Сюрприз ядерного деления

Проведены четыре года интенсивных исследований облучения урана нейтронами. Ожидалось получение элементов с более высоким атомным номером, чем у урана, т.е. трансурановые элементы. Это было так подразумеваемо, что потребовалось много времени, чтобы зайти в тупик. В какой-то момент реальность удивила ученых, когда выяснилось, что ядро ​​урана распадается на две части.

77 лет назад было открыто явление ядерного деления. Это было одно из самых важных открытий XNUMX-го века, если не самое важное. Не прошло и шести лет, как в Японии была построена и дважды применена атомная бомба. С тех пор развитие военных технологий, связанных с ядерной физикой, влияет на мировую историю. Управляемая цепная реакция ядерного деления также стала чрезвычайно распространенным источником «мирной» энергии, хотя на практике она требует передовых технологий и соблюдения многочисленных норм безопасности. Ядерное топливо перед лицом кризисов или даже истощения запасов ископаемого топлива и растущего населения может помочь удовлетворить мировые потребности в энергии.

В середине 30-х годов выделялись четыре ведущих центра, занимающихся динамично развивающейся ядерной физикой: лаборатория Энрико Ферми в Риме, лаборатория Резерфорда в Кембридже, супруги Жолио-Кюри в Париже и Лиза Мейтнер в Берлине.

Ферми начинает исследования

Нейтрон, открытый в 1932 г. как лишенный электрического заряда, взаимодействует с ядерными силами в атомном ядре и, в отличие от альфа-частиц, не взаимодействует электрически с протонами в ядре. Это хороший инструмент для создания искусственной радиоактивности (см.:).

После открытия явления искусственной радиоактивности Энрико Ферми провел реакции, в которых с помощью облучения нейтронами получил новые примеры искусственной радиоактивности. Он бомбардировал практически все элементы из известной тогда таблицы Менделеева нейтронами. Он получил нейтроны, смешав бериллий с источником альфа-частиц, радием (226Ra). Результатом этой реакции был углерод и нейтроны, т. е. 6Be + a  12C + n. В этих опытах она остановилась дольше только в конце периодической таблицы того времени, на уране с атомным номером 92. В этом случае он получил серию бета-распадов. Продукты этих реакций не обладали свойствами, подобными известным элементам, соседствующим с ураном в периодической таблице. Поэтому Ферми сделал вывод, что он, вероятно, имел дело с новыми элементами с атомными номерами, начинающимися с 93, которые стали известны как «трансурановые».

Берлинская группа

К тому же вопросу обратилась Лиза Мейтнер, профессор физики Берлинского университета, которая в то время была в центре внимания ядерных исследований. Как физик, она знала, что ей потребуется тесное сотрудничество химиков, и убедила Отто Гана, своего давнего коллегу и друга, с которым она работала раньше, и в 1917 году вместе они открыли протактиний с атомным номером 91. Затем к ним присоединился Фриц Штрассманн. , младший химик того же института. Они начали работать вместе и в конце 1934 г. пришли к предварительным выводам, что Ферми был прав. К этому их привело, в частности, два ошибочных предположения, которые затем считались действительными. Это были выводы из экспериментальных фактов, известных в то время. Первая заключалась в том, что в ядерных реакциях происходят лишь небольшие изменения в составе ядра. Во-вторых, предполагается, что трансурановые элементы обладают свойствами, аналогичными переходным элементам. Работу продолжили Мейтнер, Ган и Штрассманн.

После более чем двух лет усилий они записали три процесса, которые, по их мнению, происходили: облучение урана нейтронами вызовет пять последовательных бета-минус-распадов, а продуктами будут элементы с атомными номерами от 93 до 94, 95, 96. до 97. Во втором процессе это были бы три бета-минус-распада с продуктами — элементами в диапазоне от 93 до 95. Период полураспада этих процессов варьировался в широких пределах, от 10 секунд до 66 часов. В третьем процессе будет только один бета-минус-распад с временем полураспада 23 минуты, в результате которого получится элемент с атомным номером 93.

Что касается первых двух реакций, то, по словам Лизы Мейтнер, было подозрительно много бета-минус-распадов, идущих один за другим. Ей казалось, что третье испытание может быть наиболее вероятным. Предвосхищая ход событий, хотелось бы сказать, что такая реакция имеет место, и элемент номер 93, относящийся к редкоземельным, был идентифицирован в 1940 году Эдвином Макмилланом и Филипом Абельсоном. Ни одна из теорий ядерной физики того времени не давала никаких указаний на то, что происходило на самом деле. Ошибка группы состояла в том, что она придерживалась второго предположения о том, что следует искать элементы со свойствами, подобными группе переходных элементов. Приходилось искать свойства и других элементов.

