Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство

Теорию деления ядер создали Бор и Дж. А. Уилер и независимо от них Я. И. Френкель. Они рассматривали ядро упрощенно, уподобив его капле несжимаемой жидкости. Электрический заряд протонов ядра стремится разрушить его. Ядерные силы удерживают частицы, входящие в ядро, аналогично тому, как молекулярные силы удерживают молекулы жидкости, образующие каплю. Это отнюдь не формальная аналогия. Молекулы жидкости, расположенные на поверхности капли, постоянно испытывают совокупную силу притяжения остальных молекул, направленную к центру капли. Но жидкость несжимаема, молекулы, находящиеся глубже, не дают внешним молекулам сдвинуться внутрь. Стремление внешних молекул следовать силе, тянущей их внутрь, уравновешивается внутренним давлением. Ситуация похожа на ту, что возникает в надутом резиновом шарике. Давление воздуха не дает резиновой оболочке сжаться. Оболочка остается напряженной действующими в ней молекулярными силами.

Это, конечно, лишь аналогия. В ядре, как и в капле жидкости, нет оболочки, состоящей из инородного вещества. Но в его поверхностном слое преобладают мощные ядерные силы, удерживающие все протоны и нейтроны внутри ядра. Это равновесное состояние может нарушиться при попадании в ядро лишнего нейтрона или протона. Капля «ядерной жидкости» начнет колебаться. Она может отдать избыток энергии, например выбросив из себя нейтрон. Невозможен и другой процесс. Колебания поверхности ядра могут оказаться столь интенсивными, что ядро примет форму гантели — двух шаров, соединенных перемычкой. Если колебания очень велики, перемычка может разорваться. Произойдет деление ядра на две части, которые под влиянием ядерных сил стремятся стянуться в две отдельные капли — в два ядра.

Обратим внимание на важное обстоятельство. Масса этих ядер не обязательно одинакова. Не одинаково может быть и распределение между ними полного количества протонов и нейтронов, входящих в исходное ядро. В соответствии с количеством протонов в каждой из частей между ними перераспределяются электроны, окружавшие исходное ядро. Возникают два, тоже не обязательно одинаковых, атома.

Ядра этих атомов обычно сохраняют избыточную энергию. Они освобождаются от нее — «остывают», например испуская по одному нейтрону. Иногда может выделиться и больше одного нейтрона.

Когда ученые осознали механизм деления ядра, некоторые из них увидели путь овладения ядерной энергией.

Возможность спонтанного деления, без участия внешних нейтронов, открывала и путь к созданию атомной бомбы. Ее следовало бы назвать ядерной бомбой, ведь при ядерной реакции выделяется энергия, заключенная в ядре> ядерная энергия. Это не энергия электронных оболочек, отдаваемая при химических реакциях, например при горении или обычном взрыве. Однако название «атомная бомба» стало привычным и общеупотребительным.

Первые оценки количества урана, способного самопроизвольно положить начало реакции деления его ядер, сделали Я. Б. Зельдович и Ю. Б. Харитон, два выдающихся советских физика. Они подсчитали: вероятность спонтанного деления ядер урана-235 очень мала. Но при каждом акте деления высвобождается (в среднем) более двух нейтронов. Попав в ядро соседнего атома урана-235, каждый из них практически мгновенно вызовет деление этого ядра и высвободит еще два или больше нейтронов. Так развивается цепная ядерная реакция, ядерный взрыв. Зельдович и Харитон правильно оценили, какой должна быть масса урана-235 для «запуска» цепной реакции, для взрыва бомбы.

В ядерных реакторах, применяемых для получения ядерной энергии в мирных целях, принимаются меры к тому, чтобы не дать цепной реакции деления ядер перейти во взрыв. Для этого специальная система управления поглощает часть нейтронов. Достигнув определенной величины, скорость ядерных реакций более не возрастает.

Внутри реактора бушует первозданная стихия: рождается огромное количество нейтронов и тут же поглощается соседними ядрами и системой управления. Когда ученые достаточно глубоко осмыслили характер этих процессов, они поняли: это подходящий котел для «варки» трансурановых элементов! При этих условиях может успешно реализовываться предложенный Ферми метод получения тяжелых элементов. Первый шаг здесь — выделение и накопление изотопа плутоний-239. Второй — использование этого изотопа для накопления более тяжелых трансурановых элементов.