Текст книги "Под знаком кванта"

Автор книги: Леонид Пономарев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 22 (всего у книги 31 страниц)

ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ

Можно понять огорчение Ирэн и Фредерика Жолио-Кюри, когда они узнали об открытии Чэдвика. Но они были истинные ученые: радость научного поиска, а не уколы самолюбия направляли их действия, и они с новым энтузиазмом продолжили свои исследования. Их усилия вскоре увенчались успехом: они открыли искусственную радиоактивность.

В начале 1934 г. они облучали а-частицами алюминий и, как прежде, наблюдали излучение с большой проникающей способностью. Теперь им уже было ясно, что происходит ядер-ная реакция

а + НА1 >?₅°Р + п,

то есть при захвате а-частицы ядром алюминия излучается нейтрон и образуется ядро одного из изотопов фосфора. Но дальше опять начиналось непонятное: облученный алюминий испускал не только нейтроны, но и позитроны, частицы с массой электрона, но заряженные положительно. Их существование предсказал Поль Дирак в 1928 г., но в это мало кто верил, пока Карл Дэвид Андерсон (р. 1905 г.) не открыл их в 1932 г. в космических лучах, почти одновременно с доказательством реальности нейтрона.

Факт излучения позитронов можно было понять, допустив, например, существование 0-распада протона на нейтрон, позитрон и нейтрино:

Р –»-n+e⁺ + v,

который вполне аналогичен реакции 0-распада нейтрона, но протекает в обратном направлении. Такое допущение может показаться неправдоподобным: хорошо известно, что ядра атомов водорода стабильны, иначе водород уже давно бы исчез на Земле. Однако устойчив лишь свободный протон,

И. Жолио-Кюри

Ф, Жолио-Кюри

а останется ли он стабильным при включении его в состав любого ядра – за это нельзя поручиться заранее: мы ведь знаем, что скорость распада нейтрона в ядре отличается от скорости распада свободного нейтрона, он может при этом стать даже стабильным.

Одним словом, сам факт излучения позитронов был хотя и непривычным, но его удавалось как-то истолковать. Непонятно было другое: когда убирали источник а-частиц, поток нейтронов прекращался сразу же, а излучение позитронов продолжалось, причем оно подчинялось хорошо известным законам радиоактивного распада с периодом полураспада 2,5 мин. Почему? Откуда? При взгляде на схему ядерной реакции выбора не остается: позитроны должны излучаться ядрами образовавшегося изотопа фосфора:

зор –30_{Si + e++v}

В результате этого радиактивного распада образуется редкий изотоп кремния, содержание которого в природном кремнии составляет примерно 3 %. Но фосфор, из которого он образуется, в природе отсутствует. Этот новый, искусственно полученный изотоп супруги Жолио-Кюри назовут впоследствии радиофосфором — после того, как докажут, что по химическим свойствам он идентичен элементу фосфору.

Какими бы убедительными ни были аргументы физиков, какие бы схемы ядерных реакций они ни писали, химик все равно им не поверит, пока ему не дадут химического доказательства образования новых элементов при ядерных превращениях. Но как это сделать? Для обычного химического анализа необходимо иметь хотя бы микрокрупинку вещества, по крайней мере не меньше чем 10~⁸ г, то есть примерно 10¹⁴ атомов. А при облучении алюминия а-частицами за разумное время может образоваться в лучшем случае несколько миллионов, то есть 10⁶ атомов. Однако если атомы фосфора – не простые, а радиоактивные, то химические доказательства его образования получить все-таки можно, используя так называемую «реакцию с носителем». Ее идея проста и остроумна: вначале к раствору, где химики подозревают наличие радиофосфора, приближают счетчик Гейгера – Мюллера, который сразу же начинает трещать, отзываясь даже на ничтожные примеси атомов радиофосфора. Затем в этот раствор добавляют большое количество обычного фосфора и после осаждают его с помощью подходящего реактива. Вместе с добавленным фосфором в осадок выпадает и подозреваемый радиофосфор. Дальнейшее просто: к осадку и к оставшемуся раствору поочередно приближают счетчик Гейгера, и если вблизи осадка он щелкает, а в растворе – молчит, значит, действительно в исходном растворе был радиофосфор, который затем полностью перешел в осадок. Вот так примерно и было получено первое химическое доказательство искусственного превращения элементов в процессе ядерных реакций.

