Выход учёных разных стран на проблему деления ядра урана

Открытие нейтрона и создание к этому же времени первого высоковольтного ускорителя ионов дало в руки учёным новые инструменты для проникновения в ядро атома.

Английский физики Дж. Кокрофт и Э. Уолтон в первой половине 1932 года, бомбардируя ускоренными протонам литиевую мишень, добились расщепления ядер атома лития.

Необходимо отметить, что в Советском Союзе, в Харьковском физико-техническом институте учёные-физики К.Д. Синельников, А.К. Вальтер, А.И. Лейпунский и Г.Д. Латышев повторили спустя несколько месяцев – к ноябрю 1932 г. эксперимент на каскадном генераторе, созданном харьковчанами, и расщепили ядро лития. Это сообщение произвело на Западе фурор, так как никто не мог ожидать, что в далёком Харькове есть такие кадры физиков и возможности создать каскадный генератор в короткие сроки.

В международной дискуссии учёных, о строении ядра возникшей после открытия нейтрона, физик-теоретик Д.Д. Иваненко в 1932 г. высказал гипотезу о протон-нейтронном составе ядра. Хотя эта модель и не была сразу принята, но дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования подтвердили её.

В 1934 году Э. Ферми предполагая, что при бомбардировке нейтронами атомов природного урана, удастся получить заурановые элементы, не существующие в природе, наблюдал образование ряда радиоактивных веществ. Это были осколки (части) ядер урана, разделённых под действием нейтронов. Это впервые осуществлённое в истории физики деление ядер урана не было в тот момент правильно понято ни Ферми, ни коллегами учёными.

Но через несколько лет работы Ферми и аналогичные работы его друга Э. Сегре привлекли широкое внимание учёных к проблеме и возможности деления ядер урана.

В конце 1934 года известный физико-химик Ида Ноддак высказала в одной из статей тезис о распаде ядер тяжёлых элементов под действием нейтронов на несколько больших осколков, которые являются изотопами известных элементов, хотя и не соседних с облучёнными. Это высказывание тоже осталось без внимания.

В 1938 г. в опытах И. Кюри и П. Славича было установлено, что при попадании нейтрона в ядро урана, оно разваливается и получается элемент со свойствами лантана. Они были уже очень близки к открытию деления урана, к сенсации в физике.

Но добиться окончательного результата удалось в декабре 1938 года группе немецких физиков Отто Гану, Луизе Мейтнер и её племяннику О. Фишеру. Именно они ввели термин «деление ядер» и показали, что ядра урана-235 делятся под действием медленных нейтронов.

К этому результату привели работы учёных многих стран.

В Советской России в 1919 г. был основан Петроградский государственный рентгенологический и радиологический институт с физико-технологическим, оптическим, радиевым и медико-биологическими отделами. Через сравнительно короткое время эти отделы преобразовались в самостоятельные институты.

В 1923 г. был основан Ленинградский физико-технический институт (ЛФТИ), возглавил его А.Ф. Иоффе. ЛФТИ считается кузницей кадров советских учёных, занимающихся овладением ядерной энергией, школой прославленных советских физиков, крупнейших учёных, таких как А.Ф. Иоффе, А.П. Александров, А.И. Алиханов,

Л.А. Арцимович, А.И. Алиханьян, И.К. Кикоин, И.В. Курчатов, Н.Н. Семёнов, Д.В. Скобельцын, Г.Н. Флёров, Я.И. Френкель, Ю.Б. Харитон.

В 1922 г. был основан Радиевый институт Академии наук (РИАН). Возглавлявшему его В.И. Вернадскому принадлежат вещие слова, произнесённые в 1922 году: «Мы подходим к великому перевороту в жизни человечества, с которым не может сравниться всё им раньше пережитое. Недалеко время, когда человек получит в свои руки атомную энергию, такой источник, который даст ему возможность строить свою жизнь, как он захочет». (Автор считает, что так бы и было, если б мир не был разделён по национальным, политическим и экономическим признакам).

В 1932 г. в РИАН начинает сооружаться мощный синхронный ускоритель ионов на 4 млн. электрон-вольт. Это была тогда единственная установка такого рода в Европе.

