Книга Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Это все равно что спалить целый лес одной спичкой. Энергии спички достаточно, чтобы поджечь один лист, под действием выделяемой при сгорании листа энергии воспламеняются близлежащие предметы и так далее. Ситуацию, когда продукт реакции необходим для продолжения реакции, химики называют цепной реакцией. С помощью (n, 2n)-распада можно было бы вызвать ядерную цепную реакцию.

Однако этот способ не работает. Во всех случаях необходимы очень быстрые нейтроны высокой энергии. Хотя в результате попадания быстрого нейтрона в ядро-мишень углерода–12 два нейтрона и высвобождаются, они по сравнению с ускоренным нейтроном слишком медленные, чтобы вызвать новую реакцию.

Это все равно что пытаться поджечь мокрый лес. Можно зажечь небольшой огонек, но его энергии не хватит для того, чтобы высушить соседние участки дерева и поджечь их; огонек погаснет. Впрочем, все это не так уж и плохо. В воздухе всегда присутствуют свободные нейтроны низкой энергии. Если бы этой энергии было достаточно для возникновения ядерной цепной реакции, то на большей части земной поверхности постоянно происходили бы ядерные взрывы и планет в современном понимании просто бы не существовало. Сам факт существования Земли говорит о том, что (n, 2n)-распад не может вызвать цепную реакцию атомов обычных элементов.

Ситуация не менялась до 1939 года. Хотя физики и знали, что во Вселенной присутствуют колоссальные запасы ядерной энергии, использовать их на практике пока не представлялось возможным. Некоторые даже считали, что способа использовать эту энергию просто не существует. Резерфорд, например, был убежден, что об источнике ядерной энергии можно лишь мечтать. Он умер всего лишь за несколько лет до того, как эту мечту удалось воплотить в жизнь.

Деление ядра

В конце 1930-х годов ситуация с использованием ядерной энергии резко изменилась. Ферми решил, что в результате бомбардировки урана тепловыми нейтронами ему удалось получить элемент 93. В какой-то мере он оказался прав, но он также вызвал и другие ядерные реакции, спутавшие результаты и оставившие ученого в замешательстве.

Другие физики, занимавшиеся этой проблемой, также пребывали в недоумении. В процессе всех изученных до этого ядерных реакций, как естественных, гак искусственных, испускались очень легкие частицы, самой тяжелой из которых была альфа-частица. Поэтому физики полагали, что различные виды радиоактивного излучения бомбардируемого урана принадлежат атомам, чьи размеры лишь ненамного уступают размерам атома урана.

В 1938 году немецкий физик Отто Ган вместе с австрийским физиком Лизе Майтнер обнаружили, что если добавить к бомбардируемому урану соединения бария, то после этого во время любых химических реакций барий проявлял определенные радиоактивные свойства. Так как с химической точки зрения барий очень похож на радий (в периодической таблице радий следует сразу за барием), Ган предположил, что они имеют дело с изотопом радия.

Однако что бы Ган ни предпринимал, он так и не смог отделить предполагаемую бариевую составляющую радия. Не помогли даже обычные способы выделения бария из радия. Постепенно Ган начал понимать, что он имеет дело не с изотопом радия, а с радиоактивным изотопом бария.

Вы только вдумайтесь в это. Атомное число изотопов бария равно 56, что на 32 единицы меньше, чем атомное число атомов урана. Для того чтобы превратиться в изотоп бария, атому урана нужно испустить целый поток из 8 альфа-частиц. Однако во время бомбардировки альфа-частиц это не было обнаружено. Видимо, во время поглощения нейтрона ядро атома урана, грубо говоря, просто-напросто раскалывается на две половинки. Этот процесс называют делением ядра урана или более общим термином — деление атомного ядра, так как делятся не только атомы урана.

В результате деления ядра изотоп съезжает с вершины «энергетической горки» еще дальше, чем в результате обычных ядерных преобразований. В обычных условиях уран распадется до свинца, коэффициент уменьшения массы которого ниже; во время деления ядра уран превращается в барий и криптон, коэффициенты уменьшения массы которых еще ниже.

Таким образом, превращаясь в результате обычных ядерных преобразований в свинец, 1 г урана теряет около ¼ мг массы, в то время как при делении ядра 1 г урана теряет около 1 мг массы. Другими словами, в результате деления каждый грамм урана выделяет в 4 раза больше энергии, чем при обычном преобразовании.

Деление ядра урана легко объясняется с точки зрения модели структуры ядра Бора. Согласно этой модели, ядро представляет собой нечто вроде капли жидкости. В отличие от модели с оболочками, согласно которой нуклоны заполняют различные оболочки и ведут себя определенным образом, по боровской модели атомного ядра они хаотично соударяются, аналогично молекулам в капле жидкости.

Если в такое ядро попадает еще один нейтрон, то ею энергия быстро распределяется между всеми нуклонами, поэтому ни у одного из них уровень энергии не повышается настолько, чтобы он мог вылететь из ядра. Ядро может испустить избыток энергии в виде гамма-луча, однако существует вероятность, что все ядро начнет колебаться, подобно тому как в аналогичных условиях начинает колебаться капля воды. В результате этого ядро может разделиться на два ядра.

Деление ядра урана не всегда идет одинаково. Коэффициент уменьшения массы у ядер среднего размера отличается не сильно, и в одном случае ядро может разделиться в одной точке, а в другом случае — в другой. Как результат, образуется множество различных радиоизотопов в зависимости от того, каким именно образом прошло деление ядра. Все эти изотопы называются продуктами деления. В большинстве случаев ядро делится на неравные части: массовое число большего ядра колеблется в пределах от 135 до 145, а меньшего — от 90 до 100.

В 1948 году среди продуктов деления были обнаружены изотопы элемента 64. Элемент получил название «прометий», поскольку его удалось выхватить из «ядерной топки» так же, как греческому полубогу Прометею удалось выхватить огонь из Солнца.

В результате образования относительно небольших продуктов деления уран превращается в один из элементов, соотношение n/p которых меньше. Для образования ядер продуктов деления нужно меньше нейтронов, чем есть в ядре исходного атома урана, и эти избыточные нейтроны высвобождаются. Поэтому в результате деления ядра каждый атом урана высвобождает два-три нейтрона.

Возникает вопрос. Если в результате деления ядра атом урана испускает больше энергии, чем в результате обычного распада, тогда почему вместо распада не происходит спонтанного деления ядра урана? Скорее всего, для начала деления ядро атома урана должно поглотить небольшое количество энергии, за счет которой оно взберется на «энергетическую горку» и начнет скатываться, то есть необходимо что-то вроде «ядерного зажигания», подобно тому как для возгорания спички необходимо тепло от трения.

Чем выше энергетический порог, тем меньше вероятность того, что ядро сможет набрать необходимое для его преодоления количество энергии обычным способом — в результате хаотичного распределения и перераспределения энергии между субатомными частицами. Таким образом, чем выше «энергетическая горка», тем меньше ядер распадается за отдельно взятый промежуток времени и тем дольше период полураспада.