Радиофосфор 15Р – первый радиоактивный изотоп, несуществующий в природе и все же полученный человеком. Потом их получат множество – свыше тысячи. Пройдет всего 11 лет, и в пустыне Аламогордо взорвется первая атомная бомба, начиненная несколькими килограммами изотопа плутония ²94Ри, которого еще за 5 лет до этого в природе не существовало.

Открытие Ирэн и Фредерика Жолио-Кюри немедленно удостоили Нобелевской премии за 1935 г.– настолько всем очевидна была его важность. Мария Кюри не дожила до этого дня: она умерла осенью 1934 г. Но перед смертью она все же успела прикоснуться обожженными радием пальцами к пробирке с радиофосфором и услышать щелканье счетчика Гейгера – Мюллера. Ирэн и Фредерика постигнет та же участь: оба они умрут от последствий радиоактивного облучения. Но прежде им еще предстоит пережить фашистское нашествие и построить первый атомный реактор во Франции.

МЕДЛЕННЫЕ НЕЙТРОНЫ

Великому итальянскому физику Энрико Ферми в истории атомной энергии принадлежит исключительная роль. Принято считать его теоретиком, однако Нобелевскую премию он получил за работу по экспериментальной физике, а Нацио-

нальная академия в Риме присудила ему почетную медаль за работы по химии... Любая из научных специализаций была для него узка, он был естествоиспытателем в самом точном и широком смысле этого слова. Такая универсальность – качество в XX веке чрезвычайно редкое – оказалась совершенно необходимой при решении проблемы атомной энергии, где каждый шаг был – в неизвестность.

Ферми был одним из первых, кто сразу же понял, что нейтрон – это идеальное средство для исследования

ядерных реакций и простейший способ получения новых радиоизотопов. Главное отличие и преимущество нейтрона – его электронейтральность, которая позволяет ему беспрепятственно проникать в ядра любых, даже самых тяжелых элементов.

Летом 1934 г. группа молодых итальянских физиков, из которых самому младшему – Бруно Понтекорво – было 20, а самому старшему – Ферми – всего 33, увлеченно экспериментировала. Их приборы были просты: радон-бериллиевый источник нейтронов и счетчики Гейгера – Мюллера. Постановка задачи предельно ясная: облучить различные элементы нейтронами и посмотреть, что при этом происходит. Поле деятельности обширное – вся периодическая система элементов, а сил и энтузиазма – не занимать: впоследствии понадобилось написать более десяти статей, чтобы описать свойства нескольких десятков новых радиоизотопов, которые они при этом получили.

Когда нейтрон поглощается каким-либо ядром /X с зарядом Z и массовым числом N, оно превращается в изотоп ^{N +} zX, который в свою очередь стремится избавиться от лишнего нейтрона. Самый простой путь – превратить нейтрон в протон, испустив при этом электрон и антинейтрино. При таком ^-распаде ядра образуется ядро нового элемента Y с зарядом ядра Z + 1 и массовым числом N+ 1, то есть происходит последовательность ядерных реакций:

_{n +} N_X —. n+i_x _Д n + >Y₊e ₊ v-.

Несмотря на внешнее сходство, этот процесс получения искусственных изотопов сильно отличается от схемы Жолио-Кюри, которую можно представить в следующем 253

виде:

В обоих случаях из элемента с зарядом ядра Z образуется элемент Y с зарядом ядра Z+1, но изотопы при этом получаются разные: в опытах Ферми – с массовым числом N-j-1, а в опытах Жолио-Кюри – с N+3. И, конечно, если у Жолио-Кюри облученная а-частицами мишень испускала позитроны, то у Ферми та же мишень, облученная нейтронами, испускала электроны.

Например, при облучении алюминия у Жолио-Кюри получалось:

а у Ферми:

(Земная кора на 28 % состоит из смеси изотопов кремния; из них uSi составляет 92,2 %, ilSi – 4,7 % и i2Si – 3,1 %.)

