Antonio Hernandez-Fernandez - В делении сила. Ферми. Ядерная энергия.

• Название: В делении сила. Ферми. Ядерная энергия.
• Автор: Antonio Hernandez-Fernandez
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Физика
• Год: 2015

Энрико Ферми, один из главных ученых XX века, произвел революцию в физике первой половины столетия, внеся вклад в развитие таких дисциплин, как статистическая механика, теория квантов и ядерная физика. Ученый принял активное участие в создании первого ядерного реактора, что спустя несколько лет привело к появлению атомной бомбы, навсегда изменившей ход истории. Он был необыкновенным физиком, опередившим свое время, прообразом современного ученого, который вместо того, чтобы замыкаться в своей гениальности, окружал себя лучшими из лучших и работал в команде. Он запомнился своему поколению не только как великий исследователь, но и как превосходный педагог, взрастивший нескольких будущих лауреатов Нобелевской премии.

---

Тогда он решил попробовать новые элементы. Ферми пропустил кислород, потому что его бомбардировку надо было проводить в воде, и, бомбардируя фтор, сумел активировать элемент. Отреагировал счетчик Гейгера и на алюминий. Ферми отправил 25 марта 1934 года в журнал La ticerca sdentifica статью «Радиоактивность, наведенная нейтронной бомбардировкой. I», чтобы ее как можно скорее опубликовали.

В статье ученый давал интерпретацию полученных результатов для каждого элемента. Римская цифра I означала, что за этой статьей должны были последовать и другие из этой же серии, что и произошло.

Ферми понимал, что сила современной науки кроется в совместной работе. Он тут же подключил к новым исследованиям Амальди и Сегре. Помощники с энтузиазмом отнеслись к первым же результатам и предложили химику Оскару Д’Агостино присоединиться к ним (он как раз вернулся в Рим после работы в лаборатории Жолио-Кюри). Ферми отправил Разетти в Марокко телеграмму, в которой объяснял ситуацию и спрашивал, как приступать к сбору материала (речь шла обо всех элементах периодической таблицы!). Готовился поистине обширный эксперимент.

Команда исследовала более 60 элементов и открыла 40 новых радиоактивных изотопов. И это не все. При бомбардировке ядер более тяжелых элементов, тория (Z = 90) и урана (Z = 92), ученые обнаружили два новых элемента с атомным номером, превышающим 92. В статье Possible Production of Elements of Atomic Number Higher than 92 («Возможное образование элементов с атомным номером выше 92»), опубликованной в журнале Nature, элементы были названы гесперий и аузоний. Количество полученных данных и открытых радиоактивных элементов поразило группу исследователей. Возможно, поэтому ученые не обратили должного внимания на блестящую идею немецкого физика и химика Иды Ноддак (1896-1978) о возможности деления ядер урана на изотопы уже известных атомов. Время деления ядра еще не пришло.

В мае 1934 года Ферми предложил создавать искусственным образом несуществующие на Земле элементы, например элемент 93, который он, как ему казалось, получил в ходе некоторых экспериментов по бомбардировке урана. Корбино, выступая на конференции перед королем Виктором Имануилом III, рассказал о достижениях научной группы Ферми и обрисовал перспективу создания новых элементов. Фашистская пресса тут же подхватила эти слова, воздавая похвалы ученым и подчеркивая огромный вклад итальянской науки в развитие человечества — науки, «поощряемой фашистским режимом», и говоря об открытии элемента-93 как о свершившемся факте. Ферми очень рассердился на Корбино. Он не хотел никакой рекламы, особенно если речь шла о лжи мировому сообществу. Слишком много сил он потратил на то, чтобы заслужить репутацию, и ученый не хотел ее разрушить. Корбино понял сложность положения, однако было поздно: из скандальной европейской прессы новость докатилась до The New York Times.

МЕДЛЕННЫЕ НЕЙТРОНЫ

Осенью 1934 года Ферми поручил Амальди и Бруно Понтекорво подсчитать количество радиации, излучаемой каждым бомбардируемым элементом. Амальди тем летом был вместе с Сегре в Кембридже и опубликовал там в журнале Proceedings of the Royal Society анализ на тему «Радиоактивность, наведенная нейтронной бомбардировкой». Амальди знал, что условия эксперимента оказывали значительное влияние на количество испускаемой радиации.

Между 18 и 22 октября того же года Амальди и Понтекорво изучили поглощающие свойства таких материалов, как свинец, в зависимости от величины вещества и условий эксперимента. В свинцовую коробку они поставили цилиндр из серебра, а счетчик Гейгера разместили позади источника нейтронов радона-бериллия (см. рисунок на следующей странице). Ученые провели несколько опытов с цилиндрами одинаковых размеров, но из разных материалов, меняя их положение в коробке. Измеряемая радиоактивность менялась в зависимости от положения цилиндров, и ученые не понимали причин этого.

Амальди и Понтекорво поделились трудностями с Ферми и Разетти. Те изменили эксперименты так, чтобы устранить возможные причины ошибок: Разетти был уверен (и совершенно справедливо), что для уменьшения статистических ошибок нужна большая точность. Амальди вместе с Понтекорво поняли, что радиоактивность менялась в зависимости от того, проводились опыты на деревянном или мраморном столе. Тогда Ферми предложил проделать все то же самое вне свинцовой коробки: радиоактивность менялась даже при приближении металлических или других предметов. Тогда он посоветовал поместить между нейтронным источником и серебряным цилиндром различные материалы. Несколько дней все «ребята с улицы Панисперна» участвовали в опытах.

