Фундаментальная радиохимия

В 1932 г. английский ученый Дж. Чедвик открыл нейтрон. Д. Д. Иваненко и независимо от него В. Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель строения ядра атома.

Многие ученые стали изучать действие нейтронов на различные химические элементы. Э. Ферми облучал нейтронами уран. В облученном уране были найдены четыре носителя радиоактивности с периодами полураспада 10 с, 40 с, 13 мин и 90 мин. Два последних соосаждались с диоксидом марганца. Ферми посчитал, что он выделил элементы с порядковыми номерами 93 и 94. Но метод их идентификации не выдерживал критики, так как с диоксидом марганца могли соосаждаться многие другие элементы.

В 1938 г. Ф. Жолио-Кюри и югославский ученый П. Савич нашли, что в продукте облучения урана нейтронами присутствует какой-то редкоземельный элемент.

Опыты Э. Ферми повторили также немецкие исследователи Отто Ган, Лиза Мейтнер и Фредерик Штрассман. Они также не смогли доказать получение 93-го и 94-го элементов. О. Ган и Ф. Штрассман, исследуя продукты облучения урана нейтронами с использованием метода носителей, обнаружили во фракциях, осажденных с лантаном и барием, радиоактивность, которая не менялась при дробной кристаллизации солей бария, когда радий должен отделяться от бария. Следовательно, продукты облучения урана нейтронами содержат радиоактивные изотопы лантана и бария. 28 января 1939 г. Ган и Штрассман направили в журнал «Naturwissenschaft» статью «Доказательство возникновения активных изотопов бария из урана и тория при облучении их нейтронами».

Для объяснения данного факта О. Ган и Л. Мейтнер выдвинули гипотезу о делении ядер урана под действием нейтронов. Эта гипотеза была подтверждена многочисленными опытами. Л. Мейтнер и О. Фриш дали теоретическое обоснование процесса деления.

В Принстоне Н. Бор и А. Уилер приступили к разработке теории деления ядра (как капли). Они ссылались на работы сотрудника Ленинградского физико-технического института Я. И. Френкеля, который независимо от Бора и Уиллера предложил теорию деления ядер. После расчетов Ю. Б. Харитона и Я. Б. Зельдовича, Э. Ферми, Ф. Жолио-Кюри общепринятым стало положение о цепном характере деления ядер урана, так как кроме крупных осколков в одном акте деления выделяются 2–3 новых нейтрона. Процесс деления сопровождается выделением большого количества энергии – 200 МэВ на один акт деления.

Впервые о возможности осуществления управляемого процесса деления ядер урана заявили в 1940 г. Зельдович и Харитон. Расчеты показали, что для этого необходимо иметь материал высокой чистоты и создать критическую массу. Поскольку деление ядер урана-235 с большей вероятностью осуществляется медленными нейтронами, то требуются замедлители, например графит.

В 1940 г. аспирантами И. В. Курчатова Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком открыто явление спонтанного деления ядер урана, что свидетельствовало о возможности первоначального возбуждения цепной реакции деления ядер урана без внешних источников нейтронов.

В том же 1940 г. американский физик Э. Макмиллан доказал, что при облучении урана нейтронами получается новый элемент – нептуний-239:

Нептуний-239 является бета-активным излучателем с периодом полураспада 2,3 сут.

Вскоре Г. Сиборг, Э. Макмиллан, Дж. Кеннеди и А. Вал получили изотоп элемента с порядковым номером 94 и массовым числом 238 путем бомбардировки урана в циклотроне дейтронами:

Химия плутония-238 изучалась микрохимическими методами на микрограммовых количествах, полученных на циклотроне. Лишь после работ с ²³⁸Ри было установлено, что распад ²³⁹Np приводит к образованию долгоживущего изотопа ²³⁹Ри с периодом полураспада 24 390 лет. Нептуний и плутоний по традиции названы по именам планет, следующих за Ураном. Изотоп ²³⁹Ри, так же как и ²³⁵U, способен делиться под действием нейтронов.

В 1940 г. в США начинаются работы по созданию атомной бомбы, закодированные под названием Манхэттенский проект. Строятся заводы по разделению изотопов урана. Под руководством Э. Ферми 2 декабря 1942 г. в Чикаго запущен первый в мире атомный реактор, которому было разрешено работать всего 28 мин. Критическая масса составила 46 т урана, размещенного среди 385 т чистого графита. Затем были построены промышленные реакторы для наработки плутония-239. За 1942–1945 г.г. было получено урана-235 и плутония-239 на три атомные бомбы. 16 июля 1945 г. в Аламогордо (штат Нью-Мексико) проведено испытание атомной бомбы. 6 и 9 августа 1945 г., как известно, атомные бомбы разрушили японские города Хиросиму и Нагасаки, погибли сотни тысяч мирных жителей.