Достаточно очевидно, что способ Ферми получения новых изотопов предпочтительнее: он проще и универсальнее. В короткое время «мальчики» Ферми облучили 68 элементов и в 47 из них наблюдали искусственную радиоактивность, то есть синтезировали сразу полсотни новых изотопов.

Но главное их открытие состояло не в этом: 22 октября 1934 г. они вдруг с удивлением обнаружили, что нейтроны в сотни раз эффективнее захватываются ядрами атомов, если между мишенью и источником нейтронов поместить кусок парафина либо же опустить мишень под воду (благо, во дворе института в Риме был бассейн с золотыми рыбками). Их удивление длилось целых два часа – до тех пор, пока Ферми с присущим ему изяществом не набросал контуры нового физического явления. Суть его объяснения проста. Молекулы воды НгО состоят из кислорода и водорода, а масса нейтрона практически равна массе протона. Поэто-

му при столкновениях нейтрона с ядрами водорода он быстро замедляется – в десятки раз быстрее, чем при столкновении с тяжелыми ядрами,– а после этого легко вступает в ядер-ные реакции.

Удивление обычно является следствием столкновения неожиданных фактов с инерцией мышления. За много лет физики привыкли к мысли, что ядро – это хоть и неосязаемое, но весьма прочное нечто, и чтобы его изменить, необходимо как можно сильнее разогнать снаряд – будь то а-частица или протон. Для этой цели изобрели даже ускорители. А для нейтрона все оказалось строго наоборот: чем медленнее он двигался, тем охотнее поглощался ядрами. Причин тому две: во-первых, он не отталкивается, а притягивается ядрами, и, во-вторых, он подчиняется законам квантовой механики.

Открытие ядерных реакций, вызванных замедленными нейтронами, не выглядит столь эффектно, как открытие самого нейтрона или искусственной радиоактивности, однако именно ему суждено было великое будущее: без него нельзя ни запустить ядерный реактор, ни понять принцип его работы.

Участники этого исторического эксперимента безошибочно почувствовали его значительность: в тот же вечер 22 октября 1934 г. они-собрались на квартире Ферми и глубокой ночью закончили статью под названием «Влияние водородосодержащих веществ на радиоактивность, наведенную нейтронами». В 1938 г. «за открытие искусственной радиоактивности, вызванной бомбардировкой медленными нейтронами», Энрико Ферми был удостоен Нобелевской премии.

ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР

Среди множества элементов, которые «папа Ферми» (такой же непогрешимый в науке, как папа римский в вопросах веры) со своими «мальчиками» облучил медленными нейтронами в то памятное лето 1934 г., был и уран. Подобно большинству других элементов, после облучения нейтронами он становился p-активным, то есть испускал электроны. Это-то и было особенно интересным: ведь уран в то время занимал последнее место в таблице Д. И. Менделеева. Заряд его ядра равен 92, поэтому если ядро урана захватит нейтрон и затем испустит электрон, то его заряд увеличится на единицу, а уран превратится в следующий за ураном «трансурановый элемент» согласно схеме реакции

n+²92U –► ²92U –> ²93X-f-e4-V.

Из опытов Ферми такой вывод следовал настолько естественно, что даже без детальной его проверки он сразу же стал научной сенсацией и достоянием газет. В этом согласном хоре раздавались, однако, и критические голоса, о которых вспомнили лишь несколько лет спустя: немецкие радиохимики супруги Ида и Вальтер Ноддак, открывшие элемент рений, уже в 1934 г. допускали, что Ферми видел не образование трансурановых элементов, а осколки ядра урана. Но большинство радиохимиков еще не были готовы к таким радикальным заключениям и принялись искать «трансурановые» элементы.

Немецкий радиохимик Отто Ган (1879—1968), ученик Рамзая и Резерфорда, в течение многих лет терпеливо и тщательно распутывал цепочки радиоактивных превращений, открыл элемент протактиний и изомерию ядер. В 1937 г. совместно с Лизе Мейтнер (1878—1968) и Фрицем Штрассма-ном (1902—1980) он решил повторить опыты Ферми по облучению урана нейтронами. Он наблюдал при этом обычную p-активность с периодом полураспада 23 мин, и, поскольку эту активность никак не удавалось отделить от урана, они согласились с Ферми, что это действительно p-распад ²92U с превращением его в новый неизвестный элемент ²эзХ. Но в отличие от Ферми они были профессиональными химиками и, прежде чем объявить о своем открытии, хотели найти химические доказательства образования нового элемента. Последовала новая серия экспериментов, которая летом 1938 г. была прервана: Лизе Мейтнер, спасаясь от преследований нацистов, эмигрировала в Швецию.