Некоторые свинцовые плиты, помещенные между источником и цилиндром, увеличивали радиоактивность. Тогда Ферми решил попробовать то же самое с блоком парафина, и радиоактивность выросла в огромное количество раз. Медленные нейтроны могли увеличивать радиоактивность.

Схема бомбардировки в эксперименте Ферми.

Объяснялось это так: при столкновении с легкими атомами, такими как атомы воды или парафина, некоторые нейтроны отдавали им часть своей энергии, не будучи при этом поглощенными, а затем, после нескольких столкновений, приобретали скорость, свойственную материалу, становясь так называемыми термическими нейтронами, которые увеличивали свою эффективность при столкновениях с цилиндром, так как с большей легкостью вступали в резонанс с ядрами атомов серебра. Поэтому деревянные столы способствовали небольшому увеличению радиации по сравнению с мрамором: они сильнее сдерживали нейтроны. В структуре парафина и дерева находятся ядра водорода, которые содержат протон с массой, близкой к массе нейтрона, поэтому торможение нейтронов облегчало их взаимодействие с ядрами атомов серебра.

Ферми предложил провести опыт с большим количеством воды. Если его теория была верна, то большое количество водорода в воде произвело бы такой же эффект, что и парафин. Исследователи решили пойти к фонтану в частном саду сенатора Корбино, который, будучи начальником отделения, жил на четвертом этаже здания на улице Панисперна. Погрузив нейтронный источник и серебряный цилиндр в воду, они увидели, что, как и ожидалось, радиоактивность значительно увеличилась. Ферми был прав. В ту же ночь ученые написали статью для La ricerca scientifica под названием «Влияние водородсодержащих веществ на радиоактивность, наведенную нейтронами», за которой последовали еще несколько работ, дополняющих ее.

Через пару дней после этого вторжения Корбино увиделся с исследователями в лаборатории и попытался убедить их больше ничего не публиковать о медленных нейтронах. Сначала Ферми был очень удивлен, но прагматичный Корбино объяснил ему свою позицию: их открытие могло быть использовано в промышленных целях, а потому его надо запатентовать. Он сразу понял, что радиоактивные изотопы можно применять, например, в медицине как маркеры, а также в ядерных технологиях. В декабре того же года ученые начали готовить документы, и 26 октября 1935 года Ферми, Разетти, Сегре, Амальди, Д’Агостино, Понтекорво и Трабакки (химический поставщик) получили первый патент (под номером 324458). В 1953 году после нескольких лет разбирательств правительство США выплатило 400 тысяч долларов за права на этот патент, по 24 тысячи долларов Ферми и каждому из членов группы, а также покрыло все судебные издержки.

К сожалению, когда в ходе бомбардировки урана Ферми увидел, что радиоактивность превышала предполагаемую, он не понял, что речь шла о делении ядра, о котором писала немецкий химик Ида Ноддак. Это была «большая ошибка Ферми», как он сам смиренно признавал, но именно благодаря ей ни у США, ни у Германии не оказалось перед началом Второй мировой войны готовой ядерной бомбы.

В диаграмме Сегре представлено число нейтронов (АО по сравнению с протонами (2) в каждом ядре. Стабильность ядер увеличивалась больше от нейтронов, чем от протонов. Серым обозначен период полураспада изотопов, а черным — зона стабильных ядер.

РАСПАД ГРУППЫ С УЛИЦЫ ПАНИСПЕРНА

Скорость частиц, с помощью которых осуществлялась бомбардировка, имела решающее значение для получения радиоактивных материалов. Получив финансирование от фонда Алессандро Вольты, Ферми между 1935 и 1936 годами отправил Разетти на стажировку в лабораторию Милликена в Пасадину и в Беркли (где Лоуренс разработал ускоритель частиц), Понтекорво — в Париж в лабораторию Жолио-Кюри, а д’Агостино — в Национальный химический институт. Тем временем Сегре в 1935 году женился и получил место заведующего кафедрой экспериментальной физики в Палермо. Вскоре Амальди и Ферми остались в Риме единственными, кто продолжал исследования, начатые с бомбардировок медленными нейтронами и с создания радиоактивных изотопов. Вместе они открыли, что процесс захвата нейтрона ядром обратно пропорционален скорости самого нейтрона. Ферми разработал уравнение диффузии, которое объясняло и поглощение нейтронов ядрами, и диффузию медленных нейтронов. В нем ученый анализировал время жизни нейтрона с момента его создания в источнике до того, как он становился частью материала, с которым сталкивался (то, что сегодня называется временем Ферми). Ферми и Амальди написали несколько статей для La ricerca scientifica и летом 1936 года, воспользовавшись пребыванием в Колумбийском университете, опубликовали полученные результаты в журнале The Physical Review в статье «О поглощении и диффузии медленных нейтронов» Амальди задержался в США на месяц и принял участие в создании линейного ускорителя протонов. Позже Сегре предложил графическое изображение различной способности ядер поглощать нейтроны, известное сегодня как диаграммы Сегре (см. рисунок на предыдущей странице).