Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство

Продвинуться дальше в трансурановую область тем же методом, то есть облучением тяжелых ядер нейтронами, не удалось. Слишком малы были потоки нейтронов, доступные исследователям в 1940 году. Это заставило физиков избрать другой путь, кажущийся с первого взгляда более трудным. Они решили возвратиться к первоначальному методу Резерфорда, облучавшего ядра-мишени альфа-частицами. Резерфорд успешно облучал альфа-частицами легкие ядра, имеющие сравнительно небольшой положительный заряд, не способный воспрепятствовать положительной альфа-частице приблизиться к ядру и проникнуть в него. Физики знали, что тяжелые ядра, обладающие большим положительным зарядом, не позволят приблизиться к себе альфа-частицам, вылетающим из ядер радиоактивных элементов, которыми пользовался Резерфорд и все его последователи. Но к 1930 году Эрнест Лоуренс, замечательный физик-инженер, с первым своим помощником Эдлефсеном изобрел и построил в Калифорнийском университете циклический ускоритель заряженных частиц — циклотрон. Эта машина способна разгонять заряженные частицы — протоны, дейтоны и альфа-частицы — до энергий 20–40 Мэв*.

При столь высоких энергиях такая частица способна преодолеть отталкивающие силы заряженного ядра урана и приблизиться к нему столь близко, что мощные ядерные силы втянут ее внутрь ядра.

Если энергия ускоренной частицы превышает кулоновский барьер ядра*, то этот избыток энергии входит вместе с частицей внутрь ядра и нагревает его, как нагревает мишень застрявшая в ней пуля: кинетическая энергия движения превращается в тепло. В данном случае в тепловые движения протонов и нейтронов внутри ядра-мишени.

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 элемент, плутоний-238.

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.