Осенью 1938 г. Ган и Штрассман возобновили опыты, используя при этом все тот же метод «реакций с носителем». Облучив уран нейтронами, они его растворяли, добавляли в раствор соли бария и затем осаждали барий. Оказалось, что вместе с барием в осадок выпадает и p-активное вещество. Ган и Штрассман решили, что это радий-231, который мог бы образоваться из ²9гП путем двух последовательных а-распа-дов и который по своим химическим свойствам весьма похож на барий. Но что-то мешало им немедленно сообщить об этом заключении, да к тому же в аналогичных опытах Ирэн Кюри и Павле Савича происходило тоже нечто непонятное: они как будто наблюдали лантан. В конце концов, после бесконечных проверок, Ган и Штрассман убедились, что их p-активность от радия отделить можно, но отделить ее от бария никакими силами не удается. За этот результат Отто Ган, радиохимик с тридцатилетним стажем, мог поручиться. И все же сомнения оставались, и в своей статье Ган и Штрасс-

ман честно в них признавались: «Как химики мы должны заменить символы Ra, Ас и Th в нашей прежней схеме на Ba, La и Се. Как «химики-ядерщики», в определенном смысле близкие физике, мы еще не можем решиться на этот шаг, противоречащий всем прежним представлениям ядерной физики».

Нам трудно понять сейчас их недоумение: уже в школе мы знаем, что ядро урана делится, и не находим в этом ничего странного. Попытаемся, однако, взглянуть на это явление глазами первооткрывателей и если не понять, то хотя бы почувствовать корень их сомнений. Прежде всего, они – химики, и химический элемент для них – некая чрезвычайно устойчивая индивидуальность, которая остается невредимой, пройдя через жар и холод, бесконечные растворения, кристаллизации и бурные химические реакции. Лишь недавно они с большим трудом привыкли к тому, что иногда, в процессе радиоактивного распада ядер, один элемент может превратиться в другой. Но самое большее, чего можно было в этом случае добиться,– это передвинуть элемент в таблице Менделеева на одну, максимум на две клетки. Но ведь порядковый номер бария равен 56 – почти вдвое меньше порядкового номера урана! И если поверить в то, что барий действительно образуется из урана, придется допустить, что элементы по таблице Менделеева можно перемещать, как вздумается,– ни один химик с этим смириться не может.

22 декабря 1938 г. Ган и Штрассман направили в печать статью с описанием своих опытов. Накануне Отто Ган написал письмо Лизе Мейтнер, в котором поделился своими сомнениями,– с ней его связывали 30 лет дружбы, работы и совместных открытий. Она получила письмо незадолго до рождественских каникул, которые намеревалась провести в отеле небольшого городка Кунгалв близ Гётеборга. Там навестил ее племянник Отто Роберт Фриш (1904—1979), тоже физик, эмигрировавший в Копенгаген и работавший в то время в институте Нильса Бора. Сообща они довольно быстро поняли, что Ган и Штрассман наблюдали развал ядра урана при захвате им нейтрона (чуть позже они по предложению биолога Уильяма Арнольда ввели общепринятый теперь термин деление ядра — по аналогии с делением клетки, точно так же, как за четверть века до них Резерфорд ввел понятие «ядро атома» по аналогии с ядром клетки). Но– самое главное – они тут же поняли, что при таком делении должна выделяться огромная энергия. После работ Астона было известно, что энергия связи на один нуклон в ядре урана равна 7,6 МэВ, а для ядер элементов, расположенных

9 Л. И. Пономарев 257 в середине таблицы Менделеева,– значительно больше – 8,5 МэВ. Чем больше энергия связи ядра, тем оно прочнее и тем больше его дефект массы, то есть разность между массой ядра и массой составляющих его нуклонов, и тем большая энергия выделяется при образовании ядра. Поэтому при делении ядра урана с атомным весом 235 должна освобождаться энергия

