Рис. 2.
<- | Страница 31 | ->
атомных центров, то эта вероятность есть nπr2/А, что является просто отношением суммарной площади всех кружков радиуса r описанных вокруг точек, ко всей площади. Если рассматривать атомы как непроницаемые стальные диски, а ударяющуюся частицу как пулю пренебрежимо малого диаметра, то это отношение есть вероятность попадания пули в какой-нибудь стальной диск, т.е. вероятность остановки атомного снаряда слоем. Если предметом измерения служит доля тех из ударяющих частиц, которые проходят сквозь слой, то полученное поперечное сечение можно назвать полным тормозным поперечным сечением атомов. Это понятие можно распространить на всякое взаимодействие между ударяющей частицей и атомами мишени. Например, вероятность того, что α-частица, попавшая в мишень-бериллий, вырвет из ядра нейтрон, можно заменить эквивалентным поперечным сечением бериллия для реакции этого типа.
1.46. В ядерной физике принято считать, что диаметры сталкивающихся частиц пренебрежимо малы. Поэтому научное определение поперечного сечения для любого ядерного процесса выражается так:
число происходящих процессов / число первоначальных частиц = (число ядер в мишени на см2) * (поперечное сечение ядра в см2),
Следует заметить, что это определение дано для поперечного сечения на ядро. Поперечные сечения могут быть вычислены для любого процесса, например, для захвата, рассеяния, вырывания нейтронов и т.д. Во многих случаях число частиц, испускаемых или рассеиваемых в ядерных процессах, не измеряется непосредственно; измеряют только ослабление параллельного пучка первоначальных частиц, вызванное помещением на его пути определенного вещества известной толщины. Поперечное сечение, полученное таким путем, называется полным поперечным сечением и обозначается буквой σ.
1.47. Как указывалось в параграфе 1.11, диаметр ядра имеет порядок 10-12 см. Мы можем поэтому ожидать, что для ядерных реакций поперечные сечения будут порядка πd2/4 или, грубо 10-24 см2, и эта величина обычно служит единицей для их выражения. Фактически же наблюдаемые поперечные сечения меняются в очень широких пределах. Так, для медленных нейтронов
<- | Страница 32 | ->
в реакциях (n, γ), поперечное сечение в некоторых случаях достигает величины
1.48. Мы говорили свободно об эквивалентности массы и энергии и о ядерных реакциях, таких, например, как реакция действия протонов на литий, когда высвобождается энергия в сравнительно больших количествах. Теперь спросим себя, почему атомные силовые установки не возникли во всем мире в тридцатых годах? В конце концов, коль скоро мы можем получить не тонны или граммы, а миллионные доли грамма. Величина энергии, требовавшейся для выполнения эксперимента, была всегда значительно больше энергии, освобождаемой в процессе ядерной реакции.
1.49. Нейтроны весьма действенны для осуществления ядерного распада. Почему они не применялись? Если их первоначальным источником был пучок ионов, обстреливающий мишень, то имели место ограничения, разобранные в предыдущем параграфе. Если же применялся радиево-бериллиевый источник, то трудность состояла в том, что радий встречается в природе в очень малых количествах.
1.50. Обычные наши источники энергии, кроме солнца и воды, суть химические реакции сжигание угля и нефти. Эти реакции
<- | Страница 33 | ->
освобождают энергию в результате перегруппировок в внешних электронных оболочках атомов тот же процесс, который дает энергию нашему телу. Горение есть самораспространяющийся процесс; так, если зажечь спичку, то выделившегося тепла хватит для воспламенения окружающего топлива, которое выделит еще тепло, зажигающее топливо дальше, и т.д. В описанных нами выше ядерных реакциях это, вообще говоря, не так: ни выделившейся энергии, ни вновь образовавшихся частиц не достаточно для поддержания реакции. Но мы можем представить себе ядерные реакции, сопровождающиеся испусканием частиц того же вида, что и частицы, вызвавшие эти реакции, и притом в количестве, достаточном для продолжения реакции в соседних ядрах. Такая саморазвивающаяся реакция называется "цепной реакцией", и такие условия должны быть достигнуты, если энергию ядерных реакций мы желаем применять в большом масштабе.
