Биография атома

Открытие Петржака и Флёрова показало, что для начала цепной реакции совсем не нужны нейтронные источники. Первые нейтроны для цепной реакции всегда найдутся. Их дадут самопроизвольно разваливающиеся ядра урана.

1942 год. 2 декабря

Опыт в бассейне с золотыми рыбками

Прежде чем рассказать о декабрьском событии 1942 г., вернемся на несколько лет назад (1934 г.) в солнечную Италию, в Римский университет.

Помните, мы говорили об опытах группы «мальчуганов», возглавляемых Энрико Ферми? Облучая нейтронами различные элементы, они пытались получить 93-й элемент и получили неожиданный результат.

Немного раньше двое ученых из той же группы, Бруно Понтекорво и Эдуардо Амальди, облучая нейтронами различные материалы и испытывая их радиоактивность, обнаружили большую странность в их поведении. Оказывается, величина приобретенной веществами радиоактивности зависела от того, какие предметы находились рядом с облучаемым материалом. Если облучаемый образец находился в свинцовом ящике, то у него наблюдалась радиоактивность гораздо меньшая, чем если он облучался на деревянном столе. Ферми, руководитель «мальчуганов», сразу же обратил на это явление самое серьезное внимание. Тот факт, что чем легче вещество, находящееся рядом с облучаемым образцом, тем сильнее становится радиоактивность, приобретенная образцом, навел его на некоторые размышления. Но ученый предпочитал пока о них не рассказывать. Он только посоветовал своим друзьям поместить облучаемый образец в парафин и посмотреть, что получится.

Так и сделали. Взяли кусок парафина, выдолбили в нем ямку и в нее поместили облучаемый образец—серебряный стаканчик, внутри которого находился источник нейтронов. После облучения проверили радиоактивность серебряного стаканчика. Произошло чудо: парафин в сто раз увеличил радиоактивность стаканчика!

Этот опыт убедил Ферми в правильности его догадки. А рассуждения Ферми были такие. Когда быстрый нейтрон сталкивается с ядром, то поведение нейтрона после столкновения сильно зависит от того, с каким ядром столкнулся нейтрон—легким или тяжелым. Если ядро тяжелое, то нейтрон ударится о него, как о неподвижную стенку, и отскочит почти с той же энергией, которую он имел до столкновения. Подобно тому, как бильярдный шар, ударяясь о бортик бильярда, отскакивает от него с такой же скоростью. Если же ядро легкое, то нейтрон передаст ему часть своей энергии и отскочит от ядра уже с меньшей энергией. Чем легче ядро, тем больше энергии потеряет нейтрон.

Предельный случай, когда ядро имеет массу, равную массе нейтрона. Например, ядра атомов водорода. Ядро водорода содержит единственную частицу — протон. Его масса примерно равна массе нейтрона. Ударившись о такое ядро, нейтрон может совсем потерять свою энергию. Вспомним бильярдные шары. При лобовом столкновении двух одинаковых шаров налетающий шар останавливается, а другой отскакивает со скоростью налетевшего на него шара.

А что происходит, если нейтрон пролетает через вещество с меньшей скоростью? Тогда он с большей вероятностью может быть захвачен каким-либо ядром. Ведь время нахождения нейтрона вблизи ядра при уменьшении скорости увеличивается, и, следовательно, увеличивается время взаимодействия между ними. Значит, чем легче ядра атомов вещества, тем большее количество пролетающих через него нейтронов потеряет энергию и будет захвачено ядрами. И тем больше будет радиоактивность облучаемого вещества.

Поэтому и наблюдались на первый взгляд странные явления в опытах Амальди и Понтекорво. Когда облучаемый образец находился в свинцовом ящике, то нейтроны, ударяясь о ядра атомов свинца, почти не изменяли своей энергии и направления полета. А если образец помещался на деревянный стол, то дерево, содержащее много легких ядер водорода и углерода, сильно замедляло и рассеивало нейтроны. Некоторые из них после нескольких соударений возвращались назад уже сильно замедленными. Они-то и захватывались очень охотно ядрами атомов серебра. Поэтому и увеличивалась его радиоактивность. В парафине еще больше атомов водорода. И, как и ожидал Ферми, радиоактивность серебра, облученного в парафине, увеличилась еще больше.

Но Ферми хотел окончательно убедиться в правильности своей теории, которую он изложил своим друзьям. Для проверки выбрали бассейн с золотыми рыбками, находившийся рядом с лабораторией, в которой они работали. По теории Ферми, вода, содержащая много водорода, должна еще лучше замедлять нейтроны, чем парафин. Опять провели опыт с серебряным стаканчиком. И что же? Радиоактивность серебра стала еще больше. Теперь сомнений не было — поведением нейтронов можно управлять, используя вещества с разным атомным весом. Так было открыто явление замедления нейтронов.

Это открытие «мальчуганов» Ферми было очень важным. Первая цепная реакция, которую осуществил Ферми через восемь лет, в 1942 г., была бы невозможна без явления замедления нейтронов.

Эмигранты