Кудрявцев Павел Степанович Курс истории физики

• Название: Кудрявцев Павел Степанович Курс истории физики
• Дата: 22.02.2022
• Размер: 7.55 Mb.
• Имя файла: kurs_istorii_fiziki_rulit_net (1).docx
• Тип: Книга; #370373
• страница: 83 из 86

Открытие ядерной изомерии

В 1935 г. советские физики И. В. Курчатов, Б. В. Курчатов. Л. И. Русинов, Л. В. Мысовский открыли явление ядерной изомерии для радиоактивного брома Вr80. В этом же году И. В. Курчатов работал с реакциями на медленных нейтронах. При этом была выяснена сложная зависимость поглощения нейтронов от скорости, и в частности факт резонансного поглощения нейтронов, факт резонансного поглощения нейтронов был установлен ферми. Курчатов обобщил результаты исследований по расщеплению ядра в вышедшей в 1935 г. книге «Расщепление атомного ядра».

Э. ферми, продолжая исследования радиоактивности, возбужденной нейтронной бомбардировкой, подтвердил существование ядерной изомерии, открытой Курчатовым.

«Мы, – писали ферми, Амальди, Д'Агостино, Понтекорво, Сегре, – также констатировали существование третьего радиоактивного изотопа Вr с периодом около 36 ч, обнаруженного Курчатовым и др., подтвердили их опыты по р-лучам».

В работе 1936 г. «О поглощении и диффузии медленных нейтронов», написанной совместно с Э. Амальди, Э.Ферми также подтвердил открытое И. В. Курчатовым, Л. А. Арцимовичем, Л. В. Мысовским резонансное поглощение нейтронов. Закон зависимости поглощения нейтронов, согласно которому сечение захвата обратно пропорционально скорости нейтронов, нарушается в ряде случаев. Для определенных скоростей некоторые элементы особенно сильно поглощают нейтроны. Но наиболее волнующим оставался вопрос о трансурановых элементах. В работе по искусственной радиоактивности ферми писал:

«Путем различных химических экспериментов Ган и Мейтнер (здесь ферми ссылается на

статью О. Гана и Л. Мейтнер, опубликованную в том же, 1935 т. – П.К.) также пришли к выводу, что 13-минутная и 100-минутная активности обусловлены, по всей вероятности, трансурановыми элементами. Мы повторили некоторые из их опытов и получили те же самые результаты».

ферми придерживается высказанной концепции в нобелевской лекции 1938 г. Говоря об активных носителях, полученных из урана при бомбардировке их нейтронами, он заключает: «Мы пришли к выводу, что носителем был один или более элементов, с атомным номером большим 92. Элементы 93, 94 у себя в Риме мы назвали авсонием и гесперием соответственно. Известно, что О. Ган и Л. Мейтнер провели очень тщательное и обширное изучение продуктов распада облученного урана и сумели отыскать среди них элементы вплоть до атомного номера 96».

Речь была напечатана в Стокгольме в 1939 г., и при этом ферми пришлось сделать примечание, указывающее на необходимость пересмотра «всей проблемы трансурановых элементов» в связи с открытием Гана и Штрассмана.

Деление урана

Остановимся на истории этого открытия. Оно явилось завершением целого ряда поисков и ошибок.

Вскоре после сообщения ферми о трансурановых элементах немецкий химик Ида Ноддак опубликовала в химическом журнале статью, в которой указывала, что под воздействием нейтронов ядра распадаются на изотопы, отнюдь не являющиеся соседями бомбардирующих элементов, ферми, Ган и другие физики сочли предположение Ноддак абсурдным.

В 1936 г. вопросом о захвате нейтронов заинтересовался Бор. В опубликованной в

«Nature» статье «Захват нейтрона и строение ядра» он указал, что «типичные черты ядерных реакций проявляются при столкновении с нейтронами», и отметил, что «наиболее интересные данные получены ферми и его сотрудниками по искусственной радиоактивности при бомбардировке как быстрыми нейтронами, так и тепловыми нейтронами». Анализируя эти данные, Бор пришел к выводу, что процесс ядерной реакции, обусловленный захватом нейтрона, следует разделить на две не зависящие друг от друга стадии.

