Философия оптимизма

Таблица Менделеева начинается водородом, атомное ядро которого состоит из одного протона. Здесь дефект массы, конечно, отсутствует. У следующего элемента, гелия, ядро состоит из двух протонов и двух нейтронов, здесь есть значительный дефект массы, и синтез ядер гелия из ядер водорода (т. е. протонов) и нейтронов освободил бы относительно большое количество энергии. В середине таблицы Менделеева находятся элементы с большим удельным дефектом массы, чем в начале таблицы, у легких элементов, и большим, чем в конце таблицы, у тяжелых элементов. Поэтому, разделив ядро урана (238 ядерных частиц) на два ядра по 115–120 ядерных частиц, мы перешли бы к более экономной упаковке частиц и соответственно большему удельному дефекту массы. Энергия при этом выделилась бы. Такое выделение энергии освободило бы только небольшую часть энергии, соответствующей всей массе вещества. Здесь еще не используется энергия, близкая к массе частиц, умноженной на квадрат скорости света. Но освобождающаяся при таком делении энергия в миллионы раз больше, чем энергия, получаемая из того же количества вещества при перегруппировке атомов в молекулах, например при сгорании топлива. В атомной физике энергия обычно измеряется электронвольтами (эв). Электронвольт — это энергия одного электрона, которую он приобретает, пройдя разность потенциалов в один вольт. При делении одного ядра урана выделяется 200 млн. эв энергии — в несколько миллионов раз больше, чем. приходится на один атом при выделяющих энергию химических реакциях, например при горении топлива. Один грамм урана дает больше тепла, чем три тонны сгорающего угля.

Практическая возможность перегруппировки ядерных частиц в ядра с большим дефектом массы и использования разницы в дефекте массы стала вырисовываться в 30-е воды. В начале 30-х годов были открыты уже упоминавшиеся частицы, не имеющие электрического заряда, — нейтроны. Лишенные заряда, они не испытывают кулоновского отталкивания со стороны ядер и могут легко проникать в ядра и вызывать ядерные реакции. До конца 30-х годов были известны лишь ядерные реакции радиоактивного распада, при которых из ядра вылетают одна или несколько ядерных частиц и элемент переходит в соседнюю или близкую клетку таблицы Менделеева. В 1939 г. выяснилось, что при бомбардировке урана нейтронами ядро урана раскалывается на две почти равные половины — атомные ядра элементов, стоящих в середине таблицы Менделеева. Разница в дефекте массы уже указана — 200 млн. эв, так что на каждую ядерную частицу приходится около миллиона электрон-вольт «экономии». Освобождение этой энергии (соответствующее уменьшению массы ядра урана при его расщеплении) в виде кинетической энергии осколков урановых ядер и в виде излучений сопровождается вылетом из делящихся ядер новых нейтронов, которые попадают в другие ядра, и таким образом при известных условиях возникает цепная реакция, иначе говоря, первый же нейтрон (а они могут возникать в уране спонтанно либо под действием космических лучей) вызовет деление всей массы урана.

Цепная реакция не прекращается, если при делении ядра выделится число нейтронов, в среднем большее единицы, т. е. на каждый затраченный нейтрон выделится больше одного нового нейтрона. Развитию цепной реакции мешает захват нейтронов ядрами, которые при захвате не делятся. Если из каждой группы выделившихся новых нейтронов слишком много нейтронов будет захвачено ядрами без деления этих ядер, цепной реакции не произойдет. Обычный природный уран состоит в основном из двух изотопов: урана-238 с 238 ядерными частицами и урана-235 с 235 частицами (есть еще третий изотоп — уран-233 с 233 частицами; его в природном уране совсем мало). Урана-238 в 140 раз больше, чем урана-235. Ядра этих изотопов по-разному реагируют на попадание медленного (с энергией не больше 2 млн. эв) нейтрона. В уране-238 ядра, захватывая такой нейтрон, превращаются в ядра нового изотопа — урана-239. Таким образом, они не распадаются. Каждый новый нейтроне имеет во много раз больше шансов быть захваченный ядром урана-238, чем вызвать деление и участвовать 9 цепной реакции.

Поэтому в обычном, природном уране цепной реакции не происходит. Другое дело, если выделить уран-235. Ядра этого изотопа делятся при попадании нейтрона в ядро, и в выделенном, чистом уране-235 начинается цепная реакция. Но здесь требуется дополнительное условие. Если кусок урана-235 мал, большинство нейтронов уйдет из этого куска, не вызвав деления ядер: для цепной реакции нужен кусок урана-235 не меньше определенной, критической массы.

Теперь посмотрим, что происходит, когда ядро урана-238 захватывает нейтрон. Оно становится ядром урана-239. Этот неустойчивый изотоп очень быстро распадается и при этом переходит в изотоп нептуния-239 — нового, искусственно полученного элемента таблицы Менделеева, первого из более тяжелых, чем уран, элементов — трансуранов. Далее, нептуний, обладающий периодом полураспада 2,3 дня, превращается в изотоп плутония. Ядра плутония делятся под влиянием нейтронов, подобно ядрам урана-235.