1.51. Хотя в тридцатых годах атомные силовые установки не были построены, было много открытий в области ядерной физики и достаточно много чисто теоретических работ. Г. Бете выдвинул теорию для объяснения образования теплоты солнца посредством цикла ядерных превращений, в которых участвуют углерод, водород, азот и кислород; этот цикл реакций в конечлом счете при- водит к образованию гелия.
(Ряд постулированных реакций был такой:
(1) 6C12 + 1H1 > 7N13
(2) 7N13 > 6C13 + 1e0
(3) 6C13 + 1H1 > 7N14
(4) 7N14 + 1H1 > 8O15
(5) 8O15 > 7N15 + 1e0
(6) 7N15 + 1H1 > 6C12 + 2He4
Конечный результат превращение водорода в гелий и позитроны (обозначенные через 1e0) и выделение около тридцати миллионов электрон-вольт энергии.)
Теперь эта теория общепринята. Открытие нескольких ядерных реакций типа (n, 2n) (т.е. реакций, которые вызываются нейтронами и сами производят нейтроны) указывало на то, что при соответствующих условиях может начаться саморазвивающаяся цепная реакция. Много было разговоров об атомной энергии; некоторые рассуждения велись
<- | Страница 34 | ->
также и об атомных бомбах. Но последний важный шаг в этот подготовительный период был сделан лишь после четырех лет ошибок и исканий. Некоторые талантливые физики исследовали действие бомбардировки нейтронами ядер урана, самого сложного из всех известных элементов. Результаты были поразительны, но вызвали недоумение. История их постепенного истолкования представляет собой запутанный и сугубо специальный, но увлекательный рассказ о теории и эксперименте. Оставляя в стороне ранние несостоятельные объяснения, мы сразу перейдем к окончательному объяснению, которое, как это часто бывает, сравнительно просто.
1.52. Как уже упоминалось, нейтрон оказался частицей, наиболее пригодной для осуществления ядерных превращений. Особенно это относилось к элементам с самыми высокими атомными номерами и атомными весами; у этих элементов большой заряд ядра обусловливает значительные отталкивательные силы, действующие на дейтроны или протоны, но не действующие на незаряженные нейтроны. Результаты бомбардировки урана нейтронами оказались интересными и загадочными. Изученные впервые в 1934 г. Ферми и его сотрудниками, эти результаты были правильно объяснены лишь через несколько лет.
1.53. 16 января 1939 года Нильс Бор (Копенгаген, Дания) прибыл в США, чтобы провести несколько месяцев в Принстоне (Нью-Джерси); он с нетерпением ждал случая обсудить некоторые теоретические вопросы с А. Эйнштейном. (Четыре года спустя Бор вынужден был бежать из оккупированной нацистами Дании на маленьком пароходе). Как раз перед тем, как Бор покинул Данию, двое из его сотрудников О.Р. Фриш и Л. Мейтнер (оба эмигранты из Германии) поделились с ним своей догадкой о том, что поглощение нейтрона ядром урана иногда вызывает расщепление этого ядра на две приблизительно равные части, сопровождающееся освобождением колоссальных количеств энергии; этот процесс стал вскоре называться "делением" ядра. Поводом для этой гипотезы послужило важное открытие О. Гана и Ф. Штрасмана в Германии (опубликовано в первых числах января
<- | Страница 35 | ->
1939 г. в журнале Naturwissenschaften), которые доказали, что при действии нейтронов на уран получается изотоп бария. Немедленно по приезде в Соединенные Штаты Бор сообщил эту мысль своему ученику Дж.А. Уилеру и другим в Принстоне, а от них эта новость постепенно стала известна физикам соседних городов, в частности Э. Ферми в Колумбийском университете. В результате бесед между Ферми, Дж.Р. Данингом и Дж.Б. Пеграмом, в Колумбии были предприняты поиски больших ионизационных импульсов, которых следовало ожидать от летящих осколков уранового ядра. 26 января 1939 г. в Вашингтоне состоялась конференция по теоретической физике, созванная Вашингтонским университетом и институтом Карнеги в Вашингтоне. Ферми покинул Нью-Йорк, чтобы принять участие в этой конференции, раньше, чем были проделаны в Колумбийском университете опыты по делению ядра.
