавал «дефект масс». Максимальная энергия могла выделиться при превращении ядра самого тяжелого элемента в ядро элемента из средней частицы таблицы. Трудность заключалась лишь в том, как разбить тяжелое ядро на более мелкие.

— А не проще соединять самые легкие ядра, имеющие, кажется, тоже маленький «дефект масс» и обладающие избытком энергии?

— Такие реакции идут в раскаленных звездах. Но в лаборатории ускоритель расходовал так много энергии на сближение двух ядер, например, изотопа водорода — дейтерия, — что слова о возможном ее выигрыше звучат как насмешка. И все же ученым вскоре удалось найти путь к овладению ядерной энергией.

В 1934 году французские ученые Ф. Жолио-Кюри и его жена И. Кюри, дочь знаменитой М. Склодовской-Кюри, открыли новое явление — искусственную радиоактивность атомных ядер. Супруги Жолио-Кюри облучали альфа-частицами ядра алюминия. В результате ядерной реакции впервые был получен не существующий в природе радиоактивный изотоп фосфора.

Так через сорок лет потеряла свою уникальность естественная радиоактивность атомных ядер. Человек научился превращать любые стабильные вещества в радиоактивные, бомбардируя ядра разных химических элементов протонами, нейтронами и альфа-частицами.

Нейтроны играли особую роль в создании искусственных радиоактивных изотопов. У этих частиц нет электрического заряда, поэтому они легко преодолевали электростатический барьер (одноименные заряды отталкиваются), которым окружены тяжелые заряженные ядра.

С нейтронами предпочитал работать молодой, но уже известный итальянский ученый Э. Ферми. Открытие французских ученых его чрезвычайно заинтересовало. Физик-теоретик Римского университета, создатель теории радиоактивного бета-распада, он решил вместе со своими коллегами начать эксперименты по облучению тяжелых ядер нейтронами.

Почему именно тяжелых?

Э. Ферми задумал перешагнуть границу периодической таблицы и получить элемент, ядра которого имели бы протонов больше, чем их в ядрах самого тяжелого из известных элементов. Ученый был убежден, что нейтроны, попадая в переполненные нуклонами ядра урана, принудят их к радиоактивному бета-распаду. А если это так, то ядро урана и приобретет вожделенный дополнительный протон.

Необходимое для нейтронной атаки урана оборудование состояло из источника нейтронов, урановой мишени и ящика со свинцовыми стенками, обложенными изнутри парафином, для защиты экспериментаторов от радиоактивного излучения.

О ящике, казалось бы, можно было и не упоминать, но совершенно неожиданное влияние его на измерения натолкнуло Э. Ферми на открытие, которое значительно ускорило путь к овладению ядерной энергией.

После нескольких опытов ученые с удивлением обнаружили, что в разных местах ящика уран «глотает» нейтроны, так сказать, с разным аппетитом. Мистика? Досадная помеха?

Э. Ферми увидел в этом нечто большее. Утром он пришел в университет с готовым объяснением. А чуть позже на одной из улиц Вечного города произошло странное событие. Группа молодых людей, выскочив из ворот университета, помчалась прямо к ближайшему фонтану. Они опустили в воду источник нейтронов, мишень, и… идея Э. Ферми блестяще подтвердилась.

Обдумав полученные накануне результаты, Э. Ферми предположил следующее. Вероятно, все дело в том, что поглощение нейтронов тяжелыми ядрами зависит от энергии самих нейтронов.

Вода — прекрасный замедлитель для нейтронов. Сталкиваясь с ядрами водорода — протонами, — нейтральные частицы быстро затормаживаются до скорости теплового движения молекул воды (такие нейтроны называют тепловыми). А замедлившиеся в толще воды тепловые нейтроны с гораздо большей вероятностью захватывались ядрами урана. В тот памятный день фонтан стал очень важной деталью экспериментальной установки.

Обнаруженное явление полностью разъяснило и историю с ящиком. Отражаясь от парафиновых блоков, нейтроны теряли энергию, замедлялись и гораздо охотнее вступали в реакцию с ядрами мишени. Только в разных местах ящика из-за его формы количество таких замедленных нейтронов было неодинаковым. Вот и вся мистика.