В результате облучения урана нейтронами были получены электронно-излучающие продукты. Фон в этих опытах был очень велик, а остаточного осадка было крайне мало. Это чрезвычайно затрудняло определение результатов экспериментов.

Весной 1935 года группа римских физиков во главе с Энрико Ферми прекратила изучение этих процессов. Работу продолжили Мейтнер, Ган и Штрассманн. После более чем двух лет усилий они записали три процесса, которые, по их мнению, происходили: облучение урана нейтронами вызовет пять последовательных бета-минус-распадов, а продуктами будут элементы с атомными номерами от 93 до 94, 95, 96. до 97. Во втором процессе это были бы три бета-минус-распада с продуктами — элементами в диапазоне от 93 до 95. Период полураспада этих процессов варьировался в широких пределах, от 10 секунд до 66 часов. В третьем процессе будет только один бета-минус-распад с временем полураспада 23 минуты, в результате которого получится элемент с атомным номером 93.

Что касается первых двух реакций, то, по словам Лизы Мейтнер, было подозрительно много бета-минус-распадов, идущих один за другим. Ей казалось, что третье испытание может быть наиболее вероятным. Предвосхищая ход событий, хотелось бы сказать, что такая реакция имеет место, и элемент номер 93, относящийся к редкоземельным, был идентифицирован в 1940 году Эдвином Макмилланом и Филипом Абельсоном.

неслыханное предложение

В сентябре 1934 года Ида Ноддак, химик-неорганик из Германии, прокомментировала деятельность Ферми. Она написала, что он должен сравнить полученные радиоактивные элементы со всеми элементами, и предположила, что можно представить себе, что такое ядро ​​может распадаться на более крупные фрагменты, которые будут изотопами других элементов, а не элементов, соседних с облученными нейтронами. Все, кто интересовался, читали работу Ноддак, но содержание, содержавшееся в ней, было настолько далеко за пределами воображения того времени, что никто не уловил эти блестящие предложения, даже она сама.

Ирен Жолио-Кюри (1897-1956)

Ни одна из теорий ядерной физики того времени не давала никаких указаний на то, что происходило на самом деле. Ошибка группы состояла в том, что она придерживалась второго предположения о том, что следует искать элементы со свойствами, подобными группе переходных элементов. Нужно было искать свойства других изученных элементов, ей удалось покинуть территорию Германии поездом по недействительному австрийскому паспорту и добраться до Нидерландов. Затем, после посещения Бора в Копенгагене, она направилась в Швецию. Она постоянно живет в Стокгольме. Динамичное развитие После середины октября 1938 года Ирен Жолио-Кюри и серб Павле Савич опубликовали информацию о том, что изотоп, существующий среди продуктов реакции, с периодом полураспада три с половиной часа, имеет химические свойства, подобные лантану, с атомным номером из 57. Вернемся к исследованиям берлинской группы, теперь отделившейся. Несмотря на политическую напряженность, почтовое отделение между Берлином и Стокгольмом работало быстро. Лиза и Отто находились в постоянной переписке и, таким образом, регулярно обсуждали друг с другом. Ган и Штрассман предположили, что вещество, полученное Жолио-Кюри и Савиком, с периодом полураспада три с половиной часа, может быть радом. Из радия в результате бета-минус-распада будет получен актиний. 13 ноября 1938 года, во время визита Лизы Мейтнер в Институт Нильса Бора в Копенгагене, Мейтнер и Хан смогли тайно встретиться за городом. Сообщается, что во время этого разговора физик решительно протестовал против того факта, что Ган и Штрассман идентифицировали радий. Чтобы возник совет, должно было быть два частичных выброса.

Побег из Германии

В 1933 году к власти в Германии пришел Гитлер. Лизе Мейтнер происходила из еврейской семьи из Вены. В 1906 году она крестилась и была протестанткой. Ее австрийское гражданство защищало ее от национал-социалистов, но только на время. После аншлюса Австрии ей пришлось тайно бежать из своей лаборатории в столице Третьего рейха в июле 1938 года. Несмотря на запрет на эмиграцию, изданный главой СС Генрихом Гиммлером 

из ученых ей удалось покинуть территорию Германии поездом по недействительному австрийскому паспорту и добраться до Нидерландов. Затем, после посещения Бора в Копенгагене, она направилась в Швецию. Она постоянно живет в Стокгольме.