На конференции Бор и Ферми обсуждали проблему деления, и, в частности, Ферми упомянул, что могут испускаться нейтроны. Хотя это было лишь догадкой, из нее с очевидностью вытекала возможность цепной реакции. По вопросу о делении в печати был опубликован ряд сенсационных статей. Прежде чем конференция в Вашингтоне закончилась, было предпринято несколько других экспериментов, чтобы подтвердить наличие деления ядер, и в четырех лабораториях (Колумбийский университет, Институт Карнеги в Вашингтоне, Университет Джона Гопкинса, Калифорнийский университет) это было экспериментально подтверждено, о чем сообщалось в Physical Review от 15 февраля 1939 г. К этому времени Бор узнал о том. что подобные же эксперименты были произведены в его лаборатории в Копенгагене около 15 января. (Письмо Фриша в Nature, от 16 января 1939 г., опубликованное в номере от 18 февраля). В Comptes Rendus (Париж) 30 января 1939 г. Ф. Жолио также опубликовал свои первые результаты.
С тех пор непрерывный поток научных докладов о делении ядер не прекращался, так что к тому времени, когда Тэрнер написал большую обзорную статью на эту тему (6 декабря 1939 г.), напечатанную в Reviews of Modern Physics появилось уже около сотни научных докладов. Полный анализ и обсуждение этих работ даны в статье Тэрнера и в других местах.
<- | Страница 36 | ->
1.54. Рассмотрим предположение Фриша и Мейтнер в свете двух главных закономерностей, обнаруженных в строении ядра: во-первых, относительное число нейтронов в ядре возрастает с атомным номером; во-вторых, энергия связи, отнесенная к частице, достигает максимума для ядер с промежуточными атомными номерами. Допустим, что ядро
Рис. 2.
мы получим два ядра с атомным номером 46 и массовым числом 119. Самый тяжелый устойчивый изотоп палладия (Z=46) имеет массовое число лишь 110. Следовательно, чтобы достигнуть устойчивости, два воображаемые новые ядра должны выбросить девять нейтронов, превратившись в ядра 46Pd110; или четыре нейтрона в каждом ядре должны превратиться в протоны, испуская электроны, тем самым образуя устойчивые ядра олова с массовым числом 119 и атомным номером 50; могут осуществиться и другие какие-либо комбинации этих испусканий и превращений, дающие некоторые новые пары устойчивых ядер. В действительности, как показали Ган и Штрасман на примере бария (Z=56, A= от 135 до 140), как продукта деления, расщепление происходит таким образом, что получаются две неравные части с массовыми числами около 140 и 90, с испусканием нескольких нейтронов и последующим
<- | Страница 37 | ->
радиоактивным распадом путем испускания электронов, которое не прекращается до тех пор, пока не образуются устойчивые ядра. Вычисления на основании данных об энергии связи показывают, что всякая такая перегруппировка дает общую результирующую массу, значительно меньшую, чем первоначальная масса ядра урана, и таким образом должно освободиться большое количество энергии.
1.55. Очевидно, из явления деления вытекали три главные следствия: освобождение энергии, получение радиоактивных веществ и возможность нейтронной цепной реакции. Выделившаяся энергия могла обнаружиться в кинетической энергии осколков деления и в последующем радиоактивном распаде продуктов. Возможность нейтронной цепной реакции зависела от того, выбрасывались ли фактически нейтроны, что нуждалось в исследовании.
1.56. Таковы были задачи, возникшие благодаря открытию деления. О характере этих задач сообщалось в журналах в 1939 и 1940 г.г., а с тех пор результаты исследований в значительной мере сохранялись в тайне. Изучение самого процесса деления, ядер, включая получение нейтронов и быстрых осколков, выполнялось в основном физиками с помощью счетчиков, камер Вильсона и т.д. Изучение продуктов деления и определение их природы производились главным образом химиками, которым приходилось быстро разделять субмикроскопические количества веществ и совершать повторные определения периодов полураспада неустойчивых изотопов.
Резюмируем состояние научных знаний к июню 1940 года.
Основные факты о ядерном делении открыты и сделаны достоянием научного мира. Цепная реакция не осуществлена, но ее возможность по крайней мере в принципе ясна, и намечены несколько путей, которые могли бы привести к цели.