В 1932 г. в Москве основан Физический институт Академии наук (ФИАН). Здесь над важными исследованиями по высвобождению и использованию энергии атомного ядра работали такие корифеи науки как И.Е. Тамм, И.М. Франк, В.И. Векслер, П.А. Черенков, С.И. Вавилов, Н.Г. Басов, А. М. Прохоров и многие другие.

В 1934 г. Черенков и Вавилов открывают свечение жидкостей при движении в ней электронов, в 1935 году Курчатов с группой учёных открывают явление ядерной изомерии искусственных радиоактивных ядер. В 1935 г. Я.И. Френкель (ЛФТИ) предложил (независимо от Н. Бора) капельную модель ядра и сформулировал основы теории деления тяжёлых ядер).

Результаты работ по делению ядер урана, изложенные в двух статьях О. Гана и Ф. Штрассмана в январе 1939 года, были сразу же проверены в нескольких лабораториях и подтвердились. Качественный процесс деления был объяснён учёными сразу трёх стран: Бором (Дания), Уилером (США) и Френкелем (СССР).

Интерес к проблеме деления урана вспыхнул во всех странах с новой силой. На внеочередном заседании в 1939 году так называемого «ядерного семинара», который регулярно проводил в ЛФТИ И.В. Курчатов, было высказано предположение, что при бомбардировке урана нейтронами возникают не только крупные осколки, но и свободные нейтроны. Присутствовавшие на семинаре Ю.Б. Харитон и Я.Б. Зельдович развили мысль, что свободные нейтроны могут быть захвачены соседними урановыми ядрами и реакция станет нарастать лавиной, то есть по принципу цепной реакции, а это взрыв! В том же 1939 г. Харитон и Зельдович показали возможность осуществления цепной реакции деления ядер урана-235.

В 1940 г. Курчатов с группой своих сотрудников, куда входили Г.Н. Флёров и К.А. Петржак, организовав исследования на одной из глубоко заложенных шахт московского метро (для исключения влияния космического радиационного излучения), открыл спонтанное самопроизвольное деление ядер урана. Сообщение об этом значительном открытии было немедленно отправлено каблограммой по трансатлантическому кабелю в американский журнал «Physikal Review», где и было опубликовано. В США перед этим подобные эксперименты проводились в Калифорнийском университете, но успеха не имели.

Деление тяжёлого ядра урана сопровождается выделением энергии осколков порядка 200 МэВ и выделением 2,5 свободных нейтрона на один акт деления. Это большое количество энергии получается за счёт перераспределения энергии связи приходящейся на один нуклон в ядре атома урана и в ядрах осколков деления. Или, иначе говоря, с высвобождением какой-то части дефекта массы при этом процессе.

Хотя, как показывают расчёты этот дефект массы составляет всего примерно 0,1% массы ядра урана, но в соответствии с соотношением Эйнштейна Е = mC², где скорость света С в квадрате представляет большой числовой коэффициент пропорциональности массы и энергии, равный 3•10²⁰ см/сек, и происходит выделение такого большого количества энергии. В популярных изданиях обычно приводят такой пример. Полное деление 1 кг урана приводит к высвобождению 2•10¹⁰ ккал, что эквивалентно энергии, высвобождающейся при взрыве 20 тыс. т тротила.

Понимая ценность мощного циклотрона в исследованиях атомного ядра, И.В. Курчатов добился согласия на строительство в ЛФТИ циклотрона на 12 МэВ, который должен был быть построен в ЛФТИ к началу 1942 года. Его запуску помешала война. Он был введён в эксплуатацию в 1949 году.

Циклотрон хорошо виден с улицы при подходе к Ленинградскому Политехническому институту, и мы, студенты, идя на занятия мимо большого серебристого купола циклотрона, до какой-то степени были горды какой-то сопричастностью к раскрываемым с помощью этого уникального инструмента тайнам микромира.

Недавно (март-апрель 2000 г.) в передаче по телевизионному каналу «Культура», которую ведёт вице-президент Российской академии наук Велихов, было сообщение, что в европейском исследовательском центре «ЦЕРН» на встречных пучках протонов мощностью в десятки миллиардов электронвольт были получены уникальные результаты подобные в миниатюре явлению большого взрыва, с которого началась расширяющаяся вселенная. Гипотеза о большом взрыве в настоящее время достаточно хорошо обоснована и во многом подтверждена открытиями Хаббла о разбегающихся галактиках.

Дата добавления: 2015-10-16