Первая стадия заключается в том, что захват нейтрона ядром приводит «к образованию составной системы, характеризующейся замечательной устойчивостью». Это

«компаунд-ядро» находится в возбужденном состоянии, причем энергия распределяется между всеми частицами ядра и в последующем (вторая стадия.– П.К.) может освобождаться в виде гамма-излучения либо «может опять концентрироваться на какой-то частице у поверхности ядра», так что эта частица может покинуть ядро.

Самым существенным моментом в теории Бора было представление о ядре как о сложной системе. Нейтрон взаимодействует не с какой-либо отдельной частицей ядра, а отдает энергию всему коллективу частиц, образующих ядро. Теория, «опирающаяся на соответствующее применение задачи одного тела... теряет всю свою ценность» в случае захвата нейтрона ядром, «где мы с самого начала имеем дело с существенно коллективными аспектами взаимодействия между составляющими ядро частицами».

О теории Бора рассказывал на сессии физико-математического отделения Академии наук СССР в марте 1936 г. И. Е. Тамм в докладе о проблеме атомного ядра. Я. И. Френкель, выступая по докладу, говорил: «В связи с теорией Бора ясно, что сложное ядро до некоторой степени подобно твердому или жидкому телу, состоящему из большого числа частиц, сильно связанных друг с другом. Отсюда возникает весьма естественно мысль, нельзя ли рассматривать ту энергию, которую нейтрон, приставший к ядру, сообщает всей совокупности частиц, образующих его как своего рода тепловую энергию. При этом состояние системы характеризуется некоторой температурой, соответствующей этой энергии и числу частиц. Нагретое ядро имеет некоторые шансы испариться, и это испарение является

той дезынтеграцией, которая воспринимается нами в виде вылетающего из ядра нейтрона или протона или альфа-частицы...».

Свои мысли Я. И. Френкель облек в статью, опубликованную в том же, 1936 г. под заглавием «О «твердой» модели тяжелых ядер». Бор согласился с этой идеей Я. И. Френкеля и в лекции «Превращение атомных ядер», прочитанной весной 1937 г. в США и в июне того же года в СССР, говорил о «температуре» ядра, которая «повышается» в результате захвата нейтрона, причем ядро «деформируется», совершая упругие колебания. Бор указывал, что испускание нейтрона ядром «представляет особенно удачную аналогию испарению жидкого или твердого тела при низких температурах», и отмечал, что «Я. И. Френкель впервые предложил применить к вероятности вылета нейтрона из составного ядра обычную формулу для испарения».

Однако ни Бор, ни Френкель не стали развивать идею о ядре как жидкой капле, они остановились на «твердой» модели. Как экспериментаторы, так и теоретики очень близко подходили к явлению деления, но, загипнотизированные всей совокупностью представлений о ядерных реакциях, не могли увидеть сути дела.

Упомянем еще об одном теоретическом результате 1938 г. Ганс Боте предложил теорию, объясняющую энергию звезд. Согласно этой теории энергия выделяется в результате синтеза ядер водорода в ядра гелия. Боте предложил углеродно-азотный цикл, приводящий в конечном счете к превращению водорода в гелий, сопровождающийся выделением значительной энергии.

В 1938 г. наступила развязка сложной ситуации, вызванной результатами, полученными ферми. Сложность ситуации объяснялась обилием радиоактивных изотопов, к тому же открытие изомерии Курчатовым еще более осложнило обстановку. Распутать цепочку продуктов, получающихся в результате бомбардировки урана нейтронами, было непросто. Ирен Кюри, работая сначала с Хальбаном, а потом с югославом Павлом Савичем, получила радиоактивное вещество с периодом полураспада 3,5 ч, напоминающее торий. Ган, проверяя этот результат, показал, что продукт, который Кюри и Савич потом стали называть R (3,5 ч), не может быть торием. Ирен Кюри и Савич согласились с выводом Гана и, продолжая исследования, показали, что R (3,5 ч) по свойствам напоминает актиний и еще больше лантан. Они констатировали, что продукт R (3,5 ч) выделяется вместе с лантаном: «В целом свойства R (3,5 ч) такие же, как свойства лантана». Но лантан не радиоактивен, и они полагали, что активный продукт можно отделить от лантана. Заметка об опытах И. Кюри и П. Савича была опубликована летом 1938 г.