1.57. Все перечисленные ниже сведения были общеизвестны к июню 1940 г. в Соединенных Штатах и за границей:
(1) Три элемента уран, торий и протактиний при бомбардировке их нейтронами иногда расщепляются на приблизительно
<- | Страница 38 | ->
равные осколки, являющиеся изотопами элементов средней части периодической таблицы, от селена (Z=34) до лантана (Z=57).
(2) Большинство осколков неустойчиво; осколки претерпевают радиоактивный распад последовательным испусканием β-частиц, переходя через ряд элементов к различным устойчивым изотопам.
(3) Осколки обладают очень большой кинетической энергией.
(4) Деление тория и протактиния вызывается только быстрыми нейтронами (со скоростями порядка тысяч миль в секунду).
(5) Деление урана может быть вызвано как быстрыми, так и медленными (тепловыми) нейтронами: тепловые нейтроны вызывают деление только
(6) При некоторых скоростях поперечное сечение захвата нейтронов
(7) Энергия, освобождаемая при делении ядра урана, составляет около 200 миллионов электрон-вольт.
(8) В процессе деления выбрасываются быстрые нейтроны.
(9) Среднее количество нейтронов, испускаемых при одном делении, составляет от одного до трех.
(10) Очень быстрые нейтроны теряют энергию путем неупругих соударений с ядрами урана; при этом какие-либо ядерные реакции не происходят.
(11) Большая часть этих сведений находилась в согласии с полуэмпирической теорией строения ядра, разработанной Бором и Уилером и другими; это говорило о том, что предсказания, основанные на этой теории, должны оправдаться.
1.58. Казалось вероятным, что радиационный захват нейтронов ураном-238 должен приводить, после двух последовательных β-превращений, к образованию ядра с Z=94 и А=239. Выводы из теории Бора-Уилера и некоторые эмпирические соотношения, установленные Л.А. Тэрнером и другими, подсказывали, что это
<- | Страница 39 | ->
ядро должно быть довольно устойчиво, испускать α-частицы и делиться при бомбардировке тепловыми нейтронами. Позднее в частных письмах и беседах стали появляться догадки о важности такого теплового деления для поддержания цепной реакции. В современных обозначениях и при существующем уровне наших знаний эта реакция запишется так:
92U238 + 0n1 > 92U239 > 93Np239 + -1e0
93Np239 > 94Pu239 + -1e0,
где Np и Pu химические символы двух новых элементов, нептуния и плутония, 0n1 нейтрон, а -1e0 обычный (отрицательный) электрон. Плутоний-239, по предположению, может делиться под действием тепловых нейтронов. Это будет подробно рассмотрено в последующих главах.
1.59. К 1940 году ядерные реакции напряженно изучались уже свыше десяти лет. Было опубликовано несколько обзорных статей и издано несколько книг по ядерной физике. Для получения и управления частицами, которыми обстреливается ядро, для изучения искусственной радиоактивности, а также для разделения ничтожно малых количеств химических элементов, получаемых при ядерных реакциях, была разработана новая техника. Массы изотопов были точно определены. Были также измерены поперечяые сечения захвата нейтронов. Были разработаны способы замедления нейтронов. Наблюдались физиологические действия нейтронов; они даже были испытаны для лечения рака. Все подобные сведения были известны всем, но они были весьма неполны. Много было еще пробелов и неточностей. Техника была слишком громоздка, а количества имеющихся веществ были ничтожно малы. Хотя основные принципы были ясны, теория изобиловала непроверенными допущениями, и производить вычисления было трудно. Предсказания, сделанные в 1940 г. разными физиками, одинаково известными и талантливыми, часто сильно расходились. Предмет исследований во многом напоминал скорее искусство, чем науку.
1.60. Оглядываясь на 1940 год, мы видим, что все предпосылки для серьезных попыток решения проблемы производства атомных
<- | Страница 40 | ->
бомб и управления атомной энергией были налицо. Была доказана эквивалентность массы и энергии. Было доказано, что нейтроны, начав деление урана, сами воспроизводились при этом процессе, и что, поэтому, могла осуществиться, с силою взрыва, расходящаяся цепная реакция. Разумеется, никто не знал, можно ли будет достичь требуемых условий, но многие ученые ясно представляли себе все проблемы и возможные пути их решения. Следующая глава дает постановку задач и помогает понять достижения последних пяти лет.
К Главе II