Цепная реакция идей

Эффект замедления нейтронов часто называют «эффектом Ферми», хотя правильнее было бы называть его «эффектом Жолио — Ферми». Позже свойство парафина, воды, графита замедлять нейтроны сыграло исключительно важную роль в практическом использовании атомной энергии. В ядерных реакторах, построенных под руководством Ферми в США и И.В. Курчатова в СССР, использовался в качестве замедлителя нейтронов графит. В реакторе, созданном Жолио-Кюри, замедлителем нейтронов была тяжелая вода. Но от искусственной радиоактивности до постройки ядерных реакторов необходимо было пройти еще сложный путь, и Ирен и Фредерик Жолио-Кюри были в числе лидеров.

Ферми объяснял эффект замедления нейтронов тем, что содержащиеся в парафине атомы водорода замедляют нейтроны значительно сильнее, чем атомы других элементов. Поскольку массы нейтрона и протона почти одинаковы, при каждом столкновении этих двух частиц их кинетическая энергия распределяется почти поровну. Ферми показал, что нейтрон с энергией 2 миллиона электрон-вольт после двадцати столкновений с атомами водорода теряет свою энергию почти до уровня теплового возбуждения. Поэтому медленные нейтроны называются также тепловыми нейтронами. Оставалось еще объяснить факт, казавшийся парадоксальным, а именно: почему тепловые нейтроны более эффективны для осуществления ядерных реакций, чем быстрые? Этот парадокс был объяснен с помощью квантовой механики.

Пользуясь замедленными нейтронами, Ферми и его сотрудники получили радиоактивные изотопы всех элементов, выбранных для опытов, причем в ряде случаев интенсивность излучения изотопов была больше, чем у радия.

Экспериментальные данные и теоретические соображения позволили Ферми прийти к выводу о существовании трех процессов образования искусственных радиоактивных элементов. Все они начинаются с захвата нейтрона ядром, после чего ядро испускает альфа-частицу или ничего не испускает, но во всех трех случаях образуется новый радиоактивный изотоп. Первые два процесса встречаются чаще при бомбардировке легких ядер, третий — при бомбардировке ядер тяжелых элементов.

В 1934 году в опытах, продолжавшихся в Римском университете, Ферми облучал нейтронами уран. В результате образовывалась смесь нескольких бета-радиоактивных изотопов. Среди них, по мнению Ферми, Разетти и Д'Агостино, должны были находиться элементы с атомными номерами 93 и 94. Они даже назвали эти элементы аусонием и эсперием. Позднее стало ясно, что хотя при бомбардировке урана и тория действительно образуются трансурановые элементы, сообщение Ферми об открытом им первом трансурановом элементе 93 было неверно. По словам Бруно Понтекорво, это была единственная ошибка Ферми в течение его долгой и блестящей исследовательской деятельности.

Объясняя образование нового элемента, принятого за трансурановый, Ферми исходил из классического розерфордовского механизма искусственных ядерных реакций, известного в то время. В ядерных реакциях, осуществленных Резерфордом в течение нескольких лет (с 1919 года), ядра при столкновении с альфа-частицами испускали одну или несколько частиц и превращались в ядра других элементов, находящихся в соседних клетках таблицы Д.И. Менделеева. Ферми считал, что при бомбардировке нейтронами ядро урана поглощает медленный нейтрон и становится сверхтяжелым неустойчивым ядром изотопа урана, ранее неизвестного в природе. Это неустойчивое ядро изотопа урана испускает бета-частицу и в соответствии с законом Содди и Фаянса превращается в новый элемент с порядковым номером 93.

Как ни парадоксально, но ошибка Ферми сыграла положительную роль в дальнейшем развитии ядерной физики, которое в конце концов привело к открытию реакции деления урана и, следовательно, вплотную приблизило физиков к овладению атомной энергией.

Ирен Жолио-Кюри решила проверить правильность утверждения Ферми об открытии им 93-го элемента. Вместе с Павле Савичем она исследовала вещество, принятое Ферми за новый трансурановый элемент, и показала, что оно обладает свойствами лантана. Это открытие предвещало сенсацию в физике, а именно установление того факта, что существуют ядерные реакции, при которых ядро «раскалывается» на два приблизительно равных по массе осколка. Теперь каждый знает, что такая реакция называется реакцией деления и именно она лежит в основе использования атомной энергии.

В 1938 году на конгрессе Национального химического объединения в Риме Фредерик Жолио-Кюри встретил немецкого ученого Отто Гана и рассказал ему об опытах Ирен и Павле Савича. По этому поводу профессор Ган сказал Фредерику примерно следующее: «Я очень восхищен вашей женой и очень дружелюбно отношусь к ней. И все же я решил повторить ее опыты и надеюсь в скором времени показать, что она ошиблась». Знаменитому немецкому радиохимику, ученику Резерфорда, казалось маловероятным, что при бомбардировке нейтронами урана в результате ядерной реакции получается лантан.