Ган в то время работал вместе со Штрассманом, так как Л. Мейтнер эмигрировала после захвата Австрии Гитлером в Стокгольм. Прочитав статьи Кюри и Савич, Ган был поражен, он подумал, что Кюри и Савич совершенно запутались, и решил тщательно проверить их опыты. Ган рассуждал так: если R (3,5 ч) – аналог лантана, то его материнский продукт должен походить на радий, аналогичный барию. Наблюдаемый Ганом и Штрассманом мнимый радий, действительно, обладал всеми свойствами радия. 20 декабря 1938 г. в результате многих опытов по идентификации нового элемента они установили окончательно, что в числе продуктов бомбардировки, несомненно, имеется барий. «Как химики, – писали они в своем сообщении, – мы должны из этих кратко описанных опытов существенно изменить приведенную выше схему и вместо символов Ra, Ac, Th вставить символы Ва, La, Се. Как «ядерные химики», тесно связанные с физикой, мы не можем решиться на этот шаг, противоречащий всем предыдущим экспериментам».

Статья Гана и Штрассмана была опубликована в январе 1939 г. под заглавием «О доказательстве возникновения щелочноземельных металлов при облучении урана нейтронами и их свойствах». Но еще до публикации статьи Ган прислал Мейтнер письмо с изложением своих результатов. К Мейтнер в это время на рождественские каникулы приехал ее племянник Отто Фриш, работавший у Бора. Мейтнер показала ему письмо Гана и на скептическое отношение фриша к содержанию письма сказала, что дело очень важное и необходимо объяснить получение бария из урана. Во время лыжной прогулки они решили

задачу: ядро делится на осколки, приобретающие под действием электростатического отталкивания энергию около 200 МэВ, что как раз составляло энергию, связанную с дефектом массы.

Вернувшись в Копенгаген, фриш сообщил об этой интерпретации открытия Гана и Штрассмана Бору, уезжавшему в Америку. «Я помню, как он хлопнул себя по лбу, едва я начал говорить, и воскликнул: «О какие мы были дураки! Мы должны были заметить это раньше».

Фриш провел соответствующий эксперимент с ионизационной камерой, «с помощью которой можно было без труда наблюдать большие импульсы, возникающие от ионизации, производимой осколками деления».

16 января фриш и Мейтнер опубликовали статью, в которой, в частности, был впервые употреблен термин «деление», подсказанный Фришу американским биологом Арнольдом.

26 января 1939 г. в Вашингтоне на конференции по теоретической физике Бор сообщил об открытии деления урана. Не дожидаясь конца доклада, физики один за другим стали покидать заседание, чтобы проверить сообщение в своих лабораториях. Изучение деления проводил ф. Жолио. 30 января 1939 г. он сообщил Парижской Академии наук об экспериментальном доказательстве расщепления ядер урана и тория под действием нейтронов. 20 февраля 1939 г. он продемонстрировал деление ядер урана (Жолио говорил о

«взрыве») методом камеры Вильсона, получив фотографию деления. 8 марта того же года Жолио совместно с Хальбоном и Коварским опубликовал в «Nature» заметку, в которой сообщал об испускании нейтронов при ядерном взрыве урана. «Несомненно, – писали они, – что наблюдаемое явление представляет интерес с точки зрения осуществления экзоэнергетических цепных реакций». В напечатанной 7 февраля статье «Резонансные явления в расщеплении урана и тория» Бор указал, что эффект деления связан с захватом нейтрона ядром «редкого изотопа урана-235».

В апреле 1939 г. Я. И. Френкель выступил со статьей, в которой деление тяжелых ядер U, Th при захвате нейтрона объяснил как «следствие капиллярной неустойчивости жидкой капли, обладающей большим электрическим зарядом».

28 июля 1940 г. Н. Бор и Дж. Уиллер представили статью «Механизм деления ядер», в которой было дано «объяснение механизма деления ядра на основе модели ядра как жидкой капли». Модель жидкой капли, которая могла бы предсказать деление ядер, начала активно

«работать» при объяснении механизма деления. Бор и Уиллер показали, что под действием медленных нейтронов делятся изотопы урана-235 и что нейтроны, наблюдаемые при делении, «не могут возникать в самом процессе деления». «Запаздывающее излучение нейтронов действительно является результатом ядерного возбуждения, которое сопровождает бета-распад нейтронов».