Динамичное развитие событий

После середины октября 1938 года Ирен Жолио-Кюри и Павле Савич, родом из Сербии, опубликовали информацию о том, что изотоп, присутствующий в продуктах реакции, с периодом полураспада три с половиной часа, имеет химические свойства, подобные лантану, с атомный номер 57.

Вернемся к исследованиям берлинской группы, ныне отделившейся. Несмотря на политическую напряженность, почтовое отделение между Берлином и Стокгольмом работало быстро. Лиза и Отто находились в постоянной переписке и, таким образом, регулярно обсуждали друг с другом. Ган и Штрассман предположили, что вещество, полученное Жолио-Кюри и Савиком, с периодом полураспада три с половиной часа, может быть радом. Из радия в результате бета-минус-распада будет получен актиний. 13 ноября 1938 года, во время визита Лизы Мейтнер в Институт Нильса Бора в Копенгагене, Мейтнер и Хан смогли тайно встретиться за городом. Сообщается, что во время этого разговора физик решительно протестовал против того факта, что Ган и Штрассман идентифицировали радий. Чтобы образовался рад, должно было произойти два альфа-излучения (92U + n  88Ra + 2a), что Мейтнер считал энергетически невозможным. Один нейтрон, думала она, не сможет выбросить из ядра одну, не говоря уже о двух альфа-частицах. Лиз попросила Отто Гана перепроверить.

Продолжая работать над этим советом, Ган и Штрассман 17 декабря поняли, что на самом деле имеют дело не с радием, а со слитком. Радий превратился бы в актиний в результате бета-минус-распада, а барий превратился бы в лантан. Два дня убеждались, что получили актиний или лантан. Хан написал Лизе Мейтнер 19 декабря. В следующем письме, через два дня, он сказал: «Мы не можем молчать о наших результатах, даже если они могут быть физически абсурдными». Он чувствовал, что произошло что-то очень важное, но понятия не имел, что именно. Перед Рождеством 1938 года, 22 декабря, Ган и Штрассман представили в журнал Naturwissenschaften ранее написанную статью о попытках идентифицировать радий. В тексте слово «совет» взято в кавычки. В конце помещают информацию о том, что получили полосу, которая после последовательных бета-минус-распадов дает La и Ce. Они спешили, потому что боялись, что Ирэн Жолио-Кюри и Павел Савич могут опередить их. Статья появилась в следующем номере журнала от 6 января 1939 г., авторами выступили Ган и Штрассманн. Подробный отчет об эксперименте 17 декабря был представлен в том же журнале 28 января 1939 г., когда Ган и Штрассман уже знали, что они открыли.

Теория деления

Во время рождественского сезона Лиза Мейтнер познакомилась с Оттоном Робертом Фришем, своим племянником, физиком, в то время сотрудником Института теоретической физики в Копенгагене. Конечно, они обсуждали последние результаты. Они оба приняли модель капельницы яичка. Фриш заметил, что с ядром размером с ядро ​​урана поверхностное натяжение такой капли может быть достаточно низким, чтобы разбиться на две капли. Его тетя тут же рассчитала по формуле Эйнштейна, по памяти, сколько энергии (около 200 МэВ) может высвободиться из «исчезающей массы» при таком ядерном делении. 16 января 1939 г. Лиза Мейтнер и Отто Р. Фриш представили в журнал Nature совместную статью, содержащую приведенное выше объяснение ядерного деления. О цепной реакции в уране еще не могло быть и речи.

В тот же день Фриш без своей тети представил в тот же журнал вторую статью, описывающую, как можно легко наблюдать деление урана в ионизационной камере. Английский термин ядерное деление, используемый с тех пор в литературе, происходит от визуального сходства этого процесса с делением бактериальной клетки.

Нильс Бор (1885–1962) с Альбертом Эйнштейном (1879–1955), в 1925 г. р. (Фото: Пол Эренфест)

Стоит процитировать весьма спонтанную реакцию Нильса Бора, когда он услышал от Фриша о делении ядер 3 января 1939 года: «Ах, мы все были идиотами! Ах, но это здорово! Именно так и должно было быть!». Физики сразу почувствовали важность и возможные последствия для человечества получения столь высоких энергий в открытой ядерной реакции, и многие из них сразу же приступили к работе в этой увлекательной и перспективной области. Через год вышла известная теоретическая работа «Механизм ядерного деления» Нильса Бора и Джона А. Уилера. В нем уже содержится 140 ссылок на работы по этой теме.

Нобелевская премия

Нобелевскую премию по химии за 1944 год получил в 1945 году сам Отто Ган. Ни Лиза Мейтнер, ни Фриц Штрассман не приняли во внимание вклад в открытие ядерного деления. Это решение вызывало и до сих пор вызывает споры.