Д£=(8,5 —7,6) МэВ-235^200 МэВ,

то есть почти в пять раз больше, чем во всей цепочке радиоактивного распада – от урана до свинца. Теперь мы уже знаем, что это действительно огромная энергия, и можем понять волнение Фриша и Мейтнер, когда они впервые на клочке бумаги проделали этот простенький подсчет: из него следовало, что при делении ядер, заключенных в 1 г урана, выделяется энергия, равная 8-1O¹⁰ Дж, то есть теплота, запасенная в 3 т угля.

По возвращении в Копенгаген Фриш успел рассказать все эти новости Нильсу Бору чуть ли не на пристани у трапа парохода, увозившего Бора на несколько месяцев в Америку, а сам немедленно принялся готовить эксперимент по проверке гипотезы о делении ядер урана. Во второй половине дня

13 января Фриш начал свой эксперимент, к 6 часам утра

14 января убедился в том, что гипотеза о делении ядер урана правильна, а 16 января он уже отослал в редакцию журнала «Nature» статью с изложением результатов экспериментов.

С этого момента события вошли в стремительный и крутой поворот, и счет времени идет не на годы и месяцы, а на недели и дни. Но это уже другая история, и, чтобы в полной мере понять смысл составляющих ее событий, нам необходимо предварительно усвоить несколько простых следствий основных принципов квантовой механики.

ВОКРУГ КВАНТА

Письма о делении

Поздно вечером в понедельник 19 декабря 1938 г., за два дня до отправки статьи в печать, Отто Ган пишет Лизе Мейтнер: «Весь день я и неутомимый Штрассман, при поддержке Либер и Бонне, работали с продуктами урана. Сейчас как раз 11 часов вечера; в четверть двенадцатого хотел вернуться Штрассман, так что я могу собираться домой. Что-то все-таки есть в этих «изотопах радия», причем такое редкое, 258

что мы пока сообщаем только тебе... Они отделяются от всех элементов, кроме бария... Хотя еще нельзя исключить случайного стечения обстоятельств, мы все же все более приходим к ужасному заключению: наши изотопы радия ведут себя не как радий, а как барий... Я договорился со Штрассманом, что мы пока скажем это только тебе. Может быть, ты сможешь предложить какое-нибудь фантастическое объяснение. Мы, конечно, знаем, что не может произойти распад в барий, но хотим еще проверить, не имеет ли возникающий из «радия» изотоп актиния свойств лантана, а не актиния... Не верится, чтобы мы так долго заблуждались...»

21 декабря 1938 г., Мейтнер – Гану: «Ваши результаты с радием ошеломляют. Процесс, обусловленный медленными нейтронами и приводящий к барию!.. Признать такой необычный распад, мне кажется, пока очень трудно, но мы пережили в ядерной физике столько неожиданностей, что уже ни о чем нельзя сказать прямо: это невозможно...»

21 декабря 1938 г., Ган – Мейтнер: «Со вчерашнего дня мы суммируем наши доказательства о барии – радии... На их основе, как «химики», мы должны сделать заключение, что три хорошо изученных нами изотопа являются не радием, но, с точки зрения химика, барием... Актиний, возникающий из изотопов, вовсе не актиний, но, скорее всего, излучающий лантан!!»

22 декабря 1938 г. статья Гана и Штрассмана поступила в редакцию журнала. В ней они писали: «Кроме того, мы должны сказать о некоторых новых исследованиях, результаты которых из-за их странности мы сообщаем лишь с колебанием... Мы приходим к заключению: наши «изотопы радия» имеют свойства бария. Как химики, мы, собственно, должны сказать, что новое вещество – не радий, а барий; о других элементах не может быть и речи».

28 декабря 1938 г., Ган – Мейтнер: «Я хочу поскорее сообщить тебе еще кое-что о моих бариевых догадках: может, Отто-Роберт сейчас у тебя в Кунгалве и вы сможете обсудить это... Вот моя новая догадка: если бы было возможно урану-239 расщепиться на барий и мазурий, 138 + 101 дали бы 239!.. Возможно ли это энергетически? Я этого не знаю; я знаю только, что наш радий обладает свсйствами бария...»

29 декабря 1938 г., Мейтнер – Гану: «Ваши результаты с радием – барием очень интересны. Отто-Роберт и я уже сломали себе головы».

1 января 1939 г., Мейтнер – Гану, после прочтения рукописи статьи Гана и Штрассмана: «Может быть, это энергетически и возможно расщепиться тяжелому ядру».

3 января 1939 г., Мейтнер – Гану: «Теперь я почти убеждена, открыли распад в барий, и считаю это действительно прекрасным результатом, с которым сердечно поздравляю тебя и Штрассмана...»

5 января 1939 г., Ган – Мейтнер: «Сегодня я больше не уверен, даже снова боюсь за барий; не радий ли это все-таки? Никак не могу поверить в это».

6 января 1939 г. вышел номер журнала «Naturwissen-schaften» со статьей Гана и Штрассмана «О доказательстве существования и свойствах щелочноземельных металлов, возникающих при облучении урана нейтронами».

10 января 1939 г., Фриш – Гану: «Я накопил уже столько аргументов против трансуранов, что мне трудно согласиться с их оживлением».

16 января 1939 г. в редакцию журнала «Nature» направлены две статьи: «Физическое доказательство деления тяжелых ядер при бомбардировке их нейтронами» Отто Фриша и «Расщепление урана нейтронами: новый тип ядер-ной реакции» Мейтнер и Фриша.

22 января 1939 г., Ган – Мейтнер (после получения рукописей статей Фриша и Мейтнер): «...выходит, все наши трудоемкие опыты после убедительного опыта Отто-Роберта не нужны...»

25 января 1939 г., Мейтнер – Гану: «Вовсе не «нужны», без вашего прекрасного результата о барии вместо радия мы никогда бы не пришли к этому...»

26 января 1939 г., Мейтнер – Гану: «Все сделанное вами в последнее время мне представляется фантастическим. Добрая половина периодической системы встречается среди этих осколков урана...»

Упорное нежелание Гана признать неоспоримые факты, полученные им самим же, кроме объективной сложности явления деления, имело еще и психологические основания. 260

Прежде всего, было нелегко признаться самому себе, что трехлетний напряженный труд по поиску трансурановых элементов (круглосуточное – в три смены – дежурство у счетчиков) оказался напрасным. Кроме того, признавая это публично, он невольно ставил в ложное положение Лизе Мейтнер, поскольку опровергал результаты их совместных работ, но уже без нее. И, наконец, непросто было признать и частичную правоту Ирэн Жолио-Кюри с ее «лантаноподобным веществом», которое в Берлине называли не иначе, как «кюрьозий». И все же научная честность и профессиональная добросовестность победили...

ГЛАВА 15

Таурт

Книга, написанная иероглифами, вызывает у большинства людей лишь поверхностный интерес или легкое недоумение: неужели без них нельзя обойтись? И почему японцы (или китайцы) до сих пор не перешли на буквенное письмо? Однако для специалиста-востоковеда, а тем более для жителей Японии и Китая иероглифы – это не просто средство передачи информации, они хранители истории и культуры народа. В них непостижимым образом уместились не только понятия, им соответствующие, но также история их возникновения и даже отношение к ним людей: бывают «плохие» и «счастливые» иероглифы, и существуют целые картины, состоящие из одного-единственного иероглифа. Понятно, что словами содержание такой картины можно пересказать лишь приблизительно.

Природу «атомного огня» удается объяснить только на языке квантовых понятий. Чтобы однозначно закрепить их смысл, изобретена система символов, которые чем-то сродни иероглифам. Несколько таких иероглифов мы уже знаем. Например, при виде символа волновой функции ф у нас в сознании возникает целая совокупность образов и ассоциаций: от бесформенной волны-частицы до строгих рядов формул, ее представляющих. Теперь нам предстоит усвоить еще по крайней мере три «квантовых иероглифа»: туннельный эффект, сечение реакции, квантовый резонанс. Без них дальнейшее изложение если и не лишено интереса, то в значительной мере бесполезно.